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西南科技大学 硕士学位论文 绵竹玉泉镇农田土壤镉污染评价及生态效应研究 姓名：王鑫 申请学位级别：硕士 专业：矿产普查与勘探 指导教师：梁斌 2012-05-12 西南科技大学硕士研究生论文第1 页 摘要 镉污染通过食物链引起人体健康危害的问题发生后，就以极大的生理 毒害性而被关注，随着经济的高速发展，镉污染问题日益严重，因此对土 壤镉污染及生态效应的研究具有十分重要的意义。 本文对绵竹玉泉镇农业生态系统重金属镉元素异常进行了调查研究， 查明了该地土壤镉元素地球化学特征及空间变异，应用单指标、地质累积 指数法等方法对土壤环境质量进行了评价。对土壤一植物( 水稻) 生态系 统中镉的迁移、富集进行了研究，评价了研究区水稻的安全性。探讨了污 染来源，计算了农田生态系统土壤镉通量并对未来一百年土壤中镉元素累 积进行了预测，提出了针对该区的镉污染防治措施与种植建议。具体研究 内容和结论如下： 研究区镉污染问题严重，绝大部分土壤达到三类土标准，对植物( 水 稻) 生态系统产生了显著的生态效应，造成水稻籽粒中镉元素超标明显， 使得该地存在中度的潜在生态风险，对居民健康造成较大的威胁。污染来 源包括成土母质的自然因素，以及大气降尘、灌溉水、化肥的外来因素输 入，其中成土母质是该区土壤镉含量较高的主要原因，大气沉降在外来输 入中占主导地位。相比之下，由植物籽粒带出土壤的镉输出量较小，按现 在积累条件，预计五十年时间研究区土壤镉元素含量即可翻一番。研究表 明，p h 值是影响土壤中镉元素含量及形态特征，水稻籽粒生物富集系数 的主要原因，提高土壤p h 值将有效防止土壤镉污染加剧，为防治和控制 污染起到积极作用。 关键词：镉污染土壤环境质量生态效应四川绵竹 西南科技大学硕士研究生论文第1 i 页 a b s tr a c t w h e nt h ep r o b l e m so ft h eh e a v ym e t a lc a d m i u m ( c d ) p o l l u t i o ni s s u e h a p p e n dt h a t c a u s eh u m a nb e i n gh e a l t hh a r mt h r o u g ht h ef o o dc h a i n ，p a i d c l o s ea t t e n t i o nt oi t se n o r m o u sp h y s i o l o g i c a lt o x i c i t y ，c a d m i u mp o l l u t i o na r e g e t t i n gm o r ea n dm o r es e r i o u sw i t ht h eh i g hs p e e dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y ， t h e r e f o r et h er e s e a r c ho fc a d m i u mp o l l u t i o ni n s o i lh a s v e r yi m p o r t a n t s i g n i f i c a n c e t h i sp a p e ri sb a s eo nt h ei n v e s t i g a t i o no ft h eh e a v ym e t a lc a d m i u mo f a g r i c u l t u r a le c o s y s t e ma n o m a l yi ns o i li ny u q u a n z h e nm i a n z h uc i t y ，f i n do u t t h eg e o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n ds p a t i a lv a r i a t i o no ft h ec a d m i u m ，e v a l u a t e t h es o i le n v i r o n m e n t a l q u a l i t y w i t ht h e s i n g l e i n d e x m e t h o d ，g e o l o g i c a l c u m u l a t i v ei n d e xm e t h o da n ds oo n r e s e a r c ht h et r a n s p o r ta n de n r i c h m e n to f c a d m i u mi nt h es o i le c o s y s t e m ( r i c e ) a n de v a l u a t i o nt h es a f e t yo fr i c ei nt h e s t u d ya r e a c a l c u l a t et h ea g r i c u l t u r a le c o s y s t e mc a