王乔林，宋云涛，吕许朋，彭 敏，周亚龙，韩 伟，王成文

(1.中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所，河北 廊坊 065000；2.中国地质调查局 土地质量地球化学调查评价研究中心，河北 廊坊 065000；3.中国地质科学院 地球表层碳-汞地球化学循环重点实验室，河北 廊坊 065000;4.云南地质调查院，云南 昆明 650216)

0 引 言

土壤是陆地生物生活的基础物质，是维系陆地生态系统食物链的重要环节[1-2]。土壤圈处于相互关联的地球系统之中，记录和保存了岩石圈、水圈、大气圈和生物圈的大量信息[3]。土壤元素地球化学基准值研究是一项重要的基础性工作，可以为生态环境地球化学现状评价、变化趋势监测与预警提供科学依据，为土地质量评估、耕地保护利用、土地资源合理规划提供参考资料，对国民经济可持续发展规划具有重要意义[4-6]。近30年来众多学者开展了相关研究工作[7-14]，虽然不同学者对地球化学基准值的科学内涵及其表述还不完全一致，但一般是指地球表层环境介质中特定时间点某个元素或化合物的实际含量。它既包括自然背景浓度，也包括人类活动成因导致的扩散浓度的贡献[15-19]。

随着近代分析方法技术的发展、测试指标的不断增加，尤其是多目标区域地球化学调查全面实施以来，取得了大量的调查研究成果[4-12]，但是已有研究多集中于我国中东部平原区，针对云南省西部高原和山地景观区土壤基准值的研究鲜有报道。本文依托云南省西部地区新近完成的1:250 000土地质量地球化学调查获得的近6万条高精度数据，探讨了深层土壤中52种元素的地球化学基准值特征，并利用因子分析法结合统计分析结果剖析其成因，以期为研究区资源环境评价和经济发展规划提供准确、可靠的基础信息。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于云南省西南部，行政区包括保山市的隆阳区、施甸县、昌宁县和临沧市的凤庆县和云县，国土面积约16 700 km2。

研究区地处横断山脉滇西纵谷南端，地形以山区为主，占研究区总面积的91.79%，丘陵岗地和山间盆地占8.21%。该区属低纬山地亚热带季风气候带，受复杂地形地貌影响形成“一山分四季，十里不同天”的立体气候，年均气温14～17 ℃，降水丰沛，年降雨量700～2 100 mm。区内从新生代到元古代地层均有发育(图1)，其中以三叠纪地层最为发育，以澜沧江深断裂为界，其东以浅变质的上古生界和中生界地层为主，岩性以火山岩为主，西侧发育不同时代的沉积岩、变质岩和火山岩，侵入岩以二长花岗岩为主。区内土壤按成土母岩的岩性划分为沉积岩区、变质岩区、侵入岩区、火山岩区和松散沉积物区，其中沉积岩区分布面积最广泛，占比56.36%，变质岩区占19.03%，侵入岩区占12.75%，火山岩区占8.69%，松散沉积物区分布面积最小，占3.17%。区内用地类型受地形地貌多样性的影响(图2)，主要为林地(55.63%)和旱地(25.98%)，其次为草地(6.68%)、园地(5.12%)和水田(4.31%)，建筑用地(2.28%)呈零星分布。区内土壤类型主要有红壤、漂洗黄壤、黄色赤红壤、黄棕壤、黄红壤、酸性紫色土、水稻土，其中红壤、漂洗黄壤、黄色赤红壤分布最广。区内矿产资源丰富，主要矿种为铅锌矿、铜矿和铁矿。经济以农、林、采矿和茶叶为主。

图1 研究区岩性及矿产简图(据云南省1:100万地质图修改)

图2 研究区用地类型简图

1.2 样品采集与分析

采用双层网格方式进行样品布设，以1原始样/4 km2密度采集样品，采样点尽量部署在每个采样单元的中心点附近，同时尽量避免人为污染因素，采样深度为120～180 cm。

采集的土壤样品经自然干燥后，过10目尼龙筛，弃去样品中的植物碎片、岩屑、原生矿物颗粒等杂物，充分混匀，取10目以下部分用于分析样组合。组合分析样以16 km2为1个单元，将该单元内4个样品各取50 g土壤组合混匀后送实验室进行分析测试，共获取深层土壤分析样1 093件。

