包头市南郊污灌区铈分布特征及其对生态环境的影响

张庆辉 赵捷 朱晋

摘要：为了研究包头市南郊污水灌溉区稀土元素铈（Ｃｅ）分布特征，在研究区采集水系沉积物和土壤样品分析Ｃｅ含量。结果表明，研究区主污水渠滨岸漫水地Ｃｅ含量为４ ５２４．００ ｍｇ／ｋｇ；四道沙河河底沉积物Ｃｅ含量为５８１．２０ ｍｇ／ｋｇ；工厂污水渠底部水系沉积物Ｃｅ含量为３８２．００ ｍｇ／ｋｇ， 渠道剖面中Ｃｅ含量为１８５．５２ ｍｇ／ｋｇ；农田土壤Ｃｅ平均含量为９１．０８ ｍｇ／ｋｇ。人类活动已经导致污灌区外源Ｃｅ在土壤、水系沉积物中的超量积累。外源Ｃｅ元素含量的高度异常，对研究区生态环境有重大的潜在生态风险。

关键词：铈（Ｃｅ）；分布特征；生态环境影响；污灌区；包头市

中图分类号：Ｘ８２０．２文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０12）03－0478-03

Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｉｍｐａｃｔ ｏｆ Ｃｅｒｉｕｍ ｉｎ Ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ Ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ Ａｒｅａ ｏｆ Ｂａｏｔｏｕ Ｓｏｕｔｈｅｒｎ Ｓｕｂｕｒｂｓ

ＺＨＡＮＧ Ｑｉｎｇ－ｈｕｉ，ＺＨＡＯ Ｊｉｅ，ＺＨＵ Ｊｉｎ

（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｂａｏｔｏｕ Ｔｅａｃｈｅｒｓ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｂａｏｔｏｕ ０１４０３０， Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｅｒｉｕｍ ｉｎ wａｓｔｅｗａｔｅｒ iｒｒｉｇａｔｉｏｎ aｒｅａ ｏｆ Ｂａｏｔｏｕ sｏｕｔｈｅｒｎ ｓｕｂｕｒｂｓ（ＷＩＡＢ） was researched． Ｓａｍｐｌｅｓ ｗｅｒｅ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ Ｃｅ ｉｎ ｓｔｒｅａｍ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ａｎｄ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｓｏｉｌ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗed ｔｈａｔ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ Ｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏａｓｔａｌ ｉｎｕｎｄａｔｉｏｎ ｓｅｗａｇｅ ｄｒａｉｎａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ａｒｅａ ｗａｓ ４ ５２４．００ ｍｇ／ｋｇ； ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ Ｃｅ ｉｎ ｒｉｖｅｒ ｓｅｄｉｍｅｎｔｓ ｏｆ Ｓｉｄａｏｓｈａｈｅ ｗａｓ ５８１．２０ ｍｇ／ｋｇ； ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ Ｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｂｏｔｔｏｍ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｅａｍ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｉｎ ｓｅｗｅｒｓ ｏｆ ｐｌａｎｔ ｗａｓ ３８２．００ ｍｇ／ｋｇ； ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ Ｃｅ ｉｎ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｐｒｏｆｉｌｅ ｗａｓ １８５．５２ ｍｇ／ｋｇ； ａｎｄ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ Ｃｅ ｉｎ ｓｏｉｌ ｏｆ ｆａｒｍｌａｎｄ ｗａｓ ９１．０８ ｍｇ／ｋｇ． Ｃｅｒｉｕｍ ｆｒｏｍ ｓｔｒｅａｍ ｓｅｄｉｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ ｗｅｒｅ ｅｘｃｅｓｓｉｖｅ ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ ｉｎ ＷＩＡＢ due to ｈｕｍａｎ ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ； and the potential ecological risk of Ce ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ Ｃｅ should be paid attention to．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： Ｃｅｒｉｕｍ； dｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ； eｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ iｍｐａｃｔ； wａｓｔｅｗａｔｅｒ iｒｒｉｇａｔｉｏｎ aｒｅａ； Baotou ciyt

稀土元素铈（Ｃｅ）对动物体有很大的损伤力。动物体对Ｃｅ表现出明显的选择性蓄积，Ｃｅ在眼球的蓄积性明显高于其他脏器组织，其次是骨骼、睾丸、大脑和心脏［１］。Ｃｅ蓄积在大脑［２］对高级神经系统造成一定的损伤［３］。当人体血液中的铈离子进入红细胞后，能促进羟自由基生成，使Ｆｅ２＋氧化成Ｆｅ３＋，而降低氧亲和力［４］。徐清等［５］证实包头表层土壤稀土含量分布具有高度的一致性，并与当地稀土产业和钢厂的尾矿堆积、排放有密切关系。表层土壤中稀土元素Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ也呈现局部富集或污染状况，工业区附近已达到中度－重度污染水平。随着工业污水进入农田土壤等生态环境中，稀土元素Ｃｅ将会通过生物链来影响人体健康。因此，本试验专门研究包头市郊区麻池乡城梁村连续多年污灌区Ｃｅ的分布特征及其对生态环境的影响。

