高背景沉积地带的硒、镉和砷的生态风险：来自岩石中元素富集和形态变化的见解

《Geoscience Frontiers》：Ecological risk of selenium, cadmium, and arsenic in high-background sedimentary terranes: Insights from element enrichment and speciation in rocks

该研究系统分析了南华地区Ediacaran至Jurassic沉积岩中硒（Se）及重金属（Cu、Zn、Pb、Hg、Cd、Cr、As、Ni）的赋存特征与生态风险。结果表明：1）黑色岩系（BRS）中Se、Cd、As、Cr、Ni、Hg的背景值较碎屑岩和碳酸盐岩分别高3.2倍至1000倍，其中Se在BRS中显著富集（EF=957.8）；2）有机质（TOC）对Se、Cd、Cr、Hg、Ni的富集具有显著正相关（Spearman相关系数>0.3）；3）生态风险评估显示，BRS中Se、Cd、As的活性态占比达12%-56%，其风险等级为高至极高风险，而碳酸盐岩中Cd、As的生态风险同样不可忽视；4）Hg在各类岩石中活性态占比均低于0.1%，生态风险极低。建议优先治理BRS区Cd、Se、As污染，并加强碳酸盐岩区的Cd、As监测。

　　在当前的科学研究中，土壤中的重金属污染已成为全球关注的环境问题之一。这种污染不仅对生态环境构成威胁，还对人类健康产生严重影响，特别是在农业生产中，重金属可能通过食物链进入人体，造成慢性中毒、癌症和其他健康问题。为了更深入地理解重金属污染的来源与迁移机制，有必要研究沉积岩中的重金属分布特征及其与土壤污染之间的关系。本研究主要聚焦于华南地区的震旦纪至侏罗纪沉积岩，分析了其总浓度和元素的赋存形态，并探讨了不同岩石类型中重金属的迁移规律及其生态风险。

沉积岩作为土壤形成的重要母质，其组成和特性对土壤中重金属的含量具有决定性影响。在沉积岩广泛分布的区域，尤其是以黑色岩系（BRS）和喀斯特地貌为主的地方，土壤中的重金属含量通常较高。BRS，即黑色岩系，通常含有较高的有机碳（TOC）和重金属，这种特性使其成为重金属污染的重要来源。同时，喀斯特地貌由于其特殊的地质结构和水文条件，也可能导致土壤中重金属的富集。本研究通过采集大量的岩石样本，分析了其中的多种重金属，包括硒（Se）、铜（Cu）、锌（Zn）、铅（Pb）、汞（Hg）、镉（Cd）、铬（Cr）、砷（As）和镍（Ni），并进一步探讨了这些元素在不同岩石类型中的分布规律及其对生态系统的潜在危害。

研究发现，TOC在沉积岩中与Se、Hg、Cd、Cr和Ni存在显著的正相关关系，但与Pb和Zn的关联性较弱。这种现象表明，有机质在某些重金属的富集过程中扮演着重要角色，尤其是在BRS中，TOC的高含量可能促进了这些元素的迁移和富集。此外，通过聚类分析发现，Se与Cd和As之间具有强烈的关联性，这表明这些元素可能在岩石形成过程中通过某种机制相互富集。与上大陆地壳（UCC）相比，BRS中Se的富集程度最高，达到957.8倍，其次是Cd（62.9倍）、Hg（28.4倍）、As（8.5倍）等。碳酸盐岩中这些元素的富集程度也相对较高，表明其在土壤污染中同样具有重要作用。

为了更全面地评估土壤中重金属的生态风险，本研究引入了风险评估代码（RAC）和次生相与原生相的比例（RSP）等指标。结果表明，BRS中的Cd、Se和As具有最大的生态风险，而碳酸盐岩中的Cd和As同样需要关注。相比之下，Hg在所有岩石类型中的活性形态占比极低，低于土壤风险筛选值的0.1%，因此其生态风险较低。这一发现表明，BRS和碳酸盐岩中Cd、Se和As的高风险可能主要源于其母岩中的富集特征。

此外，研究还发现，不同地质年代的沉积岩中，重金属的富集程度存在显著差异。例如，Permian时期的岩石中，Se、Cd、Cr、Ni和Hg的平均浓度最高，而Silurian时期的岩石中，As、Pb、Zn和Cu的平均浓度较高。这些差异可能与沉积环境、气候条件和母岩的化学成分有关。特别是，在某些地质时期，如Devonian和Carboniferous，由于气候波动和海洋上升涌现象，Cd的富集程度显著增加。

本研究进一步探讨了不同岩石类型中重金属的赋存形态及其对生态风险的影响。在BRS中，Se和Cd的可交换态和碳酸盐结合态占比较高，这表明它们在自然条件下具有较高的迁移潜力和生物可利用性。相比之下，碳酸盐岩中的Hg主要以残余态存在，其活性形态占比极低，因此生态风险较小。这些发现对于制定合理的土壤修复策略和污染监测措施具有重要意义，特别是在BRS和碳酸盐岩广泛分布的区域。

通过比较BRS和碳酸盐岩中Cd和As的污染情况，研究发现，BRS区域的土壤Cd浓度显著高于碳酸盐岩区域，而As的浓度在两者中均较高。这种差异可能与母岩的化学组成、土壤形成过程中的体积变化以及重金属的迁移机制有关。例如，在碳酸盐岩的风化过程中，由于体积的显著减少，Cd和As的浓度可能会迅速上升，导致较高的污染风险。因此，尽管BRS区域的Cd和As浓度更高，但碳酸盐岩区域的污染情况同样不容忽视。

在作物污染方面，研究发现，BRS区域的水稻中Cd的含量普遍高于土壤风险筛查值，而As的含量虽然低于风险值，但其潜在的健康风险仍需引起重视。尤其是在云南、浙江等地的BRS区域，水稻中As的含量可能因土壤中有机质的富集而增加，进而对居民健康造成威胁。这些发现强调了在重金属污染高背景区域，特别是在BRS和碳酸盐岩地区，应优先进行Cd、Se和As的污染治理，并加强对这些元素的监测。

总体而言，本研究揭示了沉积岩中重金属的分布规律及其对土壤污染的影响，为相关地区的环境管理和生态保护提供了科学依据。未来的研究应进一步探讨不同岩石类型中重金属的迁移机制，以及如何通过有效的土壤修复技术降低其生态风险。同时，应加强对高背景污染区域的监测，以确保食品安全和人类健康。