北京延慶葡萄產(chǎn)地高氟地質(zhì)環(huán)境特征研究

馮 輝

（北京市地質(zhì)勘察技術院，北京 102218）

0 引言

氟是人體必需的微量元素，它是人體的鈣化作用所必需的物質(zhì)，可促進兒童的成長發(fā)育，并有益于老年人骨質(zhì)疏松病的防治。但是過量的氟對生物體是有害的，可以引起氟斑牙、氟骨癥等地方性氟中毒癥。

以往地質(zhì)環(huán)境調(diào)查工作反映出北京市部分地區(qū)土壤及地下水中氟元素呈現(xiàn)高值異常分布特征，因此氟元素一直是地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量和人體健康評價的重要指標。本次在延慶縣葡萄產(chǎn)地地質(zhì)環(huán)境調(diào)查工作中，研究了氟元素在地質(zhì)環(huán)境中的分布規(guī)律，為延慶縣發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)、保障人體健康提供了科學依據(jù)。

1 工作區(qū)概況

北京市延慶縣依托自然氣候條件以及當?shù)仄咸逊N植基礎，在延慶盆地北部山前規(guī)劃建設了葡萄產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶。其中鮮食葡萄產(chǎn)業(yè)園就位于延慶張山營鎮(zhèn)下蘆鳳營村—前黑龍廟村—后黑龍廟村—西五里營村一帶。

該區(qū)地質(zhì)條件復雜，構造發(fā)育，巖漿活動頻繁，北部山區(qū)主要出露大莊科中、粗?；◢弾r，東側一帶出露片麻巖和高于莊組灰?guī)r、團山子組白云巖、大洪峪組白云巖和石英砂巖。在盆地北緣山前，連續(xù)分布著形態(tài)比較完整的洪積扇，其物質(zhì)組成主要為砂礫石夾砂質(zhì)粘土，部分地區(qū)如佛峪口還發(fā)育有洪—沖積扇，靠近山前河床中沖積物以砂卵石為主，越向南，沉積物粒度越小，巖性逐漸變?yōu)橹屑毶皩訆A礫石層。

2 氟在土壤中的分布

2011年在北京市平原區(qū)（含延慶盆地）范圍按照1件/km2的采樣密度獲得了土壤A層氟元素含量值，采用“元素含量平均值±2倍標準離差”的方法反復剔除離群樣品，直至樣本服從正態(tài)分布，最終獲得了北京市平原區(qū)土壤氟元素背景值[1]。

本次在延慶葡萄產(chǎn)地開展的土壤調(diào)查工作按照4件/km2采樣密度采集表層土壤2373件，采用的是北京市平原區(qū)（含延慶盆地）土壤氟元素背景值（504μg/g）+6倍標準離差[1]（50μg/g）圈定土壤F元素異常區(qū)，集中分布于延慶葡萄產(chǎn)地的西部（見圖1），南起官廳水庫北側，北至胡家營，西至東門營，東至西五里營，呈近南北向展布。F含量值在800μg/g以上的面積達到4.42km2，該異常范圍F元素含量區(qū)間為831～3716μg/g，異常強度為1391μg/g，襯度系數(shù)為2.76。與地殼、世界土壤、中國土壤A層氟元素相關參數(shù)相比（見表1），異常區(qū)土壤中全氟含量值屬于高水平。同時該區(qū)部分土壤樣點同時測試了水溶氟，其含量區(qū)間為10.38～46.36μg/g，平均值為24.55μg/g，遠遠高于我國地氟病發(fā)生區(qū)表層土壤水溶氟的平均值2.50μg/g[4]。對水溶性氟與全氟研究其相關性（圖2），兩者間的相關系數(shù)達0.75（樣本量為8），屬于高度正相關。這一結果表明，該區(qū)土壤全氟與水溶氟呈現(xiàn)明顯的高值異常。

表1 土壤氟元素含量范圍（單位μg/g）

圖1 延慶張山營葡萄產(chǎn)地土壤氟元素異常分布圖

圖2 土壤水溶氟與全氟相關性

胡家營以南地區(qū)土壤氟元素不僅在表層土壤呈現(xiàn)為異常，在縱向上不同深度的土壤氟含量甚至更高（圖3）。58%的土壤剖面各層位樣品的F含量達1000μg/g以上，最高值為下營村東南的PM3剖面，地表至地下80cm的4件樣品不同深度的土壤氟含量全部超過3000μg/g，最高達3945μg/g，表明該地的土壤氟屬于極高水平。而水溶性氟表現(xiàn)出地表與地下深處含量低而中間地段40～100cm含量高的特征，與土壤全氟之間具有一定程度的相關性。所有樣品的水溶性氟含量全部超過我國地氟病發(fā)生區(qū)表層土壤水溶氟的平均值2.50μg/g[4]，其中49%的樣品則超過該平均值的20倍，屬于嚴重超標。綜合表層土壤和深層土壤高氟特征結果，該區(qū)F元素的含量主要表現(xiàn)為成土母質(zhì)自然源的特征，屬于自然成因引起的異常。

