环境科学研究  2018, Vol. 31 Issue (1): 87-94  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2017.03.36

引用本文  

潘自平, 刘新红, 孟伟, 等. 贵阳中心区土壤氟的地球化学特征及其环境质量评价[J]. 环境科学研究, 2018, 31(1): 87-94.
PAN Ziping, LIU Xinhong, MENG Wei, et al. Geochemical Characteristics of Fluorine in Soils and Its Environmental Quality in Central District of Guiyang[J]. Research of Environmental Sciences, 2018, 31(1): 87-94.

基金项目

贵州省优秀科技教育人才省长专项资金项目(黔省专合字(2012)27号);全国多目标区域地球化学调查项目(GZTR20070110)
Supported by Outstanding Science and Technology Education Personnel Special Funds of Guizhou Province, China (Specific Words in Guizhou Province(2012)No.27); National Multipurpose Regional Geochemical Survey Project, China(No.GZTR20070110)

责任作者

作者简介

潘自平(1969-), 男, 贵州铜仁市人, 高级工程师, 博士, 主要从事农业地质、环境污染防治等方面的调查研究, zipingpan@163.com

文章历史

收稿日期:2017-04-24
修订日期:2017-09-05
贵阳中心区土壤氟的地球化学特征及其环境质量评价
潘自平1,2 , 刘新红1 , 孟伟2 , 李朝晋2 , 何邵麟2 , 晏承志2 , 王芳2     
1. 茅台学院资源环境系, 贵州 仁怀 564500;
2. 贵州省地质调查院, 贵州 贵阳 550005
摘要:为摸清土壤氟异常对生态环境的影响,利用贵州省多目标区域地球化学调查(1:250 000)项目成果,对贵阳中心区土壤氟的地球化学特征进行了深入研究,并采用全氟指数法对土壤环境质量及其生态环境效应进行初步评价.结果表明:①贵阳中心区土壤氟含量较高,表层、深层土壤氟含量平均值分别为1 143、1 438 mg/kg,且空间分布变化较大;氟含量随土层深度的增加而升高. ②不同类型土壤中氟含量变化较大,其中紫色土中含量(1 306 mg/kg)最高,水稻土次之,石灰土、粗骨土、黄壤等差别较小,其含量范围在1 099~1 167 mg/kg之间. ③土壤氟含量与其母岩呈显著正相关性,且土壤中氟含量较母岩更高,表明风化成土过程中存在一定富集,土壤氟与成土母岩之间具有一定继承性. ④土壤氟环境质量评价结果表明,研究区土壤存在局部氟污染(异常),污染区、警戒区、安全区和清洁区所占比例分别为13.6%、62.2%、19.2%和5.0%. ⑤生态环境效应初步调查结果显示,局部土壤受氟污染区的油菜和稻谷样品中氟含量范围分别为1.86~2.68和10.40~13.50 mg/kg,同时地下水也受到一定程度的氟污染.因此,贵阳中心区土壤氟含量较高,局部土壤已受到氟污染,可能会对农产品质量、饮水安全及人体健康产生一定影响,建议政府部门及科研工作者予以高度重视.
关键词贵阳中心区    土壤        地球化学特征    环境质量评价    环境效应    
Geochemical Characteristics of Fluorine in Soils and Its Environmental Quality in Central District of Guiyang
PAN Ziping1,2 , LIU Xinhong1 , MENG Wei2 , LI Chaojin2 , HE Shaolin2 , YAN Chengzhi2 , WANG Fang2     
1. Department of Resource and Environment, Moutai College, Renhuai 564500, China;
2. Guizhou Academy of Geological Survey, Guiyang 550005, China
Abstract: Guizhou is one of provinces where the endemic fluorine diseases are most serious in China. Soil is an important environmental factor for fluorine pollution. In order to find out the influence of soil fluoride anomaly on ecological environment, the soil fluorine content and its geochemical distribution characteristics were studied in depth, and the environmental quality of the soil fluorine in the central area of Guiyang City and ecological environmental effects in the abnormal fluorine area were evaluated preliminarily by using full fluorine index method based on the analysis results of the multipurpose regional geochemical investigation specification (1:250, 000) relating to soil, rock and crop in the central area of Guiyang City. The results show that: (1) Soil in the central area of Guiyang City has high fluorine content. The mean values of fluorine contents of the shallow and deep layers of soil are 1, 143 mg/kg and 1, 438 mg/kg, and have bigger spatial distribution change. (2) The fluorine content from different types of soil varies greatly. The purple soil has the highest fluorine content (1, 306 mg/kg), followed by the paddy soil. The fluorine contents of the limestone soil, skeleton soil and yellow soil have a small difference, which falls into the range of 1, 099-1, 167 mg/kg. (3) The fluorine contents of soil and their source rocks have positive correlation, which means that there has certain enrichment during soil forming via rock weathering. In addition, compared with the source rock, the fluorine content in soil is higher. (4) The result of the environmental quality evaluation with the full fluorine index method shows that the soil in the research area has local fluorine pollution with accounting for 13.6%, 62.2, 19.2% and 5.0% of polluted, guard, safe and clean area, respectively. (5) Furthermore, the survey results of local area soils polluted by fluorine also show that fluorine content of rape and rice samples ranges from 1.86 to 2.68 mg/kg and 10.40 to 13.50 mg/kg, respectively. Meanwhile, the groundwater has been a certain degree of fluorine pollution. Therefore, the soil in the central area of Guiyang City has high fluorine content and the fluorine in the local soil is abnormal, which threatens the environmental quality of the regional soil and human health probably, it is recommended that the relevant governmental departments and science researchers should pay attention to soil pollution of fluorine heavily.
Keywords: central area of Guiyang    soils    fluorine    geochemistry feature    environment evaluation    environment effect    

