四川省沐川县典型土壤剖面重金属分布特征和生态风险评价

廖碧霞，沈文灵，贺灵

（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. 桂林理工大学，广西 桂林 541006）

土壤是人类生存和发展的宝贵资源。在社会经济快速发展的今天，土壤环境质量受到多种因素的影响，耕地重金属污染问题在世界范围内引起了广泛关注[1-2］。耕地重金属含量明显增加，主要是由于农业生产、大气沉降、废物处理等人为活动［3］所致。一方面，耕作土壤中重金属的积累影响了土壤的理化性质，导致土壤养分元素循环失衡，直接影响了耕作土壤的生产力，导致作物产量和品质下降。另一方面，重金属污染范围广、持续时间长、易积累难分解，可通过直接接触或食物链传递对人类健康构成威胁［4-7］。例如，汞的积累可导致自身免疫性疾病以及肺和肾衰竭。长期摄入过量Cd 导致前列腺增生性病变、骨折、肾功能障碍、肺癌和肺腺癌等不良影响［8］。中国约2.786×109m2农业土壤被Cd 污染［9］。 Kumar 等［10］收集了1991—2018年印度重金属污染土壤数据，所有土壤类型Cd 平均含量都超过限量值，Cd 的潜在生态风险值和修正后的潜在生态风险值均大于320，反映出较高的生态风险。研究土壤中重金属的含量并评估其风险，对于避免重金属对生态环境和人类健康造成危害具有重要意义。

近年来国内外学者在不同区域，开展自然条件、工矿业及交通发达等不同条件下，土壤重金属污染及生态风险评价等研究。周亚龙等［11］发现雄安新区受周边企业生产活动的影响，部分根系土壤样品As、Cd、Cu、Pb 和Zn 含量超过农用地土壤污染风险筛选值标准(GB 15618—2018)，其超标率分别为23.33%、96.67%、33.33%、33.33% 和10.00%。宋绵等［12］评估了河北阜平县表层土壤重金属污染特征发现As 和Cd 超过可接受致癌风险水平(As 为10-5，Cd 为10-6)，具有一定的致癌风险。Huang 等［13］发现九龙江流域水稻土中重金属具有较高的潜在生态风险，其中镉和汞的贡献率最高，分别为59.4%和26.2%。Barrena-González 等［14］研究发现西班牙埃斯特雷马杜拉地区的土壤养分表现出较高的变异性，80%以上的养分集中在土壤上层和较浅的土层。其他化学性质，如pH 值表现出相反的行为，在深层具有较小的变异性和较高的值。谢龙涛等［15］研究表明土壤重金属含量与土壤有机质和pH 值密切相关。Ye 等［16］利用聚合增强树分析表明，土壤pH 和有机碳是控制水稻土Cd 生物有效性的主要因素。

四川省沐川县位于中国西南部，是典型的土壤重金属元素地质高背景区。目前，对该区域内土壤剖面重金属垂直分布及其生态风险的研究认识还不够全面。本文选取沐川县3 个剖面的38 个土壤样品中的7 种重金属(As、Cd、Cu、Zn、Hg、Ni、Pb)为对象，利用电感耦合等离子体质谱法、氢化物发生原子荧光光谱法、高频燃烧红外吸收法等方法测定样品中7 种重金属元素含量等指标，采用地质累积指数(Geoaccumulation Index，Igeo)和汉克森潜在生态风险指数法(Potential Ecological Risk Index，RI)，研究重金属在土壤中的垂向分布特征，探究沐川县土壤重金属与土壤养分元素的关系及其污染程度和潜在生态风险，拟为地方政府对土壤资源的安全利用、土壤污染的防治与修复提供依据。

1 研究区概况

研究区位于四川盆地西南边缘小凉山余脉、乌蒙山区西北部，地处岷江、大渡河、金沙江的腹心地带，隶属于沐川县。地貌主要以平坝、低山和低中山为主［17］。气候属亚热带湿润季风气候。主要作物为玉米、茶叶等。土壤类型多为紫色土和黄壤［18］，区内土地利用方式以旱地、茶园为主，耕地较为分散，主要为山间梯田。

