（环境工程专业论文）西安市郊区农田土壤重金属污染研究.pdf

摘要 本文以西安市农田土壤为研究对象，分析了引用不同灌溉水质的农田表层土壤中 c u 、z n 、n i 、c r 、c d 、p b 、h g 的含量及其空间变异规律。探讨了同一灌溉水质不同 土地利用方式下各重金属元素的含量分布状况，并以污染较严重的沣惠渠灌区为研究 对象，研究了污灌水质与土壤重金属之间的关系。在此基础上通过主成分分析和聚类 分析对污灌区和清灌区土壤重金属污染进行源解析。得到以下结论： 1 西安市农田土壤均偏碱性，沣惠渠灌区、邓家村污水灌区、皂河水灌区以及井 灌区为粉质壤土，泾惠渠灌区为粉质粘壤土。 2 西安市农阳土壤c u 、z n 、n i 、c r 、c d 、p b 、h g 含量均超出g b l 5 6 1 8 1 9 9 5 中 土壤环境质量一级标准，n i 、c d 、h g 分别有8 8 4 6 、5 7 6 9 、5 8 6 5 的样本超出 g b l 5 6 1 8 1 9 9 5 中二级标准。c u 、z n 、c d 、p b 的全量与有效态含量之间存在极显著相 关，重会属n i 全量与有效念含量相关，c r 无相关。 3 土壤重会属克罩格插值结果得到，c u 、z n 、n i 、c r 、p b 含量均表现为由南向 北逐渐降低，出西向东逐渐降低的趋势。c d 的克罩格插值结果得到沣惠渠灌区离渠 首较近的部分区域土壤中c d 浓度最高，井灌区相比其他区域稍高。h g 的克罩格插值 结果与其它6 种元素不太相同，最高含量出现在皂河水灌区，其次为沣惠渠灌区沿渠 的土壤h g 含量较高，井灌区土壤中h g 含量相对较低。 4 同一灌溉水质不同土地利用方式下土壤中各重会属含量也有差别，邓家村污水 灌区小麦地和果园土壤中c u 、n i 、h g 含量相差不大，小麦地土壤中的z n 含量比果 园土壤略高，果园土壤中c r 、c d 、p b 含量均较小麦地土壤高。井灌区小麦地、果园、 菜地土壤c u 含量差异不太明显，果园和菜地土壤中z i i 含量较为接近，且比小麦地土 壤中z i l 含量高，n i 含量在不同土地利用方式下的顺序为菜地 小麦地 果园，c r 、c d 、 p b 含量在不同土地利用方式下的顺序均为菜地，果园 小麦地。 5 灌区土壤中7 种重会属元素含量的峰值均出现在沣惠渠入口处，且随着离渠入 e l 距离的增大重会属含量逐渐递减，随着离渠两岸距离的增大土壤重会属也呈现逐渐 减小的趋势。 6 由主成分分析和聚类分析得到，污灌区c u 、z n 、p b 、c d 、c r 主要与交通和工 业活动有关，n i 部分来源于汽车尾气的颗粒物中。h g 主要来源于含h g 商品的不合 理处置带来的污染。另外污水灌溉是7 种重金属超标的一个重要束源。清灌区土壤中 n j 、c r 、p b 主要由燃煤引起，c u 、z n 、c d 主要来自于农家肥和化肥的施用以及农用 地膜的使用，h g 元素的部分来源与c d 相同。 7 利用主成分得分评价土壤重金属污染等级，得到沣惠渠灌区土壤重金属污染最 为严重，其次为邓家村污水灌区、皂河水灌区和泾惠渠灌区，井灌区污染最弱。 关键词：土壤，重金属，克里格插值，主成分分析，聚类分析 t h er e s e a r c ho fh e a v ym e t a l sp o l l u t i o nf r o m a g r i c u l t u r es o i l si nx i a nc i t y a b s t r a c t t h i sp a p e rc o n d u c t e di nt h ef a r m l a n ds o i l so fx i a nc i t y , d e t e c t e dt h ec o n t e n t so fc u ， z n ，n i ，c r , c d ，p b ，h gi nt h es u r f a c el a y e rs o i lo fd i f f e r e n ti r r i g a t i o nw a t e r , a tt h es a m et i m e ， t h ed i s t r i b u t i o n so fh e a v ym e t a l sw e r er e s e a r c h e d t h ec o n t e n td i s t r i b u t i o n so fh e a v ym e t a l s w e r ed i s c u s s e di nt h es a m ei r r i g a t i o nw a t e rb u td i f f e r e n tl a n du s et y p e sa n dt a k i n gt h e p o l l u t e ds e r i o u s l yi r r i g a t i o na r e ao ff e n g h u i d i k ea sr e s e a r c ho b j e c t ，s t u d i e dt h er e l a t i v i t yo f h e a v ym e t a l sb e t w e e