珠三角平原区第四系剖面重金属分布特征及其影响因素

引用本文

唐志敏, 侯青叶, 游远航, 杨忠芳, 李括. 珠三角平原区第四系剖面重金属分布特征及其影响因素. 地球科学进展, 2017, 32(8): 885-898
Tang Zhimin, Hou Qingye, You Yuanhang, Yang Zhongfang, Li Kuo. Distribution Characteristics and Influencing Factors of Heavy Metals in Pearl River Delta Quaternary Boreholes. Advances in Earth Science, 2017, 32(8): 885-898 复制到剪切板

Doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2017.08.0885
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珠三角平原区第四系剖面重金属分布特征及其影响因素

唐志敏^1,², 侯青叶^1,^*, 游远航³, 杨忠芳¹, 李括⁴

1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京 100083

2.中国地质调查局南京地质调查中心, 江苏南京 210016

3.广东省地质调查院,广东广州 510080

4.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

*通信作者:侯青叶(1978-),女,山西临汾人,副教授,主要从事区域地球化学和环境地球化学研究.E-mail:qingyehou@126.com

作者简介:唐志敏(1992-),男,四川绵阳人,硕士研究生,主要从事环境地球化学研究.E-mail:tangzmh@163.com

基金:中国地质调查局地质大调查项目“珠江三角洲土壤重金属地球化学成因与风险评价”(编号:12120115050401); 痕迹科学与技术公安部重点实验室开放课题(编号:2015FMKFKT03)资助

摘要

选取珠江三角洲冲积平原区4个不同沉积相带的第四系岩心做元素全量分析,并对4种重金属进行了赋存形态分数分析,揭示了珠江三角洲第四系元素地球化学特征主要受物源和沉积环境的控制。不同沉积环境下物源的影响程度不同,物源在三角洲平原相的沉积环境下影响强度最大,在海陆交互强烈的沉积环境下,物源的影响减弱,海陆交互作用的影响增强。不同重金属元素由于自身化学性质的差异,其对沉积环境的敏感程度有所不同。研究区Cd富集显著,且其活性态比例最高、潜在生态风险最大;而As,Hg和Pb的富集程度较弱,且As和Hg主要以残渣态的形式存在,Pb主要以残渣态和铁锰氧化物态为主,它们的生态风险相对较低。不同的沉积环境下pH等理化指标对Cd形态的影响不同,Cd的活动态主要与pH和淋滤系数有关。

关键词: 珠江三角洲; 第四系; 物源; 海陆交互作用; 重金属

中图分类号:P595 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2017)08-0885-14

Distribution Characteristics and Influencing Factors of Heavy Metals in Pearl River Delta Quaternary Boreholes

Tang Zhimin^1,², Hou Qingye^1,^*, You Yuanhang³, Yang Zhongfang¹, Li Kuo⁴

1.School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083, China

2.Nanjing Center,China Geological Survey,Nanjing 210016,China

3.Guangdong Institute of Geological Survey, Guangzhou 510080,China

4.Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, Chinese Academy of Geological Sciences, Hebei Langfang 065000, China

*Corresponding author:Hou Qingye(1978-), female, Linfen City, Shanxi Province, Associate professor. Research areas include regional geochemistry and environmental geochemistry.E-mail:qingyehou@126.com

First author:Tang Zhimin(1992-),male,Mianyang City,Sichuan Province,Master student. Research areas include environmental geochemistry.E-mail:tangzmh@163.com

Fund:Project supported by the China Geological Survey “Geochemical genesis and risk assessment of heavy metals in Pearl River Delta soil”(No.12120115050401); The Opening Project of Key Laboratory of Trace Science and Technology, Ministry of Public Security(No.2015FMKFKT03)

Abstract

This paper analyzed contents and geochemical fractions of four heavy metals in four Quaternary boreholes from different sedimentary areas in Pearl River Delta. The results revealed that the geochemical features of heavy metals were controlled by geological provenance and sedimentary environment. The contribution rates of geological sources showed differentiation in four sedimentary environments. In delta plain sedimentary environment, geological sources were the most predominant. In the sea land interaction sedimentary environment, the control of the geological source factor was weakened. The effect of land-sea interaction became more important. Due to different chemical properties of heavy metals, they showed distinct sensitivities to sedimentary environment. Cadmium (Cd) was enriched significantly in the study areas. Mobile fraction of Cd possessed the highest proportion. Potential ecological risk of Cadmium was the highest among heavy metals. Asenic, mercury and lead were enriched weakly. Arsenic and Mercury were dominated by residual fraction. Lead was mainly composed of residual and Fe-Mn oxidation fraction. Their potential ecological risks were relatively lower. In different sedimentary environment, physicochemical parameters had various effects on Cadmium geochemical fraction such as pH. The mobile fraction of Cd was mainly correlated with pH and leaching coefficient.

Keyword: Pearl River Delta; Quaternary; Provenance; Land-sea interaction; Heavy metal.

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1 引言

珠江三角洲是西江、北江共同冲积成的大三角洲与东江冲积成的小三角洲的总称, 面积1万多平方公里; 自晚更新世以来经历了3次海侵与海退的交互沉积^[1]。珠江三角洲是我国改革开放的前缘, 也是全国经济最为发达的地区之一, 已成为世界人口和面积最大的城市群^[2]。近年来, 该地区日益突出的各类环境问题越来越受到人们的重视。按我国土壤环境质量二级标准(GB15618-1995), 珠江三角洲表层土壤(0~20 cm)存在大面积的重金属元素含量超标问题^[3]。有研究认为土壤重金属异常主要与人为活动有关^{[4, 5]}; 也有研究认为珠江三角洲冲积平原土壤Cd等重金属异常既受上游成矿地质背景的影响, 同时也与地质历史时期海陆交互的沉积环境相关^[6]。重金属元素活动性大小及其环境危害效应主要与元素的赋存形态有关^[7]。土壤中重金属的形态不仅与全量有关, 也受土壤理化性质的影响。对于珠江三角洲平原区, 多数研究集中于土壤元素含量在沉积剖面或表深层土壤中的变化特征, 而关于元素赋存形态分数的研究相对较少^[8]。已有研究表明西北江输沙量占珠江水系输沙量的93.1%, 对珠江三角洲的发育起主导作用。因此, 本文选取了珠江三角洲第四纪冲积平原区4个典型的岩心作为研究对象, 分布于西北江冲积三角洲区域, 各岩心分别代表了河流相、三角洲平原相、三角洲前缘相和前三角洲相等沉积环境(图1), 对各岩心上主量元素、重金属元素全量、赋存形态分数等指标进行了分析, 运用主成分分析和相关性分析等多种手段, 探讨了地质背景、沉积环境对元素全量及其形态的影响。该研究对于冲积平原区土壤重金属的区域潜在生态风险评价具有重要参考价值^[9]。

