化学定时炸弹_中国陆地环境面临的新问题（成杭新,严光生,沈夏初,顾铁新,赖志敏《吉林大学学报(地球科学版)》1999.1）.pdf

第29卷 第1期 长 春 科 技 大 学 学 报 Vol. 29 No. 1 1999年1月 JOURNAL OF CHANGCHUN UN I VERSITY OF SC IENCE AND TECHNOLOGY Jan.1999 化学定时炸弹中国陆地环境面临的新问题① 成杭新 严光生 沈夏初 顾铁新 赖志敏 国土资源部地球物理地球化学勘查研究所,廊坊065000 摘要 根据中国环境地球化学监控网络第一次采样的结果,发现中国东部,尤其是华南地区,是 N a2O ,M gO ,CaO的低背景地球化学区,A l的高背景地球化学区,这个独特的地球化学区,恰好也是 我国酸性沉降物的分布区,由于持续的酸性物质沉降,使这一地区成为对酸性物质沉降最脆弱的地 区,有可能导致土壤中A l的突然释放,出现森林大面积突然死亡的环境危害。研究还发现,该地区也 是Th、Cu、Cd、T i、A u、B、T l、W、Zn、Sb、A g、I、U、A s、Se、M o、Bi、Rb、Ga、L a、Ce、Y、Pb、Ge、Zr、Be、N b、 Sn等28种元素的地球化学高背景分布区。随着土壤的pH值不断降低,最终将导致这些金属中的一 种或数种元素同时从土壤中释放,有可能在不同的时间阶段及不同地区的大面积范围内出现不同元 素的化学定时炸弹。 关键词 铝 化学定时炸弹 土壤脆弱度 中国 中图分类号 P595 第一作者简介 成杭新 男 34岁 高级工程师 应用地球化学专业 已发表 “W ide- spaced floodplain sedi ment sampling covering the whole of China Pilot survey for In2 ternational Geochcm icalM apping” 等论文 ① 地质矿产部 “八五” 重大基础研究项目No. 850219,并得 到国家环境保护局的联合资助 收稿日期 19980324 1 化学定时炸弹的概念 随着工业的发展和人口的增加,剧烈的人类活 动向自然界排放大量的化学物质,而且正不断地打 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。 人类活动和自然 风化的联合作用,使生态循环系统中化学物质的释 放速率大于自然环境对这些化学物质的自净作用, 从而出现了80年代初期,由于森林土壤pH值的改 变使土壤中A l大量释放,导致中欧森林突然大面 积死亡[1],及90年代我国内蒙古大面积人、 畜突然 A s中毒等各种难以预料的环境突发事件,严重威胁 人类生存。正是在这种背景下,W. M. Stigliani博士 于1991年对化学定时炸弹Chem ical T ime Bomb, 简称CTB作出如下定义“化学定时炸弹的概念涉 及一连串事件,导致在土壤及沉积物中储存的化学 物质由于环境的缓慢改变而活动化,从而引发滞后 而突发的有害效应” [1, 2]。 化学定时炸弹的概念提出后,不但迅速受到欧 洲各国的普遍重视,也引起中国科学家和决策人的 高度重视。谢学锦院士指出“化学定时炸弹概念的 提出是人类当前努力使人与自然协调的可持续发展 中最后才被认识到的,但是决不容忽视的重要环 节”,并进一步指出 “要以欧洲为鉴,不仅要治理那些 污染危害已极严重的局部性的工矿业点和城市,而 且要长期持续对全国进行监控” [3]。为此, 地矿部于 1992年设置了题为 “全国环境地球化学监控网络及 全国动态地球化学图” 的 “八五” 重大基础研究项目, 以期为今后连续监控中国大陆的环境变化奠定基 础。 本文作为该项目的部分研究成果,初步探讨中国 存在化学定时炸弹的可能性。 2 样品采集和分析测试 本项研究以泛滥平原沉积物为采样介质,以1 个样1 000～10 000 km 2 的采样密度在全国529个 超级汇水盆地出口处设置了529个采样站图 1 。 每个采样站采集两个泛滥平原沉积物样品一个地 表样,采样深度为5～25 cm;另一个为深部样,采样 深度为80～120 cm。前者用来了解地表受现代工业 污染的程度,后者用来反映大规模工业化前的地球 化学背景。 