nt h ei r r i g a t i o nw a t e ra n ds o i l s b a s e do nt h er e s u l t s ，c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n ta n a l y s i s ，p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ( p c a ) a n dc l u s t e ra n a l y s i s ( c a ) w e r e p e r f o r m e dt os o u r c ei d e n t i f i c a t i o nf o rh e a v ym e t a l sp o l l u t i o ni nt h ef a r m l a n ds o i l si r r i g a t e d w i t hw a s t e w a t e ra n dw e l lw a t e r f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sw e r ea c h i e v e d 1 a l lo ff a r m l a n ds o i l si nt h ea r e aw e r ep a r t i a lt oa l k a l e s c e n t t h ei r r i g a t i o na r e a so f f e n g h u id i k e d e n g j i a c u nu r b a ns e w a g e s o a pr i v e rw a t e ra n dw e l lw a t e rw e r es i l tl o a m s o i l ，w h i l ej i n g h u id i k ew a ss i l tc l a yl o a ms o i l 2 t h em e a ns o i lc o n c e n t r a t i o n so fc u ，z n ，n i ，c r , c d ，p b ，h gi nx i a nw e r eb e y o n d t h ec r i t e r i ao ft h e1 s ts t a n d a r do fs o i le n v i r o n m e n tq u a l i t y , i nw h i c hn i ，c d ，h gw e r ee v e n 8 8 4 6 5 7 6 9 5 8 6 5 b e y o n dt h ec r i t e r i ao ft h e2 n ds t a n d a r de n v i r o n m e n tq u a l i t y , r e s p e c t i v e l y t h et o t a lc o n c e n t r a t i o no fc u ，z n ，c d ，p bw a ss i g n i f i c a n t l yp o s i t i v e l y c o r r e l a t e dw i t ht h a to ft h ea v a i l a b l ec o n c e n t r a t i o nr e s p e c t i v e l y , a n dn iw a sp o s i t i v e c o r r e l a t e d ，w h i l et h et o t a lc o n c e n t r a t i o no fc rw a sn e g a t i v e l yw i t ht h a to ft h ea v a i l a b l e c o n c e n t r a t i o n 3 k r i g i n g m e t h o dw a sa p p l i e dt oe s t i m a t et h eu n o b s e r v e d p o i n t s a n dt h e i r d i s t r i b u t i o nm a p sw e r eo b t a i n e d ，w h i c hi n d i c a t e dt h a tt h ec o n c e n t r a t i o n so fc u ，z n ，n i ，c r , p bw e r ed e c r e a s e dg r a d u a l l yf r o ms o u t ht on o r t ha n df r o mw e s tt oe a s t t h eh i g h e s t c o n c e n t r a t i o no fc dw a sn e a rt ot h ed i k ei n l e ta n dt h ec o n c e n t r a t i o n so fc di nw e l l i r r i g a t i o na r e aw e r eh i g h e rt h a nt h eo t h e ra r e a s