（环境工程专业论文）太湖与滇池表层沉积物重金各环境地球化学基线的厘定.pdf

摘要 摘要 本文选择位于长江三角洲的太湖和位于云贵高原的滇池作为研究区域，以 表层沉积物重金属地球化学基线为研究对象，通过标准化方法、相对累积频率 曲线法、2 倍迭代标准差法和计算分布函数法( 后三种统称为统计学方法) 厘定 了基线值。同时利用相关性分析、聚类分析和主成分分析阐述了区域差异的主 要表现及主要来源。具体如下t 太湖表层沉积物重金属主要呈现北高南低的分布趋势，梅梁湾( 1 撑) 和竺 山湾( 6 j 5 i ) 是太湖沉积物重金属污染最严重的两个湖湾。全湖以a s 、c o 和p b 所受污染最小；c r 、c u 、n i 、z n 已受到一定程度的污染，且部分区域有较严重 的点源污染存在。滇池表层沉积物重金属污染最严重的区域是草海( 1 群) ，其次 是靠近草海的外海北部区域。全湖以c o 和c r 所受人类影响最小；而c u 、n i 、 p b 、z n 在草海及其周边区域浓度偏高，是污染的重要区域，同时滇池外海部分 区域也有点源污染的存在。 采用标准化方法、统计学方法确定了太湖与滇池表层沉积物重金属的环境 地球化学基线，结果表明，采用不同方法确定的基线值存在一定的差异。从不 同区域的对比来看，滇池的基线值要高于太湖，这除了和自然母质的不同外， 还和滇池污染的整体抬升有关。从不同的方法来看，各种方法互有优缺点，如 标准化方法不适应于人为影响很严重的区域，相对累积频率曲线法适用于有明 显点源污染的区域。 太湖与滇池表层沉积物重金属两两之间的相关性差异明显，聚类情况也很 不一样，这说明分析区域差异特征的确很有必要。从主成分分析的结果可知， 太湖和滇池表层沉积物重金属的来源都可以归为三个主成分来源，其中第一主 成分可认为是外源水体污染的输入，第二主成分可认为是自然母质的来源，第 三主成分可认为是大气沉降来源。然而对于特定的某一个元素，来源还是很不 一样，如a s 在太湖以自然母质来源为主，而在滇池则以外源水体污染的输入为 主。 综上，本文综合比较各种基线确定方法的优缺点，并运用在太湖和滇池表 摘要 层沉积物重金属的实践中，成功厘定了区域差异特征明显的两个区域水系沉积 物的基线值，为地方政策法规制定者及科研工作者提供参考，具有很好的实用 价值。 关键词：地球化学基线，沉积物，重金属，标准化方法，统计学方法，空间分布 a b s t r a c t l a k et a i h ui nt h ey a n g t z er i v e rd e l t aa n dl a k ed i a n c h ii ny u t m a n g u i z h o u p l a t e a uw a ss e l e c t e da ss t u d ya r e a s ，a n ds u r f a c es e d i m e n tg e o c h e m i c a lb a s e l i n ei so u r r e s e a r c ho b je c t w ed e t e r m i n e dg e o c h e m i c a lb a s e l i n ev a l u e st h r o u g hs e v e r a lm e t h o d s ， i n c l u d i n gn o r m a l i z a t i o nm e t h o d ，r e l a t i v ec u m u l a t i v ef r e q u e n c yc u r v e s ，i t e r a t i v e2 o - t e c h n i q u ea n dc a l c u l a t e dd i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ( t h el a t t e rt h r e ec o l l e c t i v e l yr e f e r r e dt o a ss t a t i s t i c a lm e t h o d s ) i nt h es a m et i m e ，w ee x p o u n dm a i ns h o w sa n dm a i ns o u r c e s o fr e g i o n a ld i f f e r e n c e su s i n gc o r r e l a t i o na n a l y s i s ，c l u s t e ra n a l y s i sa n dp r i n c i p a l c o m p o n e n ta n a l y s i s a sf o l l o w s ： h e a v ym e t a l si ns u r f a c es e d i m e n t so f l a k et a i h um a i n l ys h o wa d i s t r i b u t i o no f 1 1 i 曲i nn o r t ha n dl o wi ns o u t h , a n dm e i l i a n gb a y ( 1 撑) a n dz h