地球化学视野中的土壤污染

housex · 发表于 2014-4-18 15:29

来源:国土资源报发布时间:2014-04-18
　　奚小环(中国地质调查局教授级高工)：

　　基础性公益性地质工作，应用生态地球化学理论和方法，研究解决与土壤环境质量有关的问题，为建设生态文明提供坚实支撑。

　　成杭新(中国地质科学院物化探所研究员)：

　　全国土壤污染状况调查获取的土壤环境质量信息仅仅是宏观尺度上的环境信息。

　　杨忠芳(中国地质大学（北京）教授)：

　　人体中必需微量元素的摄入量都有两个阈值，输入过多或过少，都会对人体产生影响，导致疾病。

　　季峻峰(南京大学教授):

　　土壤中的重金属只有易溶于水和弱酸的那部分能直接被植物吸收。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　给土地打上格子

　　主持人：公众期盼良久的全国土壤污染状况调查公报今天正式公布了，这意味着我国在重重困难中跋涉多年的土壤污染治理工作，走入了一个更加科学、透明、全面、立体的快速推进期。本期特邀四位专家，从地球化学角度，谈一谈土壤污染。

　　关于全国土壤污染调查是如何进行的？怎样才能较大程度地保证调查结果的准确性？今天我们邀请的第一位嘉宾是来自中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所的成杭新研究员。请他来谈谈，全国土壤污染状况调查是如何进行的？

　　成杭新：简单说，就是给大地打上格子，在格子中采集最能代表格子内平均化学组成的土壤样品，分析测试该样品中的化学元素及化合物含量，由此判断其是否受到污染，如果已被污染，则可检测出污染物种类及含量。这种方法也被称为“勘查地球化学”。

　　“勘查地球化学”最早用于矿产勘查。为了达到在地球中找寻金属矿产的目的，一个最常用的方法就是将地球打上格子，在格子中采集最具代表性的样品，分析其化学元素组成，并将所有格子中各种元素以不同的含量间隔制成地图，即地球化学图，从而能快速、一目了然地从大片地区聚焦到高含量地区。之后，可在已经圈出的高含量地区，打成面积更小的格子，再次取样分析测试，直至矿床发现。这样的过程在勘查地球化学中称之为“迅速掌握全局，逐步缩小靶区”。

　　显然，这样的方法也适用于土壤等环境质量的调查，即通过大格子采样，了解整体的趋势，再在重点污染区，有针对性地通过小格子采样，详细了解掌握污染地的污染源和污染物迁徙过程。这次覆盖全国的土壤污染调查还属于摸底普查阶段，是大尺度的。

　　主持人：那土壤污染调查的格子应该打成多大？又如何从格子内选择“采样代表”呢？

　　成杭新：理论上格子的大小通常与所研究的目标体大小和要达到的目的有关。早期我们进行的全球地球化学填图，目的是要获取全球尺度的地球化学概貌，其采用的采样格子为160km×160km，这样大的采样格子得出的一定是一种宏观概貌，不能精细刻画内部细节。

　　格子大小还与采样介质有密切关系。比如大气的化学组成一般比较均匀，研究大气的元素组成时采样的格子可以大些，采样密度小些。而土壤的化学组成相对来说比较不均匀，采样的格子就要相应小一些，采样密度大一些。

　　针对本次全国土壤污染状况调查，为快速获取我国土壤环境质量状况，根据不同的土地利用类型采用了不同大小的采样格子：耕地8km×8km、林地16km×16km、草地32km×32km、未利用地64km×64km。即便是最小的格子，也很粗略，如6400公顷即9.6万亩的面积上布设一个点位。

　　因此，大家一定要明确，调查公报中采用点位超标率来粗略描述我国土壤的环境质量现状，其获取和公布的土壤环境质量信息仅仅是宏观尺度上的环境信息。随着未来调查采样密度逐渐加大，土壤环境质量的信息会更为准确，土壤超标率和超标面积的数据也会发生变化。