t h er e s u l to fh gw a sd i f f e r e n tf r o mt h e o t h e rh e a v ym e t a l s ，t h eh i g h e s tc o n c e n t r a t i o no fw h i c hw a si nt h es o i lo fs o a pr i v e r i r r i g a t i o na r e a ，t h e nw a st h es o i lo ff e n g h u id i k ea r e aa l o n gt h ed i k e t h ec o n c e n t r a t i o no f h gi nw e l li r r i g a t i o na r e aw a sr e l a t i v e l yl o w 4 t h ec o n t e n t so fh e a v ym e t a l si ns o i l sw e r ed i f f e r e n ti nt h es a m ei r r i g a t i o nw a t e r b u td i f f e r e n tl a n du s et y p e s i nt h ei r r i g a t i o na r e ao fd e n g j i a c u nu r b a ns e w a g e ，t h e l c o n c e n t r a t i o n so fc u ，n i ，h gi nc o r n f i e l dw a ss i m i l a rt ot h a t i no r c h a r d ，t h ec o n c e n t r a t i o n o fz ni nc o r n f i e l dw a sh i g h e rt h a nt h a ti no r c h a r d ，a n dt h ec o n c e n t r a t i o n so fc r , c a ，p bi n o r c h a r dw e r ea l lh i g h e rt h a nt h a ti nc o m f i e l d i nt h ei r r i g a t i o na r e au s i n gw e l lw a t e r , t h e d i f f e r e n c e sa m o n gt h ec o n c e n t r a t i o n so fc ui nc o r n f i e l d ，o r c h a r da n dv e g e t a b l ef i e l d w e r e n te v i d e n t ，a n dt h ec o n c e n t r a t i o no fz ni no r c h a r dw a ss i m i l a rt ot h a ti nv e g e t a b l e f i e l dw h i l eh i g h e rt h a nt h a tj nc o r n f i e l d t h e r ew a sat r e n do fs o i ln ic o n c e n t r a t i o ni n d i f f e r e n tl a n du s ew a y s t h ec o n c e n t r a t i o no fn ii nv e g e t a b l ef i e l d c o r n f i e l d o r c h a r d w h e r e a st h ec o n c e n t r a t i o n so fc r , c d p bw a sa sf o l l o w s ：v e g e t a b l ef i e l d o r c h a r d c o r n f i e l d 5 t h eh i g h e s tc o n c e n t r a t i o n so fh e a v ym e t a l sw e r ea l ln e a rt h ed i k eh e a do ff e n g h u i d i k e t h ec o n c e n t r a t i o n sd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ed i s t a n c ea w a yf r o md i k ei n l e t a n dt h ed i s t a n c ea w a yf r o md i k eb a n k 6 b a s e do np e aa n dc a a n a l y s i s ，i nw a s t e w a t e ri r r i g a t i o na r e a ，c u ，z n ，p b ，c da n d c rc o r r e l a t e dw i t ht r a f f i ca n di n d u s t r i a ls o u r c e s ，n ip a r