u s h a nb a y ( 6 拌) a r et h e t w om o s ts e r i o u sc o n t a m i n a t e da r e a s i nt h ew h o l el a k eo ft a i h u , a s ，c oa n dp ba r e m u c hm o r ec l e a rt h a no t h e rh e a v ym e t a l sw h i l ec r ，c u , n ia n dz na r em u c hm o r e c o n t a m i n a t e d ，a n dh a v eas e r i o u sp o i n ts o u r o gp o l l u t i o n h e a v ym e t a l si ns u r f a c e s e d i m e n t so fl a k ed i a n c h ia r em o s t l yp o l l u t e di ni n n e rd i a n c h i ，m o s t l yn a m e d c a o h a i ，t h e nt h ea r e a sw h i c ha r ec l o s e dt oc a o h a i i nt h ew h o l el a k eo fd i a n c h i ，c o a n dc ra r ei m p a c t e db yh u m a nb e i n gl e a s tw h i l ec u , n i ，p ba n dz na r et o oh i g hi n c a o h a ia n di t ss u r r o u n d i n ga r e a i nt h es a m et i m e ，o t h e rp l a c ei nl a k ed i a n c h i ，w e c a na l s os e ep o i n ts o u r c ep o l l u t i o n w eu s en o r m a l i z a t i o nm e t h o da n ds t a t i s t i c a lm e t h o dt od e t e r m i n ee n v i r o n m e n t a l g e o c h e m i c a lb a s e l i n eo fh e a v ym e t a l si ns u r f a c es e d i m e n t so fl a k et a i h ua n dl a k e d i a n c h i t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed i f f e r e n tm e t h o d su s e dt od e t e r m i n et h e g e o c h e m i c a lb a s e l i n ev a l u eh a v es o m ed i f f e r e n c e v i e wf r o mt h ec o m p a r i s o no f d i f f e r e n tr e g i o r s ，b a s e l i n ev a l u eo fl a k ed i a n c h ii sh i g h e rt h a nl a k et a i h u , m a y b ei t i sr e g a r dt ot h ed i f f e r e n c eo fn a t u r a lp a r e n tm a t e r i a la n dt h eu p l i f to fo v e r a l lp o l l u t i o n o fl a k ed i a n c h i f r o mad i f f e r e n tp o i i no fv i e w , e a c hm e t h o dh a sa d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e s ，s u c ha st h en o r m a l i z a t i o nm e t h o di sn o ts u i t e dt os e r i o u sp o l l u t e d r e g i o n ，w h i l et h er e l a t i v ec u m u l a t i v ef r e q u e n c yc u r v e si s s u i t a b l et or e g i o n sw h i c h h a v es i g n i f i c a n tp o i i l ts o u r c ep o l l u t i o n i i i a b s t r a c t 1 1 1 ec o r r e l a t i o nb e t w e e ne a c ht w oh e a v ym e t a l