农用地土壤中汞元素形态特征浅析

2009 年第 1期
上海地质 Shangha i Geo logy
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农用地土壤中汞元素形态特征浅析
何中发
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方正
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孙彦伟 李金柱 夏晨 温晓华 张琢 1 . 上海市地质调查研究院, 上海, 200072 ;
3 . 同济大学水利工程系 , 上海, 200092;
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刘文长
2
江思珉
3
2 . 国土资源部合肥矿产资源监督监测中心, 合肥, 230001 ;
[ 17, 18] [ 16]
。 ( 燃料、 纸
和固体废弃物的燃烧。 )农业耕作中不合理地施用 含汞肥料和农药, 以及污水灌溉。 ∗ 熔炉的排放。 + 实验室汞的排放: 汞可通过实验室的废弃化学药品、 蓄电池、 破碎温度计和药品等进入环境
[ 19]
。
2 . 3 农用地土壤中汞的存在形态 土壤中的汞按其化学形态可分为金属汞、 无机结 合态汞和有机结合态汞。按结合方式分为可溶态, 非 专性 吸附 态, 专 性 吸 附态 , 螯 合 态 和 沉 淀 态。按 TESSI ER 的连续提取分 离法分为水溶 态、 交换态 ( 碳酸盐结合态 ) 、 铁锰氧化态、 有机结合态和残渣态。 在许多含汞土壤中, 汞主要以 H gO 或 H gS 无机形式 存在, 土壤中具有致命毒性的汞形态是形态分析的重 点 。本文中农用地土壤中汞的存在形态细分为 7 种, 即水溶态、 离子交换态、 碳酸盐结合态、 腐殖酸结 合态、 铁锰氧化物结合态、 有机结合态、 残渣态。 上海地区农用地土壤中汞元素 7种不同形态的 含量百分比见表 1 , 鉴于本次样品数量有限 , 在统计
[ 7]
。土壤中重金属的形态及
其转化对研究重金属的环境效应及重金属污染土壤 的治理修复具有重要意义。 重金属汞污染是当今世界的研究热点之一。自 20 世纪 50 年代日本熊本县水俣湾附近的鱼村出现 第一例严重的甲基汞中毒事件以来, 不同研究领域 的科学家们对汞及其化合物的生物地球化学行为给 予了高度重视。汞在土壤中以多种形态存在。不同 存在形态汞的迁移转化规律和生物有 效性各不相 同 , 对环境和人体健康造成的影响也存在显著差异 , 蔬菜中汞元素含量超标主要是由于土壤中可迁移转 化形态汞的含量较高引00t 的
汞从岩石中释放, 其中一部分进入土壤而使局部地 [ 14] 区土壤含汞量较高 。这种自然因素引起的汞污 染通常占到汞排放总量的 1 /4
[ 15]
。
2 结果和讨论
2 . 1 重金属存在形态分类 重金属形态是指重金属的价态、 化合态、 结合态 和结构态四个方面, 即某一重金属元素在环境中以某 种离子或分子存在的实际形式。重金属可以因形态 中某一个或几个方面不同而表现出不同的毒性和环 境行为, 尤其是重金属在土壤和沉积层中的形态更具 有重要意义, 因为土壤和沉积层媒质理化性质非常复 杂, 和重金属可以发生多种类型的反应和作用。对于 重金属形态, 目前还没有统一的定义及分类方法。常 见土壤和沉积层中重金属形态分析方法有以下几种: T essie r等
2009 年第 1期
何中发等 : 农用地土壤汞元素形态特征浅析 1 、 水溶态
