1、某铀矿区水稻土地表水铀含量对稻米铀含量的影响向龙 1a,1b，刘平辉 1a,1b，张淑梅 2，魏长帅 3(1.东华理工大学，a 地球科学学院，b 核资源与环境教育部重点实验室，南昌 330013；2.江西有色地质勘查二队，江西 赣州 341000；3.安徽省地质矿产勘查局 326 地质队，安徽 安庆 246000)摘要：以水稻土地表水铀含量为视角，从水稻土剖面铀含量分布规律、水稻土与下伏岩体稀土元素特征、不同河流不同河段水稻土地表水稻米铀含量特征、水稻土与稻米铀含量关系 4 个方面研究 721 铀矿区稻米铀含量成因。结果表明，水稻土剖面铀含量从表层至半风化花岗质基岩层呈明显降低的特征，说明水稻
2、土铀含量高的原因不是土壤母质铀含量高；岩石与水稻土稀土元素标准化模式均表现为向右倾斜型，均属轻稀土富集型，轻稀土分馏明显，表明水稻土为还原环境，吸附作用较强；不同河流不同河段水稻土地表水稻米铀含量平均值的特性均为上游最低、中游最高、下游次之。铀矿区地表水环境符合铀元素在水稻土中被平衡吸附的动力学条件，有利于铀元素在矿区内河流中游地区的水稻土中沉淀富集；正在采矿区水稻土与稻米铀含量具有高度的空间耦合性，呈指数正相关关系，相关系数 0.749。矿区内河流沿岸稻米铀含量的分布特征是由铀元素的迁移途径决定的“采矿活动（铀尾矿露天堆放）地表水水稻土”。关键词：铀矿区；稻米；铀含量；水稻土；地表水；成因；
3、铀迁移中图分类号：X17 文献标志码：A 文章编号：1007-7545（2018）07-0000-00Effect of Uranium Contents of Paddy Soil and Surface Water on Uranium Contents of Rice in a Uranium Mining AreaXIANG Long1a,1b, LIU Ping-hui1a,1b, ZHANG Shu-mei2, WEI Chang-shuai3(a. College of Earth Sciences, b. State Key Laboratory Breeding Base o
4、f Nuclear Resources and Environment, Ministry of Education, 1. East China University of Technology, Nanchang 330013, China；2. No.2 Team of Jiangxi Nonferrous Metal Geological Exploration Bureau, Ganzhou 341000, Jiangxi, China；3. Geological Team 326 of Geology and Mineral Exploration Bureau in Anhui
5、Province, Anqing 246000, Anhui, China)Abstract：In order to explore contributing factors for uranium contents in rice of a uranium mining area, distribution of uranium contents in paddy soil profiles, REE characteristics in paddy soils and underlying bedrock, characteristics of uranium contents of pa
6、ddy soil, surface water, and rice in different reaches of two rivers, and relationship between uranium contents of paddy soils and rice were investigated from perspective of uranium content characteristics in paddy soil and surface water. The results show that uranium contents of paddy soil profiles
7、 significantly drop from surface of paddy soil to semi-weathering of granitic bedrock, which means high uranium content in paddy soil is not due to high content of uranium in the soil parent material. The normalized patterns of REE in rocks and paddy soils are basically the same, and are characteriz
