浙江省地质高背景农田的分布与重金属污染特点

郑铭洁，张爽，章明奎*

(1.建德市农技推广中心 土壤肥料站，浙江 建德 311600； 2.浙江大学 环境与资源学院，浙江 杭州 310058)

重金属是地表重要的潜在危害污染物，具有环境危害持久性、地球化学循环性和生态风险性的特点。过去40 a，随着城市、工业、农业等生活与生产活动向环境中释放的污染物的增加，我国耕地土壤污染程度显现增加的趋势[1],控制农田土壤污染已成为我国农业环境保护研究的重点。我国土壤污染防治内容包括两个方面：一是“防”，就是采取对策防止土壤污染；二是“治”，就是对已经污染的土壤进行改良、修复、治理。了解污染源是防止土壤污染的前提，国内非常重视土壤污染源的解析，已进行了大量的调查分析[2-6]。近年来的调查[6-10]表明，我国许多地区土壤重金属超标农田中相当部分是由特殊的区域地质背景偏高造成的，具有分布面积较广、超标率高、成因复杂等特点。这些农田的重金属在土壤-作物体系中迁移规律、影响因素以及生态风险与工业、公路交通、城市等人类活动引起的外源污染存在一定的差异[6,11-12]。为了理解地质高背景对农田土壤重金属污染的影响，为农田土壤污染防治提供依据，结合国家重点研发计划“地质高背景农田重金属污染风险评价与防控体系”课题，对浙江省地质高背景农田的分布与污染特点进行了调查分析。

1 研究方法

在对国内外地质高背景土壤研究文献与区域地质调查资料分析的基础上，根据浙江省地质构造、地层分布及农业生产特点，选择代表性的地质高背景农田分布区域进行了成土母岩和土壤类型调查，采样分析了相应土壤剖面分层样品和表层土壤样品，剖析不同地质体上形成农田土壤的污染特点及污染物空间分布特点。采集土壤的理化性状和重金属含量采用常规方法分析[13-14]。

2 地质高背景农田类型与分布特点

根据成因的差异，大致可把浙江省地质高背景农田分为运积型、残坡积型和次生风化富集型等3类地质高背景农田。

2.1 运积型地质高背景农田

运积型地质高背景农田主要形成于洪冲积母质上，是由于上游开矿等工业活动导致地表风化物或矿渣经地表流水搬运至中、下游异地堆积形成。一般分布于山地丘陵坡地、山谷谷地、现代洪积扇和河流冲积平原上。运积型地质高背景农田在浙江省分布较广，较为集中分布于历史时期或当前正在开采的重金属矿区周边及下游。浙江省矿产资源种类较多，其中，金属矿产中黑色金属主要分布在绍兴、余杭、淳安、诸暨、湖州、长兴、三门、景宁、建德等市县区。有色金属矿产全省均有分布，其中：铜矿较集中分布在绍兴、诸暨，铅锌、多金属、钼矿遍布全省，钨、锡矿等见于浙西北；贵金属矿产中金、金银矿主要分布在遂昌、诸暨、绍兴、东阳等市县；银、铅锌银主要在遂昌—龙泉—庆元一带，以及新昌、诸暨、黄岩、天台和温州等市县区。由于金属矿常常是共伴生多种元素，在开采目标金属的同时，镉、铅、锌、砷、汞等重金属也同时释放进入周围的农田，因此，重金属矿区周边及下游农田常常是运积型地质高背景农田的主要分布区域。

2.2 残坡积型地质高背景农田

残坡积型地质高背景农田形成于残积和坡积及其再积母质上，主要由黑色岩系及硫化物矿等富含重金属的特殊岩体因自然风化或开矿在原位残积或经短距离搬运坡积形成，集中分布于山地丘陵及丘间凹地中。浙江省内的残坡积型地质高背景农田较为集中分布于浙西沉积岩分布地区，在湖州、衢州、杭州、绍兴等市的山区县(市、区)均有一定的分布。其中，以下寒武统荷塘组岩性黑色硅质页岩、硅质岩、碳质页岩和碳质泥岩为主地层分布区域最为突出[15]。另外，浙江省零星的玄武岩分布区域土壤也具有地质高背景特点，以嵊州和新昌一带分布较为集中。

2.3 次生风化富集型地质高背景农田

次生风化富集型地质高背景农田多分布于丘陵山地及其附近区域，形成于碳酸盐岩的残积母质上，这类岩石本身含重金属不一定高，但因石灰岩特殊的成土过程，风化过程岩石中大量物质的损失，其中的重金属相对富集。浙江省内的次生风化富集型地质高背景农田主要分布在桐庐、淳安、富阳、临安、余杭、长兴、开化、常山、金华等市县区。石灰岩土壤的成土过程比较特殊，含有二氧化碳的水对岩石进行溶解和溶蚀的化学风化是其主要的成土过程，该过程可导致母岩中的主体物质(碳酸盐)损失殆尽，残留在土体中的主要成土物质则是母岩的副成分铁、锰、铝氧化物和硅酸盐黏土等，其结果可导致岩石中的某些微量元素在土壤中富集[16]；因此，石灰岩地区的土壤常常含有较高的镉等重金属积累，成为重金属污染农田。

3 地质高背景农田重金属的污染特点

与其他人为污染农田不同，地质高背景农田土壤重金属污染程度较重，且常常以复合污染为主。在浙江省主要以镉、铅和砷元素的污染为主，并常出现镉-砷、镉-铅、镉-砷-铅等的复合污染。除此之外，不同类型地质高背景农田还各有其特点(表1)。

