（地球化学专业论文）金矿区农田土壤重金属污染与农作物关系探讨.pdf

c a n d i d a t e ：w a n gx i a n w e i s u p e r v i s o r ：p r o f x uy o u n i n g c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：可逻冲 劲凡年 月刃日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：零亿每 导师签名：缪夜孝 为z 年量月冶日 zd 年j - 具孑9 日 摘要 环境污染严重影响经济的可持续发展与人类的健康和生存。为了研究土壤污染与人 体食物链的关系，本文在收集分析前人资料基础上，在研究区l o o k m 2 范围内采集4 6 件 土壤样品、9 件玉米样品和9 件小麦样品，分析评价7 种重金属元素在土壤和农作物中 的含量特征、污染现状。本文首次在研究区分析土壤重金属形态含量，进而寻找土壤一 植物系统重金属含量之间的关系。土壤重金属总量、有效态含量及农作物重金属之间的 关系是本文研究的重点。研究结果表明： ( 1 ) 在土壤中，汞和铅是最主要的污染元素样本超标率分别达到了6 9 6 0 和 3 4 8 。累积超标倍数计算结果表明，研究区土壤七种重金属累积超标倍数的超标率均 大于7 0 ，其中汞、铅、镉、铬、铜和锌的超标率均大于9 0 。从综合污染指数分析来 看，研究区受污土壤面积总计9 5 9 5 k m 2 ，是研究区总面积的9 5 9 5 ，累积综合指数表 明，研究区受矿业活动导致土壤污染的面积几乎达到1 0 0 。 ( 2 ) 在农作物中，汞和铅是研究区农作物最主要的污染物，玉米汞的超标倍数最 高，为4 4 5 。而小麦铅污染的超标率最高，达1 0 0 。镉、铬和砷是研究区农作物的次 要污染物。铜和锌作为营养元素在小麦和玉米中污染均不严重。 ( 3 ) 土壤汞、铅、镉、铜和锌的总量与各个形态之间具有极显著的正相关性 ( p 土壤重金属中有效态含量 植物体中的重金属含量，说明 植物中重金属含量与土壤中重金属含量可能呈现一定的正相关关系。 ( 4 ) 经相关性分析得到，小麦、玉米籽粒中重金属含量与立地土壤中重金属含量 以及有效态含量之间未表现出显著的相关性，说明土壤污染区内粮食作物中的重金属元 素相当大部分可能是吸收矿区受污染的大气中的重金属。具体影响植物吸收土壤重金属 的因素需要进一步的研究探讨。 关键词：潼关金矿区；农田土壤；重金属污染；有效态；农作物重金属污染 l _ - _ _ l _ _ _ _ _ i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ o _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 。_ - 。_ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ 。_ _ _ _ _ - 。_ 。_ _ _ _ - 。_ 。_ _ _ - 。_ 。_ _ _ _ - 。_ 。_ _ _ _ 。_ 。_ _ _ _ _ - 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 。_ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ 一 a b s t r a c t n o to n l yt h ec o n t i n u a ld e v e l o p m e n to fe c o n o m i cb u ta l s oh e a l t ha n ds u r v i v a lo fh u m a n b e i n gh a v eb e e ns e r i o u se f f e c t e db ye n v i r o n m e n tp o l l u t i o n i no r d e rt os t u d yt h er e l a t i o n s h i p s b e t w e e ns o i lc o n t a m i n a t i o na n dh u m a nf o o dc h a i n ，4 6s o i ls a m p l e sa n d18c r o p ss a m p l e s w e r eg e n e r a l l ya n ds y s t e m i c a l l yc o l l e c t e df r o mt h er e