基于地球化学标准化方法的平湖市农田土壤重金属污染评价.pdf

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1、第一作者:郝春明,男,1978 年生,博士研究生,研究方向为环境监测与评价。*国家级地质环境监测与预报专项项目(No.1212140501001)。基于地球化学标准化方法的平湖市农田土壤重金属污染评价*郝春明1,2?陈有鑑2?李瑞敏2?何绪文1(1.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京 100083;2.中国地质环境监测院,北京 100081)?摘要?运用地球化学标准化方法评价浙江省平湖市农田土壤重金属污染状况。结果显示,约 50%的农田土壤受到了重金属人为污染,其中除了 5.6%的农田土壤受到了 Hg 中度人为污染外,其余均为轻微人为污染。每种重金属元素的地球化学基线值均可信,Cr、

2、Pb、Cu、Zn、Ni 和 As 与标准化元素Al 线性相关性较好,而 Hg 和 Cd 与Al 线性相关性不好,原因可能与后者受人类活动或土壤环境影响较大有关;多变量聚类分析结果表明,平湖市农田土壤重金属元素组成特征为 Cd 一族、Hg 一族,而 Cu、Pb、Ni、As、Cr和Zn 为一组合族。?关键词?地球化学标准化方法?评价?富集因子?人为污染?土壤?平湖市?平湖市隶属于浙江省嘉兴市,为我国重要的服装外贸生产基地,也是杭嘉湖平原重要的西瓜等作物的种植区。2002 年,浙 江省率 先完成 的 1?250 000农业地质调查数据统计发现,平湖市部分农田土壤存在重金属含量异常的现象 1 53。重

3、金属含量异常是自然积累过程还是人为污染过程,这是农业地质基础调查后科学工作者要解决和思考的问题。?笔者运用地球化学标准化方法划分平湖市农田土壤重金属自然积累过程和人为污染过程,进而评价重金属的人为污染状况,为修复治理工作提供科学依据。1?材料与方法1.1?样点布置与样品采集2007 年 11 月 15 日至 30 日采集平湖市各乡镇农田 0 20 cm 表层土壤。为反映真实的农田土壤重金属状况,采样点尽量远离水网、公路和工厂等人为活动较大的地方,各采样点按 S 形 4 点取样,4 个样品组合成 1件样品。随机采集土壤样品 36 件,每件样品原始质量超过 1 000 g。样品采集均使用新的布袋,

4、采集后及时放在干净处通风干燥。采样点位置用 GPS 定位记录。平湖市农田土壤采样点分布见图 1。?样品干燥碾碎过 20 目筛后及时送往中国科学院地球化学地球物理勘查研究所测试,测试指标有As、Cd、Cr、Cu、Hg、Li、Ni、Pb、Y、Zn 和 Al 等,均按中国地质调查局 2005 年 9 月颁布的 生态地球化学评价样品分析技术要求!进行。图 1?平湖市农田土壤采样点分布图1.2?数据处理数据统计分析使用 Sufer 8.0 和 SPSS 12.0.1软件。土壤重金属含量插值使用克里格插值方法,绘制等值线图使用 MAPGIS 6.7 软件。1.3?评价方法1.3.1?地球化学标准化方法地球

5、化学标准化方法(简称标准化方法)是地球化学研究中常用的一种方法,是研究海洋及河口沉积物的粒径变化对化学元素浓度变化的主要方法,同时在研究其他地球 化学作用时也常被 使用。ALOUPI 等 2在研究希腊 Habor 海湾沉积物的过程中采用了标准化方法。运用该方法对四川攀枝花和江西德兴地区的土壤重金属污染评价取得了很好的效果 3,4,5 25。?标准化方法理论假设认为,在没有人为污染的情况下,土壤中惰性元素(标准化元素)的含量与活96?环境污染与防治?第 31 卷?第 2 期?2009年 2月性元素含量之间会存在一定的相关性。标准化方法的基本理论模型为:cm=acN+b(1)式中:cm为样品中某活

6、性元素的质量浓度,mg/kg;cN为样品中标准化元素的质量浓度,mg/kg;a、b 为回归常数,通过回归方程求得。?通过 95%的统计检验后,得:Bm=a?cN+b(2)式中:Bm为样品中活性元素的地球化学基线值,mg/kg;cN为样品中标准化元素的平均质量浓度(算数平均值),mg/kg。?国际上通用的标准化元素主要有 Al 6 65?67、Li 7和 Y 8等。Al 标准化方法是被广泛接受的减少粒径效应的方法之一 6 68?71,本文采用 Al 作为标准化元素。1.3.2?富集因子法目前,判定人为环境影响较通用的方法是富集因子法 9。富集因子(EF)是评价人类活动对环境介质中潜在有毒元素富集