so fl a k et a i h ua n dl a k ed i a n c h i a r es i g n i f i c a n td i f f e r e n c e s ，s oa st h ec l u s t e ra n a l y s i s s oi ti sn e c e s s a r yt oa n a l y z et h e r e g i o n a ld i f f e r e n c e si nf e a t u r e s f r o mt h ep r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i sr e s u l t s ，t h e o r i g i n so fh e a v ym e t a l si ns u r f a c es e d i m e n t sc a l lb ec l a s s i f i e d 弱t h r e em a i ns o u r c e s ， o n eb ec o n s i d e r e da se x o g e n o u si n p u to fw a t e rp o l l u t i o n , t h es e c o n db ec o n s i d e r e d m a i n l yn a t u r a ls o u r c eo fp a r e n tm a t e r i a l ，t h et h i r db e c o n s i d e r e da ss o u r c e so f a t m o s p h e r i cd e p o s i t i o n h o w e v e r , f o ro n ep a r t i c u l a re l e m e n t ，t h es o u r c e sa r en o tt h e s a n l e ，s u c ha sa si nl a k et a i h ui sm a i n l yf r o mn a t u r a ls o l z r c eo fp a r e n tm a t e r i a l w h i l ei nl a k ed i a n c h ii se x o g e n o u si n p u to fw a t e rp o l l u t i o n i n s u m m a r y , t h i s t h e s i s c o m p r e h e n s i v ec o m p a r e t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e so fv a r i o u sm e t h o d sw h i c ha r eu s e dt od e t e r m i n et h eb a s e l i n ev a l u e ， t h e nu s e di nt h ep r a c t i c eo fs u r f a c es e d i m e n t so fl a k et a i h ua n dl a k ed i a n c h i 、 s u c c e e di nd e t e r m i n e dt h eb a s e l i n ev a l u eo fs t r e a ms e d i m e n ti nt h ea r e a sw h i c hh a v e d i f f e r e n tr e g i o n a lc h a r a c t e r i s t i c s o u rw o r kc a np r o v i d er e f e r e n c e st ol o c a lp o l i c i e s a n dr e g u l a t i o n sm a k e r sa n dr e s e a r c h e r s ，s oo u rw o r kh a se x c e l l e n tp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：g e o c h e m i c a lb a s e l i n e ，s e d i m e n t ，h e a v ym e t a l ，n o r m a l i z a t i o nm e t h o d , s t a t i s t i c a lm e t h o d ，s p a c ed i s t r i b u t i o n i v 0 绪论 0 绪论 0 1 课题来源 本课题来源于国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 计划) “湖泊水环境质量演变 与水环境基准研究 之子课题“湖泊生态系统典型重金属和有机污染物的区域差 异及其水生态系统响应”，编号为2 0 0 8 c b 4 1 8 2 0 1 。项目首席吴丰昌，现为中国 环境科学研究院研究员，国家环境保护湖泊污染控制重点实验室主任。