区域土壤锌空间分布的异质性及制约因素分析

刘方 朱健 杨鉴 陈祖拥 刘元生

摘 要：了解区域土壤锌（Zn）元素的地球化学特征及其空间分布的区域性特点对土壤生态环境管理具有重要的指导意义。通过查阅目前相关文献的研究成果，对我国西南地区土壤Zn的含量水平、空间分布的异质性及制约因素进行了分析及归纳总结。结果表明：不同地质年代的地层及岩性组合变化是制约区域土壤Zn含量水平及空间异质性的自然因素，碳酸盐岩发育的微碱性土壤Zn含量明显高于碎屑岩发育的酸性土壤，不同地层中碳酸盐岩与碎屑岩分布的占比大小是导致区域土壤Zn空间分布异质性的主要原因。此外，矿产资源开发及加工利用是制约区域土壤Zn含量水平及空间异质性的人为因素，铅锌矿区及冶炼区土壤Zn存在明显的污染风险。区域土壤Zn元素分布存在明显的空间异质性，根据土壤Zn含量水平可划分为低锌区（1～50 mg/kg）、中锌区（50～80 mg/kg）、富锌区（80～200 mg/kg）、高锌区（＞200 mg/kg）；
在高锌土壤区应加强土壤Zn污染的生态风险评估，富锌土壤区宜规划及发展成为富锌农产品的重要产区，而中低锌土壤区则要强化土壤Zn元素的养分管理及优化施肥技术。

关键词：区域土壤；
土壤Zn含量等级；
空间异质性；
岩性；
制约因素

中图分类号：S157.1

文献标志码：A

锌元素（Zn）是一种植物及人体必需的微量元素，是生物维持生命特征的重要组分之一，锌是多种酶的组成成分与激活剂，锌在植物生理代谢过程中具有重要的作用。锌是自然界中丰度较大的元素之一，在世界范围内土壤中锌含量一般在10 mg/kg～300 mg/kg之间，平均值为50 mg/kg；
而中国土壤锌含量在3～709 mg/kg之间，平均值为100 mg/kg，高出全球平均值的一倍［1］。植物体内锌的来源主要是通过根系从土壤中吸收与迁移而分布在不同的器官中，土壤锌的含量水平及生物有效性是影响植物吸收锌的主导因素［2-3］。然而，土壤锌含量过低或过高都会对植物生长产生较大的影响，当土壤中锌含量低于50 mg/kg时，植物营养受到明显的限制作用，我国缺锌土壤面积占总耕地面积达51.5%［4］；
而且大量施用氮肥、酸性土壤过量施用石灰等也加大了土壤缺锌的状况［5-6］。另一方面，土壤锌高含量超过200 mg/kg时，也会抑制植物的正常生长；
赵淑雯等选取全国16个典型地区的表层土壤，通过外源添加系列浓度梯度的Zn，利用不同测试终点进行土壤中Zn毒性阈值测定与预测模型建立，推导出保护95%物种Zn的浓度值作为Zn的生态风险阈值，4大类土壤锌的生态风险阈值分别为38 mg/kg（酸性土壤）、106 mg/kg（中性土壤）、217 mg/kg（碱性土壤）和155 mg/kg（碱性石灰性土壤）［7］。近年来对我国土壤中锌元素的地球化学过程及影响因素方面的研究已开展较多的工作，主要是集中在土壤养分等级评价、土壤锌的形态转化以及土壤锌污染的生態风险评价方面，基本阐明了岩石-土壤-植物系统中锌迁移与转化的相互关系，以及土壤pH、有机质含量、土壤矿物类型、土壤温度和土壤溶液中的共存离子等对锌元素吸附过程的影响与作用机理［2，8］，提出了典型区域富锌土壤的含量水平及适宜发展的富锌农产品，为农业产业结构调整和开发特色名优农产品提供了科学依据［9-13］。目前富锌农产品已成为人们关注的健康食品之一，开发富锌农产品成为改善我国人体锌摄入水平的重点；
例如，贵州省“凤冈富锌硒茶”产区土壤中锌含量在90.0～110.0 mg/kg，该区具有独特的寒武系富Zn页岩，茶叶中Zn含量达到55.4～103.2 mg/kg［9］。四川省万源地区富锌核桃、花生产地土壤中锌含量为90.0～126.0 mg/kg，岩性为页岩和泥岩，土壤呈微碱性［10］。刘元生等［11］对贵州省主要富锌硒茶叶产地的土壤进行调查及分析，富锌硒茶产区土壤中Mo、Cu、Mn、Zn、Fe、Ca含量均显著大于非富锌硒茶产区，土壤Zn含量与Al、Fe、Ca、Mg、Mn、Mo含量之间达到极显著性的正相关。可见，区域土壤锌含量水平与成土母质及土壤理化性质有密切的关联性。因而，本研究通过全面分析及总结西南地区土壤 Zn的含量水平及分布特征，探讨岩石类型、土壤类型等因素对土壤 Zn空间分布的影响及其制约的主导因素，阐明不同类型岩石风化成土过程中土壤Zn元素的地球化学特征及其空间分布的异质性，为区域生态产业布局及产业结构调整提供科学依据。

