包頭市南郊污灌區鈰分布特征及其對生態環境的影響

張慶輝 趙捷 朱晉

摘要：為了研究包頭市南郊污水灌溉區稀土元素鈰（Ｃｅ）分布特征，在研究區采集水系沉積物和土壤樣品分析Ｃｅ含量。結果表明，研究區主污水渠濱岸漫水地Ｃｅ含量為４ ５２４．００ ｍｇ／ｋｇ；四道沙河河底沉積物Ｃｅ含量為５８１．２０ ｍｇ／ｋｇ；工廠污水渠底部水系沉積物Ｃｅ含量為３８２．００ ｍｇ／ｋｇ， 渠道剖面中Ｃｅ含量為１８５．５２ ｍｇ／ｋｇ；農田土壤Ｃｅ平均含量為９１．０８ ｍｇ／ｋｇ。人類活動已經導致污灌區外源Ｃｅ在土壤、水系沉積物中的超量積累。外源Ｃｅ元素含量的高度異常，對研究區生態環境有重大的潛在生態風險。

關鍵詞：鈰（Ｃｅ）；分布特征；生態環境影響；污灌區；包頭市

中圖分類號：Ｘ８２０．２文獻標識碼：Ａ文章編號：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

稀土元素鈰（Ｃｅ）對動物體有很大的損傷力。動物體對Ｃｅ表現出明顯的選擇性蓄積，Ｃｅ在眼球的蓄積性明顯高于其他臟器組織，其次是骨骼、睪丸、大腦和心臟［１］。Ｃｅ蓄積在大腦［２］對高級神經系統造成一定的損傷［３］。當人體血液中的鈰離子進入紅細胞后，能促進羥自由基生成，使Ｆｅ２＋氧化成Ｆｅ３＋，而降低氧親和力［４］。徐清等［５］證實包頭表層土壤稀土含量分布具有高度的一致性，并與當地稀土產業和鋼廠的尾礦堆積、排放有密切關系。表層土壤中稀土元素Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ也呈現局部富集或污染狀況，工業區附近已達到中度－重度污染水平。隨著工業污水進入農田土壤等生態環境中，稀土元素Ｃｅ將會通過生物鏈來影響人體健康。因此，本試驗專門研究包頭市郊區麻池鄉城梁村連續多年污灌區Ｃｅ的分布特征及其對生態環境的影響。

１研究區概況

包頭市是以冶金、稀土、機械工業為主的綜合性工業城市，研究取樣區位于包頭市南郊四道沙河流域污灌區。污灌區土質多為砂壤土和砂土，滲透力強，地下水易受污染。表層土（０～２５ ｃｍ）ｐＨ ７．０２［６］。研究區內種植農作物的灌溉用水都是污水渠的污水。研究區內種植的糧食類作物主要有玉米、小麥等。

２樣品采集及研究方法

２．１樣品的采集

為了在四道沙河流域農田污灌區選定重點取樣研究區，預先采取踏勘采樣，取樣位置如圖１中的①、②、③所示。

第一階段取樣在平行于主污水渠東邊的小污水渠道中取Ｔ１號樣，流水以研究區附近的企業不定期的間斷性排水為主。在污水渠道干涸的底部１０ ｍ２范圍內采取表層水系沉積物樣，由５個小樣組合成１個大樣（Ｔ１號，如圖１中①所示）。自萬水泉南站南邊鐵路橋下四道沙河的河槽中取Ｔ２號樣，在橋下河槽中沿河道寬度方向線狀布樣并縮分、組合為１個大樣（Ｔ２號，如圖１中②所示）。主污水渠濱岸泛濫區農田中取Ｔ３號樣，按“梅花型”取１０個小樣，組合為１個大樣（Ｔ３號，如圖１中③所示）。后又在１號樣取樣位置即污水渠底部挖１個剖面，在剖面上從上往下取３個樣，樣品ＰＭ１為褐黃色泥質粉砂巖，與ＰＭ２接觸的底層界面上有褐鐵礦化；樣品ＰＭ２為灰黑、深灰色泥質粉砂巖；樣品ＰＭ３為深灰色、灰黑泥質粉砂巖，其中有０．５ ｃｍ厚的煤炭炭末層（取樣點東鄰煤炭轉運場）。所取的剖面樣縮分到１ ｋｇ。