泛滥平原沉积物是在大雨期间,波及整个 图1 中国环境地球化学监控网络采样点位置 Fig. 1 Locations of sampling stations of environmental geochem istrymon itoring network in China 流域的片流携带着大量的表层土壤物质汇集于水系 后,埋于河床外并在其两岸相对低平区域内沉积形 成的天然组合样品。因此泛滥平原沉积物中元素的 含量能代表超级汇水盆地内的整个元素分布状况。 Xie and Cheng [4]、 Cheng等 [5]、 成杭新等[6, 7]已系统 证实了以1个样1 000～10 000 km 2 的采样密度, 采集的泛滥平原沉积物具有采样代表性。对采集的 所有样品采用无污染加工工艺加工到180～200目 后,根据国际地球化学填图的分析要求第一批测试 分析了50个元素及土壤pH值。为了确保分析数据 的质量,分析过程中均按国际地球化学填图的分析 要求,用总样品数的5国家一级标准样GSS1- 9、GA u1- 3、GPt1- 3、10的密码样品重复测试 监控。从监控的结果来看,分析数据质量可靠。 3 结果与讨论 中国潜在的环境危害,主要由中国经济发展的 模式与我国独特的地质地球化学背景共同决定。中 国经济发展中对环境影响最大的因素之一是煤燃烧 对中国环境变化的干扰。中国年产煤多达14亿 t, 除2亿t煤供出口外,其余约12亿t煤均在国内燃 烧以满足经济发展的要求。 每年12亿t煤燃烧固然 对保证国民经济的大力发展十分重要,但它的直接 负面效应是使我国继欧、 美之后,成为世界第三大酸 雨沉降区[8]。酸雨的直接危害已引起公众的高度重 视,而其潜在危害却很少引起公众的关注与重视。 这 里根据全国环境地球化学监控网络获得的资料,对 由于煤燃烧将引发的潜在环境危害作初步分析与讨 论。 3. 1 中国酸雨与中国土壤酸度间的延缓效应 据国家环保局环境科学研究院王文新等对我国 酸雨的监测研究[8],我国酸雨的覆盖面积已达数百 万km 2。图 2中示出的是1982～1992年10年间中 国酸雨的分布图和中国上层泛滥平原沉积物中的 pH值等值线。从图中可以看到我国酸雨区主要位 于长江以南的广大地区pH 5. 6的等值线圈定 区 , 且在10年间酸雨的面积明显向外扩展。5. 6以 下的pH等值线北起山东半岛,绕西太平洋沿岸直 至我国的云南,覆盖面积达数百万km 2。 而泛滥平原 沉积物中pH值在5. 0以下的面积只有1992年中 96 第1期 成杭新等化学定时炸弹中国陆地环境面临的新问题 图2 中国酸雨及土壤pH分布图 酸雨分布曲线据王文新等[8];土壤pH本研究测定 Fig. 2 D istribution of acid rain between 1992 and 1982, compared with pH in surface floodplain sedi ment in 1994 图3 中国泛滥平原沉积物中的S Fig. 3 Comparison of S in surface floodplain sedi ment A, 5～25 cmand in deep floodplain sedi mentB, 80～ 120 cm A. 上层泛滥平原沉积物,采样深度5～25 cm;B.下层泛滥平原沉积 物,采样深度80～120 cm 国酸雨pH值为5. 6以下面积的三分之一左右。 这 说明土壤中由于碱性阳离子的中和作用,导致土壤 pH值的变化速率与酸雨的pH值不同步,即土壤的 pH值与酸雨的pH值之间有一延缓滞后效应。这 种滞后效应对于推迟环境危害的发生具有积极的作 用,对公众环境意识的觉醒却具有消极作用。 酸性物质持续沉降使酸雨分布区内的上层泛滥 平原沉积物中S含量显著增加,而在我国西北的青 海、 新疆、 甘肃等省、 自治区内,由于干旱气候条件, 导致S在地表大量聚集,但上、 下两层泛滥平原沉积 物中的S含量基本保持不变图 3 。 3. 2 土壤的脆弱性 土壤中碱性阳离子如Ca2、N a、M g2作为一 种重要的缓冲剂,对中和土壤中的酸性物质以减缓 土壤pH值下降的速率,起着极其重要的调节作用。 因此土壤中碱性阳离子含量的多少和升降速率的变 化,是衡量土壤脆弱性的重要标志。 如果土壤中碱性 阳离子含量低,下降速率快,则土壤对酸性物质越脆 弱,反之亦然。 图4 中国泛滥平原沉积物中的Na2O Fig. 4 Comparison of Na2O in surface floodplain sedi ment Aand in deep floodplain sedi mentB A.