白洋淀土壤重金属地球化学异常来源与生态效应

王荫楠 李建华

摘要：河北保定市东部的白洋淀洼地由来已久，是一个天然大型平原洼地。河北省地质调查院在河北平原多目标地球化学调查中，在洼地表、深层土壤中均发现了以Pb、Zn、Cu、Cd为主的重金属元素地球化学异常。本文从异常环境背景、地球化学特征、异常成因及异常源分析、异常生态效应评价等几个方面对白洋淀异常进行了解释与评价。结果表明，异常深層土壤以自然地质作用成因为主，表层土壤以人为源输入为主。

关键字：地球化学异常；重金属污染；生态效应

地表环境中，重金属元素含量是自然地质作用和人类活动叠加的总和。人类的工农业活动向环境中排放大量污染物质，其中重金属元素由于分布广、隐蔽性强、具有生物积累效应而成为备受世人关注的重大环境问题。同时，由人类活动输入到环境介质中的污染元素较自然成因同种元素往往具有较强的活动性，常以可溶态和可交换态存在，易被植物吸收和向下淋滤，污染地下水质，威胁人类健康[1]。近年来，随着全国现代化水平的不断推进，国民经济的快速发展，工业化水平及程度的不断提高。大型、超大型工矿企业以及各类化工厂如雨后春笋般出现并迅速增加，大量的工业废水、废气、废渣及各类生产生活垃圾大量增加并随意进行排放，使得全国许多地区的农耕区土壤不同程度的受到了重金属元素、大气降尘及人为活动等各种因素的影响，土壤污染异常严重。使其土壤环境质量及生态环境质量出现恶化，粮食减产严重，土地利用率降低。其中河北省就是污染严重地区之一。2007年，河北省地质调查院在河北平原多目标地球化学调查中，在白洋淀洼地表、深层土壤中均发现了多变量、多元素的地球化学异常。异常呈北东东向带状分布，分布范围与白洋淀洼地基本一致，强异常位于洼地的西南部。异常中含有常量元素及大量微量元素。其中Pb、Zn、Cu、Cd等重金属元素含量明显增高，是相应区域背景值的二十多倍。

1.异常地理位置

白洋淀重金属异常位于保定市东部的清苑县、高阳县及安新县境内，东经115°25′～116°10′，北纬38°40′～39°00。异常区位于白洋淀低洼地内，“华北明珠”白洋淀位于异常区东部（见图1-1）。

2.异常环境背景

关于白洋淀的文字记载始于晋代，宋代起称之为白洋淀。在漫长自然地质作用过程中，汇水区历来是藏污纳垢之地，自然风化产物通过河流或地表径流输入洼地。因此，白洋淀洼地是元素汇集的天然场所，含有大量有益、有害常量及微量元素。近些年，由于经济的快速发展，促使淀区周边村镇建起了大大小小的冶炼厂及家庭式手工作坊，排放各种工业垃圾，使得大量重金属元素进入地表。另外，由于该地区人口迅速增长，村镇内居民生活中产生的废水，废气排放量大增，且得不到有效的治理，已经导致水土污染，环境的恶化。

3.异常地球化学特征

3.1异常元素分布特征

白洋淀重金属异常由Pb、Zn、Cu、Cd、Hg、Ni、As、Mo、Cr、Ag等元素组成，异常面积大、强度高。其中Zn异常面积640 km2，平均值为115.38mg/kg，最高值1322.90mg/kg ；Cu异常面积650km2 ，平均值为42.25 mg/kg，最高值282.90 mg/kg；Cd异常面积560km2，平均值0.27 mg/kg，最高值为2.69 mg/kg。由（图3-1）可以明显看出，Cd、Cu、Pb、Zn元素异常套合较好，有共同的集中心，异常走向北东。

由（图3-2）可以明显看出异常区中的Hg元素异常主要分布于异常西部的保定市城区及各周边县城，可能主要由燃煤降尘产生。Ag异常与As、Cd、Cu、Pb、Zn异常有共同浓集中心，但在保定市区和白洋淀低洼处还有强异常出现，可能有多种异常源。Ni异常主要沿河道及分布，其成因应以自然因素为主。综上所述，异常区各异常元素异常范围及异常中心在空间上高度吻合。同时，表层土壤异常所对应的深层土壤中亦存在异常，但表层土壤异常强度远远高于深层土壤异常，且深层异常面积较小。从有害元素种类及异常强度上看，该异常是河北平原多目标地球化学调查中所发现的有害元素种类最多、异常强度最大、污染比较严重的异常，属具有重大的局部生态环境问题型异常。

3.2异常元素参数特征

由表3-1可以看出，Cu、Pb、Zn、Ag、Hg平均含量远高于河北省表层土壤背景值，其最高含量值极高属强异常。Hg、Cu、Cd、Mo、As变异系数大于0.2，说明异常含量有较大的离散性，为多处异常源的所致。Ni异常最大值与平均值均接近河北省平原值，其变异系数较小，为自然成因特征[2]。