第二階段選定在重點研究區農田中取樣，取樣范圍如圖１所示，布點采樣方法采用“梅花型”布局［７］。采樣使用竹鏟，將各點所采的土壤樣在塑料薄膜上均勻混合，用圓錐四分法逐次棄去多余部分，最后將１ ｋｇ樣品裝入樣袋。共采集污灌區農田土壤樣品８個組合樣（每１０個小樣組合成１個大樣）。采集樣品先在室內通風、避光、室溫的條件下自然陰干。在陰干過程中為了防止樣品被黏土物質膠結在一起，將半干燥的樣品用竹鏟或木棒輕輕擠壓使膠結的顆粒解體破碎。土壤樣品經自然風干后，先用木棒碾細，再用尼龍篩截取１００目粒級樣品，用于分析測定稀土元素Ｃｅ。

２．２分析方法

對稀土元素Ｃｅ的分析采用等離子質譜法，由中國科學院廣州地球化學研究所完成，儀器型號為Ｐｅｒｋｉｎ－Ｅｌｍｅｒ Ｅｌａｎ ６０００型等離子質譜儀（ ＩＣＰ－ＭＳ）。

３結果與分析

３．１Ｃｅ含量特征分析

測定樣品Ｃｅ含量結果表明，污灌區農田土壤Ｃｅ元素含量變化范圍如圖２所示，污水渠底部沉積物剖面Ｃｅ元素含量變化趨勢如圖３所示。

由圖２可知，污灌區農田土壤樣品Ｃｅ含量最小值７３．１７ ｍｇ／ｋｇ，最大值１３２．６０ ｍｇ／ｋｇ，平均含量為９１．０８ ｍｇ／ｋｇ，分別是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元素總含量為５１７．３０ ｍｇ／ｋｇ，加權平均含量１８５．５２ ｍｇ／ｋｇ。在垂直方向上，Ｃｅ元素含量隨著剖面深度增加而增加（圖３），Ｃｅ元素隨表層滲流水有良好的遷移富集能力。竺偉民等［９］研究認為Ｃｅ在酸性土壤上每年下移約１ ｃｍ；在中性土壤中每年下移約０．２ ｃｍ；而在堿性土壤中幾乎不下移。研究區屬中性砂壤土，說明稀土元素的下移速度非常可觀。另一方面，污水ｐＨ的變化能引起稀土元素在垂直方向的擴散下移速度。泥煤對Ｃｅ的吸附以物理吸附為主，對Ｃｅ的平衡吸附量明顯比銪和鏑高［１０］。剖面第三層中有煤粉，碳的存在可能加強了對Ｃｅ的吸附和富集。

在取樣研究的各點、面上Ｃｅ含量分別為Ｔ３（４ ５２４．００ ｍｇ／ｋｇ）＞Ｔ２（５８１．２０ ｍｇ／ｋｇ）＞Ｔ１（３８２．００ ｍｇ／ｋｇ）＞ＰＭ（１８５．５２ ｍｇ／ｋｇ）＞農田土壤（９１．０８ ｍｇ／ｋｇ）。主污水渠濱岸漫水地Ｃｅ元素含量極高且遠遠大于其他樣品中Ｃｅ元素含量，說明經過濱岸農田的污水在此處漫流浸泡，土壤因含有豐富的團聚體［１１］而對污水中的外源稀土元素Ｃｅ具有淋濾、富集作用；Ｔ２＞Ｔ１說明四道沙河河底沉積物中富集的Ｃｅ元素具有長期的歷史繼承性。但另一方面，由于Ｔ１和ＰＭ是同一點不同方向的樣品，前者為水平方向上的表層沉積物，后者是垂直方向剖面上的沉積物，而且剖面上Ｃｅ的總含量為５１７．３０ ｍｇ／ｋｇ，這也說明工廠污水渠中的污水對生態環境中稀土元素擴散或遷移富集的重大貢獻，因而對于四道沙河上游河底Ｔ２點還需要再通過剖面詳細研究外源的稀土元素在水平方向上的遷移擴散特征。