　　要获取可靠的结论，格子采样的另一个关键问题是采样代表性问题。

　　格子内的采样方法有两种基本思路，一种是不带任何主观认识的无偏采样模式，即在格子内均匀采样，以采集格子内分布面积最大的主要地质体为主，如一个采样格子内有80%的土壤类型为红壤，10%为黄棕壤，10%为潮土，则以采集红壤为主。另一种是以事先具有某种专门考虑的专属性采样，如需获取一个厂矿企业可能给周边土壤带来影响的信息，则可能以采集工厂附近的土壤样品为主。

　　我国是一个实行耕地严格保护措施的国家，耕地的保护已落实到地块，各地各农户的耕种习惯存在巨大差异。因此，要精确获取我国土壤的污染面积信息，最可靠的采样密度就是在每个地块均有样品分布，也只有在获取精确的土壤质量的信息后，才能真正落实土地的数量、质量和生态三位一体的综合管护。

　　土壤重金属含量≠生物有效态含量

　　主持人：近年来，有关土壤重金属污染的事件及报道，引起了社会公众的强烈反响。全国土壤污染状况调查公报也显示出我国土壤重金属污染形势的严峻。那么，目前我国土壤重金属污染的主要来源有哪些呢？有请南京大学的季峻峰教授为大家解读一下土壤中的重金属。

　　季峻峰：土壤中重金属的来源可以简单分成地质过程内源和人为活动外源。地质过程内源主要是指在土壤形成过程中，继承了当地岩石和地表物质风化遗留物中那部分重金属。

　　土壤重金属的人为活动外源主要是在土壤形成之后，通过人类活动给土壤带来的伴随性重金属输入，比如：采矿、工业废弃物堆放及扩散、污水灌溉、交通运输、农业生产等。

　　人类活动中的采矿、冶金、电镀等工业排放是土壤最主要的人为源重金属输入。汽车尾气排放及轮胎磨损产生的大量含重金属的有害气体和粉尘的沉降是道路两侧土壤重金属的主要来源，这些重金属元素主要为铅、铜、锌等。煤和石油燃料在燃烧时，重金属随烟尘进入大气，通过干湿沉降进入土壤。农业生产中复合肥的过量使用，尤其是磷肥，也能向土壤带入重金属。

　　土壤中过量的人为活动源重金属，往往能改变地区原有的土壤物质平衡，形成土壤生态环境安全风险，甚至引起土壤和农作物重金属污染。

　　主持人：我们知道土壤污染的重金属主要有铅、砷、镉、铬、汞等，这些可怕的物质一旦在土壤中聚集，就会通过食物链跑到我们的餐桌上，对人类健康造成巨大的危害！

　　季峻峰：不要如此恐慌。并不是土壤中重金属含量高，就一定会毒害农作物，进而威胁人类健康。

　　土壤中的重金属不仅有着不同的来源，其存在形式也多种多样。重金属在土壤中常见的存在形式主要包括：交换态、酸可溶态、铁锰氧化物结合态、有机物及硫化物结合态和残渣态等。不同来源的重金属在土壤中存在形式十分复杂。

　　土壤中重金属存在形式虽有多种，但只有易溶于水和弱酸的那部分重金属能直接被植物吸收，因此，这部分重金属与生物的关系最为密切，被定义为土壤重金属生物有效态。

　　土壤重金属生物有效态含量才是反映重金属生物有效性的直接指标。

　　在重金属生物有效态含量高的土壤，即使土壤重金属总量不高，植物也可能会出现重金属含量超标现象。对于农田土壤，土壤重金属的生物有效性主要受重金属本身、土壤酸碱度、有机物含量及种类、黏土矿物含量、碳酸盐矿物含量、钙镁等主要阳离子元素含量等因素控制。一般情况下，保持土壤酸度处于中性或弱碱性有助于降低重金属的生物有效性。

