Migration and Enrichment of Heavy Metals During the Weathering Pedogenesis of Rocks in the Ningzhen Ore Cluster Area
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摘要:
岩石的风化成土作用造成重金属富集并导致土壤超标是一类特殊的地质成因土壤重金属污染现象，也被称为地质高背景问题，近年来受到学术界的高度关注。为弄清岩石风化成土过程中的重金属的物质来源、释放迁移和富集规律，本研究以宁镇矿集区代表性碳酸盐岩、岩浆岩和碎屑岩风化成土剖面为对象，通过野外调查、岩矿鉴定、相关性分析、上陆壳标准化蛛网图解、化学蚀变指数和质量平衡系数计算等方法，系统研究了重金属在岩石风化成土过程中迁移富集规律。结果表明：各剖面土壤与其下伏母岩具有物源继承关系；在同一气候条件下，重金属在风化剖面中的迁移规律受岩石岩性、剖面化学风化程度和重金属元素在岩石中赋存状态等多因素控制；岩浆岩和碎屑岩剖面土壤重金属表现出继承母岩化学成分组成和含量特征，重金属迁移能力与化学风化程度呈正比。而碳酸盐岩剖面重金属迁移能力与化学风化程度呈反比，导致碳酸盐岩剖面重金属呈现出（岩石）低背景、（土壤）高富集的地球化学特征，其中Cd、As的含量甚至超农用地土壤污染风险管制值，需要加以重视。在上述研究基础上，建立了重金属在岩石风化成土过程中的释放迁移模式。
Abstract:Weathering pedogenesis of rocks can release heavy metals to soil, and further accumulation of heavy metals in soil may exceed the national standard for safety soils. To understand the source, release, transport, and enrichment of heavy metals in the process of weathering pedogenesis, we systematically studied the migration and enrichment of heavy metals during rock weathering in the representative weathering pedogenesis profiles (carbonate rock, magmatic rock, and clastic rock) of the Ningzhen ore cluster area using a combination of field survey, rock and mineral identification, geochemical analysis and statistical analysis. The results showed that the soil of each profile has a provenance inheritance relationship with its underlying parent rock. The heavy metals in the soil of magmatic rock and clastic rock profiles showed similar chemical composition and content characteristics to the inherited parent rock. In contrast, the carbonate rock profile showed the geochemical characteristics of a low content of heavy metals in rocks and a high content in soil. In particular, the contents of Cd and As even exceeded the risk intervention values for soil contamination of agricultural land. It was revealed that the migration of heavy metals in weathering profiles of rocks under the same climatic conditions is controlled by multiple factors, such as rock lithology, the degree of chemical weathering of the profiles, and the occurrence state of heavy metals in rocks. The migration ability of heavy metals in magmatic rock and clastic rock profiles is proportional to the degree of chemical weathering, while the migration ability of heavy metals in carbonate rock profiles is inversely proportional to the degree of chemical weathering, leading to a higher potential for enrichment of heavy metals. Based on the above research, the release and migration pattern of heavy metals in the processes of rock weathering and soil formation was established.
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Keywords:
- soil heavy metals /
- the chemical weathering /
- enrichment /