１研究区概况

包头市是以冶金、稀土、机械工业为主的综合性工业城市，研究取样区位于包头市南郊四道沙河流域污灌区。污灌区土质多为砂壤土和砂土，渗透力强，地下水易受污染。表层土（０～２５ ｃｍ）ｐＨ ７．０２［６］。研究区内种植农作物的灌溉用水都是污水渠的污水。研究区内种植的粮食类作物主要有玉米、小麦等。

２样品采集及研究方法

２．１样品的采集

为了在四道沙河流域农田污灌区选定重点取样研究区，预先采取踏勘采样，取样位置如图１中的①、②、③所示。

第一阶段取样在平行于主污水渠东边的小污水渠道中取Ｔ１号样，流水以研究区附近的企业不定期的间断性排水为主。在污水渠道干涸的底部１０ ｍ２范围内采取表层水系沉积物样，由５个小样组合成１个大样（Ｔ１号，如图１中①所示）。自万水泉南站南边铁路桥下四道沙河的河槽中取Ｔ２号样，在桥下河槽中沿河道宽度方向线状布样并缩分、组合为１个大样（Ｔ２号，如图１中②所示）。主污水渠滨岸泛滥区农田中取Ｔ３号样，按“梅花型”取１０个小样，组合为１个大样（Ｔ３号，如图１中③所示）。后又在１号样取样位置即污水渠底部挖１个剖面，在剖面上从上往下取３个样，样品ＰＭ１为褐黄色泥质粉砂岩，与ＰＭ２接触的底层界面上有褐铁矿化；样品ＰＭ２为灰黑、深灰色泥质粉砂岩；样品ＰＭ３为深灰色、灰黑泥质粉砂岩，其中有０．５ ｃｍ厚的煤炭炭末层（取样点东邻煤炭转运场）。所取的剖面样缩分到１ ｋｇ。

第二阶段选定在重点研究区农田中取样，取样范围如图１所示，布点采样方法采用“梅花型”布局［７］。采样使用竹铲，将各点所采的土壤样在塑料薄膜上均匀混合，用圆锥四分法逐次弃去多余部分，最后将１ ｋｇ样品装入样袋。共采集污灌区农田土壤样品８个组合样（每１０个小样组合成１个大样）。采集样品先在室内通风、避光、室温的条件下自然阴干。在阴干过程中为了防止样品被黏土物质胶结在一起，将半干燥的样品用竹铲或木棒轻轻挤压使胶结的颗粒解体破碎。土壤样品经自然风干后，先用木棒碾细，再用尼龙筛截取１００目粒级样品，用于分析测定稀土元素Ｃｅ。

２．２分析方法

对稀土元素Ｃｅ的分析采用等离子质谱法，由中国科学院广州地球化学研究所完成，仪器型号为Ｐｅｒｋｉｎ－Ｅｌｍｅｒ Ｅｌａｎ ６０００型等离子质谱仪（ ＩＣＰ－ＭＳ）。

３结果与分析

３．１Ｃｅ含量特征分析

测定样品Ｃｅ含量结果表明，污灌区农田土壤Ｃｅ元素含量变化范围如图２所示，污水渠底部沉积物剖面Ｃｅ元素含量变化趋势如图３所示。

由图２可知，污灌区农田土壤样品Ｃｅ含量最小值７３．１７ ｍｇ／ｋｇ，最大值１３２．６０ ｍｇ／ｋｇ，平均含量为９１．０８ ｍｇ／ｋｇ，分别是Ｃｅ元素河套背景值５８．２９ ｍｇ／ｋｇ［８］的１．２６、２．２７、１．５６倍。在垂直方向剖面上，Ｃｅ元素总含量为５１７．３０ ｍｇ／ｋｇ，加权平均含量１８５．５２ ｍｇ／ｋｇ。在垂直方向上，Ｃｅ元素含量随着剖面深度增加而增加（图３），Ｃｅ元素随表层渗流水有良好的迁移富集能力。竺伟民等［９］研究认为Ｃｅ在酸性土壤上每年下移约１ ｃｍ；在中性土壤中每年下移约０．２ ｃｍ；而在碱性土壤中几乎不下移。研究区属中性砂壤土，说明稀土元素的下移速度非常可观。另一方面，污水ｐＨ的变化能引起稀土元素在垂直方向的扩散下移速度。泥煤对Ｃｅ的吸附以物理吸附为主，对Ｃｅ的平衡吸附量明显比铕和镝高［１０］。剖面第三层中有煤粉，碳的存在可能加强了对Ｃｅ的吸附和富集。

