0 引言

进入21世纪以来，全国各地陆续开展多目标区域地球化学调查和不同比例尺的土地质量地球化学调查工作，获得了海量高精度的土壤地球化学数据，在此基础上，全国各地的专家学者对不同区域的土壤地球化学背景值及分区进行了研究，取得了丰富的研究成果（陈兴仁等，2012；任蕊等，2013；罗思亮，2018；张伟等，2020；朱鑫等，2021；杨峥等， 2024；张哲寰等，2024）。本文以“惠州市金山新城规划区地质调查”项目土地质量地球化学调查工作所获得的数据为依据，在系统分析惠州市金山新城规划区（以下简称“研究区”）的土壤地球化学分布分配特征的基础上，计算得到研究区及区内不同地质单元主要重金属元素、营养元素及放射性元素共 16项元素（指标）的土壤地球化学背景值，并对土壤地球化学分区进行了研究，为研究区土地资源的规划利用、农业经济发展、评价土壤污染程度及确立污染治理修复目标等提供了基础地学依据。

1 研究区概况

金山新城规划区紧临惠州市中心城区，行政区划涉及惠城区河南岸街道办事处、桥东街道办事处、马安镇及三栋镇，总面积约118.29 km²。

研究区地势呈现出明显的南西高北东低的特征，北东为冲积平原地貌，地势平坦，南西为丘陵地貌，地势起伏较大，丘间发育有较多谷地。区内属南亚热带季风气候，热量丰富，多数年份长夏无冬，年均气温 22.3℃，降水充沛，年均降水量 1862.4 mm，降水主要集中在4—9月。区内地表水系发育，分布有西枝江、金山湖、淡水河等众多江河湖泊，其中西枝江为东江第二大支流。

研究区在构造单元上属华南褶皱系湘桂粤拗陷带的永梅—惠阳坳陷，出露地层从老到新依次为泥盆系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、第四系，其中以第四系分布最广（图1）。区内侵入岩分布较广，主要分布在研究区西南侧，侵入形式有岩脉、岩株，侵入时代为白垩纪，岩性主要为中、细粒斑状黑云母钾长花岗岩。区内主要地质构造为北西向的惠州断裂和北东向的樟木头断裂，两者在研究区北西侧交汇，西侧丘陵区另有少量小型断裂分布。根据第三次全国国土调查的成果资料，研究区土地利用主要为耕地、城镇村建设用地、林地及水域。研究区内土壤类型主要为水稻土、赤红壤和潮土，城镇建成区的表层土壤受人类活动影响较大。

2 研究方法

2.1 样品采集

本文野外工作主要按照《土地质量地球化学评价规范》（DZ/T 0295-2016）（中华人民共和国国土资源部，2016）和《多目标区域地球化学调查规范（1∶25 万）》（DZ/T 0258-2014）（中华人民共和国国土资源部，2014）等技术规范开展。表层土壤样品布点按照网格加图斑的原则布设，基本采样密度为 4点/ km²，在集中连片农耕区、土地利用方式多样等地区适当加密采样密度，另外针对区内的西枝江和淡水河两大水系分别采集了 4件和 3件底积物样品。野外土壤样品采集以“S”形或“X”形多点等量采集组合成一件样品的方式进行，采集深度为 0~20 cm，样品采集重量大于1500 g。本研究共采集表层土壤样品 600 件，其中原始样 585 件，重复样 15 件，另采集了7件河流底积物样品，野外工作质量良好。

1—全新统冲积层，现代河漫滩相沉积；2—全新统冲洪积层，一级阶地沉积；3—更新统洪积层，二级阶地沉积；4—上白垩统浈水组；5—上侏罗统—下白垩统南山村组；6—中上侏罗统热水洞组；7—中下侏罗统塘夏组；8—下侏罗统桥源组；9—上三叠统小坪组；10—中上泥盆统老虎头组第二段；11—晚白垩世钾长花岗岩；12—实测整合地质界线；13—实测不整合地质界线；14—岩相、岩性界线；15—片理岩化、构造角砾岩； 16—角岩化、千糜岩；17—实测断层；18—推测断层；19—研究区范围

