（土壤学专业论文）重庆市耕地土壤重金属的空间变异性研究—地统计学方法.pdf

两南农业大学顺士学位论义 中文摘要 捅妥 当前我国区域农业环境恶化与农产品藿金属污染十分严煎，特别是在经济发达地区，重 金属污染是农业环境研究和保护的重点和难点。据农业部环境监测系统近年来的调查表明， 我国2 4 个省市城郊、污灌区、工矿等经济发展较快地区的3 2 0 个重点污染区中，大田农作物 污染超标的农产品种植面积为6 0 6 万h m 2 ，占监测调查总面积的2 0 ；其中莺金属含量超标 的农产品产量与面积约占污染物超标农产品总量与总面积的8 0 以上，尤其是p b 、c d 、h g 、 c u 及其复合污染最为突出。重庆是中国西南_ t 业重镇，全国老工业基地之一，由于工业的长 期发展，有限的土地资源正在不断地受到侵袭和污染，在各种污染物中，重金属污染具有不 可逆性、长期性、后果严重性和不易消除性等特点。因此引起社会的特别关注。 地统计学( g e o s t a t i s t i c s ) 于5 0 年代首先应用在南非采矿业的矿藏勘察计算中，6 0 年代法 国著名统计学家m a t h e r o ng 在作了大量理论工作基础上提出了区域化变量理论( t h et h e o r yo f r e g i o n a l i z e dv a r i a b l e ) ，形成了地统计学的基本框架。经过3 0 年的发展，地统诗学已经在霰要 评估空问和时间变异的许多领域得到广泛应用。地统计学是研究空间变异性比较稳健的工具， 可最大限度的保留空间变异信息该方法是以区域化变量为核心和理论基础，以空间相关和 变异函数为基本工具的一种数学地质方法。地统计学在矿产地质中的应用目前已经达到了成 熟阶段，在水文学、土壤学等领域中也得n t 广泛的应用。土壤中的重金属污染是土壤科学 家必须解决的一个重要课题。克立格插值为土壤特性的空间预测提供了一种无偏最优估值方 法，因此，越来越多的研究者开始利用地统计学来评估土壤中的重金属污染。 本研究通过对重庆市全境范围3 9 个区县耕地土壤进行取样调查，获取土壤样品4 5 5 份， 分析测得汞、镉、铬、铅、砷、铜、锌、镍八种重金属元素，在地理信息系统支持下应用 地统计学理论，对重庆市耕地土壤重金属含量的空间变异性及其空间分布进行了研究。结果 表明： ( 1 ) 重庆市耕地土壤汞、镉、铅、铜、砷、铬、镍、锌八种重金属含量分布除铬呈正态 分布外，其余七种均表现为对数正态分布，因此土壤铬含量水平的统计应采用算术平均值与 标准差作为代表值，而其它七种元素应采用几何平均及标准差为代表值。各种重金属的含量 范围和平均值分别为：h g o 0 1 7 - - - 0 5 4 6 ( 0 0 7 6 ) 、a so 2 3 2 2 7 2 5 1 3 ( 8 0 9 4 ) , c d o 0 4 0 1 9 1 0 5 ( o 3 6 4 ) 、c r1 5 9 2 0 1 6 1 9 8 8 ( 5 3 8 0 2 ) 、c u0 8 5 0 3 4 5 2 5 0 ( 1 9 6 4 8 ) 、z n2 9 0 7 5 7 5 1 6 2 5 ( 9 5 1 3 1 ) 、n i2 8 4 0 1 8 3 1 0 0 ( 2 9 0 6 1 ) 、p b 7 4 2 5 3 0 9 1 7 5 ( 5 2 ，0 8 9 ) m g k g 土。八种重金属 中，除铬、铜、镍外，汞、镉、砷、铅、锌五种重金属存在明显的累积现象。与世界正常土 壤相比，重庆土壤汞、镉、砷、铅、锌含量高于其平均值，铬、镍含量低于其平均值t 铜禽 鼍接近。 ( 2 ) 重庆耕地土壤重金属c d a s c i 卜a s ，z n a s ，c 如z u - c 如_ z n ，c 卜_ z n t z n p b 2 问有报高的福天性，表明它们之间同源性很高。p b 与a s 、c d 、c u ，c r 与n i 也有一定的同 西南农业人节砸! ：l 学位论文 中立摘要 源性。h g 与其他各元素相芙性最低，表明它的积累独特。士壤c r 外源积累少，与其他元素相 关性也很低。数据表明，c d 、a s 、c u 是伴随污染最多的三种元素。 ( 3 ) 重庆市耕地土壤重金属空间变异规律为：块金值与基台值的比值f c 以c + c 。) 】块金值 与基台值的比值【c 以c + c o ) 】铜 铅 镍 砷，铬 汞 镉 锌。铜、铅元素的块金值与基台值的比 值分别达到了8 6 5 9 和7 6 8 4 ，属于空间弱相关，其余六种重金属块金值与基台值的比值 均在2 5 7 5 ，属于中等程度的空间相关。空间相关是由结构性因素和随机性因素共同作 用的结果。结构性因素，如母质、土壤类型、气候等成土因素：随机性因素，如耕作、管理 措施、种植制度、污染等人为活动。铬属于中等程度的空间相关，但它的基台值达到了1 7 0 6 6 2 ， 结构因素导致的半方差变异比例大于随机因素产生的半方差变异，说明土壤中铬含量受成土 因素影响较大。对变程大小的比较表明，各元素空间自相关范围( 空间尺度) 汞、镉、铜相 同外，其余均不同，汞= 镉= 铜 砷 锌 铅 镍 铬。 ( 4 ) 在用a r c l n f o 中的地统计分析模块进行分析后，可以得到各种模型的空间插值误差。 结果显示：锌、镉、镍、铜、砷所得到的空闻插值误差较大，汞、铬、铅所得到的空间插值 误差相对较小。 ( 5 ) 根据k r i g i n g 插值原理及半方羞函数拟合参数，应用a r e m a p 软件中的g e o s t a t i s t i c a l a n a l y s t 模块进行空间变异插值，绘制出重庆市耕地土壤八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。 关键词：重金属耕地土壤地统计学空间变异地理信息系统 n a b s t r a c t a tp r e s e n tt h er e g i o n a la 鲥c u l t u r a le n v i r o n m e n t a ld e t e r i o r a t i o ni no u rc o u n t r ya n dt h eh e a v y m e t a lp o l l u t i o no fa g r i c u l t u r a lp r o d u c t sa r er a t h e rs e r i o u s ，e s p e c i a l l yi n e c o n o m i c a l l ya d v a n c e d r e g i o n s t h e r e f o r eh e a v ym e t a lp o l l u t i o ni st h ek e yp o i n ta n dd i f f i c u l t yi na g r i c u l t u r a le n v i r o n m e n t a l r e s e a r c ha n dp r o t e c t i o n a c c o r d i n gt oa g r i c u l t u r a ld e p a r t m e n te n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gs y s t e m s r e s e a r c hi nr e c e n ty e a r s ，i nt h e3 2 0s e r i o u s l yp o l l u t e da r e a si n r e g i o n s w i t hf a s t e re c o n o m i c d e v e l o p m e n t , i n c l u d i n gt h es u b u r b so f2 4p r o v i n c e sa n dc i t i e si no u rc o u n t r y , r e g i o n so fp o l l u t e d w a t e rb o d i e s ，f a c t o r i e sa n dm i n i n gm o u n t a i n s ，e t c ，t h ef a r m p r o d u c ep l a n t i n g a r e a sw i t h c r o p p o l l u t i o nb e y o n dt h es t a n d a r dv a l u eo c c u p y6 0 6 0 0 0h m 2 ，w h i c ha c c o u n tf o r2 0 o ft h et o t a la r e a s o f t b em o n i t o r i n gr e s e a r c h i nt h e s ep o l l u t e da r e a s ，t h ey i e l da n da r e ao f f a r mp r o d u c t si nw h i c ht h e c o n t e n to fh e a v ym e t a l se x c e e d ss t a n d a r da c c o u n tf o ra b o u to v e r8 0 o ft h eg r o s sy i e l da n dt o t a l a r e ao ff a r mp r o d u c t st h a th a v ee x c e s s i v ec o n t a m i n a n t s ，e s p e c i a l l yp b ，c d ，h g ，c up o l l u t i o na n d t h e i rc o m p o s i t ep o l l u t i o n ，w h i c ha r et h em o s tp r o m i n e n t c h o n g q i n gi st h ek e yc i t yi ns o u t h w e s t c h i n aa n do n eo ft h eo l di n d u s t r i a lb a s es t a t i o n s ，w h e r ef i n i