山西临汾盆地黄土剖面重金属分布特征及其影响因素.docx

1、Vol.22No.6Dec.2008现代地质GEOSCIENCE山西临汾盆地黄土剖面重金属分布特征及其影响因素侯青叶，杨忠芳(中国地质大学地球科学与资源学院，北京100083)摘要：山西临汾盆地2条黄土剖面重金属分布特征及其影响因素研究表明，Pb、Cu和Zn的垂向变化特征非常相似，而As、Cd和Hg在剖面中的分布特征与前三者不同。各重金属元素在黄土剖面中的变化特征首先均受到黄土源区物质成分的控制，其次不同程度地受到古气候变化的影响。依据Pb、Cu、Zn与各占气候替代性指标(例如磁化率，w(SiO2)/w(A12O3)等)均呈显著相关，As、Cd和Hg与古气候替代性指标的相关性较差，推断剖面中C

2、u、Pb、Zn的分布特征受古气候变化的影响，其原因可能主要是这3个金属元素易以类质同象形式赋存在磁性矿物中；而As、Cd和Hg在剖面中的分布特征与古气候无关。但各重金属元素与源区指示元素的相关性表明其在剖面中的分布特征均受黄土源区物质成分的影响和控制。关键词：临汾盆地；黄土剖面；重金属；古气候；山西中图分类号：P595；X131.3文献标志码：A文章编号：1000-8527(2008)06-0922-07StudyofFactorsControllingonDistributionofHeavyMetalsinLoessProfiles,LinfenBasin,ShanxiProvinceHO

3、LJQing-ye,YANGZhong-fang(SchoolofEarthScienceandResources,ChinaUniversityofGeosciences,BeijingJ00083,China)Abstract:ThispaperfocusesonthedistributionfeaturesoftheheavymetalsinloessprofilesofLinfenBasininShanxiProvince,inordertodiscussthefactorscontrollinggeochemicalbehaviorsofheavymetalsinloesssoil.

4、TheresultssuggestthatPb,ZnandCuhavesimilarverticaldistributioncharacteristics.WhereasAs,CdandHgshowdifferentdistributionpatterns.Pb,CuandZnareatvariancewithpaleo-climateindicatorssuchasmagneticrate,SiO2/AI2O3.Thisindicatesthatpaleo-climatecontrolledthePb,CuandZncontentsinloess.Thereasonforthisisprob

5、ablythattheyareinexistenceasisomorphismofmagneticminerals.As,CdandHgcontentsinloessprofileswerenotaffectedbypaleo-climatc.Therelationshipsbetweenheavymetalsandstableelementsserveasevidencethattheircontentsinloessreflectedthecompositionsofsourcesmaterialsofloess.Keywords:Linfenbasin；loessprofile；heav

6、ymetals；paleo-climate；ShanxiProvince由于工业“三废”的排放，使土壤遭受不同程度的重金属污染。学者们对重金属元素的研究多涉及重金属污染的危害、存在形态、空间分布及治理等方面，4o重金属在土壤中的分布特征、来源及其影响因素也成为众多研究者关注的科学问题7】。土壤剖面中重金属元素的分布特征更多地反映其成土母质、成土过程以及古气候对其影响的信息8-10o黄土剖面中重金属分布与古环境变化的相关性也引起了有关研究者的关注黄土堆积序列在全球古气候变化研究中独树一帜,已有的工作表明黄土堆积序列中记录的多种信息都与古气候直接相关，如磁化率，CaCO3,土壤粒度组成等(12-1

7、31O因此可以通过研究黄土剖面中重金属与各种古气候替代性指标的相关性，来探讨收稿日期：2008-10-05；改回日期：2008-11-06；责任编辑：楼亚儿。基金项目：中国地质调查局“中国区域生态地球化学评价方法体系研究及重要区带生态地球化学评价”(J20()5011-18)。作者简介：侯青叶，女，副教授，1978年出生，地球化学专业，主要从事环境地球化学与生态地球化学的研究工作。Email:qingyehou。黄土堆积过程中古气候对重金属含量变化的影响,这对进一步探讨黄土成土过程重金属的地球化学行为有非常重要的意义。1研究区概况及采样方法临汾盆地为一新生代断陷盆地，在盆地的北部和南部山地与平

