湖南典型地区大气降水与下渗水元素地球化学特征及其影响因素研究

摘要/Abstract

摘要：

对比了湖南典型地区大气降水与下渗水中阴离子含量、Cd等重金属元素含量特征,并研究了Cd等重金属元素下渗的影响因素。研究表明,郴州市和株洲市大气降水中SO₄^2-含量均比桂东—汝城地区和岳阳市高,郴州市和株洲市大气受到较为严重的污染。郴州市和株洲市大气降水及土壤中Cd等重金属元素含量均明显高于桂东—汝城地区和岳阳市,但下渗水中Cd等重金属元素含量差异不大。用元素浓度下渗比(下渗水中重金属元素含量/大气降水中重金属元素含量)来表征水循环过程中土壤重金属元素的累积性,结果显示郴州市和株洲市降水对土壤Cd等重金属元素累积的贡献大于桂东—汝城地区和岳阳市。综合对比表明郴州市和株洲市表层土壤Cd等重金属元素累积明显。影响Cd等重金属元素下渗的因素非常复杂,其中土壤有机碳和pH是控制As、Cd和Pb下渗的主要因素。

关键词: 大气降水, 下渗水, 重金属元素, 浓度下渗比, 影响因素

Abstract:

This paper reported the characteristics of ion and heavy metal element contents such as Cd in rainfall water and leaching water in typical areas of Hunan, China, and discussed the leaching influence factors of heavy metal elements. The results showed that the contents of SO₄^2- and heavy metal elements in rainfall water in Chenzhou and Zhuzhou were both significantly higher than those of Guidong-Rucheng as well as Yueyang. The air pollution was more serious in Chenzhou and Zhuzhou. However, such obvious differences were not detected in leaching water. Here, the ratio of leaching concentration(heavy metal element contents in leaching water/ heavy metal element contents in rainfall water)was used to show accumulative difference of heavy metal elements. The results indicated that the contribution of rainfall to the accumulation of heavy metal elements such as Cd in soils in Chenzhou and Zhuzhou was greater than those of Guidong-Rucheng and Yueyang. It obviously illustrated that the heavy metal elements such as Cd in surface soil had an accumulating trend in Chenzhou and Zhuzhou. The leaching influence factors of heavy metal elements are very complicated, of which organic carbon contents and pH of soil are the key factors to control the leaching capacities of As, Cd and Pb.

Key words: rainfall water, leaching water, heavy metal element, the ratio of leaching concentration, influence factor

中图分类号:

P595
X142

姜华, 侯青叶, 杨忠芳, 邹牧非, 袁嘉欣. 湖南典型地区大气降水与下渗水元素地球化学特征及其影响因素研究[J]. 现代地质, 2017, 31(03): 534-544.

JIANG Hua, HOU Qingye, YANG Zhongfang, ZOU Mufei, YUAN Jiaxin. Geochemical Characteristics and Influence Factors of Elemental Contents in Rainfall and Leaching Water in the Typical Areas of Hunan[J]. Geoscience, 2017, 31(03): 534-544.