子课题 负责人为中国环境科学研究院张远研究员。本人导师中国科学院地理科学 与资源研究所韦朝阳副研究员，负责其中“a s 、s b 、h g 等重金属的区域差异及 基线水平研究。 本论文围绕导师研究课题开展研究，主要数据均来自于以上课题。 o 2 研究背景 沉积物是湖泊生态与环境系统中最重要的组成部分之一，是水圈、岩石圈 和生物圈交互作用的活跃圈层，既对外界水气、生物质具有容纳、储存能力， 又是表层及近表层物质积极转化与交替的场所，表现出特有的环境和生态效应， 因而是湖泊生态系统中亟待研究的领域。自然湖泊的沉积物一般并非与生俱有 污染性，相反却是湖泊集水域内一切来源物质的汇，为净化水体和消除污染物 起着积极的调节作用。由于人类活动的影响，与沉积物直接接触的受污染水体 因不断接纳超过其净化能力的污染数量，并通过吸附、包夹及物理、化学和生 物的沉积使得上层沉积物具有污染特征。作为湖泊系统中固体介质的代表，沉 积物积极参与水体中各类物化反应和生物作用，对水环境和水生生物产生影响。 储存于沉积物中不同种类和数量的污染物，通过在环境中的暴露、沉积物水界 面的释放等过程，将赋予沉积物对湖泊水环境和生态系统形成威胁的潜在能力 【l 】 o 与水体相比，沉积物中重金属具有丰度高、易于准确检测等特点，重金属 相对于其环境本底值的变化直接反映了一个地区的环境质量，因而水体沉积物 重金属变化具有重要的环境指示意义，是环境评价中的一个重要指标【2 j 。已有的 研究结果表明，由于人类生活和生产活动已造成湖泊沉积物中重金属含量明显 0 绪论 增加，其在沉积物中的沉积、分布变化主要受其周边地区的排污及湖区和河1 3 水动力条件的影响和控制。在某种程度上，湖泊沉积物中重金属的变化体现了 湖区生态环境地质演化的趋判引。 为了揭示并对比不同水系沉积物中重金属的污染程度，不能完全看重金属 的浓度大小，还要结合研究区沉积物在没有受到污染情况下的浓度进行比较。 这就涉及到重金属基准数据的问题。一直以来，大部分研究者把背景值作为基 准数据。然而，背景的元素含量数据往往忽略或者简化了自然变化，对自然变 化程度认识不足导致设定一些不符合实际的水平或难以达到的标准，从而引起 不必要的恐慌及不必要的法律和经济损失。地球化学基线所要研究的正是上述 化学元素在地表环境中的浓度自然变化，因此，开展地球化学基线研究室一项 非常紧迫的任务，并已成为重要的前言领域m j 。 中国科学院院士、著名的地球化学家谢学锦认为，西方的研究已经表明，土壤 样品中的元素含量只代表一个非常局部的情况，而每个水系沉积物样品中的元 素含量则可近似代表整个上游汇水盆地的平均值，故正式建议开展水系沉积物 测量【6 1 。到目前为止，国内关于环境地球化学基线的研究已有十来年的历史，包 括成都理工大学、北京师范大学、中科院地化所在内的科研单位对部分区域土 壤的地球化学基线进行了深入的研究，并发表了不少论文于国内及国际期刊。 然而，关于沉积物的地球化学基线的研究寥寥无几。而国外在沉积物地球化学 基线方面的研究已经进行了几十年。 本论文以太湖与滇池为例，旨在建立一套具有实用性的厘定重金属地球化 学基线的方法。同时分析重金属在太湖与滇池之间的区域差异特征，采用不同 的评价方法进行污染评价，探讨其分布规律，为改善生态环境，为法律法规制 定者制定相关法律法规和实施可持续发展规划提供参考。 0 3 研究的思路、方法、内容及拟解决的关键问题及创新之处 o 3 1 研究思路 论文以沉积物环境地球化学研究为主线，将沉积物重金属的空间分布规律 与环境地球化学机理相结合，厘定区域沉积物重金属的环境地球化学基线，同 时使用相关性分析、聚类分析和主成分分析判定沉积物重金属的来源，并对其 与基线值的关系进行探讨。 2 0 绪论 o 3 2 研究方法 论文使用标准化方法和统计学方法( 相对累积频率曲线法、迭代2 倍标准 偏差法和计算分布函数法) 求太湖与滇池表层沉积物重金属的基线值。并使用 相关性分析、聚类分析和主成分分析判定其主要来源及所求基线值的可靠性。 o 3 3 研究内容 结合研究区域沉积物的地理、地质、地球化学特征，重点开展如下研究： ( 1 ) 对数据进行统计性分析，并绘制各重金属元素的d w 插值图，进行 空间分布特征分析； ( 2 ) 用标准化方法、相对累积频率曲线法、迭代2 倍标准偏差法和计算分 布函数法厘定太湖与滇池表层沉积物重金属的基线值； ( 3 ) 相关性分析、聚类分析和主成分分析。 o 3 4 拟解决的关键问题及创新之处 结合上述研究内容，论文将重点解决如下的关键问题： ( 1 ) i d w 插值图的绘制与空间分布特征的分析； ( 2 ) 用标准化方法和统计学方法厘定重金属的基线值： ( 3 ) 用相关性分析、聚类分析和主成分分析探讨沉积物重金属的来源及其 与基线关系。 论文的创新性成果主要有： ( 1 ) 首次以数字的形式厘定了水系沉积物重金属的基线值； ( 2 ) 首次将迭代2 倍标准偏差法和计算分布函数法应用于中国土壤沉积物 重金属基线值的厘定。 ( 3 ) 首次将两个区域差异特征明显的区域作为研究对象，并对其重金属的 来源及与基线值的关系进行了探讨。 