上层泛滥平原沉积物,采样深度5～25 cm;B. 下层泛滥平原沉积 物,采样深度80～120 cm 从全国N a2O地球化学图中可以看出图4,中 国泛滥平原沉积物中N a2O的含量与分布有两个显 著的特点 1 中国泛滥平原沉积物中N a2O的低含 量区主要分布在中国东部,以华南地区最低,而这一 地区恰是中国沉降水含酸最严重和土壤pH值最小 的地区 ; 2 上层泛滥平原沉积物中0. 8的N a2O 等量线分布范围与下层泛滥平原沉积物中1. 2的 07长 春 科 技 大 学 学 报 1999年 等量线分布范围基本重合, 0. 4的N a2O等量线分 布区与下层泛滥平原沉积物中0. 8的等量线分布 区相当。即在上、 下两层泛滥平原沉积物中N a2O含 量降低的速率之间存在一个延缓效应。这是因为上 层泛滥平原沉积物与酸雨或沉降的酸性物质首先接 触并发生中和作用,比下层泛滥平原沉积物消耗更 多的N a的缘故,导致上层泛滥平原沉积物中 N a2O的下降速率比下层泛滥平原沉积物快的现 象。 从图5中可以看到,华南褶皱系内上层泛滥平原 沉积物中M gO的低含量分布范围显著大于下层泛 滥平原沉积物的M gO低含量带,这说明尽管在上、 下两层泛滥平原沉积物中M gO的分布模式还未发 生重大变化,但以可以觉察到在华南褶皱系内将要 出现M gO延缓效应分布区。 图5 中国泛滥平原沉积物中的M gO Fig. 5 Comparison of M gO in surface floodplain sedi ment Aand in deep floodplain sedi mentB A. 上层泛滥平原沉积物,采样深度5～25 cm;B.下层泛滥平原沉积 物,采样深度80～120 cm 全国CaO的地球化学空间分布特征表明图 6,在我国酸雨覆盖区,上、 下两层泛滥平原沉积物 的CaO、M gO含量均比全国其它地方低,与N a2O 的分布规律有所不同的是,在华东、 华南的上、 下两 层泛滥平原沉积物中并未出现CaO的延缓效应区, 其主要原因可能是土壤中CaO的含量比N a2O高, 有大量的Ca2与酸雨中和,换句话说,上层泛滥平 原沉积物中与酸性沉积物发生中和作用所使用的 Ca 2 的消耗量还不足以影响CaO的分布模式,因而 使上、 下两层泛滥平原沉积物中CaO的分布模式基 本未发生变化。 图6 中国泛滥平原沉积物中的CaO Fig. 6 Comparison of CaO in surface floodplain sedi ment Aand in deep floodplain sedi mentB A. 上层泛滥平原沉积物,采样深度5～25 cm;B.下层泛滥平原沉积 物,采样深度80～120 cm 根据上述三种碱性阳离子在全国的地球化学空 间分布特征,我们可以初步得出结论,在我国酸雨分 布区内,尤其是在华南地区,由于可供用来中和酸性 物质的碱性阳离子含量已很低,而我国由于经济发 展的需要,据预测在2050年前煤燃烧量还会持续上 升,因此酸雨的覆盖面积不但不缩小,反而还将扩 大,沉降水的酸度还会增大,这样最终将耗尽环太平 洋带土壤中可用于中和酸性物质的碱性阳离子,导 致土壤进一步脆弱,最终可能引发严重的环境危害 事件。而华南地区由于CaO、M gO、N a2O含量低,土 壤pH值低,发生这种灾害的时间可能将比全国其 它任何地区都快。 3. 3 潜在的化学定时炸弹 煤燃烧的直接危害是导致酸雨的形成,酸雨年 复一年地沉降必将耗尽酸雨覆盖区中土壤的碱性阳 离子,导致土壤pH值越来越低,使土壤的pH值发 17 第1期 成杭新等化学定时炸弹中国陆地环境面临的新问题 生重大改变,最终将导致土壤中某些金属元素的大 量释放,从而形成规模巨大的环境危害或化学定时 炸弹。这种情况的典型例子已在中欧出现。80年代 初期中欧森林出现大面积突然死亡,其主要原因是 由于欧洲200年的工业化进程,使土壤中累积了大 量的酸性物质,最终导致森林土壤的pH值降至4. 2 以下,使土壤中大量的A l活化并释放,从而产生森 林突然中毒死亡的化学定时炸弹。 据研究,类似中欧 森林突然大面积死亡的化学定时炸弹现象已在中国 开始出现。 