8、ed by enrichment of LREE and depletion of HREE, indicating reductive environment of paddy soil with strong adsorption. The average value of uranium contents in surface water, paddy soil and rice from different reaches shows the highest in the midstream, the lower in the downstream, and the lowest in
9、 the upstream. The environment of surface water in uranium mining area is in accordance with dynamic conditions of a large amount of equilibrium adsorption of uranium elements in paddy soil, which is beneficial to precipitation and enrichment of uranium in paddy soil in the midstream exploiting mine
10、 area. There is a high spatial coupling of uranium content in rice and paddy soil, and a exponential function regression equation with correlation coefficient of 0.749 can be established. All researches confirm the migration path of uranium of first in uranium tailings, then in surface water; the th
11、ird in paddy soil and at last in rice, which contributes to the characteristics of uranium contents in rice. Thus, uranium content of rice in middlestream area is the highest, followed by downstream area, and the lowest is in upstream area.Key words：uranium mining; rice; uranium content; paddy soil;
12、 surface water; cause of formation; uranium migration收稿日期：2018-02-28基金项目：国家自然科学基金资助项目(41261081)；江西省自然科学基金资助项目 (2011ZBAB203009)作者简介：向龙(1990-)，男，湖北京山人，博士研究生；通信作者：刘平辉（1969-） ，男，江西抚州人，博士，教授.doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2018 .07.016铀矿开采产生的废石和“三废”均含有大量放射性物质和有毒重金属 1，近年来，铀矿开采活动引起的铀矿区周边环境问题已引起国内外诸多学者关注，系列有价值
13、的研究主要集中于对铀矿开采产生的矿井水、碎矿废水及废石堆放场废水中铀含量调查 2-3；或者对铀矿山废石堆周边土壤中铀元素积累情况的调查 4，也有对铀矿周边农田土壤和蔬菜中铀含量水平的安全评价 5。但是多数学者仅仅是侧重开展了铀矿区周边地表水、土壤及蔬菜的放射性辐射剂量调查或者重金属污染评价等系列基础性研究，对放射性核素在农作物的富集因素、在地表水土壤农作物迁移规律研究较少 6。探讨铀矿区稻米放射性核素铀含量及其成因，尤其是以放射性核素铀含量在水稻土地表水中的特征来探讨稻米铀含量成因的报道更少。华东 721 铀矿区已有 50 多年的开采历史 7。前人对该铀矿区的研究大多偏向于对成矿模式 8等地质