样品分析由中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所中心实验室完成，按照《多目标区域地球化学评价规范》[20]要求选择样品分析配套方法和质量监控方案，测定了52种元素含量。统计表明，分析数据的准确度、精密度等各项质量参数均符合规范要求，分析数据质量可靠。

1.3 地球化学基准值确定

遵照多目标区域地球化学调查规范要求，前人在相关研究中通常先对土壤数据频率分布形态进行正态检验，当服从正态分布或对数正态分布时，分别以算术平均值和几何平均值代表基准值；当不服从正态分布或对数正态分布时，则按算术平均值加减2倍或3倍标准差反复剔除离群数据，剔除后的平均值代表基准值[5-11]。已有研究表明，地球化学大样本数据的中位数基本不受离群极端值的影响[19]，具有稳健统计学特性，中位数可以较好地刻画数据组的总体含量特征[21]，因此，可以利用中位数来表征地球化学基准值。统计检验表明，研究区深层土壤中多数元素呈偏态分布。本文数据处理过程为：首先计算研究区深层土壤元素含量的平均值X1，标准离差S1，按平均值加减3倍标准离差反复剔除离群数据后，计算中位数，作为研究区土壤元素地球化学基准值。各类型土壤地球化学基准值的确定方法与全区相同。

2 结果与讨论

2.1 全区土壤基准值特征

研究区深层土壤中52种元素地球化学基准值见表2。表中X1、CV1和X2、CV2分别代表剔除离群数据前后的平均值和变异系数，Xmin和Xmax为原始数据未剔除利群数据前的最小值和最大值，基准值为研究区深层土壤地球化学基准值，富集系数K为研究区元素基准值/全国土壤基准值[22]的值。

表2 全区土壤地球化学基准值特征表

从变异系数来看，原始数据中52种元素变异系数在0.13～2.5之间，Pb变异系数最大为2.5，SiO2变异系数最小仅为0.13。其中Pb、CaO、As、Hg、Sb、Cd、Ag、Na2O变异系数大于1，显示了土壤中这些元素指标受成土母质类型、成土作用过程以及后期人为扰动影响而空间分布很不均匀；剔除异常值后深层土壤中Ge、SiO2、Al2O3、Ga、pH、Zr、Nb、La、Ce、Y、Be变异系数小于0.25，分布均匀；Ti、Zn、Ba等34种元素变异系数为0.25～0.5，分布比较均匀；TC、Hg、Cd、As、Br、CaO、Sb和Na2O变异系数大于0.5，表明这些元素指标受成土母质成因来源差异、成土等表生地球化学作用过程以及外源组分的混入影响，具有较强的空间变异性，存在区域性贫化或富集的可能。

表1 样品分析方法、检出限及分析数据合格率

与全国土壤地球化学基准值相比，K>1.2的元素多达38种，主要包括铁族元素(TFe2O3、V、Mn、Ni、Ti、Co、Cr)、亲铜元素(Cu、Pb、Zn、As、Hg、Sb)、矿化剂和卤族元素(F、I、Br、N、B)、稀有稀散稀土元素(Rb、Ga、Ge、Tl、Sc、Ce、La、Se、Be、Nb、Y)、放射性元素(U、Th)、钨钼族元素(W、Sn、Bi、Mo)、造岩元素(K2O、Al2O3)和Au，区内深层土壤中多数元素含量明显高于全国土壤平均水平，其中铁族元素和亲铜元素富集主要与区内分布的火山岩和矿化作用有关(图3)，稀有稀散稀土元素、造岩元素和放射性元素富集受区内分布的花岗岩影响，钨钼族元素富集与矿化作用有关，而区内广泛发育的植被和充沛的降雨是卤族元素富集的主要因素。研究区深层土壤地球化学基准值奠定了农业生产、生态环境评价的地球化学基础条件。N、K2O、Cu、B等元素是农作物生长必需的营养元素，而Se是重要的生命健康元素，区内深层土壤富含这些元素为形成肥沃的农田耕作层土壤提供了物质基础；研究区深层土壤中As、Cu、Hg、Cr等有害重金属元素含量虽然也偏高，但其基准值均低于农用地土壤污染筛选值[23]，表明研究区原生土壤地球化学环境总体洁净，仅局部地区可能存在污染。

