甘肃省白银市区土壤环境质量评价

书书书　第３６卷第６期物　探　与　化　探Ｖｏｌ．３６，Ｎｏ．６　　２０１２年１２月ＧＥＯＰＨＹＳＩＣＡＬ＆ＧＥＯＣＨＥＭＩＣＡＬＥＸＰＬＯＲＡＴＩＯＮＤｅｃ．，２０１２　甘肃省白银市区土壤环境质量评价李春亮１，２，刘文辉２（１．中国地质大学地球科学与资源学院，北京　１０００８３；２．甘肃省地质调查院，甘肃兰州　７３００００）摘要：对白银市区土壤中Ｃｕ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ的分布、存在形式和在水体中的含量进行分析，认为该区土壤、水体已受到Ｃｕ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ等重金属污染。按国家土壤环境质量标准，白银市土壤中Ｃｄ的环境质量均未达到Ⅰ级标准，Ⅲ级、Ⅳ级污染面积占研究区面积的８２．３９％，污染比较严重；Ｈｇ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｃｕ的Ⅲ级及其以上污染区面积分别占研究区的７．３５％、５．５９％、１４．６７％、５．７１％。通过２０００年与２００７年白银市土壤重金属元素背景值对比发现，Ｃｕ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ的污染增速明显，并有逐渐扩大的趋势。对Ｃｕ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ的成因来源进行了初步探讨，认为有色金属冶炼、加工和重化工是主要污染源，其次为燃煤、生活垃圾及汽车尾气排放。关键词：土壤环境；质量评价；重金属污染；白银市中图分类号：Ｐ６３２　　　文献标识码：Ａ　　　文章编号：１０００－８９１８（２０１２）０６－１０１４－０６　　土壤环境中的重金属物质以其毒性强、降解难、滞后期长，可进入食物链的特点，严重危害人类生命安全。甘肃省白银市是典型的资源枯竭型城市，长期的工矿业、社会经济活动及自然地质作用使重金属元素大量进入生态系统，造成土壤元素表生地球化学组成、分布及分配特征等发生重大变化，使白银市区面临着多金属元素污染带来的种种环境与生态问题。１　调查区概况白银市位于甘肃省中部，全区海拔主要在１４００～２１００ｍ，属陇中黄土高原丘陵地区。该区为典型大陆性气候，干旱多风，降水量小，年均气温８．９℃，年均降水量２０２．２ｍｍ，年均蒸发量２０８４ｍｍ，年均日照时数２５３４ｈ。该区土壤为发育在不同母质上的灰钙土，有机质含量低，仅为１．１４％，ｐＨ值偏高，为８．４９，土壤质地为粉砂壤土，通气良好，易于耕作。该区水资源贫乏，工业污水与生活污水成为当地农田的主要水源，以种植业为主的农业经济生产体是市区粮食、蔬菜等生活必需品的主要供给源地。研究区分布最广的地层为第四系，低山丘陵区基岩风化作用强烈，自新近系红砂岩出露处沿水系分布有红褐色风化砂沉积带。区内分布多处Ｃｕ、Ｐｂ、Ｚｎ等的矿化点或中小型矿床。白银市区分布有冶炼厂、铜加工厂、硫磺厂、氟化盐厂、银光化学材料厂等工矿企业，还有新、旧尾矿坝等污染源（图１）。图１　白银市主要厂矿企业分布及采样点位置示意２　样品采集与分析为揭示区内土壤元素分布特征，系统采集了表层与深层土壤样品。表层土壤采样密度为１个点／ｋｍ２，采样深度０～２０ｃｍ，按１个样／４ｋｍ２进行组合样品分析；深层土壤采样密度为１个点／４ｋｍ２，采样深度１５０～２００ｃｍ，采集５０ｃｍ的土柱，按１个样／１６ｋｍ２进行组合样品分析。样品分析由国土资源部武汉矿产资源监督检测中心承担，严格按照《ＤＤ２００５１多目标区域地球化学调查》和《ＤＤ２００５３区域生态地球化学评价样品分析技术要求》进行，各分析项目与内检分析测量值的相对偏差完全满足表１的表１　样品分析监控要求含量范围／１０－６相对偏差／％≤３倍方法检出限４０＞３倍方法检出限３０收稿日期：２０１１－０８－１１　６期李春亮等：甘肃省白银市区土壤环境质量评价要求。Ｃｕ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ等的全量及各形态测试均符合规范要求，数据质量可靠。３　土壤Ｃｕ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ地球化学特征３．