图/表 17

参考文献 47

[1]	邢艳帅, 乔冬梅, 朱桂芬, 等. 土壤重金属污染及植物修复技术研究进展[J]. 中国农学通报, 2014, 30(17): 208-214.
[2]	栾文楼, 温小亚, 马忠社, 等. 冀东平原土壤中重金属元素的地球化学特征[J]. 现代地质, 2008, 22(6): 939-947.
[3]	赖木收, 杨忠芳. 太原盆地农田区土壤重金属累积影响因素研究[J]. 矿物岩石地球化学通报, 2007, 26(z1):462.
[4]	崔邢涛, 秦振宇, 栾文楼, 等. 河北省保定市平原区土壤重金属污染及潜在生态危害评价[J]. 现代地质, 2014, 28(3): 523-530.
[5]	杨晓燕, 侯青叶, 杨忠芳, 等. 成都经济区黄壤土壤剖面Pb形态分布特征及其影响因素[J]. 现代地质, 2008, 22(6): 966-974.
[6]	陶延辉. 重金属污染对土壤的破坏和对策[J]. 中国农业信息, 2014(7): 137.
[7]	覃燕. 土壤重金属污染的治理措施探析[J]. 资源节约与环保, 2015(1): 156.
[8]	潘琼, 潘峰. 湖南省冶矿城市土壤重金属污染现状及评估[J]. 江苏农业科学, 2015, 43(10): 405-410.
[9]	方先知. 湖南省矿山地质环境问题成因分析[J]. 国土资源导刊, 2005, 2(4): 5-8.
[10]	邹礼卿. 湖南矿山大体检——一场历时四年的矿山地质环境调查[J]. 国土资源导刊, 2012, 9(1): 19-22.
[11]	刘淑珍, 毛学祥. 浅谈郴州重金属污染治理对策[J]. 科技资讯, 2012(31): 127.
[12]	雷鸣, 秦普丰, 铁柏清. 湖南湘江流域重金属污染的现状与分析[J]. 农业资源与发展, 2010(2): 62-65.
[13]	ZHAI L M, LIAO X Y, CHEN T B, et al. Regional assessment of cadmium pollution in agricultural lands and the potential health risk related to intensive mining activities: A case study in Chen-zhou City, China[J]. Journal of Environmental Sciences, 2008, 20(6): 696-703. DOI URL
[14]	LIU H Y, PROBST A, LIAO B H. Metal contamination of soils and crops affected by the Chenzhou lead/zinc mine spill (Hunan, China)[J]. Science of the Total Environment, 2005, 339(1/3): 153-166. DOI URL
[15]	HU X F, JIANG Y, SHU Y, et al. Effects of mining wastewater discharges on heavy metal pollution and soil enzyme activity of the paddy fields[J]. Journal of Geochemical Exploration, 2014, 147: 139-150. DOI URL
[16]	朱俊玉. 株洲市工业污染治理设施现状分析及对策[J]. 中国环境管理, 2003, 22(6): 55.
[17]	WANG H Y. Assessment and prediction of overall environmental quality of Zhuzhou City, Hunan Province, China[J]. Journal of Environmental Management, 2002, 66(3): 329-340. PMID
[18]	ZIMMERMANN F, LUX H, MAENHAUT W, et al. A review of air pollution and atmospheric deposition dynamics in southern Saxony, Germany, Central Europe[J]. Atmospheric Environment, 2003, 37(5): 671-691. DOI URL
[19]	罗璇, 李军, 张鹏, 等. 中国雨水化学组成及其来源的研究进展[J]. 地球与环境, 2013, 41(5): 566-574.
[20]	王文兴, 丁国安. 中国降水酸度和离子浓度的时空分布[J]. 环境科学研究, 1997, 10(2): 1-7.
[21]	张珺, 陶干, 唐伶芳. 湖南省农作物秸秆资源能源化潜力分析[J]. 黑龙江畜牧兽医, 2016(15): 127-129,293.
[22]	中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 农田灌溉水质标准:GB5084—2005[S]. 北京: 中国标准出版社, 2006:1-5.
[23]	郑雄伟, 王俊锋, 魏凌霄, 等. 洪湖市某地区大气干湿沉降重金属及pH值[J]. 城市环境与城市生态, 2016, 29(1): 18-20,27.
[24]	杨忠平, 卢文喜, 龙玉桥, 等. 长春市城区大气湿沉降中重金属及pH值调查[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2009, 39(5): 887-892.
[25]	王艳, 刘晓环, 金玲仁, 等. 泰山地区湿沉降中重金属的空间分布[J]. 环境科学, 2007, 28(11): 2562-2568.
[26]	刘东盛, 杨忠芳, 夏学齐, 等. 成都经济区天降水与下渗水元素地球化学特征及土壤元素输入输出通量[J]. 地学前缘, 2008, 15(5): 74-81.
[27]	李月梅, 潘月鹏, 王跃思, 等. 华北工业城市降水中金属元素污染特征及来源[J]. 环境科学, 2012, 33(11): 3712-3717.
[28]	胡健, 张国平, 刘丛强. 贵阳市大气降水中的重金属特征[J]. 矿物学报, 2005, 25(3): 257-262.
[29]	胡春华, 柯丽, 童乐, 等. 大气降水重金属含量特征及来源分析[J]. 环境污染与防治, 2012, 34(12): 26-30.
[30]	白莉, 王中良, 黄毅. 西安地区大气降水的痕量金属特征及其来源解析[J]. 干旱区地理, 2010, 33(3): 385-393.
[31]	陈静, 鲍立婷. 土壤重金属污染的来源和修复[J]. 河南科技, 2013(17): 164-165.
[32]	宗良纲, 徐晓炎. 土壤中镉的吸附解吸研究进展[J]. 生态环境, 2003, 12(3): 331-335.
[33]	连红芳, 苏庆平, 汪模辉, 等. 有害工业区域废址的无害化处理与修复[J]. 环境保护, 2003(4): 20-24.
[34]	黄春雷, 郑萍, 陈岳龙, 等. 山西临汾—运城盆地土壤中As含量的变化规律[J]. 地质通报, 2008, 27(2): 246-251.
[35]	ARIAS M, PÉREZ-NOVO C, OSORIO F, et al. Adsorption and desorption of copper and zinc in the surface layer of acid soils[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2005, 288(1): 21-29. PMID
[36]	张明, 陈岳龙, 杨忠芳, 等. 湖南洞庭湖区Hg元素影响因素分析[J]. 矿物岩石地球化学通报, 2007, 26(z1): 493.
[37]	丁疆华, 温琰茂, 舒强. 土壤环境中镉、锌形态转化的探讨[J]. 城市环境与城市生态, 2001, 14(2): 47-49.
[38]	刘恩玲, 王亮. 土壤中重金属污染元素的形态分布及其生物有效性[J]. 安徽农业科学, 2006, 34(3): 547-548,557.
[39]	丛源, 陈岳龙, 杨忠芳, 等. 北京市农田土壤重金属的化学形态及其对生态系统的潜在危害[J]. 土壤, 2009, 41(1): 37-41.
[40]	符建荣. 土壤中铅的积累及污染的农业防治[J]. 农业环境科学学报, 1993, 12(5): 223-226,232.
[41]	雷鸣, 廖柏寒, 秦普丰. 土壤重金属化学形态的生物可利用性评价[J]. 生态环境, 2007, 16(5): 1551-1556.
[42]	周娟娟, 高超, 李忠佩, 等. 磷对土壤As(V)固定与活化的影响[J]. 土壤, 2005, 37(6): 645-648.
[43]	余涛, 杨忠芳, 钟坚, 等. 土壤中重金属元素Pb、Cd地球化学行为影响因素研究[J]. 地学前缘, 2008, 15(5): 67-73.
[44]	王亚平, 潘小菲, 岑况, 等. 汞和镉在土壤中的吸附和运移研究进展[J]. 岩矿测试, 2003, 22(4): 277-283.
[45]	郭晋君, 张沛, 杏艳, 等. pH对土壤吸附重金属镉的影响[J]. 广东化工, 2013, 40(8): 116-117.
[46]	程金沐. 土壤环境生态对重金属元素迁移影响分析[J]. 广东微量元素科学, 2005, 12(6): 12-15.
[47]	蔡奎, 栾文楼, 宋泽峰, 等. 廊坊地区土壤重金属存在形态及有效性分析[J]. 现代地质, 2011, 25(4): 813-818.