氟是人和动物必需的微量元素之一,其阈值较低,缺乏或过量的氟均会对人体健康产生不良影响[1].摄入不足会影响骨骼发育,导致龋齿和大骨节病[2];过量则会引起氟中毒,导致氟斑牙、氟骨病等地氟病[3].人体主要通过食物和饮水摄入氟,而土壤是食物和饮水中氟的主要来源,因此土壤氟的分布、地球化学特征及其环境风险等受到了国内外众多学者的关注[4-26].如谢正苗等[4-10]研究了我国部分省区或区域土壤中氟含量及其影响因素,Bijendra等[12]研究了印度中部Sidhi地区农业土壤中氟的空间分布特征,Loganathan等[16]研究了新西兰土壤全氟和溶解氟含量与土壤性质的关系,莫春雷等[11, 16-21]研究了土壤中氟的空间分布、迁移及富集规律等地球化学特征,而谢正苗等[3, 21-24]则对土壤氟的环境风险进行了研究和探讨.

研究表明,我国大多数地区(上海除外)已受到氟的不同程度的危害[27],其中贵州是我国地氟病发生最严重地区之一,全省有37个地氟病流行县市,约1 000×104氟斑牙患者,64×104氟骨症病者.郑宝山等[28-31]对地氟病的成因及防治方法等进行了较深入的调查和研究,秦樊鑫等[32-33]研究了贵州土壤氟的形态分布特征.但有关贵州省土壤氟含量分布、影响因素等地球化学特征及环境风险方面的研究则相对较为薄弱.国土资源部在全国范围开展的多目标区域地球化学调查项目,以土壤地球化学调查为主,岩石、水体、农作物调查为辅,系统全面地对土壤环境质量进行摸底调查,具有调查方法的科学性和规范性,样品采集的系统性、全面性及代表性,分析数据的全面性和可靠性等优势.该研究利用贵州省多目标区域地球化学调查成果,对贵阳中心区土壤氟的地球化学分布特征、土壤氟环境质量以及环境风险进行研究和评价,目的是摸清土壤元素地球化学环境质量家底,以期为环境污染防治、粮食安全生产及地氟病防治等提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区位于贵阳主城区,涉及贵阳中心区的7个区(县)级行政区,包括云岩、南明、小河等3个城区以及花溪、白云、乌当和金阳新区等4个郊区,地理位置为106°30′02″E~106°59′29″E、26°10′37″N~26°49′56″N,总面积2 404 km2.

