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书书书 第 3 0卷第 4期物 探 与 化 探V o l . 3 0 , N o . 4 2 0 0 6年 8月G E O P H Y S I C A L&G E O C H E M I C A LE X P L O R A T I O NA u g . , 2 0 0 6 中国北方某城市近郊土壤中 重金属污染现状及潜在危害 赵传冬1, 成杭新1, 庄广民1, 刘应汉1, 王晓丽2 ( 1 . 中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所, 河北 廊坊 0 6 5 0 0 0 ; 2 . 中国地质大学, 北京 1 0 0 0 8 3) 摘 要通过中国北方某城市近郊土壤环境质量的系统调查发现, 本区土壤中重金属污染物的化学组成主要为 H g 、 C u 、 P b 、 Z n 、 S e 、 C d 等; 该城近郊土壤的重金属污染是一种典型的大面积、 低含量的散漫型污染, 局部存在着一些高 含量的热点污染。污染物存在形式的研究显示, 本区土壤中很有可能存在着潜在的重金属“ 化学定时炸弹” 。 关键词 土壤; 重金属污染; 潜在危害; 化学定时炸弹 中图分类号P 6 3 2 文献标识码A 文章编号 1 0 0 0- 8 9 1 8 ( 2 0 0 6 ) 0 4- 0 3 4 4- 0 4 1 9 9 9年以来, 全国先后有 2 0个省、 自治区和直 辖市在第四系平原发育区大规模开展 1 ∶2 5万多目 标区域地球化学调查工作。随着调查工作的广泛开 展, 陆续在调查范围内发现了大片区域受到重金属 污染; 2 0 0 2年, 国家环保总局对全国 5 2个“ 菜篮子” 基地进行调查的结果显示 近 4 0 %生产基地土壤中 总镉的含量已接近警戒线水平或已受到不同程度的 污染。在污染严重的地区, 农作物超标现象普遍。 上述这些情况表明, 我国土壤生态系统的安全 已经受到了重金属污染的威胁, 为保证土壤生态系 统健康稳定的运行, 查明土壤中重金属污染的现状 并对其危害性进行评价具有重要的理论和现实意 义。笔者以实际调查数据为基础, 探讨中国北方某 城市近郊土壤中重金属污染的现状及潜在危害。 1 概况 本次研究中所涉及到的“ 中国北方某城市近 郊” 是指 该市主城区以外, 向北约 7k m 、 向西约 6 k m 、 向南约 1 4k m 、 向东约5k m的一个长方形区域, 面积约 8 1 7k m 2。 研究区出露的土壤从质地上讲可以分为 2个大 类 砂土类和壤土类。进一步又可细分为 5个亚 类 砂土类可分为砂土和壤质砂土 2个亚类; 壤土类 可分为砂质壤土、 壤土、 粉砂壤土 3个亚类。本区土 壤有 9 7 . 0 6 %为壤土类, 而壤土类中又以砂质壤土 和粉砂壤土为主, 分别占到 4 2 . 8 4 %和 4 1 %。粉砂 壤土主要分布在研究区的东部, 砂质壤土主要分布 在研究区的西部, 壤土、 砂土和壤质砂土零星分布在 两者之中。研究区土壤的有机质含量为 0 . 3 1 % ~ 5 . 5 9 %, 平均值为 1 . 7 1 %, p H为 7 . 3 5~ 9 . 0 6 , 平均 值为 8 . 3 7 ,阳离子交换量( C E C ) 为( 2 . 8 4~ 1 6 . 0 2 ) c m o l / k g , 平均值为 9 . 4 2c m o l / k g 。其中, C E C小于 5 c m o l / k g 的面积有 6 8k m 2, 均分布在研究区西南部 的砂质壤土、 砂土中, C E C小于 1 0c m o l / k g的土壤 的分布与砂质壤土的分布范围大体一致。土壤的 C E C随着土壤粒级的变细, 逐渐升高[ 1 ]。 受多年人类活动的影响, 区内的表层土壤比较 松散, 无层状构造, 多生物根系残骸呈灰、 褐等较深 色调, 与深部较少受人类活动影响的土壤有一明显 的界线。 2 样品采集与分析测试 采集了表层和深层 2个土壤环境层位的样品。 