水样元素或指标		分析方法		检出限			土壤样品元素或指标		分析方法
pH		离子选择性电极法(ISE)		0.1			SiO₂		X荧光光谱法(XRF)				0.10%
Ca²⁺		等离子体光谱法(ICP-AES)		0.03 mg/L			Al₂O₃		X荧光光谱法(XRF)				0.05%
Mg²⁺		等离子体光谱法(ICP-AES)		0.03 mg/L			TFe₂O₃		X荧光光谱法(XRF)				0.05%
K⁺		等离子体光谱法(ICP-AES)		0.1 mg/L			CaO		等离子体光谱法(ICP-AES)				0.05%
Na⁺		等离子体光谱法(ICP-AES)		0.05 mg/L			MgO		等离子体光谱法(ICP-AES)				0.05%
NH₄⁺		比色法(COL)		0.02 mg/L			Na₂O		等离子体光谱法(ICP-AES)				0.10%
HCO₃^-		容量法(VOL)		3 mg/L			K₂O		等离子体光谱法(ICP-AES)				0.05%
NO₃^-		紫外可见分光光度法(UV-VIS)		0.2 mg/L			pH		离子选择性电极法(ISE)				0.10%
SO₄^2-		容量法(VOL)		0.1 mg/L			有机碳		容量法(VOL)				0.10%
Cl^-		容量法(VOL)		2 mg/L			As		原子荧光光谱法(AFS)				1×10^-6
As		原子荧光光谱法(AFS)		0.4 μg/L			Cd		等离子体质谱法(ICP-MS)				0.03×10^-6
Cd		等离子体质谱法(ICP-MS)		0.06 μg/L			P		X荧光光谱法(XRF)				10×10^-6
Pb		等离子体质谱法(ICP-MS)		0.1 μg/L			Pb		X荧光光谱法(XRF)				2×10^-6
土壤样品指标	分析方法		检出限/10^-6
土壤样品指标	分析方法		全量		水溶态	离子交换态		碳酸盐态		腐殖酸态	铁锰氧化态	强有机态		残渣态
As形态	原子荧光光谱法(AFS)		0.5		0.05	0.1		0.1		0.1	0.1	0.1		1
Cd形态	等离子体光谱法(ICP-AES)		0.03		0.005	0.02		0.02		0.02	0.02	0.02		0.03
Pb形态	等离子体光谱法(ICP-AES)		2		0.1	0.5		0.5		0.5	0.5	0.5		2