t es o i lr e s o u r c ei sc o n t i n u o u s l ya f f e c t e d a n d p o l l u t e dd u e t ot h el o n g - t i m ei n d u s t r i a ld e v e l o p m e n t a m o n ga l lt h ec o n t a m i n a n t s ，t h ep o l l u t i o n o fh e a v ym e t a l si sc h a r a c t e r i z e db yi r r e v e r s i b i l i t y , l a s t i n g n e s sa n ds e v e r i t y , a n dn o te a s yt ob e e l i m i n a t e d ，w h i c ha r o u s e ss p e c i a la t t e n t i o no f t h es o c i e t y g o o s t a t i s t i c sw a sf i r s ta p p l l e di nt h er e c o n n a i s s a n c ea n dc a l c u l a t i o no fm i n e r a ld e p o s i to ft h e m i n i n gi n d u s t r y i ns o u t ha f r i c ai nt h e5 0 s o nt h eg r o u n do fn u m e r o u sf u n d a m e n t a l t h e o r y r e s e a r c h e s ，i nt h e6 0 s ，t h ef a m o u sf r e n c hs t a t i s t i c i a nm a t h e r o ngp u tf o r w a r dt h et h e o r yo f r e g i o n a l i z e dv a r i a b l e ，w h i c hf o r m e dt h eb a s i cf r e m eo fg e e - s t a t i s t i c s t h r o u 曲t h ed e v e l o p m e n t o v e r3 0y e a r s ，g e e - s t a t i s t i c sh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nm a n yf i e l d st h a tr e q u i r et h ee v a l u a t i o no f s p a c ea n dt i m ev a r i a t i o n g e e - s t a t i s t i c s ，w h i c hc a nr e t a i ni n f o r m a t i o no fs p a c ev a r i a t i o n t ot h e m a x i m u m 。i sar o b u s tt o o lt or e s e a r c hs p a c ev a r i a t i o n w i t hr e g i o n a l i z e dv a r i a b l ea si t sk e r n e la n d t h e o r yb a s e ，t h em e t h o di sak i n do f m a t h e m a t i c a lg e o l o g i c a lm e t h o du s i n gs p a t i a lc o r r e l a t i o na n d v a r i a t i o nf u n c t i o n sa si t sb a s i ct o o l s n o wt h ea p p l i c a t i o no fg e e - s t a t i s t i c si ng e o l o g yf o rm i n e r a l r e s o u l eh a sb e e nm a t u r e ，a n di ta l s oh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n yo t h e rf i e l d ss u c ha sh y d r o l o g y , a g r o l o g y , e t c t h ep o l l u t i o no fh e a v ym e t a l si nt h es o i li sa l lu r g e n ti s s u et h a tp e d o l o g i s t sm u s tc o p e w i t h k r i g i n gi n t e r p o l a t i o n o f f e r sam e t h o dw h i c hp r o v i d e san o n - d e v i a t i o nb e s te s t i m a t o rf o r p r e d i c t i n gt h es o i ls p e c i a l t y t h e r e f o r e ，m o r ea n dm o r er e s e a r c h e r sb e g i nt o u s eg e o 。