2.2 样品加工与分析测试

严格按照干燥—破碎—过筛（-10目）—拌匀— 称重（≥500 g）—装瓶—装箱—移交实验室的工序进行加工与流转，整个过程严格防止带入外界污染以及样品交叉污染。所有样品的测试分析工作均委托四川省冶金地质勘查局六〇五大队分析测试中心进行，测试土壤样品共 607件（含 7件河流底积物样），分析项目为 As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn、U、 Th、N、P、K、有机质（SOM）、Se、pH 共 16 项元素（指标），其中U、Th、Cu、Ni、Pb、Cd的分析方法为电感耦合等离子体质谱法，Zn、Cr、K、P 的分析方法为等离子体发射光谱法，As、Hg、Se的分析方法为原子荧光法，N的分析方法为自动定氮仪法，有机质的分析方法为重铬酸钾容量法，pH值的分析方法为玻璃电极法。根据样品测试质量分析报告及重复样误差计算结果，本批样品的分析测试工作合格。

2.3 背景值计算方法

土壤地球化学背景值是指自然应力和人类活动共同作用影响下（土壤的第Ⅱ环境）区域表层土壤的含量值，实际上是成土母质组成、成土过程中元素迁移重分配、人为扰动污染等各种因素长期综合作用的结果，以表层土壤地球化学调查元素含量表征（李丽辉等，2017；庞绪贵等，2018；刁海忠等， 2021；朱文斌和邓俊豪，2022）。

求取背景值时，首先采用偏度峰度联合检验法对表层土壤样测试数据频率分布形态进行正态检验，再根据检验结果进行背景值的求取，具体求取步骤见图2。

3 土壤地球化学背景值

3.1 土壤地球化学背景值

研究区土壤地球化学背景值分析结果见表1，并将研究区土壤背景值分别与珠江三角洲、全广东省的土壤背景值进行对比分析。

变异系数（CV）是反映元素分布均匀程度的一个重要参数，根据原始数据计算出的各元素（指标） 变异系数可以看出，研究区内分布不均匀（CV≥1）的元素有 As、Cu、Hg、Cd，其中 As 分布最不均匀，其变异系数达到 1.33。另外，大部分元素（指标）原始数据的算术平均值与剔除离群值后求得的背景值差别不大，背景值变化率超过15%的元素只有Cd、Cu、 P，其中 Cd 的变化率最高，达到 23.14%，这 3 项元素的样品剔除率也均超过 5%。需要特别指出的是， As元素的变异系数最大，但其背景值变化率和样品剔除率均不高，特别是样品剔除率只有1.88%，这表明有样品出现As含量极端高的情况，多是由于局部成矿作用或者人为污染造成的。

相对于珠江三角洲经济区土壤背景值，研究区内表层土壤富集的元素有 As、Cd和 Pb（表1中的 K₁ ≥1.2），其中 As 最为富集，其富集系数为 1.49；Zn、 Cu、Th、pH、P、U、Hg、Ni、K、Cr 和 N 与珠江三角洲经济区土壤背景值相当（表1中的0.8≤K₁<1.2）；贫乏的元素（指标）有Se、SOM（表1中的K₁<0.8），其中SOM 最为贫乏，其富集系数为0.54。

注：①原始样品数量为585件；②含量单位：pH无量纲，SOM、N、P、K为g/kg，其余为mg/kg；③背景值变化率=（原始数据算术平均值－背景值）/原始数据平均值×100，其单位为%；④标注“—”是未找到相应指标背景值；⑤K为富集系数，K₁=研究区土壤地球化学背景值/珠三角土壤背景值，K₂=研究区土壤地球化学背景值/广东省土壤背景值。

