生态环境学报2011,20(4):646-651http://www.jeesci.com
EcologyandEnvironmentalSciencesE-mail:editor@jeesci.com
基金项目：国家自然科学基金项目（40901271）；土壤与农业可持续发展国家重点实验室开放基金项目（0812000048）
作者简介：陈俊坚（1968年生），男，副研究员，硕士，研究方向为土壤环境化学。E-mail：jjchen@soil.gd.cn
E-mail：hhzhang@soil.gd.cn
收稿日期：2011-03-18
广东省区域地质背景下土壤表层重金属元素
空间分布特征及其影响因子分析
陈俊坚
1
，张会化
1,2
，刘鉴明
1
，李芳柏
1
1.广东省生态环境与土壤研究所，广东广州510650；
2.土壤与农业可持续发展国家重点实验室//中国科学院南京土壤研究所，江苏南京210008
摘要：研究目的旨在揭示区域地质背景下土壤表层重金属元素的空间分布特征，探讨其影响因子；同时构建广东省表层土壤
重金属元素的基线浓度。对260个表层土壤样品的研究表明，7种重金属元素含量分布符合对数正态分布，在此基础上建立
的上基线质量分数值分别为：Cu28.7mg·kg
-1
，Pb57.6mg·kg
-1
，Zn77.8mg·kg
-1
，Cd0.13mg·kg
-1
，Ni23.5mg·kg
-1
，Cr87.0
mg·kg
-1
，Hg0.15mg·kg
-1
。主因子分析结果可以满意的描述土壤重金属元素约80%的总体变异特征，并且得出：区域母岩的
分布和成土作用是影响重金属元素空间分布和变异的主要因素；人类活动的影响以珠三角地区的Pb和Hg元素最为突出。
此外，7种重金属质量分数克里格图展示了高质量分数的重金属元素的空间分布与区域断裂，盆地具有很好的空间相关性。
区域断裂、盆地和珠三角地区的土壤重金属几何平均含量分别为普通地区的如下倍数：Cu2.1~3.1倍，Pb2.5~3.6倍，Zn2.0~2.2
倍，Cd2.2~2.9倍，Ni1.5~1.9倍，Cr1.1~1.5倍，Hg1.4~2.2倍。研究结果可以作为评价广东省土壤重金属污染和建立合适
的修复标准的科学参考。
关键词：基线浓度；空间分布；表层土壤；重金属元素；广东
中图分类号：X14文献标志码：A文章编号：1674-5906（2011）04-0646-06
表层土壤重金属的含量水平由于对食物链存
在一定的影响，而引起了国内外广泛的关注。建立
这些元素的浓度基准值和识别潜在的高值地区是
开展土壤元素背景水平调查的重要问题。同时，对
土壤中微量元素浓度基准值的研究还有助于我们
了解成土过程中，这些元素的富集特征和分布规律
等地球化学性质。
土壤元素的自然背景浓度被定义为在没有人
为影响条件下的周围环境的地球化学浓度
[1-2]
。然
而，由于长期的大范围大气交换、外源污染物的沉
降以及各种形式的人类活动的冲击，使得我们几乎
不可能建立起真正的土壤元素的自然背景浓度。例
如，由于长期的含铅汽油和含铅涂料的广泛使用，
铅的自然背景水平已经在全球范围全面提高
[3]
。再
如，由于全球范围的大气交换和沉降作用，土壤中
Hg元素浓度的提高也成为全球关注的重点问题
[4]
。
因此，基准浓度作为鉴定清洁土壤的一个参考标准
已经被广泛提出，它代表了已知区域的一定时期内
的土壤中某微量元素的浓度标准
[1,5-6]
。此外，基准
值在计算过程中，原始数据的对数转化可以较好地
消除部分高值带来的干扰，因而，基准浓度比实际
观察浓度能够更好地反映区域范围的土壤微量元
素的浓度变异。同时，基准浓度也作为评估土壤微
量元素污染的科学标准而得到大量使用。
在最近广东20多年的发展中，快速的城市化
和工业化进程使得土壤以及沉积物中的重金属含
量较历史水平有明显的提高。沉积物中Pb的分布
特征也显示了明显受到大气Pb输入的影响
[7]
。土壤
中w(
206
Pb)/w(
207
Pb)比值也进一步表明，珠三角地区
具有较强的由人为活动引起的外源Pb的输入
[8-9]
。
陶澍指出深圳表层土壤中高的Hg含量和当地农业
活动密切相关
[10-11]
。因此，开展区域背景下的土壤
元素背景值的研究，建立适合该地区的土壤清洁标
