中国环境科学
CHINA ENVIRONMENTAL SCIENCE
1999年　第19卷　第3期　Vol.19 No.3 1999



天津地区土壤中微量元素含量的纵向分异
徐尚平　陶 澍　曹 军　李本纲　沈伟然　张文具
摘要：根据80个土壤剖面13种微量元素及有关理化参数实测结果,研究了天津地区土壤中微量元素含量的纵向分异.结果表明,天津土壤中绝大多数微量元素含量高于全国平均含量.由于淋溶较弱,发育时间较短,各微量元素含量在土壤纵向的分异不明显.与受市区影响较小的远郊相比,天津近郊土壤中各微量元素含量具有明显的升高趋势,其中汞的增幅最大.天津地区冲积母质土壤中微量元素含量与残积母质土壤中相应含量的比值大多在1～ 1.5之间,冲积过程中的粒径分选作用是形成这一现象的根本原因.空间分析的结果证明,母质是影响天津土壤中微量元素含量的主导因素,而人为影响也一定程度上改变了土壤中微量元素含量及其空间分布.
关键词：微量元素；纵向分布；土壤
中图分类号：X132 文献标识码：A 文章编号：1000- 6923(1999)03- 0226- 04
Vertical distribution of trace element contents in soil in Tianjin Area. 
XU Shang-ping1,TAO Shu1,CAO Jun1,LI Ben-gang1,SHEN Wei-ran2,ZHANG Wen-ju 
(1.Department of Urban and Environmental Sciences,Peking University,Beijing 100871,China；2.Tianjin Environmental Monitoring Center,Tianjin 300191,China). China Environmental Science.1999,19(3)：226～229
Abstract：Contents of 13 trace metallic elements in the soil collected from 80 locations were measured in Tianjin Area.The results showed that the concentrations of most of these metals are higher than the nationwide average.Mainly due to weak leaching, the contents distributed less evenly along the soil profile. Compared with the soil from the agricultural area with less human activity, the contents of these metals, especially mercury, in the soil from the near-urban area increased markedly. The contents of these metals in the soils derived from alluvial parent materials are 1～ 1.5 times higher than those derived from residual parent material. Due to the parent material of the plain area is primarily from the nearby mountain area, separation based on particle size may be the major reason for this difference. The results of a geostatistical analysis indicates that the parent material is the key factor controlling the distribution of these metals;and anthropogenic factors, to some extent, may also play a role in the distribution.
Key words：trace element；vertical distribution；soil 
　　关于土壤微量元素含量的空间分异和影响因素已有许多研究[1- 3].有关研究结果表明,土壤中微量元素含量受地质、母质、土类、质地、地貌、土地利用以及人为活动等因素的综合影响,其空间分布具有特定的结构特征,而对微量元素沿土壤剖面纵向分异的了解较少,本文研究了天津地区土壤中铜、铅、锌、铬、镍、镉、汞、砷、硒、钴、钒、锰和氟等13种微量元素含量的纵向分异及其成因.
1　研究方法
　　研究区位于北纬38o33'00"～40o15'02",东经118o42'05"～118o03'35"之间,由东南部平原和北部及西部小面积山地组成,其中平原面积占总面积的95.4%.本区属温带大陆性季风气候,山区的降水量大于平原区.本区土壤以潮土为主,在北部山区有褐土分布,而沿海地区则分布有盐土.研究区内土壤发育的母质在平原区以冲积、湖积和海积物为主,山区则主要是石灰岩、花岗岩和砂岩的风化残积物.
　　研究共布设剖面点80处.从野外采来的土样经自然晾干,剔除砾石和动植物残渣后,过20目筛.取部分样品进行pH值和粘粒(<0.001mm)含量测定.另取100g样品过150目筛,用酸进行全消解后进行微量元素含量的测定.各微量元素的预处理及测定方法见文献[4].为研究人为因素对土壤中微量元素含量的影响,将研究区分为近郊区、远郊区和残积母质区.近郊区主要包括以工业为主的天津郊区、大港、塘沽和汉沽;远郊区主要包括蓟县、宝坻、宁河、武清和静海等农业区; 残积母质区主要包括北部山区.
2 结果与讨论
2.1 天津地区土壤中微量元素含量
　　由于母质和水热等自然条件的差异,天津地区土壤中微量元素含量与全国平均含量不尽相同.与全国土壤相应元素含量[5]几何均值的比较表明,天津土壤A、C层中铜、锌、镉、镍、铬、钴、钒、锰和氟的含量均高于全国土壤的平均含量;A层中铅、汞和硒的含量低于全国平均含量;而C层中汞含量则高于全国均值.
2.2 天津地区土壤中微量元素含量纵向分异
　　不同地区土壤中微量元素除在绝对含量上有所不同外,其差异还表现在纵向分异方面.前者主要与土壤对母质微量元素含量的继承性有关,后者则更多地反映了成土过程中元素的纵向迁移特征.表1是天津地区土壤A、B两层微量元素平均含量与C层相应含量的比值.该比值反映了纵向分异特征.
表1 天津地区土壤微量元素含量的纵向分异特征
Table 1 Vertical distribution of trace metals along soil profile of Tianjin area
土壤层次CuPbZnCdNiCrHgAsSeCoVMnF
A层/C层1.020.950.940.991.011.001.031.000.960.981.021.001.00
B层/C层1.020.940.950.931.041.030.781.010.791.041.011.070.98

