近年来，农业土壤中重金属污染已成为重要的生态问题，土壤中不同富集程度的重金属会通过食物链的迁移和累积从而威胁人类健康。特别是在地质高背景区，土壤中重金属的异常富集通常与成土母岩密切相关。然而，目前关于碳酸盐岩风化成土过程中重金属的迁移富集机制仍不完全明晰。此外，在研究土壤物质来源时，碎屑岩源的贡献和地质构造的控制作用尚未引起足够重视。因此，本研究以黔南典型的碳酸盐岩和碎屑岩区为研究区域。通过系统采集背斜构造区不同地层的基岩和上覆土壤，对其重金属含量和地球化学特征进行了分析，探讨喀斯特地区地质构造、地质时代和岩性分布对上覆土壤中重金属分布的制约作用。

主要研究结果如下：

1. 在研究区，碳酸盐岩和碎屑岩中As、Cd为地质高背景，Cr、Ni为地质低背景；Cu、Zn、Hg、Pb在碳酸盐岩中为地质低背景，在碎屑岩中为地质高背景（图1）。总体而言，基岩地质时代越新，其重金属含量越高，且碳酸盐岩中的重金属含量明显低于碎屑岩。然而，上覆土壤中重金属富集特征与基岩呈反向趋势。

图1 石炭系、二叠系和三叠系（a）基岩和（b）上覆土壤中重金属元素含量的箱线图

2. 通过研究区上覆土壤中元素的EF和Q值的差异，说明碳酸盐岩上覆土壤风化过程比碎屑岩上覆土壤更为复杂（图2）。根据不同地层上覆土壤中重金属的EF值和Igeo值分析显示，三叠系碎屑岩上覆土壤物质主要源于基岩，重金属在成土过程中累积相对稳定；而石炭系和二叠系碳酸盐岩上覆土壤物质在风化过程中大量淋失，重金属在成土过程中累积复杂，且背斜构造核部的累积复杂程度高于翼部。

图2 上覆土壤中重金属的（a）富集因子（EF）图和（b）EF-Q图

3. 三个地质时代基岩上覆土壤中主要氧化物（Fe₂O₃，Al₂O₃和SiO₂）之间显著相关，高场强元素（Zr-Hf 、Ta-Nb、Th/Sc-Zr/Sc、Y/Ho-Y）之间也显著正相关（图3），以及相似的REEs配分模式。表明表明三个不同地质时代地层上覆土壤经历了相似的化学风化过程，且具有相同物质来源的特征。

图3 石炭系、二叠系和三叠系基岩和上覆土壤中（a）Hf -Zr，（b）Nb-Ta，

（c）Th/Sc-Zr/Sc，（d）Y/Ho-Y之间的关系图

本研究基于背斜构造区域地层的时代关系、岩性分布特征、成土累积过程中重金属的富集特征、REEs配分模式以及高场强元素之间的相关关系，构建了喀斯特区域背斜构造风化成土过程中重金属累积示意图（图4）。研究表明，该背斜构造区域较老地层上覆土壤重金属的累积，同时受到下覆基岩的原地风化堆积和背斜构造两翼较新地层风化残留物的叠加。因此，我们建议在研究或/和治理喀斯特地区上覆土壤中重金属地球化学行为时，应考虑特殊地质构造和岩性对成土母质来源的作用。

图4 喀斯特区域背斜构造风化成土过程中重金属累积示意图

上述研究成果发表于地球科学领域二区期刊Journal of Geochemical Exploration（IF=3.9）。贵州大学资源与环境工程学院博士研究生陈满志为第一作者，吴攀教授为通讯作者，贵州大学资源与环境工程学院李学先副教授、曹星星副教授和杨文弢副教授以及博士研究生郝海洋、费志军和高一宁参与了本研究。该研究得到了国家自然科学基金项目（U1612442）、贵州省科技计划项目（黔科合平台人才-GCC[2023]045）的联合资助。

论文信息：Manzhi Chen, Xuexian Li, Xingxing Cao, Wentao Yang, Pan Wu*, Haiyang Hao, Zhijun Fei, Yining Gao. Soil-forming accumulation of heavy metals in geological high background areas: Constraints of structure, lithology, and overlying soil geochemistry. Journal of Geochemical Exploration. 2024, 263: 107518.

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.gexplo.2024.107518.