0 4 工作流程 具体的工作流程如下： 3 0 绪论 统计性分析 d w 插值与空间分布特征分析 标准化 方法 相对累积 频率曲线 迭代2 倍 标准差法 计算分布 函数法 太湖与滇池沉积物重金属的地球化学基线 相关性分析ll聚类分析il 主成分分析 重金属来源及其与基线 关系的探讨 图1 - 1 研究工作流程图 4 第一章文献综述 第一章文献综述 i i 环境地球化学基线 i i i 地球化学与环境地球化学 地球化学( g e o c h e m i s t r y ) 属于地学和化学相互融合的边缘学科，主要 研究化学元素和其同位素在地球( 广义可包括部分天体) 演化历史中的分 布、分配、迁移等规律的科学。地球化学的理论和方法，对矿产的寻找、 评价和开发、农业发展和环境科学等有重要意义。 环境地球化学( e n v i r o n m e n t a lg e o c h e m i s t r y ) 是环境科学与地球化学之 间的一门新兴的边缘学科。它主要研究环境中天然的和人为释放的化学物 质的迁移转化规律，及其与环境质量、人体健康的关系。 1 1 2 地球化学填图 地球化学填图( g e o c h e m i c a lm a p p i n g ) 是按一定规范要求，系统采集某种 天然物质，分析元素周期表上多种元素含量，以标准化的方法制作元素空间变 化的各种比例尺地球化学图，为基础地质、矿产勘查、环境、农业、人类健康 等提供基础资料。地球化学填图与地球化学探矿和地球化学勘查是有区别的， 区别在于地球化学探矿目标单一，就是找矿；地球化学勘查目标虽然是多样的， 可以是勘查矿产，也可以是勘查环境；而地球化学填图强调的是标准化的方法， 成果表达以图件的形式出现，目标是多样的【7 】。 国际地质对比计划( i g c p ) 先后于1 9 8 8 年和1 9 9 3 年将国际地球化学填图 计划( i n t e r n a t i o n a lg e o c h e m i c a lm a p p i n g ，i g c p 2 5 9 ) 和全球地球化学基准计划 ( g l o b a lg e o c h e m i c a lb a s e l i n e ，i g c p 3 6 0 ) 列入其中【引。前一个计划的目的是为了制 订国际地球化学填图标准化方法，以便获得全球可对比的数据；后一个计划的 目的是制订用于全球地球化学填图的超低密度采样方法，制作元素周期表上除 了惰性气体元素和人工元素以外的所有天然元素在全球分布的地球化学图。各 国地球化学填图采集的样品主要是水系沉积物而不是岩石。这是因为岩石样品 组分很不均匀，其代表性非常局限，而水系沉积物样品却可以近似地反映一个 很大面积内岩石中的平均组分。 5 第一章文献综述 1 1 3 地球化学基线 1 1 3 1 地球化学基线的定义 地球化学基线( g e o c h e m i c a lb a s e l i n e ) 一词，最早于1 9 8 8 年出现在i g c p 2 5 9 ( 国际地球化学填图计划) 项目中，此后的1 9 9 3 年，又成为i g c p 3 6 0 ( 全球地 球化学基线) 项目的研究重点。这两个项目的目标是通过使用标准化方法，系 统测量地壳表层多种化学元素特征，并绘制这些特征的地理空间分布图。 关于地球化学基线，目前还没有一个统一的定义【9 】。k a b a t a p e n d i a s 等【l o 】定 义的地球化学基线是指所测样品的浓度在正态分布下在9 5 数学期望情况下的 平均值。s a l m i n e n 与t a r v a i n e n t l l l 将地球化学基线定义为地球表层物质中化学物 质( 元素) 浓度的自然变化，并认为元素在土壤中的地球化学基线由自然地质 背景和人为来源两部分组成。v a nd e no e v e r 1 2 】贝0 认为地球化学基线就是地球化 学背景。s a l m i n e n 与g r e g o r a u s k i e n e 1 3 l ：地球化学基线将某一地区或数据集合作 为参照时某一元素在特定物质中( 土壤、沉积物、岩石) 的自然丰度，并可以 表述为区分地球化学背景和异常的单一的极限。之所以各位学者对地球化学基 线的定义不一样，主要和其研究对象和研究目标有关。 地球化学基线是地球表层物质中化学物质( 元素) 浓度的自然变化，然而 这种自然变化并不排除人类活动的影响，旨在描述目前表生的环境状况，是一 种用以衡量日后环境变化的基准材料，也被译作地球化学基准，有“起始标准 的含义【1 4 】。地球化学基线的确定，可以为政策制定者制定政策提供参考。 1 1 3 2 地球化学基线的研究对象与研究目标 地球化学基线的研究对象主要是土壤和水系沉积物。土壤的地球化学基线 ( 有时s o i lg e o c h e m i c a lb a s e l i n e 也被翻译成“土壤地球化学基准) 在全球开展的 比较广泛，如2 0 0 1 2 0 0 5 年，荷兰实施了荷兰土壤的地球化学特征和基线调查： 自然背景与人为扩散的痕迹，并于2 0 0 0 年在 n e t h e r l a n d sj o u r n a lo f g e o s c i e n c e s ) 7 9 卷第四期出版了“荷兰的地球化学填图”专辑；滕彦国等对中国四川攀枝花 地区土壤的地球化学基线进行了研究【4 j 。