相对于广东省土壤背景值，研究区内表层土壤富集的元素有 K、Cd、As、Zn、Pb、Se、Hg、Cu（表1 中的 K₂≥1.2），其中 K 最为富集，其富集系数为 2.53； pH、Th、U、Cr 和 Ni 与广东省土壤背景值相当（表1 中的 0.8≤K₂<1.2），由于缺少 SOM、N、P 的广东省土壤背景值，此3项指标暂不参与对比。

3.2 不同成土母质土壤地球化学背景值

受人为、自然等多种因素的影响，不同母质的表层土壤元素含量分布特征既有一定规律，又复杂多变（陶春军等，2013；汪实等，2021）。总体上由不同岩石类型风化物发育的土壤，其地球化学组份保留了部分成土母质特有的元素组合特征。研究区三大成土母质单元中，第四纪松散沉积物分布区多为人类活动影响强度较大的区域，沉积岩风化物成土母质单元和侵入岩风化物成土母质单元均位于丘陵区，土层覆盖较薄，大部分地区受人类生产活动影响较小。不同成土母质土壤背景值差异明显，统计结果见表2。将不同成土母质土壤背景值与整个研究区土壤背景值比较，其富集与贫乏组合见表3和图3。

第四系松散沉积物多为河流冲洪积物，物质来源广泛、成份复杂，受人类活动影响大。与全区土壤背景值相比，第四系松散沉积物富集 As，其富集系数为 1.21，这可能与人类活动造成的 As 污染有关；其他15项元素（指标）背景值与全区土壤背景值相当。

与全区土壤背景值相比，以沉积岩风化物为成土母质的土壤不富集任何元素，而贫乏 Th、Cd、Zn、 Pb、U、P、Hg、As，其中 As 最为贫乏，其富集系数为 0.45；其他元素（指标）背景值与全区土壤背景值相当。

研究区内侵入岩主要为花岗岩。与全区土壤背景值相比，侵入岩类母质土壤具有富放射性元素的特征。与全区土壤背景值相比，以花岗岩风化物为成土母质的土壤富集 Th、Pb、Se，其中 Th 富集最为明显，其富集系数为 1.39；SOM、U、N、P、pH 背景值与全区土壤背景值相当；贫乏 Hg、Zn、Ni、Cr、Cu、 K、Cd、As，其中As最为贫乏，其富集系数为0.31。

注：①含量单位：pH无量纲，SOM、N、P、K为g/kg，其余为mg/kg；②K=不同成土母质土壤背景值/全区土壤背景值。

4 土壤地球化学分区

4.1 分区依据及方法

长期地质历史过程中，地球表生环境在各种地质及人类活动作用下形成了具有不同元素组合特征的地球化学区。研究区表层土壤元素背景值统计及其地球化学系列图件编制结果表明，区内元素的空间分布具有较显著的不均匀性，影响元素区域分布的主要因素是地质背景及人类活动。本研究依据上述取得的16项指标的测试数据，运用因子分析（时艳香等，2004；赵少卿等，2012；胡兆鑫等， 2024），同时结合地质背景、地形特征及人类活动等因素对研究区进行地球化学分区。首先对原始数据进行KMO检验和巴特利特球度检验，本文检验结果均为合格（表4），表示可以开展因子分析。

在 R 型因子分析中，按照特征值＞1 为标准提取因子，共提取了 5 个主因子，其累计方差贡献为 74.4%，并采用正交旋转因子载荷矩阵（表5）来划分元素组合，每个因子代表一种元素组合，共有5种元素组合，分别为F1（Ni-Cu-Cr-Cd-Zn）、F2（N-SOM-P）、F3（U-Th）、F4（As-Pb）及 F5（Se）。在元素组合类型确定后，再根据求得的因子得分表，将每件样品划归到最高因子得分对应的元素组合。每种元素组合即对应一个地球化学区，由于研究区土壤地球化学区域分布的复杂多变，部分地球化学区又分为若干个亚区，亚区的边界是在因子分析的基础上，综合地质背景、地形特征及人类活动等因素进行圈定。

