母岩类型对土壤和沉积物镉背景的控制: 以贵州为例

doi:10.13745/j.esf.sf.2021.11.2

摘要/Abstract

摘要：

镉是土壤和沉积物中最受关注的重金属污染物之一,合理确定其自然背景对于环境管理具有重要意义。然而,由于不同基岩中该元素含量差异很大,且在风化成壤过程中元素也可能发生富集或贫化,造成该元素具有很大的空间变异,甚至可以超出筛选值和管制值。本文从基岩-土壤地球化学元素迁移规律出发,以基岩类型较复杂、镉空间变异较大的贵州省为例,基于土壤和沉积物调查数据,建立基岩与土壤或沉积物中镉含量的对应关系,筛选合理的岩性类型端员和背景区域划分方法,为环境管理确定基础背景。研究结果显示,岩性类型是造成土壤镉空间变异的重要因素,石灰岩(排除白云岩)、玄武岩、辉绿岩和碳质页岩等是造成土壤高镉背景的重要岩石类型。相对母岩类型,岩石所在地层时代对土壤镉背景的影响不太明显。本文通过大量数据统计,给出了相对较纯的岩性发育土壤的镉背景值和变异区间,不纯岩性或地质单元发育土壤的镉背景值可能受多个岩性端员的影响。

关键词: 土壤, 镉, 地质, 高背景, 重金属

Abstract:

Cadmium (Cd) is one of the most concerned heavy metal pollutants in soil and sediment, and the accurate determination of its natural background values is of great significance in environmental management. However, due to the inherent concentration variability associated with bedrock types and elemental enrichment/depletion caused by weathering, Cd concentrations in surface soil and sediment vary greatly spatially. In some areas, Cd concentration may exceed the safety standard for agricultural land use (GB 15618-2018) under natural conditions. In this study, Guizhou Province, which has relatively complex bedrock types and high soil Cd variation, was selected as the study area. From the perspective of elemental migration from bedrock to soil, and based on geochemical survey data of the entire province, this study sought to investigate the link between bedrock and Cd concentrations in soil and sediment and develop classification schemes for endmember rock types and regions selected for Cd background measurements. The results showed that lithology was the key factor contributing to soil Cd variation, while limestone (relative to dolomite), basalt, diabase and carbonaceous shale contributed to high Cd background value in soil. Compared with the parent rock type, rock formation age had less influence on Cd background values. Through rigorous statistical analysis, the Cd background value and variance in soil were obtained for soils developed from relatively pure rock material. For soils developed from impure rock materials or from mixed geological units, the Cd background value may be affected by more than one endmember rock types.

Key words: soil, cadmium, geology, high background, heavy metal

中图分类号:

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图/表 13

图1 多目标区域地球化学调查数据及文献收集数据空间位置

Fig.1 Spatial coverage of the multi-purpose regional geochemical survey data and the collected data from literature

表1 本研究所用岩性分类体系

Table 1 The classification of lithology used in this study

一级岩性类型	面积/km²	二级岩性细分	说明
碎屑沉积岩	35 060	(1)碳质页岩;(2)其他碎屑岩	(1)指含有明显的碳质泥页岩地层
较纯碳酸盐岩	29 572	(1)石灰岩;(2)白云岩;(3)石灰岩和白云岩	(3)云灰岩或灰云岩, 或石灰岩与白云岩的并层
碳酸盐岩与碎屑岩并层	88 196
基性火山岩	3 946		本区主要为玄武岩
基性侵入岩	198		本区主要为辉绿岩
酸性侵入岩	98		本区主要为花岗岩
变质岩	18 797		本区主要为变余砂岩、变余凝灰岩、板岩、千枚岩、片岩。
第四系沉积物	299

图2 研究区岩性类型图

Fig.2 Sketch map of lithology for the study area

图3 研究区土壤或沉积物Cd含量的空间分布

Fig.3 Spatial distribution of Cd content in soil or sediments in the study area

表2 三种含量水平区间及对应面积

Table 2 Three ranges of the Cd concertation and their coverage areas

级别	Cd含量范围/(mg·kg^-1)	面积/(10⁴ km²)	占比/%
高	>1.5	1.66	9.3%
中	>0.3~1.5	7.22	40.6%
低	≤0.3	8.89	50.0%

图4 各大类岩性背景下Cd含量箱线图箱线图垂向线段上下封口短线分别表示9/10和1/10分位数;箱体上下为3/4和1/4分位数;箱体内的粗横线表示中位数;蓝色横线为筛选值最低值0.3 mg/kg;红色横线为管制值最低值1.5 mg/kg;括号内数据为样本量。