s t a t i s t i c st o k r i g i n gi n t e r p o l a t ea n d c h a l ko u tt h es o i lp o l l u t e db yh e a v ym e t a l s t h i sp a p e rs t u d i e st h es p e c i m e n so f s o i lf r o ma r a b l ea 口e a si n3 9c o u n t i e sa n dt o w n st h r o u g h o u t t h e c i t yo fc h o n g q i n g4 5 5p o r t i o n so f s o i ls p e c i m e n sa r ea c h i e v e dt oa n a l y z ea n dg a i nt h er e s u l to f t h e i l i 蹲南农业大学硕士学位论文 a b s 7 f r a c t e i g h th e a v y m e t a l ss u c ha s h g ，a s ，c lc d ，c u ，z n ，n ；，p b w i t ht h e h e l p o fo l s ，a p p l y i n g g e o s t a t i s t i ct h e o r y , t h er e s e a r c hs t u d i e st h es p a c ev a r i a t i o no ft h ee i g h th e a v ym e t a l si nt h es o i lo n f a r m l a n d s ，a n dp r e d i c t st h ec o n t e n to ft h e i rd i s t r i b u t i o n si na r a b l ea r e a si nc h o n g q i n g t h em a i n r e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a sf o rt h ec o n t e n td i s t r i b u t i o no f t h ee i g h th e a v ym e t a l si nc h o n g q i n g sa r a b l el a n d s w i t h t h e e x c e p t i o n o fc rt a k i n go nn o r m a ld i s t r i b u t i o n ，t h eo t h e rs e v e ns h o w l o g a r i t h m n o r m a l d i s t r i b u t i o n ，s ot h es t a t i s t i c so f t h ec o n t e n to f c ri nt h es o i ls h o u l dn s ea r i t h m e t i cm e a nv a l u ea n d s t a n d a r dd e v i a t i o na st h et y p i c a lv a l u e ，w h i l et h eo t h e rs e v e ne l e m e n t su s eg e o m e t r i cm e a na n d s t a n d a r dd e v i a t i o na st h et y p i c a lv a l u e t h er a n g ea n da v e r a g eo ft h ec o n t e n to fc e r t a i nk i n d so f h e a v ym e t a l sa r e a sf o l l o w s ：h g0 0 1 7 0 5 4 6 ( 0 0 7 6 ) ，a so 2 3 2 2 7 2 5 1 3 ( 8 0 9 4 ) ，c d0 0 4 0 1 9 ，1 0 5 ( o 3 6 4 ) ，c r1 5 9 2 0 1 6 1 9 8 8 ( 5 3 8 0 2 ) ，c uo 8 5 0 3 4 5 2 5 0 ( 1 9 6 4 8 ) ，z n 2 9 0 7 5 7 5 1 6 2 5 ( 9 5 1 3 1 ) ，n i2 8 4 01 8 3 1 0 0 ( 2 9 0 6 1 ) ，p b7 4 2 5 3 0 9 1 7 