1 区域土壤锌的地球化学特征及空间分布的异质性

天然土壤中锌主要来源于母岩，岩石作为地壳的基本单元和形成土壤的重要物质来源，尽管岩石风化成土及人类活动对成土母岩化学组分具有一定的分异性，但土壤地球化学元素含量与区域地质背景有紧密的关联性，表现出明显对成土母岩化学组分的继承性［14-17］。土壤锌主要以矿物态存在，锌主要是以硫化物、氧化物及含氧盐的矿物态形式存在，常见的锌矿物除闪锌矿（ZnS）外，还有纤锌矿（ZnS）、菱锌矿（ZnCO3）、水锌矿（Zn［CO3］2［OH］6）、红锌矿（ZnO）、硅锌矿（ZnSiO4）等，岩石中原来存在于硅酸盐及氧化物中的锌，当矿物受风化时，可进入溶液，当溶液中的锌在迁移途中遇到碳酸盐岩时，形成溶解度很低的碳酸锌，在碳酸盐岩发育的地区锌可以呈菱锌矿的形式存在；
沉积岩中锌的含量与铁的含量间有一定的依赖关系，沉积过程中锌主要以硫化物-闪锌矿形式存在，一般砂岩、砾岩中锌的含量低，因粘土矿物对锌元素有吸附性，页岩中锌的含量高。土壤中锌的含量与母岩成分、有机物含量、土壤结构及pH值有关，土壤中Zn的空间分布具有不均匀；
碎屑岩发育的土壤多呈酸性至强酸性，土壤酸性条件下会加速Zn元素的淋溶迁移，基性及石灰岩分布区域土壤中锌的含量高于碎屑岩区域，碳酸盐岩发育的土壤一般呈中性至微碱性，土壤中碳酸盐态Zn含量受碳酸盐含量制约，碳酸盐通过吸附和共同沉淀使土壤中Zn不容易迁移，碳酸盐岩成土过程中碳酸盐含量的高低会对土壤中Zn含量造成明显的影响，形成的石灰土偏中性到微碱性，土壤锌存在明显的累积［15-16］。因而，在我国土壤中锌含量分布具有明显的区域性变化，从全国范围来看，不同类型土壤中锌的含量出现较大的差异性，以石灰土最高，其次是砖红壤、褐红壤、红壤和黄壤，最后是水稻土、黄棕壤［1，17-18］。黄奕伦等［19］对广西省代表性的218个土壤样本进行统计分析，土壤锌含量范围在3.3～392.1 mg/kg，平均值为84.4 mg/kg；
不同母质发育的土壤全锌含量差异显著，其高低趋势是石灰岩＞冲积物＞红土母质＞花岗岩＞砂页岩＞紫色岩＞洪积物。杨鉴等［20］采用地统计分析方法对贵州省境内262个采样点土壤Zn含量范围进行分析，结果表明：研究区内主要土壤类型中Zn含量范围在2.6～926.4 mg/kg，平均值为99.1 mg/kg；
不同类型土壤Zn含量出现明显的差异性，其平均含量的大小顺序表现为石灰土＞黄壤＞紫色土＞红壤。