3 氟在淺層地下水中的分布

在土壤高氟區(qū)及其周邊采集了20件水樣品，其中佛峪口附近的1件樣品為水庫水，其余19件均為淺層地下水。這些水源主要用于居民飲用、農(nóng)業(yè)灌溉，因此水樣品中氟化物含量高低將對農(nóng)業(yè)種植環(huán)境和人體健康產(chǎn)生重大影響。

通過對比，在土壤高氟異常區(qū)西側（圖4），淺層地下水中氟化物含量比較低，含量值均在0.3mg/L以下。向東氟化物含量逐漸升高，含量值在1mg/L以上的點位增多，在胡家營附近還出現(xiàn)了5.99mg/L的高值點，而到了西卓家營村東，淺層地下水氟含量普遍處于0.45～0.7mg/L。水氟異常范圍明顯大于土壤高氟異常區(qū)，集中分布在胡家營—西五里營—西卓家營一帶。

圖3 張山營高氟區(qū)灌溉水氟化物超標樣點分布圖

采用農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準（GB5084-2005）和生活飲用水衛(wèi)生標準（GB5749-2006）中農(nóng)村小型集中式與分散式供水指標限值進行評價，胡家營村附近的1件水樣氟化物含量為5.99mg/L，該含量值是農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準限值（3.0mg/L[高氟區(qū)]）的近2倍，屬于嚴重超標，因此該點位的地下水氟化物的衛(wèi)生質(zhì)量狀況值得注意。西五里營至西卓家營存在6個樣點的氟化物含量在1.35～2.37mg/L之間，均超過了生活飲用水衛(wèi)生標準中農(nóng)村小型集中式與分散式供水指標限值1.2mg/L，屬于飲用水的超標點位。其余水樣品氟化物含量均在1.2mg/L以下，符合標準要求。

圖4 土壤垂直剖面位置及氟與水溶氟分布圖

4 氟對農(nóng)作物及人體的影響

土壤氟生物有效性和植物吸收富集氟的程度一直是研究的重點問題，這主要是由于水溶性氟可經(jīng)水或土壤進入植物體或人體，長期攝入過多的氟元素會對植物生長和人體健康有直接影響。本次調(diào)查采集了張山營鎮(zhèn)土壤高氟區(qū)種植的玉米和西五里營至西卓家營附近種植的葡萄作物，以研究農(nóng)作物富集氟元素的程度。

與通州相對低氟地質(zhì)環(huán)境進行對比，見表2，延慶張山營地區(qū)玉米作物中氟含量范圍0.16～0.41μg/g，平均值達到0.31μg/g，是通州玉米的1.41倍。而葡萄作物中氟含量兩地區(qū)無明顯差異。不同作物種類對土壤元素的需求程度不一，利用作物中氟元素含量與土壤中該元素含量進行比值計算得到生物富集系數(shù)，玉米作物氟元素富集系數(shù)為0.03%，而葡萄作物富集系數(shù)僅為0.012%，表明葡萄從土壤中富集氟元素的能力較弱。

農(nóng)業(yè)部發(fā)布的《綠色食品 玉米及玉米制品（NY/T 418-2007）》標準對玉米中氟的含量要求≤1.0mg/kg，采用此標準進行評價，姚家營地區(qū)雖然土壤氟與水溶性氟、地下水氟都為高含量，但玉米中的氟含量仍然符合綠色食品衛(wèi)生標準。目前還沒有相關標準對葡萄作物中氟含量安全值進行規(guī)定，由于葡萄是水分較大的果品，其富集氟的能力和單位體積內(nèi)的含氟量相比較低，因此作物質(zhì)量相對安全。