表层环境的采样密度为 1点/ k m 2, 采样深度为 0~ 2 0c m ; 深层环境的采样密度为 1点/ 1 6k m 2, 采样深 度为 1 2 0~ 1 5 0c m 。为增加样品的代表性, 在每个 采样单元内采集 3~ 4处土壤组成 1件样品。 样品经自然风干后, 用木棒敲碎, 过 2 0目尼龙 筛, 采用无污染玛瑙罐加工研磨至 2 0 0目, 送无机分 析; 过 2 0目不锈纲筛, 送有机分析。 样品的重金属全量分析由地科院物化探所中心 实验室完成。采用原子荧光法分析 A s 、 H g 、 S e 等元 素; 等离子体光谱法分析 C d 、 C r 、 C u 、 N i 、 P b 、 Z n等元 素。 在分析测试样品的重金属全量的同时, 还设计 收稿日期 2 0 0 5- 0 5- 0 6 基金项目 国家重点基础研究项目( G 1 9 9 9 0 4 5 7 0 7 ) 、 科技部社会公益研究项目( 2 0 0 1 D I A 1 0 0 2 1 ) 资助 4期赵传冬等 中国北方某城市近郊土壤中重金属污染现状及潜在危害 了专门的循序提取分析流程测试了水溶相、 吸附相、 有机相、 铁锰氧化物相中 A s 、 H g 、 C d 、 C r 、 C u 、 N i 、 P b 、 Z n 等重金属元素的含量。在分析过程中按样品总 数 8 %插入国家一级标准物质, 按样品总数 6 %插入 重复样, 以监控分析质量。监控结果表明, 分析质量 完全合格。 样品的有机污染物分析测试由中国科学院生态 环境研究中心完成; 样品理化性质的测试由中国科 学院南京土壤研究所完成。 3 污染现状 3 . 1 污染物化学组成 表 1所示为研究区表层土壤与深层土壤中重金 属元素含量及其变化范围。从表中可以看出这些重 金属元素的变化大致分成下列 4种情况。 表 1 表层与深层土壤重金属元素含量对比 μ g / g 元素 深层土壤表层土壤 含量范围平均值含量范围平均值 A s4 . 5 0~ 1 4 . 98 . 0 53 . 2~ 1 6 . 07 . 6 3 N i1 4 . 6 0~ 4 0 . 42 5 . 6 21 4 . 8~ 4 3 . 62 3 . 6 7 C r4 6 . 7 0~ 9 5 . 26 9 . 5 45 0 . 7~ 1 1 4 . 56 8 . 6 C d0 . 0 8~ 0 . 1 0 90 . 1 40 . 0 8 3~ 1 . 0 60 . 1 5 8 C u7 . 6 0~ 4 6 . 72 3 . 8 57 . 9~ 9 2 . 13 1 . 5 7 Z n3 6 . 1 0~ 1 2 2 . 05 9 . 7 04 0 . 5~ 4 8 5 . 57 9 . 5 P b1 4 . 9 0~ 4 1 . 62 2 . 1 02 0 . 0~ 4 3 5 . 03 5 . 8 S e0 . 0 4 8~ 0 . 4 4 30 . 10 . 0 8 9~ 1 . 4 1 40 . 2 6 3 H g0 . 0 0 7~ 0 . 1 4 80 . 0 5 50 . 0 1 2~ 2 . 7 10 . 3 2 8 ( 1 ) A s 、 N i 、 C r 等在表层土壤中元素的平均含量 与深层土壤中接近, 元素含量的变化范围也大致相 同, 只是在表层土壤中元素的最高含量略有增加。 与国家颁布的 土壤环境质量标准 ( G B 1 5 6 1 8 1 9 9 5 ) 中土壤环境质量标准值相对比, 这些元素的 平均含量及其变化范围均处在一级环境标准范围内 ( 国家一级土壤环境质量标准值, A s 为 1 5μ g / g 、 N i 为4 0μ g / g 、 C r 为9 0μ g / g ) , 这表明这些元素受人类 活动和工业污染的影响较小, 环境质量较好。 ( 2 ) C d在表层土壤与深层土壤中平均含量接 近, 低于国家一级土壤环境质量标准值( 0 . 2μ g / g ) , 但是元素含量的变化范围有较大不同, 在表层 土壤中最大含量为 1 . 0 6μ g / g , 超过了环境质量标 准的三级水平( 1 . 