在地质构造上，沐川县位于扬子淮地台四川台坳川中台拱西南缘的弧形褶带，西南接凉山凹陷带、东北连威远台凸，县内断裂少但褶皱较发育。区内出露地层主要有：侏罗系蓬莱镇组(J3p)、遂宁组(J3sn)、沙溪庙组(J2s)和自流井组(J1z)；三叠系须家河组(T3x)和垮洪洞组—须家河组并层(T3k-x)；三叠系雷口坡组(T2l)；三叠系飞仙关组—嘉陵江组—雷口坡组并层(T1-2f-l) 和飞仙关组—嘉陵江组并层(T1f-j)；二叠系宣威组(P2x)；二叠系峨眉山玄武岩组(Pe)；白垩系窝头山组(K1w)(图1) 。蓬莱镇组(J3p)、遂宁组(J3sn)、沙溪庙组(J2s) 和自流井组(J1z) ：泥岩、砂岩和粉砂岩；须家河组(T3x) 和垮洪洞组—须家河组并层(T3k-x)：砂岩、粉砂岩、泥岩及煤层组成的沉积旋回；雷口坡组(T2l)：粉砂岩与白云岩、泥质灰岩互层，夹黑色碳质页岩；飞仙关组—嘉陵江组—雷口坡组并层(T1-2f-l) 和飞仙关组—嘉陵江组并层(T1f-j)：白云岩、灰岩、页岩；宣威组(P2x)：黄绿色砂、粉砂岩，夹泥岩及煤；峨眉山玄武岩组(Pe)：灰绿色致密、杏仁状玄武岩，夹苦橄岩、凝灰质砂泥岩、煤线及硅质岩；窝头山组(K1w)：砖红色块状细粒长石石英砂岩。

图1 研究区位置和地质简图Fig. 1 Location and geological map of the study area.

2 实验部分

2.1 样品采集

按照不同的地质背景和土壤类型布设三条土柱剖面(YS、PS、GS)。采用手动取样钻连续分段采样，样柱长度控制为10cm/件。每件样品质量不少于500g。取深部土样时，需防止上部土壤混入。土柱剖面深度视土层发育情况而定，从3 个土壤剖面共采集38 个土壤样品，采样点描述见表1。土壤样品经自然风干后去除石块、碎屑、塑料等杂质，研磨后过10 目筛，混匀、称重并送往实验室。

表1 研究区不同类型土柱剖面取样点概况Table 1 Sampling points of different types of soil column profiles in the study area.

2.2 样品测试

以《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)为依据 ，采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS，ICap Qc 型，美国ThermoFisher 公司)测定Cd、Cu、Ni、Pb、Zn 含量；氢化物发生原子荧光光谱法(HG-AFS，XGY-2020A 型，廊坊开元高技术开发公司)测定As 含量；X 射线荧光光谱法(XRF，PW 4400/40 型，荷兰帕纳科公司) 测定P、K2O 含量；氧化燃烧-气相色谱法(GC，EA3000 型，意大利Eurovetorspa 公司)测定N 含量；冷蒸气原子荧光光谱法(CV-AFS，XGY-2020A 型，廊坊开元高技术开发公司)测定Hg 含量；高频燃烧红外吸收法(IR，COREY-200 型，四川普瑞晟科技有限公司) 测定有机碳(Corg) 含量；电位法(POT，PHB-4 型，上海仪电科学仪器有限公司)测定土壤pH 值。各指标分析测试的检出限见表2。

表2 各指标分析测试检出限Table 2 Detection limit of each index analysis.

分析质量控制严格执行《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)和《多目标区域地球化学调查规范》(DZ/T 0258—2014) 。样品分析过程中，按照规范插入国家一级标准物质(GBW07401、GBW07408、GBW07423～GBW07426) 和重复样，用于监控分析测试的准确度和精密度。各元素的分析检出限、准确度和精密度均达到或优于DZ/T 0258—2014 的要求，分析数据质量可靠。

2.3 污染程度和潜在生态风险评价方法

采用地质累积指数(Igeo)［19］评价土壤重金属污染程度，选取潜在生态风险指数(RI)［20］评价潜在生态风险。Igeo的计算公式如下：

式中：Cn为土壤中目标元素的实测值，Bn为土壤中目标元素的背景值。在本研究中，Bn选取四川省土壤背景值［21］。k是一个常数，用于修正不同地方岩石组成差异引起的背景值的变化(k一般赋值为1.5)。

Igeo与污染程度之间的对应关系为：Igeo≤0 表示无污染； 0＜Igeo≤1 表示轻度至中等污染； 1＜Igeo≤2表示中等污染； 2 ＜Igeo≤3 表示中等至强污染； 3＜Igeo≤4 表示强污染； 4＜Igeo≤5 表示强至极严重污染；Igeo＞5 表示极严重污染。

式中：RI为所有重金属元素个体潜在生态风险的总和；Ei为单个元素的潜在生态风险指数；Tm为生物毒性因子。依据 Hakanson［20］和徐争启等［22］的研究，给出的毒性响应系数为：Hg=40，Cd=30，As=10，Pb=Cu=Ni=5，Zn=1 和Cr=2。

潜在生态危害系数(Ei) 从低到高分为5 个等级，用于描述某一污染物(元素) 的生态危害程度。不同的Ei值对应的生态危害程度划分为：Ei＜40 为轻微；40≤Ei≤80 为中等；80≤Ei≤160 为强；160≤Ei≤320 为很强；Ei≥320 为极强。