准，以及揭示土壤中微量元素的空间分布规律和影
响因素具有重要的科学和实际应用的意义。
1研究区概况
广东省地处北纬20
o
13''—25
o
31''，东经109
o
41''—
117
o
20''之间。全省陆地面积17.81×10
4
km
2
。大部分
属亚热带季风气候，年平均气温为18~23.2℃，年
降雨量一般有1700mm，沿海地区有1900~2000
mm。各地年蒸发量在1300~2100mm之间。地势
大体为北高南低，其中台地面积约占总面积的
60%。众多的新生代盆地主要沿13条NNE和NE
向的区域断裂分布（图1A）。盆地的总面积约为3.0
陈俊坚等：广东省区域地质背景下土壤表层重金属元素空间分布特征及其影响因子分析647
×10
4
km
2
，占全省面积的17%左右
[12]
。
花岗岩是研究区最为主要的成土母岩，约占总
面积的40%，石灰岩和砂岩也约占总面积的40%左
右，玄武岩主要位于雷州半岛
[12]
。
广东省土壤剖面属于典型的富铝型风化剖面，
它是风化作用晚期的产物。研究区土壤是在不同母
岩基础上发育而成的。在广东省的湿热气候条件
下，土壤中的淋溶和淀积作用非常强烈，土壤剖面
中亏损可溶性盐、碱金属和碱土金属，而明显富集
铁铝氧化物和氢离子
[13]
。因此，广东省土壤剖面中
平均pH值均显酸性。
2采样和实验方法
采样点具体位置见图1B，采样密度约为1个点
/30km
2
。所有土壤样品自然风干后，分别过20目和
150目尼龙筛备用。
重金属分析项目与测试方法：Hg为硫酸-硝酸
-高锰酸钾消解法处理，冷原子吸收分光光度法
（CV-AAS）测定；Cu、Pb、Zn、Cd、Ni和Cr为盐
酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸全消解法处理，等离子原子
发射光谱法（ICP-AES）测定。
24个标准参考土样（ESS-4）用于实验精度控
制，7个土壤重金属（Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Ni和
Hg）实验分析结果与ESS-4参考值相对标准偏差分
别为：2.03%、0.6%、2.4%、5.14%、1.03%和19.0%。
3结果和讨论
3.1重金属元素的基线浓度
广东表层土壤中7种重金属质量分数的数据列
于表1，它们的几何平均值较算数平均值更接近中
值，经对数转换数据的偏斜值也比原始数据的偏斜
值更为趋近于零，表明了我们所获取的数据很好地
符合对数正态分布。因此，几何平均值（GM）和
几何平均方差（GSD）比算数平均值（AM）和算
数平均方差（ASD）能够更好地代表整个数据的整
体趋势和分布特征。土壤微量元素的基准浓度在样
品总数>95%的置信范围内，通过GM/GSD
2
和
GMGSD
2
计算获得。由于数据经对数转化，从而
减小了少量高值的影响，因此，土壤重金属元素的
上基准浓度可以更为合理地指示土壤的清洁程度。
研究结果表明广东省土壤背景中7种重金属元
素含量水平较低，Cu、Zn和Cr的背景水平均接近
世界土壤的平均水平，而低于全国土壤背景的平均
含量；Ni和Cd背景含量越低于全国平均和世界平
(1)汕头断裂;(2)潮安—普宁断裂;(3)大埔—海丰断裂;(4)五华—深圳断裂;(5)紫金断裂；(6)河源断裂;(7)恩平—新丰断裂;(8)翁源—佛冈断裂;
(9)南雄断裂;(10)仁化—英德断裂;(11)吴川—四会断裂;(12)郴怀断裂;(13)罗定—广宁断裂
图1广东省地质背景图
（指示区域断裂，盆地和花岗岩的分布和样点分布图）
Fig.1Guangdonggeologicalsketchindicatingthedistributionofregionalbasins,faults,andgranite(A);andsamplinglocations(B)
648生态环境学报第20卷第4期（2011年4月）
均水平；Pb、Hg的含量均高于或略高于全国和世
界土壤背景的平均水平。高的土壤Pb和Hg的含量
表明了广东省土壤中存在明显的外源输入，人类活
动是土壤Pb和Hg背景升高的主要原因。
3.2各重金属元素之间的相关分析
广东省表层土壤中Cu、Ni和Cr之间具有明显
的正相关特征（表2）。在美国佛罗里达州土壤