8、原接壤地带广泛分布有不同时代的黄土。黄土主要分布在盆地两侧山麓和丘陵地带，在盆地内部赵城以北分布也相当广泛。临汾盆地内的黄土主要为午城黄土、离石黄土和马兰黄土。本研究的2条黄土剖面分别采自临汾市贾德镇和明姜镇的农田区。成土母质为第四系中一上更新统黄土。土壤野外剖面特征见表1。黄土剖面的垂向分层不明显，以1个样/20cm的密度等间距采样，每件样品重量大于1kg,LFP1剖面取样深度为520cm,LFP2取样深度为400cmo观察和采样结束后应先填底土，后填心土，表土仍在上面。2样品处理与分析测试方法土壤样品除去植物根、茎、叶等非土成分，然后室温下风干、磨细、过筛（2mm孔径筛）、混匀、分装，制成

9、待分析试样，样品处理加工过程保证无污染、无混染。依据中国地质调查局地质调查标准测定土壤的pH值，称取10g新鲜土样于50ml高型烧杯中，加入25ml的去离子水。用玻璃棒剧烈搅动12min,静置30mino用缓冲液校正后的pH计测定土壤悬液的pH值。土壤的SiO2.用2。3、Fe2O3.Na2OxK2O.MgO、CaO等常量元素含量的测试采用XRF方法测试，有机碳（TOC）、Pb、Cd、As、Hg、Cu、Zn、Ti、Zr、Sc、Zr、Hf等元素采用ICP-MS、原子吸收法等进行测试。不同测试指标的检出限要求见表2。样品磁化率测定在南京大学地球科学系表生地球化学研究室完成，测量用的仪器为HKB-3

10、型磁化率仪。测试方法参考有关文献叫3剖面地球化学特征3.1土壤理化性质剖面特征土壤的理化性质主要包括pH值、粘粒含量、磁化率、有机质含量等。土壤剖面的pH值变化范围为7.849.27,表明研究区土壤属于碱性土壤。土壤粘粒含量的变化范围为11.34%22.61%,主要属于壤土。有机质是土壤最重要的组成部分之一，土壤中有机质含量的多少不仅决定土壤的营养状况，而且影响土壤中重金属的移动性及其生物有效性。土壤剖面有机质变化特征见图lo0-40cm土壤层有机质含量明显高于其他土壤层位中的含量，表现出表层富集、深层相对稳定的特点，例如，LFP1剖面020cm耕层土壤有机质含量高达2.35%o表1山西省临汾

11、盆地黄土剖面特征Table1CharacteristicsofloessprofilesinLinfenBasin,ShanxiProvince序号剖面编号采样位说剖面野外特征描述1LFP1临汾贾德镇贾德村该剖面周围是大片麦田，采样点为人工挖掘出5m深的垂直剖面；020cm土壤呈黄色，有少许植物根系；20-480cm,土壤性质基本相似，均呈黄色，较硬；500520cm土壤层呈棕红色，较粘。2LFP2临汾明姜镇北伏牛村该剖面周围为大片小麦田，020cm土壤呈红棕色，间少许黑色土粒并有大量植物根系；20160cm土壤呈褐色，比较粘；160200cm土壤呈褐色，含砂；200-400cm壤呈黄褐色，土

