葫芦岛市连山区、龙港区农田土壤重金属污染及迁移转化规律

摘要

本文通过对葫芦岛市连山区、龙港区土壤及植物进行同步取样调查，获取土壤样品319份，植物样品263份。评价指标涵盖Cu、Pb、Cd、Zn、Ni、Cr、Hg七种重金属元素，相关土壤性质分析包括pH、有机质、CEC、Ca、Fe、活性Fe、活性Mn、粘粒、粉粒等10个指标，累计数据13692个。利用SPSS和EXCEL数据处理工具，以及ArcGIS地统计软件，对葫芦岛地区土壤重金属含量特征、空间分布、污染水平、累积现状及植物污染状况作了系统地分析和评价。研究了葫芦岛市区土壤与玉米重金属污染的关系，重金属在土壤—植物系统中的迁移、分布、转化规律及影响因子，并进行了探讨。结果表明： (一)葫芦岛连山区、龙港区土壤二氧化硫污染及理化性质 总硫在本研究区域内的平均值是380.78mgkg-1，有效硫平均值是21.47mgkg-1。总硫和有效硫含量较高的点集中在葫芦岛锌厂附近，比对照点高出4-7倍，说明土壤受到了SO2的严重污染。土壤有效硫、总硫与土壤pH均呈极显著负相关，土壤有效硫与CEC呈显著负相关，表明土壤总硫和有效硫的增加降低了土壤pH值，从而改变了土壤的阳离子交换量。 (二)葫芦岛连山区、龙港区土壤重金属含量与分布 葫芦岛地区土壤重金属分布规律：龙港区的土壤重金属Cu、Zn、Cd、Pb、Hg的含量明显高于连山区土壤，而土壤重金属Ni、Cr的含量则相差不大。Cu、Zn、Cd、Pb、Ni为对数正态分布，Cr、Hg为非正态分布。 葫芦岛地区土壤重金属除Cr外，其它六种重金属元素都有不同程度的超标现象，主要污染是Zn、Cd、Pb的污染，超标程度顺序是Zn＞Cd＞Pb＞Cu＞Hg。Cd、Hg、Zn的变异系数最大，表明它们受到局部污染的情况比较严重。Cr、Ni的变异系数最小，说明外来的Cr、Ni污染影响较小。葫芦岛地区土壤Cu、Pb、Zn、Cd之间的相关性达到了a=0.01的极显著水平，表明它们的同源性最高。调查表明，葫芦岛地区土壤重金属含量水平受到成土母质等地球化学特征的深刻影响，同时又受到锌厂等人为污染源的强烈作用。应用地统计软件ArcGIS3.1分析葫芦岛地区土壤重金属空间分异规律表明：Ni、Cu块金效应明显，块金常数与基台值比率的分别为56.6％和26％，属中等强度空间自相关性，Cd、Zn、Pb分别为0.3％、3.2％，17.2％，具有强空间自相关性，受结构性因素影响较强。根据空间分析结果，运用Kring插值原理，绘制出葫芦岛地区土壤七种重金属元素含量分布图，能够清晰反映不同区域各类重金属含量范围，可作为污染控制与管理、农产品安全生产布局的基础依据。土壤重金属在垂直分布上，具有强烈的表聚性。土壤残渣态重金属含量是最高的，其次是有机结合态。随着土层深度的增加交换态Cd、Pb含量明显下降，残渣态Cu、Cd和Pb的比例则提高。Cd、Zn和Cr的迁移率明显要高于其它元素，Pb和Hg的迁移率比较低。所有元素迁移的深度均未达到60-80cm，在重金属元素含量较高的地点Cd、Zn的迁移较活跃、深度最大，说明Cd、Zn和Cr的移动性要相对大一些，而Pb和Hg在土壤中的迁移性较差。 (三)葫芦岛连山区、龙港区土壤重金属污染现状评价 在240份土壤样品中，污染程度最为严重的是Cd，43.09％超过国家二级污染标准，其次超标元素是Zn、Hg、Cu，超标率分别为26.79％、15.84％和14.58％，Ni超标率只有7.48％。而Pb、Cr没有污染。从超标比例和平均污染指数的总体来看，土壤重金属的污染顺序为Cd(7.30)＞Zn(1.46)＞Hg(0.94)＞Cu(0.80)＞Ni(0.71)＞Pb(0.65)＞Cr(0.53)。Cd和Zn污染最严重的区域在龙港区和连山区的杨家杖子；Cu在锌厂周围有中度和重度污染；Hg污染主要集中在龙港区的锌厂附近和葫芦岛城区；按照累积指数为标准，葫芦岛地区重金属累积程度的大小顺序为：Cd(7.28)＞Zn(2.31)＞Pb(1.16)＞Hg(0.95)＞Cu(0.86)＞Cr(0.52)＞Ni(0.48)。