右江河谷地区重金属Cd、Pb迁移沉降机制分析

毛政利, 覃卓萍, 黄尚明

(百色学院管理科学与工程学院, 广西 百色 533000)

土壤安全是人类食品安全和健康安全的重要基础,随着现代工农业的发展,土壤安全受到了严重的挑战,而重金属污染是影响土壤安全的重要因素之一[1-2]．大气是地球表面和地外空间物质交换的介质,大气沉降已经成为土壤重金属污染的重要来源, 约占到土壤重金属来源的25%～85%[3-4], 因此重金属大气沉降已成为土壤重金属污染的研究热点之一[5-6]．Sakata等[7]在日本西部地区对大气干沉降进行了两年的观测, 认为该地区大气干沉降中的重金属元素与亚洲大陆空气污染物有关; Tripathee等[8]在喜马拉雅山南坡中部选取城区、近郊区、乡村和居住区等4种环境类型进行为期一年的大气湿沉降观测,发现在夏季大气湿沉降的微量元素可以从南亚地区长距离输送到喜马拉雅地区; Siudek等[9]通过对波兰中部城市和森林地区湿沉降的对比研究,发现城市湿沉降中重金属元素在春季和夏季变化并不明显, 但在秋冬季变化比较明显; 潘晨光等[10]对川东北无明显工业影响地区重金属平均沉降通量进行为期三年的观察研究, 发现Co、Ni在春冬季较高,而Ga、Pb、Cr等在夏季较高;张国忠等[2]研究了河北典型农田重金属干沉降通量,发现在大气颗粒物质中重金属主要富集于较细颗粒中; 付鹏等[11]研究了某城市垃圾焚烧发电项目周边重金属沉降特征,发现土壤中重金属的浓度随与污染源距离的增加呈现出先升后降的趋势, 重金属含量分布与风密切相关．这些研究主要集中于重金属大气沉降通量及其分布、随季节的变化、源区解释等方面,少有在沉降机制方面的探讨, 特别是地形起伏对重金属在地气之间交换机制的影响研究较少．右江河谷是我国“南菜北运”的3个主要蔬菜生产基地之一, 且河谷地形有起伏,因此,本次研究在河谷采集了71件地表浅层土壤样品,测试了样品中Cd、Pb的含量,分析其含量分布及迁移规律,同时在1个走向与河谷走向近垂直的小山山顶及两侧山腰和山脚处分别采集地表浅层土壤样品,分析地形对Cd、Pb大气迁移沉降的影响,探讨Cd、Pb大气迁移沉降机制,为本地区及相似地区的重金属分布预测及污染防治和生态农业发展提供科学依据．

1 研究区概况

右江河谷位于广西壮族自治区西部, 是近东西走向的狭长地带, 长约120 km,宽为2～20 km不等, 南北西三个方向均为山地,仅东部有一宽约2 km的狭窄出口,河谷和两边山地的分界明显,右江在河谷中自西向东穿流而过．河谷东部地形较为平坦,分布有一些高差少于50 m的小山包;西部地形稍显复杂,有高差约为100 m的小山．河谷中主要以芒果树为主,还有少量水稻和玉米等农作物．河谷东面是1个大型铝工业基地,中部和西部地区分布有3家煤炭生产企业,2家火力发电厂,中部有1家炼油企业和1家原油生产企业,西部有2处较为大型的生态铝生产基地,另外河谷中零星分布有一些小型煤炭、制糖等类型的企业(见图1)．百色市主城区位于研究区的西部,研究区属于亚热带季风气候,光照充足,雨量充沛,受地形影响常年以东南风为主．

图1 地形及采样点分布图Fig.1 The map of terrain and distribution of sampling point

2 研究方法

2.1 样品采集与分析

为查明Cd、Pb在研究区的分布情况,沿河谷方向以大致10 km的间距布置11条采样线, 如图1所示．每条采样线上以3 km间距均匀布样, 在河谷南北边缘分别在山脚、山腰和山顶布置采样点,在不具备采样条件的地点适当移动采样点位置, 采集10 m×10 m正方形的中心及4个顶点处浅层(10～20 cm)土壤各500 g, 混合均匀后按四分法每个样品保留500 g, 同时使用手持GPS定位仪定位记录采样中心点的坐标和高程数据．