根据《土地质量地球化学评价规范》（DZ/T 0295—2016）中土地质量评价的锌等级划分标准，土壤锌含量低于50 mg/kg为缺锌土壤，而高于84 mg/kg为丰锌土壤，土壤锌含量上限值是200 mg/kg；
结合《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB15618—2018）中最低筛选值为200 mg/kg［21］；
此外，參考我国富Zn茶、富Zn核桃等产地土壤Zn含量水平的要求一般土壤Zn含量大于80 mg/kg［10，22-26］ 以及可能出现土壤锌污染风险的含量水平［27］，本文将西南区域土壤锌含量等级划分为低锌区（50 mg/kg以下）、中锌区（50～80 mg/kg）、富锌区（80～200 mg/kg）、高锌区（＞200 mg/kg）。从土壤生态环境管理的角度，在高锌土壤区应加强土壤锌污染的生态风险评估，富锌土壤区宜规划及发展为富锌农产品的重要产区，而中低锌土壤区则要强化土壤锌元素的养分管理及优化施肥技术。

2 地层及岩性组合变化对土壤锌含量及空间分布异质性的影响

区域土壤锌含量空间异质性主要是受到岩性制约，土壤矿质元素直接来源于母岩，土壤矿物元素对成土岩石有继承性，区域土壤Zn的空间分布异质性与地层年代及岩性组合有明显的关联性。王敬时[10]对四川万源地区土壤锌地球化学特征的研究结果表明，该区5个片区土壤锌的平均含量由高到低分别是：89.1 mg/kg、85.6 mg/kg、85.2 mg/kg、84.5 mg/kg和78.7 mg/kg；
从地层年代来看，寒武系地层岩石风化形成的土壤中锌含量最高，其次是震旦系、侏罗系、志留系地层风化形成的土壤，而二叠系、三叠系、白垩系地层岩石风化形成的土壤中锌含量相对较低；
万源地区富锌带区域的地层为寒武系、震旦系，岩石岩性为页岩和泥岩，土壤呈微碱性。马旭东等［28］对四川省邻水县土壤的Zn含量和空间分布特征进行了调查研究，结果表明：邻水县表层土壤Zn含量范围为25.00～142.00 mg/kg，平均值为81.93 mg/kg，土壤Zn高值区主要分布在邻水县华蓥山碳酸盐岩和峨眉山玄武岩出露区。梁红霞等［29］对安徽省池州市富锌硒土壤资源地球化学调查结果表明：池州地区表层土壤锌含量平均值93.6 mg/kg，土壤锌含量受土壤类型和土壤母质共同影响，尤其红壤、紫色土，碳酸盐岩（128.8 mg/kg）与红色碎屑岩（69.1 mg/kg）发育的红壤中锌含量相差近2倍。杨鉴等［20］采用地统计分析与GIS相结合的方法对贵州省境内262个采样点土壤Zn含量进行空间插值，并与贵州省地质图、岩性组合类型分布矢量图进行空间叠加，结果表明：研究区域内土壤Zn含量的空间异质性与地层年代及岩性组合有明显的关联性，贵州省土壤Zn空间块金系数达0.48，土壤Zn分布具有空间中等程度自相关性；
贵州省区域土壤Zn含量水平可划分为中低锌区（80 mg/kg以下）、丰锌区（80～200 mg/kg）、风险预警区（200 mg/kg以上），土壤Zn污染风险预警区主要分布在石炭系和二叠系地层，土壤丰Zn区主要分布在三叠系和寒武系地层，而土壤中低Zn区主要分布在震旦系、奥陶系地层；
此外，同一地层上碳酸盐岩对土壤Zn含量水平的影响程度大于碎屑岩，且碳酸盐岩占比越高的区域，土壤Zn的富集现象越明显，碳酸盐岩比例是制约土壤Zn富集的主导因子，地层年代及岩性组合变化是导致贵州省区域土壤Zn含量出现空间异质性的主要原因。汤明等［30］通过对安徽省石台县7 736份土壤样品的采集及分析结果表明，石台县区域内土壤锌含量的变化范围在21.3～2 443.5 mg/kg，平均含量为99.0 mg/kg，土壤锌的含量主要集中在71～200 mg/kg，富锌土壤锌的空间分布特征主要受区内地质背景、土壤母质以及土地利用方式的影响明显；
在同一成土母质中，土壤锌分布较均匀，但不同类型的成土母质中土壤锌元素含量出现较大差异，碳酸盐岩类风化物、炭质岩类风化物、硅质岩类风化物、浅变质岩类风化物、钙质泥页岩类风化物及晚更新统红土原积物母质分布区的土壤锌元素的平均含量均高于全区的平均含量，而花岗岩类风化物、砂质岩类风化物、中更新统红土原积物中土壤锌含量的平均值明显较低。吴价［31］对江西瑞金土壤硒、锌元素地球化学特征研究结果表明，土壤Zn和Cr、V、Ni、Cd、Pb、Mn、K、Co均呈良好的正向相关性，土壤Zn受pH影响，富锌区域在空间上和弱碱性土壤区域有高度的重合性，富锌区域都是集中在pH值6.5～7.8的中性及中等碱性区域，偏碱性土壤的Zn含量高于偏酸性土壤；
通过随机森林模型验证，土壤锌含量受地层分布控制，瑞金市表层土壤中Zn 含量在二叠纪中含量最高；
二叠纪早世马平组、二叠纪中世小江边组、石炭纪晚世黄龙组、白垩纪早世火把山群石溪组地层发育土壤中Zn含量背景值均高于84 mg/kg；
除石炭纪晚世黄龙组外，石炭系、泥盆系对应表层土壤普遍缺Zn。可见，区域土壤Zn元素分布存在明显的空间异质性。