2 研究区域位置

基于广东省地质调查院在珠江三角洲冲积平原区针对第四系开展的一系列岩心工作, 本文选取了4个岩心作为该区域各沉积相带的代表, 在沉积环境方面具有较高的代表性^[10]。4个岩心从珠江三角洲上游到下游由陆地到海洋的趋势展布成水平剖面(图1), 区域上跨越了广东的佛山、中山两市, 其中Ⅱ 03位于佛山市三水县, 对应沉积相为河流相, Ⅲ 03位于佛山市南海区, 对应的沉积相为三角洲平原相, Ⅰ 07位于中山市东凤镇, 为三角洲前缘相, Ⅳ 03位于中山市三角镇, 为前三角洲相。岩心取样采取分层取样的方法, 即按照沉积物质地或岩性将剖面分层, 每一层中再视层厚酌情等间距取样, 岩心的深度到半风化基岩为止, 各岩心的深度及采样数量见表1。

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	图1 珠江三角洲第四纪岩心分布图Fig.1 Location of Quaternary boreholes in Pearl River delta

表1 珠江三角洲第四纪沉积物岩心一览表 Table 1 General information of Quaternary boreholes in Pearl River delta

3 分析方法

对各样品主要分析了Si, Al, Fe, Mg, Ca, Na, K, As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, P, Pb, Ti, Zn和Zr等元素含量。元素含量分析测试遵照《多目标区域地球化学调查规范(1∶ 250000)》(DD2005-01)和《生态地球化学评价样品分析技术要求(试行)》(DD2005-03)执行, 由中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所完成, 测试结果的准确度及精确度均满足要求。对4个岩心的As, Cd, Hg和Pb元素进行了形态分析, 采取全谱直读电感耦合等离子发射光谱法分析了元素的水溶态、离子交换态、碳酸盐结合态、腐殖酸态、铁锰氧化物态、强有机态和残渣态等7种赋存形态, 每种形态的浸提取剂分别为:用蒸馏水作为提取剂提取水溶态; 离子交换态采用氯化镁溶液[c(MgCl₂· 6H₂O)=1.0 mol/L, pH=7.0± 0.2]提取; 碳酸盐态采用醋酸钠溶液[c(CH₃COONa· 3H₂O)=1.0 mol/L, pH=5.0± 0.2]提取; 腐殖酸态采用焦磷酸钠溶液[c(Na₄PO₇· 10H₂O)=0.1 mol/L, pH=10.0± 0.2]提取; 铁锰氧化物态采用盐酸羟胺— 盐酸混合溶液液[c(HONH₃Cl)=0.25 mol/L-C(HC)=0.25 mol/L]提取; 强有机态采用过氧化氢[φ (H₂O₂)=30%, pH=2.0± 0.2]提取; 残渣态采用氢氟酸[ρ (HF)=1.15 g/mL]提取。该分析由国土资源部安徽地质实验中心完成。

不同形态分析方法准确度是以土壤中元素全量分析作为标准, 与各形态之和做比较, 计算其相对偏差[RE= $\begin{matrix} \frac{(C_{总} - C_{全})}{C_{全}} \end{matrix}$ × 100%], 要求RE≤ 40%(式中:C_全为元素全量, C_总为元素总量)。形态分析的准确度采用同一份样品重复测定8次, 计算各形态重复分析的相对标准偏差(Relative Standard Deviation, RSD), 要求RSD≤ 30%。所有元素的形态分析均满足要求。As, Cd, Hg和Pb不同形态检出限见表2。

表2 As, Cd, Hg和Pb不同形态分析检出限要求 Table 2 Requirements of detection limits to various species of As, Cd, Hg and Pb

4 结果

4.1 岩心特征

Ⅱ 03岩心总长44.8 m, 岩心从上至下可分为15层:表层0~0.9 m为耕植土; 0.9~26.6 m为较细粒级的沉积物, 主要由深灰色— 灰黄色的黏土、粉砂质黏土、黏土质粉砂、粉砂和淤泥质黏土组成; 26.6~38.3 m为粗粒级沉积物, 由中砂、含砾粗中砂、砾石和卵石组成; 38.3~44.8 m为细粒级沉积物, 由桔黄色粉细砂和灰黑色淤泥质粉砂组成; 岩心底部为中风化砂岩(图2)。

Ⅲ 03岩心总长23.2 m, 岩心从上至下可分为17层:表层0~1.35 m为耕植土和素填土; 1.35~8.90 m为灰色的淤泥质黏土、粉砂质淤泥、粉细砂和淤泥质粉细砂组成, 含腐殖质和贝壳碎片; 8.9~10.7 m为灰黑色黏土, 含较多腐殖质; 10.7~22.1 m为主要由砂质沉积物组成, 包括粉砂、粉细砂和粉砂质黏土; 22.1~23.2 m为黏土质沉积, 由青灰色花斑黏土和灰色黏土层组成; 岩心底部为全风化泥岩(图3)。