潜在生态危害指数(RI) 是描述某一点多个污染物(元素) 潜在生态危害系数的综合值，分为4 个等级。RI＜150 表示轻微；150≤RI≤300 表示中等；300≤RI≤600 表示强；RI≥600 表示很强。

2.4 数据处理与图件制作

采用Excel 2016 进行土壤重金属含量、污染指数、生态风险指数的统计和计算，利用ArcGIS 绘制研究区地质简图，采用SPSS 26 进行Pearson 相关分析和箱型图制作，后期用 CorelDRAW2019 进行修饰。

3 结果与讨论

3.1 土柱剖面重金属含量

三个剖面重金属(As、Cd、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn)平均含量对比如图2。

图2 三个采样点土壤剖面重金属平均含量对比Fig. 2 Comparison of average heavy metal contents in soil profiles at three sampling points. The black dotted line indicates the background value of national soil, and the red dotted line indicates the background value of Sichuan soil.

剖面YS 土壤中，As、Cd、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn含量范围分别为(mg/kg)：18.07 ～22.81、0.22～0.73、22.96 ～31.13、0.088 ～0.148、30.32 ～36.85、37.32～53.52 和84.54 ～104.10；变异系数分别为0.07、0.36、0.09、0.17、0.06、0.11、0.07。

剖面PS 土壤中，As、Cd、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn含量范围分别为(mg/kg)：6.09～8.35、0.21～0.49、24.87～31.71、0.02～0.04、45.02～51.98、29.57～42和 107.70～125.60；变异系数分别为0.09、0.31、0.08、0.23、0.04、0.11、0.05。

剖面YS 和PS 土壤中，Cd 呈高度变异，Hg、Pb呈中等变异，As、Cu、Pb、Zn 呈低变异程度。多种重金属含量多呈低变异性，表明As、Cu、Pb、Zn 主要来源于母质。

剖面GS 土壤中，As、Cd、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn含量范围分别为(mg/kg)：0.95～10.64、0.06～0.31、14.39～31.01、0.038～0.119、22.46～48.34、22.28～43.68 和59.54～105.80；变异系数分别为0.71、0.47、0.19、0.41、0.30、0.24、0.17。As、Cd、Hg 呈高变异性，表明该研究区这三种金属含量变异性高，空间分散程度大，可能受到人类活动的影响。重金属的空间分布可能是多种污染源共同作用的结果，但更多的污染源信息需要通过不同的统计分析来深入挖掘。

As 含量在剖面YS 高于全国和四川背景值，在剖面PS、GS 均低于全国和四川背景值。三个剖面的Cd 含量都高于全国和四川背景值，Cu 含量均低于四川背景值；剖面YS 和GS 的Hg 含量高于全国和四川背景值，剖面PS 的Hg 含量显著低于全国和四川背景值；Ni 含量在剖面PS 远高于背景值，在剖面YS 接近四川背景值，高于全国背景值，在剖面GS 高于全国背景值，低于四川背景值；Pb 含量在三个剖面均高于背景值；Zn 含量在剖面YS、PS 都高于背景值，在剖面GS 接近全国土壤背景值，低于四川背景值。三个剖面Zn 含量最高，Cd、Hg 含量最低。这7 种重金属除了Cu，其余金属含量都高于国家和四川土壤背景值，表明这些金属在沐川县土壤中较富集。成土母质是重金属富集的重要驱动机制［23］，不同成土母质发育的土壤，其元素含量必定具有一定差异［7］。整体上看，不同土地利用方式下，玉米地(剖面YS、PS)重金属(Cd、Cu、Pb、Zn)含量高于茶园地(剖面GS)。

3.2 土壤剖面重金属垂向分布

As、Cd、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 等重金属元素在三个剖面上的分布如图3 所示。YS 剖面Cd、Cu、Zn、Pb 随土层深度的增加而降低，由于作物根系主要分部局在表土中，相对较高的重金属含量可能会引起人们对粮食安全的担忧；Hg 含量在50cm 以上时随着剖面深度的增加而降低，50cm 以下随土层深度增加而升高；As 和Ni 变化不明显。在剖面PS 中，7 种重金属含量均以表土最高，随土层深度的增加略有所下降，有可能是自然变化造成的［24］。在剖面GS 中，Ni、Cu、Zn 随深度增加而升高，As、Hg、Pb随深度增加而降低；Cd 变化不规则，波动较大，可能受成土母质的影响，在剖面GS，0～40cm 为灰色黏质土，80～90cm 为青灰色淤泥，120～130cm 为页岩、泥岩；一些重金属(Cd、Cu、Zn、Pb)会随着工业活动、化肥/农药的施用和汽车尾气排放在表层土壤中逐渐积累［24-26］。本研究中Cd、Cu、Zn、Pb 总含量沿土壤剖面的变化也支持了这一点。

图3 三个采样点土壤剖面重金属垂向分布特征Fig. 3 Vertical distribution characteristics of heavy metals in soil profiles at three sampling points.