總之，上述各研究點、區樣品中的Ｃｅ元素富集，說明人類活動導致了Ｃｅ元素在土壤、水系沉積物中的超量積累，水系沉積物樣品測定結果說明污水繼續對當地生態環境中Ｃｅ元素的擴散和遷移富集提供源源不斷地補充。可見，包頭市Ｃｅ元素污染很大程度上存在潛在生態風險，提前進行治理和預防非常必要，應該引起重視。

３．２Ｃｅ對生態環境的影響

環境中超量積累的外源Ｃｅ將會對農作物、地下水等產生如下不良影響。

３．２．１對玉米等農作物的影響超量的稀土鈰對玉米有明顯的危害，高建國等［１２］證實硫酸鈰銨對玉米根尖細胞具有一定的遺傳毒性；費紅梅等［１３］證實硝酸鈰濃度達到２５６ ｍｇ／Ｌ時，能導致玉米根尖細胞損傷甚至凋亡；趙攀峰等［１４］證實在氯化亞鈰（ＣｅＣｌ３·７Ｈ２Ｏ）濃度為１５ ｇ／Ｌ時對玉米種子的發芽、種子活力、種子電導率、種苗生長指標等有明顯的抑制作用。總之，稀土元素與重金屬污染機制相似［１５］，均能在短時間、低濃度范圍內對植物起刺激作用，但超過一定的時間和濃度范圍便對植物起毒害作用，如Ｃｅ３＋對竹葉眼子菜的致死濃度為３～５ ｍｇ／Ｌ。

３．２．２對地下水和黃河的影響稀土元素１４１Ｃｅ具有強吸附性，易在土壤和底泥中積累［１６］；如果積累Ｃｅ的土壤和底泥中ｐＨ發生變化，就會使積累富集的Ｃｅ被釋放出來，進而極大地影響地下水和黃河的生態環境。何江等［１７］證實黃河沉積物對Ｃｅ３＋的吸附受控于ｐＨ，隨ｐＨ的增加對離子吸附量逐漸增大，但弱堿性或堿性更有利于吸附，初步吸附競爭能力大小依次為Ｓｍ３＋、Ｎｄ３＋、Ｌａ３＋、Ｃｅ３＋。

４結論

研究區主污水渠濱岸漫水地（Ｔ３）Ｃｅ含量為４ ５２４．００ ｍｇ／ｋｇ，四道沙河河底沉積物（Ｔ２）Ｃｅ含量為５８１．２０ ｍｇ／ｋｇ，工廠污水渠底部水系沉積物（Ｔ１）Ｃｅ含量為３８２．００ ｍｇ／ｋｇ，其剖面（ＰＭ）Ｃｅ含量為１８５．５２ ｍｇ／ｋｇ，農田土壤Ｃｅ含量為９１．０８ ｍｇ／ｋｇ，分別是河套地區Ｃｅ元素背景值５８．２９ ｍｇ／ｋｇ的７７．６１、９．９７、６．５５、３．１８和１．５６倍。各研究點、區樣品中的Ｃｅ元素含量都大于背景值，說明人類活動導致了Ｃｅ元素在土壤、水系沉積物中的超量積累。充分反映了研究區Ｃｅ元素的高度富集性，并與包頭市稀土產業具有高度一致性與繼承性。外源Ｃｅ對研究區生態環境存在著重大的潛在生態風險，非常有必要提前進行治理和預防，應該引起全社會廣泛關注。

致謝：２００９級地理科學班高將、張偉、郭力文、劉志杰、張東升、張利榮、杜麗君和資源環境與城鄉規劃管理班胡洪樑等同學在采樣、加工樣品過程中給予的幫助，包頭師范學院化學學院魏兵、耿師科、尚智慧老師和中科院廣州地球化學研究所涂湘林研究員在樣品化驗中給予的幫助，在此一并致謝。

參考文獻：

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收稿日期：２０１１－１１－０３

基金項目：內蒙古自治區高等學校科學研究項目（ＮＪ０９１４２）

作者簡介：張慶輝（１９６１－），男，甘肅定西人，教授，主要從事自然資源開發與環境評價工作，（電話）１３６９４７２０４８３（電子信箱）ｚｈｑｈ２００５４９＠１２６．ｃｏｍ。