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长江、珠江三角洲地区的经济在我国经济发展中具有极其重要的地位,香港紧邻珠江三角洲,处于经济高度发达地区。但这些地区由工业、农业、交通等排放引起的环境污染问题已相当严峻,目前对这些地区的土壤环境问题一直缺乏一个整体认识。本论文基于长江、珠江三角洲地区的60个典型类型土壤剖面和290个表层样品(含香港地区的58个),分析了土壤基本理化性质、土壤磁学参数、微量元素与稀土元素、Pb同位素以及多环芳烃、有机氯农药和多氯联苯等持久性有机污染物,表征了这些地区土壤环境基本特征及其时空变异;探讨了微量和稀土元素的土壤环境地球化学行为、特征以及区域变异的影响因素;提出了区域土壤微量元素的地球化学基线及其估算方法;采用多种方法对重金属轻微污染土壤进行识别,并解析了它们的主要来源;初步分析了土壤POPs的污染现状、空间分布及其来源,并估算了不同季节、不同地区土壤对POPs的最大储存能力;最后,针对长江、珠江三角洲及香港地区土壤污染现状,提出了几点管理上的策略建议。这些研究成果为长江、珠江三角洲及香港地区土壤环境质量标准制定和土壤污染防治提供了基础数据和科学依据,具有重要的科学意义和现实的指导意义。
本研究得主要结果包括以下几个方面:
(1)通过收集长江、珠江三角洲地区第一次、第二次土壤普查中一些典型类型土壤的pH测定结果,并与本研究中对应的典型类型土壤pH比较发现,两个地区的土壤都有明显的酸化现象,并且整个剖面中表层土壤的酸化现象最为明显;两个地区农业土壤中,珠江三角洲地区的酸化现象要比长江三角洲地区显著。两个地区近20年来总体上土壤pH的下降幅度都在1个单位左右。同时珠江三角洲洲地区土壤中Cd、Zn和Hg元素存在普遍上升的现象,因此随着土壤酸化程度的进一步加剧,上述重金属元素在土壤中的活化程度会进一步加强,需要关注其通过食物链和地下水对人体健康构成的危害。
(2)长江三角洲和珠江三角洲地区的微量元素土壤环境地球化学特征有明显的不同,其中,以自然土壤的差别较大。影响微量元素地球化学分布特征的因素中,成土母质仅对土壤Cu含量有一定程度的影响;而土壤氧化物、有机质以及土壤发育程度大小成为影响这两个地区微量元素地球化学变异的主要因素;长江三角洲土壤中,Fe、Al氧化物和有机质对微量元素的地球化学分异的影响作用大抵相当;而在珠江三角洲地区,Fe氧化物是影响微量元素的地球化学分异的主要因素;不同的土壤类别中,自然土壤除氧化物和有机质等作用外,土壤发育程度的高低也与微量元素含量有关。不同元素中,Hg与其它元素略有差别,它的土壤地球化学特征主要受到土壤有机质的影响。
(3)采用参考因子标准化、累积频率曲线法(CFD)和土壤面积加权法对长江、珠江三角洲地区土壤微量元素的基线进行了估算,其中前两种方法在长江三角洲地区估算的吻合度较高,而在珠江三角洲地区的吻合度相对较差,表明珠江三角洲土壤中存在相对普遍的微量元素污染情况。利用估算得到的基线与过去的背景值比较发现,珠江三角洲地区的环境地球化学基线要比过去的背景值高许多,进一步证实了目前这个地区土壤中重金属存在普遍污染的现象。而长江三角洲地区的基线与过去背景值相差不大,表明未出现普遍的、面状性质的污染状况,但不能排除以污染源为中心的点状污染情况存在。