5 ( 5 2 0 8 9 ) m g k gs o i l o t h e rt h a n c r , c u ，n i f i v eh e a v ym e t a l s ，h g , c d ，a s ，p b ，z n ，e x i s tw i t hap h e n o m e n o no fo b v i o u s a c c u m u l a t i o n c o m p a r e dw i t ht h en o r m a l s o i lw o r l d w i d e ，i nc h o n g q i n g ss o i lt h ec o n t e n to f r i g , c d ， a s ，p b ，z ni sa b o v ea v e r a g e c r , n ib e l o wa v e r a g ea n dc ua p p r o a c h i n g 。 ( 2 ) i nc h o n g q i n g sa r a b l el a n d st h eh e a v ym e t a l sa r ch i g h l yc o r r e l a t e ds u c ha sc d - 一a s c l 卜一a s ，z n a s ，c d c l l c “n ，c i 卜_ z n ，z n _ b ，w h i c hi n d i c a t e st h a t t h e r ei sah i g h e r h o m o l o g yb e t w e e nt h e m p ba n da s c d ，c u c ra n d n ia l s oh a v es o m ec o n s a n g u i n i t y h gh a st h e l o w e s tr e l a t i v i t yw i t ho t h e re l e m e n t s ，w h i c hi n d i c a t e st h a ti ti su n i q u ei na c c u m u l a t i o n i nt h es o i lc r a c c u m u l a t e si n s u f f i c i e n t l yf r o mo u t e rf o u n t a i n ，w h i c hh a sal o w e rr e l a f i v i t yw i t ho t h e re l e m e n t sa s w e l l d a t as h o w st h a tc d ，a s , c aa r et h et h r e ee l e m e n t st h a ta c c o m p a n y p o l l u t i o nm o s tf r e q u e n t l y ( 3 ) t h e s p a t i a lv a r i a t i o nr e g u l a t i o no f t h eh e a v ym e t a l si na r a b l es o i li nt h ec i t yo fc h o n g q i n g i sa sf o l l o w s ： 1 1 1 er a t i oo fn u g g e tv a l u et os i l lv a l u ei s 【c o ( c + c o ) 】c u p b n i a s c r h g c d z n a st h e r a t i oo f n u g g e tv a l u et os i l lv a l u er e a c h e s8 6 5 9 a n d7 6 8 4 r e s p e c t i v e l y c ua n dp bb e l o n gt ol o w c o r r e l a t i o ni ns p a c e a sf b rt h eo t h e rs i xe l e m e n t s w i t ht h er a t i oo f n u g g e tv a l u et os i l lv a l u er a n g i n g f r o m2 5 t o7 5 t h e yb e l o n gt om e d i a nc o r r e l a t i o ni ns p a c e t h es p a c ec o r r e l a t i v i t yi st h er e s u l to f t h es t r u c t u r a lf a c t o ra n dr a n d o mf a c t o rc o m m o ne f f e c t t h es t r u c t u r a lf a c t o rr e f e r st ot h em o t h e rs o i l ， t h et y p eo fs o i l ，t h ew e a t h e r , e t c ，a n