s e a r c h i n ga r e a10 0k m 2o ff a r m l a n d c u l t i v a t i n gl a y e r s s e v e nk i n d so fh e a v ym e t a l sn a m e dh y d r a r g y r u m ，p l u m b u m ，c a d m i u m ， a r s e n i c ，c h r o m i u m ，c o p p e r , z i n cw e r e e v a l u a t e da n d a n a l y z e d i nc h a r a c t e r c o n t e n t ， d i s t r i b u t i n gi ns p a c e ，i n d e xo fp o l l u t i n ga n ds y n t h e s i z e di n d e xo fp o l l u t i n g i ti st h ef i r s t a n a l y s i si nt h es t u d ya r e at h a tw eu s et h es o i lc h e m i c a ls p e c i a t i o na n a l y z i n gt h er e l a t i o n s h i po f s o i l - p l a n ts y s t e m a n dt h er e l a t i o ni st h ee m p h a s e si nt h et h e s i s t h er e s u l t ss h o wt h a t ： ( 1 ) h y d r a r g y r u ma n dl e a da r et h em o s ti m p o r t a n tp o l l u t i o ne l e m e n t si nt h es o i l t h e h y d r a r g y r u ms a m p l es t a n d a r dr a t er e a c h e d6 9 6 0p e r c e n t ，a n dl e a de x c e e d e dr a t eo f3 4 8 e x c e s s i v ea c c u m u l a t i o no f m u l t i p l e r e s u l t si n d i c a t et h a ts e v e nh e a v ym e t a l s s i n g l e a c c u m u l a t i o nt i m e si n d e xi nt h es o i le x c e e dt h er a t eo f7 0 ，o fw h i c hm e r c u r y , l e a d ， c a d m i u m ，c h r o m i u m ，c o p p e ra n dz i n ce x c e e d e dm o r et h a n9 0 ；a c c o r d i n gt ot h ea n a l y z i n g o fs y n t h e t i cp o l l u t i o ni n d e x ，58 o fs o i ls a m p l e si sc o n t a m i n a t i v e t h ea r e ao fc o n t a m i n a t e d s o i li s9 5 9 5 k m 2 ，w h i c hi st h e9 5 9 5 o ft h et o t a l a r e a a c c o r d i n gt ot h ea n a l y z i n go f s y n t h e t i ca c c u m u l a t i o ni n d e x ，10 0 o fs o i ls a m p l e si sc o n t a m i n a t i v e ( 2 ) h y d r a r g y r u ma n dl e a da r et h em o s ti m p o r t a n tp o l l u t i o ne l e m e n t si nt h ec r o p s t h e s i n g l ep o l l u t i o nt i m e si n d e xo fc o r nh y d r a r g y r u mi s4 4 5 ，w h