d m i u mf l u xa n dc a d m i u m a c c u m u l a t i o nq u a n t i t yi ns o i li nt h ef u t u r eah u n d r e dy e a r s ，o f f e rt h ec a d m i u m p o l l u t i o np r e v e n t i o nm e a s u r e s a n dp l a n t i n gs u g g e s t i o n s p e c i f i cr e s e a r c h c o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： t h ep r o b l e mo fc a d m i u mp o l l u t i o ni sv e r ys e r i o u si nt h es t u d ya r e a ， m o s to ft h es o i lr e a c ht h e s o i ls t a n d a r d ，i tm a k e sar e m a r k a b l ee c o l o g i c a l e f f e c tt ot h ep l a n t ( r i c e ) e c o s y s t e m ，s ot h ec o n t e n to fc a d m i u me x c e e dt h e s t a n d a r do b v i o u si nr i c eg r a i n ，m o d e r a t ep o t e n t i a le c o l o g i c a lr i s k s ，t h r e a tt o h u m a nh e a l t hi n y u q u a n z h e n p o l l u t i o n s o u r c e si n c l u d ei n t os o i lo r g a n i c n a t u r a lf a c t o r sa n di n p u to fa t m o s p h e r i cd u s t ，i r r i g a t i o nw a t e ra n df e r t i l i z e r w h i c hi st h em a n - m a d ef a c t o r s ，t h eo r g a n i cs o i lf o r m i n gi st h em a i nc a u s eo f c a d m i u mp o l l u t i o n ，t h ea t m o s p h e r ei st h em o s to fa l lt h ei n p u t i nc o n t r a s t ， o u t p u to ft h ec a d m i u mi ss m a l lf r o mt h ep l a n tg r a i ni ns o i l ，u n d e rt h ee x i s t i n g c o n d i t i o n so fa c c u m u l a t i o n ，t h ec o n t e n to fc a d m i u mc a nb ed o u b l ei nf i f t y y e a r si nr e s e a r c ha r e as o i l t h er e s u l ts h o w st h a t ，p hv a l u ei s t h em a i n a f f e c t e do ft h ec o n t e n ta n dt h es h a p ec h a r a c t e r i s t i c so fc a d m i u me l e m e n t si n s o i l ，r i c eg r a i nb i o l o g i c a le n r i c h m e n tc o e f f i c i e n t s ，t oi m p r o v es o i lp hv a l u e w i l le f f e c t i v e l yp r e v e n tt h ec a d m i u m p o l l u t i o ng e t t i n gw o r s ei ns o i l ，p l a ya 西南科技大学硕士研究生论文第1 i i 页 p o s i t i v er o l ef o rp r e v e n t i o na n dc o n t r o lp o l l u t i o n k e y w o r d s ：c a d m i u mp o l l u t i o n ；s o i le n v i r o n m e n t a lq u a l i t y ； e c o l o g i c a le f f e c t ；si c h u a nm i a n z h u 西南科技大学硕士研究生论文第1 页 1 绪论 1 1选题目的与意义 镉对人类产生危害的最大特点是过量镉通过食物链传递而具隐 蔽性和累积性，人体中镉的累积主要来自食物链，而农业生产与土壤 有着十分密切的关系。