7、程度影响的重要参数,一方面元素分布的自然差异已被平衡,另一方面富集系数的大小反应了该元素的污染程度 10。富集因子的计算见式(3)。EF=cmcN样品BmcN基线(3)?土壤中富集因子与人为污染的关系见表 1 5 25。表 1?富集因子分级表富集因子级别污染程度 53显著污染2?结果与评价2.1?农田土壤重金属元素的地球化学基线值平湖市农田土壤中 As、Cr、Cd、Pb、Hg、Cu、Zn和 Ni 的统计分析结果见表 2。由表 2 可见,平湖市农田土壤中 As、Cd 和Hg 与全国土壤背景平均值相比差距较大,最小值分别为全国土壤背景平均值的0.37、1.19、1.44 倍。从重金属含量范围和变异

8、函数来看,重金属含量的空间分布差异较大。t 检验结果说明各样本之间差异显著。?以 Al 为标准化元素的表层土壤各重金属元素的地球化学基线模型见表 3。由表 3 可见,Cr、Pb、Cu、Zn、Ni 和 As 与标准化元素 Al 的线性相关性较好,其地球化学基线值与 GB 15618#1995 一级标准限值相比差异不大,说明用标准化方法得出的 Cr、Pb、Cu、Zn、Ni 和 As 的地球化学基线值是可信的;Cd 和 Hg 与标准化元素 Al 的线性相关性不好,但Hg、Cd 的地球化学基线值却与浙北平均值、GB15618#1995一级标准限值差异不大,笔者认为其表 2?平湖市农田土壤重金属统计分析

9、结果重金属元素最小值/(mg kg-1)最大值/(mg kg-1)方差变异函数t 检验值全国土壤背景平均值/(mg kg-1)As4.1014.001.953.7927.3411.2Cd115.91282.7037.371 396.5726.6497.0Cr63.63118.4513.20174.8340.3561.0Cu24.0042.004.3719.0641.9922.6Hg93.40566.3092.468 548.3712.8865.0Ni25.2043.104.5720.9047.3026.9Pb27.3047.503.7213.8451.6326.0Zn73.60134.9013

10、.58184.3142.4674.2表 3?以 Al 为标准化元素的土壤重金属元素的地球化学基线值重金属元素基线模型R1)地球化学基线值/(mg kg-1)浙北平均值2)/(mg kg-1)土壤环境质量标准!(GB 15618#1995)一级标准限值/(mg kg-1)CrBm=17.92 cN-162.720.81488.8877.5090CdBm=0.007 cN+0.0720.1670.170.150.20PbBm=7.83 cN-77.940.52431.9930.3035HgBm=0.024 cN-0.140.2370.200.160.15CuBm=6.67 cN-63.050.72

11、230.6030.9035ZnBm=35.09 cN-396.630.42796.0392.70100NiBm=5.58 cN-42.370.90335.9732.4040AsBm=2.64 cN-28.140.8158.937.5915?注:1)R 为线性相关系数;2)浙北平均值来源于 浙江省土壤地球化学背景值!1 105?106。97郝春明等?基于地球化学标准化方法的平湖市农田土壤重金属污染评价值也可信,造成相关性差的原因可能与 Cd、Hg 受人类活动或土壤环境影响较大有关。2.2?农田土壤重金属元素组合特征利用 SPSS 12.0.1 软件分别对 36 件土壤样品的测定数据进行多变量聚类

12、分析。聚类分析方法采用欧式平方距离测量法。聚类分析结果见图 2。图 2?农田土壤重金属元素聚类分析图?由图 2 可见,平湖市农田土壤重金属元素组合特征为:Cd 元素一族;Hg 元素一族;Cu、Pb、Ni、As、Cr 和 Zn 元素为一组合族。Cd 在农田土壤中呈现单独性与其化学行为比较活跃有关,其受土壤环境变化影响较大,在表生氧化环境中影响土壤 Cd含量的因素众多,导致其迁移活动规律与其他重金属元素有差异。Cu、Pb、Ni、As、Cr 和 Zn 被普遍认为是成矿元素,存在很好的亲和性。董岩翔等 1 62?64在研究浙北浅层和深层土壤背景值时,也发现它们之间存在很好的相关关系。Hg 单独一族与人

13、类活动有直接关系,目前普遍认为人类越密集的地区,土壤 Hg 含量越高 11?13。2.3?农田土壤重金属人为污染情况?以Al为标准化元素,运用富集因子法评价平湖市农田土壤重金属人为污染状况,结果见表 4 和图 3。表 4?平湖市农田土壤重金属人为污染评价结果重金属元素无污染/件轻微污染/件中度污染/件显著污染/件As142200Cr181800Cu132300Pb102600Ni92700Zn162000Cd211500Hg241020?评价结果显示,平湖市约 50%农田土壤受到了重金属人为污染,其中 61.1%受到了 As 污染,50.0%受到了 Cr 污染,63.9%受到了 Cu 污染,7

14、2.2%受到了 Pb 污染,75.0%受到了 Ni 污染,55.6%受到了 Zn 污染,41.7%受到了 Cd 污染,33.3%受到了 Hg 污染,污染程度除了 5.6%的农田土壤受到了 Hg 中度人为污染外,其余均为轻微人为污染。?不同乡镇农田土壤重金属人为污染的程度不同,其中城市近郊地区和当湖镇的农田土壤重金属人为污染程度最严重,这与它们距离市中心较近有必然联系。市中心工业和人口相对密集,加速了土壤重金属人为污染的程度,越接近市中心污染程度越严重;同时,20 世纪 70、80年代大量使用的高 Hg农药残留也有影响。乍浦镇人为污染程度最轻,除了 Pb 和 Cd 存在轻微人为污染外,其余均为本