我国重庆是酸雨沉降比较严重的地区,它 附近万县的65 000 hm 2 的松林,已有26的松树枯 死, 55的 松 树 已 遭 受 显 著 危 害;南 山 地 区 4 700 hm 2的马尾松中的 46已枯死,余下的一半 也已显现出衰退的现象。问题的严重性还不局限于 此,由于环太平洋带的酸雨分布区,恰好是我国泛滥 平原沉积物中A l的高含量分布区图7,如果森林 图7 中国泛滥平原沉积物中的Al2O3采样深度 5～ 25 cm Fig. 7 Geochem icalmap of Al2O3 in surface floodplain sed- i ment with a depth of 5～25 cm 土壤中pH值为4. 2以下确为引爆A l化学定时炸 弹的临界点,则沿太平洋带生长的红松、 白皮松、 台 湾松、 云南松、 广东松、 思茅松、 乔松及我国特有的银 松、 水杉、 金钱松、 金铁锁、 青檀等树种将面临死亡或 消失的危险。Dong Dem ing的实验研究已证实当土 壤pH在4. 2以下时,土壤中可溶性A l突然增 加[9],而我国华东、 华南局部地区的土壤pH值已与 这一临界值极为接近,可能出现A l的化学定时炸 弹,造成大面积森林突然死亡的危害。 在我国的酸雨沉降区,尤其是在华南、 华东地 区,尽管接受酸性沉降物质的历史较欧洲短,但由于 土壤中能中和酸性物质的碱性阳离子含量却比欧洲 土壤低,局部地区的土壤pH值已接近欧洲森林土 壤的水平。从这种角度来看,我国华南、 华东地区的 土壤已极为脆弱。 我国华东、 华南地区独有的地质地 球化学特征又决定了我国的环境危害将比欧洲更为 严重。 在我国酸雨覆盖区即环太平洋带,尤其是在酸 雨严重的华南、 华东地区,蕴藏着丰富的矿产资源。 从本项目的其他元素的地球化学图中可以看到,华 东、 华南地区是Th、Cu、Cd、T i、A u、B、T l、W、Zn、 Sb、A g、I、U、A s、Se、M o、Bi、Rb、Ga、L a、Ce、Y、Pb、 A l、Ge、Zr、Be、N b、Sn等29种元素的地球化学高背 景分布区。目前我们还不确切知道从土壤中释放各 个金属元素的pH值临界点值 , 也不完全知道每 个元素对生态系统的危害性有多大。但随着土壤的 pH值不断降低,最终将导致这些金属中的某些元 素的释放已完全具备条件,因此有可能在大面积范 围内出现各种化学定时炸弹。由于各种元素从土壤 中释放的pH值临界点不完全相同及不同元素空间 分布上的差异,有可能在不同的时间阶段及不同的 地区,出现不同元素的化学定时炸弹。 上述分析与讨论只是根据全国环境地球化学监 控网络第一次采样结果所得出,因此所获得的结论 也仅是初步的结论,还需要若干年后全国环境地球 化学监控网络的第二、 三、 ⋯多次采样和累积更多的 实际资料才能真正加以识别和证实。 本项研究是在谢学锦院士指导下获得的一项集 体研究成果,地矿部物化探研究所的鄢明才教授、 卢 荫麻教授、 任天祥教授、 向运川高工等在项目的不同 阶段以不同方式曾为本项目完成部分工作,在此向 谢学锦院士及物化探所的同事们表示衷心的谢意。 参考文献 1 Stigliani W M ,Doelman P,Salomons W ,et al . 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Proc 30th Int′1 Geol Congr, Geochem istry.International Science Pub2 lisher, The N etherlands, 1997.89～109 6 成杭新,谢学锦 1 泛滥平原沉积物的超低密度采样代表 性 研究一1 长春地质学院学报, 1997, 27 3 289～ 295 7 成杭新,谢学锦 1 泛滥平原沉积物的超低密度采样代表 性研究二1 统计学检验及地质意义 1 有色金属矿产 与勘查, 1997, 64 238～242 8 王文新,张婉化,石泉,等 1 影响我国降水酸性因素的研 究 1 中国环境科学, 1993, 136 401～407 9 Dong Dem ing, M ichael H R, Thornton I .Effect of soil pH on A l availability in soils and its uptake by the soy2 bean plantGlycine max . J Geochem Explor, 1995, 55 223～230 