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分析时没有再按照不同土壤类型、 沉积类型等分别 统计对比。从本次测得的数据来看, 农用地土壤中 汞元素 主要 以残 渣态 为 主, 含量 占 到总 量 的 58. 1 % , 其次 为强 有 机结 合 态 ( 20 . 87 % )、 腐 殖 酸态 ( 15 . 73 % )、 水溶 态 ( 2 . 12 % )、 铁 锰 氧 化 态 ( 1. 13% )、 离子交换态 ( 1 . 05 % )、 碳酸盐态 ( 1 . 01 % )。 其中前 3 者的总量达到 94 . 7 %。
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总第 109 期
保证上下均匀采集。样品中弃去动、 植物残留体、 砾 石、 肥料团 块等。土壤 样品原 始重 量大 于 1000g。 样品室内风干处理, 样品干燥后用尼龙筛 , 截取 - 0. 8mm ( 20 目 ) 粒级的样品 500g 作为副样保存, 另称 取少量样品送交实验室分析测试。 1 . 3 土壤样品测试 样品由国土资源部合肥矿产资源监督监测中心分 析测试。称取定量样品, 分别以水、 氯化镁、 醋酸钠、 焦 磷酸钠、 盐酸羟胺、 过氧化氢为提取剂提取水溶态、 离 子交换态、 碳酸盐结合态、 腐殖酸结合态、 铁锰氧化物 结合态、 有机结合态, 制备各形态分析液。取适量提取 上述各形态后的残渣, 用盐酸、 硝酸、 高氯酸、 氢氟酸处 理后制备残留态分析液, 用氢化物发生原子荧光光谱 法分析汞。分析方法及其准确度和精密度严格执行 #生态 地球 化学 评价 样品 分析 技 术要 求 ( 试 行 ) ∃ ( DD2005- 03)。经检验各形态加和总量满足不应低于 总量 80 %、 不得高于总量 105 % 的规范要求。
收稿日期 : 2009- 2- 11
。本文将 对汞元素在
农用地土壤中的赋存形态特征及规律 进行综合研 究 , 从而为土壤汞污染防治提供参考。
1 研究区概况及土壤样品采集与测试
1 . 1 研究区概况 上海市地处我国东南沿海地区中段 , 长江三角 洲冲积平原东缘。根据形态成因类型, 上海的地貌
作者简介 : 何中发 ( 1977- ) , 男 , 工程师 , 2004 年毕业 于南京 大学地球科学系 , 目前主要研究方向为城市地 质、 农业地质、 城市环境地球化学。 基金项目 : 国土资源部与上 海市人 民政府 合作项 目 上海市 三维城市地质调查 ! ( 1212010511102)
表 1 土壤中汞赋存形态含量占总汞量的百分比分布 ( 单位 : % , N = 69) T able. 1 Percents of d ifferen t chem ical for m s of H g relat ire to total H g in 类别 参数 最大 百分比 最小 百分比 平均 百分比 soils ( un it : % N = 69) 水溶 离子交 碳酸 态 换态 盐态 7. 43 0. 08 2. 12 2 . 44 0 . 17 1 . 05 2 . 37 0 . 20 1 . 01 腐殖 酸态 34. 80 2. 73 15. 73 铁锰 强有机 残渣态 氧化态 结合态 3 . 63 0 . 17 1 . 13 41 . 55 1 . 73 20 . 87 78. 90 15. 81 58. 10
土壤中的重金属较难迁移 , 具有残留时间长、 隐 蔽性强、 毒性大等特点 , 并且可经作物吸收后进入食 物链, 或者通过某些迁移方式进入到水、 大气中 , 从 而威胁人类的健康与其他动物的繁衍生息
[ 1, 2 ]