图3 研究区深层土壤铜元素地球化学分布图

研究区基准值明显低于全国土壤平均值的元素指标，包括碱金属元素Na2O、碱土金属元素CaO、Sr、MgO、卤族元素Cl、氧族元素S以及TC，其中Na2O、CaO和Sr基准值显著低于全国土壤元素平均值(K≤0.5)，CaO和Na2O基准值仅为全国土壤平均值的13%和7%。区内成土母质主要为沉积岩，但雨量丰沛和年均气温较高以及植被较为发育，导致风化淋滤作用较强烈、土壤成熟度较高，造成Ca、Mg、Na等元素淋失而显示贫乏；Cl贫乏与表生环境下水动力作用密切相关[24]。CaO、S是农作物生长必需的营养元素，而Na2O、Sr是多种农作物生长的有益元素，深层土壤中这些营养有益元素的相对贫乏有可能导致形成的农田耕作层土壤缺乏这些养分，因此，在农业生产管理中需要注意对农田土壤中这些元素丰缺状况的评价，必要时采取施肥等措施保证养分供给。

2.2 不同成土母质基准值及其成因特征

前人研究表明，土壤化学成分主要受成土母质的控制[25]，土壤与母岩元素地球化学特征往往具有良好的空间对应性。研究区成土母岩可按岩性划分为沉积岩、变质岩、侵入岩、火山岩和松散沉积物5大类，与之对应区域的土壤元素地球化学基准值见表3。由表3可见：

表3 不同成土母质区土壤地球化学基准值特征

松散沉积物区土壤中CaO、Na2O、Cu、Cd、Cr、Co、As、B 8种元素指标呈富集特征，富集系数K最大的为CaO(1.83)，卤族元素Br和I相对贫乏，其他元素与全区基准值相当。松散沉积物区主要分布于水动力作用强烈的低海拔河口、河谷地区，易溶于水的CaO和Na2O在水动力作用下由高海拔区向低海拔区迁移，在河口、河谷地区沉积下来而相对富集，而水溶性更强的卤族元素在水动力作用下继续随河水迁移而呈相对贫化；推断Cu、Cd、Cr的富集机制与陈兴仁等[8]研究提出的江淮流域河流冲积物基本一致；林秋婷等[26]研究认为B易形成高挥发性、易溶于水的化合物硼酸，且其溶解度随着温度升高而增加，推测研究区雨量丰沛、较高的年均气温导致山地丘陵区土壤中B溶于水向较低海拔区迁移，从而造成松散沉积物区土壤B的地球化学基准值较高。

火山岩区成土母岩主要为安山岩和流纹岩等中酸性岩和少量基性岩。深层土壤中多数元素基准值与全区相当，但铁族元素Ti和TFe2O3、亲石元素Sc、Sr、Na2O和卤族元素Br、Cl呈现富集特征，显示成土母岩的地球化学特征；仅有B呈贫乏，推测原因同前文所述。

沉积岩区成土母岩主要为碳酸盐岩，深层土壤中多数元素与全区基准值相当，仅有重金属元素Cu、Hg、Cd、Mn、Ni和CaO相对富集。徐颖菲等[27]研究表明碳酸盐岩风化成土过程中重金属元素的富集系数明显高于其他成土母质，可能是碳酸盐岩区土壤中Cu、Hg、Cd、Mn、Ni基准值偏高的主要原因。碳酸盐岩区深层土壤中CaO富集是由于所形成的土壤残留有CaO所致。

侵入岩区成土母岩主要为中酸性侵入岩，深层土壤中稀土元素、亲石元素、放射性元素和卤族元素基准值较高，仅有B、Sb、Mn、Au、Cu、N和Ag基准值较低。前人研究表明[25,28]中酸性侵入岩富含Na2O、K2O、MgO、La、Ce、Be、Rb、Ba、Tl、Br、Cl、U、Th，贫乏B、Sb、Mn、Au、Cu等元素，再加上W、Sn、Pb等矿化作用的影响，导致中酸性侵入岩区土壤中这些元素基准值较高。其中，植物营养元素N、Mn和B显示贫乏，农业生产中应采取合理施肥手段提高养分供给。