14、方面的研究。我们课题组已经对铀矿区水稻土、地表水及稻米中铀含量特征开展了基础性调查，取得了系列成果 9-12。但是，该铀矿区放射性核素铀在水稻土地表水稻米体系中迁移规律如何？水稻土铀含量高主要是何来源？水稻土和稻米铀含量关系如何？水稻土、地表水中铀含量特征对稻米中铀含量有何影响？这些都是极具现实意义而又亟待解决的问题。本文以铀元素在水稻土地表水体系中的含量特征为视角，从水稻土剖面铀含量分布、水稻土与下伏岩体稀土元素规律、不同河流不同河段水稻土地表水稻米铀含量特征、水稻土与稻米铀含量关系 4 个方面，探究水稻土、地表水铀含量特征对铀矿区稻米铀含量的影响。1 试验方法721 铀矿区位于江西省抚州市
15、，地貌特征属于构造侵蚀-剥蚀的中低山、丘陵类型 11。根据前期调研，结合铀矿区矿石选冶活动、土地利用现状等因素，分别在三个亚区（开采矿井区、废弃矿井区、水冶场区）针对性地在大块连片稻田、山间谷地稻田与沿河区域进行水稻土、地表水、稻米样品采集。本次研究各类样品采集具体位置及数量见图 1 和表 1，采样点具体布置（设计样点与样点之间的间距为 200 m）及采集方法和样品测试方法见文献13，各类样品检测数据均在合格范围之内。图 1 研究区样点分布图Fig.1 Map of sampling in study area表 1 本研究样品采集统计表Table 1 Sample collection st
16、atistics of the study样品类型 数量 /个 取样地点水稻土剖面 2 1 号山涧，3 号山涧水稻土与下伏岩体 8 正在采矿区及水冶厂区（3 个岩石样品）地表水 32 正在采矿区、废气矿井区稻田及沿河水稻土 31 正在采矿区及废气矿井区沿河稻田稻米 33 正在采矿区及废气矿井区沿河稻田同一位置水稻土与稻米 51 正在采矿区及水冶场区2 结果与讨论2.1 水稻土剖面铀含量规律为探明水稻土铀含量富集规律，进而分析对稻米铀含量的影响，在图 1 所示的 1 号山涧和 3 号山涧稻田中挖掘水稻土壤剖面 PT01 和 PT02，其中 PT01 挖至见半风化花岗质母岩。结合图 2 可以发现，
17、水稻土壤铀含量在所测剖面深度内由表层至底层降低，说明铀元素主要富集在土壤表层，并且在土壤中的迁移距离短，这与孙文良等 14-15的研究结果一致。此外，由图 2 可以发现，剖面 PT01 表层土壤（PTY001）铀含量是剖面 PT02 表层土壤（TYP001）的16.20 倍。结合取样剖面所在空间位置，可以推测 1 号山涧剖面 PT01 直接受到 611 号矿井及相应的 1 号尾矿堆的影响，而 3 号山涧的 PT02 则由于地势高未受到采矿活动的影响，所以两个剖面表层水稻土铀含量差异较大。综合上述分析可以得出，采矿区水稻土铀含量主要集中在表层，且不同位置剖面的表层土壤铀含量差异较大，主要受外源影
18、响，直接受到尾矿堆铀元素影响的土壤铀含量相对较高，即土壤中铀来源存在差异。1020304050607002040608010 土 壤 剖 面 深 度 /cm PT1剖面铀含量/(mgkg-1)PT01剖 面4567PT02剖面铀含量/(mgkg-1) PT02剖 面图 2 不同土层深度的铀含量Fig.2 Uranium contents in paddy soil of different depth2.2 水稻土与下伏岩体稀土元素特征上述分析表明采矿区水稻土铀含量主要集中在表层，那么，表层土壤中铀元素是处于氧化环境还是还原环境中？作者在采矿区采集了 3 个水稻土下伏岩体样品，分别为早白垩世鹅
19、湖岭组二段边缘相含变质角砾碎斑熔岩（Z-4），晚燕山期沙洲单元粗斑二长花岗斑岩（S-2），早白垩世打鼓顶组二段流纹英安岩（ZK-47）。并在上述 3 个岩石样品取样地区取 5 个上覆第四系水稻土样品。对上述岩石与水稻土样品做稀土元素分析，查明水稻土稀土元素分配情况。分析结果和有关参数见表 2，球粒陨石标准化曲线见图 3。在所测的样品中，岩石的REE 变化范围为 187.1810-6259.4310-6，平均 220.6110-6。水稻土REE 变化范围是 257.5210-6405.7110-6，平均 326.6110-6。均高于地壳的REE 值（163.510 -6） 16。岩石稀土元素标准
20、化曲线为向右倾斜型（图 3） 。轻稀土与重稀土比值(LREE/ HREE)为 2.613.63，属轻稀土富集型。(La/Sm) N 比值 3.373.71，轻稀土分馏明显； (Gd/Yb)N 比值 1.271.56，重稀土分馏不明显。Eu为 0.240.43，Eu 显示较强的负异常；Ce 为 0.970.98，Ce 显示微弱的负异常。这与窦小平对本区域岩石稀土元素的研究结果一致 17。表 2 研究区水稻土和岩石稀土元素分析结果Table 2 REE analysis result of rock and paddy soil samples from the study area /(10-6