研究区地处一级大地构造单元——华南板块的扬子陆块之上,北部属四级构造单元——贵阳复杂构造变形区,南部属四级构造单元——贵定南北向构造变形区.区内地层发育较全,从寒武系至第四系均有出露,累计最大厚度约10 000 m,岩石类型以浅海台地碳酸盐岩为主,极少部分为陆地河湖相红色岩系.

研究区土壤类型与碳酸盐岩母岩密切相关,主要有黄壤、石灰土、水稻土及紫色土.由于地处岩溶石山地区,总体特点为山地多坝地少,石漠化十分严重,无平原支撑,土地利用率总体较低.土地资源利用以农业用地(包括牧草地、耕地、林地等)为主,其次为建设用地和未利用地,另有部分水域及特殊用地.

区内花溪、白云和乌当等地为地氟病发病区,据贵州1:200 000区域化探扫面结果显示,水系沉积物中氟背景值为679 mg/kg,为全国平均值的1.4倍,可能导致土壤氟背景值偏高,对居民饮食安全和身体健康的潜在风险较大.

1.2 样品采集、处理及组合 1.2.1 土壤样品

2008年5—9月,根据《多目标区域地球化学调查规范(1:250 000)》[34]要求,项目组采用双层网格化方法分别对研究区表层、深层土壤进行了样品采集.土样采集方法:表层土样采集密度为1件/km2,采样深度为0~20 cm,于半径为50 m范围内采集五点以上等量组合,样品质量≥1 000 g;深层土壤采样密度为1件/(4 km2),利用麻花钻采集150~200 cm深度范围的土壤样品,样品质量≥1 000 g;采样时注意样品的代表性、均匀性和控制性,避开人为污染和近期堆积土.全区共采集表层土样2 404件,深层土样601件.样品经自然风干后,用木锤轻轻捣碎,过20目(粒径≤0.8 mm)标准筛,收集500 g装入聚乙烯塑料瓶中备用.表层土壤按每个采样大格(4 km2)中的4件样品等量组合成1件分析样,深层土壤按每个采样大格(16 km2)中的4件样品等量组合成1件分析样,全区共组合表层土壤分析样601件、深层土壤分析样151件.

1.2.2 岩石、农作物样品

选择氟异常区进行岩石地球化学、土壤垂直剖面测量及农作物污染情况调查.岩石样品采集方法:选取地层单元出露齐全、基岩露头较好地区,在与地层走向垂直方向布置岩石剖面,岩石采样点距为200~500 m,以地质为单元,每单元采集样品2~3件,样品质量≥500 g.土壤垂向剖面样品的采集方法:利用麻花钻在0~200 cm深度范围,每间隔50 cm采集1件样品,样品质量≥1 000 g.植物(农作物)样的采集方法参照DD2005-03《区域生态地球化学评价技术要求(试行)》[35]要求进行.

1.3 分析方法

样品分析委托国土资源部南京矿产资源监督检测中心完成,分析项目包括氟含量和pH.氟含量采用NaOH碱熔、选择性离子电极法(ISE)测定;pH采用电位法、pH计测定.土壤和岩石样品按照多目标区域地球化学调查规范要求对分析质量进行严格监控,以国家一级土壤标准物质(GBW系列)进行准确度、精密度监控,以2%以上的重复采样和3%以上的平行样评定采样和分析误差,对异常点进行重复检查分析.农作物样品中氟含量的测定按照DD2005-03中的分析方法和分析质量监控方法进行.

1.4 环境质量评价方法

鉴于研究区土壤以酸性为主,加之贵阳市为酸雨地区,该研究采用全氟指数法[36]对土壤环境质量进行评价,计算公式:

$ {P_i} = {C_i}/{S_i} $

式中:Pi为环境质量指数;Ci为土壤中氟含量的实测值,mg/kg;Si为土壤中氟的评价标准,mg/kg;i为不同位置所采样品.

