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_图文

1、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 、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

2、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 250000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153。重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

3、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020cm 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1000g 。样品采集均使用新的布袋,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 、H g

4、、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 数据处理地球化学标准化方法(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。ALOU PI 等2在研究希腊H abo r 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3,4,525。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

5、活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:c m=ac N+b(1式中:c m为样品中某活性元素的质量浓度,m g/kg;c N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:B m=a c N+b(2式中:B m为样品中活性元素的地球化学基线值, mg/kg;c N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Al665 67、Li7和Y8等。Al标准化方法是被广泛接受的减少粒径效应的方法之一668 71,本文采用A l作为标准化元素。目前,判定人为环境影响较通用的方法是富

6、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=c mc N样品B mc N基线(3土壤中富集因子与人为污染的关系见表1525。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、H g、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H g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

7、.19、1.44倍。从重金属含量范围和变异函数来看,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A l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A l的线性相关性较好,其地球化学基线值与GB15618#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H g与标准化元素Al的线性相关性不好,但H g、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结

8、果重金属元素最小值/(mgkg-1最大值/(mgkg-1方差变异函数t检验值全国土壤背景平均值/(m gkg-1重金属元素基线模型R1地球化学基线值/(mgkg-1浙北平均值2/(m gkg-1土壤环境质量标准!(GB15618#1995一级标准限值/(mgkg-1值也可信,造成相关性差的原因可能与Cd 、H g 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。 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;H g 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

9、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162 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。H g 单独一族与人类活动有直接关系,目前普遍认为人类越密集的地区,土壤H g 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

10、污染/件中度污染/件显著污染/件As 142200C r 181800Cu 132300Pb 102600Ni 92700Zn 162000Cd 211500H g24102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,72.2%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H g 污染,污染程度除了5.6%的农田土壤受到了H g 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

11、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H g 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

12、镇表现为Cd、Pb、As、Cr、Zn、Cu和Ni人为污染;新埭镇为As、N i、Pb和Cd 人为污染;曹桥镇为Ni、Cr、A s、Cd和H g人为污染;钟埭镇为Cu、Ni、As、Cr和H g人为污染;广陈镇为Zn、Cu、Ni、As、Cd和Cr人为污染;新仓镇为Zn、Pb、Ni、As、Cr和H g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

13、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;H g和Cd虽与Al线性相关性不好,笔者认为其基线值也可信。造成Cd和H g与标准化元素Al的线性相关性不好的原因可能与Cd和H g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H g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H g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

14、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 coas tal s ediments of th e island ofLesvos,Aegean S eaJ.Environmental Pollution,2001,113(2:211 21

15、9.3 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(3:374 379. 4 腾彦国,庹先国,倪师军,等.地球化学基线的确定方法研究#以攀枝花地区为例J.成都理工大学学报,2003,30(4:422 428.5 杜加强,滕彦国,王金生.德兴地区土壤重金属人为污染的地球化学评价J.安全与环境学报,2007,7(5.6 DONOGH UE J F,RAGLAND P C,CHE N Z Q.Standardardization of metal concentrations in sedim ents us ing regression

16、 res iduals:an example from a large lak e in Florida,US AJ.En viron mental 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,PALENCS AV A J,et al.Yttiumnormalization:a new tool for detection of ch romium contamina tion in soil sam plesJ.Environmental Geoch emistry and

17、H ealth,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 COVELLI S,FONTOLAN G.Application of a n ormalizationprocedure in detemin ing regional geoch emical baselinesJ.Environmental Geology,1997,30(1/2:34 45.11 王济,王世杰,欧阳自远.贵阳市表层土壤中汞的环境地球化学基线及污染研究J.农业环境科学学报,2007,26(4:1417 1421.12 邓必荣,毛大发,江

18、俊杰,等.南昌市及周边地区Hg、Cd等重金属异常分析J.地质调查与研究,2007,30(4:277 283. 13 赵国涛,尚英男,王福刚,等.成都市近地表大气降尘中汞元素的分布与质量控制J.广东微量元素科学,2006,13(5:2227.14 王云,魏复盛.土壤环境元素化学M.北京:中国环境科学出版社,1995:149 152.15 郑袁明,陈同斌,陈煌,等.北京市不同土地利用方式下土壤铅的积累J.地理学报,2005,60(5:791 797.16 李海华,刘建武,李树人,等.土壤植物系统中重金属污染及作物富集研究进展J.河南农业大学学报,2000,34(1:30 34.17 邓焕广,张菊,陈振楼,等.上海市老港垃圾填埋场潮滩重金属污染及评价研究J.土壤通报,2007,38(2:347 350.责任编辑: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