3.3 土壤剖面有机碳、养分元素及pH 垂向分布

三个剖面土壤中有机碳、N、P、K2O 和pH 值的垂向分布如图4 所示。

图4 三个采样点土壤剖面有机碳(Corg)、氮(N)、磷(P)、氧化钾(K2O)含量和pH 的垂向分布特征Fig. 4 Vertical distribution characteristics of organic carbon (Corg), nitrogen (N), phosphorus (P), potassium oxide (K2O) contents and pH in soil profiles at three sampling points.

土壤剖面pH 值为4.48～8.46，在剖面GS 呈酸性，在剖面YS、PS 呈碱性，可能与土壤类型有关。土壤有机碳含量在0.2%～3.37%之间，随土层深度的增加而降低，在剖面GS 变化最明显。Cd、Pb 含量的最高值出现在表层，这一发现可能是由于不同层次土壤理化性质的影响。N 含量随土层深度增加而降低，变化范围在496.94～2323.94mg/kg。P 含量为227.46～1315.8mg/kg，在剖面YS 变化最明显。K2O 含量范围为1.6%～3.55%，在剖面YS、PS 差异不明显，在剖面GS，80cm 以下含量明显增加。

3.4 重金属浓度与土壤养分的相关关系

通过Pearson 相关分析，确定了不同土壤类型三个剖面中重金属浓度与土壤养分的相关关系(表3)。在剖面YS，Cd、Cu 与N、P、Corg呈极显著(p＜0.01)正相关；Hg、Zn 与K2O 呈显著正相关(p＜0.05)，与pH 呈极显著负相关(p＜0.01)；Pb 与N、P、Corg呈极显著正相关，与K2O 呈极显著负相关；As 和Ni 与N、P、K2O、Corg、pH 无相关性。在剖面PS，As、Cd、Cu、Hg、Zn 与N、P、Corg呈正相关(As 和P 除外)，与pH 呈负相关；Ni 与K2O 呈正相关。在剖面GS，Cd与N、P、K2O、Corg、pH 之间的关系不密切，Cu 与P、K2O 呈正相关；As、Hg、Pb 与N、Corg呈极显著正相关，Zn、Ni 与N、Corg呈负相关。一个潜在的原因可能是土壤有机质对重金属的吸附，土壤有机质对Cd和Pb 等金属有很大吸附力［27］。但是，腐植酸和胡敏素［28］可能会降低土壤中某些金属的含量，因此较高的有机质含量可能不会固定更多的金属，本研究中在茶园剖面(GS)，Zn 和Ni 含量与土壤有机碳(Corg)呈显著负相关。氮、磷、钾作为肥料的标志元素，在农业生产过程中极易在表层土壤中累积。化肥和农药不仅会将重金属直接带入土壤，还会影响pH、有机质等其他土壤因子，从而增加重金属含量［29-30］。大量研究表明，磷肥中含有一定量重金属。磷肥中重金属含量高低与磷矿及其来源有关。美国磷肥中 Cd 含量在 4～100mg/kg ，摩洛哥磷肥中 Cd含量在 10～24mg/kg［31］。本研究中玉米地Cd 与氮磷呈显著正相关，剖面YS 相关系数分别为0.813 和0.947；剖面PS 相关系数分别为0.845 和0.747。

表3 三个采样点土壤剖面重金属与土壤养分指标的Pearson 相关性Table 3 Pearson correlation between heavy metals in soil profiles and soil nutrient indicators at three sampling points.

一般来说，土壤pH 值与土壤中重金属含量呈负相关关系，因为pH 值不仅影响土壤颗粒对重金属的静电吸附，而且会破坏母质的惰性部分，从而影响土壤中重金属含量［3，32］。较酸性的环境有利于金属作为土壤中的不稳定组分加入土壤，也限制了金属离子与土壤矿物质或有机物的结合。

由表3 可知，在YS 剖面有机碳(Corg)与Cd、Cu、Pb 呈极显著正相关，与Hg 呈极显著负相关。在PS剖面Corg与As、Cd、Cu、Hg 呈极显著正相关，与Zn呈正相关，Cd、Hg 与Corg相关程度非常高，相关系数分别达0.934 和0.955(图5)；Cd、Hg 含量与土壤pH的相关系数(图5)分别为-0.964 和-0.944。土壤有机质和pH 值是影响重金属在土壤中迁移的重要因素。pH 和有机碳两个变量均能较准确地预测土壤重金属总含量，两者的分布可能对该地区土壤重金属的分布有一定的控制作用，Khaledian 等［33］的数据说明了这一点。

图5 紫色黏质土(PS 剖面) Cd 与Corg (a)、Hg 与Corg (b)、Cd 与pH 值(c)、Hg 与pH 值(d)相关关系Fig. 5 The correlation between Cd and Corg (a), Hg and Corg (b), Cd and pH (c), Hg and pH (d) in purple clay soil (profile PS).