表1 不同地质高背景农田重金属污染特点的比较

3.1 运积型地质高背景农田

调查表明，运积型地质高背景农田土壤重金属污染具以下特点：(1)物质来源为深层地质体，因人为开矿暴露并释放进入地表环境；(2)污染程度较重，部分农田重金属含量可达土壤重金属筛选值的5～10倍(表1)，以镉、铅、砷的污染为主，常常伴随锌、铜的污染；(3)污染程度空间变异大，常常是安全利用类与严格管控类耕地共存，一般在距离矿区较近的区域以严格管控类耕地为主，距离矿区较远的区域以安全利用类耕地为主；(4)土壤污染深度空间差异较大，污染程度一般是表土高于心土层和底土层，在距离矿区附近的农田，由于污染物主要以固体颗粒方式进入农田，大量的矿渣进入农田，其污染深度可达50 cm左右，而距离矿区较远的农田，污染物主要以灌溉水方式进入农田，其污染主要局限于耕作层；(5)土壤性状存在较大的差异，其土壤质地、pH、土壤阳离子交换量(CEC)、土壤有机质含量存在较大的空间异质性。田间调查与室内试验分析表明，运积型地质高背景农田土壤中镉的生物有效性主要受土壤镉含量、pH、土壤有机质含量(SOM)、CEC影响，随土壤镉含量的增加而增加，随土壤pH、SOM、CEC的增加而下降。对重金属形态分析也表明，运积型地质高背景农田土壤中镉具较高的生物有效性。

3.2 残坡积型地质高背景农田

残坡积型地质高背景农田土壤重金属污染有以下特点：(1)由存在于地表的地质体风化形成，主要形成于自然风化过程，局部地区人为活动加剧了其扩散；(2)污染程度较轻，以安全利用类耕地为主(表1)，黑色岩系发育的土壤以镉的污染为主，常常伴有较高的硒含量；玄武岩发育的土壤主要是铬、镍、锌的污染；(3)同一区块的土壤重金属污染程度变化小，但不同区块之间的农田污染常常有较大的差异；(4)土壤剖面上下污染程度无一致的变化规律，大部分情况是表土污染程度高于底土，但也存在心土和底土的污染高于表土的情况；(5)土壤质地、pH及其镉的活性与岩石种类及其风化程度有关，黏粒含量、土壤酸度随风化强度的增加而增加，镉的活性随土壤酸度的增加而增强，其土壤中镉的生物有效性主要受镉含量、pH、有机质、CEC、氧化铁、质地等的影响，随土壤镉含量增加而增加，随土壤pH、SOM、CEC、黏粒含量的增加而下降。由于残坡积型地质高背景农田土壤中镉来源于岩体本身，随着岩石风化成土，其镉逐渐释放，有效性逐渐增加；但岩石的风化也促进了土壤的酸化，增加了土壤中镉的自然淋失。

3.3 次生风化富集型地质高背景农田

次生风化富集型地质高背景农田土壤重金属污染具以下特点：(1)为地球化学和土壤化学综合作用的产物，其含量及生物有效性随风化和成土过程发生变化；(2)从基岩至母质到土壤，土壤重金属含量有很大的增幅(表1)，以镉污染为主，有时存在铬、砷等的污染；(3)主要属于安全利用类耕地，严格管控类耕地不多见；(4)土壤中镉的生物有效性主要受土壤镉含量、pH、氧化钙含量的影响，随土壤镉含量增加而增加，随土壤pH、氧化钙含量的增加而下降，次生风化富集型地质高背景农田土壤中镉含量常常随风化而发生变化，在风化初期其含量逐渐增加，但进一步的风化可导致土壤的酸化，镉有所损失，但酸度的增加，显著增加了镉的生物有效性[16]；(5)土壤常常含有较高的黏粒、氧化物含量和CEC，对土壤镉具有较强的固定作用。

4 地质高背景农田污染治理途径

当前，国内重金属污染治理主要有降低/稀释污染土壤重金属水平和降低污染土壤中重金属活性(生物有效性)及降低植物对土壤重金属的吸收等途径[17-18]。降低/稀释污染土壤重金属水平主要适于污染较严重的土壤，包括：(1)工程措施，客土、换土和深耕翻土等；(2)植物修复技术，即通过植物吸收移除；(3)化学淋洗技术，化学淋洗技术会降低土壤肥力，破坏土壤结构，不适用于农田。降低污染土壤中重金属活性或降低植物对土壤重金属的吸收主要适于轻度污染的土壤，包括：(1)原位钝化修复技术(稳定化)，施用修复剂降低重金属活性；(2)农艺措施技术，减少吸收或降低土壤中重金属的活性；(3)生理阻控技术，改善植物营养状况，增强作物抗逆性。与人为污染农田土壤不同，地质高背景农田土壤常常全剖面均含有较高的重金属含量，或周围的污染源较难阻隔，采用深耕或一般的生物萃取方法常难以达到有效的治理目标。运积型地质高背景农田因污染物主要来源于上游，因此，在开展农田土壤污染治理前需做好源头控制，隔绝污染源。对于距离矿区较近的农田，因土壤重金属含量较高，采用一般的农艺措施技术和生理阻控制技术常常难以达到安全利用的目标，应考虑采取客土法、表层洁净土壤覆盖法等模式进行治理，但仍然需要注意下层重金属污染。工程措施具有彻底、稳定的优点，但工程量大、投资高，为避免二次污染，还要对污染土壤进行集中处理，因此，只适用于小面积严重污染土壤的修复。对于距离矿区较远、污染较轻的农田，适合应用钝化技术、农艺措施技术和生理阻控技术。残坡积型地质高背景农田和次生风化富集型地质高背景农田总体上污染程度较轻，也适合应用农艺措施技术和生理阻控技术。浙江省3类地质高背景农田土壤中重金属的活性均深受土壤pH影响，因此，选择能显著提高土壤pH的钝化剂常常能够显著降低土壤重金属生物有效性。