　　如表1所示,除汞和硒的B、C层含量比值明显小于1外,其它元素在A、B两层的含量与C层含量的比值都比较接近于1,这反映了天津地区相对年轻的冲积母质及较弱的土壤淋溶特征.尽管天津土壤中各微量元素含量在纵向剖面没有表现出明显的差异,但对于各个样点,不同的元素具有不同的纵向分异特征,这一特征可以用各样点A、C层微量元素含量比值的方差来表示.结果显示,除元素汞A、C层含量比值的方差为17.37外,其它元素A、C层含量比值的方差都小于2,这说明大多数元素的纵向分异特征比较一致.而对于汞而言,在某些样点其在土壤A层的含量远高于B、C层;在另外一些样点,它在土壤表层的含量却较低.由于天津是大型工业城市,研究中尽量在未直接受人为污染的地区选择样点,但人为因素对微量元素含量的影响仍不可忽略.为判断人为作用的影响,将天津划分为近郊区、远郊区和残积母质区,近郊区和远郊区土壤中微量元素平均含量的比值可以在某种程度上反映天津地区土壤中微量元素含量受人为因素影响的强度.

图1 天津近郊土壤微量元素含量几何均值与远郊土壤相应含量的比值
Fig.1 Ratios of trace metal concentrations in soils from suburb and agricultural areas of Tianjin
　　图1中比较结果显示,天津近郊土壤中各微量元素含量都高于远郊土壤.t检验的结果表明,近郊土壤中铜、铅、锌、镍、铬、汞、砷、钴、锰和氟的含量在A、C层都显著高于远郊土壤.这些元素在近郊土壤中含量的增高显然与城市污染有关.镉、硒和钒含量受市区影响相对较小.就所研究的元素而言,汞含量具有最大的增加幅度,有关研究证实,汞制剂的施用是导致我国许多地区水稻土中汞含量增加的主要原因[6].但天津地区水稻土分布有限,仅有几处样点,且并未表现出明显汞污染的迹象.因此,图1中结果说明,研究地区汞污染更多来自城市活动.汞是一种典型的气迁移元素,城市燃煤释放出的汞经短途输送后经干式或湿式沉降返回地面,从而造成近郊土壤中汞含量上升.
2.3 残积、冲积母质上发育的土壤中微量元素含量的纵向分异
　　冲积平原上发育的土壤对其上游地区物质的微量元素含量往往有某种继承性,虽然其表层可能因成土过程中的表生地球化学作用而被改变,其母质中微量元素的含量特点应与上游物质有较好的一致性.地处华北平原北端的天津地区以冲积母质为主,其北部山区则为残积母质,它们构成了天津地区土壤母质的主要部分.由于冲积母质主要来自北部和西部山区,两类母质事实上是同源的.两者的主要差别在于冲积母质经历了系统的分选及冲积过程中河水的溶解作用,这些作用的综合影响形成了微量元素含量的分布格局.近郊区、远郊区和山区残积母质区土壤微量元素含量的比较能够很好地反映上述关系(图2).
　　从图2中可以看出,天津地区冲积母质土壤中A、C层微量元素含量与残积母质土壤相应含量的比值大多介于1～1.5之间.除汞之外,近郊、远郊土壤与残积母质土壤中元素含量的比值相对比较一致.同时,两类土壤中各元素含量的比值在A、C两层之间没有表现出较大的差别.由于市区人为活动的影响,天津近郊土壤中微量元素含量有不同程度的升高,而汞是升高幅度最大的元素.可见,人为因素使得天津近郊、远郊土壤与残积土壤中汞含量的比值相差较大,也是导致天津土壤中微量元素含量总体较高的原因之一.