[6]
和
我国内蒙古土壤
[16]
的研究中也有类似的结果，这种
相关性可能反映了土壤Cu、Ni、Cr的含量与成土
母岩的矿物成分相关特征。尽管已有的研究表明，
在研究区存在明显的Pb和Hg的污染
[7]
，但是土壤
中Pb、Zn、Cd和Hg之间也表现出明显的正相关
（表2），可能暗示了在研究区域内存在相似的过程
控制着土壤重金属元素的含量和分布特征
[6]
。
3.3区域背景下表层土壤微量元素的因子分析
因子分析是相关分析的拓展，它主要用来从多
变异结构的数据中寻找它们之间的关系，并赋予不
同意义上的合理解释
[17]
，同时，也可以将不同的变
量按照一定的相关特征划分为不同的组，从而在一
定程度上可以指示人类活动和自然过程对研究对
象的影响程度
[6,18]
。
主因子分析结果显示，3个主因子可以较好的
描述广东省表层土壤中7种重金属元素的变异特
征，能够解释总变异量的79.2%（表3）。
第一主因子解释了总体变异的43.9%，Cu、Zn、
Cd、Ni和Cr的特征向量较高（表3），Pb和Hg具
有相对低的因子特征值，这一现象说明广东省表层
土壤中Pb和Hg的分布可能受到不同于其它重金属
元素的影响因素。研究表明土壤中重金属元素的浓
度主要取决于成土母岩的矿物成分、风化作用和不
受人类活动影响下的成土过程
[16,19-21]
。广东省广泛
分布的花岗岩是区内主要的成土母岩
[13]
。此外，石
灰岩和砂页岩大约占据了全省40%的面积。同时，
广东省充沛的水热条件也加速了区内母岩的风化
和成土过程。由于强烈的化学风化作用和弱的水渗
透性，发育于石灰岩和砂页岩地区的土壤往往土层
较薄，水土流失现象也是这些地区的重要环境问题
[12]
。在研究区，厚度大于20m的花岗岩风化剖面
广泛分布
[13]
。由于广东省受新生代构造活动影响强
烈，花岗岩的分布和区域断裂在空间上密切相关。
在强烈的风化作用下，区域花岗岩对研究区表层土
壤中的重金属总量的影响在一定程度上与区域的
成土作用密切相关。这种影响可能掩盖了邻近地区
土壤中重金属元素的分布特征
[22]
。因此，在这种丰
富的水热资源的环境下，对于相对年轻的广东土
壤，区域广泛分布的花岗岩母岩是决定土壤重金属
元素附存和分布状态的主要影响因子。
第二主因子解释了21％的总量变异（表3）。
Pb和Hg的特征向量值最高，Zn和Cd较低。Pb
和Hg高值与最近几十年来广东省快速工业化和城
市化过程中过多的人为活动密切相关。由于大气中
Pb和Hg的浓度在全球范围内正在增加，因此，大
气沉降是土壤中Pb和Hg混染的最主要因子。已有
的研究表明Pb和Hg的沉降总体上是一个大规模的
区域过程，而并非局部的释放或者沉降
[3-4]
，指示了
表1广东省表层土壤中重金属元素含量统计数据
Table1Summarystatisticsofthedatafor260surfacesoilsinGuangdong
元素质量分数最小值中值最大值偏斜值AM±ASDGM±GSD上基线浓度中国土壤
[14]
世界土壤
[15]
w(Cu)/(mg·kg
-1
)0.1213.398.02.1
a
;-1.33
b
18.0±17.111.2±1.628.720.020
w(Pb)/(mg·kg
-1
)2.629.0235.03.0
a
;-0.27
b
37.5±30.229.4±1.457.623.630
w(Zn)/(mg·kg
-1
)5.637.8378.03.4
a
;0.14
b
51.4±44.639.7±1.477.867.764
w(Cd)/(mg·kg
-1
)0.0010.0453.94010.4
a
;0.06
b
0.100±0.290.044±1.70.130.0740.5
w(Ni)/(mg·kg
-1
)0.812.0273.06.2
a
;0.20
b
18.0±25.112.0±1.423.523.422
w(Cr)/(mg·kg
-1
)3.646.9379.33.1
a
;-0.08
b
57.8±48.944.4±1.487.053.954
w(Hg)/(mg·kg
-1
)0.0060.0641.1204.1
a
;0.36
b
0.104±0.130.068±1.50.150.0400.06