因此研究土壤中镉元素的地球化学特征，空间 分布特征及镉吸附的影响因素对预测镉的环境效应、土壤环境质量地 球化学评估，具有一定的指导意义，为确定环境容量，污染土壤的合 理利用及修复提供基础依据，为提高土地利用率、产出率和提升土地 价值，改善农业生态环境和人居环境，农业生态评价和污染防治提供 重要参考。 成都经济区多目标生态地球化学调查发现，德阳绵竹市玉泉镇表 层土壤存在大面积的以镉为主的重金属污染，涉及研究区一带主要为 0 3g g g 的i i 类土壤，大米镉超标率达57 14 ，使得当地居民主食 ( 大米、小麦) 镉等重金属的摄入量严重超标，超标2 l0 倍，人发镉 等重金属元素存在明显异常，镉污染问题已十分严重，其污染程度对 农业生产及环境生态安全具有重要的影响。 论文依托四川省“金土地工程”18 个土地整理区农业地质调查 项目的子项目一一德阳市绵竹市玉泉镇圣母泉村等6 个村土地整理 区农业地质调查。通过对研究区土壤镉元素地球化学特征的研究，了 解表层土壤镉元素的背景值，水平、垂向分布特征，分析了镉在土壤 中赋存形态及其相对含量，讨论了污染来源及不同污染来源的输入通 量，对研究区土壤镉污染变化趋势进行预测，并对土壤环境质量、农 作物安全进行了评价，提出了具体的污染防控措施与种植建议。 1 2 镉污染研究进展 镉( c d ) 是1817 年由德国人f s t r o m e y e r 从不纯的氧化锌样品中发 现的，命名为c a d m i u m ，是一种银白色有光泽的金属，元素周期表 第五周期i i b 族，原予量为1 12 4 ，电子层排布：2 8 18 18 2 ，化合 价主要为+ 2 ，镉矿主要以硫镉矿为主要存在形式，与大多数有色金属 西南科技大学硕士研究生论文第2 页 伴生，在有色金属的采集、冶炼过程中会有c d 的排放。地壳中平均 含量为0 1 1p p m ，中国土壤的镉背景值为0 0 9 7 m g k g ，以9 5 置信度 的含量范围为0 017 0 3 3 m g k g t ，l ，正常条件下，镉在土壤中只是一种 痕量元素。 镉被发现之后，在现代工业的许多领域都被广泛应用，同时也引 起了严重的环境问题。但是，关于镉的污染危害问题直到2 0 世纪6 0 年代初在日本富山县神通川流域发生了“痛痛病”事件【：】一一日本 的骨痛病就是因为当地居民长期利用矿山和冶炼厂所排含有大量镉 金属的污水进行灌溉而导致稻米和大豆内的镉元素严重超标引起的， 才真正引起了各国政府和科学界的高度重视。 1 2 1 镉的生物毒性 镉是环境中毒性最强的重金属元素之一，具有很强的蓄积性、隐 蔽性和生物富集性。镉不能被土壤中微生物降解，其污染为不可逆的 积累过程，镉的生物迁移性很强，极易被植物吸收并累积，影响作物 的产量、品质，土壤中的镉通过土壤农作物途径转化到农作物中， 并通过食物链富集而危害到人类健康。 镉对动、植物的普遍毒性已得到充分证实。研究表明，当环境 镉浓度较低时，会对一些植物的生长发育产生刺激应，使生物产量增 加。而在高镉胁迫条件下，植物的生长发育会受到不同程度的抑 制作用，严重时发生死亡。水稻被认为是对镉毒有较强生理耐受能力 的农作物之一。试验证实，在中性和石灰性土壤上，导致水稻生育障 碍的土壤镉含量在2 5 m g k g 以上，在沈阳张士灌区土壤条件下，水稻 开始减产时的土壤镉浓度为 3o m g k g ，盆栽水稻减产的镉浓度 为 39 5 m g k g 6 1 。在黄泥田上当土壤加镉水平为1o m g k g 时，水稻生 物量下降幅度为：分孽期15 ，齐穗期2 5 ，糙米产量为对照的7 0 t ，】。 在酸性红壤条件下，导致水稻减产的土壤c d 浓度则要低得多。据徐 晓燕试验，0 5 m g l 的镉溶液处理3 天，水稻秧苗就会出现毒害症状， 开始是叶片出现条状失绿，进而叶缘枯焦，最后叶片黄化枯死。陈 平也证实，水稻在0 5 m g l 的镉营养液中培养9 天可产生明显的毒害 症状，表现为植株矮化，生物量降低【 。水稻对镉有较强的富集能力， 西南科技大学硕士研究生论文第3 页 在植株还未受到明显伤害时就会有大量镉在体内积累，导致稻米的卫 生品质下降。在培养液镉浓度为o 01m g l 的情况下，镉在水稻糙米 中的富集率可达5 0 0 倍之多r io 。杨志敏发现，在水培条件下，当培养 液中含镉量为4 o g m o l l 时，玉米表现出明显中毒症状1 1 1 1 。蔡保松甚 至发现，玉米在浓度为1g m o l l 的镉溶液中生长也表现明显的中毒 症状【”】。植株生长受抑制的程度随c d 2 + 处理浓度增加和时间延长而 增大。受镉毒害的玉米幼苗表现为生长迟缓，叶尖黄褐，根尖膨大变 黑，继而腐烂，c d 2 + 处理浓度越大，症状出现越早 1 3 】。 镉通过植物吸收进入食物链，最终对动物和人体造成危害的问题 己被科学界不断揭示出来1 1 4 1 15 。镉不是人体必需的元素，其在人体 内累计量达到一定值会引起镉中毒。