dt h er a n d o mf a c t o rt op l o w i n g ，a r r a n g e m e n t ，c u l t i v a t i o ns y s t e m ， p o l l u t i o na n do t h e rm a n m a d e a c t i v i t i e s c rb e l o n g st ot h em e d i a ns p a c ec o r r c l a t i v i t y ，h o w e v e ri t s s i l lv a l u er e a c h e s1 7 06 6 2 ，a n dt h er a t i oo fs e m i v a r i a n c ev a r i a t i o nr e s u l t i n gf r o mt h es t r u c t u r a l f a c t o r so u t w e i g h st h eo n er e s u l t i n gf r o mt h er a n d o mf a c t o r s ，w h i c hp r o v e t h a tt h ec o n t e n to f c ri n t h es o i li s r e l a t i v e l ya f f e c t e db yt h ef a c t o ro ff o r m i n gt h es o i l t h e i rr a n g es h o w st h a t d i f f e r e n t e l e m e n t sd i f f e ri nt h e i ro w ns p a c ea n dr e l a t i v er a n g e ( s p a c e ) ，e x c e p tf o rh g ，c da n dc ub e i n gt h e i v 西南农业大学硕 ：学位论立： a b s f r a c t s a m e h g = c d = c u a s z n p b n i c r ( 4 ) a f t e ra n a l y s i su s i n gt h eg e o - s t a f i s t i ca n a l y s i sm o d u l ei na r c l n f o ，w eg o tt h ep r e d i c t i o n e r r o r so f r e s p e c t i v em o d u l e s t h e r e s u l ts h o w s ：t h ep r e d i c t i o ne l t o f so f z n ，c d ，n i ，c u ，a sa r em u c h b i g g e rw h i l et h eo n e so fh g ，c r , p bm u c h s m a l l e r ( 5 ) b a s e do nk r i g i n g si n t e r p o l a t i o nt h e o r ya n ds e m i v a r i a n c ef u n c t i o nf i t p a r a m e t e r s ，o u r r e s e a r c ha p p l i e st h eg e o s t a t i s t i c a la n a l y s tm o d u l ei nt h es o f t w a r ea r c m a pt op r e d i c tt h es p a t i a l v a r i a b i l i t y , a n dp r o t r a c t st h ed i s t r i b u t i o nm a p o ft h ec o n t e n to f e i g h th e a v ym e t a l si nt h ea r a b l es o i i nc h o n g q i n g ，w h i c hs h o w sc l e a r l yt h er a n g eo ft h ec o n t e n to fv a r i o u sh e a v ym e t a l si nd i f f e r e n t r e g i o n sa n dc a l lb er e g a r d e d t h ef u n d a m e n t a lr e f e r e n c e st op o l l u t i o nm o n i t o r i n ga n ds u p e r v i s i o n a n dt h el a y o u to f t h es e c u r eb a s eo f f a r m p r o d u c t s k e yw o r d s ：h e a v ym e t a l ；a m b l es o i l ；g e o s t a t i s t i c s ；s p a t i a lv a r i a b i l i t y ； g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m v 本论文为 重庆市科学技术委员会攻关课题 y 7 3 3 2 5 0 “重庆市农地污染与农作物健康品质关联规律与综合控制技术研 究”( 2 0 0 1 6 6 5 5 ) 的部分内容 西南农业人学酗! 