i c hi st h eh i g h e s t ，w h i l ew h e a t l e a dc o n t a m i n a t i o ne x c e e d e dt h eh i g h e s tr a t eo f10 0 c a d m i u m ，c h r o m i u ma n da r s e n i ca r e t h es e c o n d a r yp o l l u t a n t si nt h ec r o p s c o p p e ra n dz i n ca r en u t r i t i o u s e l e m e n t s ，w h o s e p o l l u t i o ni nt h ew h e a t a n dc o r na r en o ts e r i o u s ( 3 ) t h e r ei sh i g h l ys i g n i f i c a n tp o s i t i v ec o r r e l a t i o n ( p s o i l sc o n t e n t h e a v ym e t a l si np l a n t s ，w h i c hs h o w s t h a th e a v ym e t a l si np l a n t sa n ds o i lh e a v ym e t a l sm a ys h o wac e r t a i nd e g r e eo fp o s i t i v e c o r r e l a t i o n i i ( 4 ) t h e r ew a sad i r e c tr a d i or e l a t i o n s h i pb e t w e e nh e a v ym e t a l se x c e e d i n gs t a n d a r di n w h e a ta n dc o r na n ds o i lp o l l u t i o n t h ec o r r e l a t i o n a lc o e f f i c i e n to fh e a v ym e t a l sc o n t e n ti n c r o p sa n ds o i ls h o w e dt h a tc a d m i u mo n l yh a dt h ev i s i b l er e l a t i v i t y , b u tt h ec o n t e n to f r e m a n e n th e a v ym e t a l si nc r o p sa n ds o i ld i d n th a v et h ev i s i b l er e l a t i v i t y t h er e s u l t ss h o w e d t h a tc o n t e n to fh e a v ym e t a l so fc r o p sa d s o r b e df r o ma t m o s p h e r ei nt h i ss o i lp o l l u t i o na r e a k e yw o r d s ：t o n g g u a ng o l dm i n ea r e a ；a g r i c u l t u r a ls o i l ；h e a v ym e t a l sc o n t a m i n a t i o n ；e f f e c t i v es t a t e ； h e a v ym e t a l sp o l l u t i o no nf a r m l a n ds o i l i l l 第二章研究区概况7 2 1 研究区交通状况7 2 2 社会经济发展概况7 2 3 地质环境概况8 2 3 1 地形地貌分区8 2 3 2 地质构造9 2 3 3 气象水文10 2 3 4 土壤10 2 4 金矿开发概况l1 2 4 1 金矿开发历史及现状l l 2 4 2 金矿开发对县域经济发展的贡献1 2 第三章研究内容及方法1 3 3 1 研究对象及内容13 3 2 研究思路及方法13 3 2 1 研究思路l3 3 2 2 研究方法1 4 3 3 样品采集及测试15 i v 3 3 1 土壤样品采集与测试1 6 3 3 2 小麦玉米样品采集与测试1 7 3 3 3 土壤重金属的形态分析18 3 3 4 土壤p h 测试18 3 3 5 土壤粒度测试l8 3 3 6 土壤有机质测试1 9 第四章农田土壤重金属污染分析。