水样元素或指标		分析方法		检出限			土壤样品元素或指标		分析方法
pH		离子选择性电极法(ISE)		0.1			SiO₂		X荧光光谱法(XRF)				0.10%
Ca²⁺		等离子体光谱法(ICP-AES)		0.03 mg/L			Al₂O₃		X荧光光谱法(XRF)				0.05%
Mg²⁺		等离子体光谱法(ICP-AES)		0.03 mg/L			TFe₂O₃		X荧光光谱法(XRF)				0.05%
K⁺		等离子体光谱法(ICP-AES)		0.1 mg/L			CaO		等离子体光谱法(ICP-AES)				0.05%
Na⁺		等离子体光谱法(ICP-AES)		0.05 mg/L			MgO		等离子体光谱法(ICP-AES)				0.05%
NH₄⁺		比色法(COL)		0.02 mg/L			Na₂O		等离子体光谱法(ICP-AES)				0.10%
HCO₃^-		容量法(VOL)		3 mg/L			K₂O		等离子体光谱法(ICP-AES)				0.05%
NO₃^-		紫外可见分光光度法(UV-VIS)		0.2 mg/L			pH		离子选择性电极法(ISE)				0.10%
SO₄^2-		容量法(VOL)		0.1 mg/L			有机碳		容量法(VOL)				0.10%
Cl^-		容量法(VOL)		2 mg/L			As		原子荧光光谱法(AFS)				1×10^-6
As		原子荧光光谱法(AFS)		0.4 μg/L			Cd		等离子体质谱法(ICP-MS)				0.03×10^-6
Cd		等离子体质谱法(ICP-MS)		0.06 μg/L			P		X荧光光谱法(XRF)				10×10^-6
Pb		等离子体质谱法(ICP-MS)		0.1 μg/L			Pb		X荧光光谱法(XRF)				2×10^-6
土壤样品指标	分析方法		检出限/10^-6
土壤样品指标	分析方法		全量		水溶态	离子交换态		碳酸盐态		腐殖酸态	铁锰氧化态	强有机态		残渣态
As形态	原子荧光光谱法(AFS)		0.5		0.05	0.1		0.1		0.1	0.1	0.1		1
Cd形态	等离子体光谱法(ICP-AES)		0.03		0.005	0.02		0.02		0.02	0.02	0.02		0.03
Pb形态	等离子体光谱法(ICP-AES)		2		0.1	0.5		0.5		0.5	0.5	0.5		2

地点	样品数	Cd/(μg/L)			Pb/(μg/L)			As/(μg/L)
地点	样品数	最小值	最大值	中位数	最小值	最大值	中位数	最小值	最大值	中位数
郴州市	29	0.06	13.21	2.10	0.97	123.00	7.83	0.66	196.18	17.22
株洲市	9	0.78	74.72	3.44	2.17	129.60	6.63	0.49	97.77	4.78
桂东—汝城地区	7	0.06	0.49	0.17	0.44	7.66	1.08	0.83	2.25	1.54
岳阳市	5	0.11	0.22	0.14	0.99	2.69	1.46	0.49	2.81	0.83

地点	样品数	Cd/(μg/L)			Pb/(μg/L)			As/(μg/L)
地点	样品数	最小值	最大值	中位数	最小值	最大值	中位数	最小值	最大值	中位数
郴州市	29	0.06	13.21	2.10	0.97	123.00	7.83	0.66	196.18	17.22
株洲市	9	0.78	74.72	3.44	2.17	129.60	6.63	0.49	97.77	4.78
桂东—汝城地区	7	0.06	0.49	0.17	0.44	7.66	1.08	0.83	2.25	1.54
岳阳市	5	0.11	0.22	0.14	0.99	2.69	1.46	0.49	2.81	0.83

地点	样品数	Cd/(μg/L)			Pb/(μg/L)			As/(μg/L)
地点	样品数	最小值	最大值	中位数	最小值	最大值	中位数	最小值	最大值	中位数
郴州市	29	0.08	19.25	0.45	0.95	31.85	3.65	1.49	30.77	6.91
株洲市	8	0.07	0.97	0.29	0.41	10.38	3.05	0.62	9.29	0.69
桂东—汝城地区	5	0.06	1.62	0.81	0.86	9.80	1.65	0.69	6.91	1.40
岳阳市	5	0.07	0.43	0.19	0.45	8.59	2.30	1.11	1.40	1.25