15、底值,这可能与乍浦镇位于杭州湾边界,物质循环相对图 3?平湖市农田土壤重金属人为污染评价图98?环境污染与防治?第 31 卷?第 2 期?2009年 2月频繁有关,也与乍浦镇为水产品生产基地,工业相对单一有关。Pb 的迁移途径主要来源于大气干湿沉降 14,15,周边城镇的大气干湿沉降导致了平湖市农田土壤 Pb 的增加;Cd 的污染有可能与污水灌溉有关系。其他乡镇如林埭镇表现为 Cd、Pb、As、Cr、Zn、Cu 和 Ni 人为污染;新埭镇为 As、Ni、Pb 和 Cd人为污染;曹桥镇为 Ni、Cr、As、Cd 和 Hg 人为污染;钟埭镇为 Cu、Ni、As、Cr 和 Hg 人为污染;广陈镇为

16、Zn、Cu、Ni、As、Cd 和 Cr 人为污染;新仓镇为Zn、Pb、Ni、As、Cr 和 Hg 人为污染;黄姑镇为 Zn、Pb、Ni、Cu、Cr 和 Cd 人为污染;全塘镇表现为 Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 和 Cd 人为污染。不同乡镇农田人为污染类型差异可能与土地种植管理方式有关,随意施肥和污水灌溉均会造成大面积的农田土壤重金属人为污染。李海华等 16、邓焕广等 17研究发现,乱堆、乱放生活垃圾的渗滤液流入农田也能造成土壤重金属污染。3?结论与展望(1)平湖市农田土壤 Cr、Pb、Cu、Zn、Ni 和 As与标准化元素 Al 线性相关性较好,地球化学基线值可信;Hg 和 Cd 虽与 Al

17、 线性相关性不好,笔者认为其基线值也可信。造成 Cd 和 Hg 与标准化元素Al 的线性相关性不好的原因可能与 Cd 和 Hg 受土壤环境或人类活动影响较大有关,具体原因还需进一步探讨。多变量聚类分析发现,Cd 和 Hg 各自为一族,Cu、Pb、Ni、As、Cr 和 Zn 为一组合族,这与元素本身地球化学性质有直接关系。(2)平湖市约50%的农田土壤受到了重金属人为污染,除 5.6%的农田土壤受到了 Hg 中度人为污染外,其余均为轻微人为污染。不同城镇重金属人为污染类型不同,可能与土地种植方式不同有关。加强农药化肥的科学指导、灌溉水源的水质监测和生活垃圾的统一管理,对该地区农田土壤环境质量的改

18、善具有重要的现实意义。参考文献:1?董岩翔,郑文,周建华.浙江省土壤地球化学背景值 M .北京:地质出版社,2007.2?ALOUPI M,ANGELIDIS M O.Geochemistry of natural andanthropogenic metals in the coastal sediments of the island ofLesvos,Aegean Sea J.Environmental Pollution,2001,113(2):211?219.3?滕彦国,倪师军,庹先国,等.应用标准化的方法评价攀枝花地区表层土壤重金属污染 J.土壤学报,2003,40(3):374?

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20、nmental Geology,1998,36(1/2).7?滕彦国.攀枝花地区土壤环境地球化学基线研究 D.成都:成都理工大学,2001.8?PROKISCH J,KOVACS B,PALENCSAV A J,et al.Yttiumnormalization:a new tool for detection of chromium contamina?tion in soil samples J.Environmental GeochemistryandHealth,2000,22(4):317?323.9?滕彦国,倪师军.地球化学基线的理论与实践 M.北京:化学工业出版社,2006.10

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23、任编辑:赵?多?(修改稿收到日期:2008?08?28)(上接第 95页)本低、效益好的CO2减排效果,同时也能为全球经济平衡发展注入新的活力,促使各国为减缓气候变化在可持续发展框架下走低碳发展之路,建立对全球负责任的发展模式,为实现全球环境、经济与社会的可持续发展创造条件。参考文献:1?冯宗炜.中国森林生态系统的生物量和生产力 M.北京:科学出版社,1999.2?周国逸,周存宇,LIU Shuguang,等.季风常绿阔叶林恢复演替系列地下部分碳平衡及累积速率 J.中国科学:D 辑,2005,35(6):501?510.3?陈根长.林业的历史性转变与碳交换机制的建立 J.林业经济问题,2005,25(1):1?6.4?章升东,宋维明,李怒云.国际碳市场现状与趋势 J.世界林业研究,2005,18(5):9?13.责任编辑:贺锋萍?(修改稿收到日期:2008?11?26)99郝春明等?基于地球化学标准化方法的平湖市农田土壤重金属污染评价