粤东北某地表层土壤重金属元素缓变型地球化学灾害研究

■黄振威

（广东省地质局第八地质大队广东梅州514089）

粤东北某地表层土壤重金属元素缓变型地球化学灾害研究

■黄振威

（广东省地质局第八地质大队广东梅州514089）

土壤重金属元素缓变型地球化学灾害的研究对土壤重金属污染的预测评价提供了定量依据，对土壤重金属污染预警有重要的意义。本文在缓变型地球化学灾害数学模型的基础上，研究粤东北某地表层土壤中重金属元素As是否具备缓变型地球化学灾害特征，并对这些元素的模型特征进行对比分析。

缓变型地球化学灾害重金属元素污染多项式拟合表层土壤

0　引言

人类活动向自然界排放的大量化学物质正不断地打破自然环境的各种化学平衡，这种化学平衡条件的破坏加剧了岩石和土壤等自然介质的分解速率，导致大量天然存在的化学物质由稳定状态转入活动状态并被释放到生态循环系统之中，从而对环境造成了很大的危害。缓变型地球化学灾害的提出，可以比较完整地概括出土壤或沉积物系统的整个污染过程，包括从系统开始接受污染物→系统内污染物的迁移和演化→污染物对生态环境的危害。本文根据陈明等提出的缓变型地球化学灾害数学模型［1］，用Statistica软件对粤东北某地表层土壤的As元素进行多项式拟合计算，对该区As元素是否会爆发缓变型地球化学灾害进行研究探讨。

1　缓变型地球化学灾害数学模型

缓变型地球化学灾害的整个演化过程可以被一个具有较普遍意义的非线性多项式定量地表达出来。这种数学模型为进行生态环境地球化学系统的风险评估提供了一种可供实际采用的基本手段，并可对将来土壤或沉积物系统中环境污染的发生、发展、演化和归宿作出预测，对环境灾害作出预警。

陈明等通过实验首次提出典型缓变型地球化学灾害的演化过程是具有多重套合结构特性的非线性过程，可以划分为3个演化阶段，每个阶段之间各内蕴一个具有特定数学特征的临界点。［2］图1中，X坐标表示环境系统的TRCP（C）—“污染物的可释放总量”，Y坐标表示环境系统中的TCAS（Q）—“活动性污染物的总浓度”，蓝色实线表示一阶导数的图形，蓝色虚线表示二阶导数的图形。随着TRCP的增长，TCAS的增长趋势发生变化，当TRCP的增量为△C1时，TCAS增长了△Q1，随着污染物浓度的累积，△C2的增长，TCAS增长了△Q2，△C2=△C1的情况下，△Q2＞＞△Q1，即TCAS与TRCP的关系是非线性的，可以用多项式表示如下：

根据元素含量的非负性质，当C=0时，Q=0，代入多项式可知，常数项a0=0，即非线性多项式数学模型过原点。在一个演化周期内，多项式中一阶导数Q′、二阶导数Q″为零处分别代表缓变型地球化学灾害爆发的临界点、爆发点。一般地，具有特定数学特征的临界点包括：

爆发临界点，当Q′=Q″=0时，曲线左侧向下凹右侧向上凹；

爆发点，Q′=max、Q″=0时，曲线向上凹；

积累临界点，Q″=min时，曲线左侧向上凹右侧向下凹。

土壤中的重金属可以划分为如下五种形态，其中M为元素符号：可交换态（ME）、碳酸盐结合态（MC）、有机物结合态（MO）、铁锰氧化物结合态（MF）以及残留态（MR），这五种结合态溶于水的难易程度不同，与土壤矿物结合的强度从小到大排列为ME＜MC＜MF＜MO＜MR。排列较后的形态常常可以转化为排列较前的形态。例如MR可以向ME、MC、MF、MO转化，MO可以向ME、MC、MF转化，MF可以向ME、MC转化，MC可以向ME转化等。而可交换态（ME）被认为在缓变型地球化学灾害中占主导地位。

TRCP为污染物的可释放总量，不应包括矿物晶格中的残留态，所以CTRCP=Ci-CR，其中Ci表示元素i的总量，CR表示i元素残渣态的含量。［3］

2　缓变型地球化学灾害模型的应用

2.1模型应用于As的情况

根据上述概念及相应数学模型，研究了粤东北某地表层土壤525件样品中As的CTRCP与CE+C、CE+F、CE+O、CE+C+F、CE+C+O、CE+C+F、CE+O+F、CE+C+O+F等所有形态组合的非线性拟合情况（以可交换态含量CE为主导；根据南方地区特点，CO只计弱有机物结合态）［4］，最终确定了As的CTRCP与CE+C之间能进行较好的三次拟合见图2。

从As元素的拟合多项式曲线看，As的三次拟合较好的反映了“污染物的可释放总量”（TRCP）与“活动性污染物的总浓度”（TCAS）的非线性关系。拟合曲线形象地反映了这种重金属元素从积累到释放的“缓变—爆发”过程。

2.2对As缓变型地球化学灾害的结论

根据上述结果可知，该区表层土壤重金属元素As具有爆发缓变型地球化学灾害的风险，

根据非线性拟合及回归分析，确认As元素的拟合方程如下：

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

2.3As的缓变型地球化学灾害评价

对As的拟合方程求二阶导数y″，并令y″=0，可得AsTRCP=4.783mg/kg，AsE+C=0.176mg/kg。在AsTRCP=4.783mg/kg时，曲线左侧向下凹，右侧向上凹，说明AsTRCP释放向AsE+C转化的速度加速，该点为缓变型地球化学灾害的爆发临界点。

当AsTRCP的浓度在0～7.5mg/kg时，曲线的斜率几乎为零，也就是说AsTRCP浓度的增加几乎不会导致“有效态的”As的增加。当AsTRCP浓度在7.5～15.0mg/kg时，曲线向上凹，但AsTRCP浓度的增加只是释放了少量的“有效态的”As。在AsTRCP达到15.0mg/kg以后，AsTRCP浓度的增加导致“有效态”As的急剧增加，也就是达到了缓变型地球化学灾害的爆发点，此时环境地球化学灾害达到爆发阶段。

根据统计，在该区采集的形态分析样品中共有43.3%的样品AsTRCP超过缓变型地球化学灾害的爆发临界点（4.783mg/kg），具有爆发缓变型地球化学灾害的可能性。有必要建立相应的重金属元素形态分析含量动态监控-防治系统，为该区土壤污染防治和环境地球化学灾害预警提供定量的研究工具和可供采用的基本手段。

3　结论

缓变型地球化学灾害模型可以很好的应用于重金属元素污染的定量评价，它直接反映出污染物不同存在形态相互转化的临界点和非线性关系，对污染物爆发灾害的可能进行了预测，使预防和治理有了定量依据。

本文在缓变型地球化学灾害模型的理论基础下，对粤东北某地表层土壤525件样品的As元素进行了研究，得出As在可释放总量（TRCP）为4.783mg/kg时，TRCP释放向AsE+C转化的速度加速，该点为缓变型地球化学灾害的爆发临界点的结论，对该区As污染的预防和治理有指导作用。

［1］［2］陈明，冯流，J.Yvon等.缓变型地球化学灾害：概念、模型及案例研究.地球科学，2005，35（增刊I）：261-266

［3］陈明，冯流，周国华，谢文明，Jacques Yvon，曹晓娟，陈红军等.缓变型地球化学灾害：特征、模型和应用.地质通报，2005，24（10～11）：916-921

［4］中国地质调查局.多目标区域地球化学调查规范 （1：250000）.2005-10

P59［文献码］ B

1000-405X（2016）-8-150-1