在剖面GS，有机碳(Corg)与As、Hg、Pb 呈极显著正相关，与Ni 呈极显著负相关，与Zn 呈显著负相关。由于Hg 对土壤有机质官能团具有较高的亲和力，土壤有机碳通常与Hg 浓度具有很强相关性［34］，与研究结果一致。Ahmad 等［35］认为有机碳增加了土壤溶液中的重金属，阻止了重金属与其他离子的络合，从而增加了土壤中重金属浓度。可见，有机碳对土壤中重金属的保留起了重要作用。这也解释了表层土壤含有较高的Cd、Cu、Pb，因为这部分的有机碳含量相对较高。一般而言，细颗粒土壤比表面积较大，有机质含量较高，因此对重金属(样体)离子的结合能力较高［36-37］。研究发现［16］，土壤pH 值在决定Cd 在土壤结合位点上的吸附以及Cd 在土壤溶液中的形态、溶解度和流动性方面起着最重要的作用。

使用Pearson 相关分析可以确定重金属之间的相关关系，提供其来源和传输的信息，如果重金属之间存在显著的正相关关系，说明其来源相同，途径相似［38-39］，各采样点土壤Pearson 相关分析结果见表4。As 与Cd、Hg、Pb 呈极显著正相关，Cd 与Cu、Zn、Pb 呈极显著正相关(p＜0.01)，表明相似的地球化学行为或输入来源可能与农药和化肥的使用有关。本研究的结果与以前的一些研究一致。例如，在东北德惠的农业土壤中，Zn 和Cu 也存在较高的相关性［25］，这两种元素往往受到农业生产人为输入的控制。As、Hg 与Pb 之间呈较强的正相关，提示它们可能有共同来源。但是Ni、Pb 之间没有发现统计上的相关性，这可能表明它们的来源不同。

挥发性风味物质中的双乙酰、乙醛和乳酸对酸奶风味贡献突出，并对酸奶的气味和口感起到重要作用。酸奶中β-半乳糖苷酶与乳酸脱氢酶对乳酸的生成影响很大，可以通过调节酶活控制酸奶后酸化问题。β-半乳糖苷酶、α-乙酰乳酸脱羧酶、葡萄糖激酶、乳糖通透酶和丙酮酸激酶的酶活对酸奶中双乙酰、乙醛的产量有很大相关性。探究酸奶中的酶与挥发性风味物质的关系，有助于酸奶风味物质的形成机理研究。

3.5 土壤污染评价结果

图6 给出0～10cm、30～40cm、70～80cm、100～110cm 各层重金属的Igeo值，可以代表这些重金属在整个垂向剖面上的变化。所有土壤剖面中Cu、Zn的Igeo值均小于0，表明研究区土壤未受到这些重金属的污染。Cd 在四个深度的Igeo值有明显降低，除了在剖面GS 的Igeo值小于1，在剖面YS、PS 均大于1，说明玉米地(YS、PS)的Cd 污染程度较茶园地(GS)严重，这可能是由于耕作条件的差异，且YS 点表土Igeo值在2～3 之间，表现为中等-强污染。综上所述，由于种植不同作物不可避免地会改变土壤的物理和化学性质，不同农区土壤重金属污染水平差异很大。旱地和茶园地土壤的基本理化特征不同，从而影响重金属的化学转化和生物有效性［40］。金属的有效性取决于土壤有机质［41］，土壤有机质是土壤系统中最重要的组成部分之一，因为它对阳离子交换能力有重要影响，阳离子交换能力使土壤具有保留阳离子金属的能力［33］。特别是在污染环境中，土壤中金属的数量和有效性可以随着有机质和总有机碳的增加而增加。As、Hg、Ni、Pb 在四个深度的Igeo值均小于1 且接近于0，表明土壤污染轻微，可能是人为输入造成的，也可能是自然变化造成的。土壤中金属的天然来源与土壤母质有关，而人类对土壤金属的输入与各种人类活动有关。一般来说，由于过度使用化肥和农药、废水灌溉和大气沉降，常规农业做法导致土壤中重金属富集。Zhao 等［42］研究发现，化肥和粪肥的使用使重金属(Cd、Cu、Pb 和Zn)含量增加约3%/年。在很多情况下，金属污染物首先滞留在土壤表层，然后由不定期的淋滤水(特别是大量的雨水、灌溉水等)携带向下运移［36］。底土的污染主要是由表层土壤的金属垂直运移引起的。同时，土壤中重金属的迁移能力取决于其与土壤组分的相互作用［32］。

图6 三个采样点剖面土壤0～10cm 深度(a)、30～40cm 深度(b)、70～80cm 深度(c)和100～110cm 深度(d)的重金属地质累积指数( Igeo)Fig. 6 Geo-accumulation indexes ( Igeo ) of heavy metals in profile soils at 0-10cm depth (a), 30-40cm depth (b), 70-80cm depth (c)and 100-110cm depth (d) at the three sampling sites.