王春等［32］对重庆市城口县黑色岩系地质高背景区自然富Zn土壤的研究结果表明，研究区土壤Zn含量变化范围为121～1 390 mg /kg，平均含量可达457 mg/kg，80%的土壤样品超过我国农用地土壤污染风险筛选值。可见，受区域地球化学背景及风化等自然过程影响，部分区域土壤呈现明显的Zn富集现象；
例如，广西典型喀斯特地质高背景区土壤Zn平均含量为159 mg/kg［33］，重庆黑色岩系地区土壤Zn的平均含量可达609 mg/kg［34］。严明书等[35]研究结果表明，渝北地区土壤Mn、Cu、Zn元素含量整体处于适中与丰富水平，Zn元素含量显著高于全国水平；
受地质背景影响，B、Cl、Cu、Mn元素呈现高度空间相关性，结构性空间变异起主导作用；
而Mo、Zn元素表现中等空间相关性，由结构性因素和随机因素双重控制；
地层的组对元素含量分布起主控作用，土壤元素含量分布形状在空间上与地层组相对应；
成土母岩决定土壤元素含量，是土壤元素含量水平的重要控制因素之一，其影响因素主要为岩石类型，其次为岩石形成的地质时期；
土壤类型显著影响元素含量，总体上，Mn、Cu、Zn、Mo、B在石灰岩土中含量最高，除B、Mo元素外，其他元素在黄壤中含量最低。西南地区是我国典型的重金属元素地质高背景区，区域内碳酸盐岩、黑色岩系分布广泛，由自然过程引起的土壤 Zn 等重金属富集而产生的生态风险值得关注。