１　含量特征表层土壤中Ｃｄ的含量最大值达１３４．２×１０－６，平均值为９．５７×１０－６，是全国土壤背景值的９８．６６倍，是甘肃省土壤背景值的８２．５倍。Ｈｇ的含量最大值达１７．９６９×１０－６，平均值为０．８２×１０－６，是全国土壤背景值的１２．６２倍，是甘肃省土壤背景值的４１倍。Ｃｕ、Ｐｂ、Ｚｎ也明显高出全国土壤背景值和甘肃省土壤背景值（表２）。在表层土壤样品采集的基础上，对土壤元素异常中心加密采样，采样密度为２个点／ｋｍ２，不进行组合，每个采样点都进行分析。可以看出，加密采样的土壤样品中元素含量明显增高（表３）。表层土壤中Ｃｄ的最大值达８５０×１０－６，平均值为１３．４９×１０－６，是全国土壤背景值的１３９．０７倍，是甘肃省土壤背景值的１１６．２９倍。Ｈｇ最大值达９６．６５×１０－６，平均值为１．２３４×１０－６，是全国土壤背景值的１８．９８倍，是甘肃省土壤背景值的６１．７倍。Ｐｂ最大值达到３６５００×１０－６，平均值为４４９．１５×１０－６，是全国土壤背景值的１９．８７倍，是甘肃省土壤背景值的２３．８９倍。Ｃｕ、Ｚｎ也高出全国土壤背景值和甘肃省土壤背景值１０倍以上，表明白银市地表土壤中Ｃｄ、Ｈｇ、Ｐｂ、Ｃｕ、Ｚｎ呈显著富集趋势。表２　白银市表层土壤中元素含量特征１０－６元素样品数最大值最小值平均值离差变异系数全国土壤背景值［１］甘肃省土壤背景值［１］Ｃｄ４０１３４．２０．４９５９．５７２２．８２．３８０．０９７０．１１６Ｃｕ４０１００９３１．９１６７．７９２０６．１１．２３２２．６２４．１Ｈｇ４０１７．９６９０．０２１０．８２２．８６３．４８０．０６５０．０２Ｐｂ４０５０８８．４２７３３１．２１８４４．０８２．５５２２．６１８．８Ｚｎ４０７２６９．４７３．５５９３．４３１２３４．４７２．０８７４．２６８．５表３　白银市异常查证地表土壤中元素含量特征１０－６元素样品数最大值最小值平均值离差变异系数全国土壤背景值［１］甘肃省土壤背景值［１］Ｃｄ１８０８５００．２３１３．４９６５．３６４．８５０．０９７０．１１６Ｃｕ１８０３５９２１９．６２６７．１３４９９．７２１．８７２２．６２４．１Ｈｇ１８０９６．６５０．００８１．２３４８．５２６．９０．０６５０．０２Ｐｂ１８０３６５００１９．３４４９．１５２７４１．８９６．１２２．６１８．８Ｚｎ１８０３７７００３９．２７９１．４９３０９０．４７３．９７４．２６８．５３．２　空间分布特征在０～５ｃｍ深度采集的土壤样品中，Ｃｄ、Ｈｇ、Ｃｕ、Ｐｂ、Ｚｎ等含量多数超过０～２０ｃｍ采集的土壤样品含量（图２），反映这些元素在０～５ｃｍ深度较富集。Ｃｄ、Ｈｇ、Ｐｂ、Ｚｎ在尾矿坝区的变化幅度最大，在０～２０ｃｍ土壤样品中的含量明显低于０～５ｃｍ。Ｃｄ、Ｈｇ、Ｐｂ、Ｚｎ在尾矿坝区土壤中出现最高点，在北边冶炼厂企业区出现另一高值区，在农业区部分区域也显示相对较高的含量，这主要与该区上游企业污水排放及污水灌溉有关，使土壤受到污染，反映出该区土壤质量明显超标。３．３　存在形式对白银市１３个表层土壤样品进行形态分析，Ｃｄ、Ｈｇ、Ｐｂ、Ｃｕ、Ｚｎ各形态含量及分配比例见表４。离子交换态Ｃｄ主要通过扩散作用和外层络合作用吸附在土壤黏土矿物上，对土壤环境变化最敏感，最易被作物所吸收，且对作物危害最大。白银市表层土壤中，离子交换态Ｃｄ占全量的１２．２７％，属于极其危险级别。水溶态Ｃｄ占全量的２４．４１％，表明Ｃｄ在采集的土壤中活动性变强，是容易活化进入生态食物链的有害重金属元素。腐殖酸结合态Ｃｄ主要是指被有机质吸附，与有机质呈较弱结合的较活表４　白银市表层土壤中Ｃｄ、Ｈｇ、Ｐｂ、Ｃｕ、Ｚｎ的形态含量及分配比例元素全量水溶态含量百分比离子交换态含量百分比碳酸盐结合态含量百分比腐殖酸结合态含量百分比铁锰结合态含量百分比强有机结合态含量百分比残渣态含量百分比Ｃｄ１２６．９５３０．９８２４．４１１５．５７１２．２７１１．９３９．４０．９５０．７５４．２７３．３６８．７６６．９５０．７４３９．９７Ｈｇ４２２４．９２５９．１８６．１３１１．７８０．２８１７．０５０．４４０４．９７９．５９１２３．３６２．９２６．７９０．１６２８１９．８８６６．７４Ｐｂ９３７３．１７４８．８０．５２６７．１４０．７２５１４９．７５５４．９４４４４．１３４．７４１１８５．６６１２．