粵東北某地表層土壤重金屬元素緩變型地球化學(xué)災(zāi)害研究

■黃振威

（廣東省地質(zhì)局第八地質(zhì)大隊廣東梅州514089）

粵東北某地表層土壤重金屬元素緩變型地球化學(xué)災(zāi)害研究

■黃振威

（廣東省地質(zhì)局第八地質(zhì)大隊廣東梅州514089）

土壤重金屬元素緩變型地球化學(xué)災(zāi)害的研究對土壤重金屬污染的預(yù)測評價提供了定量依據(jù)，對土壤重金屬污染預(yù)警有重要的意義。本文在緩變型地球化學(xué)災(zāi)害數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，研究粵東北某地表層土壤中重金屬元素As是否具備緩變型地球化學(xué)災(zāi)害特征，并對這些元素的模型特征進(jìn)行對比分析。

緩變型地球化學(xué)災(zāi)害重金屬元素污染多項式擬合表層土壤

0　引言

人類活動向自然界排放的大量化學(xué)物質(zhì)正不斷地打破自然環(huán)境的各種化學(xué)平衡，這種化學(xué)平衡條件的破壞加劇了巖石和土壤等自然介質(zhì)的分解速率，導(dǎo)致大量天然存在的化學(xué)物質(zhì)由穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)入活動狀態(tài)并被釋放到生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)之中，從而對環(huán)境造成了很大的危害。緩變型地球化學(xué)災(zāi)害的提出，可以比較完整地概括出土壤或沉積物系統(tǒng)的整個污染過程，包括從系統(tǒng)開始接受污染物→系統(tǒng)內(nèi)污染物的遷移和演化→污染物對生態(tài)環(huán)境的危害。本文根據(jù)陳明等提出的緩變型地球化學(xué)災(zāi)害數(shù)學(xué)模型［1］，用Statistica軟件對粵東北某地表層土壤的As元素進(jìn)行多項式擬合計算，對該區(qū)As元素是否會爆發(fā)緩變型地球化學(xué)災(zāi)害進(jìn)行研究探討。

1　緩變型地球化學(xué)災(zāi)害數(shù)學(xué)模型

緩變型地球化學(xué)災(zāi)害的整個演化過程可以被一個具有較普遍意義的非線性多項式定量地表達(dá)出來。這種數(shù)學(xué)模型為進(jìn)行生態(tài)環(huán)境地球化學(xué)系統(tǒng)的風(fēng)險評估提供了一種可供實際采用的基本手段，并可對將來土壤或沉積物系統(tǒng)中環(huán)境污染的發(fā)生、發(fā)展、演化和歸宿作出預(yù)測，對環(huán)境災(zāi)害作出預(yù)警。

陳明等通過實驗首次提出典型緩變型地球化學(xué)災(zāi)害的演化過程是具有多重套合結(jié)構(gòu)特性的非線性過程，可以劃分為3個演化階段，每個階段之間各內(nèi)蘊一個具有特定數(shù)學(xué)特征的臨界點。［2］圖1中，X坐標(biāo)表示環(huán)境系統(tǒng)的TRCP（C）—“污染物的可釋放總量”，Y坐標(biāo)表示環(huán)境系統(tǒng)中的TCAS（Q）—“活動性污染物的總濃度”，藍(lán)色實線表示一階導(dǎo)數(shù)的圖形，藍(lán)色虛線表示二階導(dǎo)數(shù)的圖形。隨著TRCP的增長，TCAS的增長趨勢發(fā)生變化，當(dāng)TRCP的增量為△C1時，TCAS增長了△Q1，隨著污染物濃度的累積，△C2的增長，TCAS增長了△Q2，△C2=△C1的情況下，△Q2＞＞△Q1，即TCAS與TRCP的關(guān)系是非線性的，可以用多項式表示如下：

根據(jù)元素含量的非負(fù)性質(zhì)，當(dāng)C=0時，Q=0，代入多項式可知，常數(shù)項a0=0，即非線性多項式數(shù)學(xué)模型過原點。在一個演化周期內(nèi)，多項式中一階導(dǎo)數(shù)Q′、二階導(dǎo)數(shù)Q″為零處分別代表緩變型地球化學(xué)災(zāi)害爆發(fā)的臨界點、爆發(fā)點。一般地，具有特定數(shù)學(xué)特征的臨界點包括：

爆發(fā)臨界點，當(dāng)Q′=Q″=0時，曲線左側(cè)向下凹右側(cè)向上凹；

爆發(fā)點，Q′=max、Q″=0時，曲線向上凹；

積累臨界點，Q″=min時，曲線左側(cè)向上凹右側(cè)向下凹。

土壤中的重金屬可以劃分為如下五種形態(tài)，其中M為元素符號：可交換態(tài)（ME）、碳酸鹽結(jié)合態(tài)（MC）、有機物結(jié)合態(tài)（MO）、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)（MF）以及殘留態(tài)（MR），這五種結(jié)合態(tài)溶于水的難易程度不同，與土壤礦物結(jié)合的強度從小到大排列為ME＜MC＜MF＜MO＜MR。排列較后的形態(tài)常?？梢赞D(zhuǎn)化為排列較前的形態(tài)。例如MR可以向ME、MC、MF、MO轉(zhuǎn)化，MO可以向ME、MC、MF轉(zhuǎn)化，MF可以向ME、MC轉(zhuǎn)化，MC可以向ME轉(zhuǎn)化等。而可交換態(tài)（ME）被認(rèn)為在緩變型地球化學(xué)災(zāi)害中占主導(dǎo)地位。