2 0 4 1 农田土壤重金属含量特征2 0 4 1 1 基本特征2 0 4 1 2 农田土壤重金属含量时空变化2 4 4 2 土壤环境质量评价3 2 4 3 土壤重金属污染评价3 6 4 3 1 评价标准3 6 4 3 2 评价结果及分析3 6 4 4 j 、结3 8 第五章农田土壤重金属总量与其有效态关系分析4 0 5 1 土壤重金属有效态概念4 0 5 2 土壤重金属元素形态分析4 0 5 3 土壤重金属总量与形态之间的关系4 2 5 3 1 土壤中重金属重金属总量与各元素形态相关性分析4 2 5 3 2 土壤重金属总量与形态之间的相关性4 5 5 3 - 3 土壤重金属总量与各元素形态间回归分析4 5 5 4 影响土壤重金属有效态的因素分析4 8 5 4 1 土壤溶液的p h 4 8 5 4 2 土壤的有机质含量4 9 5 4 3 土壤中的重金属总量4 9 5 4 4 土壤粒度4 9 5 4 5 其它因素的影响5 0 5 5 小结。5 l 第六章研究区农作物重金属含量分析5 2 v 6 i 农作物重金属污染评价5 2 6 2 农作物重金属污染趋势分析5 4 6 3 小结一5 5 第七章土壤重金属总量及有效态含量与农作物关系分析5 6 7 1 农作物对重金属的吸附5 6 7 2 农作物中重金属含量与土壤重金属含量的关系5 8 7 2 1 土壤重金属总量与农作物重金属含量的相关性分析5 8 7 2 2 土壤重金属的转移系数5 9 7 3 农作物中重金属含量与土壤重金属元素有效态含量的关系6 0 7 3 1 重金属的生物有效性6 0 7 3 2 农作物与重金属元素各形态的相关性6 l 7 4 影响农作物吸收土壤重金属的因素分析6 3 7 5 小结6 6 结论6 8 参考文献6 9 攻读学位期间取得的研究成果7 3 致谢7 4 v i 长安人学硕上学位论文 1 1 土壤重金属污染危害 第一章绪论 土壤是指覆盖于地球( 陆地) 表面能够生长绿色植物的疏松物质层。它是各种环境 因素相互作用的产物，特点是具有肥力，层次性、通透性和吸附性特征，能持续的、同 时的提供植物生长所需养分和水分等【卜3 1 。农田土壤是各种粮食作物、蔬菜、水果、纤 维和糖料作物、油料作物及农区森林、花卉、药材、草料等绿色植物生长的载体【4 1 。 重金属含量是土壤质量的重要指标。从环境污染方面所说的重金属，主要是指生物 毒性显著的汞、铅、镉、铬等金属和类金属砷等，以及具有一定毒性的铜、钴、镍、锡、 钒等金属。目前最引起人们注意的是汞、铅、镉、铬以及砷，称为“五毒元素”。当土壤 中含汞、铅、镉、铬以及砷等生物毒性显著的重金属过多，超过土壤的可忍受程度，就 会导致土壤的组成、结构和功能发生变化，微生物活动受到抑制，重金属或其分解产物 在土壤中逐渐积累，通过“土壤一植物水一人体”间接被人体吸收，达到危害人体健康 的程度，这就是土壤重金属污染。 矿产资源开发，尤其是金属矿产资源开发活动过程中，废石尾渣、矿坑及选矿废水、 冶炼废气浮尘中的重金属元素成为矿区水土环境的主要污染源，通过污水灌溉、大气降 尘、尾渣淋溶等方法会导致矿区土壤中重金属元素含量增加以至土壤受到污染。土壤重 金属污染一方面影响土壤微生物区系、生态物种和微生物过程，进而影响生态系统的结 构与功能，另一方面受重金属污染的土壤会通过粮食、蔬菜等人体食物链造成人体健康 风险，严重时会形成环境公害病1 6 1 。重金属污染危害人体健康的例子屡见不鲜，如2 0 0 6 年甘肃徽县某铅冶炼厂附近村庄儿童共查出2 5 0 人血铅超标【刀，2 0 0 9 年陕西凤翔县长青 镇某铅冶炼厂附近6 1 5 名儿童血铅超标事件，成为铅锌矿开发冶炼活动污染环境危害人 体健康的典型案例；镉污染造成的“疼痛病”和汞污染造成的“水俣病”是重金属污染危害 的最典型案例。 几种常见重金属对植物体及人体的危害简述如下： ( i ) 铅：铅可以使人体的神经系统和血液系统遭受破坏，尤以神经系统的破坏最 为严重，早期可出现高级神经机能障碍，晚期可造成器质性脑病和神经麻醉。儿童正处 于神经系统发育完善期，是铅污染的最大受害者【8 1 。铅也可造成流产和不孕，古代化妆 品、器皿误用所导致的铅中毒就是例证。 第一章绪论 伫) 汞：汞是危害植物生长的元素，土壤中含汞量过高，汞不但能在植物体内累积， 还会对植物产生毒害。通常有机汞、无机汞化合物和汞蒸气都能引起植物汞中毒。汞对 植物的毒性作用多半是阻碍籽苗生长和根发育，抑制光合作用，结果使产量下降【9 】。有 机汞的毒性大于金属汞和无机汞化合物，因此更容易发生中毒。汞可以通过呼吸道、消 化道和皮肤侵入人体，使人体中某些酶失去活性引起中毒。汞中毒损伤中枢神经系统， 轻者口腔炎、易怒、情绪不稳定，重者诱发肝炎和血尿，造成精神紊乱、四肢瘫痪、甚 至成为白痴。