北京延庆葡萄产地高氟地质环境特征研究

冯 辉

（北京市地质勘察技术院，北京 102218）

0 引言

氟是人体必需的微量元素，它是人体的钙化作用所必需的物质，可促进儿童的成长发育，并有益于老年人骨质疏松病的防治。但是过量的氟对生物体是有害的，可以引起氟斑牙、氟骨症等地方性氟中毒症。

以往地质环境调查工作反映出北京市部分地区土壤及地下水中氟元素呈现高值异常分布特征，因此氟元素一直是地质环境质量和人体健康评价的重要指标。本次在延庆县葡萄产地地质环境调查工作中，研究了氟元素在地质环境中的分布规律，为延庆县发展绿色农业、保障人体健康提供了科学依据。

1 工作区概况

北京市延庆县依托自然气候条件以及当地葡萄种植基础，在延庆盆地北部山前规划建设了葡萄产业发展带。其中鲜食葡萄产业园就位于延庆张山营镇下芦凤营村—前黑龙庙村—后黑龙庙村—西五里营村一带。

该区地质条件复杂，构造发育，岩浆活动频繁，北部山区主要出露大庄科中、粗粒花岗岩，东侧一带出露片麻岩和高于庄组灰岩、团山子组白云岩、大洪峪组白云岩和石英砂岩。在盆地北缘山前，连续分布着形态比较完整的洪积扇，其物质组成主要为砂砾石夹砂质粘土，部分地区如佛峪口还发育有洪—冲积扇，靠近山前河床中冲积物以砂卵石为主，越向南，沉积物粒度越小，岩性逐渐变为中细砂层夹砾石层。

2 氟在土壤中的分布

2011年在北京市平原区（含延庆盆地）范围按照1件/km2的采样密度获得了土壤A层氟元素含量值，采用“元素含量平均值±2倍标准离差”的方法反复剔除离群样品，直至样本服从正态分布，最终获得了北京市平原区土壤氟元素背景值[1]。

本次在延庆葡萄产地开展的土壤调查工作按照4件/km2采样密度采集表层土壤2373件，采用的是北京市平原区（含延庆盆地）土壤氟元素背景值（504μg/g）+6倍标准离差[1]（50μg/g）圈定土壤F元素异常区，集中分布于延庆葡萄产地的西部（见图1），南起官厅水库北侧，北至胡家营，西至东门营，东至西五里营，呈近南北向展布。F含量值在800μg/g以上的面积达到4.42km2，该异常范围F元素含量区间为831～3716μg/g，异常强度为1391μg/g，衬度系数为2.76。与地壳、世界土壤、中国土壤A层氟元素相关参数相比（见表1），异常区土壤中全氟含量值属于高水平。同时该区部分土壤样点同时测试了水溶氟，其含量区间为10.38～46.36μg/g，平均值为24.55μg/g，远远高于我国地氟病发生区表层土壤水溶氟的平均值2.50μg/g[4]。对水溶性氟与全氟研究其相关性（图2），两者间的相关系数达0.75（样本量为8），属于高度正相关。这一结果表明，该区土壤全氟与水溶氟呈现明显的高值异常。

表1 土壤氟元素含量范围（单位μg/g）

图1 延庆张山营葡萄产地土壤氟元素异常分布图

图2 土壤水溶氟与全氟相关性

胡家营以南地区土壤氟元素不仅在表层土壤呈现为异常，在纵向上不同深度的土壤氟含量甚至更高（图3）。58%的土壤剖面各层位样品的F含量达1000μg/g以上，最高值为下营村东南的PM3剖面，地表至地下80cm的4件样品不同深度的土壤氟含量全部超过3000μg/g，最高达3945μg/g，表明该地的土壤氟属于极高水平。而水溶性氟表现出地表与地下深处含量低而中间地段40～100cm含量高的特征，与土壤全氟之间具有一定程度的相关性。所有样品的水溶性氟含量全部超过我国地氟病发生区表层土壤水溶氟的平均值2.50μg/g[4]，其中49%的样品则超过该平均值的20倍，属于严重超标。综合表层土壤和深层土壤高氟特征结果，该区F元素的含量主要表现为成土母质自然源的特征，属于自然成因引起的异常。