TRCP為污染物的可釋放總量，不應(yīng)包括礦物晶格中的殘留態(tài)，所以CTRCP=Ci-CR，其中Ci表示元素i的總量，CR表示i元素殘渣態(tài)的含量。［3］

2　緩變型地球化學(xué)災(zāi)害模型的應(yīng)用

2.1模型應(yīng)用于As的情況

根據(jù)上述概念及相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，研究了粵東北某地表層土壤525件樣品中As的CTRCP與CE+C、CE+F、CE+O、CE+C+F、CE+C+O、CE+C+F、CE+O+F、CE+C+O+F等所有形態(tài)組合的非線性擬合情況（以可交換態(tài)含量CE為主導(dǎo)；根據(jù)南方地區(qū)特點，CO只計弱有機物結(jié)合態(tài)）［4］，最終確定了As的CTRCP與CE+C之間能進(jìn)行較好的三次擬合見圖2。

從As元素的擬合多項式曲線看，As的三次擬合較好的反映了“污染物的可釋放總量”（TRCP）與“活動性污染物的總濃度”（TCAS）的非線性關(guān)系。擬合曲線形象地反映了這種重金屬元素從積累到釋放的“緩變—爆發(fā)”過程。

2.2對As緩變型地球化學(xué)災(zāi)害的結(jié)論

根據(jù)上述結(jié)果可知，該區(qū)表層土壤重金屬元素As具有爆發(fā)緩變型地球化學(xué)災(zāi)害的風(fēng)險，

根據(jù)非線性擬合及回歸分析，確認(rèn)As元素的擬合方程如下：

y=0.0880x-0.0161x2+0.0011x3（x=CTRCP，y=CE+C）

2.3As的緩變型地球化學(xué)災(zāi)害評價

對As的擬合方程求二階導(dǎo)數(shù)y″，并令y″=0，可得AsTRCP=4.783mg/kg，AsE+C=0.176mg/kg。在AsTRCP=4.783mg/kg時，曲線左側(cè)向下凹，右側(cè)向上凹，說明AsTRCP釋放向AsE+C轉(zhuǎn)化的速度加速，該點為緩變型地球化學(xué)災(zāi)害的爆發(fā)臨界點。

當(dāng)AsTRCP的濃度在0～7.5mg/kg時，曲線的斜率幾乎為零，也就是說AsTRCP濃度的增加幾乎不會導(dǎo)致“有效態(tài)的”As的增加。當(dāng)AsTRCP濃度在7.5～15.0mg/kg時，曲線向上凹，但AsTRCP濃度的增加只是釋放了少量的“有效態(tài)的”As。在AsTRCP達(dá)到15.0mg/kg以后，AsTRCP濃度的增加導(dǎo)致“有效態(tài)”As的急劇增加，也就是達(dá)到了緩變型地球化學(xué)災(zāi)害的爆發(fā)點，此時環(huán)境地球化學(xué)災(zāi)害達(dá)到爆發(fā)階段。

根據(jù)統(tǒng)計，在該區(qū)采集的形態(tài)分析樣品中共有43.3%的樣品AsTRCP超過緩變型地球化學(xué)災(zāi)害的爆發(fā)臨界點（4.783mg/kg），具有爆發(fā)緩變型地球化學(xué)災(zāi)害的可能性。有必要建立相應(yīng)的重金屬元素形態(tài)分析含量動態(tài)監(jiān)控-防治系統(tǒng)，為該區(qū)土壤污染防治和環(huán)境地球化學(xué)災(zāi)害預(yù)警提供定量的研究工具和可供采用的基本手段。

3　結(jié)論

緩變型地球化學(xué)災(zāi)害模型可以很好的應(yīng)用于重金屬元素污染的定量評價，它直接反映出污染物不同存在形態(tài)相互轉(zhuǎn)化的臨界點和非線性關(guān)系，對污染物爆發(fā)災(zāi)害的可能進(jìn)行了預(yù)測，使預(yù)防和治理有了定量依據(jù)。

本文在緩變型地球化學(xué)災(zāi)害模型的理論基礎(chǔ)下，對粵東北某地表層土壤525件樣品的As元素進(jìn)行了研究，得出As在可釋放總量（TRCP）為4.783mg/kg時，TRCP釋放向AsE+C轉(zhuǎn)化的速度加速，該點為緩變型地球化學(xué)災(zāi)害的爆發(fā)臨界點的結(jié)論，對該區(qū)As污染的預(yù)防和治理有指導(dǎo)作用。

［1］［2］陳明，馮流，J.Yvon等.緩變型地球化學(xué)災(zāi)害：概念、模型及案例研究.地球科學(xué)，2005，35（增刊I）：261-266

［3］陳明，馮流，周國華，謝文明，Jacques Yvon，曹曉娟，陳紅軍等.緩變型地球化學(xué)災(zāi)害：特征、模型和應(yīng)用.地質(zhì)通報，2005，24（10～11）：916-921

［4］中國地質(zhì)調(diào)查局.多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范 （1：250000）.2005-10

P59［文獻(xiàn)碼］ B

1000-405X（2016）-8-150-1