1 9 5 3 年发生在日本的“水误病”便是典型汞中毒的例子【l o 】。 ( 3 ) 镉：重金属镉元素对人类健康威胁最大。其通过消化道、呼吸道和皮肤直接接触 进入人体，可造成肾、骨和肝的病变，导致贫血和神经痛。另外，镉还会影响钙的代谢， 危及骨骼系统，造成骨盆脊柱和四肢关节疼痛【1 1 1 。由于植物对镉有很强的富集作用，因 而容易形成含镉粮食，如“镉米”( 含镉水稻) ，早年日本流行的“骨痛病”就是长期食用“镉 米”和饮用含镉水引起的。 ( 4 ) 铬：金属铬的毒性很小，但随着价态升高，毒性逐渐增大，六价铬化合物及其盐 类毒性最大，三价铬次之，二价铬最小。六价铬的毒性比三价铬几乎大1 0 0 。铬的毒性 症状表现为植株顶部枯萎和根部损害，在年轻叶中的萎黄病【i2 1 。铬的化合物常以溶液、 粉尘或蒸气的形式污染环境，通过呼吸道、消化道、皮肤和粘膜侵入人体。铬对人体的 侵害有全身中毒、引起皮炎、湿疹、气管炎和鼻炎，有致癌作用。如六价铬可以诱发肺 癌和鼻咽癌【l3 1 。 ( 5 ) 砷：砷中毒是我国常见的一种重金属中毒。砷俗称砒霜，主要作用于人的皮肤和 部，导致硬皮病、皮肤癌和肺癌。砷化物是主要的有毒物质，可通过呼吸道、食物或皮 肤接触进入人体。砷化能抑制酶的活性，干扰人体代谢过程，使中枢神经系统发生紊乱， 导致毛细血扩张，并最终导致癌症。砷还会诱发畸胎【l4 1 。砷在植物中的毒性最常表现为 植物的生长衰减【1 2 】。 ( 6 ) 铜：表土中铜过剩对植物有毒害作用，其会妨碍种子萌发和根的发育。铜对人体 造血、细胞生长、人体某些酶的活动及内分泌腺功能均有影响。若摄入过量的铜，就会 刺激消化系统，还可使血红蛋白变性，从而影响机体的正常代谢。 ( 7 ) 锌：锌既是重要的营养元素，也是污染元素。锌在土壤中的含量一般为 1 0 3 0 0 m g k g ，一般植物含锌量为1 0 一l o o m g k g 。人体缺锌会引起免疫力低下、生发育慢 等缺点，过量的锌会引起锌中毒【1 5 】，还会导致心血管系统疾病【1 6 】。 2 长安大学硕上学位论文 1 2 土壤重金属污染研究现状 1 2 1 基本概念 环境风险( e r ) 是指突发性事故对环境的危害程度，其定义为事故发生概率( p ) ( 即风险度) 与事故造成的环境后果( c ) 的乘积，则环境风险r 为：r = p x c 1 7 】。环境 风险评价( e r a ) ，是对各种人为活动所引发的或面临的危害对人体健康、社会经济发 展及生态系统等所造成的风险可能带来的损失进行评估，并据此进行管理和决策的过 程。环境风险评价分为危害判定、剂量反应评价、暴露评价及风险表征这四个阶段【1 8 】。 一般来说，土壤环境风险评价可分为生态风险评价和健康风险评价两大类【1 9 】。生态 风险评价的主要对象是环境介质、生物种群和生态系统，通过科学的、可靠的对人类活 动产生的生态效应评估而达到保护和科学管理生态系统的目的。健康风险评价主要侧重 于人体的健康风险，通过选择与人类类似的动物进行试验，以达到保护人类自身的目的。 土壤健康风险评价是8 0 年代以后兴起的狭义环境风险评价的重点，目前在世界上得到 一定的应用【1 9 , 2 0 , 2 1 1 。 1 2 2 土壤重金属污染研究进展 工矿区的污水灌溉、大气降尘和废渣( 尾渣) 扬尘会导致农田土壤重金属的污染， 土壤污染进而造成农作物中重金属累积污染，长期食用受污染的农作物则会导致人体致 癌、致病变和致畸形作用。农田土壤污染危及农产品安全，成为社会关注的热点之一。 我国每年因重金属污染而减产粮食1 0 0 0 多万t ，被重金属污染的粮食每年多达1 2 0 0 万t ，合计经济损失至少2 0 0 亿元。我国大多数城市近郊土壤都遭受不同程度的污染。 如江苏省某丘陵地区1 4 0 0 0k m 2 范围内，铜、汞、铅和镉等的污染面积达3 5 9 。西江 流域的1 万k m 2 土地遭受重金属污染的面积达5 5 0 0k n l 2 ，污染率超过5 0 ，其中，汞的 污染面积达1 2 5 7k m 2 ，污染深度达到地下4 0 c m 2 2 】。 国内外众多学者对重金属污染进行过研究，如美国学者r a yw b r o w n ，j o h nm m a r i o n y a r i 分别对德克萨斯州的拉伯克德镇居住区、肯尼亚内罗毕市和蒙巴萨岛街边土壤铅 进行了评估f 2 3 , 2 4 】，l u c i a n ag a b r i e l l if a v r e t t o 对暴露于路边铅污染的农产品污染实施了污 染分级研究【2 5 1 。