重金属的污染程度由高到低依次为：Cd＞Hg＞As＞Pb＞Ni。以白云岩为主的三叠系雷口坡组(T2l)和以泥岩为主的侏罗系蓬莱镇组(J3p)中Cd的Igeo值较高，以砂岩为主的三叠系须家河组(T3x)中Cd 的Igeo值较低，说明重金属的富集与成土母质关系较为密切。陈文轩等［43］基于福建、广东、海南、浙江、湖南、 陕西、甘肃、河南、重庆、山西、天津、内蒙古以及安徽等地农田土壤重金属实测数据，发现各行政区农田土壤Cd 与Hg 的地质累积指数较高，与本次研究结果相似。Yang 等［44］分析了中国402个工业用地和1041 个农业用地土壤中重金属的含量，确定Cd、Pb 和 As 为优先控制的重金属。各重金属的Igeo值分析表明，Ni 值的Igeo值最低，污染轻微，而Cd 的Igeo值最高，Hg 次之，污染严重。可以确定Cd 和 Hg 元素为农田土壤优先控制重金属。由于Cd、Hg 对人体的毒性，可能对人体健康构成更大的威胁，亟待治理。

3.6 潜在生态风险评估

三个剖面10、30、60、90、110、130、140cm 土层As、Cd、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 的值结果列于表5。除了Cd 和Hg，大部分重金属(Ei＜40) 的Ei值依次降低：Cd＞Hg＞As＞Pb＞Ni＞Cu＞Zn，说明这些重金属的污染程度较低。根据风险等级的描述，剖面YS 的Cd、Hg 潜在风险指数最高，在0～140cm 深度存在较大的Cd、Hg 生态风险(80≤Ei＜160)，其中表层土壤Cd 存在很强生态风险(160≤Ei＜320)。表明该地区的镉污染源可能受以往农业活动的影响，包括施用化肥和农药。Wei 等［45］研究也表明陕西省石泉县农田土壤中Cd、Hg 富集程度高，毒性系数高，生态风险高。在剖面PS，Cd 在 0～30cm 土壤表现为很强生态危害(160≤Ei＜320)，在60～110cm表现为强生态危害(80≤Ei＜160)。在剖面GS，表层土壤Cd、Hg 存在中等生态风险(40≤Ei＜80)。RI值在剖面YS 上0～10cm 表现为强生态风险(300≤RI＜600)，在30～140cm 表现为中等生态风险(150≤RI＜300)。在剖面PS，在0～30cm 中等生态危害(150≤RI＜300)，在60～110cm 表现为轻微生态危害(RI＜150)。在剖面GS，在0～130cm 表现为生态危害相对较弱。土壤各重金属Ei值随深度的增加而降低，与Igeo污染评价结果一致。三个剖面Cd 的Ei值相对较高，表明在控制重金属污染方面需要特别关注。张小敏等［46］对中国农田土壤重金属分布特征研究表明，南方地区由于工业活动和矿区开采，导致土壤Cd 累积明显强于北方地区。综上所述，可以发现三个剖面表层土壤生态危害指数(RI)较高，且Cd 的贡献最大。因此，为控制和缓解土壤重金属污染，今后应进一步加强对沐川县每个乡镇进行土地质量改善和监测，规范和调整工业和农业活动。

表5 三个采样点土壤剖面重金属潜在生态风险指数Table 5 Potential ecological risk index of heavy metals in soil profiles of three sampling points.

4 结论

选择四川省沐川县采集土壤剖面样品，采用电感耦合等离子体质谱法、氢化物发生原子荧光光谱法、高频燃烧红外吸收法等方法测定了样品中7 种重金属元素，土壤养分元素氮、磷、钾，有机碳含量和pH 值，结合地质累积指数法和潜在生态风险指数法，对研究区的土壤剖面重金属含量、生态风险特征进行了分析。根据土壤垂直剖面数据结果可以得出，重金属含量趋于在表层土壤富集，随深度增加其含量降低。Igeo值与Ei值亦随地层深度的增加而降低。研究区各指标的相关关系分析结果显示，土壤重金属含量与有机碳呈显著正相关，其原因应与有机质吸附作用有关。土壤重金属含量与pH 值呈显著负相关，因为pH 不仅影响土壤颗粒对重金属的静电吸附，而且会破坏母质的惰性部分，从而影响土壤中重金属含量。Igeo分析表明，旱地土壤(种植玉米，剖面YS)受到Cd 的污染，且旱地(剖面YS)的污染程度比旱地(剖面PS)和茶园地(剖面GS)严重。因为旱地(剖面YS)位于三叠系雷口坡组(T2l)，岩性为粉砂岩与白云岩、泥质灰岩互层，夹黑色碳质页岩。表明研究区内土壤中重金属含量及生态风险与地质背景密切相关。潜在生态风险分析表明，Cd、Hg 对玉米地土壤(剖面YS、PS)均具有较大的生态风险，对茶园地(剖面GS)生态风险相对较弱。