以我国表层土壤氟含量平均值(478 mg/kg)及地氟病发生区土壤全氟含量平均值(800 mg/kg)为评价标准值[36],按表 1分级标准对研究区土壤氟土壤环境质量进行评价.

表 1 贵阳市土壤氟环境质量分级评价标准 Table 1 Evaluational standards of soil fluorine environment quality in Guiyang City
2 结果与讨论 2.1 土壤氟地球化学分布总特征

贵阳中心区土壤中氟地球化学参数统计结果列于表 2.从表 2可见,贵阳中心区表层土壤氟含量在274~3 665 mg/kg之间,平均值为1 143 mg/kg,变异系数为40.1%;深层土壤氟含量在246~3 695 mg/kg之间,平均值为1 438 mg/kg,变异系数为37.6%.各行政区表层土壤氟含量存在一定差异,平均值排列顺序为白云区>乌当区>花溪区>市区(包括南明区、小河区和云岩区),以白云区土壤氟含量最高,平均值为1 489 mg/kg,而乌当区、花溪区及市区土壤氟含量差别不大.

表 2 贵阳中心区土壤氟地球化学参数 Table 2 Geochemical parameters of soil fluorine in central district of Guiyang City

与全国比较,研究区表层和深层土壤氟含量平均值分别为全国土壤A层土壤背景值(478 mg/kg)和C层土壤背景值(506 mg/kg)的2.39和2.84倍,与贵州省A层及C层土壤氟背景值[37]接近.其他地区(含国外)土壤氟含量平均值主要处于200~540 mg/kg之间[4-10, 12, 16],低于研究区土壤氟含量.因此,研究区土壤氟含量较高,变异系数较大,空间分布极不均匀,可能存在局部氟污染区.

2.2 垂向土壤剖面上氟的分布特征

为研究不同深度土壤中氟的分布规律,在白云区朱昌镇和艳山红镇氟异常区的深层土壤采样大格(TS44和TS46大格)内布置7条土壤垂向剖面,在0~200 cm范围内采集不同深度的土壤样品,采样间隔为50 cm.氟含量随土壤深度变化分布如图 1所示,可见,土壤氟含量随着土壤深度增加而呈上升趋势.

图 1 土壤垂向剖面氟分布特征 Fig.1 Distribution of fluorine content in vertical profile of soil

研究表明,土壤剖面上氟的分布主要受黏粒含量、pH变化所控制[38],氟倾向于聚集于黏土中[23],在酸性淋溶土壤中,氟有向下移动的趋势.由于研究区土壤偏酸性,土壤剖面从上到下,黏土矿物逐渐增多,因此土壤氟含量随着深度的增加而上升,与孟伟等[39]研究结果一致.而谷海峰等[8, 11]关于垂向土壤剖面氟含量分布特征虽无明显规律,但一致认为氟含量在土壤垂向剖面变化趋势与黏土层的分布有关,土壤氟含量随黏土成分的增加而升高.因此,由于垂向土壤剖面上黏土成分的影响,土壤氟含量随土壤深度增加而上升.

2.3 不同土壤类型间氟分布的差异

研究区为以岩溶为主、低中山碎屑岩较少的地貌特征,土壤类型较复杂,大致可分为黄壤、石灰土、粗骨土、水稻土和紫色土等五大类型.统计结果(见表 3)表明,研究区不同类型土壤中氟含量差异较大,以紫色土中最高,平均值为1 306 mg/kg;水稻土次之,石灰土、粗骨土和黄壤差别较小,平均值在1 099~1 167 mg/kg之间.

表 3 不同类型土壤氟的含量统计 Table 3 Statistics of fluorine content in different types of soil

研究结果表明,不同类型土壤中氟含量存在一定差异,如张乃明[40]研究山西土壤氟含量所得结果为潮土>褐土>石灰性褐土>栗褐土>栗钙土,认为石灰岩风化物、海积母质等形成的土壤氟含量较高,而在风沙母质、基性岩风化母质上形成的土壤氟含量较低;董岩翔等[41]的研究表明,浙江省各类土壤中氟含量无显著性差异.可能是由于土壤类型繁多,不同地区的土壤类型差别较大,且由于受气候、人类活动等因素的影响,所得结果可比性较差.