法国北部已废弃的老矿山分布区，人群中癌症和畸形等疾病的发病率是 法国平均水平的1 0 倍。居住于铅冶炼厂附近1 0 的儿童中血铅含量高于1 0 0 9 l 的水平 【2 们。徐友宁等人对潼关金矿区矿业活动土壤重金属污染及其垂向变化做了较为深入的研 究1 2 7 1 。 3 第一章绪论 根据土壤重金属污染来进行生态风险评价技术是从2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初才 开始发展起来的。目前大部分研究还停留在理论框架和技术路线的探讨阶段，而且多是 针对水生生态系统提出的，涉及陆生生态系统的很少。而少数有关生态风险评价的应用 研究案例也多集中在生态环境中污染物浓度的测定或简单的风险指数的计算上，并不能 真正解决污染的生态风险评估 6 】。 我国近年利用风险概念和分析方法对环境健康风险的应用研究也取得较大进展。 l i a o 等( 2 0 0 5 ) 对湖南郴州市某工业区污染土壤进行了健康风险评价。但由于健康风险 评价本身不完善，目前的应用受到很大限制。s t e i n e m a n n 的研究表明，美国绝大部分环 境影响评价报告书中没有提及健康风险，极少部分涉及健康风险的环境影响报告书也只 是关注有毒化学物质或放射性引发癌症的风险，而忽略了其他重要的因素，如发病率、 致死风险、累积影响和更大范围内决定健康因素等【2 8 】。 农田土壤中重金属污染对植物的影响成为近年来土壤环境风险研究的热点问题之 一。目前国内外有关的土壤污染与作物关系研究报道众多【2 9 - 4 0 1 。我国近年来的研究己从 大面积的调查转入较为深入细致的研究，特别是重金属在土壤一水一植物一动物体系中 的循环【2 1 。有些重金属，例如铜、锌、镍和砷等，在土壤中过量时，首先会影响作物的 生长、发育和产量，另一些如镉、汞和铅等，则首先易被作物吸收积累，使可食部位的 含量超过食品标准 4 1 - 4 3 】。它们在土壤中的浓度更高时，才会影响作物的生长、发育和产 量。作物幼苗一般能吸收和积累更多的重金属，通过监测幼苗来诊断土壤污染亦具有一 定的实用意义。 1 2 - 3 研究区以往的研究程度 2 0 世纪6 0 年代以来，先后有多家地质单位在潼关金矿区从事基础地质、金矿找矿 与勘探、水文地质等工作，以基础地质、金矿勘查工作程度最高。其中地矿部西安地质 矿产研究所在1 9 9 1 年所做的潼关黄金产区环境影响评价及污染防治研究】以及2 0 0 6 年的陕西漳关金矿区环境地质问题专题调查【4 5 】项目研究结果表明潼关金矿区2 0 0 多 k m 2 的农业区内有近百处家庭作坊式的小汞碾、小氰化、小浮选等“三小”提金点。大 小黄金选冶工业场地9 9 处，面积0 8 9 k m 2 ；冶炼厂5 处，面积0 0 7 k m 2 ；大小尾矿库1 2 4 座，面积0 9 5 k i n 2 ；还有村前屋后、道路两侧、田间地头、河道两测随处可见尾矿渣堆 9 8 8 处，面积总计达2 3 2 k m 2 。可见潼关金矿区由于矿业活动引发的地质环境问题严峻。 2 0 0 7 2 0 0 9 年期间，西安地质矿产研究所的徐友宁研究员带领开展了小秦岭金矿带环境 4 长安人学硕士学位论文 地质问题调查评价的工作，对漳关地区的7 个峪道进行了矿渣型泥石流灾害、地表水水 体污染、地下水调查、土壤中金属污染、人体食物链调查等环境地质研究工作【4 7 1 。 国内众多学者也对潼关金矿区各种环境问题开展了多方面的研究工作。徐友宁等学 者对潼关金矿区农田土壤重金属污染进行了评价，结果表明：潼关金矿区中东部双桥河 流域的农田土壤受到较严重的重金属污染，西北角处于清洁和尚属清洁区。区内土壤污 染范围与矿业活动范围一致【4 8 1 。矿区重金属中汞污染已成为矿区最主要的环境污染问题 之一，汞的污染已造成矿区河水、大气、土壤、农作物污染，危害人体健康等【4 9 , 5 0 1 。徐 友宁，张江华等通过对比研究小秦岭某金矿区土壤重金属综合污染区和对比区内的小 麦、玉米籽粒中重金属的含量，得到污染区内小麦籽粒中汞、铅、镉累积程度显著高于土 壤对比区对照样的结论【5 1 1 。戴前进研究了的潼关地区混法采金h g 的环境地球化学性质 5 2 1 ，谢娟等评价了小秦岭双桥河流域的农田土壤污染，结果表明，双桥河流域是潼关地 区污染最严重的地区，汞是该区农田土壤中最主要的污染物【5 3 1 。 由前人研究的成果得出，潼关金矿区东中部污染严重，西北部较土壤清洁居多，本 研究以潼关金矿区中东部农田土壤的约l o o k m 2 区域为研究区，着重分析矿业活动多， 土壤污染严重的地区。 1 3 选题的目的及意义 人民生活水甲的提高，使得人们越来越关注生存环境质量问题，尤其是在经历长期 的工矿业，密集型农林业及建筑的地区。