Ⅰ 07岩心总长47 m, 岩心从上至下可分为17层:表层0~1.5 m为素填土层; 1.5~20.5 m为细粒级淤泥质沉积, 主要由深灰色淤泥、淤泥质粉细砂和粉砂质淤泥组成, 中间夹有一层中细砂; 20.5~33.2 m为较粗粒级的沉积, 主要由灰色的淤泥质中粗砂、中细砂和中粗砂组成, 中间夹有一层腐木层; 33.2~40.6 m为细粒级沉积, 由深灰色的粉砂质黏土、粉砂质淤泥和黏土组成; 40.6~47.0 m为粗粒级沉积, 由灰白色中细砂和卵石层组成; 岩心底部为灰黑色强— 中风化花岗岩(图4)。

Ⅳ 03岩心总长为46.8 m, 岩心从上至下可分为18层:表层0~0.5 m为灰黄色耕植土; 0.5~5.8 m为细粒级砂质沉积, 由深灰色淤泥质粉细砂和粉细砂组成, 含较多贝壳碎屑; 5.8~8.2 m为灰黄色黏土质沉积, 由黏土层和花斑黏土层组成; 8.2~9.2 m为灰黄色淤泥质沉积, 由淤泥质细砂和淤泥组成; 9.2~28.0 m为细粒级黏土质和砂质沉积, 主要由灰色、灰白色黏土、粉砂质黏土、粉细砂和花斑黏土组成; 28.0~46.8 m为巨厚的含砾粗砂层, 显灰黄色, 主要成分为石英、硅质和砂岩; 岩心底部为强中风化砂岩(图5)。

总体上来看, 岩心沉积物粒度在纵向上交替变化, 与重金属元素含量的变化有较好的对应, 表现为在以砂质为主的粗粒级的沉积物中重金属含量偏低, 而在以黏土质为主的细粒级沉积物中重金属富集。

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	图2 佛山市三水县Ⅱ 03岩心元素分布图Fig.2 Distribution of elements inⅡ 03 borehole of Sanshui County, Foshan City

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	图3 佛山市南海区Ⅲ 03岩心元素分布图Fig.3 Distribution of elements in Ⅲ 03 borehole of Nanhai District, Foshan City

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	图4 中山市东凤镇Ⅰ 07岩心元素分布图Fig.4 Distribution of elements in Ⅰ 07 borehole of Dongfeng Town, Zhongshan City

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	图5 中山市三角镇Ⅳ 03岩心元素分布图Fig.5 Distribution of elements in Ⅳ 03 borehole of Sanjiao Town, Zhongshan City

4.2 元素含量特征

在各岩心上, 元素含量与沉积物的性质以及粒度有着密切关系。各岩心的有机碳(OrgC), pH, Al, Fe, Ca, Ti, Zr, As, Cd, Hg和Pb的变化特征见图2~ 5。在沉积物岩性均一的层位, 元素含量的波动较小, 如Ⅱ 03岩心较厚的黏土层(层厚为13.1 m)中, As, Cd, Hg, Pb元素含量的变化范围分别为2.87 ~13.49 mg/kg(平均值为10.00 mg/kg), 0.15 ~0.71 mg/kg(平均值为0.59 mg/kg), 0.06 ~0.09 mg/kg(平均值为0.08 mg/kg)和21.99 ~33.71 mg/kg(平均值为30.53 mg/kg); 它们的变异系数也较小, 分别为13%, 13%, 5%和5%。对各岩心0~10 m的样品测试了pH和有机碳含量。Ⅱ 03岩心有机碳含量为0.24%~1.20%, pH值为5.40~8.15; Ⅲ 03岩心有机碳含量为0.32%~1.68%, pH值为2.35~7.82; Ⅰ 07岩心有机碳含量为0.32%~0.86%, pH值为7.65~8.17; Ⅳ 03岩心有机碳含量为0.16%~1.83%, pH值为4.45~8.28。各岩心Al和Fe含量相差不大, 两者在各岩心的变化趋势近于一致。各岩心Ca含量存在较大差异, Ⅱ 03岩心Ca含量为0.09%~2.01%, 中值为0.41%; Ⅲ 03岩心Ca含量为0.09%~0.95%, 中值为0.25%; Ⅰ 07岩心Ca含量为0.1%~11.46%, 中值为1.15%; Ⅳ 03岩心Ca含量为0.11%~5.2%, 中值为0.42%。Ⅱ 03~Ⅳ 03岩心Ti的含量范围分别为708~5 981 g, 940~5 845, 1 198~8 687和1 823~7 244 mg/kg; Zr含量范围分别为57.6~1 218.7, 103~516, 79~1 527 g和120~459 mg/kg。各岩心As, Cd, Hg和Pb 4种重金属元素的含量描述统计见表3。变异系数可反映统计数据的波动幅度, 从各元素含量在岩心变异系数的角度来看, Cd和Hg的变异系数较大, 而As和Pb的变异系数相对较小。