　　生命元素不可或缺，也不可过多

　　主持人：公报显示，这次调查的土壤污染物主要包括13种污染物和3类有机污染物。在无机污染物中，除了我们熟知的重金属元素，还有钴、铜、氟、锰、镍、硒、钒、锌等微量元素。今天，我们请来了中国地质大学（北京）的杨忠芳教授，请她讲讲这些元素与人类健康有着怎样的关系。

　　杨忠芳：化学元素把人和生存环境紧密地联系在一起。迄今为止，在人体中所发现的60余种元素中，99.95%由氢、氧、氮、碳、磷、硫、氯、钾、钠、钙、镁和铁等大量元素组成，而余下0.05%是由硒、氟、锌、碘、铜、钒、锰、镍、钴、铬和钼等含量很少的元素组成，通常人们把含量低于0.01%的元素称为微量元素。

　　微量元素对人体健康有着不可忽视的作用，可分几类：

　　一类是生命必需元素，它们是人体维持正常机能所必需的，且必须通过食物摄取的微量元素。必需微量元素在人体中的不足或过剩都会影响健康，甚至危及生命，因此，对于动植物而言，摄入的必需元素量应维持在最适营养浓度范围。

　　另一类是非必需的有毒元素，它们对生物有毒性而无生物功能，如砷、镉、铅、汞、锑、铊等，这些元素人体摄入量越少越好。一旦超标，就会引发砷中毒、痛痛病、水俣病、铅中毒等影响人类健康、甚至危及生命的重大环境问题。

　　还有一类为无毒性稳定性元素，如铂族元素，该类元素的地球化学性质稳定，多呈氧化矿物或自然元素状态产出。由于它们在地壳中含量极低，故在生物体内的含量极微，至今未见到它们对生物体有毒性的报道。

　　主持人：如此看来，虽然都被称为土壤污染物，但有的元素是对人有益的？

　　杨忠芳：科学地说，人体中必需微量元素的摄入量都有两个阈值。输入过多或过少，都会对人体产生影响，导致疾病。

　　如低碘可引起地方性甲状腺肿，生长发育停滞，体力和智商水平下降，中枢神经发育不全，重者导致呆傻症（克汀病），高碘也可导致甲状腺肿；适量铜可保证造血机能正常活动，缺铜会引起贫血、造成局部皮肤脱色（白癜风）、引起白发，还与癌症发病率关系密切；缺锌可导致生殖力下降，形成性发育不全的侏儒，引起味觉不灵敏，食欲不振，视力减退，形成暗视盲，锌过多却会使高密度脂蛋白明显降低，而胆固醇、甘油三酯、低密度脂蛋白等明显升高，促进动脉硬化，还可引起恶心、呕吐、痉挛等。因此，人体内必需微量元素不能缺少，但也不能过量，合理膳食、营养平衡是保障身体健康的前提。

　　必需微量元素在人体中都有神奇的生理功能。如硒是生物体多种酶和蛋白质的重要组成成分，具有很强的生物活性，参与多种生理生化作用。硒可参与辅酶A、辅酶Q的合成，刺激免疫球蛋白的产生，有保护心脏、肝、肾和增强免疫的功能；可抑制癌细胞的生长；降低铅、镉、汞、铊、砷、铬等毒物的毒性；注射适量硒化物或服用含硒高的食物，能提高视力。

　　人体缺硒或硒营养不足，会诱发疾病。缺硒可致肝坏死；硒营养不足，可降低机体抵抗力，影响视力，严重者诱发心血管疾病和癌症；地方性缺硒，可导致“克山病”和“大骨节病”。