在取样研究的各点、面上Ｃｅ含量分别为Ｔ３（４ ５２４．００ ｍｇ／ｋｇ）＞Ｔ２（５８１．２０ ｍｇ／ｋｇ）＞Ｔ１（３８２．００ ｍｇ／ｋｇ）＞ＰＭ（１８５．５２ ｍｇ／ｋｇ）＞农田土壤（９１．０８ ｍｇ／ｋｇ）。主污水渠滨岸漫水地Ｃｅ元素含量极高且远远大于其他样品中Ｃｅ元素含量，说明经过滨岸农田的污水在此处漫流浸泡，土壤因含有丰富的团聚体［１１］而对污水中的外源稀土元素Ｃｅ具有淋滤、富集作用；Ｔ２＞Ｔ１说明四道沙河河底沉积物中富集的Ｃｅ元素具有长期的历史继承性。但另一方面，由于Ｔ１和ＰＭ是同一点不同方向的样品，前者为水平方向上的表层沉积物，后者是垂直方向剖面上的沉积物，而且剖面上Ｃｅ的总含量为５１７．３０ ｍｇ／ｋｇ，这也说明工厂污水渠中的污水对生态环境中稀土元素扩散或迁移富集的重大贡献，因而对于四道沙河上游河底Ｔ２点还需要再通过剖面详细研究外源的稀土元素在水平方向上的迁移扩散特征。

总之，上述各研究点、区样品中的Ｃｅ元素富集，说明人类活动导致了Ｃｅ元素在土壤、水系沉积物中的超量积累，水系沉积物样品测定结果说明污水继续对当地生态环境中Ｃｅ元素的扩散和迁移富集提供源源不断地补充。可见，包头市Ｃｅ元素污染很大程度上存在潜在生态风险，提前进行治理和预防非常必要，应该引起重视。

３．２Ｃｅ对生态环境的影响

环境中超量积累的外源Ｃｅ将会对农作物、地下水等产生如下不良影响。

３．２．１对玉米等农作物的影响超量的稀土铈对玉米有明显的危害，高建国等［１２］证实硫酸铈铵对玉米根尖细胞具有一定的遗传毒性；费红梅等［１３］证实硝酸铈浓度达到２５６ ｍｇ／Ｌ时，能导致玉米根尖细胞损伤甚至凋亡；赵攀峰等［１４］证实在氯化亚铈（ＣｅＣｌ３·７Ｈ２Ｏ）浓度为１５ ｇ／Ｌ时对玉米种子的发芽、种子活力、种子电导率、种苗生长指标等有明显的抑制作用。总之，稀土元素与重金属污染机制相似［１５］，均能在短时间、低浓度范围内对植物起刺激作用，但超过一定的时间和浓度范围便对植物起毒害作用，如Ｃｅ３＋对竹叶眼子菜的致死浓度为３～５ ｍｇ／Ｌ。

３．２．２对地下水和黄河的影响稀土元素１４１Ｃｅ具有强吸附性，易在土壤和底泥中积累［１６］；如果积累Ｃｅ的土壤和底泥中ｐＨ发生变化，就会使积累富集的Ｃｅ被释放出来，进而极大地影响地下水和黄河的生态环境。何江等［１７］证实黄河沉积物对Ｃｅ３＋的吸附受控于ｐＨ，随ｐＨ的增加对离子吸附量逐渐增大，但弱碱性或碱性更有利于吸附，初步吸附竞争能力大小依次为Ｓｍ３＋、Ｎｄ３＋、Ｌａ３＋、Ｃｅ３＋。

４结论

研究区主污水渠滨岸漫水地（Ｔ３）Ｃｅ含量为４ ５２４．００ ｍｇ／ｋｇ，四道沙河河底沉积物（Ｔ２）Ｃｅ含量为５８１．２０ ｍｇ／ｋｇ，工厂污水渠底部水系沉积物（Ｔ１）Ｃｅ含量为３８２．００ ｍｇ／ｋｇ，其剖面（ＰＭ）Ｃｅ含量为１８５．５２ ｍｇ／ｋｇ，农田土壤Ｃｅ含量为９１．０８ ｍｇ／ｋｇ，分别是河套地区Ｃｅ元素背景值５８．２９ ｍｇ／ｋｇ的７７．６１、９．９７、６．５５、３．１８和１．５６倍。各研究点、区样品中的Ｃｅ元素含量都大于背景值，说明人类活动导致了Ｃｅ元素在土壤、水系沉积物中的超量积累。充分反映了研究区Ｃｅ元素的高度富集性，并与包头市稀土产业具有高度一致性与继承性。外源Ｃｅ对研究区生态环境存在着重大的潜在生态风险，非常有必要提前进行治理和预防，应该引起全社会广泛关注。

致谢：２００９级地理科学班高将、张伟、郭力文、刘志杰、张东升、张利荣、杜丽君和资源环境与城乡规划管理班胡洪樑等同学在采样、加工样品过程中给予的帮助，包头师范学院化学学院魏兵、耿师科、尚智慧老师和中科院广州地球化学研究所涂湘林研究员在样品化验中给予的帮助，在此一并致谢。

参考文献：

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收稿日期：２０１１－１１－０３

基金项目：内蒙古自治区高等学校科学研究项目（ＮＪ０９１４２）

作者简介：张庆辉（１９６１－），男，甘肃定西人，教授，主要从事自然资源开发与环境评价工作，（电话）１３６９４７２０４８３（电子信箱）ｚｈｑｈ２００５４９＠１２６．ｃｏｍ。