0μ g / g ) , 说明 C d的环境质量在 总体上是较好的, 但存在着严重的局部污染。 ( 3 ) 表层土壤中 C u 、 P b 、 Z n 、 S e 等平均含量与深 层土壤相比有了明显的升高。含量变化范围也存在 较大差异, 主要表现在元素含量的最大值有了较大 的提高。与土壤环境质量标准相对比, 虽然元素含 量的平均值仍处在一级环境标准范围内, 但都接近 了一级环境标准的上限( 国家一级土壤环境质量标 准值, C u为 3 5μ g / g 、 P b为 3 5μ g / g 、 Z n为 1 0 0μ g / g ) , P b 的平均值实际上已经超出了一级环境标准 值; 而从元素含量的变化范围来看, 元素的最高含量 都接近了环境标准的三级水平。这表明 这些元素 明显地受到了人类活动和工业污染的影响。虽然整 体上来说这些元素的环境质量还是较好的, 但存在 着较严重局部污染, 并且这些元素的局部污染有进 一步加剧, 发展成全局性污染的趋势。 ( 4 ) 表层土壤中 H g 的平均含量比深层土壤中 升高了近 6倍。元素含量的平均值超过了一级环境 标准值( 0 . 1 5μ g / g ) , 元素含量的最大值远远超过 环境标准的三级水平( 1 . 5μ g / g ) 。这表明 本区土 壤存在着严重的 H g 污染。 以上讨论表明 研究区土壤中重金属污染物的 化学组成主要为 H g 、 C u 、 P b 、 Z n 、 S e 、 C d 等。 3 . 2 污染程度 土壤环境质量评价工作的关键在于制定土壤环 境质量标准, 而制定一部合理可行的土壤环境质量 标准是极其不易的[ 2 ], 至今全世界都没有一部完善 的土壤环境质量标准。正因为如此, 土壤环境质量 标准的研究一直是土壤环境质量评价研究的热点。 不同的学者采用不同的思路和方法来进行土壤 环境质量评价, 归纳起来大体上有 2种技术路线 地 球化学法和生态环境效应法[ 3 ]。但这些方法都存 在着一个致命的缺陷 对土壤本身物理化学性质对 土壤环境质量评价的影响重视不够。 污染物质在土壤中迁移、 转化以及进入食物链 的数量和速度虽然受多种因素的制约, 但土壤的吸 附性能是其中最为重要的环节[ 4 ]。土壤的吸附性 能是由土壤的理化性质所决定的, 其中土壤中黏粒 矿物和有机质的含量、 组成及其性质是其主要控制 因素。因此, 要科学合理地评价土壤环境质量, 需详 细研究土壤质地、 有机质含量、 酸碱性、 阳离子交换 量等土壤的理化性质。也就是说, 对于不同类型的 土壤, 应制定出不同的土壤环境质量标准进行评价。 基于上述思路, 在详细研究区土壤理化性质的 基础上, 对区内土壤进行了分区评价[ 1 ]。具体评价 方法如下。 ( 1 ) 按 C E C小于 5 、 5~ 1 0 、 大于 1 0c m o l / k g 将 研究区的土壤划分为 3级。对 C E C小于 5c m o l / k g 的土壤, 土壤重金属的一、 二、 三级标准值为相应标 准值的一半( 土壤环境质量标准 的规定) ; 对 C E C 介于 5~ 1 0c m o l / k g的土壤, 土壤重金属的一、 二、 三级标准值为相应标准值的 7 5 %; 对阳离子交换量 543 物 探 与 化 探3 0卷 大于 1 0c m o l / k g 的土壤, 执行国家标准值。也就是 说, 其比例为 1 ∶1 . 5 ∶2 。 ( 2 ) 严格执行 土壤环境质量标准 的有关 p H 值的规定。 ( 3 ) 土壤中重金属元素含量大于土壤环境质量 标准所规定的一级标准值、 小于二级标准值的地区, 应为轻中度污染区; 大于二级、 小于三级的地区为 重污染区; 超过三级标准值的地区为严重污染区。 利用上述方法对研究区土壤环境质量状况进行 统计, 结果示于表 2 。 表 2 研究区表层土壤中重金属污染状况 元素 无污染区中轻度污染区重污染区严重污染区 S k m 2 比例 % S k m 2 比例 % S k m 2 比例 % S k m 2 比例 % H g2 4 73 0 . 2 35 1 76 3 . 2 84 25 . 1 41 41 . 