21、)水稻土 矿区岩石类别502 503 504 505 506 Z-4 S-2 ZK47La 54.22 93.71 75.67 76.61 52.34 36.10 32.70 48.40Ce 55.65 45.65 63.94 71.81 68.05 73.60 63.20 93.50Pr 10.39 18.06 14.70 15.62 12.39 8.97 7.45 10.80Nd 42.32 69.55 59.32 63.54 51.49 32.10 25.70 39.50Sm 8.45 14.74 11.15 12.35 10.05 6.74 5.68 8.20Eu 1.72 3.32
22、2.37 2.58 2.12 0.45 0.66 0.96Gd 9.38 17.95 12.90 13.50 9.89 5.71 5.17 6.40Tb 1.33 2.78 1.77 1.88 1.31 1.08 0.96 1.10Dy 8.08 17.05 10.80 11.31 7.32 6.34 5.53 6.60Ho 1.54 3.36 2.11 2.18 1.31 1.17 1.06 1.30Er 4.46 9.62 6.06 6.28 3.76 3.84 3.41 3.60Tm 0.59 1.26 0.78 0.84 0.51 0.63 0.49 0.55Yb 3.58 7.28
23、4.49 4.85 3.20 3.39 3.28 3.30Lu 0.53 1.07 0.66 0.71 0.46 0.59 0.49 0.52Y 50.94 100.31 68.96 66.88 33.32 34.50 31.40 32.70REE 253.18 405.71 335.68 350.94 257.52 215.21 187.18 259.43LREE 172.76 245.03 227.15 242.51 196.44 157.96 135.39 203.36HREE 80.43 160.68 108.53 108.43 61.08 57.25 51.79 56.07LREE/
24、HREEHREE2.15 1.52 2.09 2.24 3.22 2.76 2.61 3.63Ce 0.56 0.27 0.46 0.50 0.64 0.98 0.97 0.98Eu 0.63 0.66 0.64 0.65 0.69 0.24 0.39 0.43注：LREE=La+Ce+Pr+Nd+Sm+Eu；HREE=Gd+Tb+Dy+Ho+Er+Tm+Yb+Lu+Y；REE=LREE+HREE；Eu=EuN/(SmGd)N1/2；Ce=Ce N/(LaPr)N1/2；标准化数据采用 Taylor 的标准值。LaCePrNdSmEuGdTbDyHoErTmYbLu1101010样品/球粒陨石
25、502 503 4 506 Z-4 S-2 K7元 素图 3 水稻土与岩石球粒陨石标准化分布型式图Fig.3 Chondrite-normalized REE-pattern of rock and paddy soil samples水稻土稀土元素标准化曲线也为向右倾斜型（图 3） ，轻稀土与重稀土比值(LREE/ HREE)为 1.523.22，属轻稀土富集型。(La/Sm) N 比值 3.284.27，轻稀土分馏明显；(Gd/Yb) N 比值 1.992.49，重稀土分馏也较为明显。Eu 为 0.640.69，Eu 显示中等负异常。Ce 为 0.270.64，Ce 显示中等偏强的负异常。
26、这与高效江等对赣南农田稀土元素研究结果类似 18。对比岩石与水稻土的 REE 配分型式图（图 3）可知，岩石与水稻土稀土元素标准化模式基本相同，均为向右倾斜性，属轻稀土富集型，轻稀土分馏明显。水稻土重稀土分馏强于岩石重稀土分馏。一般认为，Eu 的负异常是由源岩继承下来的 19-20，推测土壤稀土分配模式是继承母岩的稀土分配模式，在自然环境中， Eu 一般呈 Eu3+，在还原条件下部分 Eu3+还原为 Eu2+。水稻土 Eu 负异常程度弱于岩石，表明部分 Eu3+被还原为 Eu2+与其他 REE3+发生分离，从而留在原地，表明水稻土中是还原环境，这有利于铀元素的富集。2.3 地表水系铀含量特征及
