苏南典型区土壤基本性质与重金属污染时空变化规律研究

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本文选择以快速工业化、城市化和高度农业集约化为特征,经济快速发展的昆山市为典型区,野外调查与室内分析相结合,综合运用经典统计学方法、方差分析方法、相关分析方法、回归分析方法、地统计学方法,采用EXCEL、SPSS、Mapinfo和ArcGis等软件进行统计分析并制图。本研究以土壤圈学术思想为指导,强调高强度人类活动对土壤质量演变的影响,立足于时空中的土壤,重视土壤的空间变异,加强土壤重金属有效态、形态研究,服务于污染土壤的修复、调控、管理与土壤环境标准的制定。 (1)20年来,研究区土壤酸化严重,土壤有机质含量呈下降趋势,速效磷含量表现出明显的积累状态,铵态氮含量变化与速效磷的变化基本一致,且速效磷和铵态氮的变异系数最大。土壤阳离子交换量有一定程度的下降。质地以中壤土为主。土壤质量在这几个方面总体上表现为退化趋势。 土壤酸化从利用类型上说主要在菜地区,从地貌区来看主要在南部,南部湖荡区pH极显著低于北部洼区和中部平原区;从土壤剖面层次来看主要在表层。 大棚菜地速效磷积累更明显,菜地区铵态氮含量显著高于另外的功能区,南部湖荡区CEC显著高于北部洼区和中部平原区。土壤中<0.01mm粘粒含量上下层均以南部湖荡区极显著高于北部洼区和中部平原区。有机质含量、速效磷含量、铵态氮含量和阳离子交换量均随剖面深度增加而下降。 (2)研究区土壤重金属平均污染指数大于1的有Ni、Zn、Hg,其中Hg污染指数最大,是主要的污染物,土壤重金属综合污染指数达1.52,复合污染严重,73.3%的样点有两种以上的重金属超标,40%的样点有四种以上的重金属超标,6.7%的样点有六种以上的重金属超标,土壤复合污染的治理难度将加大。不同种植年限菜地重金属含量,总的趋势是种植的开始5年重金属含量相对较高,而10年之后含量相对较低。 从重金属元素全量综合污染指数来看,在不同功能区土壤污染主要集中在化工区(1.84)和养殖区(1.54)。不同地貌区土壤重金属污染主要集中在中部平原区(1.71)和北部洼区(1.57),并以中部平原区严重。北部洼区平均污染指数大于1的有Cr和Hg,中部平原区平均污染指数大于1的有Ni、Zn和Hg,南部湖荡区平均污染指数大于1的有Ni、Hg和As。测定的各重金属元素在剖面上一般都具有表聚特征,有的是亚表聚特征, 总体上是上层含量高于下层,增加了潜在的环境风险。 (3)昆山市不同尺度下,土壤空间变异的异同主要表现在以下几个方面。 田块尺度下样本数据更趋向于成正态分布,受奇异值的影响相对较小。 从最优理论模型来看,以标准误最小为依据,县域尺度下以球状模型和指数模型拟合最优者大致各占一半,而田块尺度下大多以球状模型拟合更优,pH在不同尺度下均以指数模型拟合更优。模型的决定系数一般以县域尺度下较大,且均达极显著水平,As在两种尺度下均具有很好的空间自相关性。从空间自相关性的强弱来看,各测定项目在县域尺度下块金系数相对较小,一般具有更好的空间自相关性。县域尺度下以明显自相关性和中等自相关性的项目较多,而田块尺度下主要是中等自相关性的项目占大多数。地统计学制图误差与样点位置、插值方向、数据本身的特征、块金系数、取样密度、样点数量、和数据本身的可靠程度等有关,离样点愈近处的误差愈小。 (4)对于有效态含量而言,除Fe含量最高外,微量元素以Mn含量较高,Cd、Co、Zn含量较低。对于元素的活化率而言,Cd高达52.98%,Cu达到31.02%,以Fe、Co、Ni、Zn较低,均在4%以下。综合考虑全量、有效态含量、活化率及活化率在相应范围的百分数,可以认为在研究区内测定的几种重金属元素中Hg、Cd、Cu、Pb环境风险相对较大,并以Hg和Cd污染最为严重,成为主要污染物。 土壤有效态微量元素含量的影响因素研究表明,全Cd和全Cu分别是影响有效态Cd和有效态Cu含量的主要因素,二者呈极显著正相关;pH是影响有效态Co、Fe和Mn含量的主要因素,呈极显著负相关;<0.01mm粘粒含量也是影响有效态Cu含量的重要因素;有机质含量、<0.01mm粘粒含量和CEC也是影响有效态Fe含量的重要因素;全Mn和CEC也是影响有效态Mn含量的重要因素;pH是影响有效态Ni含量的主要因素,与pH呈负相关,<0.01mm粘粒含量和全Ni含量影响次之;有效态Pb、有效态Zn与各因子均达不到显著水平,全Zn是影响有效态Zn含量的相对重要的因素。 