士学位论文 第1 章文献综述 第1 章文献综述 由予自然景观、成土过程和气候带的空问连续性，使得壤特性在空闾上并非象f i s h e r 原理所假设的那样彼此独立且均匀，而是在某一特定空间区域内彼此相关，运用统计分析技 术对不同空间尺度的士壤特性进行分析，了解土壤特性的空间变异性，对于探索和理解士壤 中的物理及生物学过程具有重要的意义。土壤特性存在空间变异性已为人们所熟知，在进行 土壤环境质量评价或专题制图时，经常要研究土壤中重金属的空间结构特征，以进彳亏：由点到 面的拓展，进而对来采样点进行最优估值。研究土壤中重金属含量的起伏变化特征、趋势走 向及不同方向的差异性等空间结构特征是士壤质量时空变异规律研究的一项重要内容。 1 1 重金属与土壤生态环境 重金属是指比重大子或等于5 ，0 9 c m 3 的金属元素。在农业生态环境中，按生物化学特征 可分为两类。一类是常量下对作物、人体有益，而过量时产生危害，如锌、铜等元素。另一 类是对作物、人体只害无益( 尚未发现益处) 的元素，如汞、镉等。根据中华人民共和国 土壤环境质量标准g b l 5 6 1 8 1 9 9 5 ，八种重金属为农业生态环境中应重点监控的有害元素，分 别为汞、砷、镉、铬、铜、铅、锌、镍。 1 1 1 汞与土壤生态环境 汞位于元素周期表第六周期第l ib 族，顾子量为2 0 0 6 ，外层电子构型为5 d 1 0 6 s 2 ，故特征 氧化数为+ 2 。此外，还有氧化态为+ 1 ( h 臣”) 的化合物这是它与其它同族元素的不同之处。 h 9 2 + 的离子半径与c u ”、a f 、a u ”、z n ”、c 矛+ 、b i ”、b a ”、p b 2 + 和s r 2 + 等元素都比较接近， 所以使得汞有可能进入到这些元素所组成的矿物中。 由于土壤中汞主要来源于其成土母质，因此土壤中汞含量可反映出土壤母质的状况。世 界未污染壤环境中汞鼹含量为0 0 3 ( o ，0 1 一o 3 ) m 矾g ，基本上反映了火成岩和沉积岩中汞 的丰度。不过，由于火成岩中汞含量较沉积岩中汞含量低，由火成岩发育的土壤中汞的含量 也相对较低，而由沉积岩发育的土壤中汞的含量则相对较高。尤其是粘士页岩和富有机质页 岩起源的土壤，其汞的自然含量更高。 我国由于地域辽阔，土壤类型众多，土壤中汞的自然含量分异很大，但从总体上说，北 7 y 土壤含汞量低，变幅较小；南方土壤古汞量高，变幅较大。中国土壤中汞的背景含量平均 值为0 0 4 m g k g ，范围值为0 0 6 0 2 7 2 m g k g 汞是危险的环境污染元素。土壤环境中，汞的存在也就意味着可能产生不剥于生物生欧、 发育、繁殖和进化的效应，促使生态系统产生结构和功能上的变化，对植物、动物、微生物 和人体有很重要的毒害作用。土壤中汞的存在形态各种各样，主要分为三类；金属汞、无机 化台态汞和有机化合态汞，其中，以有机汞( 尤其是甲基汞) 对农业生态环境影响最为严重。 两南农业大学硕l 学位论文 笫】章卫献练述 1 1 2 砷与土壤生态环境 碎位r 元素周期表v a 族，原子量为7 49 2 。砷是变价元素，自然界中可以。价( 如a s ) 、 3 价( 如a s h 3 ) 、+ 3 价( 如a s 2 0 ) ) 和+ 5 价( 如n a 3 a s 0 4 ) 存在。但在一般士壤环境中砷往 往以+ 3 和+ 5 两种价态存在。 地壳岩石圈上部全砷的平均含量为5 m g k g 【“】也有报道1 或2 m g k g l 4 “。数据差别的原 因主要与取样的代表性和广泛性有关。火成岩平均舍砷量变化幅度不大，1 3m g r k g ，而沉积 岩的含砷量变化较大，1 o 1 6 6m g k g ，平均为1 0 0m g k g p j 。电有报道世界土壤平均含砷量 为5 6m g k g nb e r r o w 等测定了2 6 9 1 个未污染土壤的含砷量，平均为1 0m g k g i “。从总趋 势看，石炭岩、浅海沉积物、冲击物发育的质地较细、有机质较多的土壤含砷量较高，而发 育于花岗岩、凝灰岩等火成岩母质之上的沙性土壤含砷量较低。 尽管撮近已证明砷是动物新陈代谢所必需的，但还没有证据表明砷是植物的营养元素。然而， 低浓度的砷对植物有刺激作用m 。当摄入过量砷时，植物就会受害。砷可以取代d n a 中磷酸基 团中的磷，妨碍水分特别是养分的吸收i 。f e r g u s o n i ”1 等研究结果表明，砷能抑制水分由根部向 地上部输送，从而造成叶片凋蒌以至枯死，在砷污染土壤上，作物的水分输送受到阻碍。 1 1 3 镉与土壤生态环境 镉是元素周期表i i b 族中一个危险的环境污染元素，原子量为1 1 2 4 l ，核电荷和电子数为 4 8 ，电子层结构为 k r 】4 d 1 0 5 s 2 ，电负性为1 ，4 6 。