在临床上，镉中毒的早期症状包 括有恶心、呕吐或腹痛，若是吸入大量的含镉微尘，亦会导致急性化 学性肺炎、肿气肿，甚至肾衰竭以及衍生尿毒症；此外，其最特异的 是会造成“痛痛病”，因镉不仅会破坏神经系统，亦会让全身骨头酸 痛，镉中毒会加速骨骼的钙质流失，进而合并骨折甚至变形，此时 罹患者全身会感到剧痛，因而称之为“痛痛病”。再者，过量镉堆积 在肾脏，则会造成肾小管损伤，而衍生肾衰竭。根据临床研究，镉本 身也是一种致癌物质，可以引起前列腺、肺等器官癌变。此外，镉还 可以影响生长和发育，使免疫力下降，导致细胞损伤和退行性变，而 促进动脉粥样硬化，高血压，冠心病，糖尿病的发生，损害中枢神经 系统等。镉的半衰期可以长达30 多年，不幸的是截至目前为止，镉 中毒并没有特效的解药。一般来说，人体通过呼吸道吸入的镉很少， 主要通过消化道进入人体。低浓度的镉不会明显影响水稻的生长发 育，但是，镉可以在水稻籽粒中累积，并通过食物链进入人体并累计， 危害人体健康。 1 2 2 镉污染的来源及途径 2 0 世纪初发现镉以来，广泛应用于电镀工业、化工业、电子业 和核工业等领域。镉是炼锌业的副产品，主要用在电池、染料或塑胶 稳定剂，它比其它重金属更容易被农作物所吸附。随着现代工农业生 产的高速发展及人口数量的增加，农业污水灌溉、施用污泥和磷肥、 西南科技大学硕士研究生论文第4 页 采矿和工业废水、废气、废渣排放，使农田土壤的镉污染问题日益严 重。污染源主要是铅锌矿等有色金属冶炼、电镀和用镉化合物作原料 或触媒的工厂。 大气中的镉主要来自工业生产，如有色金属的冶炼、煅烧，矿石 的烧结，含镉废弃物的处理等，进入大气的镉的一般为氧化物，也有 硫化物和硫酸盐等，主要存在于固体颗粒物中，也有少量的氯化镉能 以细微的气溶胶状态在大气中长期悬浮。 水体中镉的污染主要来自工业废水的排放，据环保部统计，2010 年全国工业废水中镉污染排放量为30 1 吨，如广西龙江镉污染事件 就是因为广西两矿业企业将高浓度含镉重金属废水、废渣直接排向地 下溶洞引起龙江河镉含量超标8 0 多倍，硫铁矿石制取硫酸和由磷矿 石制取磷肥时排出的废水中镉含量也较高，另外大气中的镉颗粒也可 能进入水中。 污水灌溉是土壤镉污染的主要来源，如日本的污灌造成镉米事 件，我国沈阳张士灌区镉的污染也十分严重，北京西郊污水灌溉区表 层土壤的含镉量达到0 5 2m g k g ，是当地本底值的5 倍左右，日本环 境厅19 71 年调查了117 个含镉地区的农田土壤，土壤含镉平均值最 高为l5 。2 6m g k g ，在发生骨痛病的水稻产区，受污染的土壤中镉的 测定值超过50 m g k g 。除此之外含镉废渣堆积，磷肥的大量施用， 大气沉降也是土壤镉污染的重要来源。 1 2 3 镉污染土壤的治理方法 土壤重金属污染治理有物理、化学和生物等方法。物理化学方法 包括土壤淋洗、客土与换土、热处理、固化、电动力学修复和土壤改 良等【1 6 】。其中施用石灰和有机肥是常用且效果良好的的方法。生物方 法主要为生物修复技术，如植物萃取，植物固定等技术。 大多数研究都证实，施用石灰能有效降低土壤镉的生物有效性， 抑制镉向植物体的迁移，从而减轻镉对植物的毒害性。施石灰物质一 方面能提高土壤p h ，引起土壤表面的负电荷数增加，使c d 2 + 吸附性 增加，从而降低植物对镉的吸收【 】。另一方面，由于活度系数下降、 西南科技大学硕士研究生论文第5 页 无机络合作用增强，而且c a 2 + 的竞争性提高，因而土壤中重金属离 子的吸附性也可能随着c a 2 + 浓度的增加而下降。c a 与c d 之间存在 拮抗效应，c a 可以通过对根表交换位点的竞争来抑制c d 的吸收。 在国内，施石灰也是对c d 污染土壤改良的最主要措施，而且效 果得到了普遍的证实。吴燕玉研究表明，在张士灌区镉污染酸性稻田 上，施石灰15 0 0 18 7 5k g h m 2 ，使土壤p h 由6 0 增至6 4 ，可使稻米 镉含量从1 5 m g k g 以上降至0 6 m g k g 以下 18 1 。如果要将稻米镉含量 降低至食品卫生标准允许的范围以内，必须加大石灰的施用量。当施 石灰量达到9 0 0 0 k g h m 2 ，土壤p h 达到8 10 时，稻米镉含量可降至 0 016 m g k g ，但这时水稻产量也会随之降低31 2 ，而且过量施用石 灰会使土壤结构受到破坏。在施石灰的同时灌溉酸性污水则会显著降 低石灰改良的效果。并且发现，石灰与钙镁磷肥配合施用比单施石灰 的效果更好。石灰和钙镁磷肥配合施用，土壤p h 提高幅度更大，稳 定性更好，土壤淋出液中镉含量最低。蔡德龙发现1 19 1 ，施用硅肥也能 降低水稻对镉的吸收。而且施硅肥提高土壤p h 值的效果比施碳酸钙 更好，水稻各部分的镉含量与土壤有效硅含量之间存明显的负相关 性。 研究结果表明，施有机肥对镉污染土壤有良好的治理效果。在黄 泥土上施用有机肥料可使添加到土壤中的镉的有效态组分含量减少， 降幅为3 2 0 。施麦秸和稻草的效果相当，有效镉降幅平均5 左 右 7 1 。一般认为有机肥的改良原理主要有两个方面，一是施入有机肥 后，提高了土壤有机质含量，新增有机质可络合c d 2 + ，从而降低镉 有效性。