土壤Cd、Co、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb、Zn的活化率分别与相应有效态含量呈极显著正相关。土壤Cd的活化率与全Cd含量达不到显著水平;土壤Co、Mn的活化率与全Co和全Mn含量呈显著负相关;土壤Fe的活化率与全Fe含量呈负相关,未达显著水平;土壤Ni、Pb的活化率与全Ni、全Pb含量呈负相关,达极显著水平;土壤Zn的活化率与全Zn含量相关性极弱。 研究土壤中各微量元素活化率的影响因素发现:有机质含量是影响Cd活化率的相对重要因素;pH是影响Co、Fe、Mn和Ni活化率的主要因素;<0.01mm粘粒含量是影响Cu活化率的主要因素;pH和CEC都是影响Fe活化率的重要因素;此4因子均不是影响Pb活化率的主要因素;pH值是影响Zn活化率的相对重要因素。 可见,对Cd、Cu等重金属元素,其有效态主要受全量的影响,所以对这类元素的全量控制尤为重要,而对Ni等元素,其有效态和活化率主要受pH等土壤基本性质的影响,对这类元素来说,对土壤基本性质的调控就显得更为重要。 土壤各元素有效态含量和活化率均随着剖面深度的增加而下降,以20cm以下下降更为明显,表明重金属元素现实的环境风险也主要集中在表层20cm范围内。 (5)土壤重金属Cu、Ni、Pb、Zn各形态含量相对大小顺序为残渣态>有机质结合态>铁锰氧化物结合态>碳酸盐结合态、可交换态,各重金属元素碳酸盐结合态含量与可交换态含量相对较小,残渣态所占比重最大,Ni和Zn残渣态所占比例分别高达88.16%和82.20%,Cu和Pb残渣态也分别达到47.83%和49.79%,Cu和Pb有机质结合态所占比例相对较高,分别达36.09%和28.30%。 Cu、Zn、Pb和Ni除可交换态含量有效性最高外,铁锰氧化物结合态Cu、Pb具有较高的有效性,碳酸盐结合态Zn具有较高的有效性。而Ni的其余4种形态有效性均较低。 重金属各形态含量影响因素的研究表明:(1)对于可交换态:pH是影响可交换态Cu、Ni、Pb、Zn含量的最主要因素,与pH呈负相关。全Cu、全Zn也分别是影响可交换态Cu含量和可交换态Zn含量的重要因素,均与全量呈正相关;<0.01mm粘粒含量也是影响可交换态Ni含量的重要因素。(2)对于碳酸盐结合态:Cu、Ni、Pb、Zn的全量分别对相应碳酸盐结合态含量的影响最大,并成为最主要因素。有机质含量也是碳酸盐结合态Ni含量的重要影响因素。(3)对于铁锰氧化物结合态:全Cu、全Ni和全Zn含量分别对相应铁锰氧化物结合态含量的影响最大,并成为最主要因素,均为正效应。CEC也是影响铁锰氧化物结合态Cu含量的重要因素;pH和有机质含量也都是影响铁锰氧化物结合态Ni含量的重要因素,pH成为影响铁锰氧化物结合态Pb含量的最主要因素,全Pb含量和有机质含量影响次之。(4)对于有机质结合态:全Cu和全Zn分别对相应有机质结合态含量的影响最大,为正效应,并成为最主要因素,且有机质含量也是影响有机质结合态Cu、Zn含量的重要因素,为正效应。以有机质、pH值对有机质结合态Ni、Pb含量的影响最大,有机质含量为正效应,并成为最主要因素。<0.01mm粘粒含量也是影响有机质结合态Ni含量的重要因素。(5)对于残渣态:全Cu、全Ni、全Pb和全Zn分别对相应残渣态含量影响最大,均为正效应,并成为最主要影响因素。<0.01mm粘粒含量也是影响残渣态Cu含量的重要因素,为正效应;pH值也是影响残渣态Ni含量的重要因素。 从降低土壤重金属可交换态含量的角度来看,对Ni和Pb而言,调控土壤pH至关重要,对Cu和Zn而言,调控土壤pH和全量控制都很重要。 土壤重金属Cu、Ni、Pb、Zn可交换态含量、铁锰氧化物结合态含量、有机质结合态含量随剖面深度的增加而下降。
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