12、质比较松软。表2不同氧化物或元素分析检出限要求（氧化物单位：；元素单位no）Table2Requirementsofdetectionlimitstovariousoxidesorelements（oxides：%；elements：10_6）中国地质调查局.生态地球化学评价样品分析技术要求（试行）（DD2005-03）.2005.氧化物检出限级化物检出限元素检出限元素检出限元素检出限Fe2O30.05A12O30.05Ti10As1Se0.01K200.05SiO20.10Zr2Hg0.0005Sc1Na2O0.10CaO0.05Ph2Zn4HfMgO0.05TOC0.10Cd0.03Cu1

13、 中国地质调查局.多目标区域地球化学调查规范（1：250000）（DD2005-01）.2005.需要指出的是，某些深层土壤有机质含量呈现异常高值，LFP2剖面260-300cm壤层中有机质含量明显偏高，呈现出明显的峰值（图1）。W（有机质）/%图1黄土剖面有机质含量垂向变化特征Fig.1Distributionsoforganicmatterinloessprofiles磁化率作为表征物质磁学特征的物理量，能够识别土壤记载的环境变化信息，分析古气候变化规律及其细节，为古环境研究提供可靠的磁学证据，也能用来推断土壤形成过程的环境条件及土壤污染程度L，6-17Jo各剖面的磁化率变化范围比较大（图

14、2）,LFP1剖面中080cm、450520cm土壤中磁化率明显高于其他土壤层，前者的变化w（磁化率）/106SI图2黄土剖面磁化率垂向变化特征Fig.2Distributionsofmagneticrateinloessprofiles范围为103xlO-6212X10-6SI,后者的变化范围为45xlO690xlO6SI；LFP2剖面中磁化率的变化范围为25xIO*108x10-6SI,在剖面250300cm磁化率呈现明显的峰值。3.2土壤重金属剖面特征铜、锌、铅、碑、镉和汞在土壤剖面中的变化特征见图3和图4。2条黄土剖面中各重金属元素含量的变动都非常大。一般情况下，农田区表层土壤受到大气

15、干湿沉降、化肥和灌溉水等的影响，重金属元素在土壤剖面中会表现出表层相对富集的特点18_19而研究区土壤剖面中重金属元素的变化特征显得复杂。LFP1剖面中Cd和Pb从地下100cm到地表其含量逐渐增加，而As和Hg则表现出相反的规律，并且在土壤深部，土壤中各重金属元素含量的变化范围也比较大。LFP2剖面中各重金属元素含量的最大值并不出现在表层土壤，剖面中的变异也非常大。但需要指出的是,在剖面中特定的土壤层中，各重金属元素会表现出相似的规律。例如：在LFP1剖面中100-200cm和400500cm土壤层中，Cu、Zn和Pb都呈现出2个明显的谷，其含量低于相邻土壤层中各元素的含量（图3）；同样在L

16、FP2剖面200300cm,这3个元素均呈现出明显的峰值，其含量高于相邻土壤中各元素的含量（图4）。对比Cu、Zn和Pb在剖面中的变化曲线可知：它们均呈现出同样的变化规律，而As、Cd、Hg未表现出相同的变化规律，其变化特征各异。As在2条剖面中均表现为从地表到地下100cm,土壤层中As含量逐渐增加；而Hg从地表到地下80cm,其含量逐渐增加。4讨论各重金属元素在黄土剖面中的变化特征表明其分布主要受到成土母质和古气候的影响。前人对黄土一古土壤剖面的大量研究发现磁化率、粘粒含量、粘/砂比及各氧化物比值可以有效地反映古气候的信息一川。因此本文通过建立各重金属元素与各古气候指标的相关性来讨论古气候

17、对重金属元素随时间变化的影响。应用化学元素来分析古气候时，为降低母岩的影响，突出化学元素沉积时的气候信息，多采用某些氧化物的比值。一般来说，气候越湿润,成土作用就越强烈，成土母质成分遭到淋失、氧化，致使Si（）2、Al2o3.Fe2O3等高价氧化物相对图3LFP1黄土剖面Cu、Zn、Pb、As、Cd、Hg含量垂向变化特征Fig.3DistributionsofCu,Zn,Pb,As,CdandHginLFP1loessprofilew(Cu)/l0w(Zn)/10&w(Pb)/106w(As)/l06w(Cd)/10w(Hg)/109202428326468727620222426121314