表3-1 白洋淀异常表层重金属元素与河北省表层土壤背景值参数对比表

保定异常表层元素值 河北表层土壤背景值

元素 N Max1 1

S1 CV1 Max1 1

S1 CV1

Cu 253 282.90 42.25 31.06 0.74 37.30 22.95 4.80 0.21

Pb 253 259.80 34.41 21.75 0.63 32 22.56 3.15 0.14

Zn 253 1322.90 115.38 101.3 0.88 102.20 69.63 10.86 0.16

Ni 253 50.20 35.93 5.4 0.15 41.70 28.06 4.57 0.16

Cr 253 105 77.77 9.28 0.12 89.70 65.21 8.17 0.13

Ag 253 8.32 0.17 0.52 3.06 0.10 0.07 0.01 0.17

Cd 253 2.69 0.27 0.27 1 0.24 0.15 0.03 0.21

Mo 253 2 0.71 0.22 0.31 0.91 0.55 0.12 0.22

As 253 33 11.11 3.03 0.27 17.10 9.50 2.55 0.27

Hg 253 1200 62.76 98.92 1.58 82 37.70 14.79 0.39

1.氧化物、orgC和C含量单位为%，Au、Hg为μg/kg，其它为mg/kg， pH无量纲。2. 、S 、CV、Max、N分別表示为算术平均值、标准偏差、变异系数、最大值、样品数。

4.异常成因分析

该异常强度最高、面积最大的化学元素为Pb和Zn，图4-1为这两个元素在异常区表、深层土壤中的正态概率P-P图，表、深层土壤对比十分强烈。表层土壤中，Pb和Zn都出现了明显的拐点，拐点位置与异常下限极为接近，说明表层土壤中存在除自然地质作用以外的叠加，其结果使元素分布强烈偏离正态拟合线，具有非常典型的二元叠加特征。与表层土壤显著不同的是，深层土壤中Zn、Pb几乎服从正态分布，所以，深层土壤以自然作用为主[3][4]。

白洋淀异常处于天然湖泊所形成的碟状洼地中，在异常深层土壤中，异常元素在含量概率分布特征上表现为自然成因性质。但表层土壤中人为叠加因素过于强烈，而表现为人为污染特征。因此，白洋淀深层土壤异常属天然洼地内由于地球化学障的作用而成的自然富集，而表层土壤强异常是在自然形成的高背景之上产生了强烈的叠加，以人为污染异常为主。

5.异常源分析

对于自然成因的深层土壤异常及表层土壤高背景，源于汇水区的天然富集。下面对表层土壤的人为异常源进行分析。

异常区清苑县何桥乡至安新县老河头乡一带有近百家小型Pb、Zn冶炼厂，冶炼历史最长的有十余年。这些小冶炼厂大多采用活性碳还原冶炼法，冶炼炉简陋，为家庭作坊式生产，地面撒落碎渣，冶炼炉上冒出蓝色烟雾，空中灰尘弥漫。除小型冶炼厂外，还分布有镀铜、镀锌厂。

5.1土壤水平剖面含量特征分析

图5-1为穿越异常中心的土壤水平剖面Cu、Pb、Zn、Cd含量变化趋势图。在冶炼厂分布区内，Cu、Pb、Zn、Cd含量剧烈增高，Zn含量最高达到1100mg/kg，Cd含量最高达11.2mg/kg。自冶炼厂至外围，Cu、Pb、Zn、Cd含量按负指数模型逐渐过渡到背景值。

Cu、Pb、Zn、Cd 4元素有共同的异常中心，且异常中心位置与冶炼厂分布区一致，因此推断，这些高污染的小冶炼厂是引起表层土壤异常的异常源。

5.2土壤垂向剖面含量变化分析

在异常中心部位的T2土壤剖面中，Cu、Pb、Zn、Cd在表层土壤（0-30cm）中强烈富集，向下30厘米之后含量迅速降低，并基本保持平稳，而受人为活动较小的Al2O3的含量在不同深度的土壤中基本一致（见图5-2）。

T1及T3垂向剖面布置在距离异常区中心10km的异常边部。T4垂向剖面位于异常中心之外40 km处的异常区外围。图5-3是T1和T4剖面元素含量变化图。在距异常中心（冶炼厂）较近的T1剖面中，Pb、Zn、Cd在表层土壤中仍有弱富集，但在异常区之外的T4剖面中，表层土壤已无富集现象，如Pb在土壤垂向剖面中几乎表现为一条竖直线。

土壤垂向剖面异常元素含量变化趋势与上述概率分布特征、水平剖面含量特征所得结论相同，即异常区表层土壤中存在强烈的人为源叠加，由人为污染引起高强度异常，而深层土

壤维持在自然状态。

5.3异常源的确定

从土壤剖面特征可知，小冶炼厂产生的废渣、废气可能就是异常的物质来源。为进一步验证此推断，异常查证中取了冶炼厂废渣和大气降尘样，分析结果如表5-1和5-2所示。

从冶炼炉中排出的废渣中Cu、Pb、Zn、As、Ag、Cd的含量都非常高，4个样品中的最高含量分别达到29958mg/kg，2298mg/kg，17617mg/kg，77.6mg/kg，73.8mg/kg和45mg/kg，比土壤高出2～4个数量级。这些小厂主要是提炼Zn和Pb，异常区内大量散落冶炼原料碎屑，废渣中的含量尚且如此高，原料中的含量更高。这些高含量固体碎屑物的散落及扩散，造成异常区土壤异常元素含量剧增。