表3 各岩心重金属元素描述统计量 Table 3 Descriptive statistics of heavy metals in each borehole

4.3 元素形态特征

各岩心重金属元素的形态特征具有一定差异(表4)。总体而言, 各岩心中As, Hg和Pb 3种元素主要以残渣态的形式存在, 而以活动性较强的水溶态、离子交换态等赋存的比例相对较低。不同形态As的含量在各岩心上的变化较小, 分布较为均一, 其中各岩心残渣态的比例均大于60%; 其次为腐殖酸态、铁锰氧化物态, 水溶态、离子交换态以及碳酸盐态(图6)。Hg的不同形态在各岩心的分布相对As稍显复杂, 三角洲平原相的岩心中(Ⅲ 03)残渣态具有较高比例, 其平均值为75.66%。而前三角洲相的岩心(Ⅳ 03)中下部Hg残渣态显著减少, 腐殖酸态和强有机态显著增加, 残渣态Hg所占比例在该岩心的平均值为37.88%; 该剖面上Hg的水溶态、离子交换态以及碳酸盐态比例相较其他岩心显著增加(图6)。各岩心上Pb以残渣态为主, 在Ⅱ 03~Ⅳ 03水平剖面上残渣态Pb的平均比例在50%左右, 残渣态Pb比例总体变化较小, 而铁锰氧化物态Pb的变异性较高; 与As和Hg元素相比, 铁锰氧化物态Pb具有较高比例, 其中铁锰氧化物态Pb的比例在三角洲前缘相岩心(I07)最高, 其平均值为28.13%(图6)。Cd的形态特征相对复杂, 在所有的岩心中其残渣态的比例均较低(图6), Ⅱ 03和Ⅲ 03岩心Cd的形态分布特征较为相似, 各相态的比例相差不大, 但Ⅲ 03岩心的腐殖酸态比例较Ⅱ 03明显增大, 其平均比例为27.19%。Ⅰ 07岩心Cd的活动态最低, 水溶态与离子交换态总比例为3.25%, 而铁锰氧化物态和强有机态比例较高, 在垂向上两者平均比例之和达60.72%。Ⅳ 03岩心中Cd的活动态比例最高, 平均比例为28.95%。

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图6 各岩心重金属元素形态分布图
Ⅱ 03.佛山市三水县岩心; Ⅲ 03.佛山市南海区岩心; Ⅰ 07.中山市东凤镇岩心; Ⅳ 03.中山市三角镇岩心Fig.6 Geochemical fraction distribution of heavy metals in each borehole
Ⅱ 03.Borehole in Sanshui County, Foshan City; Ⅲ 03.Borehole in Nanhai District, Foshan City; Ⅰ 07.Borehole in Dongfeng Town, Zhongshan City; Ⅳ 03.Borehole in Sanjiao Town, Zhongshan City

表4 各岩心重金属形态比例平均值(单位:%) Table 4 Average geochemical fraction of heavy metals in each borehole (unit:%)

5 讨论

5.1 元素分布规律

Cd相对于地壳丰度的富集明显, 其平均含量约为地壳丰度的4倍, 高于长江三角洲等其他地区土壤背景值, 超过我国土壤环境质量一级标准值, 为全国土壤背景值的3倍左右(表5)。As平均含量约为地壳丰度的3倍, 其平均含量与广东省和长江三角洲两地的土壤背景值大致相当, 略低于其他地区土壤及沉积物背景值(表5)。Hg含量约为地壳丰度的2倍, 高于黄河三角洲土壤背景值, 低于长江三角洲土壤背景值(表5)。Pb含量约为地壳丰度的2倍, 其平均值高于土壤环境质量一级标准值, 而与其他地区土壤及沉积物背景值相当(表5)。

总体来看, 4种重金属在第四系岩心剖面中含量均高于地壳丰度, 其中尤以Cd的富集程度最高, 其生态风险也最大。

5.2 控制因素

对各岩心的元素及理化指标作主成分分析(图7和表6), 结果显示, 各岩心主要可分为3个主成分, 其中各岩心第一主成分(PC1)包含了绝大部分指标:①Si, Al, Fe, Mg, Ti和P这类成岩元素在该因子中的载荷很高, 最小值为0.77, 最大值高达0.99。因此, 可以将该主成分作为“ 物源因子” , 反映物源因素对元素分布的制约。②除了Ⅳ 03岩心的Cd元素外, As, Cd, Cr, Hg, Ni, Pb和Zn在PC1中的载荷也非常高, 说明重金属元素的分布特征也主要受物源因素的控制。从各岩心上PC1的方差贡献率来看, Ⅲ 03岩心上PC1的贡献率最高, 为74.89%, 且该岩心上PC1中各指标的分布更加集中, 反映了物源因素对该岩心的控制最强, 其次是Ⅰ 07和Ⅱ 03; PC1对Ⅳ 03的方差贡献率最低, 为54.51%, 反映了物源因素对Ⅳ 03的控制力度最弱。Ⅲ 03为三角洲平原相, 珠江上游碎屑物质经搬运至该沉积环境下达稳定沉积状态, Ⅳ 03为前三角洲相, 陆相沉积作用的制约相对减弱。珠江三角洲冲积平原区沉积物的物源主要为西北江流域上游的碎屑物质, 西北江上游发育有众多的多金属矿床, 其成矿地质背景以富集As, Sb, Zn, Cd, Cr, Ni, CaO, Au, Hg, Pb, Ag, Cu, S, Mo, F, Li, Sr, B, Mn, V, Ti, Co, P, MgO, Fe₂O₃等元素及化合物为主要特点^[10]。西北江上游碎屑物质经风化、剥蚀、搬运、沉积等地质作用为平原区第四纪沉积物奠定了物质基础, 第四纪沉积物对西北江的高地质背景具有一定继承性。

前人的研究显示, 北江水系上游(广东境内)流经石炭、二叠纪石灰岩, 中游和下游流域以燕山期花岗岩和泥盆系碎屑岩为主, 西江水系流经区域则主要为泥盆纪的石灰岩、砂砾岩以及燕山期花岗岩^[6]。Ca-Na-Ti三角图对沉积物源区的化学特征有较好的示踪作用(图8), 沉积物源区以富集Na为主要特征, 岩性特征上主要处于低Ca花岗岩与上地壳之间, 这与西北江中下游流域广泛发育燕山期花岗岩这一特征有较好的响应。

表5 各岩心及其他地区重金属含量 Table.5 Heavy metal content in each borehole and other areas

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图7 各岩心主成分载荷图
Ⅱ 03.佛山市三水县岩心; Ⅲ 03.佛山市南海区岩心; Ⅰ 07.中山市东凤镇岩心; Ⅳ 03.中山市三角镇岩心Fig.7 Component loading in each borehole
Ⅱ 03.Borehole in Sanshui County, Foshan City; Ⅲ 03.Borehole in Nanhai District, Foshan City; Ⅰ 07.Borehole in Dongfeng Town, Zhongshan City; Ⅳ 03.Borehole in Sanjiao Town, Zhongshan City