水系沉积物的地球化学基线( s e d i m e n t g e o c h e m i c mb a s e l i n e ) 是各国地球化学填图的主要研究对象，因为相较于土壤以 及生成土壤的成土母质，水系沉积物的样品可以近似地反映一个很大面积内土 壤或成土母质的平均组分，水系沉积物是流域内物质的一个汇。目前在水系沉 积物的研究中，以海洋、海湾及河口的研究居多【1 5 1 7 】，也有对湖泊及河流的研 6 第一章文献综述 究【1 8 洲。 从地球化学基线的定义可以看出，地球化学基线提供了对比及判别人类或 自然事件造成的环境扰动的标准，是人们对第一环境( 自然环境) 和第二环境 ( 被扰动的自然环境) 深刻认识的体现【2 l 】。地球化学基线研究探索的是环境的 目前状态，并提供了将来环境扰动的( 不管是自然的还是认为的) 对比标准或 尺度。地球化学基线研究的总体目标是建立区域地表物质中化学元素的自然变 化的数据库( 信息) ，并根据此评价自然的和人为的环境影响，其中最重要的是 凭借人类开发前后化学物质浓度的变化及环境的演变【4 j 。尽管目标各异，但概况 起来不外乎如下几种：以科学探索为目标，如地球化学基线的确定方法、影 响因素研究等；以全球环境监测、预测为目标，如全球地球化学填图；0 环 境与经济目标并重，如通过基线填图进行矿产勘察评价、环境调查评价【4 】。 1 1 3 3 基线与背景值、本底值、丰度、标准的异同 在概念和应用上，地球化学背景与地球化学基线常被混淆，或是相互替代， 忽略了二者之间的差异。美国黄石公园地球化学基线研究项目负责人c a n n o n 例 教授指出：地球化学背景代表不包括人类活动影响在内的自然物质中元素的浓 度，与此相反，基线则代表在人类活动扰动地区一些地点及时测量的元素浓度， 通常并不是真正的背景。由于人类活动影响范围广，所以背景通常比基线更难 确定。也有学者将基线作为背景和异常的界限，即低于基线的部分作为地球化 学背景，高于基线的部分作为地球化学异常【4 ，2 2 1 。 此外，背景值、本底值和基线值也是容易被人们混淆的概念。本底值和背 景值有时候可以相互通用，但本底值更侧重于环境评价领域的应用，同济大学 出版社于1 9 9 0 年1 2 月出版的环境评价团】中描述n - “环境要素质量参数本 底值的含义是指未受到人类活动影响的自然物质的组成量。但在人类长期活动 的影响下，特别是当今频繁的社会经济活动的影响下，自然环境的原始组成已 经不复存在因此，自然环境要素的质量参数本底值的实际含义，应该是环 境质量的背景值，即以一个区域内相对清洁地区监测所得到的质量参数的统计 平均值作为该区域各质量参数的背景值。所谓相对清洁区是指受到人类活动影 响较小的区域1 4 j 。 元素的丰度是指化学元素在地球化学系统中的平均分布量。不同的自然体 系元素有不同的分布，因而元素丰度又有地球丰度、地壳丰度、区域地壳丰度、 7 第一章文献综述 岩石丰度等阱】。在考查某一地质体内的化学元素的富集( 贫化) 情况时，往往将该 地质体的元素丰度作为对比标准，在进行这样的处理时，该地质体的元素丰度 反映的也是一种地球化学基线，当然使用元素丰度作为地球化学基线获得的元 素富集( 贫化) 信息只是相对于该地质体而言，或者仅仅是相对于自身体系而言， 往往不能揭示人类活动对该地质体元素分布的扰动情况，因此，要确切了解人 为活动对其的扰动情况，必须先确定地球化学基线。 土壤环境质量标准是依据法律手段规定的土壤中污染物的最高允许浓度指 标值及相应的监测方法。在我国土壤环境质量标准是依据中华人民共和国环 境保护法制定的，其目标是防止土壤污染，保护生态环境，保障农林生产， 维护人体健康。土壤环境质量标准是环境管理和监测部门实施环境管理和环境 监测的法律依据。由于不同地区的地质条件、地球化学特征及人类活动特点不 同，因此在研究土壤环境的人为扰动时环境标准无法代替基线【2 。 1 1 3 4 基线的影响因素 地球化学基线的影响因素很多，主要有地质背景、地理地貌条件、气候条 件、地球化学景观、取样制样过程及分析方法、介质类型等【2 l 】，详见滕彦国等 的专著地球化学基线的理论与实践第二章第四节。 1 2 湖泊沉积物重金属污染 1 2 1 重金属的定义 比重在5 以上的金属统称为重金属，如金、银、铜、铅、锌、镍、钴、镉、 铬和汞等4 5 种。砷、硒是非金属，但是它们的毒性及某些性质与重金属相似， 所以将砷、硒列入重金属污染范围内。从环境污染方面所说的重金属，实际上 主要是指汞、锅、铅、铬以及类金属砷等生物毒性显著的重金属，也指具有一 定毒性的一般重金属如锌、铜、钴、镍等。 1 2 2 重金属元素的地球化学特征 世界各国对于重金属开展的研究已有近百年的历史，对于重金属污染从采 样到化学分析，到评价、建立相应的污染标准，形成了相对比较完整的一个分 析研究体系。因为重金属在地表环境中不能被微生物降解，大多数富集在矿物 和有机物上，具有累积效应，而且通过食物链会产生生物富集放大作用，将重 8 第一章文献综述 金属转化成毒性更大的化合物，影响人类的健康。重金属污染因其具有这种隐 蔽性、长期性和不可逆转性的特点而引起环境科学工作者的广泛关注。