为查明河谷地形在Cd、Pb迁移过程中的影响,根据右江河谷地区风向主要以东南季风为主的特点,在河谷中部偏北位置选择1个走向与河谷走向近垂直的小山作为垂直方向采样区(位置见图1), 布置2条与小山走向垂直的采样线(B1和B2), 分别在山顶、两侧的山腰以及山脚采集样品, 采样点分布如见图2所示, 采样方法同前．

图2 地形等高线及垂直方向采样点分布图(m)Fig.2 The map of topographic contour and distribution of vertical sampling points

委托青岛衡立检测有限公司检测样品中Cd、Pb的含量,样品的制备和Cd、Pb含量的测定按照GB/T 17140—1997《土壤质量 铅、镉测定石墨炉原子吸收分光光度法》执行．在室温下自然风干样品, 过 2 mm 筛网去除杂质后, 称取约 0.5 g 土样进一步研磨, 过149 μm 筛混匀后备用．Cd的检出限为0.05 mg·kg-1, 定量限为0.15 mg·kg-1, 线性范围为0.0～2.0 mg·L-1, 相关系数R为0.999 7, 线性方程为Y=0.303 5X-0.002 7;Pb的检出限为0.20 mg·kg-1, 定量限为0.60 mg·kg-1, 线性范围为0.0～5.0 mg·L-1, 相关系数R为0.999 0, 线性方程为Y=0.021 4X-0.001 3; 均采用原子吸收分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司生产, 型号: TAS-986AFG)测定．

2.2 数据处理

采用Excel对Cd和Pb含量进行常规的统计分析计算; 在Surfer13软件平台上应用克里金空间插值方法对本区土壤中Cd和Pb含量进行空间插值, 分析右江河谷地区水平方向土壤中Cd和Pb的分布情况．

3 结果与讨论

3.1 水平方向Cd、Pb含量分布特征

图3是右江河谷地表浅层土壤中重金属Cd和Pb的水平方向分布图．从图3可以看出, Cd和Pb含量在水平方向上的分布具有一定的相似性, 即在研究区东部含量较高,变化梯度较大;西部次之,但含量和变化梯度均比东部低很多;中部出现少量的高值区,且相对高值区域少有重合现象,但总体含量相对较低．

图3 右江河谷土壤中Cd(a)和Pb(b)含量水平方向分布图(mg·kg-1)Fig.3 Distribution map of Cd(a) and Pb(b) in Youjiang river Basin in the horizontal direction

在东部区域Cd含量的高值区主要集中在东南角,往西北方向急剧降低．在研究区东部河谷南缘普遍高于北缘;中部相对比较平稳,没有明显的高值区;西部出现2个高值区,一个位于百色百矿发电有限公司附近,另一个位于百色市城区．在田东和田阳等区县行政中心及乡镇均未出现明显高值区．这说明Cd的迁移能力相对较弱,城镇等人口聚居对Cd迁移的影响较小．

Pb的分布格局和Cd稍有差别,高值区主要集中在东部,往西急剧降低．在研究区中东部河谷南北缘高于河谷中部,其中南缘整体稍高于北缘,但在北缘河谷界线有转角的位置出现一个高值区;西部高值区主要在百色市主城区．田东和田阳等城镇所在地亦未见明显的高值区．这说明Pb的迁移能力强于Cd,但城镇等人口聚居对Pb迁移的影响也较小．

3.2 垂直方向Cd、Pb含量分布特征

图4是垂直方向地形及其Cd、Pb分布图．区域以东南季风为主,东坡为迎风坡, 西坡为背风坡．从图4可以看出, B1采样线上东坡(距离0 m侧)相对较陡, 西坡较为平缓．Pb的含量在不同位置的差别比较明显, 在东坡山腰达到最大值, 其含量由高到低的顺序是: 东坡山腰>东坡山脚>山顶>西坡山腰>西坡山脚．Cd的分布情况和Pb基本一致, 只是不同区域Cd的含量差别相对较小．B2采样线上两侧坡度基本一致, Cd和Pb在东坡的变化情况和B1采样线上相似, 但在西坡从山腰到山脚Cd、Pb的含量均逐步增加,西坡坡脚的含量几乎和东坡山腰持平．因此, 在2条采样线上Cd、Pb含量分布具有一定的相似性,均为坡顶处的含量相对较低,而东坡山腰含量相对较高．

