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农田土壤重金属污染主要来源识别研究

发布时间: 2018-07-11 09:07 信息来源:《农产品质量与安全》 浏览次数:

文章利用对比法和地统计学与地理信息系统结合的方法研究广东省北部某水泥厂周边农田土壤中重金属的主要来源。通过分析采样点位表层土壤(0~20cm)和深层土壤(20~40cm)中镉(Cd)、铅(Pb)、铬(Cr)、砷(As)、汞(Hg)的含量及空间变异特征,利用Kriging 插值分析方法对未测点土壤含量进行最优估计,结果表明,农田土壤重金属Cd 污染最为严重;耕作层土壤Cd、Pb、Hg 全量都大于底层;对比法和地统计学分析结果表明,该区域农田土壤重金属含量以水泥厂和公路为中心呈辐射状分布,可确定为该区域土壤重金属的主要污染来源。

前 言

土壤作为农业生产的基础,人类生存的根本,在极大限度地承载着人类的活动。然而,工农业迅速发展给其带来了严重破坏,在工矿周围、公路和铁路两侧、污水灌溉区、施用大量化肥的土壤中污染尤其严重。许多地区土壤污染问题非常复杂,往往是多来源、多种类污染,为土壤污染的控制、治理和管理带来了巨大的困难。如何判断土壤污染的元素种类和数量,解析污染源已经引起了各国科技工作者的高度重视。

近年来,污染场地土壤重金属污染源解析研究逐渐成为当前污染环境领域的热点。目前用于土壤重金属识别的方法主要有对比方法、地球化学法和统计分析方法等。了解污染场地土壤污染物来源和空间变异特征是污染场地健康风险评价及风险管理的基础,是有效控制土壤污染、保障环境安全和农业可持续发展的重要前提。

本研究以广东省英德市某镇一个典型重金属污染场地为对象,旨在深入了解污染场地周边农田土壤环境质量现状,为污染场地周边农田土壤污染防治和风险管理提供科学依据。

一、研究方法

1污染场地概况

英德市是广东省最大水泥生产基地,研究区域位于英德盆地中部,北江中游西岸河畔,英德市英城街道矮山坪村(东经113.430° ,北纬24.246° ),距离台泥水泥厂东南侧约200 m,交通主干道两侧。受季风和重型运输车辆长期影响,易对该区域的土壤造成重金属污染。

2点位布设及样品采集

以水泥厂为中心,由近到远依次布设点位采样,各点位均用GPS 准确定位,200 hm2内共设置50 个采样点。每个采样点分别采集0~20 cm 和20~40 cm 土壤样品,采集的土壤样品在室内自然风干,研磨,分别过2mm和0.149 mm尼龙筛备用。

3土壤中重金属含量测定

样品经自然风干,挑除石砾和植物残体充分混匀,研磨过筛待用。0.2 g土加8 mL浓硝酸与高氯酸的混合酸(浓硝酸∶高氯酸=4∶1)和4mL氢氟酸于聚四氟乙烯消化管消解至淡黄色半固体状时完成消解,转移、定容待测;土壤中总汞、总砷含量测定参照GB/T 22105-2008 《土壤质量总汞、总砷、总铅的测定原子荧光法》。用DTPA 提取剂浸提土壤Cd 和Pb 有效态,0.5 mol/L的NaH2PO4 浸提土壤As 有效态,0.1 mol/L 盐酸溶液浸提土壤Hg 和Cr 有效态。以上浸提液用ICP-MS 测定Cd、Pb、Cr 含量,原子荧光法测定As 和Hg 含量。电位法测定土壤pH (土水质量比为1∶2.5)。

4数据处理

由于特异值的存在会对变异函数具有显著的影响,因此计算变异函数前剔除特异值。本研究采用域法识别特异值,即样本平均值加减3 倍标准差,在此区间以外的数据均定为特异值,然后分别用正常的最大和最小值代替特异值。消除特异值后,对不符合对数正态分布的5 种重金属元素都近似符合对数正态分布,连同采样点的地理坐标输入地统计软件GS+,然后把结果导入到ArcGIS 8.2 中,利用Kriging 插值法对未采样区含量进行估计,得到研究区内土壤中各重金属含量的空间分布图。