4.2 地球化学分区讨论

根据上述土壤地球化学分区原则和方法，整个研究区可以划分为Ⅰ~Ⅴ共 5个地球化学区（图4），其中Ⅰ区有 2 个亚区，Ⅱ区有 4 个亚区，Ⅲ区有 3 个亚区，各个地球化学分区具有不同的元素组合特征 （图5）。

（1）Ⅰ（Ni-Cu-Cr-Cd-Zn）区

Ⅰ区的元素组合特征富集Ni、Cu、Cr、Cd、Zn，为典型的重金属富集区，共有2个亚区，分别为Ⅰ-1和 Ⅰ-2，各亚区地质、地貌、元素组合等特征如下：

Ⅰ-1亚区位于研究区北部的惠城区新建城区，面积约 22.43 km²，为平原地貌，均为第四系松散沉积物所覆盖，土地利用类型多为建设用地，零散分布有少量耕地和林地，表层土壤受人类活动影响较大。土壤中富集重金属元素Ni、Cu、Cr、Cd、Zn。

Ⅰ-2 亚区位于研究区南部的三栋镇工业区及淡水河两侧滩涂，面积约 15.49 km²，东部为平原地貌，为第四系松散沉积物所覆盖；西部原始地貌为丘陵，但是现已多被人工推平。土地利用类型多为建设用地，其次为耕地和林地，表层土壤受人类活动影响较大，土壤中富集重金属元素Ni、Cu、Cr、Cd、 Zn，贫乏营养元素N、P、SOM。

该区2个亚区均位于城镇区，人类工业生产、生活活动频繁，人类活动是造成重金属元素在该区土壤中富集的主要原因。另外沿着Ⅰ-2 亚区内的淡水河分布有一条明显的金属元素综合异常带，该带元素组合复杂，8个重金属元素和2个放射性元素都有异常，异常强度较大，且以淡水河为中心向两侧逐渐减弱，主要异常元素重合性好，有一处明显的浓集中心，该中心位于淡水河汇入西枝江的河口处，主要异常元素最高值为 Ni：102.93 mg/kg、Cu： 365 mg/kg、Cr：349.6 mg/kg、Cd：1.7 mg/kg。在淡水河采集的3件底积物样品也均出现重金属污染的情况，结合淡水河上游分布有较多工厂，表明淡水河受到多元素且高强度的重金属污染。

（2）Ⅱ（N-SOM-P）区

Ⅱ区的元素组合特征富集N、SOM、P，为典型的营养元素富集区，共有4个亚区，分别为Ⅱ-1、Ⅱ-2、 Ⅱ-3 和Ⅱ-4，各亚区地质、地貌、土地利用、元素组合等特征如下：

Ⅱ-1 亚区位于研究区中西部的田心村—官桥村一带，面积约13.82 km²，主要为平原地貌，局部为丘陵。平原地区为第四系松散沉积物所覆盖，土地利用类型主要为水浇地、水田等农用地，土壤类型多为水稻土；丘陵地区主要出露三叠系和白垩系地层，主要岩性为砂砾岩、粉砂岩、泥岩，土地利用类型主要为果园，土壤类型多为赤红壤。土壤中富集营养元素N、SOM、P，贫乏Ni、Pb、Zn、U、K。

Ⅱ-2亚区位于研究区东南部的龙塘村一带，面积约2.99 km²，为平原地貌，为第四系松散沉积物所覆盖，土地利用类型主要为水浇地和坑塘，土壤类型多为水稻土。土壤中富集营养元素N、SOM、P，贫乏K。

Ⅱ-3亚区位于研究区西南部的陶前村一带，面积约 2.47 km²，主要为山前平原地貌，局部为丘陵。平原地区多为第四系松散沉积物所覆盖，土地利用类型主要为水浇地、水田等农用地，土壤类型多为水稻土；丘陵地区主要出露侏罗系地层，主要岩性为凝灰岩、砂岩，土地利用类型主要为果园，土壤类型多为赤红壤。土壤中富集N、SOM、P、Hg，贫乏K。