t l yc a m ef r o mt h ep a r t i c l e so f a u t o m o b i l ee x h a u s tf u m e ，w h i l eh gw a sp r e s e n ta sa nu n i n t e n d e dc o n t a m i n a n ti naw i d e v a r i e t yo fc o m m e r c i a lp r o d u c t s m o r e o v e r , d i r t yw a t e ri r r i g a t i o nw a so n eo ft h e m a i n s o u r c e sf o rt h e s eh e a v ym e t a l s i np u r ew a t e ri r r i g a t i o na r e a ，n i ，c ra n dp bw e r em a i n l y d e r i v e df r o mb u r n i n gc o a l ，w h i l ec u ，z n ，c dc a m em a i n l yf r o mt h eu s a g eo ff e r t i l i z e ra n d f i l m ，a n dt h es o u r c eo fh gw a sp a r t l yt h es a m ea sc d 7 t h es c o r e so fp r i n c i p l ec o m p o n e n tw e r ep e r f o r m e dt oe v a l u a t et h ep o l l u t i o ng r a d e t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h eo r d e ro ft h ep o l l u t i o ng r a d ew a sa sf o l l o w s ：f e n g h u id i k e i r r i g a t i o na r e a i r r i g a t i o na r e ao fd e n g j i a c u nu r b a ns e w a g e s o a p r i v e ri r r i g a t i o na r e a j i n g h u i q ud i k ei r r i g a t i o na r e a w e l lw a t e ri r r i g a t i o na r e a c h e nm i n ( e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f t o n gp a n - r u i & a p r o f m e if a n m i n k e yw o r d s ：s o i l ，h e a v ym e t a l ，k r i g i n g si n t e r p o l a t i o n ，p r i n c i p l ec o m p o n e n ta n a l y s i s ，c l u s t e r a n a l y s i s 西安工程大学学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工程大学有关知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权归属西安工程大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工 作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工程大学。学院有权保 留送交的学位论文的复印件，允许学位论文被查阅或借阅：学校可以公布学位论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 对螂 繇巾： 西安工程大学学位论文独创性声明 禀承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，学位论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，不包括本人 已申请学位或他人已申请学位或其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研 究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了感谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担相关责任。 