通过本次研究，较为客观地得出四川省沐川县土壤剖面重金属的累积和潜在生态风险状况，以及与土壤养分元素的关系，能够为研究区重金属污染防范提供科学支撑。耕地重金属负荷量的增加势必会造成农产品中重金属含量的增加，严重地将导致农产品中的重金属超标问题，因此要加强关注与当地土壤重金属直接相关的作物中的重金属含量。重金属、pH 和土壤养分元素之间的多元统计分析有待进一步研究。针对研究结果，建议深入研究重金属在土壤中的累积特征，合理评估其生态危害，保证土地的安全利用。

致谢：特别感谢中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所孙彬彬、候树军在样品采集中付出的辛勤劳动。

Distribution Characteristics and Ecological Risk Assessment of Heavy Metals in Typical Soil Profiles of Muchuan County, Sichuan Province

LIAO Bixia1,2，SHEN Wenling1,2，HE Ling1*
（1. Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, Chinese Academy of Geological Sciences, Langfang 065000, China；
2. Guilin University of Technology, Guilin 541006, China）

(1) Most of the heavy metal content in the profile is higher than the national and Sichuan background values,indicating a higher geological background.

(2) The heavy metal content is closely related to soil nutrients and physicochemical properties, positively correlated with organic carbon content, and negatively correlated with pH value.

(3) The accumulation of Cd and Hg is relatively high, and there is a certain potential ecological risk, while the ecological risks of other elements can be ignored.