二、结果与分析

1不同土层pH值差异分析

统计分析结果表明,上层土壤(0~20cm)pH 值在5.3~7.7 之间波动,均值为6.50,下层土壤(20~40 cm)pH 值在6.14~7.65 之间波动,均值为6.81。整体情况看,上层土壤pH 值整体低于下层,表层土壤变幅在1~2 个单位,下层土壤降幅为0.3 个单位左右。空间变异结果表明(见图1),水泥厂附近的农田土壤pH 值整体在7 左右,距离水泥厂越远农田土壤pH 值越低,但该区域靠近公路,公路对该区域农田土壤pH 值降低影响较大,而且随着影响时间的延长,底层土壤也受到了影响。

 


2土壤环境质量状况

为研究污染场地对周边农田土壤重金属的影响程度,选取国家GB 15618-1995 《土壤环境质量标准》中的2 级标准作为阈值。采用单因子指数法对水泥厂周边农田表层土壤总体环境质量现状进行评价,结果如表1 所示。水泥厂周边农田土壤Pb和Cr 没有呈现污染特征,但土壤As 和Hg 已呈轻度污染,分别有1 个样点质量分数超标,超标率为2%;而土壤Cd的污染已较为严重,超标样点数达42 个,超标率高达84%。同时又采用内梅罗污染指数法进行综合评价,以综合指数大于1 为临界值。结果表明,石灰厂周边农田耕作层土壤共有33 个样点超标,超标率达66%,最大值达到1.90;底层土壤共有6 个样点超标,超标率达12%,最大值达到1.72。根据《农田土壤环境质量监测技术规范》土壤污染分级标准,该区域为轻度污染等级。

 


3不同土层重金属含量特征分析

土壤重金属全量含量描述性统计结果如表2 所示。该区域土壤中Cd 超标最为严重,耕层土壤中Cd 含量是底层的1.6 倍,表明造成该区域Cd 超标主要来自外源污染。所有样点土壤Pb 都没有超标,但是耕作层土壤Pb 含量大于底层,如耕作层土壤最高含量达91.8 mg/kg,表明有外来污染源造成Pb 含量超标。耕作层土壤中Hg 含量也高于底层,表明Hg污染也存在很大的环境污染风险。

 



4土壤重金属空间分布特征及污染源识别

外源重金属大都富集在土壤表层而较难向下迁移。用Kriging 空间插值分析方法对未采样点的含量进行最优内插值估值。从土壤重金属含量空间分布(见图2)来看,在工厂附近及主干道两侧,耕作层土壤中Cd 和Pb 含量明显高于其他区域,且主干道两侧Pb 含量要明显高于工厂附近,表明除土壤本底外,耕作层土壤Pb 的首要来源为汽车尾气和粉尘,其次为工厂。耕作层Cd、Hg在工厂附近及主干道两侧含量要高于其他区域,因此初步得出,工厂、汽车尾气和粉尘是耕作层Cd、Hg的主要来源。





5土壤重金属有效性系数分析

分析土壤重金属有效性系数(有效态含量占全量百分比)(见表3),得出耕作层土壤中5 种重金属的有效性系数平均值都大于底层,也表明耕作层Pb、Cd、Cr、As、Hg 受外源污染风险较大。而且由于大气酸沉降等原因造成的表层土壤酸化,也是导致重金属活性升高的原因之一。

 



三、主要结论

从统计结果来看,水泥厂周边农田土壤重金属Cd 污染最为严重,且耕作层Cd 全量和有效态含量均高于底层土壤含量,表明该区域Cd来源为外源污染。

所有样点耕作层土壤Pb、Cd、As 都大于底层有增加趋势,表明该区域农田Pb、Cd、As 受外源污染的环境污染风险也很大。

统计分析结果表明,该区域5 种重金属有较强的变异性,但地统计学分析结果也表明5 种重金属具有很强的空间相关性。

插值结果表明,该区域农田土壤重金属含量以水泥厂和公路为中心呈辐射状分布。地统计学研究方法可以对区域土壤污染源的识别加以指导和检验。由于污染场地周边农田土壤重金属含量的超标与周边污染源的影响密切相关,因此要密切关注污染源对周边农田土壤重金属的污染问题。




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关键字:作者:杜瑞英 等来源:《农产品质量与安全》