18、1516120140160204060图4LFP2黄土剖面Cu、Zn、Pb、As、Cd、Hg含量垂向变化特征Fig.4DistributionsofCu,Zn,Pb,w(Cu)/10w(Zn)/l0w(Pb)/106w(As)/10w(Cd)/109w(Hg)/101620242832606468727618202224101214161101201301402030405060As,CdandHginLFP2loessprofile富集。因此，剖面中氧化物含量及其比值的变化可以间接表征古气候的变化23O氧化物比值mSiO2)/w(Al2O3).w(Fe203)/w(FeO).w(K2O)/w

19、(Na2O).s(CaO+00+N&0)/w(A12O3)的变化可以反映不同的气候环境。硅铝比值的变化可以粗略地作为淋洗强度的指标，一般情况下，Si。?比用2。3易溶。研究表明，当w(SiO2)/w(A12O3)2时，反映偏碱性环境，pH值较大,Si。?大量迁移，AI2O3相对增加。w(CaO+K2O+Na2O)/w(Al2O3)比值可以反映易溶组分与情性组分之间的关系；K20.Na?。等易淋失，而A.。则较稳定，该比率增大风化程度降低。钾、钠都是化学性质较为活跃的组分，而匕0含量的增加，除与伊利石含量有关外，还与长石、云母含量的相对增多相吻合，说明粘化程度高。K是植物生长发育的重要元索，湿润

20、的气候及植被发育的条件有利于钾的富集。因此，钾钠比值的变化亦可间接地指示气候的变化。可见这些比值的变化与黄土形成时的气候条件、水分状况有关。统计分析表明：w(Cu)与可(Na2()+CaO+K20)/w(Al2O3)、w(K20)/w(Na2O)和SiO2)/w(A12O3)呈显著相关关系(图5),暗示Cu在黄土842 22qoxnoT200.362 8403 2229,0nov1.2662840332229oxn尸-10.584x+35.064/?=0.7064,n=470.60.91.21.5w(Na2OK2O+CaO)/w(A12O3)=12.241x+2.881&2=0.438,=47

21、1.51.82.1w(K2O)/w(Na2O)y=-11.409x+75.809中=03974,=474.04.24.44.64.85.0w(SiO2)/w(A12O0图5黄土剖面Cu含量与氧化物比值相关关系图Fig.5Cucontentsvs.oxideratesdiagrams050322voxqdT=0.0367x4-17.999/?=0.4436,n=47剖面中的分布特征受古气候条件的影响。同样,s(Ft)和w(Zn)也与w(Nh20+CaO+K20)/w(A12O3)xw(K2O)/w(Na2O)w(SiO2)/w(Al2O3)呈显著相关关系，相关方程式如下：R2=0.5711,n=

22、47Pb=6.9307w(K20)/w(Na2O)+8.91/?2=0.3456,几=47Pb=-4.8528w(Si02)/w(Al203)+42.885肥=0.177,n=47Zn:=-13.093w(Na204-CaO+K20)/w(A12O3)+81.013快=0.6732,n=46Zn：=12.884w(K2O)/w(Na2O)+44.965R2=0.2681,n=46(5)Zn:=-17.178w(SiO2)/w(Al2O3)+145.21R2=0.4846,n=46y=0.062x+19.152R2=0.5133,=47050100150200250w(磁化率)/106SI图6黄

23、土剖面Pb、Cu、Zn含量与磁化率相关关系图Fig.6Pb,Cu,Zncontentsvs.magneticratesdiagramsy=0.0674x+62.002/?2=0.3739,n=46Pb=-0.60656w(Na20+CaO+K20)/w(A12O3)+27.21而w(As)w(Cd)Nw(Hg)与Na20+CaO+K2O)/w(A12()3)、w(K2O)/w(Na2O)和w(SiO2)/奴出2。3)并无相关性。=0.3099x4-15.361中=0.1505,=473015y=0.5945x+l3.446尸=0.2251,=4715y=0.7166x+54.499中=0.17