CHEM ICAL TI M E BOM B A NEW PROBLEM FACED BY CHINA’S TERRENE ENVIRONM ENT Cheng Hangxin, Yan Guangsheng, Shen Xiachu, Gu T iexin, L ai Zhim in Institute of Geophysical and Geochem ical Exp loration,L angf ang065000 Abstract A n area of vulnerable soil w ith low content of N a2O , M gO , CaO and high content of A l2O3is identified in southeastern China. A chem ical time bomb of A l, sim ilar to the one in central Eu2 rope, occurs in southeastern China, which may lead to abrupt dying back of forest w ithin the area.It could also possibly cause serious damages to the elements of Th, Cu, Cd, T i, A u, B, T l, W , Zn, Sb, A g, I, U , A s, Se, M o, Bi, Rb, Ga, L a, Ce, Y, Pb, Ge, Zr, Be, N b, Sn in the future, due to the apid drop of the soil pH value resulted from continuous quite acidic precipitation for a long time in the area. Key words alum ium , chem ical time bomb, soil vulnerability, China 上接第63页 SACKUNG AND THE HUANGTUPO LANDSL I DE Deng Q inglu, W ang Xueping China U niversity of Geosciences,W uhan430074 Abstract M any large scale landslides are preceded by deep -seated gravitational creep dea2 tion.Three types of that sort of deation have been proposed, sackung, lateral spread of ridges, lat 2 eral spread of thrust fronts.In this paper, sackung was specifically discussed on its character and mech2 anism. Huangtupo landslide is a large scale landslide on the right bank of the Three Gorges of the Yangtze R iver, on which the new Badong town has been built because of the construction of the Gezhou Dam in Yichang.The character and mechanism of the Huangtupo landslide is not clear so far. It was researched w ith the thought of sackung. Results show the Huangtupo landslided involved catastrophic sliding, and considerable deation of creepsackungpreceded the sliding. Key words sackung, landslide, Huangtupo 37 第1期 成杭新等化学定时炸弹中国陆地环境面临的新问题