Cd等重金属元素全量在水平剖面上的变化也呈现一定规律, 反映了沉积环境对元素分布的制约(图9)。以元素含量的中值来代表各岩心中元素平均含量的稳健估计, 总体而言, As元素含量在各岩心的变化较小, 趋势也较为集中。其他3种重金属元素在三角洲平原相的Ⅲ 03岩心中含量最低, 在河流相的Ⅰ 07岩心中含量最高, 除Cd元素外, Hg和Pb在三角洲前缘相和前三角洲相元素含量近于一致(图9)。结合主成分分析结果, 各元素平均含量在Ⅱ 03~Ⅳ 03水平剖面的变化趋势反映出, 元素含量的高低取决于包含物源因素和沉积环境在内的多个因素, 河流相沉积环境下重金属元素高度富集。三角洲平原相属于稳定的沉积环境, 化学组成上表现为重金属元素含量的亏损。三角洲前缘相和前三角洲相处于海陆交互作用强烈的沉积相带, 海洋作用较多地参与了该沉积相带下的沉积过程, 在海陆交互沉积的环境下, 重金属元素的含量有较为明显的富集。这种变化趋势表明珠江三角洲平原区第四纪沉积物重金属元素地球化学特征既受控于上游地质背景(物源因素), 亦受沉积环境的影响。

表6 元素主成分分析结果 Table 6 Principal component analysis of elments

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图8 各岩心Ca-Na-Ti三角图(底图引自参考文献[17])
Ⅱ 03.佛山市三水县岩心; Ⅲ 03.佛山市南海区岩心; Ⅰ 07.中山市东凤镇岩心; Ⅳ 03.中山市三角镇岩心Fig.8 Triangular chart of Ca-Na-Ti in each borehole (Base map from the reference[17])
Ⅱ 03.Borehole in Sanshui County, Foshan City; Ⅲ 03.Borehole in Nanhai District, Foshan City; Ⅰ 07.Borehole in Dongfeng Town, Zhongshan City; Ⅳ 03.Borehole in Sanjiao Town, Zhongshan City

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图9 各岩心重金属元素含量箱线图
Ⅱ 03.佛山市三水县岩心; Ⅲ 03.佛山市南海区岩心; Ⅰ 07.中山市东凤镇岩心; Ⅳ 03.中山市三角镇岩心Fig.9 Box plot of heavy metal concentration in each borehole
Ⅱ 03.Borehole in Sanshui County, Foshan City; Ⅲ 03.Borehole in Nanhai District, Foshan City; Ⅰ 07.Borehole in Dongfeng Town, Zhongshan City; Ⅳ 03.Borehole in Sanjiao Town, Zhongshan City

5.3 元素的活性

珠江三角洲第四纪平原区受同一物源的控制, 但各重金属元素的赋存形态特征在不同的沉积环境下有所不同^{[5, 18]}, 暗示着沉积环境对于元素的活动性具有一定制约。前人研究认为, 环境中重金属的水溶态、离子交换态以及碳酸盐态对环境的变化较为敏感, 活动性较强, 而铁锰氧化物态、强有机态和残渣态在环境中的性质相对稳定, 其活动性较弱^[7]。因此, 水溶态、离子交换态和碳酸盐态之和的比例来表征元素的活动性。在各岩心中, As和Hg主要以残渣态的形式存在, Pb主要以残渣态和铁锰氧化物态为主, 这3种重金属元素的活动性较弱, 对环境的危害较小。Cd的化学形态较为复杂, 在各岩心中Cd的稳定态比例相对较小, Cd活动态比例高达3.5%~83.5%, 远高于As, Hg和Pb的活动态比例, 他们三者活动态的比例分别为0.25%~29.5%, 0.6%~19.4%和0.9%~43.4%。研究区Cd元素的富集程度又最为明显, 因此, 仅讨论Cd活动态的影响因素, 通过分析各种形态Cd比例与各类理化指标的相关关系, 结果表明:有机碳与各形态Cd的相关性较差, 沉积物中Cd形态主要与pH、淋滤系数(SiO₂/MgO)等指标具有较好的相关性(图10)。不同的沉积环境下pH对Cd形态的影响模式不同。Ⅱ 03岩心中Cd离子交换态与pH相关性最好, 二者呈现显著的负相关, 反映该沉积环境下Cd的离子交换态可能主要以Cd²⁺形式存在, Cd²⁺在沉积物中与H⁺发生拮抗效应, 故随着pH的减小Cd离子交换态比例增加。Cd碳酸盐态与pH呈现良好的正相关, Cd与Ca的地球化学性质相似, 可以类质同象方式赋存在方解石中, 已有研究发现土壤里有少量的方解石^[19], 推测, 随着pH值的增大Cd伴随着Ca与环境中的C $\begin{matrix} O_{3}^{-} \end{matrix}$ 发生沉淀。Ⅳ 03剖面中Cd残渣态与pH呈现显著负相关, 表明随着环境碱性的增强Cd的残渣态比例降低, 而相对活性较强的相态比例增加, 说明强烈的海陆交互作用有利于Cd的活化。Ⅲ 03岩心Cd水溶态比例与淋滤系数呈现显著的正相关关系, 随着淋滤作用的增强, Cd水溶态比例增加, 表明淋滤作用有利于Cd活动性的增加。

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	图10 各岩心Cd形态与pH, SiO₂/MgO相关图Fig.10 Fraction of Cd vs pH, SiO₂/MgO in each borehole

6 结论

土壤学的研究近年来成为社会关注的热点^[20], 从成土母质的角度出发能够对土壤环境的现状及形成机理有更深入的认识。珠江三角洲平原区第四纪沉积物来源于西北江流域的碎屑物质, 物源区的地质背景对第四系元素地球化学特征具有重要制约。不同沉积环境下物源因素的控制强度不同, 物源因素对三角洲平原相下的沉积物地球化学特征控制强度最强, 对前三角洲相控制强度最弱, 在前三角洲相的沉积环境下, 海洋作用较多地参与了沉积过程。

珠江三角洲平原区第四纪沉积物重金属元素主要以Cd的活动性最强, 不同的沉积环境下pH等理化指标对Cd形态的影响不同, Cd的活动态主要与pH和淋滤系数有关。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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1985

0.0

. 1985, 31(2):159-164

Characteristics of the Quaternary deposits in the Zhujiang (Pearl) Delta

珠江三角洲第四纪沉积特征

Huang Zhenguo , Li Pingri , Zhang Zhongying

黄镇国, 李平日, 张仲英

... 自晚更新世以来经历了3次海侵与海退的交互沉积^[1] ...