６５３６２．９４３．８７９６９．１１０．３４Ｃｕ１１７３．４７１４．７４１．２６３．３８０．２９１２７．０１１０．８２７２．６２６．１９１７６．６３１５．０５２０９．１３１７．８２５４８．０２４６．７Ｚｎ８４０８．６１４８．９７１．７７１２１．８８１．４５８９１．７１０．６１３０．０４１．５５６０２．５８７．１７４０１．０７４．７７５８０４．７２６９．０３　　注：Ｈｇ的含量单位为１０－９，其余元素含量单位为１０－６；百分比单位为％。。·５１０１·物　探　与　化　探３６卷　图２　白银市土壤元素在不同功能区的含量变化性部分，易被植物所吸收，但该形态Ｃｄ仅占全量的０．７５％，不足以引起危害。碳酸盐结合态Ｃｄ是指碳酸盐沉淀结合的Ｃｄ，这部分Ｃｄ对ｐＨ值的变化最为敏感，该形态Ｃｄ占总量的９．４％，值得引起重视。铁锰结合态Ｃｄ占全量的３．３６％，强有机结合态Ｃｄ占６．９％。残渣态Ｃｄ在正常环境条件下能长期稳定地存在于土壤中，难以释放且不易为植物所吸收，活性、毒性最小，研究区残渣态Ｃｄ占全量的３９．９７％，所占比例最大。研究区土壤中，离子交换态Ｈｇ和水溶态Ｈｇ共占总量的６．４１％，表明土壤中这部分Ｈｇ对土壤环境变化敏感，易被作物所吸收。残渣态Ｈｇ占总量的６６．７４％，说明在大多数情况下，Ｈｇ能长期稳定地存在于土壤中，难以释放且不易为植物所吸收，活性、毒性最小。各种形态组分中，碳酸盐结合态Ｐｂ所占比例最高，铁锰结合态、残渣态Ｐｂ也占一定比例，离子交换态、水溶态Ｐｂ所占比例最低。Ｃｕ、Ｚｎ的离子交换态和水溶态占全量的比例较小，残渣态所占比例很高，其次为铁锰结合态和强有机结合态，碳酸盐结合态也占一定比例。因此，土壤发生氧化和酸化作用后，土壤中一定含量的Ｃｕ、Ｚｎ将活化溶出，易于引起较为严重的生态环境效应。４　Ｃｄ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｈｇ富集成因４．１　有色金属冶炼、加工和重化工白银市城市污染可分为近源污染和远源污染，城区大面积的Ｃｄ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｈｇ等异常是近源污染和远源污染两种形式叠加的结果。近源污染最为突出的是工矿企业的三废排放物污染，这些企业所在地具有高强度的Ｃｄ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｈｇ等异常，其次还包括废矿渣堆放造成的土壤污染。远源污染主要有工矿企业排放的废气、粉尘随大气扩散并通过雨水和尘埃降落到远处；工矿企业所排放的废水、废渣通过河水携带到远处，再通过人类活动随污染水或泥沙带到更远处。白银市南部的铜多金属矿山处在白银市上游，矿山开采产生大量的酸性矿山废水，并富集大量可溶性金属元素。另外，在白银市东南部没有明显污染源的大片土地中，分布有大面积的低缓Ｃｄ异常，通过外围调查结果发现，这些异常与工矿企业的三废排放有关。４．２　民用燃煤民用燃煤可产生大量的废气、废水以及生活垃圾。白银市是工业城市，以前多以使用燃煤为主，居民及餐饮业使用的低矮炉灶多属低空排放废气源，会形成分散的面源污染。这种废气被自然风带得很·６１０１·　６期李春亮等：甘肃省白银市区土壤环境质量评价远，形成了白银市大面积的土壤Ｃｄ等重金属的轻度污染。同时，该地区较固定并有规律的风向对土壤重金属异常的分布特征也有一定的控制作用。白银市风向以北、西北向频率较高，污染源排放的废气多向东南部运移、降落致土壤中，形成以Ｃｄ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｈｇ等为主的污染分带。在居民生活区采集的土壤样品中，Ｃｄ含量达到１７．４×１０－６。４．３　交通运输目前，机动车尾气污染问题呈凸现趋势。公交公司采集的土壤样品中，Ｃｄ含量最高值达２０．３×１０－６，Ｐｂ含量最高值达９５１×１０－６，汽车尾气已成为除厂矿企业外的又一大污染源，这是每个现代城市都无法避免的。４．４　水质在白银市各工业区及生活区进行了水样采集，结果见表５，ＧＢ代表中华人民共和国污水排放标准（ＧＢ８９７８１９９６）。表５　白银市工矿企业水样超标分析ｍｇ／Ｌ样品ＣｕＺｎＣｄＰｂＨｇｐＨＳ１０．０１２０．０１５＜０．００１＜０．００５０．００００５８．６５Ｓ２０．３