3 氟在浅层地下水中的分布

在土壤高氟区及其周边采集了20件水样品，其中佛峪口附近的1件样品为水库水，其余19件均为浅层地下水。这些水源主要用于居民饮用、农业灌溉，因此水样品中氟化物含量高低将对农业种植环境和人体健康产生重大影响。

通过对比，在土壤高氟异常区西侧（图4），浅层地下水中氟化物含量比较低，含量值均在0.3mg/L以下。向东氟化物含量逐渐升高，含量值在1mg/L以上的点位增多，在胡家营附近还出现了5.99mg/L的高值点，而到了西卓家营村东，浅层地下水氟含量普遍处于0.45～0.7mg/L。水氟异常范围明显大于土壤高氟异常区，集中分布在胡家营—西五里营—西卓家营一带。

图3 张山营高氟区灌溉水氟化物超标样点分布图

采用农田灌溉水质标准（GB5084-2005）和生活饮用水卫生标准（GB5749-2006）中农村小型集中式与分散式供水指标限值进行评价，胡家营村附近的1件水样氟化物含量为5.99mg/L，该含量值是农田灌溉水质标准限值（3.0mg/L[高氟区]）的近2倍，属于严重超标，因此该点位的地下水氟化物的卫生质量状况值得注意。西五里营至西卓家营存在6个样点的氟化物含量在1.35～2.37mg/L之间，均超过了生活饮用水卫生标准中农村小型集中式与分散式供水指标限值1.2mg/L，属于饮用水的超标点位。其余水样品氟化物含量均在1.2mg/L以下，符合标准要求。

图4 土壤垂直剖面位置及氟与水溶氟分布图

4 氟对农作物及人体的影响

土壤氟生物有效性和植物吸收富集氟的程度一直是研究的重点问题，这主要是由于水溶性氟可经水或土壤进入植物体或人体，长期摄入过多的氟元素会对植物生长和人体健康有直接影响。本次调查采集了张山营镇土壤高氟区种植的玉米和西五里营至西卓家营附近种植的葡萄作物，以研究农作物富集氟元素的程度。

与通州相对低氟地质环境进行对比，见表2，延庆张山营地区玉米作物中氟含量范围0.16～0.41μg/g，平均值达到0.31μg/g，是通州玉米的1.41倍。而葡萄作物中氟含量两地区无明显差异。不同作物种类对土壤元素的需求程度不一，利用作物中氟元素含量与土壤中该元素含量进行比值计算得到生物富集系数，玉米作物氟元素富集系数为0.03%，而葡萄作物富集系数仅为0.012%，表明葡萄从土壤中富集氟元素的能力较弱。

农业部发布的《绿色食品 玉米及玉米制品（NY/T 418-2007）》标准对玉米中氟的含量要求≤1.0mg/kg，采用此标准进行评价，姚家营地区虽然土壤氟与水溶性氟、地下水氟都为高含量，但玉米中的氟含量仍然符合绿色食品卫生标准。目前还没有相关标准对葡萄作物中氟含量安全值进行规定，由于葡萄是水分较大的果品，其富集氟的能力和单位体积内的含氟量相比较低，因此作物质量相对安全。