- mining areas /
- Ningzhen
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中国生态地质调查起步于20世纪80年代，近年来国内学者在相关研究方面成果丰硕（王尧等，2019；张茂省等，2019；王京彬等，2020；聂洪峰等，2021；李文明等，2022）。南水北调中线工程是中国重要的跨流域调水工程，陕西省商洛市丹江源地区是南水北调中线工程重要水源涵养区（图1a），因地处秦岭保护区，又是全国生态环境建设重点试点示范区，具有重要的生态功能地位。同时，土地利用/覆被变化是导致生态格局演变和生态系统变化的重要因素（Veldkamp et al.，2004；岳德鹏等，2007；陈利顶等，2008，2013），景观指数可以体现景观结构组成和空间配置等特征，能高度浓缩景观格局信息，定量获取要素的空间分布特征，为生态格局动态变化研究提供基础信息（Robert，1997；邬建国，2000；Moser et al.，2002；陈文波等，2002；王天山等，2016）。张雁等（2016，2018）对商洛市水源地土地利用类型结构及生态环境效应进行分析，但多侧重于水生态评价研究。李文明等（2022）梳理了西北地区的生态地质调查进展并分析了生态安全屏障区存在的问题，尚未对研究区生态地质格局进行过深入调查。因此，摸清丹江源地区的生态地质本底，分析生态格局动态演变，以及科学合理利用配置土地资源意义重大。笔者依托丹江源地区生态地质调查项目，采用坡面调查方法，梳理不同地质建造上的典型生态关键带生态地质特征，利用ENVI 5.3、ArcGIS 10.2及Fragstats4.2软件，解译分析区内2000～2020年3期土地利用时空演变和景观格局演变特征，掌握全区地下—地表生态地质格局动态演变，为丹江源地区的生态地质环境治理、土地利用结构优化、生态系统保护及生态质量评价提供重要的数据支撑和科学依据，对充分发挥其生态服务功能具有重要现实意义。
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图 1 研究区地理位置（a）及丹江源地区水系分布图（b）Figure 1. (a) Geographical location of the study area and (b) drainage distribution map of Danjiangyuan Area1. 生态地质背景
按照流域划分原则，在ArcGIS 10.2软件支持下，界定商洛市商州区内丹江及支流的流域面积为1 757 km2（图1a）。研究区地形总体呈西北高、东南低，海拔为699～1 684 m，主要有中山区、低山丘陵区、河谷川塬区3种地貌单元，具有暖温带南缘过渡带季风性、半湿润性山地气候特点。区内多年平均降水量为699.44 mm，年际间降水量分布不均，受地形地貌影响，区域降水呈西多东少，南多北少的地域特征，总体表现为山地多，河谷阶地少。山区年均降雨量800 mm以上，年均气温为10～11 ℃，河谷川塬区年均降雨量在730 mm以下，年均气温在13 ℃以上（国家气象科学数据中心，1951～2020）。降水量随着高度增加而增多，表现为降水量的垂直差异性。区内水系发育，河网密度0.69～1.28 km/km2（图1b），多年平均年径流深为230 mm，年径流量为4.48×108 m3，平均流量为8 m3/s，径流年内分配不均匀。
研究区大地构造位置属华北板块，以商丹断裂为界，划分为华北陆块和商丹地壳对接带2个二级构造单元（图2）。基于时代+物质组成的划分方案，将区内地质建造划分为13类（图2a），前寒武纪砂泥质碎屑岩建造、侏罗纪—古近纪陆相砂泥质碎屑岩建造、前寒武纪酸性岩浆岩建造、寒武纪—奥陶纪海相碳酸盐岩建造等为主（图2b）。研究区内岩浆岩较发育，火山岩岩性为变玄武岩、变安山岩、凝灰岩等。侵入岩主要有新元古代混合片麻岩、志留纪辉长岩体等，另有少量三叠纪、侏罗纪花岗岩体。
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图 2 丹江源地区地质建造图（a）及不同地质建造面积分布图（b）1.第四纪陆相松散堆积建造；2.寒武纪海相碳酸盐岩建造；3.古生代中酸性岩浆岩建造；4.寒武纪基性火山岩建造；5.侏罗纪-古近纪陆相砂泥质碎屑岩建造；6.奥陶纪泥质碎屑岩建造；7.前寒武纪碳酸盐岩建造；8.三叠纪陆相砂泥质碎屑岩建造；9.古生代基性火山岩建造；10.前寒武纪砂泥质碎屑岩建造；11.三叠纪中酸性岩浆岩建造；12.古生代基性-超基性岩浆岩建造；13.前寒武纪酸性岩浆岩建造；14.实测剖面Figure 2. (a) Geological construction map and (b) distribution map of different geological construction areas in Danjiangyuan area区内土壤类型有黄棕壤、紫色土、褐土、潮土、粗骨土和新积土（潘贤章等，2015）。丹江源地区植被空间分布明显，丹江源地区用材林和主要水源涵养林区主要分布在中山区（陕西省商洛地区地理志，1981）；土壤较瘠簿的低山区主要分布有常绿阔叶树的落叶林带、栓皮栎林带、经济林、用材林和草场草坡；低山丘陵区森林覆盖率较低，以天然草地、人工林为主。区内产业结构以农业、林业为主导产业，经济基础较为薄弱。
2. 研究方法
2.1 生态地质剖面与生态关键带解析
在初步查明生态地质背景的基础上，结合微地貌的影响因素，采用野外路线调查结合坡面调查的方法（王京彬等，2020；聂洪峰等，2021），选取代表性的地段开展生态地质剖面测量解析，控制重要的生态地质类型，结合浅钻及垂向剖面等形式予以揭露，观察、测量生态地质现象，记录不同地质、地形地貌、生态、土壤等生态地质信息，绘制生态地质剖面，梳理区域生态地质条件现状及制约因素，垂向上查明不同地质建造上的典型生态关键带相关生态要素间的相互作用过程。
2.2 遥感解译
文中遥感影像数据选择2000年Landsat TM5，2010年Landsat TM5，2020年Landsat OLI影像，时相以9～10月为主，分辨率为30 m，云量均3%以下，使用的数字高程模型下载自地理空间数据云官网（中国科学院计算机网络信息中心科学数据中心，http://www.gscloud.cn）。运用ENVI 5.3对3期遥感航片进行解译。结合商州区土地利用现状，对研究区土地利用类型进行划分，并与GLOBELLAND30数据（Zhu et al.，2010；Chen et al.，2011，2014，2016）进行比对，准确率达到84.6%以上，解译结果符合精度要求，在ArcGIS 10.2软件支持下，绘制3期土地利用分类图，分析区域土地利用时空演变。