学位论文作者签名： 7 分舀 日 期：泗7 | 刈，2 | ；i 1 绪论 1 1 国内外研究现状 1 绪论 近5 0 年来，在重金属污染研究方面，国内外主要取得了以下成果：( 1 ) 确定了 世界和区域范围内的土壤主要重金属元素的背景值以及相应的环境质量标准、食品卫 生标准和排放标准；( 2 ) 建立了较完善的各种主要重会属元素分析测定方法及规范； ( 3 ) 发现了一批可用于重会属污染生物检测的敏感植物，适于重会属污染区种植的 抗性植物以及可望用于重金属污染土壤植物修复的超量积累重会属植物：( 4 ) 对重金 属在底泥一水体一生物系统、土壤一植物系统以及沿生产者一消费者一分解者食物链的 迁移、转化和循环规律进行了深入系统的研究；( 5 ) 对重金属污染的治理相继发展了 物理、化学和生物方法，植物修复技术和微生物修复技术引起了广泛关注。 1 1 1 国外土壤重金属研究现状 国外对土壤重金属污染的报道最早可以追溯到十九世纪发生在日本的足尾铜山 公害事件。在上世纪5 0 年代前后，f 1 本出现了“水俣病”和“骨痛病”，并且查明这 是由于h g 和c d 污染所引起的公害之后，重会属的污染才开始备受关注。国外许多 学者在城市土壤重金属污染方面进行了大量探索研究，如b i l o s 等人研究认为，城市 中污染源较多，可释放大量重金属进入大气和土壤1 1 , 2 j 。有研究显示，在特定地物( 如 建筑物等) 周围，土壤重金属的污染程度与该地物的建成时间j 和位置1 5 】有关；另外， 人类活动越密集的地区重金属污染越严重【6 1 ，工业化程度与城市土壤中重金属的含量 ( 例如c d 、c u 、p b 、z n ) 密切相关1 7 - 1 ”。m a d r i d 等人对西班牙塞维利亚市主要公园 和绿地土壤重金属含量的调查显示，位于居住、休闲地区的土壤样点的p b 、z n 和c u ( 尤其是c u ) 的含量超出人们可接受的范围，其中机动车辆排放的尾气是土壤中重 金属含量增加的一个重要原因i l “。a l b a s e l l 5j 等人的研究发现，土壤c u 、p b 、z n 的含 量在逐渐远离公路时迅速降低，这不仅是因为汽车尾气会释放重金属进入周围环境， 而且车辆的轮胎磨损同样可以造成土壤中重金属的积累，汽车尾气对重金属增加的 贡献主要是p b ，同时也会影响到z n ，c u i “j 。土壤中的c u 、z n 、c d 含量，特别是p b 的含量，与机动车辆有密切的关系1 6 l 。s o f a k a y o d ee ta 1 x 7 1 研究得出，尼r 利亚 o s o g b o 市交通流量较大的公路旁土壤巾重会属含量要比相应的中等流量和低流量公 路旁土壤中重金属含量要高得多。随着距公路距离的加大重会属含量迅速下降，在距 1 绪论 离公路5 0 m 的地方金属含量几乎达到控制点金属的自然背景值。b l a k e 等人的研究还 表明，大气沉降会导致土壤以及作物中的重金属增加1 1 8 j ，包括通过大气降水【1 9 l 以及气 液悬浮物进入土壤。据b a n d h u 等人的研究，大气中的重金属与土壤中的重金属之间 有密切的相关性。 1 1 2 国内土壤重金属污染状况和区域研究现状 目前国内土壤重金属污染研究在总体上与国外存在定的差距。国内土壤重金属 污染研究主要起始于2 0 世纪8 0 年代，9 0 年代以来这方面研究得到迅速发展。从地域 研究上看，目前的研究主要集中在经济比较发达的珠江三角洲和香港地区、长江三角 洲的南京、上海等地、京津地区、东北工业区等，另外一些研究集中在西北和西南的 个别工业城市周围以及个别的工矿区周围。 根据对珠江三角洲主要城市城郊农业土壤重金属含量特征的研究结果表明，珠江 三角洲主要城市城郊农业土壤中以h g 的污染指数最大，c d 和z n 次之，表层的土壤 除a s 元素外，c u 、p b 、z n 、c r 、n i 、c d 等元素的平均值都分别超过了广东省土壤 背景值和全国土壤背景值，除a s ，h g 外，重会属元素在土壤剖面中基本上是表层高 于底层；同在珠江三角洲，香港土壤重金属的污染状况又与邻近地区存在着显著不 同的特点，土壤重金属污染以p b ，a s ，z n ，c u 为主，这说明土壤重金属污染状况和 类型存在不同空间尺度的变异i 捌。就广州市的蔬菜地重金属污染而言，p b 的污染较 为普遍，其次为a s i ”j 。 南京六合区蒋家湾蔬菜基地重金属污染现状的研究表明，c u 、c r 、c d 、a s 、z n 、 p b 等6 种重金属在土壤中的含量均低于背景值，而土壤中h g 含量严重超标，p b 属轻 度污染。这一研究结果和李佑国1 2 5 】对南京市土壤重会属污染有所不同，后者研究发 现，南京近郊重会属以h g 和z n 为主，江宁附近为重污染区，污染比较严重的是受人 为影响比较大的菜地和大田。巫和昕等1 2 6 j 研究表明上海市宝山工业区土壤重会属污染 以p b ，z i i 和c d 为主，路边土壤和菜区土壤中p b 、z n 含量偏高，这与对上海化学工 业区闭土壤重会属研究状况有所不同，其主要的污染因子是c d 、c u 和p b 。 北京市边缘区土壤重金属总体污染状况不明显，只有h g 元素属于轻微污染脚j 。 而北京南部地区土壤c d 大多为中度污染，p b 污染指数 2 o ，达到中度污染水平， c u 基本为轻度污染水平，土壤z n 完全超过预警水平，土壤a s 基本未发生污染，土 壤重会属综合污染指数均大于1 ，总体处于轻污染以上水平i 矧。这与京津地区菜地以 h 2 、c d 、p b 、z n 污染为主的情况较为相似i ”j 。 