洋河流域不同土地利用方式对土壤重金属污染的影响机制研究

摘要

洋河流域地处我国北方农牧交错带，既是北京市的水源保护地，又是河流沿线诸多县市的主要工农业用水水源。改革开放以来，洋河流域水体发生过严重的重金属污染，导致官厅水库一度停止为北京市供水。目前的诸多研究主要侧重于流域水体，忽略了流域作为一个复杂有机整体中不同土地利用类型土壤的重金属污染及其影响机制。本文根据1990-2013年间洋河流域土地利用及其变化状况，严格设置了野外土壤采样点图，通过多种实验手段测定不同土地利用方式及其变化下的土壤理化性质和重金属含量，并且计算距离土壤样点的相关距离指数等，运用ArcGIS、SPSS、Excel和Minitab等软件，利用地统计学的空间变异函数和克里格插值方法，主要研究了洋河流域不同土地利用方式及不同利用时间下土壤重金属Cd、Cr、Ni、As、Zn、Pb和Cu的污染特征以及空间分布情况，并且运用相关分析法探索了土壤重金属污染的可能来源。得出的结论主要有:
　　(1)1990-2013年间，洋河流域耕地面积先增后减，林地和未利用地面积先减后增，草地面积持续减少，城乡用地和工矿用地面积持续增加，其中工矿用地增加速度最快。城乡用地、工矿用地、耕地、林地和草地土地利用类型之间的空间转换比较频繁，主要发生在流域上游的兴和县、阳高县、天镇县以及中下游的张家口市、宣化县和怀来县。
　　(2)高浓度的重金属含量土壤主要分布在工农业较发达的河流中下游的万全县-张家口市-宣化县-怀来县以及兴和县、阳高县和天镇县的交界处，这些区域也是洋河流域土地利用变化最为频繁的区域。其中，Cd空间分布连续性较强，呈现出东南方向的以宣化县为中心向周边逐渐递减的趋势，有明显的西北-东南方向性特征。Cr、Ni主要集中在兴和县、天镇县与阳高县的交界处和尚义县、万全县的部分地区，整体污染程度较轻微。Zn主要分布在研究区的东南地区，其次是兴和县、阳高县和天镇县的大部分地区。As的相对高值区(8.6-15mg/kg)主要出现在阳高县南部、兴和县和尚义县的交界处以及尚义县的北部地区，上游污染较中下游污染严重。Pb的高值区(59.2-436.5 mg/kg)主要分布在怀安县东部和宣化县西部的交接地区、怀来县的东北部地区。Cu含量的高值区(31.5-56.6mg/kg)主要出现在兴和县、阳高县和天镇县的交界处。
　　(3)耕地土壤重金属元素有较强的空间变异性，重金属污染程度从高到低排序为Cd＞Cr＞Ni＞Pb＞As＞Cu＞Zn。其中，Cd与临近距离指数有极显著相关性，其主要污染源可能是污水灌溉和大气沉降，受人为活动影响较大，Cr、Ni含量主要受成土母质过程控制，Pb总体含量虽未超标，但存在局部污染现象。林地土壤空间变异性较弱，总体污染程度较轻，超标率最高的仍是Cd、Cr和Ni，但是除Ni、As和Cu属于轻微污染以外，其余元素均有较大程度的局部污染，可能存在局部人为活动影响。草地土壤重金属污染程度从大到小可以排序为Cd＞As＞Pb＞Cu＞Cr，不存在Zn和Ni的污染。城乡用地土壤中重金属污染水平由高到低为Cd＞Cu＞As＞Pb＞Ni＞Cr＞Zn。由于工矿企业周围土壤重金属强烈聚集区在排污口附近，造成大量Cd和Pb的累积，导致工矿用地土壤中重金属超标率从高到低排序为Cd＞Cu＞Pb＞As＞Cr＞Ni＞Zn。综合比较不同土地利用方式土壤重金属的污染情况可以发现:耕地污染最为严重，其次是工矿用地和城乡用地，林地和草地污染程度最轻。
　　(4)耕地的长期使用（大于20年）更容易导致重金属Cd的累积，属于中度污染，其次是重金属Cr和Ni出现轻微污染。20年间（1990-2013年）和10年间(2000-2013年)由林地和草地转入为耕地的土壤重金属Cd、Cr、Ni、As和Pb整体属于轻微污染，其余的无污染。长期使用的林地土壤Cd、Cr、Ni、Zn、As、Pb和Cu基本无污染，但是20年间由其耕地、草地转入为林地的土壤中Cr、Ni、Zn、Pb和Cu的含量高于10年间转入为林地的土壤。城乡用地中土壤7种重金属的污染水平由高到低分别是:长期使用＞10年间转入＞20年间转入，说明城乡用地使用时间越长越容易导致重金属积累。工矿用地土壤Cd、Cr、Zn、As和Pb随着使用时间的增加污染越严重，而Ni和Cu则相反趋势。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究综述