2.3 景观格局分析及指数选取
结合研究实际需求，笔者参考前人研究成果的基础上（李煜东等，2020；张晓宁等，2020；苏明伟等，2021；张建等，2021；张林等，2022），选取相关景观格局指数进行计算（表1），主要从斑块类型和景观水平层次开展研究。利用 ArcGIS 10.2的空间分析模块将土地利用类型图转换为Grid格式后，采用目前广泛使用的景观格局计算分析软件 Frastats 4.2进行丹江源地区2000～2020年3期各景观组分的相关景观指数计算。
表 1 景观格局指数选取及指示意义Table 1. Selection and indicative significance of landscape pattern index景观单元特征指数 指标选取 指示意义 景观面积度量指标 斑块类型面积（CA） CA值的大小影响着斑块类型聚集地中的物种数量及丰度 斑块类型比（PLAND） PLAND指某一斑块类型占整个景观面积的相对比例 最大斑块指数（LPI） LPI主要表示某一景观类型最大斑块占整个景观面积的比例，决定了景观优劣斑块，反应景观变化受人类活动干扰程度 景观面积（TA） TA定义景观幅度，是监测生态系统是否稳定的重要指标 景观形状指标 景观形状指数（LSI） LSI反映景观和斑块形状的分散和规则程度，值越大说明景观形状越复杂 景观邻近度指标 香农多样性指数（SHDI） SHDI表示景观类型的复杂程度，值越小斑块类型越少，值增大说明斑块类型增加或各斑块类型在景观中呈均衡化趋势分布 景观聚集与分散度
测量指标蔓延度指数（CONTAG） CONTAG反映景观类型的聚集程度和延展程度，高蔓延度值表明某种优势斑块类型具有良好的连通性 散布与并列指数（IJI） IJI反映斑块类型的隔离分布情况 聚集度指数（AI） AI是基于栅格数量来测度景观或者某种斑块类型的聚集程度 注：各景观格局指数计算公式和详细意义可参阅相关文献（何鹏等，2009；孙天成等，2019）。 3. 结果与分析
3.1 典型生态地质剖面与生态关键带解剖
基于生态关键带基岩–成土母质–土壤–植被垂向调查思路（图3），笔者绘制区内基岩–成土母质–土壤–植被变化图（图4）和典型生态地质剖面（图5）。
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图 3 丹江源地区不同生态关键带基岩–成土母质–土壤–植被变化图Figure 3. Changes of bedrock, parent material, soil and vegetation in different ecological key zones of Danjiangyuan area![]()
图 4 丹江源地区金陵寺镇–柿园街生态地质剖面Figure 4. Eco–geological profile of Jinlingsi Town–Shizyuan Street in Danjiangyuan area![]()
图 5 丹江源地区杨峪河镇麻街岭–任家村生态地质剖面Figure 5. Eco–geological profile of Majeiling–Renjia village in Yangyuhe town, Danjiangyuan area金陵寺镇–柿园街生态地质剖面显示（图2a、图4），研究区南部的三叠纪中酸性侵入岩建造、古生代酸性侵入岩建造、前寒武纪酸性侵入岩建造的基岩节理发育，成土母质为中酸性岩类风化物，中酸性花岗岩的成土母质层和淀积层相对较薄（图3），在中山区形成的土壤类型为棕壤，质地为沙质土，结构疏松，透水性好，含水性、保水性差，上覆植被类型为针阔叶混交林，因土壤pH值呈酸性，针叶油松较发育（图3、图4）。在低山丘陵区主要形成粗骨土，砂砾含量高，植被郁闭度稍低，植被类型为以阔叶为主的针阔混交林。南部的古生代基性火山岩、基性-超基性侵入岩建造和前寒武纪基性火山岩建造的基岩易风化解体，形成较厚的风化层，质地一般为壤质，保水性能强，呈中性或弱碱性，在中山区形成棕壤，在低山丘陵区形成淋溶褐土。
杨峪河镇麻街岭–任家村生态地质剖面显示（图2a、图5），区内中部的白垩纪—古近纪陆相砂泥质碎屑岩建造，其地层产状平缓，节理不发育或仅发育风化节理等，成土母质为白垩纪–古近纪砂泥岩类风化物，例如含砾砂岩风化形成的淀积层较厚（图3），在低山丘陵区和中山区均形成紫色土，土体浅薄，质地为沙质土，有机质含量低，保水性差，水土流失易发，植被覆盖类型主要为草本植物（图3、图5）。研究区中部的前寒武纪碎屑岩建造的片理化和节理发育，泥质含量高，易风化，质地一般为壤质，在中山区形成棕壤，在低山丘陵区形成淋溶褐土。上覆植被郁闭度高，林型为以栓皮栎等阔叶林为主的针阔混交林（图3、图5）。前寒武纪碳酸盐岩建造的岩石质地坚硬，不易风化，例如大理岩的成土母质层较厚（图3），在中山区和低山丘陵区形成淋溶褐土，在河谷川塬区形成石质土，多处出现裸露基岩，植被覆盖以草本为主，零星分布少量低矮灌木和油松（图5）。
不同的地质建造，因为岩性不同、形成时代不同，受控于不同的构造地质背景和环境背景，导致形成不同的地形地貌、成土母质、土壤类型、水文类型、局部小气候类型，在以上立地条件的综合影响下，最终形成不同的植被覆盖类型和景观格局，以期为地方政府实施国土空间分区管控提供地学依据。
3.2 土地利用时空演变分析
3.2.1 土地利用动态变化
借助ENVI 5.3提取研究区的土地利用类型、分布、规模等信息。依据《土地利用现状分类》标准，将研究区土地类型分为林地、草地、耕地、水域、建设用地及未利用土地6类。通过2000、2010、2020年3期土地利用类型的遥感解译，结合研究区年际土地变更成果数据进行土地利用类型监测，研究区土地利用现状整体表现为不同土地利用类型面积随时间变化存在差异。
