低山丘陵区农林土壤重金属污染特征及空间变异性研究——以四川五通桥区为例

摘要

本文以典型的低山丘陵区和人口稠密区为例，以地统计学原理为依据在四川五通桥区境内的农业和林业用地中确定了93个样点，同步采集0～20 cm土壤样品和地上植物样品，分析测得土壤和植物铅、镉、铜、锌、镍、铬、砷七种重金属元素含量。在ArcGIS支持下，以区域化变量为理论依据，对该区土壤重金属含量的空间变异和区域污染特征进行研究，同时对采集的蔬菜样品进行污染评价，并对超富集植物的筛选进行初步调查研究。结果表明： (1)五通桥区土壤铅、镉、铜、锌、砷含量为对数正态分布特征，采用几何平均值及标准差作为代表值；镍、铬含量为正态分布特征，以算术平均值及标准差作为代表值。含量分别为.Pb 33.20±17.21 mg.kg<'-1>(cv 47.85％，n=93)、Cd 0.80±0.29 mg.kg<'-1>(cv33.73％，n=93)、Cu 27.9±10.95 mg.kg<'-1>(cv37.17％，n=93)、Zn 98.73±47.36 mg.kg<'-1>(cv43.91％，n=93)、As 11.50±3.94 mg.kg<'-1>(cv32.57％，n=93)、Ni 32.63±7.58 mg.kg<'-1>(cv 23.21％，n=93)、Cr71.96±19.02.mg.kg<'-1>(cv32.21％，n=93)。与正常土壤比较，该区土壤铅、镉、锌、砷含量有不同程度的增加，铜、镍、铬含量与之持平。七种重金属的含量增幅顺序为镉>砷>锌>铅>镍>铜>铬。 (2)五通桥区土壤中的主要污染元素是铅、镉、锌、砷，相关分析表明，铅、镉、锌三种元素之间具有较高的复合相关关系，相关系数分别为：Pb--Zn(0.590)，Pb---Cd(0.617)，Zn—Cd(0.708)；说明三种元素的污染同源性较高，存在复合污染的特征；砷则与其它六种重金属的相关性都很低，说明具有独特的生态过程和污染来源。铜、镍、铬三种元素在土壤中的含量与背景值持平，同时也具有相对较高的复合相关关系，相关系数为：Ni—Cr(0.455)、Ni—Cu(0.594.)，所以其含量主要受成土母质等地球化学特征的影响，主要来源于自然成土过程。 (3)五通桥区土壤重金属空间变异性分析中，铅、锌、铬的半方差函数拟合曲线为指数模型，镉、铜、镍、砷的半方差函数拟合曲线为高斯模型；块金效应(块金值/基台值)锌>铅>镉>铬>砷>镍>铜，所有重金属的块金常数/基台值都小于50％，表现出较强空间自相关特征。根据分析结果，根据半方差函数拟合参数和Kriging插值原理，应用ArcMap软件中的地统计分析模块(Geostatistical Analyst)进行空间变异插值，绘制出五通桥区土壤七种重金属含量空间分布趋势图。从图中能清晰地反映出不同区域各种重金属含量范围，可作为污染控制与管理、农产品安全生产基地布局的基础依据。 (4)土壤污染评价和空间分布特征分析同时表明区域内各功能区土壤重金属污染特征是工业区>生活区>农业区>农林交错带>林区。工业区土壤的铅含量比背景值高出1倍以上，镉比背景值高出了9倍，都远远超出其他区域土壤的污染水平，说明工业活动对土壤的扰动和污染最大；农业土壤和林地土壤的重金属积累较低或没有积累，土壤环境质量相对安全。 (5)五通桥区蔬菜中重金属含量有不同程度的超标，其中，As的超标率最高，达到40％，Cd和Pb的超标率相对较低，分别为32％和28％。作物重金属污染评价与土壤污染评价比较发现，评价结果存在很大的差异，根据土壤污染平价和蔬菜污染评价关联分析结果表明：五通桥区土壤Cd含量普遍偏高，但其生物有效性较低，蔬菜作物未见明显富集和毒害现象，蔬菜Cd污染状况较轻；大白菜(Brassicapekinensis)、萝卜(Raphanussativlgs)和生姜(Zingiber officinale)对Cd有明显的规避能力。 (6)超富集植物的筛选工作发现青蒿(Artemisia apiacea)、马尾松(Pinus massonina)和意大利杨树(Lamb and Populus euramevicana CV)对镉具有一定的重金属富集能力。三种植物在土壤镉含量绝对值为0.8 mg.kg<'-1>左右时，即表现出对镉的富集和转运能力，富集系数分别为2.17、1.10和2.04。尽管其体内镉含量远远达不到传统的超富集植物要求，但三种植物都是生长迅速、生物量大的植物，具有较大生物富集量系数，能表现出巨大的镉富集量和转运能力。

目录

文摘

英文文摘

声明

前言

1文献综述

1.1土壤重金属污染的种类及其生态环境效应

1.2土壤重金属污染研究进展

1.2.1土壤重金属污染来源

1.2.2土壤重金属的形态和生物有效性研究

1.2.3土壤重金属污染修复研究

1.2.4地统计学的发展及地理信息系统在重金属污染研究的应用

2研究目的和意义

3材料和方法

3.1研究区域概况

3.2研究内容

3.3研究方法

3.3.1样品的采集

3.3.2样品处理

3.3.3样品的测定

3.3.4空间变异性分析和kriging插值的理论方法

3.3.5土壤重金属污染评价方法

3.3.6蔬菜作物污染评价

3.3.7统计分析工具

4结果与分析

4.1五通桥区土壤重金属含量变化特征

4.2土壤重金属各元素含量变异和相关规律

4.3七种重金属含量的地统计分析和空间变异性

4.4七种重金属含量分布的Kriging插值结果

4.5五通桥区土壤重金属污染评价

4.6蔬菜重金属污染评价

4.7蔬菜作物重金属与土壤重金属含量水平关系

4.8超富集植物的初步筛选研究

5结论与讨论

5.1土壤重金属含量和变化特征

5.2土壤重金属污染和分布特征

5.3蔬菜的重金属污染状况

5.4蔬菜重金属污染评价与土壤污染评价结果比较

5.5超富集植物的筛选与讨论

6问题与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