2.4 成土母岩(质)对土壤氟分布的影响

为研究成土母岩对土壤氟分布的影响,分别利用贵州省及研究区的相关调查结果进行分析.利用李明琴等[42]的分析数据,得出贵州省岩石及土壤中氟含量分布及其相关性分析结果如图 23所示.结果显示,不同岩石及其对应土壤氟含量变化较大,其中磷块岩及其土壤中氟含量(1 842 mg/kg)最高,其次为页岩、粉砂质泥岩、灰岩PT(含二叠系、三叠系),较低的为灰岩DC(泥盆系、石炭系)、粉砂岩、板岩和白云岩,土壤氟含量与成土母岩呈相似的分布特征,土壤氟含量与岩石氟含量呈显著正相关性,线性相关系数R=0.85,且土壤中氟含量更高,表明土壤氟含量与岩石具有一定继承性,且在风化成土过程中氟元素存在一定程度富集.

图 2 贵州省岩石及土壤氟含量分布 Fig.2 Distribution of fluorine content between rock and soil in Guizhou Province

图 3 贵州省岩石与土壤中氟含量的相关性 Fig.3 Correlation of fluorine content between rock and soil in Guizhou Province

在研究区内朱昌-艳山红氟异常区布设一条垂直于地质构造走向的剖面,分别对剖面上不同地质单元的岩石及其土壤样品进行采集和分析(见表 4),岩石对土壤氟分布影响见图 4.从表 4图 4可以看出,异常区不同地质单元岩石中氟含量差异较大,松子坎组氟含量(1 810 mg/kg)最高,其次是沙堡湾组和龙潭组,氟含量分别为908和830 mg/kg,其他依次为杨柳井组、安顺组、大冶组、茅口组,茅口组氟含量(130 mg/kg)最低;不同地质单元岩石发育的土壤中氟含量差异也较大,范围为540~2 816 mg/kg之间,其中杨柳井组氟含量(平均值为2 818 mg/kg)最高,茅口组氟含量最低(平均值为540 mg/kg),其他从大到小顺序为松子坎组﹥沙堡湾组﹥安顺组﹥大冶组﹥龙潭组.土壤中氟与对应地质单元岩石中氟含量相比,土壤中氟出现明显富集,富集系数(土壤与岩石氟含量之比)在1.26~6.61之间,其中大冶组、杨柳井组、安顺组和茅口组土壤富集程度极大,富集系数为4.17~6.61,沙堡湾组土壤程度较高,松子坎组和龙潭组土壤氟富集程度较低.但整体而言,土壤中氟含量随着岩石氟含量的增加而上升.

表 4 朱昌—艳山红异常区地质单元及对应土壤氟含量 Table 4 Fluorine content of stratigraphic unit and corresponding soil in Zhuchang-Yanshanhong anomal area

图 4 朱昌—艳山红氟异常区岩石与土壤中氟含量对比 Fig.4 Comparison of fluorine content between rock and soil in Zhuchang-Yanshanhong anomal area

贵州省和研究区岩石及其土壤中氟的分布特征及其相关性表明,成土母质(岩)是影响土壤氟含量决定性因素,是土壤氟的主要物质来源,土壤氟具有一定的继承性,同时在成土过程中存在一定富集.土壤比岩石富集氟,主要是由氟的地球化学性质决定的,西南氟病区气候温暖、潮湿,风化作用极为强烈.在强烈的淋溶、富铁铝化和黏土化作用过程中,岩石风化释放出来的氟有相当一部分尚未来得及被水淋溶就被新生成的次生黏土矿物或铁铝氧化物胶体所束缚.由于这一过程进行的比岩石风化过程中氟的淋失更强烈,因此土壤氟含量高于岩石氟含量,特别是富含黏土矿物和铁铝氧化物胶体的黏化层含氟最高[43].