长期的开发活动污染和破坏了这些地区的生存 环境，这直接关系到每个人的安危，关系到下一代的健康成长，更关系到人类的生息繁 衍。 当前对生存环境构成直接危害的环境污染，己成为人们质疑、困惑和探索的重要命 题。而这其中，重金属元素的污染则是一个为人们相对忽略的重要环境污染因素。这是 由于重金属的不易察觉性和潜在危害性。实际上，重金属污染对人的生命健康的危害是 相当大的。概括起来主要为三种情形：首先，过多的摄取有毒性的重金属元素，可导致人 的免疫力低下，或直接导致病变造成终身残疾，甚至死亡；其次，重金属使局部地区人 类赖以生存的土壤、水遭受污染，由于有毒性重金属元素污染物难以被微生物降解，致 使长期积累，成局部地区地球化学场的“定时炸弹”，在某一时期突然爆发，形成大面 积的流行性病疫。最后，重金属污染会导致食物链中毒，致使当地人口整体身体素质不 断降低，病患儿增多，更使当地的粮食作物和蔬菜中的重金属元素超标，影响食用。土 5 第一章绪论 壤的重金属污染主要集中于大中型城市及其周围和金属矿床开采地。 土壤是人类生存的基础。随着经济的发展，环境污染事件频发，土壤重金属的污染 已越来越被人类所关注。从城市到农村都在进行重金属污染调查研究。陕西漳关金矿区 在秦岭北麓，由于该地区矿业的采一选一冶等活动，致使土壤受到了严重污染，农作物 也受到不同程度的污染，当地的农产品已不再安全，随着矿业对环境的长期污染，随时 都有地方病暴发的可能。如果该地区的环境污染得不到遏制，人类赖以生存的土地一旦 不能供给安全可靠的食物，那么该区大量的农业人口将面临生存问题。所以作为该地区 的主要污染地区，重金属污染的调查研究及治理势在必行。 综上所述，重金属污染对人体健康的危害十分严重，金属矿产资源开发区普遍是土 壤重金属污染的严重区，而土壤重金属污染风险及修复治理依旧是环境地质地球化学及 环境污染研究的热点问题，有关土壤重金属污染的环境效应，即土壤重金属总量及有效 态与立地农作物含量之间的关系更是土壤环境污染研究的前缘问题。本文在中国地质调 查局西安地质调查中心2 0 0 4 2 0 0 5 、2 0 0 7 2 0 0 9 年承担的中国地质调查局项目陕西潼关 金矿区环境地质问题专题调查、小秦岭金矿带环境地质问题调查评价及2 0 0 8 2 0 1 0 年国土资源部科研专项金矿区农田土壤重金属污染风险评估及阻断研究项目上，选 择土壤重金属总量、有效态含量及农作物重金属之间的关系作为本文研究重点，通过野 外样品采集、分析测试、综合分析及对比研究等工作方法，旨在研究土壤重金属总量情 况下，能够被作物吸收的有效态含量及农作物直接的关系，旨在为土壤重金属污染的生 态环境效应风险评价提供研究基础。 1 4 论文特色及创新点 ( 1 ) 查明了研究区土壤重金属污染现状、累积效应及时空变化； ( 2 ) 查明了研究区农作物中重金属的含量特征及污染现状，分析了环境污染的农 作物效应； ( 3 ) 首次在研究区开展了农田土壤有效态的研究工作；并探讨了土壤重金属含量 与土壤重金属形态含量的统计关系。 ( 4 ) 首次讨论了研究区土壤重金属总量与土壤有效态含量及农作物中重金属含量 之间的关系，为今后的工作提供了研究基础。 6 长安大学硕士学位论文 2 1 研究区交通状况 第二章研究区概况 本文的研究区包括潼关县中东部的农业生产区。研究区东邻河南省灵宝市，北隔黄 河与山西省芮城县相望。地理坐标北纬3 4 0 2 9 o o ”3 4 0 3 7 0 0 ”，东经1 1 0 0 1 8 o o ” 1 1 0 0 2 6 ，0 0 ”，总面积l o o k m 2 。 工作区内交通便捷，陇海铁路横贯东西，同蒲铁路北连山西。3 1 0 国道由潼关县。 中部通过，西接华县东进河南；西( 安) 潼( 关) 高速公路沿潼关县北部穿过，北上山西， 东进河南；潼( 关) 洛( 南) 省级公路开通：县、乡( 镇) 级公路四通八达( 图2 1 ) 。 2 2 社会经济发展概况 潼关县土地面积4 0 9 3 5 k i n 2 ，辖5 镇4 乡、8 3 个行政村、2 0 个居委会，人1 2 1 5 万。以县城为中心的台塬地带人口密度为3 5 4a k i n 2 ，占总人口的6 6 7 。黄河、渭 7， 第二章研究区概况 河谷地2 8 4 2 ，占1 6 9 。南部山区密度最小，1 1 3a j k m 2 ，占1 6 4 。农业人口占 总人口的8 5 。 潼关县是一个农业欠发达的小县，农业生产布局可分为两大部分：南部山区为林牧 区，面积2 0 6 8 k m 2 。林业用材树有华山松、白皮松、侧柏、刺槐、杨树类、栎类、椴树、 白桦等；经济树种有漆树、核桃、苹果、桃、杏、梨、柿、枣、花椒、山楂等。