可见，镉只有两种价态即0 价和+ 2 价，而0 价c d 不可能在土壤中稳定存在”2 1 ，故土壤中镉的化学形态仅涉及两价镉及其化台物。 岩石圈中镉的含量平均在o 1 0 ，2 m g k g 之间。常见岩石中镉的丰度变幅为o 0 0 1 1 1 m g k g l l ”。天然土壤中镉含量变化也很大。l i n d s a y 1 2 垮i 用的数据为0 0 1 0 0 7 0 m g k g ，平均 为0 0 6m g k g 。日本全国调查表明未污染的水稻田( 2 7 4 6 样品) 、农地( 7 2 2 样品) 和果 园土壤( 2 6 8 样品) 的平均含诵量分别为0 4 、0 3 和o 2 m g k g ，最高值分剐为7 ，t 、l ，0 和1 ，2 m g k g 。 挪威、加拿大报道的数据也在此范围，因此。典型土壤含镉为o 0 5 1 0 m g k g 。美国3 6 个 州的3 3 5 5 个士样调套结果为，土壤含镉o 0 0 5 2 4m g l ( g 平均值为0 2 7m g k g ，中值为0 2 0 m g k g 。 土壤环境中，一般植物中的镉浓度为0 2 0 8 m 眺g 。蕨类是吸收士壤中镉最强的植物之 一，其叶部镉最高可达1 2 0 0m g k g 。s c h u l z e 等在水溶液中添加镉1 0 0m g k g 时发现燕麦根 部细胞中的a t p 酶活性下降，妨碍钾向根内输导。因而认为，镉的第一个作用点便是降低钾 的吸收。 作物对镉的吸收和积累的一个显著特点是有时生长并来受到影响，但农产品却已大大超 过卫生标准的几倍甚至是几十倍以上。这除了作物本身的特性外，还取决于七壤中镉的有效 性( 郊植物毒性) 。十_ 壤中镉的有效性由七壤中镉的沉淀溶解平衡、络合解离平衡和吸附解吸 平衡等过程所控制。 2 西南农业大学硕士学位论文第1 章文献综述 1 1 4 铬与土壤生态环境 铬属d 区元素，外层电子构型为3 d 5 4 s 1 ，最外层的1 个s 电子极易失去。和所有d 区元素 一样，它的d 电子可以部分地参加成键，从而显示出多种氧化态的特性，所以，铬在环境中 通常有四种氧化态：0 、+ 2 、+ 3 和+ 6 ，最主要是以+ 3 和+ 6 两种价态存在。两者的毒性和化学 行为相关甚大，c “+ 6 ) 以阴离子的形态存在，一般不易被土壤所吸附，具有较高的活性，对植 物易产生毒害，c + 6 ) 被认为具有致癌作用；而c + 3 ) 极易被土壤胶体吸附和形成沉淀，其活 动性差，产生的危害相对较轻，对动植物和微生物的毒性一般c “+ 6 ) 比c r ( + 3 ) 大得多。但单从 价态来区分并不能反映土壤环境中铬的真实存在形态。土壤是一个多组分多相的复杂体系， 存在着各种结合态的铬，它们对环境的毒性和植物的有效性也是不一样的，所以，必须选用 合适的提取剂把不同结台态逐级提取区分开来进行研究。 铬在地壳中浓度范围为8 0 2 0 0 m g 瓜g ，平均为1 2 5 m g k g t 6 l 土壤中的铬含量主要来源于成 土母岩，并因成土母质不同，含量差异很大。发育于蛇纹岩的土壤含铬量非常商。如波多黎 各m a y a g u e z 地区的土壤，含铬量高达3 3 8 0 0m g a g ，我国广州地区的山地黄壤含铬量仅为1 9 m g k g i 叽 据日本资源显示，在水稻水培试验中加入c ，从5 m g k g 便开始发生毒害，1 0 m g m g 以上时 可见明显危害，浓度进步增高致使秧苗枯死，而o p 增高至5 0m r k , g 时作物才发生枯死。 i 1 5 铜与土壤生态环境 铜是生物的微量营养元素，又是环境污染元素，位于元素周期表ib 族，原子量为6 3 5 5 ， 核电荷数和电子数为2 9 ，外层电子层结构3 d ”4 s 1 电负性为1 7 5 。c u ”在土壤中有下列化学 行为：极化作用强，也极易被极化易于水解，在一定的土壤条件下，能产生硫化物、氧化 物、碳酸盐沉淀；与土壤中的有机质形成稳定的络合物；化学性质较稳定，不易发生价态变 化；被士壤中氧化铁、铝、锰等吸附后难以迁移。 岩石圈平均古铜量为7 0 m g k g ，土壤含铜量为2 1 0 0m g ，l c g ，平均为2 0 3 0 m g k g 。 虽然动植物生长需要一定量的铜，但是过量的铜会产生严重的危害。植物铜毒会使光合作用 减弱，叶色退绿，引起缺铁。从而抑制生长，导致减产。铜临缺界限随作物不同而异，但对多数 作物有效铜 o 5 3m 创喀，全铜 5 0 m g k g ) 时，就往往发生锌中毒。锌对植物的毒害，首先表现在抑制光合作 用，减少c 0 2 固定；其次影响韧皮部的输送作用，改变细胞膜渗透性，从而导致生长减缓、 受阻和失绿症j 。 1 1 8 镍与壤生态环境 镍属元素周期表第族，其外层电子构型为3 d 8 4 s 2 ，故自然界中多形成+ 2 价。地壳中的 镍的丰度为7 5 m g k 9 1 2 ”，母岩对土壤含镍的影响特别明显，发育于超基性岩母质的土壤含镍量 最高。 土壤中可以以多种化学形态存在，可存在于交换位、吸附位上，可吸附在铁锰氧化物上， 也可包藏于