施有机肥料可使土壤交换态镉含量和占总镉的比例明显下 降。二是旋有机肥影响了土壤理化性状。同时发现，有机肥既能降低 水稻对土壤镉的吸收量，又能减少镉向水稻地上部分茎叶和籽粒的转 移率，还可以通过生物稀释效应降低镉在植体内的浓度水平。不过， 也有试验证实，施用有机物质作为改良剂，在后茬作物中反而会促进 镉的吸收 2 0 l 【2 l l 。 西南科技大学硕士研究生论文第6 页 植物修复技术具有投资和维护成本低、不造成二次污染、双重经 济效益等特点，在土壤、水体和污泥的处理方面逐步得到应用 2 2 1 。其 主要原理为利用植物将重金属富集到地上部的茎叶组织中，通过收割 这些植物来降低土壤重金属含量，最终达到净化污染土壤的目的【2 3 】。 收割的植物部分可采取灰化处理，使植物中的金属得到回收利用，或 者进行填埋处理【：。】。 国内开展超富积植物的筛选研究工作起步较晚，但也取得了不少 重要进展。陈同斌发现了砷的超富积植物蜈蚣草，并研究提出了通过 施用磷肥进一步提高蜈蚣草砷的富集能力的技术r ：钉。韦朝阳报道大叶 井口边草也具砷超富积特性 26 1 。龙新宪则报道在我国东南部古老矿山 上发现的东南景天具有很强的耐高镉胁迫及积累镉的能力r ：”。但目前 植物修复技术仍存在很多问题尚待研究，如所发现的超富积植物一般 生物量都很小，修复所需的时间长等等，所以作为污染治理具体方法 仍然需要大量研究工作。 通过近半个世纪的研究，在镉污染的研究上取得了许多科学成 果。目前，人们己经基本明确了环境镉污染与现代工业发展的关系， 掌握了镉向大气、水体和土壤环境中的扩散行为，在土壤中形态转化、 迁移行为及其生物有效性，植物的耐镉机理，在不同生态系统中沿食 物链传递、累积与毒害的一般规律，镉累积植物对人体的毒害作用并 根据人体镉剂量效应关系，制定了人体健康防护与食物镉卫生控制 的国际与国家标准，提出了有效的镉污染防治方法。 1 2 4土壤镉污染现状 土壤重金属镉污染自从发生以来一直受到各国环境、生态及地质 学家的广泛重视，且成为当今环境地质科学领域的重要研究内容。最 早发现镉污染事例为19 50 年左右的日本富士山通川流域的“骨痛 病”。19 7 0 年日本政府制定了“农地土壤污染防治法”，规定镉及其 西南科技大学硕士研究生论文第7 页 化合物为有害物质。还规定食用糙米中镉含量的卫生标准为 0 4 m g k g ，凡大米含c d lm g k g 的农田，一律划为“封闭区”，不得 再种植水稻【2 8 】。据欧共体国家l9 7 5 年统计，进入环境中的镉共约6118 吨，其中9 4 进入了土壤，其余部分进入了大气和水体，这些镉主要 来自使用镉为原料的工业占57 ，生产镉的工业占6 ，其它来源 37 【2 9 】。b r u s 对荷兰土壤中的重金属镉的含量进行了监测，并对镉污 染的状况进行了分析和评价1 3 0 。 我国有关农田镉污染的调查研究工作是2 0 世纪7 0 年代中、后期 全国污灌区水质与土壤污染普查时开始的。调查结果显示，我国农田 镉污染多数是由于引用工业污水灌溉造成的，而矿产开发是污水的主 要来源。据l9 8 0 年中国农业环境报告，我国农田镉污染面积为0 9 33 万h m 2 】，并且有1 1 处污灌区土壤镉含量达到了生产镉米的程度 3 2 1 【，】。全国污灌引起的镉污染农田累计为389 2 h m 2 ，其中沈阳张士灌区 的镉污染问题最为严重，灌区利用污水灌溉有35 年历史，使2 2 0 0h m 2 农田遭受镉污染( 土壤镉含量1 0 m g k g ) ，其中严重污染面积( 可能产 生镉含量1 0m g k g 的稻米的农田) 占13 i s t 】，糙米中镉含量最高者可 达1m g k g 以上，污染区居民每日平均摄入的镉量己超过日本规定限 量标准( 30 0 p g ) 的1 2 倍。江西大余县污灌引起的镉污染面积达55o o h m 2 ，其中严重污染面积占l2 ，该县年排放污水2 0 0 0 万吨，平均 每2 4 3 吨污水使6 6 7m 2 农田成为镉污染田【3 5 】。孔德工等对南宁市蔬 菜基地土壤重金属含量状况分析结果表明，镉的平均含量较高，为 0 3 3 m g k g 3 6 】。 近年来我国发生过多起镉污染事件，2 0 0 5 年广东省环保部门检 测发现，从孟洲坝电站断面到高桥断面全部超过标准，高桥断面镉超 标近10 倍；2 0 0 9 年湖南省浏阳市镇头镇镉污染事件，主要是由于长 沙湘和化工厂废渣、废水、粉尘、地表径流、原料产品运输与堆存， 以及部分村民使用废旧包装材料和压滤布等造成；2 012 年广西龙江 河宜州拉浪段发现重金属镉超标，由于两矿业企业违规排放废水使得 西南科技大学硕士研究生论文第8 页 龙江河宜州拉浪码头前2 0 0 米水质重金属超标8 0 倍，污染事件造成 大约2 8 1 万尾鱼死亡，波及河段约3o o 公里。 1 2 5研究区研究现状 涉及本区的地质调查工作可以追溯到上世纪50 年代，先后有四 川省地质局、石油、冶金系统等单位分别进行过不同性质、不同目的、 不同比例尺的地质调查和矿产普查勘探工作。通过上世纪八十年代开 展的1 ：2 0 万德阳幅区域地质调查工作，基本上查明了本区的地层、 岩性、构造等基础地质情况。 