从土地利用类型数量结构（图6）来看，丹江源地区位于秦巴山地，气候温暖湿润，降水相对丰沛，是中国南水北调中线工程重要水源地，也是重要的生物多样性保护和水源涵养生态功能区，加之多山少田的地理特征，土地利用结构中林地比例占绝对优势；其次是耕地，林地和耕地占比约85%以上，其他用地类型比例偏低。研究区内的自然景观和人造景观之间转入转出频繁，自然景观转出面积大小排序为：草地＞林地，林地基数大，变化不显著。人造景观耕地转出明显，建设用地、水域大幅转入，转入面积大小排序为：建设用地＞水域，因研究区未利用土地多为利用度不高的裸地，其转入转出幅度变化不大。
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图 6 丹江源地区2000、2010、2020年不同土地利用类型数量结构Figure 6. Quantitative structure of different land use types of Danjiangyuan area in 2000, 2010 and 2020土地利用动态度差异较明显（表2），建筑用地和水域变化最明显。建设用地动态表现为持续扩张趋势，2000～2020年建设用地动态增长度为11.70%，其中2000～2010年动态增长度为3.98%；2010～2020年增长速度较快，动态增长度为13.89%。这表明建设用地扩张主要发生在2010～2020年。2000～2020年水域动态增长度为8.51%，水域呈持续扩张趋势，其中2000～2010年的动态增长度为3.54%；2010～2020年的动态增长度为3.66%，在后期变化较大。林地基数大，2000～2020年动态增长度为0.01%，其中，2000～2010年增长度仅为0.1%，2010～2020年递减率为−0.09%。草地的动态变化不大，呈先增长后递减趋势，耕地呈持续递减趋势，未利用土地动态变化不明显。
表 2 丹江源地区2000～2020年土地动态度变化Table 2. Changes of land dynamic attitude from 2000 to 2020 in Danjiangyuan area
土地利用类型土地动态度 2000～2010年 2010～2020年 2000～2020年 耕地
林地
草地
水域
建设用地
未利用土地−0.32%
0.10%
−0.67%
3.54%
3.98%
−0.08%−1.05%
−0.09%
0.20%
3.66%
13.89%
0.07%−0.67%
0.01%
−0.24%
8.51%
11.70%
−0.05%3.2.2 土地利用空间变化
丹江源地区受地形条件，土地利用格局具有特殊性（图7）。林地占绝对优势，以天然林区为主，主要分布在杨斜镇、麻街镇、板桥镇、沙河子镇，草地主要分布在腰市镇、城关街道，耕地和建设用地分布规律明显，耕地主要分布在河谷川塬两岸及东北部的腰市镇、大荆镇，建设用地均分布于水系两岸，城区建设用地分布于丹江主河道两岸。不同土地利用类型时空转移特征明显，其中，耕地与林地之间的时空转移特征变化明显，且耕地向林地转移较明显，变化区域随时间变化先由中部向两侧扩散；耕地与建设用地之间的变化区域主要集中在商州城区、腰市镇和大荆镇，呈带状分布（图7），这与城市发展和经济发展有关。研究区未来的土地利用格局还以林地为主，但林地有退化趋势，且耕地后备资源不足，说明土地利用结构尚需进一步优化。
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图 7 丹江源地区2000、2010、2020年土地利用类型遥感解译变化图Figure 7. Remote sensing interpretation changes of land use types of Danjiangyuan area in 2000, 2010 and 20202000～2020年土地利用时空演变结果总体显示丹江源的生态趋势向好有所改善。早期，当地居民伐林开垦，大规模修建坡耕地。2006年，商洛市积极调整土地利用结构及方式，以生态清洁小流域为生态建设单元，经过多年的综合治理和发展，当地生态环境得到了极大的改善。2011年底，圆满完成陕西省丹江口库区及上游水土保持一期工程的建设。2012年，商洛市启动陕西省丹江口库区及上游水土保持二期工程，2014年已顺利实现“清水进京”的宏伟目标，自通水至今，丹江的监测断面水质全部达到功能区标准。在生态建设保护的政策引导下，丹江源地区的土地利用变化对生态环境扰动较少。林地和耕地将长期是水源地主要土地利用类型，直接影响着其生态环境效应。
由于南水北调中线工程建设的需要，一方面，当地政府及民众对水源地和林地的保护意识不断增强，对公共资源的使用日趋合理，特别是对“山水林田湖草”生态文明建设的贯彻执行，进一步保障了研究区林地基数和水域面积的稳定增长，对可持续发展政策的实施有很大的正面效应。另一方面，由于调水工程及城市化进程建设以及保护水源地的移民搬迁，区内建设用地大幅度增加，存在草地退化和耕地减少现象。作为南水北调中线工程典型的山区水源地，今后应合理配置土地资源，优化土地利用结构，加强林地和耕地保护，将有利于丹江源地区社会经济和资源环境的可持续发展。受自然环境条件和社会经济水平限制，该区也是经济限制发展区。水源保护工作取得了一定成效，但还存在生态保护与经济发展矛盾突出、治污项目资金缺口大等困难和问题。
3.3 景观格局动态变化分析
3.3.1 斑块类型水平下景观格局指数
结合土地利用变化的解译，利用Frastats 4.2软件，计算丹江源地区2000～2020年3期景观格局指数。在类型水平上（表3），各土地利用类型的景观指数呈现出不同的变化趋势。林地景观具有很强的优势性，以其为代表的自然景观斑块呈现破碎状态。从2000～2020年的斑块类型比PLAND数据来看，未发生太大变化，呈微弱的减少趋势。人造景观耕地则呈现先增加后减少的变化趋势，草地变化趋势相反，先减后增，表明区内景观生态过程较活跃。
表 3 丹江源地区2010～2020年3期斑块类型水平的景观格局指数Table 3. Landscape pattern indices of patch types in the Danjiangyuan area from 2010 to 2020斑块类型 年份 CA（km2） PLAND（%） LPI（%） LSI IJI AI 林地 2000 1240.4300 76.0300 72.6400 17.4570 39.6831 98.0450 2010 1253.2700 75.8700 72.4600 17.6510 34.3240 98.0204 2020
20001242.2100
321.120075.1900