与全区基准值相比，变质岩成土母质区土壤中富集Br、Sb、Th、Se、Sn和Ba，其余元素与全区基准值相当。已有研究[29]表明土壤中Se含量与成土母质岩性密切相关,其含量从变质岩到沉积岩和岩浆岩呈下降趋势；曹华文等[30]研究表明区内变质岩中Sn含量较高并伴随多期次构造热液活动，土壤中Ba、Br、Sb和Sn的富集可能与区域成矿作用相关。

2.3 不同用地类型基准值及其成因特征

已有研究表明，不同用地类型会影响土壤化学成分[31]。研究区不同用地类型土壤基准值存在一定的差异性(表4)。

表4 不同用地类型土壤地球化学基准值统计表

水田仅Sb相对富集，Br则相对贫乏，其余元素基准值与全区基本接近。Sb是热液型矿床的常见伴生组分且相对于岩石，其更容易在土壤中富集[32]，区内分布的热液型铜铅锌矿床为其富集提供了物质基础，其在水田中富集可能受矿化作用和含Sb灌溉水的影响[33]；Br贫乏主要由于其在频繁的水动力作用下发生迁移。

林地和旱地深层土壤中各元素基准值与全区基本一致，这与研究区林地和旱地面积占总面积的81.6%有关，即其土壤地球化学特征基本代表了区域土壤的整体特征。林地土壤中相对富集卤族元素Br和I，成杭新等[24]研究认为高山阻滞和丰沛的降雨是中国西南地区土壤中卤族元素富集的主要因素。

园地深层土壤中富集U、Th、W、Sn、Bi、Pb、Br、Cl等元素。区内园地成土母质主要为变质岩和侵入岩，多富含放射性元素、卤族元素和钨钼族元素，这些元素的富集主要与成土母质有关。

草地深层土壤中富集CaO、Na2O、Ni、Cu、Sb、Cd、Co等元素，与其成土母质主要为碳酸盐岩有关。草地土壤呈中碱性，已有研究[34]表明，随酸碱度升高土壤中CaO、Ni、Cu、Cd和Sb含量呈升高趋势；草地多位于河边和地势低洼处，易溶于水的Na经河流搬运至此沉积富集；成杭新等[24]对中国西南地区的研究表明，Cr、Co高背景值与碳酸盐岩密切相关。

建筑用地中Br和I相对贫乏，富集元素有CaO、Na2O、TC、S、B。CaO和Na2O化学性质活泼，成土过程中易于向低海拔处迁移；S和B富集主要与建筑用地的高程及气候条件相关；TC基准值较高主要受人类活动的影响；I和Br贫乏主要受高山的阻滞和丰沛的降雨影响[24]。

2.4 土壤元素组合特征及其成因意义

因子分析是将原始数据中多项指标减少为几个综合指标来反映数据信息的方法。本文利用分析统计软件SPSS 21.0首先对深层土壤数据进行KMO和Bartlett检验，经验证KMO值为0.85>0.5，显著性水平(sig.)为0<0.05，表明原始数据适合进行因子分析[35]。根据深层土壤含量特征值的方差累积贡献率(表5)，本次截取特征值大于1的11个主因子开展研究，其表达的信息量占总信息量的72%，反映了研究区深层土壤地球化学的主要特征。

表5 深层土壤因子分析结果

因子1占总变量方差的16.15%，其中TFe2O3、Cu、V、Co、Cr、Ti、Ni、Sc和SiO2具有较高的载荷，铁族元素具有亲铁、亲硫和亲氧的地球化学性质，主要来源于深部地壳或地幔，成土过程中一般以次生矿物形式残留于土壤，表生作用下易于整体迁移[36]。稀散元素Sc化学性质稳定，表生作用下难以迁移。深层土壤是由成土母岩母质经表生成土作用形成，基本不受大气沉降、灌溉施肥等人为带入的外源物质影响，因此，表生迁移活动性弱的稀散元素、铁族元素更大程度上反映了成土母岩的地球化学特征。SiO2与铁族元素呈负相关，主要与土壤矿物组成及其决定的常量组分间关系以及分析测试数据的闭合性有关。因子1主要反映了成土作用影响下中基性成土母岩与母质来源的地球化学特征。