农业系统在上世纪8 0 年代开展了全国第二次农业土壤普查工 作，基本查明了土壤的基本类型、部分理化指标和种植类型等，编制 了1 ：15 0 万或1 ：10 0 万系列地球化学图件。上世纪九十年代以来，中 国地质调查局和四川i 省地质调查院相继开展了成都经济区生态地球 化学调查以及相关的专题研究工作，通过系统采集全区表层、深层土 壤样品并结合岩石、水和动植物等样品，进行了元素全量和化学形态、 理化性质等地球化学指标的分析测试和综合研究工作，基本查明这些 指标的分布规律、变化特征以及区域土壤资源、土壤环境质量状况。 首次从农业生态地球化学的角度较系统地研究了本区有益有害元素 的空间分布、元素迁移转化的规律以及元素在土壤一植物生态系统中 的分布特征，并对土壤环境质量和农作物安全性进行了评价，对优质 农产品选区、绿色生态农业建设、种植规划及养分管理提出了建议。 成都经济区多目标生态地球化学调查基本查清了德阳市表层 ( 0 2 0 c m ) 和深层( 1 5 米) 土壤重金属元素、有益元素等5 4 个元 素和指标的现时含量，在德阳市境内取得了一批对农业、环境有重要 意义的地球化学异常信息。在什邡、绵竹及德阳市中区表层耕作土壤 中发现了大面积的以镉为主的重金属异常。 金立新等1 3 7 对德阳地区土壤重金属的分布特征其生态效应进行 了较为系统的研究，结果表明德阳地区表层土壤重金属污染以镉为 主，类、超i 类土壤占61 81 ，主要分布在山区和平原区。德阳 地区土壤镉等重金属污染引起了小麦、大米镉等元素超标，大米镉超 标率达57 14 ，绵竹地区超标率达到8 6 36 ；什邡、绵竹、旌阳区、 西南科技大学硕士研究生论文第9 页 安县小麦镉平均含量较高，总超标率达5 5 17 ，这表明研究区大米、 小麦重金属污染均以镉为主，是重金属污染造成人体健康风险的区 域。 任利民等【3 8 】利用四川成都盆地多目标地球化学调查获取的大量 数据，通过多元统计分析方法，研究了浅层土壤中镉元素与其他元素 的相关性及在空间上的分布规律，认为龙门山岩体、沉积地层和硫化 物矿床是镉的主要自然来源；农业活动和城市污染是镉的人为源，表 现为人为作用与自然作用的叠加。 汤奇峰等【，。】以四川成都经济区农业生态系统中的重金属镉为对 象，确定以大气干湿沉降、灌溉水、化肥为输入途径和农作物为输出 途径进行研究，对其在土壤中的输入输出通量进行初步探索。结果表 明，经济区大气干湿沉降通量平均值为17 7 6g h m 2 a ，灌溉水和化肥 通量明显较低，三者对土壤镉污染的贡献率分别为8 6 、lo 和4 。 镉通过农作物收割输出的量相对较小，土壤c d 年净增量主要受大气 干湿沉降的制约，大气环境质量应是重点监控的对象。当前的镉年平 均通量可引起土壤镉的质量分数升高0 0 0 6m g k g 。 1 3论文研究概况 1 3 1 研究内容及技术路线 本论文的立题源于四川省“金土地工程18 个土地整理区农业 地质调查项目( 任务书编号：川地调 2 0l0 卜07 ) 的子项目一一德阳 市绵竹市玉泉镇圣母泉村等6 个村土地整理区农业地质调查( 工作项 目编码：j 一7 5 ) ，调查面积1 2 2 7 k m 2 。主要研究内容、方法及技术路线为： ( 1 ) 镉元素的地球化学特征研究：通过对表层土壤样品、浅井 样品的分析，得到c d 元素的地球化学背景值，水平、垂向分布特征， 空间变异特征，形态特征及其相对含量。 ( 2 ) 土壤生态系统镉通量计算及积累预测：通过对大气尘、灌 溉水、化肥样品的分析，分别探讨了污染来源，对通量模型进行了计 算，并对c d 污染变化趋势进行预测。 ( 3 ) 通过土壤样品、植物样品的分析，对土壤环境质量、农作 物安全性进行评价，提出污染防治措施及种植建议。 西南科技大学硕士研究生论文第1 0 页 样晶采集、制各、分析 壤 绵竹玉泉镇农h ； 土壤镉污染评价及生态效应研究 图卜1主要技术路线 fig 1 1m aint e c h nic airo u t e 1 3 2 样品的采集 表层土、灌溉水、大气降尘等采样点位置以及浅井在1 ：10 0 0 0 地 形图上布置。表层土以2 5 0 25 0 m 为采样大格，作为采样的基本单元， 样点一般布置在采样单元格中间，代表采样单元格单元内的主要土壤 类型。浅井主要布置在工作区水田之中，所有浅井构成了斜穿工作区 的剖面。工作区主要大宗农作物为水稻，植物样品主要采集水稻籽实， 配合采集了水稻茎、叶样品。灌溉水样品沿工作区主要灌溉水渠布置， 大气降尘样品大致均匀布置在工作区内。 表层土样品采样深度为地表0 2 0 c m 土柱，每件样品在设计点 附近2 0 5o m 方圆内采集同种土样5 个点组合，并保持水田或旱地 的一致性，样品重量lk g 。采样时去除表土、杂草、草根、砾石、砖 块等杂物，避开施肥点、肥料残块等。自然干燥后用2 0 目尼龙筛过 筛，过筛后重量大于8 0 0 9 ，装入塑料瓶中，瓶中有内标签，外有样 西南科技大学硕士研究生论文第1 1 页 品编号。 浅井样品采集分一般按照耕作层、淋溶层、淀积层、母质层等不 同发生层采集，当发生层次不清时，按照2 0 c m 采样间距。 植物样品主要水稻的籽实以及茎、叶。