两个大气降尘样品布在异常中心，Cu、Pb、Zn、Cd等元素的含量与废渣样品类似，同样比土壤含量高出2～4个数量级，BP2样品中主要异常元素Zn含量高达1.2%。

由以上分析可知，这些大小不等的冶炼厂产生的废气、废渣以及原料的扩散是异常物质来源。冶炼原料及废渣的扩散范围有限，而废气可随风飘散，因此，在离冶炼厂分布区外10公里处的T1剖面的表层土壤中仍有异常元素的富集，因此，污染物主要通过废气形式扩散。冶炼原料为外购的有色金属矿渣，因此，异常元素组合为典型的热液硫化物矿床元素组合Cu、Pb、Zn、Ag、Cd、As、Sn、Mo等。由于物源及扩散途径相同，使异常元素具有共同的浓集中心。

6.异常生态效应评价

在异常区不同部位分别采集了小麦与根系土配套样品，其中强异常区3件，中等异常区1件，弱异常区1件，正常区2件。Cu、Pb、Zn、Cd、As在对应根系土和小麦中的含量如表6-1所示。

表6-1 白洋淀异常元素小麦与根系土含量对应表（mg/kg）

序号 采样

部位 Cu Pb Zn Cd As

根系土 小麦 根系土 小麦 根系土 小麦 根系土 小麦 根系土 小麦

1 强异常区 203.7 7.34 85.8 0.539 345.1 46.5 1.47 0.145 18.1 0.148

2 强异常区 274.5 8.15 191.1 0.875 401.6 49.5 16.0 0.646 37.8 0.294

3 强异常区 131.3 7.54 90.5 0.793 326.8 68.5 1.75 0.157 22.6 0.132

4 强异常区 92.7 9.58 69.7 1.317 714.9 74.9 1.14 0.343 20.8 0.437

5 弱异常区 56.1 6.25 47.7 0.37 198.5 49.7 0.66 0.054 17.1 0.085

6 背景区 30.8 5.98 25.5 0.17 88.2 36 0.26 0.05 11.7 0.058

7 背景区 34 5.78 27.1 0.168 90.7 35 0.26 0.027 12.5 0.042

国家卫生食品标准 ≤10 ≤0.4 ≤50 ≤0.1 ≤0.7

由表可知，随着异常强度的逐渐升高，异常元素在根系土和小麦中的含量亦随之增加，且根系土异常元素含量越高，小麦中的含量也越高。

非常值得关注的是，在中-强异常区所采的4件小麦样品中，Pb、Cd全部超过国家食品卫生标准，即强异常区超标率达100%，且超标程度很高，Pb超标1.5～3.5倍，Cd超标1.5～6.5倍。Zn有两件样品超标，超标率50%[5]。

可见，异常所蕴含的生态风险较大。野外调查中了解到，异常区内儿童需要定期排铅。

7.异常主要结论

自然風化作用产生的各种微量元素由自然河流和地表径流汇入白洋淀洼地，这种汇水区域是各种微量元素聚集的天然场所。所以多种微量元素在洼地表、深层土壤中均较周边趋于富集。异常深层土壤中，虽然Cd、Cu、Pb、Zn、Hg等元素有明显异常特征，但其成因与自然地质作用为主，是一种与周边环境有明显差异的高地球化学背景场，并非表层土壤元素向下淋滤所致。异常浅层土壤中，Cd、Cu、Pb、Zn、Hg等重金属元素异常源于人为活动，经过实地调查，在强异常区域，周边分布了多家炼钢厂、炼锌厂及电镀厂。这些重金属元素的高度富集是在较高自然背景上出现了人为源的叠加，其污染源是与Cd、Cu、Pb、Zn、Hg等元素有关的污染企业。空间上有着对应关系，污染物与污染源相吻合。强异常区内小麦样品Pb、Cd、Zn等超标现象严重，异常蕴含着较大的生态风险性。

[1]张秀芝，郭海全，李宏亮等.河北省白洋淀洼地环境地球化学物源判断.地学前沿（中国地质大学（北京））.2008年09期

[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]张秀芝，鲍征宇，唐俊红.富集因子在环境地球化学重金属污染评价中的应用[J].地质科技情报.2006年01期

[4]Burmaster DE， Bloomfield LR. Mathematical properties of the risk equation when variabi-

lity is present. Human Ecological Risk Assessment，1996，2

[5]吕开云，高爱林，高永光.重金属污染土壤对植物伤害研究.西部探矿工程.2006年08期