东北地区土壤重金属污染的研究主要集中在沈阳张士污灌区和一些工矿区周围， 付玉华等 3 1 1 分析了沈阳市市郊部分菜地的土壤污染情况，发现沈阳市郊部分菜地受到 2 1 绪论 以c d 为主的多种重会属的复合污染。在辽宁省卧龙泉河流域1 3 2 】，由于金矿的开发， 已造成其流域土壤生态环境的重金属复合污染，污染程度随着开发强度的加大而增 高。卧龙泉河流域中金矿开发强度大的王家子矿区土壤属重度污染，主要的污染因子 为a s 、p b 、c d 、z n ，其流域上游稻田土的重金属污染因子为c u 、p b ，是成土母岩相 对高的c u 、p b 背景含量和金矿冶炼综合影响的结果。在辽西滨海矿集区的金属矿产 开发区以及冶炼厂周围的土壤中重会属含量绝大部分高于土壤背景值，尤其c d 、p b 、 z n 的污染状况更应引起重视1 3 3 1 。 祖旭宇等【”】对云南昆明市土壤重金属污染调查与评价中发现c u 、p b 、z n 和c d 污染，其中c d 和c u 为中度污染，z n 和p b 为轻污染。陈建军等1 3 5 】对昆明地区土壤 中c u 、p b 、c r 、c d 、a s 、h 9 6 种重会属进行了调查监测，并就其来源及污染现状进 行评价，结果表明：c u 、c d 、a s 、h g 等重金属对土壤存在不同程度的污染，其中c d 污染最为严重，其后依次为c u 、h g 、a s 、p b 、c f ，土壤重会属综合评价为中度污染。 昆明地区土壤重会属污染的来源主要是化肥的大量施用，其他来源所占的比例相对较 小。9 0 年代初期，在西南地区除昆明市周围土壤重金属研究外，还有人在成都市和重 庆市、贵州市土壤重会属污染做了研究，如傅绍清等【3 6 l 在研究成都市郊部分菜地土壤 的背景值时发现其已被污染；李其林等1 3 1 监测了重庆市郊部分菜地土壤，发现近郊蔬 菜基地部分土壤己受c d 和h g 的污染。 西北地区的土壤重金属污染研究主要集中在陕西和甘肃两省，庞奖励等l a s 】通过对 西安污灌区土壤重金属含量及影响的研究，发现重金属c u 、p b 、c d 、c t 、a s 、h g 在 污灌土中发生了明显的积累，累积系数在1 1 1 1 0 5 9 ，不同的元素的积累强度不同， 其中c r 最弱( 1 1 1 ) ，h g 最强( 1 0 5 9 ) 。张林森等1 3 9 l 对陕西省8 个县8 6 个苹果园土 壤样品中a s 、p b 、h g 、c r 、c d 和c u 的含量进行了测定，结果表明，这几种重金属 元素含量均没有超过绿色食品产地环境规定的标准，但提出今后监控的重点是a 占和 c r 。杨苏才等【4 0 l 对兰州市表层土壤除个别点外均己受到重金属污染，其污染程度取决 于交通所产生的汽车尾气、扬尘；另外，工业活动和绿化带对重会属污染也有着相当 大的影响。 全国其他地区的研究大多集中在工矿区周围的土壤，如以焦作市1 4 1 j 为例，在朱村 矿周围由于煤矿的煤矸石堆积造成周围土壤的污染，其中土壤中无c r 污染，受c d 污 染不明显，c u 污染程度较轻，p b 的污染受交通影响波动较大，z n 污染较重，其污染 浓度与矸石堆的距离成非线性负相关关系。胡宁静等1 4 2 】对江西贵溪冶炼厂重金属环境 污染进行了研究，结果表明，土壤中重会属污染的潜在生态风险晟高的元素是c d ，其 次是c u 和a s 。冯明祥等1 4 3 ) 调查了青岛市郊部分菜地士壤的污染情况，证明c d 污染 是最严重的，其次是a s 和h 。 3 1 绪论 1 2 土壤重金属来源 重金属是在工业生产和生物学效应方面均具有重要意义的一大类元素，这一类元 素在化学概念上虽然还没有十分满意的定义，但是目前还是有了广为接受的概念。那 就是元素的密度大于6 9 c m 3 【4 4 1 ，或者有的学者认为大于5 9 c m 3 的金属元素【矧。也有 的学者将其定义为具有金属性质( 延展性、导电、稳定性、配位体特性等) ，而且原 子数目大于2 0 的元素i 。环境中的重金属c d 、c r 、c u 、h g 、n i 、p b 和z i l 等，具有 一些共同的行为特征，与有机污染物相区别。 土壤重金属污染是指人类活动将重金属输入土壤中，引起土壤重金属含量明显高 于背景含量，并造成生态环境质量恶化的现象【4 7 1 。引起土壤重金属污染的原因很多而 且非常复杂，不同重会属元素来源差别很大，即使同种重金属元素其来源也往往不同。 土壤重金属来源分为两种。一种是自然来源1 4 刚，包括岩石风化、残落的生物体、 大气沉降等。成土母岩化学元素的含量决定了土壤中重金属的最初含量，影响着土壤 中重会属元素的环境背景值；同时母岩在形成土壤过程中的影响因素也影响着土壤中 的重金属含量，如抗风化能力强的石英质岩石对发育于其上的土壤中重会属含量起控 制作用，而抗风化能力弱的碳酸盐类岩石对其上发育的土壤中重金属含量控制作用则 不强。残落的生物体也是土壤中重金属自然来源之一。大气中重金属降尘也是影响土 壤中重金属含量的主要自然因素之一，如火山爆发、森林火灾、海浪飞溅、植被排出、 风力扬尘等过程使很多重金属尘漂浮在空中，其中部分重会属元素能够被植物吸收， 部分通过沉降进入水体和土壤。