Ⅱ-4亚区位于研究区南部的坝山口村一带，面积约2.04 km²，主要为山前平原地貌，多为第四系松散沉积物所覆盖。土地利用类型主要为水田和果园，土壤类型主要为水稻土。土壤中富集 N、SOM、 P、Hg，贫乏K、Cu。

该区 4 个亚区均位于传统的农业区，区内分布有多个农业产业示范园，农业生产活动非常活跃，农业生产过程中频繁的施肥造成有机质、N、P 等营养元素在该区表层土壤中富集，但同为大量营养元素的 K 在 4 个亚区内都表现为贫乏，故该分区要警惕土壤缺钾对农作物生长造成的影响。

（3）Ⅲ（U-Th）区

Ⅲ区的元素组合特征富集U、Th，为典型的放射性元素富集区，共有 3个亚区，分别为Ⅲ-1、Ⅲ-2和 Ⅲ-3，各亚区地质、地貌、元素组合等特征如下：

Ⅲ-1 亚区位于研究区东部的双寮村—木棉村一带，沿西枝江两侧展布，面积约20.92 km²，为平原地貌，为第四系松散沉积物所覆盖。土地利用类型主要为水田和水浇地，土壤类型主要为水稻土。土壤中富集U、Th、K、Hg、As、Cd。

Ⅲ-2 亚区位于研究区西部，面积约 13.02 km²，主要为低山丘陵地貌，晚白垩世钾长花岗岩在本区广泛分布，局部出露侏罗系地层，主要岩性为凝灰岩、砂岩。土地利用类型主要为林地、果园，土壤类型多为赤红壤。土壤中富集 Th、U、Pb、Se，贫乏 As、 Cd、Cr、Cu。

Ⅲ-3亚区位于研究区北部的惠城区金山湖区，面积约 5.84 km²，人类活动频繁，为平原地貌类型，均为第四系松散沉积物所覆盖，土地利用类型多为建设用地。土壤中富集Th、U、Cd、K、Zn。

Ⅲ-2 亚区与研究区内花岗岩的分布范围非常吻合，且研究区内土壤Th元素的异常区多分布于该亚区内，其最高值为 64.5 mg/kg，推断该亚区土壤中富集 Th、U等放射性元素是继承了区内花岗岩的岩石地球化学特征，Th元素异常主要是由花岗岩原生晕高背景所致；Ⅲ-1 亚区沿西枝江两侧展布，其土壤富集U、Th、K的元素组合特征与花岗岩岩石地球化学特征相似，其中 U、Th 元素的浓集中心分布于西枝江两侧稍远的地方，而 K 元素的浓集中心主要沿西枝江展布，结合西枝江上游流域内有众多花岗岩体出露，推断该亚区土壤中的放射性物质主要是由西枝江上游的花岗岩体经风化剥蚀后被西枝江的流水作用带到亚区内，然后经自然沉积与人类活动改造而在西枝江两侧冲积平原积累下来；Ⅲ-3亚区所在的惠州金山湖区为西枝江改道后形成的湿地区，其成土母质也多为西枝江的冲积物，故影响该亚区表层土壤元素组合特征的因素也与Ⅲ-1 亚区大致一样。综上分析认为，该分区土壤放射性元素的富集多与花岗岩体有直接或间接的联系。

（4）Ⅳ（As-Pb）区

Ⅳ区的元素组合特征富集As、Pb，Se、Cr、Cd、Zn 等元素也较为富集，其位于研究区南部，面积约 9.46 km²，多为丘陵地貌，山间分布有较多平坦谷地，主要出露下侏罗统桥源组石英砂岩、粉砂岩、第四系松散沉积物和晚白垩世钾长花岗岩，部分区域已被推平用于城镇建设。土地利用类型主要为建设用地和果园，其次为耕地和林地。