2014

0.0

. 2014, 34(2):217-224

Comparative study of population density in flat area between the Pearl River Basin in China and Kanto Basin in Japan

中国珠三角盆地和日本关东盆地平地人口密度对比研究

Kuang Yaoqiu , Yao Zhiyuan , Huang Ningsheng

匡耀求, 姚志远, 黄宁生

The Pearl River Basin is located in south-central Guangdong Province, China. Covering Pearl River downstream, Pearl River Basin is surrounded by mountains and hills to its eastern, western and northern sides. There is an alluvial plain named Pearl River Delta in its central south built by mud and sands from the East River, West River and North River. Since China was carrying out Open and Reform policy in 1979, Pearl River Basin has experienced great growth in urbanization due to rapid social and economic development. A large amount of population moves to cities in Pearl River Basin for better and easier employment, sound environment for investment and good circumstances for living. As a result, the population density in Pearl River Delta rises year by year. However, the large population puts a great burden to cities and the rising population density leads to many problems like cities besieged by garbage, traffic congestion, water shortage, air pollution and climate change etc. These problems set an alarm for people and lead us to think of the following questions: Whether Pearl River Basin could sustain the current amount of population sustainably? Does Pearl River Basin have the potential to sustain more people? In order to find answers to those questions, this paper makes a comparative study of population density in relatively flat area between Pearl River Basin of China and Kanto Basin of Japan as the two regions are similar in geography and development function. Kanto Basin is located in south-central Honshu, Japan. It is famous for advanced economy, but also famous for the high density in population. Kyoto, once was the city with the highest population density, is one prefecture in Kanto Basin. From 1965 to 2005, the growth rate of population in Kanto Basin decreased year by year and dropped to 0.5% at 1995 and fluctuated little around 0.5% till 2010. What is more, at 2012, the growth rate of population in Kanto Basin dropped to 0.03% which means the number of people who migrate to Kanto Basin is nearly zero. This represents people would no longer like to migrate to cities in Kanto Basin maybe for the unsatisfied living condition or working environment. In other words, Kanto Basin could not sustain more people. The number of population and population density in Kanto Basin are at critical points. So this paper compares the population density in flat area between Pearl River Basin and Kanto Basin. And the conclusion is the population density in flat area of Pearl River Basin exceeds that of Kanto Basin in 2010 and the amount of population in Pearl River Basin is reaching its limit of carrying capacity. Pearl River Basin has little capacity to sustain more people.

改革开放以来，大量人口向珠三角盆地聚集，不断增加的人口负荷给区域可持续发展带来巨大压力，也给珠三角盆地国土承载力带来挑战。以中国珠三角盆地和日本关东盆地作为研究区，选取 2地2000和2010年普查人口和国土面积数据，进行计算、分析和对比，认为用可居住的平地人口密度才能真实反映区域人口压力状况。研究结果表明，日本关东盆地人口增长率从1995年开始已降到0.5%，人口承载力接近饱和。以人口承载力接近饱和的日本关东盆地为参考对象，对比中国珠三角盆地和日本关东盆地的平地人口密度，2000年时中国珠三角盆地的平地人口密度低于日本关东盆地，珠三角盆地还有一定吸纳人口的能力；2010年时中国珠三角盆地的平地人口密度已超过日本关东盆地，其人口规模已经接近其国土承载力极限，进一步集聚人口的能力已经非常有限。依靠人口集聚发展劳动密集型产业推动经济增长的传统发展模式已经难以为继，转变经济发展方式势在必行。

... 珠江三角洲是我国改革开放的前缘,也是全国经济最为发达的地区之一,已成为世界人口和面积最大的城市群^[2] ...

2014

0.0

... 按我国土壤环境质量二级标准(GB15618-1995),珠江三角洲表层土壤(0~20 cm)存在大面积的重金属元素含量超标问题^[3] ...

2004

0.0

. 2004, 35(5):636-638 DOI:doi:10.3321/j.issn:0564-3945.2004.05.026

Investigation on heavy metal pollution in a typical area of the Pearl River Delta

珠江三角洲典型区域土壤重金属污染探查研究

Ma Jin , Pan Genxing , Wan Hongfu

马瑾, 潘根兴, 万洪富

以珠江三角洲典型区域研究高强度经济开发下土壤环境中重金属污染的状况.测定了84份样品中铜、锌、镉、铬、铅的含量水平.土壤中镉、铬、铅、镍、铜、锌的含量分别在0.166～0.433 mg kg-1、2.28～94.28 mg kg-1、20.36～143.3 mg kg-1、2.29～63.55 mg kg-1、4.8～65.1 mg kg-1、10.06～131 mg kg-1之间.从分析结果可以看出,镍、铅等元素在有些地方普遍偏高,且有的极为明显,已高出背景值108.3 mg kg-1.其他元素也存在不同水平的富集,普遍高出背景值.

... 有研究认为土壤重金属异常主要与人为活动有关^[4,5] ...