AM—算数平均值，ASD—算数平均方差；GM—几何平均值，GSD—几何平均方差；
a
原始数据，
b
经对数转换
表3广东省表层土壤中重金属元素的主因子分析
Table3principalfactoranalysisandcumulativepercentageoftrace
metalconcentrationsinGuangdongsurfacesoils.
主因子CuPbZnCdNiCrHg累积变异解释/%
10.7250.2520.7550.6540.8600.8090.30543.9
2-0.0890.7730.2920.123-0.340-0.4220.66364.5
30.5300.194-0.387-0.6690.1030.1490.28779.2
表2广东省表层土壤重金属含量间Pearson相关
Table2Pearsoncorrelationcoefficientsoflog-transformedtracemetal
concentrationsinGuangdongsurfacesoils.
元素CuPbZnCdNiCrHg
Cu10.210.370.140.620.600.21
Pb10.300.120.01-0.060.35
Zn10.660.480.370.26
Cd10.430.390.13
Ni10.820.08
Cr10.06
Hg1
陈俊坚等：广东省区域地质背景下土壤表层重金属元素空间分布特征及其影响因子分析649
土壤Pb和Hg含量和空间分布受大气污染物沉降和
区域酸雨作用明显
[23]
。此外，Pb在沉积物中的分布
和土壤w(
206
Pb)/w(
207
Pb)的比值揭示了在珠江三角
洲地区大气铅的输入主要来源于人类活动，诸如，
含铅汽油的使用和铅矿的开采
[7,9]
。
3.4区域背景下表层土壤微量元素的空间变异分析
新生代构造运动使广东省全面抬升，强烈的褶
皱和断裂诱使花岗岩广泛侵入，本省众多的红色盆
地正是在这种构造的基础上形成的。这些新生代拉
分盆地主要沿着13条NNE和NE走向的区域断裂
带分布（图1A）。在花岗岩入侵的同时也形成了
多种金属矿产的分布。由于广东省充沛的湿热条
件，母岩成土过程中化学风化作用强烈。快速的成
土过程使得广东省土壤中重金属元素的含量在很
大程度上继承了区域母岩的特征，因而，自然背景
下，土壤中重金属的浓度变异必然和区域母岩以及
研究区的地质背景密切相关。
广东省表层土壤中重金属元素浓度的空间变
异分析揭示了7种重金属元素的空间分布特征与区
域地质背景关系密切（表4）。这种空间相关表现为，
具有高重金属浓度的土壤样品通常位于断裂带，盆
地和珠三角地区，具有低重金属浓度的土壤样品往
往位于无明显构造特征的普通地区。统计结果显示
在断裂带，盆地和珠三角地区土壤中重金属元素的
几何平均浓度值（GM）分别为普通地区土壤中重
金属浓度的如下倍数：Cu2.1~3.1倍；Pb2.5~3.6倍，
Zn2.0~2.2倍，Cd2.2~2.9倍，Ni1.5~1.9倍，Cr
1.1~1.5倍和Hg1.4~2.2倍。
为了进一步揭示广东省表层土壤中重金属元
素的浓度变异和区域地质背景的关系，我们绘制了
广东省7种重金属元素的质量分数空间变异图（图
2—8）。重金属元素的总体变异模式表现为：自然
图2区域地质背景下广东省表层土壤中铜元素空间分布
Fig.2SpatialdistributionofCuconcentrationinGuangdongsurfacesoils
byusingkrigingmethod
图3区域地质背景下广东省表层土壤中镍元素空间分布
Fig.3SpatialdistributionofNiconcentrationinGuangdongsurfacesoils
byusingkrigingmethod
图4区域地质背景下广东省表层土壤中铬元素空间分布
Fig.4SpatialdistributionofCrconcentrationinGuangdongsurfacesoils
byusingkrigingmethod
表4区域地质背景下广东省表层土壤重金属元素含量统计数据
Table4Concentrationsoftracemetalsin260Guangdongsurfacesoils