在岩石圈深部，由于岩浆作用j 质变作用等复杂的地 球化学过程可能形成重金属富集的工业矿床，在矿床附近矿化地层发育的土壤，由矿 床流出的富含重金属的地下水在流动过程中形成的分散晕上发育的土壤，以及由被搬 运的矿化物质为母岩所发育的土壤重金属含量往往异常的高。 另一种是人为输入。它是指工农业的生产活动对土壤的污染，归纳起来包括以下 几方面。 a 交通污染源：汽车燃烧所产生的废气中含有大量的重金属，尤其是p b 的含量 虽高。各种车辆排放的废气携带固体粒子以播撒等方式将重会属粒子带入大气再经沉 降进入土壤，引起了重会属污染。通过对汽车尾气颗粒物中重金属元素含量分析发现， p b 的含量为3 7 ，n i 、c r 、c d 、m n 含量分别为3 4 5 、2 2 6 、3 2 、2 6 4 9 j 。汉 杰尔等【删于1 9 9 9 年9 月对乌鲁木齐市市区主要交通要道两侧土壤进行调查分析后发 现，由于受到汽车尾气的污染，土壤中的p b 、c d 等元素含量已经高于当地背景值4 5 倍。顾文兴l 的调查表明，土壤中的p b 含量与公路距离呈负相关，相关系数一0 9 9 5 。 公路、铁路两侧土壤重会属污染强度以公路、铁路为轴向两侧逐渐减弱，随着时间的 4 1 绪论 推移，公路、铁路土壤重金属污染具有很强的叠加性【5 2 1 。在法国索络涅地区a 7 1 号高 速公路沿途污染较为严重的重金属p b 、z n 、c d ，其沉降粒子浓度超过当地土壤背景 值2 8 倍，而公路旁重金属浓度比沉降粒子中高7 n 2 6 倍h 。 b 工业污染源：基础工业特别是采矿和冶炼业是向环境释放重金属的主要污染 源。1 9 8 9 年我国有色冶金工业向环境中排放重金属为5 6 t ，c d 为8 8 t ，a s 为1 7 3 t ， p b 为2 2 6 t 5 4 】。矿山酸性废水重会属污染的范围一般在矿山的周围或河流的下游，在 河流中不同河段的重金属污染往往受污染源( 矿山) 控制，河流同一污染源的下段自 上游到下游，由于金属元素迁移能力减弱和水体自净化能力的速度恢复，金属化学污 染强度逐渐降低。刘翠华等1 5 5 j 对我国北方某特大型锌厂周围土壤中重金属镉的含量进 行了分析检测，并用三种评价标准( 当地土壤背景值、土壤污染起始值和土壤环境质 量标准) 分别对土壤镉的污染程度进行了评价，研究结果表明：锌厂周围土壤受镉污 染严重，锌厂南部和西部5 h m 2 ，北部1 0 h m 2 范围内的表层土壤( 0 2 0 c m ) 达到了重 度污染，北部1 5 h m 2 处为中度一重度污染，北部2 0 h m 2 受到轻度污染。美国科罗拉多 州罗拉多流域受采矿的影响，重会属元素c d 、z n 、p b 、a s 的浓度，以污染源为最高， 之后随着与污染源距离延长而逐渐降低1 5 6 j 。 c 农业污染源：农业污染源种类比较多，如化肥、农药、塑料薄膜、污水灌溉、 污泥以及固体废物农用。 在常用的化肥中，氮肥和钾肥中重会属含量较少，磷肥中重金属含量较多，这与 磷矿沉积过程有关。海水中的重会属元素与磷发生共沉淀作用进入磷矿中，其中大部 分或全部的c d 进入磷肥中。经测定，我国6 7 个磷矿样本中c d 的含量在0 1 5 7 1 m g k g 之间，除去广西的几个不重要但含c d 高的小矿后，我国磷矿平均含c d 量为0 9 8 m g k g ，而我国磷肥中其它重金属元素含量则较高，全国近2 0 个磷肥( 过磷酸钙) 样 品中z i l 平均含量为2 9 8 m g k g ，n i 为1 6 9 m g k g ，c u 为3 1 1 m g , k g ，c r 为1 8 4 m g k g ， 常规钙镁磷肥中除z n 含量显著低于过磷酸钙外，n i 、c r 等元素由于添加蛇纹石其含 量显著增加，平均含量n i 为3 1 6 m g k g ，c r 为9 6 7 m g k g 5 7 1 。通过新西兰5 0 年前和现 今同一地点5 8 个土样分析，自施用磷肥后，c d 含量从0 3 9 m g k g 升至0 8 5 m g k g i ”j 。 w i l l i a m s 等1 5 9 l 研究发现，澳大利亚的表层土壤( o 7 5 c m ) c d 含量的增加与大量施 用过磷酸钙存在显著相关。 污水在农业中是一项水肥资源，它不仅解决了农业用水的紧张局面，而且污水为 农作物生长提供了氮、磷营养物质，是廉价而方便的水肥资源。但随着城市工业化的 迅速发展，大量的工业废水涌入河道，使城市污水中含有的许多重金属离子随着污水 灌溉而进入土壤。我国用污水灌溉农田的现象比较普遍，而且污染很严蕈，特别是北 方地区，据1 9 9 3 年中国环境状况公报l 删，全国工业废水排放量为2 1 9 5 亿t ，污灌污 1 绪论 染农田面积为3 3 x 1 0 6 h m 2 ，平均每公顷污灌农田年接纳工业污水6 6 4 5 t 。沈阳市张士 灌区因污灌使2 5 3 3 h m 2 农田遭受c d 污染，其中严重污染面积占1 3 1 6 ”。江西大余县 污灌引起的c d 污染面积达5 5 0 0 h m 2 ，其中严重污染面积占1 2 1 6 2 j 。 农药施用不合理、不科学不仅污染了农产品，而且残留在土壤中。陈同斌等i z 2 1 研究表明，香港农业土壤重金属含量普遍偏高，尤其是在果园土壤中更加明显，这主 要与农药的频繁使用有关。