该区主要位于花岗岩体与下侏罗统桥源组地层接触界线的外侧地层中，经调查，外接触带明显发育有角岩、千糜岩等热接触变质岩，且发现有毒砂等多种金属矿化，在接触带附近可圈定一个明显的土壤重金属元素综合异常带，该带元素组合较复杂，主要异常元素有 As、Pb、Se、Cr，其次为 Cd、Zn、 Ni、Cu，异常元素重合性好，异常强度高，在外接触带有一处明显的浓集中心，主要异常元素最高值为 As：305.4 mg/kg、Pb：674.4 mg/kg、Se：1.48 mg/kg、Cr： 173 mg/kg。综上分析认为，花岗岩体与侏罗纪地层接触带是形成本区元素含量特征和组合特征的主要控制因素。

（5）Ⅴ（Se）区

Ⅴ区的元素组合特征富集 Se，Cr、SOM 也较为富集，贫乏 As、Th、U、Pb、Zn，其位于研究区西北部，面积约9.98 km²，多为丘陵地貌，主要出露下侏罗统桥源组石英砂岩、粉砂岩夹炭质页岩。土地利用类型主要为林地，其次为果园，土壤类型多为赤红壤。

该区大部分区域为林地，人类活动程度低，人为因素造成元素异常的概率很小。表层土壤中只有Se、Cr、SOM少数几个元素（指标）相对较为富集，含量分布总体较均匀，特高值较少，缺乏明显的浓集中心，且富集区与桥源组地层区域重合性非常好。综上分析认为，该区土壤中元素组合特征是继承了桥源组石英砂岩、粉砂岩的岩石地球化学特征。

按照表层土壤硒含量≥0.40 mg/kg 作为富硒土壤的划定标准，整个研究区可圈定富硒土壤面积 43.38 km²，占比达到 38.21%。需要特别指出的是，区内富硒土壤多存在重金属含量超标的问题，这是因为砷、铅、镉等重金属元素在自然界中多以硫化物的形式存在，而硒的地球化学性质和硫很相似，硒容易以类质同象的形式置换硫化物中的硫元素而与重金属元素共生（龚河阳等，2015；刘健等， 2022）。综上，研究区虽然富硒土壤分布面积较广，但是多位于丘陵区和坑塘水面区，且多存在重金属超标的问题，故后续对富硒土壤的开发利用难度较大。

5 结论

（1）本文确定了研究区主要重金属元素、营养元素及放射性元素共 16 项元素（指标）的土壤地球化学背景值，并对背景值特征及地球化学分区进行了研究，为区内土地资源的规划利用、农业种植结构调整、生态环境安全保障等提供了基础地学依据。

（2）相对于珠江三角洲经济区土壤背景值，研究区表层土壤富集的元素有 As、Cd和 Pb，贫乏的元素（指标）有 Se、SOM，其他元素背景值与之相当。相对于广东省土壤背景值，区内表层土壤富集的元素有 K、Cd、As、Zn、Pb、Se、Hg、Cu，其他元素背景值与之相当，SOM、N、P无广东省土壤背景参照值。

（3）研究区不同成土母质土壤背景值差异明显，以第四系松散沉积物为成土母质的土壤最富集 As 元素，而 As 元素在以沉积岩和侵入岩为成土母岩的土壤中却都最贫乏，反映了在自然背景基础上，叠加人类工业、农业生产影响下的分布特点；以花岗岩风化物为成土母质的土壤最富集Th元素，反映了花岗岩富含放射性元素的特征。

（4）研究区不同区域元素分布差异性较大，全区共划分为4个具有不同元素组合特征的地球化学区，成土母质、河流冲洪积作用、人类活动等因素共同控制了区内元素的迁移赋存，总体上城镇建成区和工业区富集重金属元素，传统的农业区富集营养元素，花岗岩出露区域富集放射性元素。

参考文献