basedontheregions
w元素/(mg·kg
-1
)CuPbZnCdNiCrHg
几何平均值13.038.949.20.05313.147.30.080
几何平均方差1.51.21.31.71.41.31.5
最小值1.016.015.00.0021.012.00.016
中值14.037.950.00.05113.0047.000.074
最大值98.01133783.9401743640.950
断裂带
N=79
偏斜2.41.23.76.76.03.33.7
几何平均值16.439.653.50.06616.355.60.074
几何平均方差1.61.31.31.71.41.31.6
最小值0.1215.012.00.0042.08.10.006
中值20.238.054.00.07518.060.40.072
最大值88.02352781.5501182651.120
盆地
N=79
偏斜1.53.42.44.92.52.03.3
几何平均值19.657.553.80.07012.739.80.114
几何平均方差1.61.31.41.51.61.41.5
最小值2.016.014.00.0142.09.80.023
中值21.055.459.80.06511.545.40.124
最大值72.02351690.728501090.524
珠三角
地区
N=24
偏斜0.72.40.83.20.70.21.4
几何平均值6.315.824.70.0248.436.90.052
几何平均方差1.61.31.31.61.31.31.3
最小值0.122.65.60.0010.83.60.010
中值8.016.824.90.0288.035.30.053
最大值40.05210701638.11810.31
普通
地区
N=78
偏斜1.40.72.01.61.41.82.4
650生态环境学报第20卷第4期（2011年4月）
背景下，含较高重金属质量分数的土壤样品沿区域
断裂分布，并与区域盆地的分布空间对应。这种分
布模式在一定程度上是新生代构造运动时期由区
域断裂诱发的频繁的热液活动的结果
[24]
，同时也受
到成土过程中盆地的地形负效应的影响。此外，在
珠三角地区人类活动对土壤中重金属尤其是Pb和
Hg元素的含量和分布上也起着重要的作用
[7-9]
。广
东省表层土壤中重金属元素质量分数由高到低依
次为珠三角地区，盆地，断裂带，普通地区（表4）。
广东省表层土壤中Cu、Ni和Cr的空间展布表
现出非常相似的分布特征（图2—4），这种相似性
指示了区域母岩和成土过程是控制表层土壤Cu、
Ni和Cr含量和空间变化的主要影响因素。土壤Zn
和Cd也表现了相似的空间分布模式（图5—6），
即具有高Zn含量的土壤样品同时也具有较高的Cd
的含量。这是由于Zn和Cd具有相似的物理化学
性质，从而它们在环境中表现出了相似的地球化学
行为
[1]
。此外土壤Pb和Hg的分布也是具有明显的
空间相关性（图7—8）。由于快速的工业化进程和
城市的发展，表层土壤中Pb和Hg的富集在珠三
角地区表现的更为突出。先前的研究已经表明这些
地区土壤Pb的浓度受到了大气Pb输入的强烈影
响，这些源区主要为燃煤排放
[7]
、机动车排放和一
些工业活动的排放
[8]
。
然而，尽管有这些污染源的存在，土壤中重金
属元素的浓度和分布仍然表现出与区域盆地分布
的高度相关性。土壤Pb和Hg的空间展布形式接近
NNW方向有别于其它重金属元素的展布方向（图7
—8）。这种分布特征暗示了在区域尺度下，土壤Pb
和Hg的空间分布可能与研究区夏季盛行风向有关
[12]
，而非点源污染在一定水平上整体抬升了区域的
背景浓度。
4结论
研究结果表明，区域花岗岩母岩和成土作用是
控制广东省表层土壤重金属含量和分布的主要因
素，人类活动对其影响次之。由于快速的城市化过
程，尤其在珠三角地区土壤Pb和Hg的含量已有明
显增加。重金属元素的空间质量分数展布揭示了重
金属元素的空间变化与区域断裂、盆地的分布密切
相关，表现为重金属元素质量分数由高至低依次为
珠三角地区，盆地，区域断裂带，无明显构造特征
地区。