山区农 耕地少，零散分布于峪道中，面积约4 0 0 0 亩。主要种植春玉米及土豆，其次为豆类、 大麻、药材等。牲畜有牛、羊等。山前为粮果油区，耕地1 1 万亩，主要种植小麦、玉 米，其次为糜、谷及豆类；经济作物有棉花、蔬菜、油菜和瓜类。果园5 0 0 0 亩，主要 为苹果、梨、桃、柿子等。区内水库1 0 座，鱼类养殖面积1 7 3 亩，养殖草、鲢、鲤等 鱼种。潼关县工业主要以采矿业、食品加工业和交通运输业为主。 2 3 地质环境概况 2 3 1 地形地貌分区 从南向北，从小秦岭山前断裂到黄河岸边，依次划分为山前冲洪积扇斜塬区、黄土 沟壑残塬区和黄河一渭河冲积平原区等三个地形地貌分区( 图2 2 ) 。 ( 1 ) 山前冲洪积扇斜塬地貌区 小秦岭山前断裂以北为山前冲洪积扇斜塬区，由多个大小不等的古老洪积扇群连接 而成。塬面向北倾斜，坡降约为5 0 左右，海拔高程5 0 0 - 9 0 0 m 。由于受山区沟谷的冲蚀， 塬面起伏，在太要寺底河一带形成洼地。该区沉积地层下部为早更新世冰积、洪积漂 砾、卵砾石层，岩性为棕黄、黑灰、灰白及青灰色含砾砂质粘土及漂砾卵石层互层。上 部为晚更新统马兰组土黄色粉细沙质黄土，胶结松散，垂直节理发育，厚度约5 1 5 m ， 顶部为耕作土壤层。 ( 2 ) 黄土沟壑残塬地貌区 位于洪积斜塬以北，黄河一渭河冲积平原区以南地区。塬面较为平坦，坡角1 , - - , 3 0 ， 海拔高程5 0 0 7 0 0 m ，由大小不等残塬构成，沟谷切割较深，一般在3 0 1 0 0 m ，多为 “v 型谷。沉积地层下部为早更新统三门组冰积砾石层及中部中更新统离石组粉砂土、 细砂土夹古土壤层，厚度4 2 7 2 m ；上部为晚更新统马兰组粉、细砂质黄土，厚1 0 2 0 m 。 ( 3 ) 黄河一渭河冲积地貌区 包括黄河和渭河河漫滩及两岸的i 级阶地，主要分布在黄河南岸海拔3 3l m ， 地面平坦，地下水位较高。阶地沉积地层具二元结构、下部为卵砾石层、上部为亚粘土 2 长安大学硕士学位论文 层。 2 3 2 地质构造 ( 1 ) 地层岩性 研究区地层主要发育新生界第四系，广布于潼关县山前大断裂以北的冲洪积斜塬和 黄土沟壑地貌区。主要为早一中更新统三门组冰湖相冲洪积沉积层和中一晚更新统离石 组、马兰组风积黄土及全新统现状河流沉积。研究区发育岩浆岩，但好似潼关地区岩浆 岩活动较为发育，具期次多、岩性复杂之特点。太古代侵入岩为花岗岩伟晶岩和混合花 岗岩，以岩脉状、岩株、岩床状产出。而加里东一华力西期侵入岩，岩性为二长花岗岩。 ( 2 ) 地质构造 潼关金矿区地处小秦岭太华台拱与汾渭断陷结合部，本研究就是以小秦岭山前断裂 以北的潼关农业生产区的中东部为研究区。由于古老基底太华群的长期隆起和渭河断凹 的不断下降，形成悬殊的地形地貌单元和构造单元。在新构造运动的作用下，山前断裂 发生间歇性强烈抬升，山麓冲洪积扇群叠覆，河流长期遭受剥蚀夷平，形成了现代地质 构造景观。 9 第二章研究区概况 2 3 3 气象水文 ( 1 ) 气象 研究区属暖温带大陆性季风半润湿一润湿气候区。多年降水量5 8 7 4 m m ，蒸发量 1 1 9 3 6 m m ，降水量仅是蒸发量的4 9 2 。年最大降水量9 5 8 6 m m ( 1 9 6 6 年) ，最小降水 量3 1 9 1 m m ( 1 9 9 7 年) ，区内降水量南北差异明显，由北向南递减。日最大降水量为 1 1 3 4 m m ( 1 9 8 5 年7 月2 4 日) ，日最大降雨量在l o o m m 以上为十年一遇。日降雨量在 5 0 m m 以上平均两年一遇。年度最大降水量出现在7 、8 、9 三个月的年份占7 6 1 9 【4 5 】。 ( 2 ) 水文 研究区地表水主要为黄河水系。黄河在花园东折，经老县城、沙坡村流入河南省灵 宝市鸡子岭境内。区内河宽平均2 k m ，水域面积1 1 7 k m 2 ，平均流速4 2 4 m s ，最大流速 5 6 2 m s ，最大流量1 1 8 0 0 0 m 3 s 。 研究区内黄河的较大支流只有双桥河。双桥河是由西峪、东桐峪、善车峪、太峪、 麻峪等5 条山区河流汇集而成，在河南灵宝市鸡子岭汇入黄河，长度约1 9 5 0 k m ，汇水 面积约1 7 1 6 4 k m 2 ，平均年径流量约3 7 6 7 万m 3 。( 表2 1 ) 。 表2 1 研究区主要河流情况一览表 2 3 4 土壤 研究区土地面积l o o k m 2 ，由于自然条件复杂，母质的形成过程及外界环境条件不 同，土壤结构和类型差别较大。 依据土壤结构和性状，研究区由南而北土壤类型大体可分为洪淤土( 河淤土) 和沙 粘土、填