24、27,=4610152025w(粘粒含量)/%图7黄土剖面Pb、Cu、Zn含量与粘粒含量相关关系图Fig.7Pb,Cu,Zncontentsvs.claycontentsdiagrams土壤磁化率等磁性特征是土壤磁性测量的重要参数之一，对于认识土壤形成过程、土壤特性、土壤分类等都有重要意义叫。已有大量研究证实，磁化率对黄土地区环境变化反应敏感，能够高分辨率地指示古环境变化】，磁化率曲线被认为是一个较好的第四纪古气候的替代指标叮黄土剖面中s(Cu)、s(Pb)和w(Zn)与土壤磁化率呈现出显著的正相关性(图6),而m(As)、u;(Cd)和w(Hg)与土壤磁化率的相关性较差。土壤粘粒含量大小以及

25、粘/砂比也可以反映古气候信息，m(Cu)、而(Pb)、w(Zn)与土壤粘粒含量均呈显著正相关性(图7)。同样，m(As)、w(Cd)和w(Hg)与土壤粘粒含量、粘/砂比均未表现出相关性。m(Cu)、妃Pb)、w(Zn)与土壤中各种古气候指标均呈现显著相关性，表明它们在土壤剖面中的分布特征也能反映古气候的信息。在气候湿润、植被发育的古气候条件下，土壤的磁化率大，粘粒含量高，w(K2O)/w(Na2O)比值大,Cu.Pb、Zn的含量也高；而在气候干早、植被不发育的古气候条件下，土壤的w(Na2O+CaO+K2O)/w(Al2O3)和w(SiO2)/w(A12O3)比值大,而Cu、Pb、Zn含量低。

26、也就是说，在黄土源区和沉积区降水较多、蒸发较少、植被密度和土壤湿度较大时，土壤成土强度大，Ca、Na、K等易溶元素淋失较强，壤的w(Na2O+CaO+K2O)/w(Al203)比值相对较小，含有磁铁矿的细颗粒组分浓度高，磁化率高。反之，当降水较少、植被密度和土壤湿度小时,土壤成土强度小，Ca、Na、K等易溶元素淋失较弱,土壤的w(Na20+CaO+K20)/w(A12O3)比值相对较大，较粗颗粒的粉尘堆积速率增加，磁化率低。Cu、Pb、Zn容易以类质同象形式赋存在磁铁矿和/或磁赤铁矿等磁性矿物中，因此在湿润气候条件下其含量也较高。这2条黄土剖面中均分离出了磁性矿物，但其特征还未获得鉴定结果,需

27、要进一步的研究工作。黄土成分的均一性、沉积无层理及粒度的空间分异性(空间上颗粒自西北向东南逐渐变细)等特征表明黄土是一种风成沉积。当风成砂从源区迁移到沉积区时，Sc、Ti、Zr、Hf等元素相对稳定，因此能反映其源区特征。前人对黄土一古土壤剖面中高分辨率的Fe含量研究也发现剖面的铁含量基本反映了原始风尘的铁含量以刃。临汾黄土剖面中的(Pb)、m(Cu)、w(Zn)w(Fe2O3)呈显著相关性,而切(As)、M(Cd)、s(Hg)与w(Fe2O3)的相关性相对较差(图8)。该土壤剖面中妃Pb)、w(Cd)A&(Hg)、m(Cu)与沙(Sc)、u?(Zr)和s(Ti)/w(Zr)均具较好的相关性(图