7 1 P b2 4 73 0 . 2 35 6 66 9 . 2 840 . 5 Z n4 4 05 3 . 8 63 6 54 4 . 7 780 . 9 840 . 5 C d5 1 56 3 . 0 42 9 73 6 . 3 560 . 7 3 C u4 4 95 4 . 9 63 6 84 5 . 0 4 从表 2中可以看出 ①本区表层土壤中存在着 大面积的 H g 、 P b 、C d 、 C u 、 Z n的污染; ②H g 无疑是 本区污染最严重的重金属元素, H g污染不仅面积 大, 而且污染的程度十分严重; ③C d 和 Z n存在着较 严重的局部污染; ④C u和 P b的污染基本上都控制 在中轻度污染范围内。 图 1为根据单元素污染程度绘制的研究区表层 土壤中重金属综合污染程度图。结果显示, 在整个 调查区约 8 1 7k m 2的区域中, 受到重金属污染的地 区有7 0 1 k m 2, 占全区的8 5 . 8 %。 中轻度污染的 图 1 中国北方某城市近郊土壤重金属污染状况 地区 6 2 7k m 2, 占全区的 7 6 . 7 4 %; 重度污染的地区 5 0k m 2, 占全区的 6 . 1 2 %。严重污染的地区 2 4 k m 2, 占全区的 2 . 9 4 %。研究区土壤中重金属污染 的程度是相当严重的, 污染程度总体上呈北高南低、 西高东低的分布特点。 研究区表层土壤中重金属污染总体上讲是一种 大面积、 低含量的散漫型污染, 局部存在着一些高含 量的热点污染。在这种散漫型污染的初期, 人们往 往对它的认识不足, 重视不够, 从而丧失了监测和治 理这种污染的最佳时机, 而一旦由于某些环境因素 的改变引发了重金属元素的化学定时炸弹, 就将出 现无法控制的局面[ 5 - 6 ]。 4 重金属污染物存在形式及潜在危害 重金属污染物在土壤中的赋存形式是多种多样 的, 其中一部分以稳定或相对稳定形式存在的重金 属是人和植物难以吸收利用的; 而另一部分以活动 或相对活动形式存在的重金属元素是可以被植物并 且通过植物最终被人吸收的。存在形式是控制重金 属元素的活动性、 毒性和生物有效性的重要因 素[ 7 ]。因此, 研究重金属污染物的赋存形式对于环 境评价和治理是非常重要和有益的。 以不同形式存在于土壤中的重金属具有不同的 生态环境意义。研究表明 虽然土壤中水溶相重金 属含量一般很低, 但它是土壤中最活跃的组分, 很容 易被植物吸收, 因而对生态环境系统具有重要影响; 吸附相重金属是土壤中活动性很强的组分, 对环境 条件的变化非常敏感, 也容易被植物吸收, 在被污染 的土壤中, 吸附相组分的增加会对环境产生很显著 的危害; 有机相和铁锰氧化物相的重金属被束缚得 较紧, 但是当土壤的物理化学条件改变时, 重金属也 可能被释放, 因而对环境具有潜在的危害。 图 2示出的是研究区土壤中重金属污染物的存 在形式。由图中可以看出, 本区土壤中重金属元素 以水溶相和吸附相形式存在的组分含量较低, 即易 于进入食物链的强活动组分含量并不高, 特别是 H g , 在表层土壤中其水溶相和吸附相组分占全量的 比例不足 1 %。但是, 值得高度注意的是, 几乎所有 重金属元素的有机相和铁锰氧化物相的含量均较 高。以 C d 为例, 全量分析结果显示其含量并不高, 然而, 在表层土壤中其有机相和铁锰氧化物相的含 量在全量中所占的比例高达 3 8 . 5 4 %, 而其吸附相 的比例也达到了 1 2 . 7 1 %。以这种有机相和铁锰氧 化物相形式存在的重金属组分极易因短期内环境条 件激变或土壤物化性质的渐变跨越了化学临界点, 643 4期赵传冬等 中国北方某城市近郊土壤中重金属污染现状及潜在危害 而大量得到活化, 从而对生态环境产生灾难性的影 响。也就是说, 研究区土壤中有可能存在着潜在的 重金属“ 化学定时炸弹” 。 表 3 不同相态含量占全量的比例% 元素水溶相吸附相有机相铁锰氧化物相合计 H g0 . 7 80 . 1 83 . 4 20 . 2 54 . 6 3 C u1 . 6 90 . 9 71 0 . 9 01 0 . 