27、其对水稻土稻米铀含量的影响根据上述分析结果，铀矿区水稻土铀元素与下伏岩体铀含量继承关系不大，且主要富集在表层，另外水稻土为还原环境，有利于铀元素富集。那么，水稻土中铀元素到底是何来源，又是如何迁移至水稻土中的呢？结合实地调查，无后挡板的大型铀矿石运输车辆沿途洒落及沉降引起含铀矿渣迁移之外 10，更重要的是矿区亚热带气候条件下发达的地表水系，作为铀元素迁移的载体。那么，铀矿区地表水铀含量又有何特征？在已有研究基础上，本研究重点探究废弃矿井区（河流）及正在采矿区（河流）均为南北流向河流的不同河段地表水铀含量规律，探寻对不同河段水稻土及稻米样点铀含量的影响。从图 4 可以得出，河流和河流地表水铀含量
28、平均值均表现为中游下游上游。0.851. 5.089.1 0.62.95.4214.015.61.691.4215.81.736.013.50.790.73河 流 地 表 水 河 流 地 表 水 河 流 水 稻 土 河 流 水 稻 土 河 流 稻 米 河 流 稻 米 481216202428铀含量样 本上 游中 游 下 游 地 表 水 样 品 ： g/L水 稻 土 样 品 ： mk稻 米 样 品 ： ng/图 4 不同河段地表水、水稻土、稻米铀含量平均值Fig.4 Average uranium contents in surface water, paddy soil and rice of
29、 different reaches两条河流不同河段水稻土、稻米样品中铀含量也呈现了相同的规律。由此可知，不同河段区域稻田在引水灌溉时正是受到了铀含量相对较高的地表水影响，首先使得铀元素富集在水稻土壤表层，随后在水稻生长过程中通过植株的不同器官而迁移至稻米，从而造成不同河段稻米中铀含量也呈现一致的规律。此外，铀在土壤中的吸附动力学研究表明，水相 pH 接近中性时，平衡吸附量较大；流量越小，流速越缓，平衡吸附量越大；土壤粒度越小，平衡吸附量越大 21-22。而该铀矿区河水、稻田地表水 pH 介于 5.906.9323，接近中性，符合铀以硫酸盐和易溶铀有机质络合物形式迁移之后的沉淀条件对 pH 的
30、要求。这符合铀元素在水稻土中被大量平衡吸附的动力学条件，有利于铀元素在水稻土中的沉淀富集。研究区分布有数个较大规模的尾矿堆，均为露天堆放，该铀矿的开采也是露天开采，开采过程中和尾矿堆中的尾矿渣就容易以碎屑以及悬浮体的形式随地表径流迁移，且径流条件符合铀元素在水稻土中被大量平衡吸附的动力学条件，故铀元素进入水稻土表层富集。这就证实了铀元素迁移富集途径，即铀矿开采（铀矿尾矿渣及相应尾矿堆）引起铀元素在气候、沉降等影响下在地表水中富集，随后，再由灌溉等过程迁移至稻田在水稻土表层沉淀，从而共同对稻米铀含量产生影响。2.4 水稻土稻米体系铀含量的关系由上述分析可知铀元素迁移富集途径。本文探究了正在采矿区
31、和水冶厂区同一采样位置的稻米样品和水稻土样品中铀含量的关系。正在采矿区铀含量在水稻土与稻米之间的关系可以用指数模型拟合，模型及相关参数见图 5。可以得出，正在采矿区与稻米铀含量随着水稻土铀含量的升高呈现指数趋势增加，二者铀含量关系显著；而水冶厂区铀含量在水稻土与稻米之间的相关系数仅为 0.358，且未能通过显著性水平检验(p=0.0670.05) ，故二者铀含量关系并不显著。同时，已有学者对土壤作物系统重金属关系的研究表明，作物与土壤中重金属具有显著相关关系，这些研究大都基于试验性研究，作物生长环境相同，因而具有较高的相关关系 24-25。而有些在自然条件下对重金属含量在作物与土壤中相关关系的
32、研究并没有显著的关系 26-27。正在采矿区各类介质中铀含量影响因素较为一致，主要是采矿活动和尾矿堆露天堆放造成，故而铀含量在稻米和水稻土中的关系可以用指数方程拟合，表现为正相关的关系。水冶厂区不仅受到采矿活动和露天堆放的尾矿堆的影响，年久失修的废水排放管道的渗漏更是有可能加剧对该区铀含量的影响，故而铀含量在该区水稻土和稻米中的关系并不显著。y = 0.7615e0.1272xR2= 0.58540.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 稻米铀含量/（ngg -1）水 稻 土 铀 含 量 /（ mgkg-1）图 5
33、 正在采矿区水稻土铀含量与稻米铀含量关系Fig.5 Relationship between uranium contents of paddy soil and rice in exploiting mine area3 结论1)721 铀矿区水稻土中铀元素主要集中于土壤表层，铀含量高低与基岩铀含量关系不大，与是否直接受到尾矿堆影响的关系较大，水稻土剖面深度内铀含量随着深度的增加而降低。2)岩石与水稻土稀土元素标准化模式基本相同，均为向右倾斜型，属轻稀土富集型，轻稀土分馏明显，水稻土为还原环境，吸附作用强，利于铀元素在水稻土表层富集。3)两条河流不同河段地表水、水稻土、稻米样品铀含量平均值均