20.810071.4900 16.8271 37.6794 98.1100
88.0625耕地 20.2100 53.5204 53.9354 2010 310.8700 21.0200 20.4700 53.1127 47.0259 88.2095 2020 278.1700 20.8100 17.1600 57.3163 48.3957 87.2000 草地 2000 171.9900 2.7400 0.1900 84.8531 28.3333 47.1916 2010 160.3900 2.5300 0.0500 85.8279 23.7656 44.2992 2020 163.6400 2.7500 0.0500 95.8660 19.9750 40.3615 水域 2000 2.6800 0.0400 0.0300 8.1220 71.1135 62.7075 2010 3.6300 0.0600 0.0400 6.5652 62.6626 73.7705 2020 4.9600 0.0800 0.0700 6.7037 72.2046 77.8098 建设用地 2000 20.1800 0.3400 0.1000 12.7699 47.8730 78.5033 2010 28.2200 0.4700 0.1400 13.2256 42.9460 81.0820 2020 67.4100 1.1300 0.8000 14.8398 49.5618 86.4070 未利用土地 2000 0.4700 0.0400 0.0800 2.1938 31.5743 38.8427 2010 0.5000 0.0500 0.0900 2.7472 32.2674 39.3754 2020 0.4900 0.0400 0.0800 2.3584 31.6832 38.7120 注：由于各土地利用类型斑块类型面积统计存在四舍五入，面积总和与研究区总面积有略微出入。 从景观形状指数LSI变化趋势可知，耕地、草地的景观形状指数较大且总体呈现上升趋势，反映了区内耕地、草地景观和斑块形状分散且不规则，说明二者的景观形状比较复杂。林地和水域的景观形状指数有所下降，建设用地的景观形状指数呈上升趋势。以建设用地为代表的人造景观斑块面积呈现增大趋势， 2000～2010年增长不明显；2010～2020年增长迅速，斑块呈现片状分布。合理的土地利用规划让建设用地聚集程度提高，边界规则化，特别是移民搬迁政策的执行，使得建设用地聚集程度高。水域斑块类型面积呈现增加的趋势，斑块类型比和最大斑块指数总体呈上升趋势，不断增加并趋于平稳，水域占研究区面积的比例持续上升，散布与并列指数减小，景观形状指数和聚集度指数与水域相邻的景观要素变少，连通性增强。
3.3.2 景观水平下景观格局指数
景观水平的景观格局指数显示（表4），2000～2020年间丹江源地区的景观结构发生了变化，景观形状指数LSI呈现先有微弱减小后又增加趋势，总体呈增加，各类景观趋于离散，且形状趋于规则；蔓延度指数CONTAG在2000～2020年间先增加后减小，总体呈增大趋势，反映景观类型的聚集程度和延展程度，各景观之间连通性较好。散布与并列指数IJI呈减小趋势，反映了区内斑块类型的隔离分布情况，丰富度变低。香农多样性指数SHDI在2000～2020年间增加了0.031，说明区内的各斑块类型呈均衡趋势分布，土地利用类型越来越丰富，景观邻近度变好。聚集度指数AI在2000～2010年有上升，在2010～2020年有下降，先增加后减小。
表 4 丹江源地区2000~2020年景观水平的景观格局指数Table 4. Landscape pattern index of the Danjiangyuan area from 2000 to 2020年份 TA（km2） LSI CONTAG IJI SHDI AI 2000 1757.0000 27.8229 73.2957 45.5026 0.6557 94.4950 2010 1757.0000 27.7720 75.9058 39.2190 0.6596 94.5070 2020 1757.0000 29.7378 74.7040 40.4132 0.6963 94.1028 注：TA. 景观面积；LSl. 景观形状指数；CONTAG. 蔓延度指数；IJI. 散布与并列指数；SHDI. 香农多样性指数；Al. 聚集度指数。 2000～2010年，水域面积、林地面积及建设用地增加，耕地和草地面积减少，南水北调中线工程的建设，及从保护和改善生态环境出发退耕还林政策的实施，保障了丹江源地区水域面积和林地面积的增长；另一方面是移民搬迁政策，使原本分散的聚居地转为城镇、移民新村等，整体上建设用地面积增加，聚集度提升。2010～2020年，水域、草地及建设用地增加，林地、耕地面积减少，当地政府加大生态文明建设，对水源地及特殊土地类型湿地的保护政策不断推进，保障了水域面积的稳定增长，尤其是湿地保护成效显著，但随着近十年城市发展建设的需求，建设用地增加幅度较大，人口增长和社会需求也加速了土地利用程度的变化。
4. 结论
（1）各地质建造因构造地质背景差异导致上覆地形地貌、成土母质、土壤类型、水文类型、局部小气候类型，在以上立地条件的综合影响下形成了不同的生态地质格局。
（2）丹江源地区林地比例占绝对优势，林地和耕地占比85%以上，其他土地类型比例偏低。2000～2020年土地利用类型变化显著，水域、耕地和建设用地面积变化较为剧烈。区内自然景观和人造景观之间转入转出频繁，但整体土地利用变化对生态环境扰动较少。林地和耕地将长期是水源地主要的土地利用类型，直接影响着其生态环境效应。
（3）丹江源地区2000～2020年景观空间格局变化明显，尤其在2010～2020年景观生态过程较活跃。区内各斑块类型趋于规则呈均衡趋势分布，斑块类型间形成了良好的连接性，景观聚集程度逐渐提升，空间分布趋向集中。
（4）南水北调中线工程建设进一步保障了研究区林地基数和水域面积的稳定增长，丹江源地区的生态趋势向好；调水工程及城市化进程建设及保护水源地的移民搬迁导致区内建设用地大幅度增加，存在草地退化和耕地减少现象。建议合理配置土地资源，优化土地利用结构，加强林地和耕地保护及生态补偿，将有利于丹江源地区社会经济和生态环境的可持续发展。
致谢：在本文撰写过程中得到国际竹藤中心漆良华教授、博士生张建的帮助，商洛市自然资源局、商洛市林业局、商州区林业局等兄弟单位在资料收集方面给予了大力支持，在此一并致谢。