籽实样品重量在8 0 0 9 左 右，茎、叶样品重量在50 9 左右。在采集植物样品的同时，对应采集 根系土壤样品 大气尘样品的采集选择农户堆放杂物的房间，房间适当通风，人 为扰动较小，此房间就成为大气颗粒物的沉降室。用毛刷收集箱、柜 顶部以及塑料薄膜、窗台上的颗粒物，用专用塑料采样袋收集灰尘， 重量30 50 9 件。 灌溉水样品主要布置在工作区主要灌溉水渠上，同时采集底泥样 品。灌溉水用2 k g 聚乙烯塑料桶作为装样容器，装入水样后，加入保 护剂之后摇匀，并及时填写标签。 表1 _ 1主要完成工作量统计 t a bie 1 1t h es t a tis tic so fi l i ainiyw o rkjo a d 项目单位完成工作量项目单位完成工作量 调查面积 k m 21 2 2 7 有效态样件 4 9 正点样件 2 0 0 重复样件 6 土壤垂向剖面m6垂向剖面土壤样件 2 2 土壤理化性质分析样件 6灌溉水及底泥样件 4 饮用水样件 6 近地表降尘样件 l2 酸雨检测点个 6 根系土样件 2 0 植物样 件6 2肥料及其他污染物样件 3 植物样中含水稻茎叶4 2 件样品 1 3 3测试方法 成都岩矿测试中心承担了四川省“金土地工程”2 010 年度l8 个土地整理区农业地质调查项目的样品分析任务。样品类型包括表 层土壤、近地表大气尘、植物样、肥料、灌溉水和底泥、垂直及水平 剖面土壤样、岩石样等。 西南科技大学硕士研究生论文第1 2 页 全量元素分析测试方法及检出限见( 表1 2 ) 。 表卜2元素分析方法 t a bie 1 2 eie m 6 n ta n aiy sism e t h o d 植物样品测试，样品分解采用有微波消解法、灼烧干灰化法、高 压罐消解法、半熔法、碱熔法和盐酸浸取法。植物样品测定共计采用 四个方法：h g a f s 法、i c p m s ( a e s ) 法和c o l 法。详细植物样 品的分解和测定方法见( 表1 3 ) 。 近地表大气尘、固体肥料及灌溉水底泥等样品各指标的测定方法 参照表卜2 土壤样品的测试方法执行。 西南科技大学硕士研究生论文第1 3 页 表1 - 3植物样品分析方法 t a bie 1 3pia n ts a m pie sa n aly sism e t h o d 1 3 4论文主要成果 通过对研究区农业地质环境调查，基本查明了该区的农业地质环 境状况，并对土地质量地球化学状况进行了评估。取得的主要成果为： 1 研究区表层土壤镉元素的背景值较高，与中国土壤a 层、中国 水稻土a 层、成都经济区背景值相比显著富集。土壤中离子交换态 镉的含量很高，是造成植物生态系统污染的主要原因。 2 表层土壤中镉元素空间变异特征为空间自相关范围较小，具有 强烈的空间相关性，由土壤母质引起的空间变异占主要原因。 3 对研究区土壤环境质量进行评价结果表明，研究区的；土壤环境 质量较差，地质累积指数法显示研究区基本属于无中度污染程度， 存在中度潜在生态风险，对居民健康造成威胁。 4 土壤重金属镉污染对植物( 水稻) 生态系统产生了明显的生态 效应，使得区内水稻籽粒中重金属镉超标严重。p h 值是影响土壤中 镉元素含量及形态特征，水稻籽粒生物富集系数的主要原因 5 通过农田生态系统土壤镉通量的计算，污染来源包括大气沉 降、灌溉水、施肥，其中大气沉降是为主要输入源，由植物带出土壤 的镉输出量较少。对土壤中镉污染变化趋势预测表明，土壤中的c d 含量在短期内增加较快，然后变缓，50 年时间土壤镉含量将翻倍。 西南科技大学硕士研究生论文第1 4 页 2 研究区概况 2 1 交通位置 调查区位于德阳市绵竹市玉泉镇圣母泉村等6 个村土地整理项目 区，地理坐标界于东经l0 4 0 0 6 15 ”10 4 。0 7 0 0 ”，北纬31 o 14 35 ” 31o177 25 ”之间，东西长4 338 3 m ，南北宽5 21 1 5 m 。涉及玉泉镇圣母 泉村、新新村、槐树村、凉伞坝村、永宁村、先锋村等6 ) i , - 村，总面 积12 2 7 k m 2 ( 见图2 1 ) 。 绵竹市隶属德阳市，位于四川盆地西北部，东西宽约4 2 k m ，南北 长约61k m ，幅员面积l2 45 3 k m 2 ，白区北向东南伸展。西北部属龙门 山地区，东南属成都平原，海拔50 4 6 0 0 m 。市境东南靠德阳市旌阳 区，东北与绵阳市安县接壤，西南与什邡隔河相望，西北与阿坝茂县 图2 - 1研究区交通位置图 fig ure2 1r es e arc hare atra f fc 0 c a t0 ns 西南科技大学硕士研究生论文第1 5 页 毗连。境内省道、县乡级公路交错，此外尚有德天铁路、广木铁路和 3 条地方铁路专线，总体构成四通八达的交通网络。 玉泉镇位于绵竹市以南12 k m 处的石亭江畔，距成都市8 6 k m ， 圣母泉村等6 个村的土地整理区主要位于玉泉镇周围西、北、东三面。 项目区交通便利，玉( 泉) 金( 轮) 路( 1o m 宽砼路面) 经4 o k m 长 度与成( 都) 一青( 川) 公路连接；玉( 泉) 广( 济) 路由场镇向西 横穿项目区；绵( 竹) 玉( 泉) 路由场镇向北穿过项目区。