34、呈现出中游下游上游的特点，铀矿区地表水环境符合铀元素在水稻土中被大量平衡吸附的动力学条件，有利于铀在水稻土中的沉淀富集， “采矿活动（铀尾矿露天堆放）地表水水稻土”这一铀元素迁移途径是矿区内河流沿岸稻米铀含量分布特征产生的主要原因。4)正在采矿区水稻土铀含量与稻米铀含量具有高度的空间耦合性，呈指数正相关关系，稻米铀含量随水稻土铀含量的增加而增加。参考文献1 覃国秀，刘庆成，陈宁，等. 某矿山天然放射性核素的调查 J. 世界核地质科学，2008，25(1)：54-56.2 蒋经乾，李玲，占凌之，等. 某铀矿田周边水放射性分布特征及其评价J. 有色金属(冶炼部分)，2015(11)：60-63.3
35、 齐文，高柏，陈井影，等. 某铀尾矿库周边水环境中铀的分布特征及评价J. 有色金属(冶炼部分)，2016(5)：53-56.4 张彬，冯志刚，马强，等. 广东某铀废石堆周边土壤中铀污染特征及其环境有效性J. 生态环境学报，2015，24(1)：156-162.5 闫冬，何映雪，丁库克，等. 某铀矿周边常用蔬菜铀富集水平的调查分析 J. 中国辐射卫生，2017，26(4)：401-403.6 FAVAS P J C，PRATAS J，MITRA S，et al. Biogeochemistry of uranium in the soil-plant and water-plant system
36、s in an old uranium mineJ. Science of the Total Environment，2016，568：350-368.7 杨庆坤，郭福生，周万蓬，等. 江西相山矿田铀铅锌多金属年代学特征及成矿模式J. 地学前沿，2017，24(5)：283-298.8 郭福生，杨庆坤，孟祥金，等. 江西相山酸性火山 侵入杂岩体地球化学特征与岩石成因J. 地质学报，2016，90(4)：769-784.9 刘平辉，魏长帅，张淑梅，等. 华东某铀矿区水稻土放射性核素铀污染评价 J. 土壤通报，2014，45(6)：1517-1521.10 向龙，刘平辉，张淑梅 . 华东某铀矿区
37、地表水中放射性核素铀含量特征分析 J. 地球与环境，2016，44(4)：455-461.11 向龙，刘平辉，杨迎亚. 华东某铀矿区稻米中放射性核素铀污染特征及健康风险评价J. 长江流域资源与环境，2017，26(3)：419-427.12 向龙，刘平辉，李欣 . 基于 GIS 的华东某铀矿区水冶厂周边稻米中重金属的污染评价及分布差异J. 中国科技论文，2017，12(3)：312-318 ，326.13 向龙. 相山铀矿区稻米放射性核素铀含量研究D. 南昌：东华理工大学，2017.14 周秀丽. 某铀矿区土壤放射性核素铀形态分布特征及其生物有效性研究 D. 南昌：东华理工大学，2016.15
38、 孙文良. 江西咸口岩体地质地球化学及含铀性特征 D. 南昌：东华理工大学，2014.16 黎彤. 化学元素的地球丰度J. 地球化学，1976， 5(3)：167-174.17 窦小平. 相山火山盆地岩石稀土元素分布特征及其成因探讨 J. 铀矿地质，2005，21(6)：338-344.18 高效江, 章申, 王立军. 赣南富稀土矿区农田土壤中稀土元素的环境地球化学特征J. 土壤与环境，2001，10(1)：11-13.19 吴盾，孙若愚，刘桂建. 淮南朱集井田二叠纪煤中稀土元素地球化学特征及其地质解释J. 地质学报，2013，87(8)：1189-1166.20 刘贝，黄文辉，敖卫华，等.
39、沁水盆地晚古生代煤中稀土元素地球化学特征 J. 煤炭学报，2015，40(12)：2916-2926. 21 李爽，倪师军，张成江. 铀在土壤中的吸附动力学 J. 桂林工学院学报，2007，19(1)：49-52.22 胡立，梁斌，周敏娟. 铀在土壤中的吸附动力学J. 四川环境，2011，30(1)：21-25.23 华恩祥，张卫民，曾云嵘，等. 某铀矿下游河流水化学特征与铀的分布特征分析 J. 有色金属(冶炼部分)，2017(3)：62-66.24 李富荣，文典，王富华，等. 广东地区芸薹类叶菜-土壤镉污染相关性分析及土壤镉限量值研究J. 生态环境学报，2016，25(4)：705-710.25 邵云，李春喜，李向力，等. 土壤小麦系统中 5 中重金属含量的相关分析J. 河南农业科学，2007，6(5)：25-28.26 陈凤，董泽琴，王程程，等. 锌冶炼区耕地土壤和农作物重金属污染状况及风险评价 J. 环境科学，2017，38(10)：4360-4369.27 齐雁冰，楚万林，蒲洁，等. 陕北某化工企业周围污灌区土壤作物系统重金属积累特征及评价J. 环境科学，2015，36(4)：1453-1460.
