甘肃省白银市土壤重金属污染地球化学特征及其表生地球化学成因

甘肃省白银市土壤重金属污染地球化学特征收稿日期:2009 08 04 编辑:刘江霞基金项目:中国地质调查局项目 甘肃省兰州-白银地区多目标区域地球化学调查 (GZT R20060112);甘肃省自然科学基金项目(096RJZA116)作者简介:张祥年(1982! ),男,现正攻读地球化学专业硕士学位,主要从事地球化学、勘查地球化学方向的研究。

及其表生地球化学成因张祥年1,辛存林2,3,李春亮1(1.甘肃省地质矿产勘查开发局甘肃省地质调查院,兰州730000; 2.西北师范大学地理与环境科学学院,兰州730070;3.兰州大学资源环境学院,兰州730000)摘 要:基于以土壤为主的多介质地球化学测量,对生态环境问题严重的白银市进行土壤环境质量评价,得出研究区重金属元素在全区呈综合表生富集性污染、中度以上农田生态化学污染及潜在生态风险,重金属元素的表生富集是农田生态化学污染及潜在生态风险的主要原因。

污染性重金属元素输入源及污染方式为:白银市区工矿企业、机动车辆产生的废气和烟雾形成的干湿沉降;矿渣及岩矿石水岩反应产生重金属物质的水化学迁移分散;工矿企业污水在渠系径流中的重金属元素沉淀。

重金属元素经历氧化还原、水解、络合(螯合)、吸附-解吸、溶胶聚沉等土壤和水化学反应,主要经水化学迁移和大气飘移等空间分散过程,并经沉淀、吸附等表生作用而在区内土壤局部集中形成污染。

关键词:重金属污染;土壤环境质量;潜在生态风险;表生地球化学;白银市中图分类号:X142文献标志码:A文章编号:1000 7849(2010)04 0124 08近现代工农业经济发展以来,工矿业、交通及农药化肥等排污和岩矿石风化等自然地质作用中重金属元素大量进入农田土壤生态系统,并通过表生地球化学作用局部富集而形成各类污染。

目前,土壤重金属污染已经危及生态系统及人类生存安全。

土壤污染地球化学特征是指区域土壤重金属元素表生富集性污染、农田生态化学污染和潜在生态风险等的空间分异及相互关系,以及污染物在表生地球化学体系中赋存的化学形态及其迁移、转化等特征,是区域土壤体系化学演化研究、生态地球化学评价和预警的重要内容[1 2],并对在特定地球化学背景条件及物理化学环境下重金属元素物质的表生地球化学研究有重要意义。

目前,土壤重金属元素污染评价技术路线可分为直接的参比值比对评价[包括全量-全量参比值比对评价(环境因子污染指数)]和偏提取量-偏提取量毒性标准比对评价(污染环境实验模拟);环境因子污染指数的二次建模分析评价。

评价方法包括环境因子指数法[3]、T 值分级法[4]、模糊数学综合判别法[5]、多种灰色聚类法[6]、主成分分析法[7]、TCLP 法[8]等。

环境因子指数法所采用的环境评价因子可按评价侧重点分为污染指数、背景值富集指数和潜在生态风险指数3类[9],或按评价指标分为单因子污染指数和综合污染指数2类[10]。

单因子污染指数反映表层土壤单一重金属元素对于土壤环境的污染强度,而综合污染指数则反映多种污染重金属元素的综合污染效应。

环境因子指数因为参比值选取的不同而代表不同的环境地球化学意义,选取农田土壤环境质量标准指示表层土壤重金属元素绝对含量的农作物毒性、生态化学危害强度,如农田生态化学污染指数;选取深层土壤背景值则指示表层土壤重金属元素含量相对于土壤第一环境背景值的表生富集强度,如表生富集性污染指数和地积累指数[11]。

此外,还有在环境因子指数基础上因评价目的或实地特征进一步校正计算所形成的因子,例如潜在生态风险指数[12]和地积累指数。

在重金属元素等化学污染不断加强、农业土壤环境质量问题日渐凸显的背景下,土壤环境质量评价技术方法也在不断发展中。

甘肃省白银市是典型资源枯竭型城市,在长期工矿业排污及基岩区岩矿石风化等表生地球化学作用下重金属元素等各类污染性化学物质大量进入农田生态系统,市区近年各类污染物年均排放量较大,其中工业污水1693万t,二氧化硫2.897万t,烟尘及粉尘1.25万t [13]。

表层土壤体系重金属元素强烈富集,使区内农作物中的Cr 、H g 、Cd 、Pb 、As 和第29卷 第4期2010年7月地质科技情报Geolog ical Science and Technolog y InformationVol.29 No.4Jul.2010Cu 等元素因根系吸收而严重超标,砷、氟中毒等地方病发育严重。

由于农业生态环境问题严重,白银市目前已经成为农业生态环境与城市大气环境研究、治理的热点地区之一。

例如汤中立等[14 16]评述了白银市大型金属矿山环境地质问题及防治对策,并研究了污染重金属元素的表生地球化学特征;南忠仁等[17]研究了重金属元素污染的农田生态环境效应。

但关于与城市毗邻农田区土壤地球化学污染空间分布分异、各环境要素相互作用的宏观表生过程及微观表生地球化学作用仍然存在不少待解决的问题。

因此,土壤重金属元素的表生富集、生态化学危害及潜在生态风险等各类污染的空间分异、相互关系特征及其表生地球化学机理研究对区内污染治理和农业发展的农田生态化学条件、居民生命健康的维持极为必要,并可为资源型、工矿业集中型城市外围农田区农业生态环境研究提供借鉴。