历史上，香港的果园曾大量使用含缸、c u 、p b 等重金属 的农药或其它农业化学物质。农用塑料薄膜生产应用的热稳定剂中含有c d 、p b ，在 大量使用塑料大棚和地膜过程中都可以造成土壤重金属的污染。污泥中含有大量的有 机质和氮、磷、钾等营养元素，但同时污泥中也含有大量的重金属，随着大量的市政 污泥进入农田，使农田中的重金属的含量在不断增高。 d 生活污染源：城市生活垃圾来源复杂，其中含有多种重金属。生活垃圾的含水 量比较大，在对生活垃圾场进行堆放或者填埋时，引起重金属元素的扩散和转移，这 样会污染土壤和地下水。张辉等1 6 3 】通过研究城市生活垃圾场附近土壤中的重金属污染 状况发现，这些区域的重会属c d 、h g 、c r 、c u 、z n 、n j 、p b 、a s 和c o 的含量高 于土壤背景值。重金属在土壤中的含量和化学形态分御特征受其垃圾释放率的影响， 且随距离的增加重金属含量逐渐降低。目前，有些地区或国家将垃圾直接施入农田， 这也是污染物进入土壤途径之一，长期使用必将使土壤中的重会属含量增加。 1 3 土壤重金属污染的特点及危害 1 3 1 土壤重金属污染的特点 与大气和水体的重金属污染相比，土壤重金属污染具有如下特点：( 1 ) 隐蔽性或 者潜伏性。土壤重金属污染在一定时期内不表现出对环境的危害性，当其含量超过土 壤承受力或限度时，或土壤环境条件变化时，重金属有可能突然活化，引起严重的生 态危害，有“化学定时炸弹”( c h e m i c a lt i m eb o m b s ，简称c t b s ) 的说法。( 2 ) 不可 逆性。进入土壤中的重金属不能被微生物降解，易积累，所以一旦土壤被重金属污染， 很难恢复。( 3 ) 日j 接性。土壤重会属对人的危害主要是通过食物链或者渗滤进入地下 水体实现的。( 4 ) 伴生性和综合性。在生念环境中，往往是多种重金属污染同时发生， 形成复合污染。 1 3 2 土壤重金属污染的危害 6 重会属进入土壤环境后，大部分被土壤吸附固定而积累于土壤中，农作物通过根 1 绪论 系吸收重金属并在体内积累，当重金属达到一定量时，对人及动物健康造成危害。 土壤中过量的重金属c a ，不仅能在植物体内残留，而且也会对植物的生长发育 产生明显的毒害。植物受c d 毒害后，c a 破坏叶片的叶绿素结构，降低叶绿素含量， 叶片发黄，严重的几乎所有的叶片都出现褪绿现象，由于叶片受到严重伤害，致使生 长缓慢，植株矮小，根系受到抑制，使作物生长受阻，产量降低i “。c d 主要通过呼 吸道和消化道进入人体，c d 进入人体与蛋白质分子中的基相结合，使多种酶受到抑 制，而且在一定条件下c d 可以取代z n ，从而干扰某些含锌酶的功能，破坏正常生化 反应，干扰了人体正常的代谢功能，使人体体重减少。 在重金属中p b 对植物的生长和产量的危害最小，但其在植物体内的残留累计对 动物和人体危害极大。积累在根、茎和叶内的p b ，可影响植物的生长发育，使植物受 害。周毅等惮j 就土壤中p b 对作物影响进行研究表明，土壤p b 处理浓度为1 0 0 m g k g ， 对大豆具有一定的刺激作用，但在3 0 0 m g k g 处理时，大豆的干粒重减少了7 ，产量 下降了3 4 ，到2 0 0 0 m g k g 处理时，干粒重减少2 0 ，产量下降了6 8 。人体摄入 过量p b ，会引起中枢神经系统损伤，损害骨髓造血系统。 h g 是危害植物生长的元素，当土壤中含h g 量过高时，h g 不但能在植物体内积 累，还会对植物产生毒害。金属状态的h g 进入人体后不会被吸收，生物学活性很低， 并可排除体外。h g 的挥发性很强，人体若吸入蒸汽汞会产生明显的毒害，从呼吸道 进入人体的h g 的吸收率可达7 5 1 0 0 o ，并且这部分h g 能透过肺泡膜进入血液，蓄 积在人体组织中，蒸汽汞会引发各种病症，如进入脑中，会引起中枢神经系统的严重 损伤。 c r 在植物体内的迁移能力比h g 、c d 弱得多，低浓度的c r 对作物有一定的刺激 生长作用。但当土壤环境中c r 超过一定含量时，则对植物产生危害。c r 的毒性主要 是由c r 6 + i j l 起的，c ，的毒性主要表现为引起呼吸道疾患、肠胃道疾患等，c r 由呼 吸道吸入时有致癌作用，通过皮肤和消化道大量吸收能致死。 c u 、z n 和n i 是人体必不可少的微量元素，它们或是构成人体多种酶、辅酶的必 需元素，或激活酶活性，对人体的新陈代谢、生长发育、组织修复等起着极为重要的 作用。如人体2 0 0 多种酶的活性都与z n 有关，n i 可以活化某些酶。但是当人体从外 界环境中摄取过多的c u 、z n 和n j 时将损害人体健康。 1 4 研究的目的和意义 土壤是人类赖以生存的物质基础，是人类不可缺少、不可再生的自然资源，也是 人类环境的重要组成部分，土壤污染对人类的危害极大，它不仅直接导致粮食减产， 而且通过食物链影响人体健康。重金属元素是土壤环境中一类较突出的污染物，由于 1 绪论 重金属元素不能为土壤微生物所分解，且土壤重金属污染具有蓄积性的特点，土壤 旦遭受重金属污染，就难以在短时间内消除。因此，土壤重金属污染一直是国内外土 壤环境保护研究的重要内容。 分析国内外区域土壤重金属污染研究状况，可以看到存在以下几