根据“突 变率 的毒理学评价，重金属在所有污染物质中占第2 位，仅次于杀虫剂成为 最危险的污染物质，在美国毒物和疾病注册局( a ：r s d r ) 登记的2 0 0 1 年优先危 险物中a s 排第1 位，其次是p b 、h g 、c d 排第7 位【2 5 】。为了更好地把握重金属 元素在各种介质中的迁移转化规律，在开展地球化学基线研究之前，有必须先 了解待研究的元素的地球化学特征。 砷( 舢) ：砷在自然界中主要以硫化物的形式存在，如雌黄和雄黄。最常见 的化合物为砷的氢化物a s h 3 或称胂。砷以三价和五价状态存在于生物体中，三 价砷在体内可以转化为甲基或甲基砷化物【2 】。具有亲硫和亲铁性，其在地壳中的 克拉克值为2 2 m g k g 。砷的硫化物及氧化物在水中的溶解度很低。土壤中砷的 含量大于其在火成岩中的含量，表明土壤中砷有一定程度的富集。砷易富集在 含有机质及硫化物多的沉积物中【2 6 】。 锑( s b ) ：锑广泛分布于各种地质体中，在地壳中的含量很低，丰度约为 ( 0 2 0 4 ) 1 0 缶。但锑的浓集系数高达2 5 0 0 0 ，是典型的聚集元素，其浓集成工 业矿床的能力很强，可以富集成单一锑矿床( 如世界著名的锑都一锡矿山) 。同时， 锑属于亲铜元素，与砷、金、铋的地球化学性质相似。此外，锑与汞的地球化 学特征也较相似。因此，s b 常以类质同像的形式与a s 、b i 、h g 等元素组合， 形成各种硫盐矿物和复硫化物，如黝铜矿( c u l 2 s b 4 s 1 3 ) 、砷黝铜矿( c u l 2 s b 4 s 1 3 ) 、 硫汞锑矿( h g s b 4 s 8 ) 等。s b 也可以以独立的硫化物形式，与a s 和h g 等形成共生 矿床。 虽然s b 在地壳中的含量很低，但是锑矿石自然风化和采矿、冶炼、化石燃 料的燃烧以及锑化合物的广泛使用等人为活动，增加了表生地球化学环境中锑 的含量，造成了大气、水体、土壤等的s b 污染 2 7 1 。 汞( h g ) ：汞是在正常大气压力的常温下唯一以液态存在的金属。熔点3 8 8 7 ，沸点3 5 6 6 c ，密度1 3 5 9 克立方厘米。银白色液体金属。内聚力很强，在 空气中稳定。蒸气有剧毒。溶于硝酸和热浓硫酸，但与稀硫酸、盐酸、碱都不 起作用。能溶解许多金属。化合价为+ 1 和+ 2 。汞的七种同位素的混合物。具有 强烈的亲硫性和亲铜性，即在常态下，很容易与硫和铜的单质化合并生成稳定 化合物，因此在实验室通常会用硫单质去处理撒漏的水银【2 引。 汞是环境监测一个非常重要的元素，其在地壳中的克拉克值为o 0 9m g k g 。 9 第一章文献综述 汞的主要矿物辰砂在表生条件下属于最稳定的矿物。但它可以发生缓慢的变化， 如形成甘汞等。汞化合物溶解度很低，环境中许多物质对汞有吸附作用，因而 水体中的汞含量不高。现代沉积物中，由于工业污染等原因，部分地区沉积物 汞含量达o 5m g k g 。 钴( c o ) ：地球各圈层中钻的丰度与铁有相似的变化规律，由地壳向地核急 剧增加。钻在地壳中的克拉克值为2 5 m g k g 。钻是人体必须的微量元素之一。但 进食钻过多会引起中毒。因此钻是环境中的监测元素之一。 钴主要由橄榄石、辉石等暗色矿物组成的超基性和基性岩，在风化作用过 程中，暗色矿物晶格被破坏，钻和镍、铁、铜等元素从中释放出来。岩体上部 因富氧的酸性水作用，水溶液的p h 值一般不超过5 。在这种情况下，f e ( o r 0 3 可以沉淀下来，脱水可形成针铁矿和赤铁矿，这就是铁帽。c o 和n i 、c u 、m n 仍然存在于溶液中可向下部渗透；当p h 值升高过5 后，c o 和n i 、m n 均沉淀， 形成氧化物或含水硅酸盐，可形成风化壳型n i 、c o 矿床驯。 土壤中的钻可被铁锰的氢氧化物吸附，或被土壤中的粘土矿物吸附。因此 土壤的性质不同，钻的含量可相差很大。 铬( c r ) ：铬是人体必须的微量元素之一。铬在地壳中的克拉克值为1 1 0 m g k g 。在表生带强烈的氧化作用下，三价铬氧化为六价，形成铬酸络离子 ( c r 0 4 ) 厶。使得不活动的铬离子变为易溶的阴离子。当缺少相当量的可溶性铅离 子时，c r 0 4 2 。可随水转入土壤孔隙中，经蒸发可聚集在浓缩物中。有机酸，例如 腐殖酸也可以从含铬死亡硅酸盐矿物中溶出铬，经胶体搬运并由离子吸附而富 集在粘土里。c r 3 + 对人体有益，而c ，有毒性，对人体有害。c r 3 + 和c ，在环境 中是可以因外界条件变化而相互转化的【2 6 。铬是环境保护工作监测的元素之一。 铜( c u ) ：自然界铜可以c u o 、c u + 、及c u 2 + 存在。c u - 不稳定，或被还原成 自然铜，或被氧化成c u 2 + 。铜在地壳中的克拉克值为6 3 m g k g 。在风化作用过程 中，无论是一般岩石中铜的硫化物矿物，还是铜矿中的硫化物矿物，经氧化即 成c u s 0 4 和f e ( o h ) 3 。f e ( o h ) 3 残留原地形成铁帽。而c u s 0 4 溶于水，有可能被 水迁移走一部分；c u s 0 4 遇到灰岩等可形成孔雀石和蓝铜矿；遇到高岭石和胶岭 石，可形成硅孔雀石；干旱地区c u s 0 4 直接从水溶液中结晶出来。铜是人体必须 的微量元素之一，但铜过量对人体有害1 2 9 1 。 