项目区已 实现村村通公路，并形成了较发达的交通网络。现有村社道宽度一般 在3 5 m ，经金土地整理工程及灾后重建工程建设，田问道路路面绝 大部分已建成水泥路面，少量为碎石路面。 2 2自然地理 绵竹市地处前龙门山褶断带至成都平原西北坳陷地带，地势西北 高，东南低，由西北向东南倾斜，西北为山地，东南为平原。西北山 地海拔高度7 0 0 4 4 0 5 m ，是沱江的发源地之一；中部沿山台地一二 级阶地海拔高度57 0 7 0 0 m ，东南部为山前冲洪积扇状平原。土地整 理区位于绵竹市东南部，为由沱江上游的石亭江、绵远河、白水河、 射水河、龙蟒河、马尾河等河流的洪冲积扇，以环抱式重迭所构成的 一级阶地平坝区，属成都平原的北延部份。地势由西北向东南倾斜， 平均坡降0 6 8 ，海拔580 61o m ，相对高差5 2 0 m ，地面呈波状起 伏。 调查区属四川1 盆地中亚热带湿润季风气候区，四季分明，冬暖、 春早，无霜期长，雨量充沛，但季节分布不均。多年平均温度15 7 ， 全年10 以上积温天数为2 4 0 30 0 天，10 积温为50 0 0 530 0 ， 无霜期多为2 8 5 天。多年平均降水量10 5 3 2 m m ，年均相对湿度81 ， 年均蒸发量1 10 0 8 m m ，多年平均日照时数101 1 3 小时，水热资源丰 富，为作物生长提供了充裕的外部条件。土地整理区上部含水层一般 埋深在1 3m ，为冲积泥砂砾卵石潜水含水层，厚约12 l5 m 。区内 地表水主要靠降水，径流时空分布与降雨量基本一致，由于降雨量、 季变化很大，导致地表径流量年、季变化也很大。 西南科技大学硕士研究生论文第1 6 页 2 3地质环境特征 2 3 1地质条件 根据1 ：2 0 万德阳幅区域地质调查资料及本次调查，调查区位于成 都平原西北边缘，构造位置属成都凹陷西北部，区内均为第四纪沉积 物所覆盖。调查区大面积分布第四系全新统河流冲积物( 图2 2 ) ， 在地貌上构成地势平坦的一级阶地，相对河面高度6 1o m 左右。根 据浅井揭露，全新统河流冲积物在剖面上具有二元结构，下部砾石层 砾石成份主要以花岗岩砾石为主，少量石英岩及变质砂岩砾石，上部 ( 成土母质) 为褐黄色亚粘土，其中含有少量细小砾石，厚度较薄， 在50 8 0 c m 之间，并且具有北部相对较薄，南部相对较厚的分布特点。 图2 - 2区域地质图( 据1 ：2 0 万德阳修编) fg ure2 1 r e g i0 n ai g e 0 lo g ymz ap 西南科技大学硕士研究生论文第1 7 页 2 3 2水文、环境地质条件 土地整理区属都江堰人民渠灌区，红岩干渠( 流量：q 设= 2o m 3 s ， q 正常= 8 9 m 3 s ) 为主灌渠，至南向北流经整理区，孙家河支渠、后 家河支渠、复兴庙支渠、陈村河及一、二、三支渠从西向东贯穿项目 区，水资源较丰富，以自流引灌为主，基本可满足灌溉需要。 土地整理区上部含水层一般埋深在1 3 m ，为冲积泥砂砾卵石潜 水含水层，厚约12 15 m 。区内地表水主要靠降水，径流时空分布与 降雨量基本一致，由于降雨量、季变化很大，导致地表径流量年、季 变化也很大。据四川省水文手册，当地多年平均年径流深为 8 50 m m ，降雨变差系数c v 为0 25 ，年径流变差系数c v 为0 3 ， ( c s = 2 c v ) ，年最大2 4 小时暴雨均值14 0 m m ，最大2 4 小时暴雨变差 系数c v 为0 55 ( c s = 3 5c v ) 。 土地整理区位于河流冲积平原上，地形起伏微弱，均为第四系全 新统松散堆积物，自然灾害以气候因素为主，地质灾害不常见。 2 4农业生产环境 2 4 1 土壤类型 调查区内土壤类型相对单一，土属为灰棕冲积水稻土，成土母质 为全新统河流灰棕冲积物，即习称的新冲积母质。从河床由近至远， 土壤的质地由粗变细，由轻变重，土层厚度由薄变厚，土壤保水保肥 能力由弱变强，供肥性由快变缓。土种从河床至远依次分布：沙石薄 土田_ 沙田_ 黄沙田一半沙半泥田_ 泥田_ 灰鳝田等。据上世纪八十 年代绵竹市土壤普查报告，调查区内主要的土种为泥田，p h 值在 5 5 6 5 之间。理化特性为：有机质2 91 ，全氮0 16 0 ，碱解氮 l7 2 p p m ，全磷0 1 15 ，速效磷8 p p m ，全钾3 2 9 、速效钾8 2 p p m ， 阳离子代换量l7 3 毫克当量1o o 克土，一般无碳酸盐反应。质为重 壤，容重1 3 2 9 c m 3 。生产性能：耕层1 3c m 左右，土层深厚，质地 较重，耕作质量较差，保水保肥性能好，供肥性能前期稍差，后期稳 长，但送老壮籽。土壤水、肥、热状况较协调，肥力水平较高。 西南科技大学硕士研究生论文第1 8 页 2 4 2土壤质地 土壤质地是土壤较为稳定的自然属性，对于土壤性状，如养分含 量、通气透水性、保水保肥性以及耕作性状都有很大的影响，所以在 说明土壤肥力时，质地是首先考虑的因素之一。 在调查区内共采集了4 件土壤样品进行了质地分析。土壤类型为 水稻土，耕作方式为水旱轮作。按照中国土壤质地分类暂行方案( 中 国科学院南京土壤研究所，19 7 5 ) ，调查区土壤粒级含量分析结果及