Fig.4 The boxplot of Cd concentration under different lithology types

图5 碳酸盐岩相关地层背景下土壤或沉积物Cd含量水平对比 1—巴东组(133);2—雷口坡组(25);3—垄头组(264);4—许满组(845);5—新苑组(165);6—坡段组(160);7—关岭组(2 544);8—嘉陵江组(2 526);9—紫云组(24);10—安顺组(376);11—大冶组(291);12—夜郎组(1 475);13—合山组(484);14—吴家坪组(166);15—茅口组(119);16—猴子关灰岩(85);17—龙吟组(39);18—四大寨组(70);19—马平组(199);20—南丹组(97);21—大埔组(332);22—黄龙组(357);23—鹿寨组(47);24—在结山组(47);25—望城坡组(56);26—高坡场组(264);27—宝塔组(235);28—桐梓组(34);29—毛田组(141);30—平井组(67);31—娄山关组(3 168);32—敖溪组(104);33—陡坡寺组(77);34—都柳江组(22);35—清虚洞组(656);36—灯影组(43)。括号内数据为样本量。箱线图中的分位数意义同图4。都柳江组为石灰岩、白云岩夹黑色碳质页岩地层;灯影组为石灰岩、白云岩夹磷块岩矿地层。

Fig.5 Comparison of Cd content in soil or sediment under formations related to carbonate rocks

图6 石灰岩和白云岩背景效应对比 1—垄头组(264);2—坡段组(160);3—安顺组(376);4—吴家坪组(166);5—茅口组(119);6—猴子关灰岩(85);7—马平组(199);8—大埔组(332);9—黄龙组(357);10—毛田组(141);11—平井组(67);12—娄山关组(3 168);13—敖溪组(104);14—清虚洞组(656)。括号内数据为样本量。箱线图表示分位数意义同图4。

Fig.6 Comparison of the background effect between limestone and dolomite

图7 碳质页岩和其他碎屑岩Cd含量箱线图 1—高坎子组(13);2—石脑组(11);3—三合组(172);4—况家湾组(55);5—扎佐组(54);6—窝头山组(308);7—遂宁组(74);8—蓬莱镇组(157);9—新田沟组(292);10—自流井组(236);11—二桥组(295);12—火把冲组(21);13—把南组(24);14—边阳组(1 058);15—兰木组一段(188);16—板纳组(22);17—法郎组第二段(赖石科段)(110);18—百逢组二段(12);19—百逢组一段(26);20—飞仙关组(722);21—宣威组(108);22—龙潭组(628);23—领薅组(149);24—旧司组(18);25—祥摆组(14);26—九架炉组(79);27—火烘组(48);28—蟒山组(30);29—韩家店群(158);30—高寨田组(72);31—金顶山组(54);32—变马冲组(251);33—杷榔组(424);34—筇竹寺组(77);35—渣拉沟组(35);36—牛蹄塘组(84);37—南沱组(85);38—洪江组(22);39—黎家坡组(30);40—富禄组(55);41—长安组(494)。箱线图表达的分位数同图4。

Fig.7 The boxplot of Cd concentration under formations related to carbonaceous shale and other clastic rocks

图8 变质岩和岩浆岩背景下土壤和沉积物Cd含量分布 1—峨眉山玄武岩组(1 110);2—二叠纪辉绿岩(29);3—隆里组(529);4—拱洞组(277);5—平略组(958);6—清水江组(1 787);7—红子溪组(56);8—番召组(472);9—乌叶组(306);10—甲路组(71);11—回香坪组(18);12—中元古代摩天岭超单元吉羊单元花岗岩(22);13—四堡群(42)。回香坪组为变质基性火山熔岩夹变质碎屑沉积岩)。箱线图基于分位数绘制,意义同图4。

Fig.8 Cd concentration in soil or sediment under backgrounds of metamorphic and magmatic rocks

表3 较纯岩性背景及其对应Cd背景值

Table 3 The relatively pure lithological backgrounds and its corresponding Cd concentrations

岩性	Cd含量均值/(mg·kg^-1)	Cd含量背景值区间/(mg·kg^-1)	标准岩组	样本量
礁灰岩	10.24(9.43~11.13)	6.37~16.46	猴子关灰岩	33
石灰岩(除礁灰岩)	1.40(1.24~1.59)	0.25~7.75	马平组	199
白云岩	0.37(0.36~0.37)	0.15~0.93	娄山关组	3 168
碳质页岩	0.86(0.60~1.21)	0.11~6.77	变马冲组	35
碎屑岩(不含碳质页岩)	0.18(0.17~0.19)	0.09~0.38	长安组	494
变质岩	0.22(0.21~0.22)	0.11~0.44	隆里组	529
基性火山岩	0.50(0.48~0.52)	0.10~2.48	峨眉山玄武岩组	1 110
基性侵入岩	0.89(0.63~1.25)	0.14~5.55	二叠纪辉绿岩	29
酸性侵入岩	0.15(0.13~0.17)	0.08~0.27	中元古代摩天岭超单元吉羊单元花岗岩	22

图9 纯端员岩性背景下Cd的含量区间图中石灰岩是排除礁灰岩外的普通石灰岩;碎屑岩指排除碳质泥页岩外的碎屑岩。

Fig.9 The Cd ranges under the backgrounds of pure endmembers

图10 猴子关灰岩区域Cd含量小提琴图图中黑色柱表示四分位区间,其中白圆圈为中位数,其上下线条表示95%置信区间,灰色区域代表概率密度的分布特征。

Fig.10 The violin plot of Cd concentration in Houziguan limestone area

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