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图5区域地质背景下广东省表层土壤中锌元素空间分布
Fig.5SpatialdistributionofZnconcentrationinGuangdongsurfacesoils
byusingkrigingmethod
图6区域地质背景下广东省表层土壤中镉元素空间分布
Fig.6SpatialdistributionofCdconcentrationinGuangdongsurfacesoils
byusingkrigingmethod
图7区域地质背景下广东省表层土壤中铅元素空间分布
Fig.7SpatialdistributionofPbconcentrationinGuangdongsurfacesoils
byusingkrigingmethod
图8区域地质背景下广东省表层土壤中汞元素空间分布
Fig.8SpatialdistributionofHgconcentrationinGuangdongsurfacesoils
byusingkrigingmethod
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Spatialdistributionsandcontrolledfactorsofheavymetalsinsurfacesoils
inGuangdongbasedontheregionalgeology
CHENjunjian
1
,ZHANGHuihua
1,2
,LIUJianming
1
,LIFangbai
1
1.GuangdongInstituteofEcologyandEnvironmentalandSoilSciences,Guangzhou510650,China;
2.StateKeyLab.ofSoilandSustainableAgriculture//Inst.ofSoilScience,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China
Abstract:Atotalof260surfacesoilsampleswerecollectedtoinvestigatethespatialdistributionoftracemetalsinGuangdong
province.TheresultsshowthattheupperbaselineconcentrationsofCu,Pb,Zn,Cd,Ni,Cr,andHgwere28.7,57.6,77.8,0.13,23.5,
87.0,and0.15mg·kg
?1
,respectively.Threeprinciplefactorssatisfactorilydescribedabout80%ofthetotalconcentrationvariationof
tracemetalsRegionalparentmaterialsandpedogenesisaretheprimaryfactorsinfluencingtheconcentrationsoftracemetals,and
variousanthropogenicactivitiesarethesecondmostimportantfactors.Thespatialdistributionoftracemetalsiscorrelatedtothe
geologicalcharacterswithhighconcentrationsoftracemetalsalwayslocatedinregionalfaultareas,basins,andthePearlRiverDelta
alluvialplainandtothelowconcentrationsassociatedwiththeotherareasinGuangdongprovince.
Keywords:baselineconcentration;spatialdistribution;surfacesoil;heavymetal;Guangdong
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