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图 1 长江中下游成矿带矿集区分布图（a）（据张明超等, 2018）及研究区地质简图和采样位置分布（b）
1.第四系；2.下白垩统；3.下—中侏罗统；4.中三叠统；5.下三叠统；6.石炭系—二叠系；7.泥盆系；8.志留系；9.奥陶系；10.寒武系；11.石英二长斑岩；12.石英闪长斑岩；13.花岗斑岩脉；14.矿床（点）；15.地质界线；16.断裂；17.水体；18.宕口；19.采样点及编号；20.研究区范围
Figure 1. (a) The distribution of metallogenic province in mineralization belt of the middle and lower reaches of Yangtze River, (b) simplified geological map of study area and sampling locations
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图 3 不同岩石风化剖面Ti/Zr值剖面分布、变异系数（a）及各发生层化学蚀变指数（b）和A-CN-K三角图解（c）
A=Al2O3；CN=CaO*+Na2O，CaO*采用McLennan（1993）提出的方法校正；K=K2O；上陆壳数据来自Taylor，1985；箭头表示化学风化趋势线
Figure 3. (a) The distribution and (b) coefficients of variation of Ti/Zr ratios and (c) A-CN-K ternary diagrams in different rock weathering profiles
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图 4 不同剖面主量元素UCC标准化蛛网图
Figure 4. UCC-normalized spider diagram of major elements of different profiles
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图 5 岩石风化土剖面重金属元素含量剖面分布
Figure 5. Variations of contents of heavy metal elements in weathering rock profiles
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图 6 重金属元素质量平衡系数随采样深度分布
Figure 6. Distribution of mass-balance calculation of heavy metal elements with sampling depth
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图 7 重金属在岩石风化成土过程中的释放迁移模式
Figure 7. The release and migration pattern of heavy metals in the rock weathering process
表 1 宁镇矿集区岩石−土壤剖面特征
Table 1 Characters of the rock-soil profiles in Ningzhen ore cluster area
剖面 基岩 岩石特征 剖面特征 海拔（m） 坡度（°） 土地利用方式 KY1 石英二长斑岩 斑状结构，块状构造。斑晶为斜长石（25%）、钾长石（20%），次为黑云母（10%）及少量角闪石和石英，含黄铁矿和黄铜矿等硫化物 剖面厚度（指岩-土界面以上部分，下同）150 cm，其中土壤层厚100 cm，呈黄棕色黏土状，下伏50 cm厚的粉状岩母质层，向下逐渐过渡到弱风化-新鲜母岩 145 5～10 林地 KY3 石英闪长斑岩 斑状结构，块状构造。斑晶为斜长石（35%）、黑云母（3%）以及少量石英和角闪石 剖面厚度约180 cm，土壤层厚105 cm，风化壳成棕色黏土状，下伏75 cm厚的砂糖状母质层，向下逐渐过渡到弱风化-新鲜母岩 66 8 林地 KY7 中三叠统黄马青组
长石石英砂岩细粒结构。主要矿物成分为石英（70%）、长石（20%）及少量灰岩、泥岩碎屑和云母碎片 剖面厚度70 cm，其中土壤层厚45 cm，下伏25 cm厚的砂糖状母质层，向下逐渐过渡到弱风化母岩 83 3～5 林地 KY8 中三叠统青龙组灰岩
（简称“青龙灰岩”）细晶结构。矿物主要为方解石（98%）和少量黏土、石英等，见铁质分布于方解石上及晶粒间 岩-土界面清晰，剖面发育较薄（67 cm），其呈红棕色黏土状，缺失C层，土壤体（A+B层）直接与下伏基岩接触 90 5 林地 KY9 下二叠统栖霞组含生物碎屑灰岩（简称“栖霞灰岩”） 微晶-细晶结构。矿物为方解石（80%）和生物碎屑（12%）。生物碎屑由纤维状方解石、泥晶方解石组成。矿物间充填铁质、泥质 岩-土界面清晰，剖面发育极薄（10 cm），土层呈红棕色黏土状，顶部有机质层和腐殖质层已被侵蚀，缺A层和残存部分B层，C层不发育，下伏基岩 97 2 林地 
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表 2 岩石风化剖面主量元素（%）、惰性元素（m/kg）含量及CIA值
Table 2 Concentrations of major (%), immobile (mg/kg) elements and CIA values in rock weathering profles
剖面
（母岩）KY1
（石英二长斑岩）KY3
（石英闪长斑岩）KY8
（青龙灰岩）KY9
（栖霞灰岩）（KY7）
