重金属和氟的土壤环境质量评价及健康基准的研究

摘要

本研究以地统计学和GIS为研究手段，选择蔬菜地和矿区土壤重金属，杭嘉湖平原土壤中氟为研究对象，尝试对土壤的环境质量进行定量化评价，利用不同的评价方法和标准来评价土壤重金属的环境质量状况，系统探讨了健康风险评价方法及标准在不同土地利用方式下土壤重金属环境质量评价中的应用，并对土壤中氟的评价方法和健康标准进行探讨，推测其含量的健康极限值。主要研究结果 如下： 1.蔬菜地土壤重金属健康风险基准的研究表明：土壤中Cd、Zn、Cu、Pb、Cr、Hg和As这7种重金属元素对各种蔬菜影响作用各有不同，存在着很大的差异，蔬菜吸收的难易程度为Cr＜Pb＜As＜Hg＜Zn＜Cu＜Cd；不同蔬菜种类对土壤中重金属元素的吸收富集能力各有不同，存在着很大的差异；同一种类的蔬菜不同的品种对土壤中重金属元素的吸收富集能力各有不同，存在着很大的差异；对我国各地区蔬菜地土壤中重金属的污染指标值进行了统一的限定，Cd、Zn、Cu、Hg、Pb、As、Cr环境容量临界值含量分别限定为03、200、30、0.5、20、15、15 mg kg-1。 2.杭州市郊蔬菜基地土壤和蔬菜Pb、Zn、Cu的环境质量评价研究表明：杭州蔬菜基地土壤中Pb、Zn、Cu的含量超过杭州自然背景值，除Pb外，Zn和Cu的含量基本符合蔬菜地土壤重金属的含量容许值的要求，而未超过以国家土壤环境质量标准二级标准(GB15618-1995)；由于城市功能分区定位的不同，拱墅区土壤中Pb、Zn、Cu的含量大于其它3区；江干区蔬菜基地土壤—蔬菜中重金属含量的空间变异很大；小白菜/小青菜中Zn和Cu的含量未超标，Pb超标；2种蔬菜的富集系数均是Zn＞Pb＞Cu，小青菜Pb、Zn、Cu的富集系数和含量均大于小白菜，更易受到土壤中重金属的影响；通过小青菜对江干区土壤Pb、Zn、Cu含量的健康风险得出，江干区土壤中Zn、Cu的环境质量适合于蔬菜的生产，而Pb的环境含量不适合于叶菜类的蔬菜生长，推算出土壤中Zn、Pb、Cu的环境含量适合人体健康的临界值分别为1 384mg kg-1、2 5.3mg kg-1、411mg kg-1。 3.铅锌矿污染土壤中重金属的形态研究表明：在山腰处矿渣附近9个随机土壤采样点中Pb、Zn、Cd、Cu的含量都很高，尤其是Pb、Cd的含量，分别超过土壤重金属环境质量限定值的50和22倍以上；在风化成土过程中，矿渣中重金属含量的迁移富集能力也各不相同，且都与黏土含量存在正相关关系；4种重金属的非残渣形态比例大小表现为：铁锰氧化物结合态～有机结合态＞＞碳酸盐态＞交换态＞水溶态。Zn、Cd、Cu的残渣态分别占全量的84.5％、8 3.8％、8 3.2％，远高于Pb(49.7％)，Pb对植物可能具有较高的生物有效性；Pb和Cd的水溶态和交换态之和分别占全量的1.80％、2.74％，远高于Zn(0.10％)和Cu(0.15％)，相对于Zn和Cu来说，Pb和Cd更具有移动性和毒性；Pb的有机结合态占全量Pb的29.1％，远高于Zn(4.70％)，Cd(3.1 6％)和Cu(9.5 0％)，4种重金属元素以Pb的生物毒性最高；研究区土壤中H2O-Pb，H2O-Zn和H2-Cu都与有机质含量存在显著的正相关，与pH值存在显著的负相关，土壤重金属的交换态与有机质含量和pH值之间的关系，与土壤重金属的水溶态相似。 4.铅锌矿污染土壤与蔬菜重金属的安全性风险评价表明：在距离该矿区0.10km-1.50km土壤中Pb和Cd为严重污染，Zn为轻度污染，虽Cu含量没有超标，但不适合作为菜地使用；蔬菜中重金属的污染指数Pb＞Cd＞Zn＞Cu，其中蔬菜中Pb的含量远超过国家规定的卫生标准限值的60倍，不能安全食用；土壤和蔬菜的质量是与铅锌矿污染区的距离负相关，同一品种蔬菜体内重金属的含量与土壤重金属含量正相关关系；各种蔬菜根-土壤、叶-根的重金属富集系数各有不同。 