7 42 4 . 3 0 P b1 . 5 80 . 7 41 1 . 3 32 1 . 4 83 5 . 1 3 Z n2 . 0 41 . 1 38 . 1 61 9 . 8 33 1 . 1 6 C d2 . 2 81 2 . 7 11 3 . 7 22 4 . 7 95 3 . 5 0 A s2 . 6 21 . 8 21 5 . 8 61 6 . 6 43 6 . 9 4 N i1 . 5 11 . 6 63 . 4 21 7 . 3 22 3 . 9 1 图 2 污染区与非污染区对比 图 2为污染区与非污染区重金属元素不同相态 在全量中所占比例的对比。不难看出, 在污染区以 这 4种相态存在的重金属元素与非污染区相比均有 显著的增高, C d增高了 2 0 %多, P b增高了 5 8 . 2 8 %, 也就是说, 在污染区有 7 8 . 3 8 %的 P b是以活动或相 对活动形式存在的。这表明, 在污染区不仅重金属 污染物的总量增加, 更为严重的是以活动和相对活 动形式存在的重金属污染物的量有了更大的增加。 这进一步加深了我们对研究区土壤中存在着潜在的 重金属“ 化学定时炸弹” 的担忧。 5 结论 ( 1 ) 研究区土壤中重金属污染物的化学组成主 要为 H g 、 C u 、 P b 、 Z n 、 S e 、 C d 等。 ( 2 ) 研究区表层土壤中重金属污染总体上讲是 一种大面积、 低含量的散漫型污染, 局部存在着一些 高含量的热点污染。 ( 3 ) 重金属污染物在土壤中赋存形式的研究显 示, 研究区土壤中可能存在着潜在的重金属“ 化学 定时炸弹” 。 正如谢学锦院士在“ 化学定时炸弹与可持续发 展” 一文中所指出的那样, 真正可怕的并不是这种 重金属“ 化学定时炸弹” 的存在, 而是公众社会, 尤 其是决策者们对于这种警报充耳不闻, 任其发展。 人口众多, 相对贫穷的中国走不起欧美国家先发展 后治理的老路。如果从现在起就能够对我们的环境 进行持续的监控, 对“ 化学定时炸弹” 各方面的问题 进行深入的研究, 在控制污染物排放的基础上, 利用 地球化学工程学等新方法技术, 对被污染土壤进行 修复, 就可以避免未来出现无可挽救的灾难[ 8 ]。 参考文献 [ 1 ] 赵传冬, 成杭新, 庄广民, 等. 多目标地球化学填图中土壤环境 质量评价方法的探讨[ J ] . 地质与勘探, 2 0 0 3 , 3 9 ( 4 ) 7 8 . 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T H ES I T U A T I O NO FS O I LH E A V YME T A LP O L L U T I O NO NT H EO U T S K I R T SO F AC I T YI NT H EN O R T H E M C H I N AA N DI T SP O T E N T I A LH A R MF U L N E S S Z H A OC h u a n d o n g 1, C H E N GH a n g x i n1,Z H U A N GG u a n g m i n1, L I UY i n g h a n1,WA N GX i a o l i2 ( 1 . I n s t i t u t e o f G e o p h y s i c a l a n dG e o c h e m i c a l E x p l o r a t i o n ,C A G S ,L a n g f a n g 0 6 5 0 0 0 ,C h i n a ; 2 .C h i n aU n i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e s ,B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 , C h i n a ) 下转 3 5 3页 743
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