图2　天津地区冲积和残积母质区土壤中微量元素含量的比值
Fig.2 Ratios of trace metal concentrations in soils derived from alluvial and residual parent material 
in Tianjing
近郊土壤/残积母质土壤:◇　C层　▲　A层
远郊土壤/残积母质土壤:□　C层　○　A层.
　　土壤中粘粒对大多数重金属元素具有较强的吸附作用.由于冲积母质在冲积过程中受到粒径分选的影响,天津平原土壤中的粘粒含量偏高,其A、C层粘粒(<0.001mm)平均含量分别为28.1%和26.1%,而残积母质土壤相应层次的平均粘粒含量只有20.0%和19.6%.因此,冲积过程中的粘粒分选作用可能是形成天津冲积母质上发育的土壤C层微量元素含量高于残积母质土壤C层相应元素含量的根本原因.
　　图2中结果还显示,平原土壤中硒和氟含量小于残积母质土壤.一般说来,以硒酸盐和亚硒酸盐形式存在的硒可以被搬运较长距离,但在正常地表氧化条件下硒很难氧化成亚硒酸盐或硒酸盐.因此,原生矿物中与硫共生的硒在表生条件下较难迁移,这可能是导致硒在沉积母质土壤中含量较低的主要原因.由于天津平原地区地下水位较高,土壤中的氟较易进入地下水,从而使得天津平原土壤中氟含量较低.
2.4 土壤中A、C层微量元素含量空间结构特征比较
　　作为地统计学的重要工具之一,半变异函数能够表征区域化变量的空间变异特征[7].为了进一步阐明天津地区A层土壤中微量元素含量与母质之间的相关关系,分别计算了天津地区土壤中A、C层典型微量元素的半变异函数.由于研究区呈南北向狭长带状,各微量元素含量在东西方向的空间结构特征表现不明显,空间分析侧重于南北方向.分析结果表明,土壤中A层大多数微量元素的含量继承了C层相应元素含量的空间特征.以铬为例,A、C层土壤中铬含量的半变异函数具有非常相近的基台值和变程,表现出非常相似的空间结构特征.同时,由于C层中汞含量受人为干扰较小,其空间特征与A、C层中铬含量具有一定的相似性;而受人为影响较大的土壤A层中汞含量的半变异函数则表现出明显的空穴效应(图3).具有空穴效应的半变异函数曲线的极大值所对应的横坐标可以被认为是高浓度区的尺度,而极小值所对应的横坐标则可以被看作是高浓度区之间的平均距离[7].因此,在土壤C层中汞含量的半变异函数为可迁型的情况下,土壤A层中汞含量的这一空穴效应特征应该是人为影响的反映.上述结果说明,天津地区土壤母质对表层土壤中微量元素含量具有重要的影响,同时,人为因素也在一定程度上改变了微量元素的含量及空间分布特征.

图3　天津地区A、C层土壤中铬、汞含量的半变异函数(对数变换数据,南北方向)
Fig.3 Variograms of Cr and Hg concentrations in A and C horizons of soil 
from Tianjin Area
(After logarithmic transformation, N-S)
3　结　论
　　由于特定自然条件和人为因素的影响,天津土壤中微量元素含量与全国平均含量不尽相同,且纵向分异不明显.与受市区影响较小的远郊相比,天津近郊土壤中各微量元素(特别是汞)含量具有明显的升高趋势.天津地区冲积母质土壤中微量元素含量与残积母质土壤中相应含量的比值大多在1～1.5之间,冲积过程中的粒径分选作用是形成这一现象的根本原因.空间分析的结果也说明,母质是影响天津土壤中微量元素含量的主要因素,而人为因素也在某种程度上改变了土壤中微量元素含量及空间分布特征.
基金项目：国家杰出青年基金资助项目(49525102)
作者简介：徐尚平(1973-),男,山东五莲人,北京大学城市与环境学系硕士研究生,主要研究方向为环境生物地球化学.曾参与国家杰出青年基金项目“微量污染物形态与生物活性”、国家自然科学基金项目“河水腐殖酸起源”等研究工作,发表论文1篇.
作者单位：徐尚平　陶 澍　曹　军　李本纲　北京大学城市与环境学系,北京 100871；
　　　　　沈伟然　张文具　天津环境监测中心,天津 300191
参考文献：
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收稿日期：1998-08-17