ABSTRACTBACKGROUND:Soil is a precious resource for human survival and social development. The quality of the soil environment is impacted by a variety of issues due to the social economy’s rapid expansion, and the issue of heavy metal contamination in farmed land has garnered great attention globally. Heavy metals in soil pose a severe risk to the security of agricultural products and public health due to their persistence, latency, and ease of entry into the food chain.In recent years, many scholars have carried out research on soil heavy metal pollution and ecological risk assessment under different conditions such as natural conditions, industrial and mining industries and developed transportation in different regions. Zhou et al.[11]found that Xiong’an New Area was affected by the production activities of surrounding enterprises. The contents of As, Cd, Cu, Pb and Zn in some root soil samples exceeded the screening value standard for soil pollution risk of agricultural land (GB 15618—2018), and the exceeding ratios were 23.33%, 96.67%, 33.33%, 33.33% and 10.00%, respectively. Song et al.[12]evaluated the characteristics of heavy metal pollution in the surface soil of Fuping County, Hebei Province, and found that As and Cd exceeded the acceptable carcinogenic risk level (As is 10-5, Cd is 10-6). Kumar et al.[10]collected data on heavy metalcontaminated soils in India from 1991 to 2018. The average Cd content of all soil types exceeded the limit values,and the potential ecological risk values of Cd were greater than 320, reflecting a higher ecological risk. For the heavily polluted soil, according to the different pollution situation in our country, the remediation measures are taken according to local conditions. However, due to the wide area of contaminated soil and the complex composition of pollution sources, the current soil remediation work still faces huge problems.OBJECTIVES:To study the vertical distribution characteristics of heavy metals in soil, the relationship between soil heavy metals and soil nutrient elements, as well as the degree of pollution and potential ecological risks.METHODS:The contents of Cd, Cu, Ni, Pb, Zn were measured using inductively coupled plasma-mass spectrometry (ICP-MS); As content was determined by hydride generation atomic fluorescence spectrometry (HGAFS); P and K2O contents were determined by X-ray fluorescence spectrometry (XRF); N content was determined by oxidation combustion gas chromatography (GC); Hg content was determined by cold vapor atomic fluorescence spectrometry (CV-AFS); Organic carbon content was determined by high-frequency combustion infrared absorption method (IR); potentiometric method (POT) was used to measure soil pH value. Statistical analysis and calculation of soil heavy metal content, pollution index, and ecological risk index were conducted using Excel 2016. Pearson correlation analysis was conducted using SPSS 26, and the degree of soil heavy metal pollution was evaluated using the geoaccumulation index (Igeo). Potential ecological risk index (RI) values were selected to evaluate potential ecological risks.RESULTS:The average contents of As, Cd, Cu, Hg, Ni, Pb, and Zn in the soil of YS plot were 20.8mg/kg,0.35mg/kg, 26.38mg/kg, 0.121mg/kg, 33.29mg/kg, 42.37mg/kg, and 94.47mg/kg, respectively; The average contents of As, Cd, Cu, Hg, Ni, Pb, and Zn in the soil of PS plot were 7.21mg/kg, 0.32mg/kg, 28.32mg/kg,0.028mg/kg, 47.34mg/kg, 33.29mg/kg, and 116.45mg/kg, respectively; The average contents of As, Cd, Cu, Hg, Ni,Pb, and Zn in the soil of GS plot were 5.42mg/kg, 0.16mg/kg, 22.38mg/kg, 0.08mg/kg, 31.8mg/kg, 30mg/kg, and 75.03mg/kg, respectively. The concentrations of As, Cd, Hg, Ni, Pb, and Zn were higher than the national and Sichuan soil background values, indicating that these metals were relatively enriched in the soil of Muchuan County.The relationship between seven heavy metals at different soil depths was evaluated through Pearson correlation analysis (seen in Table 4). There was a significant positive correlation between heavy metals, indicating their widespread homology. In the PS profile, the correlation between Cd, Hg and organic carbon was very high, with correlation coefficients of 0.934 and 0.955, respectively (Fig.5); As, Cd, Cu, Hg, Zn showed a highly significant negative correlation with pH, and the correlation between Cd, Hg content and soil pH was shown in Fig.5, with correlation coefficients of -0.964 and -0.944, respectively. The content of heavy metals in soil was closely related to organic carbon and pH value, which should be attributed to the adsorption of organic matter and the fact that pH not only affected the electrostatic adsorption of heavy metals by soil particles, but also damaged the inert part of the parent material. Soil organic matter and pH value are important factors affecting the migration of heavy metals in soil. The surface soil had a high content of organic matter, multiple adsorption sites, and a high soil pH value, which reduced the solubility of heavy metals and thus the metal migration rate.Soil pollution assessment results.TheIgeovalues of Cu and Zn in all soil profiles were less than 0, indicating that the soil in the study area was not contaminated by these heavy metals. TheIgeovalue of Cd at four depths was significantly reduced. Except that theIgeovalue at GS point was less than 1, YS and PS were greater than 1,indicating that the Cd pollution degree of corn land (YS, PS) was more serious than that of tea garden land (GS).This may be due to the difference of tillage conditions, and theIgeovalue of surface soil at YS point was between 2 and 3, showing moderate-strong pollution. TheIgeovalues of As, Hg, Ni and Pb at four depths were all less than 1 and close to 0, indicating that the soil pollution was slight, which may be caused by human input or natural changes.In general, conventional agricultural practices lead to the enrichment of heavy metals in soils due to excessive use of fertilizers and pesticides, wastewater irrigation and atmospheric deposition. Zhao et al.[42]found that use of fertilizers and manure increased the content of heavy metals (Cd, Cu, Pb, and Zn) by approximately 3% per year.The order of heavy metal pollution degree from high to low is Cd>Hg>As>Pb>Ni.Potential ecological risk assessment.According to the description of risk level, the YS plot had the highest potential risk index for Cd and Hg, and there was a significant ecological risk of Cd and Hg at depths of 0-140cm(80≤Ei＜160), among which the surface soil Cd had a strong ecological risk (160≤Ei＜320). It indicates that Cd pollution sources in the region may be affected by past agricultural activities, including fertilizers and pesticides.The soil Cd of PS plot exhibited strong ecological hazards (160≤Ei＜320) at the depth of 0-30cm while exhibiting strong ecological hazards (80≤Ei＜160) at 60-110cm. The Cd and Hg in surface soil at the GS plot site had moderate ecological risks (40≤Ei＜80). The value ofRIshowed a strong ecological risk (300≤RI＜600) at 0-10cm of the YS plot, and a moderate ecological risk (150≤RI＜300) at 30-140cm. Moderate ecological hazards (150≤RI＜300) were present in the PS plot, while mild ecological hazards (RI＜150) were present at 60-110cm. The ecological hazards of GS plot at 0-130cm were relatively weak. TheEivalues of heavy metals in soil decreased with the increase of depth,which was consistent with the evaluation results ofIgeopollution. TheEivalues of Cd in the three profiles were relatively high, indicating that special attention should be paid to the control of heavy metal pollution.CONCLUSIONS:According to the results of soil vertical profile data, it can be concluded that heavy metal content tends to accumulate in the surface soil, and its content decreases with increasing depth. TheIgeovalue andEivalue also decrease with the increase of formation depth. The geoaccumulation index and potential ecological risk analysis indicate that Cd poses significant ecological risks to the local soil, and appropriate measures should be taken to strengthen pollution prevention and control in the area to avoid harm to human health. The content of heavy metals is closely related to soil nutrients and physicochemical properties, positively correlated with organic carbon content,and negatively correlated with pH value. According to the research results, it is suggested to carry out further research on the accumulation of heavy metals in soil, rationally assess its ecological harm, and ensure the safe use of land.

KEY WORDS：soil；heavy metals；content distribution；pollution assessment；inductively coupled plasma-mass spectrometry