干旱区设施菜地土壤重金属时空分布特征与生态风险评价——以凉州区为例

摘要

近年来，设施菜地土壤环境问题受到广泛关注。开展设施菜地土壤重金属调查，研究设施菜地土壤重金属污染特征及其风险，对于设施菜地土壤环境质量保护和农产品安全保障具有重要的理论和实践指导意义。本文选择我国西北干旱区优势蔬菜产地—凉州区为研究区域，调查了研究区主要设施菜地及相邻露天菜地土壤理化性质（土壤pH值、电导率、碳酸盐含量、有机质、阳离子交换量、土壤质地等）、土壤重金属（Cd、Cu、Zn、Cr、Pb、Ni、Mn、Co）全量及有效态含量，对设施菜地土壤重金属全量及有效态的时空分布特征进行了分析，并对菜地土壤重金属环境质量及潜在生态风险进行了评价，旨在为干旱区设施菜地土壤重金属污染防控与区域农产品安全生产提供理论依据。主要研究结果如下：
　　（1）研究区土壤pH变幅为7.1~8.6，呈碱性，其中，设施菜地土壤pH平均值为7.6，比露天菜地土壤pH值降低了0.5个单位，设施菜地土壤发生一定程度的酸化；设施菜地土壤电导率平均值为1791μs/cm-1，是露天菜地的8.37倍；研究区土壤有机质含量较高，在31.17~122.51 g/kg-1之间，其中设施菜地土壤有机质含量为65.11 g/kg-1，是露天菜地土壤有机质的1.38倍；研究区土壤碳酸盐含量差异较大，范围在0.47％~19.78%，设施菜地土壤碳酸盐含量低于露天菜地土壤；研究区土壤CEC范围在2.22~20.90 cmol?kg-1之间，整体保肥能力较弱。
　　（2）设施菜地土壤重金属Cd、Cr、Pb、Cu、Zn、Ni、Co和Mn全量的浓度范围分别为0.07~0.37、30.84~78.66、18.57~43.48、18.69~74.05、73.30~297.90、28.09~43.75、3.15~10.74和615.84~802.99 mg/kg-1，其中Cd、Cu、Zn平均值高于露天菜地土壤，Cd、Cu、Zn、Pb、Mn平均值高于甘肃背景值。设施土壤重金属有效态明显高于露天菜地土壤，其平均值是露天菜地土壤重金属有效态的1.02~4.74倍。
　　（3）设施菜地土壤中不同重金属的全量和有效态含量随种植年限表现出不同的规律。土壤Cd、Cr全量随着种植年限增加呈下降趋势，不同年限类型之间均未达到显著性差异，但有效态Cd含量随着种植年限增加呈增加趋势。Cd、Cr全量随种植年限呈下降趋势，这可能是因为土壤年输入量小于植物吸收量，有效态Cd增加可能是因为种植年限越长，土壤pH越低，Cd的有效性逐渐增大。Co的全量和有效态含量、Mn的有效态含量均随着种植年限增加呈下降趋势，这可能是因为农民注重施入氮、磷、钾而忽略部分微量元素。设施菜地土壤Cu、Zn、Pb、Ni元素全量和有效态含量随种植年限增加无明显变化趋势。
　　（4）设施菜地土壤重金属Cd、Cu、Zn、Cr、Ni、Co的全量具有强烈的空间自相关，空间变异以结构性变异为主。Pb、Mn具有中等程度的空间相关性，其空间分布主要受结构性因素和随机性因素的共同影响。有效态Cd、Zn、Pb、Co具有强烈的空间自相关，空间变异以结构性变异为主。有效态 Cu、Cr、Ni具有中等程度的空间相关性。有效态Mn具有强烈的随机变异性。Cd、Cu、Zn、Cr全量的空间分布情况比较相似，中部地区浓度值相对较高，主要分布城区郊区地带，如金羊镇、发放镇、高坝镇等，这可能是因为城郊区人多地少，施肥水平高，管理精细，土壤熟化程度高的原因。相关性分析及主成分分析表明，Cu、Zn累积水平较高，这主要与当地施用的有机肥中Cu、Zn含量较高有关。
　　（5）基于“土壤环境质量标准”（GB15618-1995）和“温室蔬菜产地环境质量评价标准”（HJ/T166-2004）的评价结果显示，设施菜地土壤整体属于清洁水平，符合温室蔬菜产地环境质量要求。潜在生态危害指数评价表明，设施菜地土壤整体属于轻度危害，除Cd已达到中等强度潜在生态危害外，其他元素均处于轻度危害。地积累指数评价表明，设施菜地土壤Cu和Zn达到轻度至中度污染程度，其余均为无污染程度。露天菜地土壤的地积累指数低于设施菜地，表明设施菜地重金属得到了累积。设施菜地应加强有机肥的环境监管，以控制 Cu、Zn等重金属的输入。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 文献综述

1.3 研究内容与技术路线

第二章 研究区概况与研究方法

2.1 研究区概况

2.2 采样点的布设

2.3 样品采集与预处理

2.4 样品分析与测试

2.5 试剂与器材

2.6 数据处理与分析方法

2.7 实验质量控制

第三章 设施菜地土壤重金属时空分布特征

3.1 设施菜地土壤理化性质统计特征

3.2 设施菜地土壤重金属全量的时空变化与分布

3.3 设施菜地土壤重金属有效态的时空变化与分布

3.4 相关性分析及主成分分析

3.5 本章小结

第四章 设施菜地土壤重金属污染生态风险评价

4.1 设施菜地土壤重金属环境质量评价

4.2 设施菜地土壤重金属污染生态风险评价

4.3 设施菜地土壤中重金属累积与污染的来源分析

4.4 本章小结

第五章 主要结论与研究展望

5.1 主要结论

5.2 不足与展望

参考文献

在研期间成果

致谢