2.5 土壤氟环境质量评价

结合MapGIS 6.7和多目标区域地球化学调查制图软件GeoMDIS,按表 1中划定的标准限值分级作图,得出氟元素土壤环境质量地球化学评价结果(见图 5).从图 5可见,研究区主要以三级土壤(警戒区)为主,面积为1 496 km2,占总面积比例为62.2%;其次是安全区和污染区,面积分别为460和328 km2,占总面积比例分别为19.2%和13.6%;而清洁区土壤面积仅120 km2,占总面积比例为5.0%.

图 5 贵阳中心区氟污染土壤环境质量评价结果 Fig.5 Evaluation of soil environmental quality for fluorine pollution in the central district of Guiyang

一级土壤和二级土壤为清洁和安全区,未受到氟元素污染,适合农作物种植,主要分布于小河—孟关—黔陶—高坡一带,并延伸至贵阳与惠水交界处,其次是乌当区下坝以北区域.四级土壤已受到氟污染,其氟含量普遍较高,氟含量最大值可达3 665 mg/kg,而且分布较为集中,主要位于金阳新区、白云区都拉营、麦架镇一带,其次是花溪南部、金华镇与清镇市接壤处.四级土壤由于氟含量较高,导致土壤环境环境质量下降,可能对区内生态环境及人体健康带来一定影响,不适宜种植蔬菜及粮食作物.三级土壤为警戒区,其氟含量较高,且分布面积较大,主要位于一级、二级和四级土壤以外广大地区, 可能对农作物和周围水体带来不良影响.

因此,研究区存在一定土壤氟污染,且警戒区超过总面积50%以上,可能对农作物安全及水体质量产生一定影响.

2.6 氟污染的生态环境效应

通过调查分析氟污染区农作物、蔬菜以及水体中氟含量,对土壤氟污染产生的生态环境风险进行初步评价.在朱昌—艳山红氟异常区和花溪区林东—久安氟异常区采集农作物和蔬菜样品共7件,其中稻谷样3件、油菜样2件、马铃薯和四季豆各1件,氟含量分析和统计结果见表 5.油菜中氟含量最高,范围为10.40~13.50 mg/kg,平均值为11.95 mg/kg,超过GB 2762—2005《食品中污染物限量》[44]标准限值;其次是稻谷,氟含量为1.86~2.68 mg/kg,平均值为2.26 mg/kg,3件样品中氟含量均较高,而马铃薯和四季豆中氟含量较低,均未超过GB 2762—2005标准限值.

表 5 污染区农作物氟含量分析结果统计 Table 5 Statistical analysis of fluorine content in the crops

据贵州地质环境监测院2008年地下水监测结果[45],贵阳市朱昌—艳山红氟异常区(污染区)内浅层地下水中存在氟超标现象.

由此可见,因贵阳市局部地区土壤氟异常(污染),可能引发区内农作物和饮用水质量安全问题,建议政府部门及科研工作者开展更深入的调查研究,将土壤氟污染产生的生态环境效应降至最低.

3 结论

a) 贵阳中心区表层土壤、深层土壤中氟含量平均值分别为1 143和1 438 mg/kg,土壤氟含量起伏较大,局部存在土壤氟污染.贵阳中心区氟含量随着土壤深度的增加而升高,主要与土壤黏土矿物成分有关.

b) 贵阳中心区不同类型土壤中氟含量变化较大,其中以紫色土最高,水稻土次之,石灰土、粗骨土、黄壤间差别较小.

c) 土壤氟与成土母岩具有一定继承性,同时母岩风化成土过程中存在一定富集,土壤氟含量比其成土母岩更高.

d) 贵阳中心区存在局部土壤氟污染或异常,且62%的土壤为警戒区,而清洁区和安全区面积不足25%,土壤氟环境质量不容乐观.

e) 土壤氟污染区已出现少量农作物氟超标、地下水受到氟污染等现象,应引起高度重视.

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