镍f n i ) ：镍是具有亲硫性和亲铁性的一种金属元素，其在地壳中的克拉克值 为8 9 m g k g 。在风化过程中纯橄岩、橄榄岩及其他富镁的超基性岩及镁质岩、基 1 0 第一章文献综述 性岩，其中富含镁的橄榄石、辉石等矿物经氧化可释放出n i 2 + 和f e 2 + ，f e 2 + 被氧 化成f e 3 + ，以碳酸盐形式沉淀，而镍能形成富含镍的矿石，如镍华等。土壤中的 镍含量平均为5 0m g k g 。土壤中的镍一部分以n i 2 + 形式存在，大部分存在于硅 酸盐矿物的晶格中，还有一部分以离子状态被硅酸盐矿物吸附。在酸性溶液中 镍易于溶解。n i 2 + 的地球化学参数与c 0 2 + 、c u 、f e 2 + 、m 9 2 + 很接近，因而他们 之间发生类质同象替换。 铅( p b ) ：铅的主要污染源是蓄滇池、冶炼、五金、机械涂料和电镀工业等 排放的废水，铅是我国实施排放总量控制的指标之一。铅是环境监测中重要的 重金属元素之一，其在地壳中的克拉克值为1 2 m g k g 。风化过程中，钾长石和云 母类等的矿物中的铅可以释放出来一部分成为活动的铅。但铅的化合物溶解度 较低，并且在迁移过程中可以为粘土矿物所吸附，因此，岩石风化过程中前的 迁移能力不大。岩石风化形成的疏松堆积物和土壤中的粘土级部分有残留的铅。 大气中悬浮的铅也可以沉降到土壤中，这种铅是土壤铅的主要来源。在沉积过 程中，大陆铅通过无机络合物、有机络合物、被碎屑矿物吸附等形式运移到水 盆地，造成了沉积过程中铅的富剿2 6 】。 锌( z n ) ：锌是人体必须的微量元素之一，其在地壳中的克拉克值为9 4 m g k g 。表生作用过程中，岩石中硅酸盐矿物中的锌可以进入溶液，在搬运过程 中受粘土等矿物的吸附作用以及溶液中的碳酸根、磷酸根等阳离子控制。沉积 过程中锌的行为与铅相似。 1 2 3 沉积物重金属污染研究现状 湖泊沉积物中的重金属主要有c u 、p b 、z n 、c d 、h g 、a s 、c r 和n i 等及其 化合物，其来源大致分如下五类【3 0 】：矿山开采产生的含重金属酸性废水；冶炼 厂的排污废水，进人河体或对土壤实行污灌后，对土壤造成重金属污染，并随 着雨水冲测、水土流失等进人河体，最终排入湖泊；城市工业排放的污、废水 及生活污水，随着城市工业的急剧发展建设，城市所排的含有重金属的污、废 水对湖泊造成一定的污染；水土流失过程中，挟带岸边土壤中重金属冲入湖水 中造成的重金属污染极易导致土壤中的污染物进入水体中，将土壤固定的污染 物释放到水体；农业化肥农药施用及湖面船舶运输造成的面源污染污染。 通过各种途径进入水体的重金属又绝大部分迅速水体中的重金属以各种形 态分布在水相、底质及生物体中，表现出不同的环境地球化学行为和毒性特征， 第一章文献综述 其毒性危害与污染特点在于：天然水中，只要有微量浓度即可产生毒性效应，其 毒性和稳定性取决于其存在形态，而且随水环境条件而改变；微生物不仅不能 降解重金属，相反地，某些重金属在微生物的作用下可转化为毒性更强的金属 有机化合物；生物体从环境中摄取的重金属，可经过食物链的生物放大作用逐级 在较高的生物体内成千百倍地富集；重金属可通过多种途径进入人体，不易排出， 逐渐积累，从而导致急、慢性疾病或产生远期危害【2 j 。 1 2 3 1 太湖沉积物重金属污染研究现状 以往对太湖沉积物重金属污染的研究，开展得最早、最全面的调查是 1 9 8 0 1 9 8 1 年无锡市环境保护局和中国科学院南京地理与湖泊研究所组织的太湖 环境质量调查研究【3 l 】。该调查从流域角度对土壤、工业污染源、非点源污染、 河流、湖泊水质、沉积物的重金属、营养盐等污染状况进行了全面的调查，着 重分析了沉积物中的汞、砷、铬的污染状况。结果显示部分河口及梅梁湾地区 有轻微的重金属污染，9 9 的湖区为清洁和较清洁湖区。1 9 8 8 年中国科学院南 京地理与湖泊研究所再次对太湖沉积物的重金属污染进行了调查，确定了无锡、 苏州和长兴沿岸是重金属的主要污染区【2 5 】。2 0 0 0 年前后，太湖沉积物中的重金 属污染问题吸引了更多学者关注，如袁旭音等【3 2 】着重对比了湖岸土壤与表层沉 积物重金属含量间的关系。范成新等【3 3 】人调查了太湖西岸宜溧河流域水体沉积 物的重金属污染，评价了该流域主要重金属污染现状。戴秀丽等 3 4 1 对梅梁湾、 竺山湾、贡山湾等太湖北部湖区的表层重金属污染状况进行了评价。王海等m j 分析了沉积物的形态，评价了表层沉积物重金属对生物的有效性。池俏俏等【3 6 j 着重对湖体中的悬浮物的重金属含量进行了研究，得出太湖梅梁湾污染状况严 重，且重金属来源为外源污染。 总之，太湖沉积物重金属污染方面的研究，已经开展得很充分，也有了很 多的学术成果。然后关于太湖沉积物重金属的地球化学特征、地球化学背景及 基线等理论与实践方面的研究甚少。 1 2 3 2 滇池表层沉积物重金属污染研究现状 8 0 年代末，成都地质矿产研究所与云南地质矿产局对昆明盆地进行地层、 构造、地貌、新构造运动、基底地质、古气候、古生态环境、沉积作用、地球 化学、成岩和成矿作用进行了综合研究，揭示了滇池流域的地质地貌背景及地 球化学和沉积特征【2 6 1 。几乎是同时，中国科学院地理与湖泊