1．2．1 土壤重金属研究现状

1．2．2 不同土地利用方式对土壤重金属的影响

1．3 研究基础

1．4 研究内容

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 主要研究方法

1．4．3 研究思路

第2章 材料与方法

2．1 研究区概况

2．1．1 地质地貌特征

2．1．2 气候气象

2．1．3 水资源

2．1．4 土壤植被特征

2．1．5 社会经济状况

2．2 研究方法

2．2．1 土地利用变化研究方法

2．2．2 土壤样点采集方法

2．2．3 土壤样品检测项目及方法

2．2．4 相关最邻近距离指数

2．2．5 土壤重金属污染评价方法

2．2．6 数理统计分析

第3章 洋河流域土地利用变化特征

3．1 土地利用结构及其变化

3．2 土地利用转移途径与幅度

第4章 洋河流域土壤重金属含量及分布特征

4．1 洋河流域土壤重金属含量水平

4．1．1 描述性统计

4．1．2 土壤重金属数据转换与正态分布检验

4．2 土壤重金属空间分布特征

4．3 土壤重金属内梅罗综合污染水平

第5章 不同土地利用方式的土壤重金属污染评价

5．1 耕地土壤重金属污染评价

5．1．1 耕地土壤理化性质和重金属含量情况

5．1．2 耕地土壤重金属含量与其理化性质、地形地势与距离指数的关系

5．1．3 耕地土壤重金属污染水平

5．2 林地土壤重金属污染评价

5．2．1 林地土壤理化性质和土壤重金属含量状况

5．2．2 林地土壤重金属含量与其理化性质、地形地势和距离指数的关系

5．2．3 林地土壤重金属污染水平

5．3 草地土壤重金属污染评价

5．3．1 草地土壤理化性质和重金属含量情况

5．3．2 草地土壤重金属含量与其理化性质、地形地势和距离指数的关系

5．3．3 草地土壤重金属污染水平

5．4 城乡用地土壤重金属污染评价

5．4．1 城乡用地土壤理化性质和重金属含量情况

5．4．2 城乡用地土壤重金属含量与其理化性质、地形地势和距离指数的关系

5．4．3 城乡用地土壤重金属污染水平

5．5 工矿用地土壤重金属污染评价

5．5．1 工矿用地土壤理化性质和重金属含量情况

5．5．2 工矿用地土壤重金属含量与其理化性质、地形地势和距离指数的关系

5．5．3 工矿用地土壤重金属污染水平

5．6 不同土地利用方式下土壤重金属综合污染水平

第6章 不同土地利用时间对土壤重金属污染的影响

6．1 不同土地利用时间的土壤重金属含量特征

6．2 不同土地利用时间土壤重金属污染水平

6．2．1 耕地

6．2．2 林地

6．2．3 城乡用地

6．2．4 工矿用地

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新和未来展望

参考文献

致谢