因子2占总变量方差的9.07%，其中稀有稀散稀土元素(Rb、Ga、Tl、Ba、Be、La、Ce、Y)、放射性元素(U、Th)、氧化物(K2O、Al2O3)和F等占有较高的载荷，反映了成土作用影响下中酸性侵入岩成土母岩与母质来源的地球化学特征。

因子3占总变量方差的7.5%，其中TC、N、S、Se、P、Br、I占有较高的载荷，为典型的生命元素组合因子。研究区以山地丘陵地貌为主，植被发育、覆盖率高，根系生长、枝叶残落等生物地球化学循环与累积作用强烈，为该组元素的富集提供了良好条件。

因子4占总变量方差的6.12%，其中钨钼族元素和放射性元素W、Sn、Bi、U、Th、Be占有较高的载荷，反映了与酸性花岗岩有关的高温矿化作用的元素组合特征。

因子5中La、Ce、Nb、Zr 和Y占有较高的载荷，其占总变量方差的5.69%。主要为稀有稀土元素，其属于稳定元素，与中酸性侵入岩的风化成土作用关系紧密。

因子6占总变量方差的5.38%，其中CaO和TC占有较高载荷。CaO富集是由于碳酸盐岩形成的土壤残留有CaO所致；TC主要与生物富集作用相关。因子6反映了碳酸盐岩风化和生物富集作用的元素组合特征。

因子7中Ag、Pb和Zn占有较高的载荷，其占总变量方差的5.22%。该组元素主要与中低温成矿作用有关，主要反映中低温矿化作用的元素组合特征。

因子8中As、Sb和Mo占有较高的载荷，其占总变量方差的4.46%。该组元素主要与中酸性侵入岩的成矿作用有关，反映了中酸性侵入岩矿化的元素组合特征。

因子9中Al2O3、SiO2、Ga、Cd和Mn占有较高载荷，其占总变量方差的4.45%。Cd和Mn与碳酸盐岩的风化作用有关；Al2O3、SiO2、Ga主要与中酸性侵入岩的风化作用有关，代表了碳酸盐岩和中酸性侵入岩风化的元素组合特征。

因子10中Na2O、Sr和Cl占有较高载荷，其占总变量方差的4.09%。Na2O的富集与下渗水的淋滤作用相关[34]；碱土金属Sr和卤族元素Cl富集与碳酸盐岩的风化相关[37]。因子10反映了碳酸盐岩风化和淋滤作用的元素组合特征。

因子11占总变量方差的3.88%，Li和B占有较高载荷。研究区分布大量黏性土壤，而Li和B在表生作用下容易被黏土矿物吸附富集[38]。因子11反映了黏土物理化学吸附作用的元素组合特征。

3 结 论

(1)与全国深层土壤元素含量相比较，云南省西部地区深层土壤的多数元素基准值偏高，包括铁族元素(TFe2O3、V、Mn、Ni、Ti、Co、Cr)、亲铜元素(Cu、Pb、Zn、As、Hg、Sb)、矿化剂和卤族元素(F、I、Br、N、B)、稀有稀土稀散元素(Rb、Ga、Ge、Tl、Sc、Ce、La、Se、Be、Nb、Y)、放射性元素(U、Th)、钨钼族元素(W、Sn、Bi、Mo)、造岩元素(K2O、Al2O3)和Au。深层土壤中重金属元素As、Cu、Hg、Cr等相对偏高，但其基准值远低于农用地土壤污染风险筛选值，原生土壤环境总体洁净。碱金属和碱土金属元素Na2O、CaO、Sr、MgO以及Cl、S、TC等指标的基准值明显低于全国水平，其中CaO和 Na2O基准值仅为全国土壤平均值的13%和7%，作物营养有益元素Na2O、CaO、Sr和S相对贫乏，可能导致农田养分贫乏。

(2)云南省西部地区不同成土母质和不同用地类型基准值特征显示，原生土壤环境下成土母质是元素基准值的主要控制因素，用地类型对元素基准值有一定的影响。

(3)采用因子分析法对深层土壤地球化学特征的分析表明，成土母岩母质类型及矿化作用、风化淋滤等成土作用、生物地球化学循环与富集作用、黏土物理化学吸附作用等共同影响着研究区土壤基准值特征。