长石石英砂岩UCC 发生层 A层 B层 C层 R层 A层 B层 C层 R层 A层 B层 R层 B层 R层 A层 B层 C层 R层 SiO2 65.21 70.82 67.22 59.79 64.70 64.22 63.51 63.73 62.85 57.87 6.32 34.18 0.02 64.89 60.28 63.53 59.05 66* Al2O3 16.87 13.87 18.29 16.64 15.78 16.93 17.23 16.82 13.99 18.72 1.40 17.55 0.29 16.29 18.70 17.82 20.61 15.2* Fe2O3 2.71 2.97 3.10 5.04 1.49 3.49 4.11 4.81 0.91 5.36 0.44 7.11 0.03 5.64 6.70 6.10 6.00 5* FeO 1.61 0.94 0.44 0.52 2.89 1.28 0.56 0.22 2.80 1.25 0.22 1.17 0.10 1.20 1.20 0.55 0.18 MgO 1.03 0.86 0.76 2.70 1.17 1.53 1.63 1.41 0.96 1.68 0.37 1.27 0.38 1.11 1.36 1.42 1.55 2.2* CaO 1.29 0.72 0.28 3.51 1.25 1.04 1.14 1.27 4.19 2.67 50.23 15.87 55.44 0.39 0.36 0.33 0.68 4.2* Na2O 2.30 1.73 0.40 3.85 2.85 2.38 2.70 4.17 2.14 0.61 0.05 0.20 0.02 0.62 0.54 0.71 1.34 3.9* K2O 2.63 2.39 2.55 2.72 2.62 2.97 3.00 3.05 2.42 2.23 0.49 2.07 0.04 2.17 2.28 2.62 3.01 3.4* MnO 0.08 0.04 0.04 0.13 0.06 0.07 0.17 0.09 0.07 0.14 0.04 0.20 0.02 0.08 0.07 0.04 0.05 0.08* TiO2 0.54 0.67 0.43 1.01 0.63 0.65 0.58 0.64 0.52 0.56 0.06 0.52 0.01 0.89 0.81 0.67 0.72 0.5* P2O5 0.15 0.06 0.08 0.44 0.22 0.21 0.27 0.38 0.10 0.19 0.03 0.11 0.01 0.06 0.06 0.07 0.07 0.16* LOI 5.27 4.63 6.11 3.30 6.05 4.92 4.80 3.09 8.74 8.42 40.02 19.44 43.53 6.34 7.33 5.85 6.41 — Zr 159.0 298.0 144.0 181.0 206.0 187.0 165.0 160.0 202.0 145.0 23.50 109.00 10.30 275.0 229.0 188.0 196.0 190* Th 9.89 11.60 9.73 6.05 9.13 7.56 7.02 7.47 9.14 10.40 1.00 10.31 0.48 14.20 12.60 12.60 13.30 10.7* U 2.62 2.80 2.19 1.76 2.25 2.23 1.93 1.79 2.82 4.02 2.69 5.34 2.07 2.75 2.93 3.06 3.19 2.8* CIA 65.26 67.25 82.30 51.49 61.68 65.20 63.81 57.40 59.10 80.83 67.10 85.74 70.70 79.94 82.30 79.46 75.44 40.2 注：*上陆壳元素平均含量（UCC）（Taylor et al., 1985）；LOI.烧失量；R.基岩；C.母质层；B.淀积层；A.淋溶层；CIA.化学蚀变指数，CIA=Al2O3/[（Al2O3+K2O+Na2O+CaO*）]×100，摩尔比，CaO*采用S.M. Mclennan（1993）方法校正。
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表 3 岩石风化剖面重金属（mg/kg）、有机质（%）含量及pH值
Table 3 Characteristics of average contents of heavy metals in soils from rocks Concentrations of heavy metals (mg/kg), organic matter (%) and pH value in rock weathering profles
母岩 剖面 分层 重金属元素 pH值 有机质 As Cd Cr Cu Hg Zn Ni Pb 石英二长斑岩 KY1 A 3.51 0.26 38.60 61.00 0.024 99.30 17.40 71.00 6.38 1.26 B 4.76 0.10 44.50 58.30 0.03 57.30 18.80 26.80 5.06 0.98 C 3.49 0.07 38.50 51.20 0.01 43.80 14.20 19.50 5.45 0.35 R 1.77 0.13 78.60 63.20 0.003 110.00 61.70 16.30 — — 石英闪长斑岩 KY3 A 6.05 0.17 34.5 32.7 0.035 82.7 20.7 23.3 7.13 2.25 B 5.46 0.09 29.7 33.2 0.024 76.3 21.4 20.8 7.83 0.71 C 12.1 0.11 26.7 46.9 0.018 68.5 22.1 58.6 7.44 0.47 R 3.65 0.05 22.10 25.10 0.003 73.00 17.6 12.30 — — 长石石英砂岩 KY7 A 20.00 0.13 87.80 41.20 0.039 135.00 35.60 86.30 5.58 0.83 B 22.80 0.12 96.00 49.90 0.035 173.00 43.40 101.00 5.53 0.81 C 29.60 0.28 63.8 56.20 0.033 239.00 31.50 140.00 5.66 0.40 R 26.00 0.28 61.2 50.9 0.029 240 35.3 159 — — 细晶灰岩 KY8 A 18.9 0.56 47.5 29.2 0.051 101.00 20.70 48.10 8.09 2.51 B 49.00 0.37 95.3 53.3 0.04 183.00 47.80 46.30 8.15 0.77 R 11 0.34 9.53 8.83 0.01 56.30 6.65 13.80 — — 含生物屑微晶-