(4)稀土元素的总量具有地带性规律,黄壤的稀土总量最高,赤红壤最低;农业土壤的稀土含量要普遍高于自然土壤,受海水影响的滨海地带土壤稀土总量则又要高于其它类型的土壤。土壤中稀土元素的分馏呈现轻稀土相对于重稀土的富集特征,Eu都有不同程度的亏缺;分馏程度也基本上呈现南高北低的地带性规律。土壤稀土元素分馏的主控因素有成土母质、生物气候因素、土壤铁锰氧化物结合、以及铝氧化物和粘粒等。水稻土中晶质铁对稀土元素的含量和分馏的影响最为显著,无定形态铁则对重稀土的富集有一定的作用。
(5)土壤磁化率和Pb同位素组成对土壤重金属污染较为敏感,可以作为鉴别土壤是否存在人为来源重金属元素的一个重要指标。综合运用土壤磁化率、铅同位素比值和主成分分析(PCA)的结果显示,长江三角洲地区土壤中重金属的重要人为源是燃煤排放、汽车尾气排放,而珠江三角洲地区土壤中的重要人为源为汽车尾气排放和污水灌溉。两个地区土壤中重金属的其它人为来源还包括肥料施用等。采用绝对因子得分,多元回归法(APCS/MLR)定量解析土壤重金属来源的结果显示,长江三角洲地区重金属人为来源中燃煤排放影响较大,而珠江三角洲地区重金属人为来源中汽车尾气排放和污灌排放的影响较大。对长江三角洲两个典型污染区(铜冶炼污染区和电子垃圾焚烧区)土壤中Pb同位素比值的研究认为,铜冶炼污染区存在严重的土壤Pb污染,并且主要由燃煤排放产生,占了所有排放来源的90%以上;而电子垃圾焚烧区土壤中Pb也存在明显的人为活动来源,其贡献率占56%到96%不等。
(6)在土壤POPs污染方面,珠江三角洲及香港地区的4种持久性有机污染物的整体污染程度不高,但强致癌性PAHs-苯并(a)芘在个别采样点的含量超过了荷兰土壤目标值的5倍。因此,还需要进一步研究这些地区苯并(a)芘的污染范围及其主要排放来源。PAHs的分子标志物参数显示,珠江三角洲地区PAHs的来源总体上以交通汽油燃烧与混合源为主,也有一部分的生物质燃烧来源。土壤中PAHs和PCBs的成份图谱结果显示,珠江三角洲和香港地区土壤中这两种污染物具有同源性,因此可能存在这两种POPs的跨界污染问题,需要两个地区来协力解决。DDT和γ-HCH的平均含量尽管都低于我国的相关土壤标准,但要高于荷兰的目标值,具有潜在的生态风险。通过近20多年来土壤中DDT残留组分的演变比较发现,近年来土壤中的o,p’-DDT在DDT中的比例有上升的趋势,因此三氯杀螨醇对土壤DDT残留的影响有必要开展进一步研究。
(7)对长江、珠江三角洲两个地区表层土壤中PCBs、有机氯农药和PAHs三大类POPs化合物中的7种化合物的最大理论存储能力进行了初步估算。总体上来看,长江三角洲的土壤要比珠江三角洲的土壤对POPs的存储能力强;而在季节变化上,土壤在冬季的存储能力最强,夏季最弱。同时夏季也可能成为长江三角洲和珠江三角洲地区向外输送土壤低滞留性POPs的源区。在长江三角洲地区的一些土壤有机碳含量较低地区的POPs污染需要引起高度的关注,因为这些土壤对高滞留性POPs的存储能力也很差,从而可能使这些地区POPs污染的土壤成为大气POPs的主要来源,使人体通过呼吸和皮肤接触暴露POPs的风险增加。
(8)针对长江、珠江三角洲及香港地区当前的土壤污染形势,认为目前在这些地区污染土壤的管理策略上,首先需要确立土壤的优控污染物清单;其次,需要开展污染土壤的风险评估,制定区域土壤环境质量标准和土壤污染防治的法律法规;最后对高风险土壤需要根据我国的国情与修复技术的发展水平,并结合国外的修复技术筛选方法体系,选择合适的修复和治理措施,研发修复工程设备和修复材料,实现土壤污染控制与修复。