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MCAE第四章 金属的来源和循环

已有 4316 次阅读 2010-4-3 23:50 |个人分类:读书笔记|系统分类:科研笔记

金属元素不是人为产生的,但是人类的活动大大提高了金属在各个圈层(包括岩石圈、土壤圈、水圈、大气圈和生物圈等)之间的流动通量,同时增加了金属在生态系统中的存量(standing stock),从而导致生态风险。虽然某些金属(比如Hg,Cr)通过和其他元素结合可以产生更高的毒性,但是金属元素本身就能独立产生危害。有机污染物与此不同,它们是依靠元素的组合(即分子)产生危害,这种危害能够通过改变组合方式(比如生物降解)而消除。然而,除非通过核反应,金属元素是没有办法消除的。因此,治理金属污染只能是把金属从敏感区域(如水生生态系统、表层土壤)转移到非敏感区域(如深海、填埋场)。

岩石风化把金属释放入土壤,金属从而进入水圈,大气圈,最终沉入深海,再次进入岩石,这就是金属的自然循环。

Hg和Pb比较容易通过大气流动传播。这是因为Hg可以以蒸汽形态存在,而Pb可以形成气溶胶。因此,这两种元素可以在远离其最初污染源的地方找到,比如南北极等人迹罕至的地区。相比而言,Cd和Zn就比较难以通过大气传播,河流在这两种元素的传播中扮演比较重要的角色。

Hg在土壤中的自然存量很大,人类的活动将土壤中的Hg含量提高了约15%。大气和水中的Hg存量相对较小,人为因素导致Hg在大气中的含量从0.5上升到1.6ng/L,表层海洋中的Hg从0.05ng/L上升到0.15ng/L。这些计算都是假设Hg的排放都均匀地分布到大气和海洋中。

随着经济的增长,对金属的需求必然增加。但这不一定意味着金属的排放也会上升。Pb就是一个很好的例子。自从禁止使用含Pb汽油以来,虽然Pb的生产量没有降低,但是Pb的排放降低了。虽然1999年的汽车行驶里程是1970年代的两倍,但是Pb的排放量却降到了1.5%。

1970年代美国实施清洁空气法案(Clean Air Act)。到2005年,大多数污染物的排放都降到1970年代的一半,如CO,NO,SO2;颗粒物排放更是降到了16%。

通过理论计算,Horowitz认为Pb,Zn,Cr,Co,Cu非常容易吸附到颗粒物表面。因此,即使水中的颗粒物浓度很低(比如10mg/L),也有大于50%的金属是附着在颗粒物上被运输的。相反地,Se,As,Sb这些元素主要是以溶解态被运输的。

历史上的污染会导致底泥中的金属浓度升高。所以,即使现在停止排放,从底泥中释放出来的金属依然可以使水体中的金属浓度维持在高水平。换句话说,在排放金属污染物时,底泥是金属的归趋(sink);在污染停止后,底泥就会成为金属的源头(source)。

在对金属污染进行管理的时候,我们需要清楚自然来源和人为污染的相对权重。举个例子,如果一条河中的Ni污染主要来自于蛇纹石的自然风化,而管理者却想通过管理Ni排放企业,减少点源排放来控制污染,结果只能是收效甚微。这样做还会让公众对环境科学研究和环境管理失去信任,这是更严重的后果。

MCAE: Luoma SN, Rainbow, PS. 2008. Metal Contamination in Aquatic Environments: Science and Lateral Management.

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1 吉宗祥

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