湖南某工业区土壤及水稻重金属污染源解析

摘要

重金属元素因非生物降解性、毒性和持久性，对农业生产、食品安全和人类健康造成严重影响。土壤中重金属的浓度很大程度上取决于母质土壤和人类活动的多样性，诸如快速工业化、交通拥挤、非农业化学品的非法使用和未经处理的灌溉废水等给环境带来巨大压力。对环境和食品重金属污染的有效治理首先需明确其污染源和污染途径。本论文以湖南某工业区为典型研究区域，分析了此区域土壤和水稻籽粒重金属的污染状况;利用重金属元素指纹法，结合主成分分析法、地统计分析法与正定矩阵因子分解模型等多元统计方法对该区域土壤重金属污染源进行初步源解析研究;在此基础上，利用镉同位素指纹法精确解析出土壤镉的污染源及其贡献率;通过盆栽试验和田块尺度定点试验，研究了土壤、叶片污染对水稻各器官镉元素的积累与转运规律，确定出水稻籽粒相对土壤对镉同位素的分馏系数，利用镉同位素指纹分析法解析出水稻籽粒镉的污染源及贡献率;探讨了土壤和水稻籽粒重金属污染源解析的思路和方法。为中国重金属污染防控提供了理论与技术支撑。 主要研究结果和结论如下: (1)研究区域表层土壤和母质土壤中As、Hg、Cr、Cd、Ni、Pb、Cu和Zn均存在污染情况，Cd污染最严重，超标率达94.4％;水稻籽粒也存在重金属超标现象，Cd污染最严重，超标率达95.0％。 (2)利用重金属元素指纹法解析出该区域土壤重金属污染源主要为自然源、农业源、工业源和交通与工业排放源，它们的贡献率分别为24.9％、19.1％、30.1％和25.9％;利用镉同位素指纹法对污染源贡献率进行解析，得出汽车尾气、水泥厂降尘、农业肥料和冶炼厂降尘对土壤镉的污染贡献率分别为2％、8％、15％和75％，即冶炼厂降尘的污染贡献最大。 (3)盆栽试验结果表明，水稻土壤根系镉污染浓度达到40mg kg-1、水稻叶片的镉污染浓度达到20mg kg-1时，根系和叶片共同污染会产生显著协同作用，但低于该浓度未发现显著协同作用，即在低浓度下水稻籽粒镉主要来源于根部吸收。 (4)水稻籽粒相对土壤对δ114/110Cd的分馏系数为0.208‰;利用镉同位素指纹对水稻籽粒镉污染源贡献率进行解析，得出汽车尾气、水泥厂降尘、农业肥料和冶炼厂降尘的污染贡献率分别为2％、8％、16％和74％，即冶炼厂降尘的污染贡献最大。 (5)土壤和水稻籽粒重金属污染源解析一般思路和方法为，利用重金属元素指纹法可初步分析出污染源的个数、性质及贡献率;利用重金属同位素指纹法可解析出直接污染源的贡献率;利用重金属同位素指纹法对水稻籽粒污染源解析时需要明确水稻籽粒相对污染介质的同位素分馏系数。