平均综合累积指数达到6.81，已达到严重污染水平。土壤Pb的累积指数很高，具有积累重而污染轻的特征，表明人为外源增加趋势十分严重。亚表层土壤重金属污染程度较表层土壤的污染程度大大减轻。土壤Cd是污染最为严重的，其次为Zn、Cu。 (四)玉米重金属污染评价 玉米重金属污染评价与土壤重金属污染评价比较发现，评价结果存在很大的差异。土壤污染评价结果表明，葫芦岛地区土壤的主要重金属污染因子为Cd，而Pb无明显超标现象。但玉米污染评价结果表明，葫芦岛地区玉米重金属超标情况严重，在玉米籽粒中以Pb超标率最高，达到71.2％。其次为Cd，超标率达到40.1％。这一现象表明现行土壤评价标准存在一定的缺陷。从平均综合污染指数来看，超标严重程度大小顺序为：：叶(8.32)＞籽粒(7.80)＞根(5.22)＞茎(2.22)。 同一重金属元素在玉米的各部位之间有着很好的相关性，彼此之间的相关性达到了显著水平。土壤重金属总量与玉米根重金属富集率呈显著负相关。整体来看，土壤—玉米系统中重金属迁移能力的顺序为Cd＞Zn＞Cu＞Pb。 (五)土壤重金属形态、理化性质对玉米重金属含量的影响 在葫芦岛地区土壤中各重金属残渣态含量均是最高的，而其它化学形态分布与重金属本身特征有关。Pb、Cd、Cu和Zn各种化学形态及非残渣态含量均随土壤重金属含量的增加而增加。通过对玉米重金属含量与土壤重金属形态的相关分析发现，玉米中重金属的含量与重金属各形态有不同的相关性，Cu含量主要受交换态影响；Pb含量是交换态、碳酸盐结合态的影响最大；Cd含量主要受交换态和有机结合态影响；玉米对Zn的吸收主要由交换态和有机结合态来决定。相比较而言，交换态的重金属是植物吸收的主要来源。 各重金属形态与土壤理化性质之间逐步回归分析表明pH是影响交换态Cu、Pb和Zn以及铁锰氧化物结合态Cu的主要因素。Fe含量是影响各重金属残渣态含量的主要因素。有机质是影响各重金属有机态含量比例的主要因素。 我们选取了五种常见的和柠檬酸-酒石酸重金属提取剂，研究其与玉米重金属吸收效应之间的关系，发现不同的提取剂有着不同的提取能力，提取的化学有效态重金属与植株吸收量大部分呈显著或极显著相关。通过比较认为柠檬酸：酒石酸为16mmolL-1：16mmolL-1的提取液作为玉米籽粒中有效态Cu、Zn的提取液是比较合适的。而与玉米根、茎、叶重金属含量相关性比较好的提取剂是0.1MHCl。 以玉米重金属含量与土壤酸度(pH)、有机质含量(OM，％)、全钙(％)、有效S(％)、粘粒含量(Clay，％)、粉粒含量(silt，％)、活性铁(A-Fe，mgkg-1)、Fe(％)、活性锰(A-Mn，mgkg-1)和阳离子代换量(CEC，cmolkg-1)等10个土壤理化性质参数相关分析表明：①土壤理化性质对玉米重金属积累确实存在显著影响，回归方程均达到显著或极显著水平。不同的重金属影响因子也是不同的。②在污染情况较轻时，土壤理化性质参数的影响多数情况下超过土壤重金属含量。而在污染情况较重时，土壤重金属含量依然是最主要的影响元素之一。

目录

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摘要

第一部分前言

第二部分材料和方法

第三部分结果与讨论

一、葫芦岛连山区、龙港区土壤二氧化硫污染及土壤理化性质特征

二、葫芦岛连山区、龙港区土壤重金属的空间分布与迁移规律

三、葫芦岛市连山区、龙港区土壤重金属污染评价

四、葫芦岛连山区、龙港区玉米重金属分布及污染评价

五、土壤重金属形态、理化性质对玉米重金属含量的影响

第四部分结论

参考文献

致谢

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