高氟地質(zhì)環(huán)境不僅對農(nóng)作物會產(chǎn)生一定影響，對當?shù)鼐用竦慕】禒顩r也會產(chǎn)生危害。據(jù)北京市地質(zhì)礦產(chǎn)局物化探隊[5]在1986年對延慶張山營地區(qū)開展的氟環(huán)境調(diào)查工作中獲悉，當時胡家營村90%以上的人患有不同程度的氟斑牙癥，部分年齡較大的村民，還患有較輕的氟骨癥，表現(xiàn)為腰腿疼，但嚴重的氟骨癥患者較少。近些年，隨著降氟改水工程的逐步實施，當?shù)胤卸镜胤讲〉幕疾÷食尸F(xiàn)下降趨勢。2008年高瑞萍等[6]在延慶縣谷家營村、簸箕營村和胡家營村對63名8～12歲兒童和664名16歲以上成人檢查了氟斑牙患病情況。檢查結果顯示，胡家營村的兒童氟斑牙檢出率為41.18%，氟斑牙指數(shù)為0.91，仍然達到輕病區(qū)水平，兒童氟斑牙損害也較為嚴重；成人氟斑牙檢出率為54.97%，氟斑牙指數(shù)為1.70，明顯高于兒童，主要是由于成人飲用高氟水多年，而氟斑牙形成后多為不可逆，因此成人檢出率高，而且嚴重程度也較重。

5 高氟環(huán)境地質(zhì)成因分析

氟在自然界所有元素中屬于電負性最強和最活躍的元素，它總是以化合態(tài)存在，自然界中含氟礦物已知的有100多種，如氟石(CaF2)、氟鎂石(MgF2)、氟鋁石(AlF3?H2O)等。此外，由于F-與OH-的離子半徑相近，所以在巖漿巖及熱液礦物中會形成含氟鋁硅酸鹽礦物，該種礦物在自然環(huán)境中，經(jīng)過風化以及水的溶解、水解作用，使F-進入水體環(huán)境中。所以地下水中F-主要來源于氟鹽及含氟鋁硅酸鹽礦物的溶解、水解。在各類巖石中以酸性巖平均含氟量最高，約為800μg/g；中性巖和沉積巖次之，約為500μg/g；基性和超基性巖較低，約370μg/g及100μg/g[1]。常見的土壤礦物中的黑云母、白云母和角閃石可能是土壤中的主要氟源。

張山營鎮(zhèn)胡家營村北出露大片花崗巖，成土母質(zhì)母巖的高氟特征是造成土壤高氟原因之一。胡家營村地處洪積扇上，由北向南隨著坡度的降低，土壤氟及水溶性氟向低處聚集，尤其是胡家營村南部靠近水庫的湖積物土壤的有機質(zhì)及粘性較重，對氟離子的吸附能力較強，從而導致胡家營村南部的土壤氟元素及水溶性氟顯著濃集。同時，延慶地區(qū)斷裂構造復雜，胡家營村北部的山區(qū)受多期次巖漿活動與構造運動影響，高氟區(qū)北側存在著NEE向與NNE向斷裂，深部高氟地下熱水通過斷裂帶上升補給第四系孔隙水，造成淺層地下水與地下熱礦水混染，促使區(qū)內(nèi)地下水氟含量升高。

6 結語

在巖石、構造、水文及地形地貌等綜合因素的作用下，形成了延慶葡萄產(chǎn)地土壤高氟、地下水高氟的地球化學環(huán)境特征，生物體在高氟地質(zhì)環(huán)境的影響下，部分作物體內(nèi)會明顯富集氟元素，人體通過飲水和食物鏈也會患上地方性氟中毒癥。

盡管北京市針對氟中毒病區(qū)已經(jīng)全部實施了降氟改水工程，但此次調(diào)查結果顯示，在高氟地質(zhì)環(huán)境持續(xù)影響下，土壤高氟環(huán)境仍然存在，淺層地下水部分樣點仍出現(xiàn)超標現(xiàn)象。針對區(qū)內(nèi)超標供水點需引進外源性低氟水為居民飲用，超過灌溉水標準的點位應避免用于農(nóng)業(yè)灌溉，減少高氟環(huán)境對農(nóng)作物及人體健康影響程度。另外，加強對高氟地質(zhì)環(huán)境地區(qū)的周期性監(jiān)測工作，實時掌握氟元素的含量變化趨勢，及時提出應對環(huán)境突變的措施方案。

[1]陳懷滿.環(huán)境土壤學.科學出版社，2005.

[2]中國環(huán)境監(jiān)測總站.中國土壤元素背景值.中國環(huán)境科學出版社，1990.

[3]孫 朝，馮 輝，黃 勇等.北京市臺地丘陵—平原區(qū)土地資源調(diào)查與評價[R].北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京市地質(zhì)勘察技術院.2012.

[4]李 靜，謝正苗，徐建明等.我國氟的土壤健康質(zhì)量指標及評價方法的初步探討[J].浙江大學學報，2005，31（5）：593～597.

[5]胡永增,徐炳先,何其俊等.北京地區(qū)氟環(huán)境異常初步評價.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)局物化探隊，1986.

[6]高瑞萍,許 穎.2008年北京市延慶縣地方性氟中毒病情監(jiān)測分析[J].中國地方病學雜志,2010,29（2）：176～178.