3 矿产资源开发利用对土壤锌含量及空间分布异质性的影响

土壤中锌的来源除来自于成土母质外，还来自大气沉降、污泥、垃圾、肥料化学品、矿渣等［35-38］，特别是铅锌矿开采及冶炼过程对土壤锌的空间分布产生显著性影响，从而使土壤锌含量达到污染的水平［39-49］。顾会等［40］对贵州省丹寨县兴仁镇典型鉛锌矿区土壤中Pb、Zn、Mn、Cu、Cd、Hg、As含量的空间分布特征的研究结果表明，研究区土壤中Zn、Hg平均含量均超过背景值，铅锌矿区土壤存在一定程度的Pb、Zn、Cd复合污染，特别是尾矿堆积区。冯乾伟等［41］对黔西北玉兰、永昌和杉树林铅锌矿周边农田土壤中的Pb、Zn、Ni、Cd、Cr、As、Hg和Cu含量水平的调查结果表明，铅锌矿区土壤Pb、Zn、Cd为重度污染。何绪文等［42］对湖南省某铅锌矿区土壤重金属的污染特征进行了调查研究，结果表明：矿区土壤重金属污染水平为Zn＞Pb＞Ni＞Cd＞Cu＞Cr＞As。金修齐等［39］对云南省兰坪县金顶铅锌矿区内沘江沿岸农田土壤进行调查，采集了144 个表层土壤样本，分析结果表明：调查区Pb、Zn和Cd含量均超过当地土壤背景值，Zn超标率为98.6%，Cd超标率为100%。张之才等［47］采集了广西某铅锌矿区污染农田土壤样品35个，测定其铅、锌、镉等重金属含量，开展污染评价和生态风险评估的结果显示，研究区土壤受到Cd、Zn重度污染，污染深度0～30 cm；
土壤Pb、Zn、Cd含量之间呈极显著正相关，具有明显的同源性。赵霏等［48］以18类典型涉污企业周边土壤为研究对象，对475家企业周边的2 017个监测样点进行土壤重金属Cd、As、Pb、Hg、Cr、Cu、Zn和Ni元素含量测定，结果表明：典型涉污企业周边土壤重金属污染以Cd、Pb和As元素为主，其次是Zn、Cu、Hg和Ni，主要污染元素Cd、Pb、As、Zn和Cu来自相同污染源且主要分布在有色金属矿采选业、黑色金属冶炼和压延加工业、有色金属冶炼和压延加工业等行业企业周边。可见，矿产资源开发及加工利用是制约区域土壤Zn含量水平及空间异质性的人为因素，特别是铅锌矿区及冶炼区土壤Zn存在明显的污染风险。此外，农田污灌、污泥农用以及肥料的施用，也会使锌元素进入土壤系统，从而影响土壤环境质量［50］。何腾兵等［51］研究了施用10年猪粪肥后土壤剖面重金属分布情况及生态风险，结果表明：施用10年猪粪肥的耕地和茶园表层土壤中Cd、Cr、Pb、As、Cu和Zn质量比均高于未施用猪粪肥的表层土壤，Cd、Cu、Zn表层聚集现象明显，质量比随剖面深度增加而降低；
施用10年猪粪肥的土壤表层（0～20 cm）出现重金属Cd、Cu、Zn的聚集，重金属污染等级达到警戒线，土壤存在安全隐患。

然而，相对金属矿产资源开采及冶炼加工来说，农田污灌、污泥农用以及肥料的施用对土壤锌空间分布的影响表现为局部性及累积性，需要对土壤进行长期性调查研究，才能全面评价土壤锌污染的生态风险，这方面还值得深入的分析与讨论。

4 结语

地层年代及岩性组合变化是制约区域土壤Zn分布出现空间异质性的主导原因，土壤Zn空间分布与地层年代及岩性组合有密切的关联性，地层年代变化对土壤Zn含量水平产生明显的影响，同一地层年代岩性组合差异性对土壤Zn含量也有较大的影响，不同地质年代的地层及岩性组合变化是制约区域土壤Zn含量水平及空间异质性的自然因素，碳酸盐岩发育的微碱性土壤中Zn含量明显高于碎屑岩发育的酸性土壤，不同地层中碳酸盐岩与碎屑岩分布的占比大小是导致区域土壤锌空间分布异质性的主要原因。此外，矿产资源开发及加工利用是制约区域土壤Zn含量水平及空间分布异质性的人为因素。

