县域尺度耕地土壤重金属的时空变异特征及污染源识别研究

摘要

本文以浙江省长兴县耕地土壤为研究对象，共采集136个表层土样和126个亚表层土样，分析测定了5种重金属元素Cd、Pb、Cr、Cu和As含量，研究县域尺度下重金属的时空分布特征并进行污染源识别研究。结果表明:
　　(1)土壤重金属含量描述性分析结果表明表层土壤中5种重金属含量的平均值均高于亚表层。在表层土壤中Cd和As的平均浓度分别为0.23 mg kg-1和10.88 mg kg-1，以国家土壤环境质量标准(GB15168-1995)二级标准(pH＜6.5，水田;Cd和As标准限值分别为0.3 mg kg-1和30 mg kg-1)为依据，样品超标率分别达到17.65％和2.94％，表明Cd和As在表层土壤呈现一定程度的累积。在亚表层土壤中，超标率分别为11.90％和0.79％，土壤Cd和As仍呈现一定程度的累积。土壤表层和亚表层Pb、Cu和Cr含量均未超过GB15168-1995规定的二级标准的限值（Pb为250 mg kg-1，Cr为250 mg kg-1，Cu为50 mg kg-1）。
　　(2)土壤富集因子指数法分析表明:通过分析Cd等5种重金属的富集因子(EF)，发现表层土壤中重金属的累积程度大小顺序依次为Cd＞As＞Cr＞Pb＞Cu;亚表层中的累积程度大小顺序为Cd＞As＞Cr＞Cu＞Pb。土壤Cd和As的EF值变化范围大，异常值较多，表明局部区域土壤Cd和As受外源人为影响较为明显。土壤重金属污染风险评价结果表明表层和亚表层土壤重金属内梅罗综合指数分别为1.299和1.129，均呈现轻度污染水平，而且表层污染程度比亚表层略为严重。
　　(3)Cd、Cu、Cr、Pb和As5种重金属浓度具有不同的空间分布特征。除As以外，其余4种重金属浓度在研究区域内的分布特征较为相似，主要呈现西北和东南区域浓度较高的分布趋势。土壤As以小浦镇西南区域为浓度最高点并呈放射状递减，同时李家巷和洪桥镇局部区域As浓度较高。整体来看，表层土壤与亚表层5种土壤重金属的空间分布特征大致相同。通过分析并研究2003年和2013年10年间长兴县表层土壤重金属浓度的变化趋势，发现除土壤As以外，长兴县80％～90％土地面积上的Cd、Cr、Pb和Cu浓度均未发生显著性变化。土壤Cd、Pb、Cr和Cu在局部区域浓度降低。夹浦镇和洪桥镇局部区域的土壤Pb和Cr浓度略有上升，土壤Cd浓度仅在小范围局部区域呈现一定程度的升高。然而土壤As浓度在10年间出现明显上升，小浦镇和槐坎乡局部区域浓度变化范围达到10～25 mg kg-1。
　　(4)长兴县逐步形成包括铅蓄电池企业、建筑材料、印染纺织等5种发展迅速、独具地域特色的产业，不同类型的企业强烈地影响着不同重金属浓度的空间分布特征。土壤Cd和Pb浓度的空间分布特征主要受铅蓄电池和建筑材料企业的影响，而土壤Cu受机械制造和建筑材料企业分布的影响较大;土壤Cr浓度的空间分布特征很大程度上受到建筑和耐火材料企业的影响;而土壤As浓度受当地企业影响较小，其空间分布特征很可能与含As农药、化肥和有机肥的不合理施用等农业措施有关。长兴县2004年和2011年严格实施的2次环境整治政策对以铅蓄电池企业为首的传统产业进行改造提升和优化转型升级。这2次专项整治行动起到积极作用，避免5种重金属污染在10年间进一步恶化。但重点工业区内部分重金属浓度的升高应引起重视。
　　(5)通过对19个土壤样品的不同铅同位素进行测定，结果表明206Pb/204Pb，207Pb/204Pb和208Pb/204P的变化范围分别是18.095～18.675，15.558～15.656和38.414～38.907。206Pb/207Pb的变化范围为1.163～1.197，其中最小值为1.163，远小于1.2（自然成因Pb的206Pb/207Pb最小值），表明土壤样品受到一定程度人为活动的影响。通过进行Pb同位素组成比值分析，结果表明土壤样品的Pb同位素组成不满足二元混合模型。通过进一步建立土壤样品及端元组分206Pb/204Pb-207Pb/204Pb-208Pb/204Pb值三角图，发现土壤样品Pb与工业废弃物，燃煤过程和背景土壤关系最为紧密，满足上述三种端元组分构成的三元混合模型。
　　本研究结果为土壤可持续利用、管理与保护提供了理论依据和技术支持，对土壤重金属污染防治和风险管理具有一定的指导意义。

目录

论文说明

声明

摘要

第一章 引言

1．1 耕地土壤重金属污染

1．1．1 耕地土壤重金属污染现状

1．1．2 工业化进展对土壤重金属污染的影响

1．1．3 道路交通导致的土壤重金属污染

1．1．4 农业措施对土壤重金属污染的影响

1．1．5 土壤重金属污染的危害

1．2 土壤重金属污染风险和强度评价

1．3 土壤重金属来源的解析方法

1．3．1 多元统计分析

1．3．2 受体模型

1．3．3 稳定同位紊分析

1．4 土壤重金属的空间变异

1．4．1 地理信息系统

1．4．2 地统计学

1．4．3 克里金插值法

1．5 研究意义和技术路线

1．5．1 研究意义

1．5．2 技术路线

第二章 材料与方法

2．1 研究区域基本情况

2．2 土壤样品的采集

2．3 土壤样品的分析测定

2．3．1 土壤基本理化性状的测定

2．3．2 土壤重金属含量的测定

2．3．3 土壤铅同位素组成的测定

2．4 土壤重金属富集因子指数法

2．5 土壤重金属内梅罗污染指数法

2．6 土壤重金属半变异函数模型

2．7 数据处理与图件制作

第三章 土壤重金属环境质量评价

3．1 土壤重金属含量特征及分析

3．1．1 土壤重金属含量的描述性分析

3．1．2 土壤重金属相关性分析

3．2 土壤重金属富集特征

3．3 土壤重金属污染综合评价

3．4 本章小结

第四章 土壤重金属时空变异特征及污染源识别

4．1 土壤重金属半变异函数模型

4．2 土壤重金属的空间变异特征

4．3 土壤重金属2003～2013年时空变异特征

4．4 土壤重金属的污染源分析

4．4．1 土壤重金属污染源定性分析

4．4．2 土壤重金属铅同位素源解析

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 不足与展望

致谢

参考文献

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