细晶灰岩KY9 B 224.00 5.37 194.00 44.50 0.31 221.00 111.00 36.80 8.35 0.89 R 4.70 0.26 13.10 1.35 0.022 8.76 1.74 1.99 — — 宁镇扬丘陵深层（150～200 cm）
土壤背景值（廖启林，2004）11.3 0.094 84 29 0.03 69 38 24.5 — — 农用地土壤风险筛选值
（GB 15618-2018）5.5＜pH≤6.5 30 0.4 250 50 0.5 200 70 100 — — 6.5＜pH≤7.5 25 0.6 300 100 0.6 250 100 140 — —
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表 4 重金属与主量元素含量相关系数（r）
Table 4 The correlation coeficient (r) between heavy metals and major elements content
SiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO MgO CaO Na2O K2O MnO OM pH CIA As −0.975** 0.226 0.564 −0.079 0.164 0.960** −0.486 −0.542 0.711** −0.091 0.458 0.512 Cd −0.948** 0.114 0.435 −0.010 0.042 0.983** −0.380 −0.477 0.670* −0.004 0.459 0.397 Cr −0.901** 0.328 0.738** −0.113 0.164 0.814** −0.703* −0.772** 0.596* −0.150 0.256 0.710** Cu 0.108 0.346 0.356 −0.642* −0.055 −0.167 −0.357 −0.126 −0.048 −0.580* −0.531 0.394 Hg −0.949** 0.087 0.456 0.023 0.050 0.978** −0.390 −0.522 0.657* 0.024 0.447 0.403 Zn −0.634* 0.460 0.776** −0.140 0.444 0.446 −0.622* −0.523 0.328 −0.202 0.144 0.633* Ni −0.965** 0.330 0.701* −0.106 0.272 0.886** −0.572 −0.623* 0.709** −0.150 0.400 0.612* Pb 0.039 0.310 0.532 −0.266 0.264 −0.229 −0.325 −0.117 −0.129 −0.269 −0.383 0.325 OM 0.050 −0.659* −0.664* 0.971** −0.329 0.117 0.508 −0.105 −0.153 1 0.342 −0.624* pH −0.564 0.015 −0.100 0.416 0.487 0.583* 0.264 0.08 0.674* 0.342 1 −0.245 CIA −0.481 0.695* 0.839** −0.574 0.104 0.291 −0.963** −0.621* 0.202 −0.624* −0.245 1 注：**. 在 0.01 水平（双侧）上显著相关，*. 在 0.05 水平（双侧）上显著相关。
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表 5 剖面土壤重金属元素质量平衡系数
Table 5 The mass-balance calculation of heavy metal elements in profiles
岩石 剖面 τAs τCd τCr τCu τHg τZn τNi τPb 平均值 石英二长斑岩 KY1-A 1.26 1.28 −0.44 0.10 8.11 0.03 −0.68 3.96 1.70 KY1-B 0.63 −0.53 −0.66 −0.44 5.07 −0.68 −0.81 0.00 0.32 KY1-C 1.48 −0.32 −0.38 0.02 3.19 −0.50 −0.71 0.50 0.41 平均值 1.12 0.14 −0.49 −0.11 5.46 −0.39 −0.73 1.49 0.81 石英闪长斑岩 KY3-A 0.29 1.75 0.21 0.01 8.06 −0.12 −0.09 0.47 1.32 KY3-B 0.28 0.60 0.15 0.13 5.84 −0.11 0.04 0.45 0.92 KY3-C 2.21 1.22 0.17 0.81 4.82 −0.09 0.22 3.62 1.62 平均值 0.93 1.19 0.18 0.32 6.24 −0.11 0.06 1.51 1.29 长石石英砂岩 KY7-A −0.45 −0.67 0.02 −0.42 −0.04 −0.60 −0.28 −0.61 −0.38 KY7-B −0.25 −0.63 0.34 −0.16 0.03 −0.38 0.05 −0.46 −0.18 KY7-C 0.19 0.04 0.09 0.15 0.19 0.04 −0.07 −0.08 0.07 平均值 −0.17 −0.42 0.15 −0.14 0.06 −0.31 −0.10 −0.38 −0.17 青龙灰岩 KY8-A −0.80 −0.81 −0.42 −0.62 −0.41 −0.79 −0.64 −0.59 −0.63 KY8-B −0.28 −0.82 0.62 −0.02 −0.35 −0.47 0.16 −0.46 −0.20 平均值 −0.54 −0.82 0.10 −0.32 −0.38 −0.63 −0.24 −0.53 −0.42 栖霞灰岩 KY9-B 3.50 0.95 0.40 2.11 0.33 1.38 5.03 0.75 1.81
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