28、9),喑示黄土5O22goAqdw2420y=3.9438x+3.4542R2=0.4934,n=47Fig.8图8黄土剖面Pb、Cu、Zn与Fez。含量相关关系图Pb,Cu,Zncontentsvs.Fe203contentsdiagrams3MUZTy=0.0516x+9.7769人2=0.1923,=47180200220240260w(Zr)/106ooo6421n11bwpuY3.5727x+52.555R=0.434,=4620w(Ti)/w(Zr)80600115o256.0X8HT4020*=0.2692工一30.892R2=o.1924,”=44180200220240260

29、w(Zr)/106822420y=2.907x7.3568&2=0.6259,=47101112w(sc)/io”13图9黄土剖面Pb、Cd、Hg、Cu含量与Zr、Sc、Ti/Zr相关关系图Fig.9Pb,Cd,Hg,Cucontentsvs.Zr,SccontentsandTi/Zrratiodiagrams中重金属元素含量的高低继承了成土母质(黄土源区)的物质成分的特点，并受其控制。5结论临汾盆地黄土剖面中Pb、Cu和Zn的垂向变化特征非常相似，而As、Cd和Hg在剖面中均未表现出相似的变化特征。各重金属元素与古气候替代性指标相关性研究表明：Cu、Pb和Zn含量与磁化率、粘粒含量、w(Na

30、20+CaO+K2O)/w(A12O3)、祯(虬0)/何(N%。)和w(SiO2)/w(Al2O3)均呈显著相关，而As、Cd和Hg含量与古气候替代性指标的相关性较差。由此可见剖面中Cu、Pb、Zn含量的分布特征受古气候变化影响，其原因可能主要是这3个金属元素易以类质同象形式赋存在磁性矿物中；而As、Cd和Hg含量在剖面中的分布特征与古气候无关。但各重金属元素含量与源区指示元素含量及比值的相关性表明其在剖面中的分布特征均受黄土源区物质成分的影响和控制。参考文献：1 刘洪莲，李恋卿，潘根兴.苏南某些水稻土中CuPbHgAs的剖面分布及其影响因素J.农业环境科学学报，2006,25(5)：1221

31、-1227.2 吴昆明，朱立新，马生明，等.冲积平原区土壤中重金属元素的存在形态分析J.分析测试学报，2004,23(2)：41-43.3：NavasA,LindhorferH.GeochemicalspeciationofheavymetalsinsemiaridsoilsofthecentralEbroValley(Spain)J.EnvironmentInternational,2003,29：61-68.4PlanquartP,BoninG,ProneA,etal.Distribution,movementandplantavailabilityoftracemetalsinsoils

32、amendedwithsewagesludgecomposts:applicationtolowmetalloadingsJ.TheScienceoftheTotalEnvironment,1999,241:161-179.5LasherasAE,SanchezC,GarrigoR,etal.Geochemicalinheritanceofsoilsthatdevelopfromvolcanicrocks(Navarra,WesternPyrenees)J.Geoderma,2006,135:38-48.6BergbackB,CarlssonaA.Heritageofcadmiumandlea

33、d.AcasestudyofaSwedishaccumulatorfactoryJ.TheScienceoftheTotalEnvironment,1995,166:35-42.7陈怀满，郑春荣，王慎强，等.从不同来源重金属污染的土壤对水稻的影响口.农村生态环境，2001,17(2)：35-40.8PalumboB,AngeloneM,BellancaA.InfluenceofinheritanceandpedogenesisonheavymetaldistributioninsoilsofSicily,ItalyJ.Geoderma,2000,95:247-266.l9SanchezC,SanchezM,LorenzoL.SignificanceofsoilpropertiesforcontentanddistributionofcadmiumandleadinnaturalcalcareoussoilsJTheScienceoftheTotalEnvironment,1998,218：217-226.10 李见云，侯彦林，王新民，等.温室土壤剖面养分特征及重金属含量演变趋势研究J.中国生态农业学报，2006,14(3)：43-45.11 何忠，黄春长，庞奖励，等.淮河上游全新世黄土-土壤剖面重金属元素分布与环境