单元可分为三角洲平原、 滨海平原、 湖积平原和剥蚀 丘陵。根据沉积体系成因类型 , 可分为三角洲河流 沉积体系、 滨海沉积体系、 湖沼沉积体系。全新世晚 期沉积相可细分为 , 湖泊相、 沼泽相、 河流相、 支流河 道 - 河口相、 河口汊流河道相、 河口沙坝相、 潮道相、 泻湖相、 潮上 泥坪 相、 潮间 混合坪 相、 潮下 沙坪 相 等
[ 8]
从局部来看 , 汞的人为污染是主导因素。汞污染 的人为来源主要有: % 采矿、 运输和加工含汞的矿石。 & 排放工业废水进入江河湖海: 由电池制造业、 控制 设备业、 纸浆造纸工业、 氯碱化工厂、 汞合金和催化剂 产生的汞废弃物污染相当严重 。据统计, 目前全 4 世界每年开采应用的汞量约为 1 ∋ 10 t以上 , 其中绝 大部分最终以三废形式进入环境
[ 5]
。农用地
主要分布在宝山区、 闵行区、 嘉定区、 浦东新区、 松江 区、 金山区、 青浦区、 南汇区、 奉贤区、 崇明县等 10 个 区县。 1 . 2 土壤样品采集 根据不同的土壤类型及沉积类型部署采样点 , 在上述 10 个农用地分布区县中共计采集样品 69 件 ( 不包括重复样 ) 。采样点主要布置在大宗农田、 菜 地等土层较厚地带 , 避开明显点状污染地段、 垃圾堆 及新近堆积土、 田埂等 , 采样点离开主干公路、 铁路 100m 以外。要求在采样点周 围 100m 范围内 3~ 5 处多点采集组合。垂直采集地表至 20c m 深的土壤,
[ 9]
;
Shu m an 将其分为交换态、 水溶态、 碳酸盐结合态、 松 结合有机态、 氧化锰结合态、 紧结合有机态、 无定形氧 化铁结合态和硅酸盐矿物态 8 种形态 Community Bureau of Refer- ence)
[ 11] [ 10]
; 为融合各
种不 同的分 类和 操作方 法, 欧洲 参考交 流局 ( The 即 BCR 法提出 了较新的划分方法 , 将重金属的形态分为 4 种, 即酸
摘
要
以第四纪沉积物厚覆 盖区农用地表层土壤汞元素为研究对象 , 分 析了汞的水 溶态、 离子交换态 、 碳酸 盐态、 铁 锰氧化
态、 腐殖酸态、 强有机结合态、 残渣态等 7 种形态存在特征 , 研究表明残渣态的含量比例与全量呈正相关关系 , 其 他 6 种类型形 态含量比例则与全量 呈负相关关系 , 农用地土壤中汞的增量主要为残渣态 的汞。 关键词 农用地 重 金属 汞元素 形态特征
[ 6]
。因
此治理土壤重金属污染一直是国内外瞩目的热点和 难点研究课题。重金属的生物毒性不仅与其总量有 关 , 更大程度上由其形态分布所决定。不同的形态 产生不同的环境效应 , 直接影响到重金属的毒性、 迁 移及在自然界的循环
[ 3, 4]
。上海农用地土壤类型按 照大类可分为 水稻
土、 潮土、 滨海盐土和黄棕壤土 , 其中水稻土是分布 最广泛的类型 , 具体又可细分为潜育水稻土、 脱潜水 稻土、 潴育水稻土和渗育水稻土等亚类
溶态 (如碳酸盐结 合态 )、 可还原态 ( 如铁锰氧化物 态 )、 可氧化态 ( 如有机态 ) 和残渣态 , 所用提取方法 [ 12] 称为 BCR 提取法 。中国地质调查局根据地质样 品特征在 #生态地球化学评价样品分析技术要求 ( 试 行 ) ∃ ( DD2005- 03)中提出, 将重金属分为水溶态、 离 子交换态、 碳酸盐结合态、 腐殖酸结合态、 铁锰氧化物 结合态、 有机结合态、 残渣态等 7种 , 在后文汞元素的 存在形态研究中主要依据该分法进行。 2 . 2 土壤中汞的来源 汞环境污染 的来源有天然 释放和人为两 个方 面。汞的自然来源较人为因素复杂 , 主要包括火山 与地热活动; 土壤、 自然水体、 植物表面的蒸腾作用; 森林火灾 ; 岩石风化等。姚学良研究认为, 成都平原 的高汞异常区多数来自平原内基底断裂中产生的地 壳放气作用