　　如果人体硒摄入过量，也可中毒。硒中毒类似砷中毒，引起呼吸道刺激和全身性反应，肝、肾损伤最严重。目前，许多国家都颁布了土壤和食品中硒的限量标准。

　　相对全球而言，我国是一个缺硒国家，约有72%的国土面积为缺硒区，主要分布在自东北至西南的低硒带上，在这个带上“大骨节病”和“克山病”为高发区。因此，开发富硒农产品不但在缺硒地区可降低地方性疾病的发病率，适当补硒，还可以提高人民的生活质量；同时对于科学利用土地资源，提升农产品价值都具有重要意义。

　　我国的土壤环境质量标准是1995年颁布的，其中只对砷、镉、铬、铜、汞、铅、镍和锌八个元素给出了不同类型土壤的限量值。实际上，对生态系统和人类健康有影响的微量元素还有不少。如研究表明，人体中铍的蓄积愈高，患骨癌的可能性就愈大。因此，我们要加强元素的环境地球化学研究，对可能对人体产生危害的元素严格控制“三废”排放量，而有益元素利用得好，则有利于因地制宜进行土地资源的科学开发与高效利用。

　　主持人：我们也希望，地球化学工作者能在这次全国土壤污染状况调查成果的基础上，加强元素的环境地球化学研究，让污染早日远离我们的餐桌和生活。

　　用生态地球化学理论研究土壤问题

　　主持人：下一位专家是来自中国地质调查局教授级高工奚小环，他将解读基础地质调查能为解决我国的土壤污染问题做些什么？

　　奚小环：目前我们所关注的土壤重金属元素污染，一部分可能来自富含这些元素的岩石，一部分则来自人类活动，也可能两者综合作用。因此，要弄清楚土壤中重金属的“前世今生”，就需要了解从岩石到成土母质再到土壤的演化过程中这些重金属元素到底发生了怎样的变化，从而来分析这些重金属的存在对我们今天的生态环境又会产生什么样的影响。决定这些变化的根本的正是元素的地球化学行为。而元素地球化学行为恰恰是地质学从学科形成以来一直研究的重要内容，它帮助我们不断地认识赖以生存的地球，并且寻找到支撑经济社会发展的各类能源和矿产资源。

　　我国地域广大，地理景观多样，地质背景与地球化学特征各不相同。针对我国成因复杂的土壤重金属超标问题，地质学应充分发挥其独特优势，构建科学的调查评价、监测预警、保护修复体系，解决影响土壤环境的重要科学问题。

　　主持人：那么，将具体研究哪些内容？

　　奚小环：在元素生态地球化学过程与行为机理研究方面，主要研究不同景观条件下有害、有益元素生态地球化学迁移转化及其控制因素，演化过程及其生态效应。

　　在土地质量与生态地球化学评价方面，主要研究影响土地质量和生态安全的地球化学因素，建立不同尺度的评价方法技术体系，为土地资源科学规划利用与保障耕地质量安全提供依据。

　　在生态地球化学监测及预测预警体系研究方面，研究土壤重金属元素时空演化规律及其控制因素，建立环境质量评价、生态风险评估和预测预警模型，提出降低生态风险和阻断危害措施。

　　在矿山环境地球化学研究方面，研究不同类型矿床矿石矿物、围岩、土壤、水体、水系沉积物、尾矿坝等不同地质体中有害元素含量、组合特征及其赋存状态，研究表生风化过程及其采冶过程中元素的迁移转化规律，查明影响元素活化的主控因素，评价有害元素由内生作用到表生作用、从自然过程到矿山采冶等不同阶段的环境效应，建立监测预警体系，为矿产资源的科学利用提供科学依据。

　　在土壤污染地球化学修复治理研究方面，针对土地资源的不同用途，以地球化学工程学为主，研究土壤污染修复机理和方法，研究制定经济、有效和适用的地球化学治理技术及修复标准。

　　国土资源是生态文明建设的空间载体、物质基础和基本要素；地质科学是认识自然规律与合理开发自然资源的重要领域。我相信，基础地质调查和研究将在加强国土生态建设中发挥日益重要作用，为建设生态文明提供坚实支撑。

wwxx · 发表于 2014-4-18 15:45

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