区域土壤Zn元素分布存在明显的空间异质性，区域土壤锌含量水平可划分为低锌区（50 mg/kg以下）、中锌区（50～80 mg/kg）、富锌区（80～200 mg/kg）、高锌区（＞200 mg/kg）。在高锌土壤区应加强土壤锌污染的生态风险评估，特别是铅锌矿区及冶炼区土壤Zn存在明显的污染风险。富锌土壤区宜规划及发展成为富锌农产品的主要产区，通过合理布局富锌农产品产业，结合有机肥的施用，实现优质绿色有机农产品的生产。而中低锌土壤区则要强化土壤锌元素的养分管理及优化施肥技术，通过平衡施肥来补充土壤Zn元素，才能满足作物的良好生长，同时避免大量使用化肥造成土壤酸化，减少土壤Zn元素的淋溶迁移。因而，了解区域土壤锌（Zn）元素的地球化学特征及其空间分布的区域性特点，对土壤生态环境管理具有重要的指导意义。

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（责任编辑：曾 晶）

Spatial Heterogeneity of Zinc Distribution in Regional

Soils and Its Limiting Factors

LIU Fang*， ZHU Jian， YANG Jian， CHEN Zuyong， LIU Yuangsheng

（Environment and Resource Institute of Guizhou University， Guiyang 550025， China）

Abstract：

Understanding the geochemistry characteristics and spatial distribution of zinc （Zn） in regional soils is of great significance for soil eco-environmental management. The content level， spatial distribution heterogeneity and restricted factors of soil zinc in the southwest of our country were analyzed and summarized by consulting the related literatures in this paper. The results showed that the change of stratigraphic and lithologic assemblage in different geological ages was a natural factor that restricted the Zn content and spatial heterogeneity of the regional soil. The content of Zn in alkaline soils developed in carbonate rocks was obviously higher than that in acidic soils developed in clastic rocks， and the proportion of carbonate rocks and clastic rocks in different strata was the main reason for the heterogeneity of zinc distribution in the regional soils. In addition， the exploitation and utilization of mineral resources were the factitious factors that restrict the content level of Zn in the soils and spatial heterogeneity ， which there was an obvious risk of Zn pollution in lead-zinc mining area or smelting area. With the result that there was obvious spatial heterogeneity in the distribution of Zn elements for the regional soils; according to the level of Zn content in soil， Zn element distribution in different regions can be divided into low Zn region （1～50 mg/kg）， middle Zn region （50～80 mg/kg）， rich Zn region （80～200 mg/kg） and high Zn region （>200 mg/kg）. The ecological risk assessment of soil zinc pollution should be strengthened in the high zinc soil area. The zinc-rich soil area should be planned and developed into an important area of zinc-rich agricultural products， while it is necessary to strengthen the soil zinc nutrient management and optimize fertilization techniques for the middle or low zinc soil area.

Key words：

regional soil; zinc content grade of soil; spatial heterogeneity; lithology; restricted factors

劉方，男，1964年3月生，博士，教授，博士生导师，主要从事土壤地球化学及生态修复方面的研究。主持国家自然科学基金3项、科技部重大科研项目子课题4项、省级重大科研项目课题1项及科技支撑项目4项。在国内外学术刊物上发表SCI论文12篇、中文核心期刊论文80余篇，出版专著3本，获贵州省科技进步三奖1项。

收稿日期：2022-10-05

基金项目：国家自然科学基金委员会-贵州省人民政府喀斯特科学研究中心项目（U1612442）；
贵州省科技计划项目（黔科合平台人才[2017]5788号）

作者简介：刘 方（1964—），男，教授， 博士，研究方向：土壤资源利用与改良，E-mail：lfang6435@163.com.

通讯作者：刘 方，E-mail：lfang6435@163.com.

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