5.东关镇土壤及蔬菜重金属的环境质量评价研究表明：东关镇大部分田块存在着Pb、Zn、Cd、Cu分布不均的情况；Cu、Zn的含量偏低，Pb、Cd含量偏高；全镇土壤和蔬菜重金属含量的空间变异很大，土壤中Pb、Zn、Cd、Cu的全量与有效态含量之间存在显著的正相关，空间分布存在一定相似形，与蔬菜的空间分布则存在很大的区别，蔬菜Pb、Zn、Cd、Cu含量与土壤重金属的含量有一定的相关性，基本都未达到显著水平；小青菜中Zn和Cu的含量未超标，Pb、Cd则超标。 6.基于土壤Pb、Zn、Cd、Cu临界值的健康风险评价表明：点、线和面土壤中Pb、Zn、Cd、Cu的平均含量都表现为Pb＞＞Zn＞＞Cu＞＞Cd；点和线土壤中Pb、Zn、Cd、Cu 4种元素的平均含量远远大于对应面中的含量，其中以Pb、Zn含量最为明显；土壤点、线、面中Pb、Zn、Cd、Cu 4种元素空间分布很不均匀；土壤中重金属Pb、Zn、Cd、Cu含量所引起的成人与儿童平均个人风险均是Pb＞＞Cd＞Cu＞Zn；成人和儿童总的健康危害风险，点风险都大于1，面风险都小于1，儿童线总的健康危害风险大于1；儿童比成人更易受到土壤重金属含量的影响，4种元素的平均风险系数均大于成人，总的健康危害风险是成人的3倍左右；越靠近矿区重金属污染的土壤对周围居民人体健康的危害风险越大。东关镇全镇土壤中重金属Pb、Zn、Cd、Cu环境质量现状尚属安全，但靠近铅锌矿的点、线土壤Pb、Zn、Cd、Cu环境质量现状属污染水平，会给人体健康带来潜在危害，故不能种植蔬菜等作物，应考虑其它经济作物等。 7.我国氟的土壤环境质量指标与人体健康关系的研究概况表明：由于我国南北土壤母质、土壤pH、土壤有机质、土壤质地、地形、气候、降雨量等因素的不同，造成从西北到东南，土壤全氟由少到多，土壤水溶态氟由多到少，即土壤氟的活性逐渐降低，土壤水溶态氟对水体的氟含量影响也变小。在酸性条件下，土壤氟的活性低，对水体的氟含量影响小，在氟中毒地区由于土壤富氟，多为高氟土壤拌煤燃烧后通过食物链对人体造成的地氟病，因此，在酸性条件下可利用土壤的全氟进行评价，评价标准为800mg kg-1；在碱性条件下，土壤全氟含量低，土壤水溶态氟含量相对高，土壤氟的活性高，对水体的氟含量影响大，又由于地理和人文因素的不同，多为饮水氟造成的地氟病，因此，在碱性条件下可利用与水体的氟含量关系密切的土壤水溶态氟来评价判断，评价标准为2.5mg kg-1。 8.杭嘉湖平原土壤中氟的环境质量空间变异及评价表明：杭嘉湖平原土壤中全氟具有较高的空间相关性，受母质、地形、土壤类型等自然的结构性因素影响较大；水溶态氟具有中等的空间相关性，施肥、管理水平等随机因素引起的空间变异起很大作用；全氟含量和水溶态氟主要分布在200～300mg kg-1和0.5～1.0mg kg-1之间，空间分布都表现为中、东部比西部的高，与土壤母质、pH值、有机质、阳离子交换量、土壤质地等关系密切；整个研究区域土壤全氟含量较低，有23.7％的土壤全氟含量低于200mg kg-1，其中又以余杭的土壤全氟含量最低，均在100mgkg-1以下，可以应用含氟牙膏防治因土壤中氟含量不足可能产生的龋齿等地氟病。

目录

致谢

摘要

第一章文献综述

第二章研究目的、意义、内容及思路

第三章蔬菜地土壤重金属的环境质量评价研究

第四章矿区土壤重金属的环境质量评价研究

第五章土壤氟的环境健康质量评价研究

第六章研究结论、创新点及展望

参考文献

攻读博士学位期间完成的论文