高氟地质环境不仅对农作物会产生一定影响，对当地居民的健康状况也会产生危害。据北京市地质矿产局物化探队[5]在1986年对延庆张山营地区开展的氟环境调查工作中获悉，当时胡家营村90%以上的人患有不同程度的氟斑牙症，部分年龄较大的村民，还患有较轻的氟骨症，表现为腰腿疼，但严重的氟骨症患者较少。近些年，随着降氟改水工程的逐步实施，当地氟中毒地方病的患病率呈现下降趋势。2008年高瑞萍等[6]在延庆县谷家营村、簸箕营村和胡家营村对63名8～12岁儿童和664名16岁以上成人检查了氟斑牙患病情况。检查结果显示，胡家营村的儿童氟斑牙检出率为41.18%，氟斑牙指数为0.91，仍然达到轻病区水平，儿童氟斑牙损害也较为严重；成人氟斑牙检出率为54.97%，氟斑牙指数为1.70，明显高于儿童，主要是由于成人饮用高氟水多年，而氟斑牙形成后多为不可逆，因此成人检出率高，而且严重程度也较重。

5 高氟环境地质成因分析

氟在自然界所有元素中属于电负性最强和最活跃的元素，它总是以化合态存在，自然界中含氟矿物已知的有100多种，如氟石(CaF2)、氟镁石(MgF2)、氟铝石(AlF3•H2O)等。此外，由于F-与OH-的离子半径相近，所以在岩浆岩及热液矿物中会形成含氟铝硅酸盐矿物，该种矿物在自然环境中，经过风化以及水的溶解、水解作用，使F-进入水体环境中。所以地下水中F-主要来源于氟盐及含氟铝硅酸盐矿物的溶解、水解。在各类岩石中以酸性岩平均含氟量最高，约为800μg/g；中性岩和沉积岩次之，约为500μg/g；基性和超基性岩较低，约370μg/g及100μg/g[1]。常见的土壤矿物中的黑云母、白云母和角闪石可能是土壤中的主要氟源。

张山营镇胡家营村北出露大片花岗岩，成土母质母岩的高氟特征是造成土壤高氟原因之一。胡家营村地处洪积扇上，由北向南随着坡度的降低，土壤氟及水溶性氟向低处聚集，尤其是胡家营村南部靠近水库的湖积物土壤的有机质及粘性较重，对氟离子的吸附能力较强，从而导致胡家营村南部的土壤氟元素及水溶性氟显著浓集。同时，延庆地区断裂构造复杂，胡家营村北部的山区受多期次岩浆活动与构造运动影响，高氟区北侧存在着NEE向与NNE向断裂，深部高氟地下热水通过断裂带上升补给第四系孔隙水，造成浅层地下水与地下热矿水混染，促使区内地下水氟含量升高。

6 结语

在岩石、构造、水文及地形地貌等综合因素的作用下，形成了延庆葡萄产地土壤高氟、地下水高氟的地球化学环境特征，生物体在高氟地质环境的影响下，部分作物体内会明显富集氟元素，人体通过饮水和食物链也会患上地方性氟中毒症。

尽管北京市针对氟中毒病区已经全部实施了降氟改水工程，但此次调查结果显示，在高氟地质环境持续影响下，土壤高氟环境仍然存在，浅层地下水部分样点仍出现超标现象。针对区内超标供水点需引进外源性低氟水为居民饮用，超过灌溉水标准的点位应避免用于农业灌溉，减少高氟环境对农作物及人体健康影响程度。另外，加强对高氟地质环境地区的周期性监测工作，实时掌握氟元素的含量变化趋势，及时提出应对环境突变的措施方案。

[1]陈怀满.环境土壤学.科学出版社，2005.

[2]中国环境监测总站.中国土壤元素背景值.中国环境科学出版社，1990.

[3]孙 朝，冯 辉，黄 勇等.北京市台地丘陵—平原区土地资源调查与评价[R].北京市地质矿产勘查开发局，北京市地质勘察技术院.2012.

[4]李 静，谢正苗，徐建明等.我国氟的土壤健康质量指标及评价方法的初步探讨[J].浙江大学学报，2005，31（5）：593～597.

[5]胡永增,徐炳先,何其俊等.北京地区氟环境异常初步评价.北京市地质矿产局物化探队，1986.

[6]高瑞萍,许 颖.2008年北京市延庆县地方性氟中毒病情监测分析[J].中国地方病学杂志,2010,29（2）：176～178.