图4 采样线地形和垂直方向Cd、Pb含量分布图Fig.4 Distribution map of Cd and Pb in Youjiang river basin in the vertical direction

3.3 右江河谷Cd、Pb迁移沉降机制

根据上述对研究区Cd和Pb在水平和典型垂直方向上含量分布特征分析可以看出, 研究区东面的大型铝土资源开发是区域内Cd和Pb分布的主要影响因素,这与宋波等[12]的研究结论相符;火力发电厂也有一定影响．从水平方向和垂直方向分布特征看,本区Cd和Pb的迁移沉降在一定程度上受到了地形和风向等因素的联合影响．

水平方向大气迁移沉降机制如图5所示．从铝土矿生产基地吹过来的携带有Cd、Pb细小颗粒的东南风进入研究区东部的狭长通道,由于通道由宽变窄,风速由小变大,风对颗粒物的携带和迁移能力由弱变强．当风经过本区东部狭长通道进入右江河谷时, 由于地势突然开阔,空气流也会随之分散,流动速度势必大幅度降低, 并在河谷两缘形成回流风．因风速降低、风向变化等因素影响, 使得空气中含有Cd和Pb的大部分颗粒得以沉降; 从河谷形状及其与狭长通道的方位关系看,河谷南缘的空气回流量大于北缘, 使得颗粒在南缘的沉降量高于在北缘的沉降量．当部分风继续往西偏北方向移动时, 在河谷两侧形成回流,促使Cd和Pb陆续沉降,特别是在河谷走向变化的地方,由于风向风速的变化, 沉降量会有所增加．

图5 右江河谷Cd、Pb水平方向大气迁移沉降模型Fig.5 Atmospheric migration and settlement model of Cd and Pb in the horizontal direction of Youjiang river basin

垂直方向迁移沉降机制如图6所示．河谷内东南季风在由东向西前进过程中,如果遇到下垫面地形的变化,势必迫使风的运行方向在垂直方向上发生改变．从图6可以看出,如果风在前进方向遇到凸起的地形,风向会随着地形坡度的变化而改变,并在迎风坡一侧的山顶上方形成回旋风．地形坡度越大,风向与地面越接近垂直,回旋风量越大,所携带的固体颗粒物也就越多,回旋沉降量随之增大,过山风风量越小;反之亦然．

B1采样线迎风坡坡度较大,风向变化较大, 风力所携带的固体颗粒物回旋沉降量较大, 过山风的固体颗粒物携带量相对较低,且在前进方向上近距离没有较大地形起伏的影响, 因此土壤中Pb和Cd的含量呈现出迎风坡山腰>迎风坡山脚>山顶>背风坡山腰>背风坡山脚的趋势．B2采样线迎风坡坡度较小, 风向变化较小, 风力所携带的固体颗粒物回旋沉降量较小,过山风的固体颗粒物携带量相对较高, 加之背风坡紧邻另一座小山, 使得过山风的风速进一步降低, 并形成二次回旋, 出现了背风坡的土壤中Pb和Cd的含量从山顶到山脚逐步增大的趋势．

图6 右江河谷Cd、Pb垂直方向大气迁移沉降模型Fig.6 Atmospheric migration and settlement model of Cd and Pb in the vertical direction of Youjiang river basin

4 结论

1) 研究区Cd、Pb水平方向分布具有一定的相似性,东部高,西部次之,中部最低,且相对平稳; 在中东部河谷两缘比中部稍高．说明了研究区以东的铝土矿开发是本区浅层土壤中Cd、Pb的主要来源．垂直方向分布具有较好的同步性,均显示出迎风坡含量高,山顶含量低的特点．

2) 综合本区Cd、Pb的分布特点和气候特征,认为风力在Cd、Pb的迁移中发挥了较大的作用,重力沉降是大气中Cd、Pb沉降的主要方式．大气在水平方向和垂直方向上的回旋是Cd、Pb重力沉降的主要原因．

3) 重金属大气回旋沉降机制揭示了低矮丘陵地区重金属地气交换机制,为低矮丘陵地区重金属的分布预测和防治提供科学依据．