2005

0.0

. 2005, 29(4):334-335 DOI:doi:10.3969/j.issn.1000-8918.2005.04.014

Chemical characteristics of soil Cd-high areas in Zhujiang Delta

珠江三角洲土壤镉高含量区的化学形态特征

Lai Qihong , Yu Haiping , Li Guoping

赖启宏, 余海平, 李国平

There exist Cd-high areas in alluvial plain of Zhujiang delta, which are distributed in Quaternary marine-continental and continental-marine alternating facies sediments. The characteristics of total Cd content and unstable Cd phase content are obviously different in different sedimentary facies. The total Cd content and unstable Cd phase content tend to decrease gradually from marine-continental alternating facies through continental-marine alternating facies to continental facies. From the surface to the depth, the content ratio of unstable Cd phase is relatively high near the underground water level.

珠江三角洲冲积平原区存在镉的高含量区, 其主要分布于第四纪海陆和陆海交互相。第四纪不同沉积相镉的全量和不稳定相态的含量特征也存在显著的差异, 海陆交互相、陆海交互相、陆相的全量和不稳定相态的含量呈逐渐降低的趋势。从地表至深部, 在地下水位附近不稳定相态的含量比例相对较大。

... 有研究认为土壤重金属异常主要与人为活动有关^[4,5] ...

... 3 元素的活性珠江三角洲第四纪平原区受同一物源的控制,但各重金属元素的赋存形态特征在不同的沉积环境下有所不同^[5,18],暗示着沉积环境对于元素的活动性具有一定制约 ...

2012

0.0

. 2012, 31(1):172-180 DOI:doi:10.3969/j.issn.1671-2552.2012.01.022

Distribution and origin of cadmium in the Quaternary sediments of the Pearl River Delta Plain, Guangdong Province, Southern China

珠江三角洲第四纪沉积物Cd元素的分布特征及成因

Liu Zining , Dou Lei , Zhang Wei.

刘子宁, 窦磊, 张伟

根据珠江三角洲平原区44个钻孔揭示的第四系,对晚更新世以来沉积物的地球化学特征进行了系统分析,结合沉积物粒度,探讨了珠江三角洲平原区第四纪沉积物Cd的分布特征、高含量来源及迁移富集规律.研究结果表明:①珠江三角洲第四纪沉积物的Cd含量地区差异较大,西江、北江冲积区为主要富集区,而潭江和东江冲积区为背景区.②物质来源、沉积物粒度、沉积环境与有机质含量共同影响了珠江三角洲第四纪沉积物Cd的含量分布,西江、北江冲积区受控于富Cd的泥盆系、石炭系砂页岩,而东江、潭江冲积区主要由贫Cd的燕山期花岗岩等限定；沉积物平均粒径(ψ值)与Cd含量存在显著正相关关系；另外,温暖湿润、海陆交互作用强烈的沉积环境与富含有机质的地区有利于Cd的聚积富集.③西江、北江流域相对富Cd岩石风化的产物,特别是具高强度Cd含量的铅锌多金属矿区,是西江、北江冲积区Cd高含量的主要来源.④珠江三角洲第四纪沉积物Cd的高含量区分成西江、北江西北部和东南濒海两大片区,究其原因,前者由区域发育的铅锌多金属矿控制,后者则受海陆交互作用沉积环境的影响.

... 也有研究认为珠江三角洲冲积平原土壤Cd等重金属异常既受上游成矿地质背景的影响,同时也与地质历史时期海陆交互的沉积环境相关^[6] ...

... 前人的研究显示,北江水系上游(广东境内)流经石炭、二叠纪石灰岩,中游和下游流域以燕山期花岗岩和泥盆系碎屑岩为主,西江水系流经区域则主要为泥盆纪的石灰岩、砂砾岩以及燕山期花岗岩^[6] ...

2005

0.0

. 2005, 24(12):1 499-1 502

Chemical forms of soil heavy metals and their environmental significance

土壤中重金属形态分析及其环境学意义

Han Chunmei , Wang Linshan , Gong Zongqiang

韩春梅, 王林山, 巩宗强

... 重金属元素活动性大小及其环境危害效应主要与元素的赋存形态有关^[7] ...

... 前人研究认为,环境中重金属的水溶态、离子交换态以及碳酸盐态对环境的变化较为敏感,活动性较强,而铁锰氧化物态、强有机态和残渣态在环境中的性质相对稳定,其活动性较弱^[7] ...

2002

0.0

. 2002, 21(3):34-38

Pollution of heavy metals in the Pearl River Estuary and its assessment of potential ecological risk

珠江口沉积物重金属污染及其潜在生态危害评价

Liu Fangwen , Yan Wen , Wang Wenzhi

刘芳文, 颜文, 王文质

... 对于珠江三角洲平原区,多数研究集中于土壤元素含量在沉积剖面或表深层土壤中的变化特征,而关于元素赋存形态分数的研究相对较少^[8] ...

2005

0.0

. 2005, 24(8):687-693 DOI:doi:10.3969/j.issn.1671-2552.2005.08.002

Regional ecological geochemical assessment: Ideas and prospects

区域生态地球化学评价思路及建议

Yang Zhongfang , Cheng Hangxin , Xi Xiaohuan

杨忠芳, 成杭新, 奚小环

区域生态地球化学评价是在多目标地球化学调查基础上开展的一项区域评价研究工作,其目的是为国家和所研究地区的国民经济建设、工农业结构调整和社会可持续发展提供基础地球化学资料.区域生态地球化学评价以异常元素的来源-成因-迁移转化-生态效应-预测预警为研究主线,以生态系统为研究基本单元,查明异常元素分布、分配、成因及来源,研究它们在地球表层各大层圈中的迁移转化规律,评价它们所产生的生态效应,应用地球化学和生态学的基本原理和方法对污染的生态系统进行预测预警,并提出治理建议,为国家区域性经济战略调整和工农业可持续发展提供科学依据.

... 该研究对于冲积平原区土壤重金属的区域潜在生态风险评价具有重要参考价值^[9] ...

2016

0.0

. 2016, 32(1):68-77 DOI:doi:10.3969/j.issn.1007-3701.2016.01.009

Element geochemical characteristics and controlling factors of the Quaternary Sediments in the Pearl River Delta Plain

珠江三角洲平原区第四纪沉积物地球化学特征及其控制因素

Li Wensheng , Dou Lei , Liu Zining.

