■黃振威

（廣東省地質(zhì)局第八地質(zhì)大隊(duì)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(duì)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(duì)土壤重金屬污染的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)提供了定量依據(jù)，對(duì)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(duì)這些元素的模型特征進(jìn)行對(duì)比分析。

緩變型地球化學(xué)災(zāi)害重金屬元素污染多項(xiàng)式擬合表層土壤

0　引言

人類活動(dòng)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(dòng)狀態(tài)并被釋放到生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)之中，從而對(duì)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(gè)污染過(guò)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(duì)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(duì)粵東北某地表層土壤的As元素進(jìn)行多項(xiàng)式擬合計(jì)算，對(duì)該區(qū)As元素是否會(huì)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(gè)演化過(guò)程可以被一個(gè)具有較普遍意義的非線性多項(xiàng)式定量地表達(dá)出來(lái)。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(xiǎn)評(píng)估提供了一種可供實(shí)際采用的基本手段，并可對(duì)將來(lái)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(cè)，對(duì)環(huán)境災(zāi)害作出預(yù)警。

陳明等通過(guò)實(shí)驗(yàn)首次提出典型緩變型地球化學(xué)災(zāi)害的演化過(guò)程是具有多重套合結(jié)構(gòu)特性的非線性過(guò)程，可以劃分為3個(gè)演化階段，每個(gè)階段之間各內(nèi)蘊(yùn)一個(gè)具有特定數(shù)學(xué)特征的臨界點(diǎn)。［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(dòng)性污染物的總濃度”，藍(lán)色實(shí)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(zhǎng)，TCAS的增長(zhǎng)趨勢(shì)發(fā)生變化，當(dāng)TRCP的增量為△C1時(shí)，TCAS增長(zhǎng)了△Q1，隨著污染物濃度的累積，△C2的增長(zhǎng)，TCAS增長(zhǎng)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(xiàng)式表示如下：

根據(jù)元素含量的非負(fù)性質(zhì)，當(dāng)C=0時(shí)，Q=0，代入多項(xiàng)式可知，常數(shù)項(xiàng)a0=0，即非線性多項(xiàng)式數(shù)學(xué)模型過(guò)原點(diǎn)。在一個(gè)演化周期內(nèi)，多項(xiàng)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(diǎn)、爆發(fā)點(diǎn)。一般地，具有特定數(shù)學(xué)特征的臨界點(diǎn)包括：

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

爆發(fā)點(diǎn)，Q′=max、Q″=0時(shí)，曲線向上凹；

積累臨界點(diǎn)，Q″=min時(shí)，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(hào)：可交換態(tài)（ME）、碳酸鹽結(jié)合態(tài)（MC）、有機(jī)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(qiáng)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?jiān)鼞B(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(diǎn)，CO只計(jì)弱有機(jī)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(xiàng)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(dòng)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(guò)程。

2.2對(duì)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(xiǎn)，

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(píng)價(jià)

對(duì)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(shí)，曲線左側(cè)向下凹，右側(cè)向上凹，說(shuō)明AsTRCP釋放向AsE+C轉(zhuǎn)化的速度加速，該點(diǎn)為緩變型地球化學(xué)災(zāi)害的爆發(fā)臨界點(diǎn)。

當(dāng)AsTRCP的濃度在0～7.5mg/kg時(shí)，曲線的斜率幾乎為零，也就是說(shuō)AsTRCP濃度的增加幾乎不會(huì)導(dǎo)致“有效態(tài)的”As的增加。當(dāng)AsTRCP濃度在7.5～15.0mg/kg時(shí)，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(diǎn)，此時(shí)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(jì)，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(guò)緩變型地球化學(xué)災(zāi)害的爆發(fā)臨界點(diǎn)（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(dòng)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(píng)價(jià)，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(diǎn)和非線性關(guān)系，對(duì)污染物爆發(fā)災(zāi)害的可能進(jìn)行了預(yù)測(cè)，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(duì)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(shí)，TRCP釋放向AsE+C轉(zhuǎn)化的速度加速，該點(diǎn)為緩變型地球化學(xué)災(zāi)害的爆發(fā)臨界點(diǎn)的結(jié)論，對(duì)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(guó)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(bào)，2005，24（10～11）：916-921

［4］中國(guó)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