笔者将基于土壤等地球化学测量结果,评价白银市土壤重金属元素的表生富集性污染、农田生态化学污染及潜在生态风险,着重分析后两者与土壤重金属元素表生富集之间关系,并讨论研究区重金属元素的表生地球化学作用和过程。

1 研究区概况研究区范围为E140∀00#~140∀30#、N36∀20#~36∀35#,包括白银市区及其外围农田区、低山丘陵和山间谷地,其中农田区占大部分面积,白银市区矿石冶炼、电镀等化工业规模较大。

研究区地貌类型以冲洪积平原为主,夹杂剥蚀低山,山间盆地及河谷发育。

干旱半干旱的大陆性季风气候,年平均最高、最低气温分别出现于七月及次年一月,年际温差约30∃,年均日温差约13∃。

区内水系发育,黄河北东东向呈S 型穿越研究区东南部,在其西南及北东段黄河流域二级以下水系发育,在区内中北部分布有总体走向北西向的水系。

土壤类型以灰钙土为主,在东部及西北部分布小面积石质土。

研究区以农田为主,间有稀树及矮草的中低植被覆盖。

低山丘陵区基岩风化强烈,自红砂岩出露区沿水系分布红褐色风化砂沉积带。

研究区以第四系分布最广,同时还出露泥岩等沉积岩、中酸性火山岩及侵入岩、变质岩等(千枚岩、片麻岩等),基岩区分布有Cu 、Pb 、Zn 、Ag 等的矿床或矿化点。

2 样品采集、加工及测试2.1样品采集表层土壤采样深度为0~20cm ,实地采样密度为1个样/km 2,采样量约1kg ;深层土壤采样深度为150~200cm,实地采样密度为4个样/km 2,采样量约1kg 。

2.2土壤样品加工及测试过筛截取0.071m m(200目)粒级,表、深层加工样经缩分(200g )、组合分别成为每样控制面积4km 2、16km 2的测试分析样品。

研究区加工组合样品分布见图1。

图1 研究区地理、加工组合样采样点位分布图Fig.1 Geographic sk etch of the study area and samplin glocation样品测试由武汉综合岩矿测试中心采用多测试方法套合测试方案,包括ICP AES (Cu 、Ni 、Zn)、ICP MS (Cd)、XRF (Cr 、Pb)、AFS (As 、H g )、ISE (pH )。

检出限为10-9g/g 。

野外采样密度、样品分布及采样量均保证样品对研究区土壤地球化学信息的代表性;采用重复样采集、插入国家标准物质的方法进行分析质量监控,结果表明测试数据可靠。

3 重金属元素污染的表生富集意义及潜在生态风险表层土壤重金属元素含量如果超过土壤生态安全阈值,将引起农田生态化学污染,若明显超过土壤第一环境(深层土壤)背景值则呈表生富集性污染。

3.1重金属元素表生富集性污染重金属元素表生富集性污染实质是表层土壤重金属元素相比于土壤第一环境背景值的局部表生富集异常,反映自然地质作用及人为作用下外源性重金属元素对土壤体系的输入强度,以及环境对土壤体系化学组成的影响程度,其评价常采用地积累指数、背景值标准值的单(多)因子污染指数。

125第4期 张祥年等:甘肃省白银市土壤重金属污染地球化学特征及其表生地球化学成因3.1.1 评价模型及计算、分级方法笔者采用内梅罗多因子综合污染指数P j =1m%mi =1w ji S i+w ji S i2max2来评价多种重金属元素在表层土壤累积引起的综合表生富集性污染强度,定义为综合表生富集性污染指数,以P j 背景值表示。

式中:w ji 、S i 、P j 分别为第j 采样点元素i 的实测土壤质量分数、元素i 的污染标准值、第j 采样点m 个元素的内梅罗综合污染指数;m 为评价污染元素个数。

本次研究共选择了As 、Cr 、Cu 、H g 、Ni 、Pb 、Zn 7种元素。

为反映外源性重金属元素在表层土壤中累积所致的表生富集性污染强度,污染标准值(S i )采用研究区土壤第一环境(深层土壤)背景值(平均含量加二倍标准差)。

综合表生富集性污染指数大于1则定为污染级,污染级内通过累计频率来限定综合表生富集性污染的级别,将综合表生富集性污染指数5.30,3.34,1.82,1.00分别作为极强、强、中度与弱综合表生富集性污染级(&-∋)下限(表1)。

表1 土壤重金属元素表生富集性污染分级标准T able 1 T he cr iteria for differ ent g rades o f the heavy metalpo llution in the so il污染等级P j 背景值累计频率污染意义∋ 1.00(P j 背景值<1.82(0.25弱表生富集性污染) 1.82(P j 背景值<3.340.25~0.50中度表生富集性污染∗ 3.34(P j 背景值<5.300.50~0.85强表生富集性污染&P j 背景值+5.300.85~1.00极强表生富集性污染3.1.2 研究区重金属元素表生富集性污染分级分布基于计算的综合表生富集污染指数P j 背景值建立的研究区土壤环境综合表生富集性污染地球化学图见图2。

图2 研究区土壤重金属元素综合表生富集性污染地球化学图Fig.2 Distribution of the pollution by heavy metal en richm entin the s oil从图2可见,H g 、As 、Cu 、Pb 、Cr 、Ni 和Zn 7种重金属元素的P j 背景值在研究区全区大于1,表明重金属元素在全区呈综合表生富集性污染。