李文胜, 窦磊, 刘子宁

在珠江三角洲经济区多目标区域地球化学调查基础上，根据珠江三角洲第四纪地质、基底地形、水系走向等方面的资料，在珠江三角洲布署了6条钻孔剖面，共44个第四纪地质钻探，对其晚更新世以来沉积物的地球化学特征进行了系统分析。结果表明：珠江三角洲平原区重金属元素富集，特别是以Cd、Hg、Cu、Pb、Zn、Ni、As为代表的重金属元素较为富集，形成高背景区。不同区域富集元素类型及富集程度呈现较大差异，其中以西北江三角洲各元素最为富集，而潭江三角洲仅U、Al2O3富集，其Cl、Cd、Cu、Sb、CaO等元素含量明显低于全区平均含量，东江三角洲Mo、S、Th、Tl、U等元素富集，Cd、Cl、Co、Cr、Hg、Mn、Ni、Sb、Sr、Ti、V、MgO、CaO、Na2O等元素含量明显低于全区平均含量。元素空间分布差异的控制因素是三角洲平原物质来源差异及沉积体系变迁。

... 2 研究区域位置基于广东省地质调查院在珠江三角洲冲积平原区针对第四系开展的一系列岩心工作,本文选取了4个岩心作为该区域各沉积相带的代表,在沉积环境方面具有较高的代表性^[10] ...

... 珠江三角洲冲积平原区沉积物的物源主要为西北江流域上游的碎屑物质,西北江上游发育有众多的多金属矿床,其成矿地质背景以富集As,Sb,Zn,Cd,Cr,Ni,CaO,Au,Hg,Pb,Ag,Cu,S,Mo,F,Li,Sr,B,Mn,V,Ti,Co,P,MgO,Fe₂O₃等元素及化合物为主要特点^[10] ...

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Spatial distribution characteristics of heavy metal in soils of Yangtze River Delta

长江三角洲地区土壤重金属含量及其分异特征

Zhang Ming , Chen Guoguang , Liu Hongying

张明, 陈国光, 刘红樱

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0.0

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Assessment of heavy metal contamination in the surface soil of the Yellow River Delta, China

黄河三角洲表层土壤重金属环境质量评价

Miao Xiongyi , Ye Siyuan , Hao Yupei

缪雄谊, 叶思源, 郝玉培

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Relationship of the soil fluorine enrichment and marine invasion in the Pearl River Delta

珠江三角洲海侵过程与土壤氟元素的富集效应

Yang Muzhuang , Lai Qihong , Zhou Shungui.

杨木壮, 赖启宏, 周顺桂

2014

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... Cd碳酸盐态与pH呈现良好的正相关,Cd与Ca的地球化学性质相似,可以类质同象方式赋存在方解石中,已有研究发现土壤里有少量的方解石^[19],推测,随着pH值的增大Cd伴随着Ca与环境中的C O3-发生沉淀 ...

2016

0.0

. 2016, 31(10):1 012-1 020 DOI:doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2016.10.1012

Societal responsibility and development trends of global soil studies and the provisions for China: Lessons from the status of the World#cod#x02019;s Soil Resources Report

从《世界土壤资源状况报告》解读全球土壤学社会责任和发展特点及对中国土壤学研究的启示

Zhang Xuhui , Shao Qianqian , Ding Yuanjun

张旭辉, 邵前前, 丁元君

2015 is the International Year of Soil (IYS) adopted by the 378th Congress of the United Nations. The Status of the World’s Soil Resources was released by the Food and Agriculture Organization of the United Nations, which was the policy report about the status of the world soil resources for the first time. The universal values of the global community were strengthened by the challenges for the global society from the risk and safety of the change of soil quality, functions, services and soil health. One third of the world soil resources were suffering serious degradation, which could affect the food security in the future, regional development and local conflicts in the report. The major task of the global monitoring, regulation and management of the world soil resources and the social responsibility of supporting the sustainable soil management by education, research and technology development were highlighted. The social responsibility and global development trends of soil science and management strategies were discussed by the keywords, the distribution of contributing authors and the citation of the references, as well as the main contents of the report. The keywords distribution of the report showed that the focus of the soil research included the change of soil quality, processes, functions and services induced by the natural driving forces, human’s activity and soil degradation, as well as the hotspots covered soil carbon/nitrogen-water-biological pool and distribution related with the biogeochemistry, global climate change and ecosystem functions and human health. The number and structure of the cited papers showed that the integration research based on the mega-data analysis were the prominent development trend of the soil science. The geographic distribution of all the contributing authors showed that dominant discourse of the global soil science were grasped by the developed countries including Europe and the United States, China had just limited effects on the global soil science. It is urgent to promote China’s soil science research and the services for global society.

解读2015年发布的《世界土壤资源状况报告》。基于对世界土壤资源状况的多视角分析,提出1/3面积的世界土壤资源处于部分或严重受损的态势,再次强调了世界土壤资源对于全球社会的普世价值,彰显了全面监测、调控和管理全球土壤资源的重大任务以及教育、研究和技术发展支撑全球土壤可持续管理的社会责任。报告表明,全球土壤学研究焦点是土壤变化与自然和人类活动驱动力、土壤退化及其导致的土壤质量、过程、功能和服务的变化,热点是碳(氮)—水—生物储库及分布为代表的生物地球化学与全球系统气候变化、生态系统功能及人类健康生活的关系;全球土壤学发展的突出趋势还表现为大数据为基础的集成研究。全球土壤学话语权仍为欧美发达国家所主导,中国土壤学的影响还很小,我国土壤学研究水平及其对社会的服务作用急需提升。

... 6 结论土壤学的研究近年来成为社会关注的热点^[20],从成土母质的角度出发能够对土壤环境的现状及形成机理有更深入的认识 ...