【某高质量农田地区表层土壤重金属的来源解析分析案例3000字】

某高质量农田地区表层土壤重金属的来源解析分析案例1.1基于受体模型APCS-MLR的表层土壤重金属来源解析APCS-MLR模型识别出4个来源因子(图3-3)。通过分析对应的源成分谱发现，因子1对Al、Fe、Mn、Cu、Zn、Hg、Pb具有更高的因子载荷；因子2对Ca、Zn、Cd具有更高的因子载荷；因子3对K、Mg、Na具有相对较高的因子载荷；因子4则对Cr、Ni、Cu具有较高的因子载荷。(1)因子1Fe、Al、Mn、Cd、As、Zn、Cu和Hg在因子1具有更高的因子载荷(图3-3)。氧化铝和氧化铁是土壤中主要氧化物，其含量稳定，很少受到人为活动的影响，它更多与母质有关(Allen-Giletal.,2003;Wangetal.,2019a)。研究表明，铁、铝和锰氧化物以及铁锰结核是土壤中微量元素的重要吸附剂，它们在母岩风化后更多的累积在土壤中(Acostaetal.,2011;Mikkonenetal.,2018;Nietal.,2009)。碳酸盐岩的风化程度在本研究中最强，导致铁、铝和锰的含量最高。由图3-4可知，因子1高值区与Al、Fe含量高值区、碳酸盐岩成土区相吻合。而且，因子1具有较低块金系数(RNS=0.17)。因此，我们认为因子1代表自然来源(地质背景和风化作用)。需要指出的是，这与以往有关Cd、Cu、Pb、Zn、As、Hg来自工农业和交通排放的报道不同，主要是由于研究区特殊的地球化学背景和土壤形成过程所致。图3-SEQ图_3-\*ARABIC3基于APCS-MLR模型的土壤重金属来源识别Fig.3-4SourcefingerprintsofheavymetalfromeachfactorgeneratedbyAPCS-MLR图3-SEQ图_3-\*ARABIC4来源因子得分空间分布图Fig.3-4Spatialdistributionoftheabsoluteprincipalcomponentscore(2)因子2Ca、Cd和Zn在源因子2中具有较高的因子载荷。因子2的高值区分布在10号土壤采样点所在的横州镇东部(图3-4b)。该区Ca、Cd和Zn含量极高，分别为80885.7、478.4和5.62mg/kg，土壤pH值(pH=8.24)也高于其它地区。变异系数分别为184%、120%和61.4%。显然，Ca、Cd和Zn的含量受到人类活动的影响。通过叠加研究区内企业点位分布以及采样期间的现场调查，该区域分布有大量以石灰厂、水泥厂等建筑原材料相关的企业。CaO是石灰的主要矿物成分，水泥的原材料是石灰石和粘土，通常水泥中的CaO约占总量的60.2–66.3%(Zhietal.,2016)。因此，该成分被解释为建筑原材料相关行业活动的排放源。有研究表明，石灰岩矿区和水泥厂附近土壤以及干湿沉积层中的Cd和Zn含量随距水泥厂距离的增加而降低(Adejumoetal.,1994;Al-KhashmanandShawabkeh,2006)。Zhietal.(2016)报道称建材厂粉尘中Cd的浓度为1.36–25.4mg/kg，远高于当地土壤背景值。此外，在水泥生产过程中，原材料中约84–90%的Pb和Cd通过灰尘和其他途径逸出，最终进入周围土壤(林少敏和黄利榆,2010)。因此，因子2被识别为以建筑原材料为主的工业活动来源。(3)因子3因子3以K、Na和Mg等碱土金属为主，其得分高值区分布在中酸性岩石(如花岗岩)广泛发育的东南部。石英和长石矿物(尤其是钾长石和斜长石)是中酸性岩石的主要成岩矿物(Xueetal.,2014)。Na、K和Mg和其他化学活性元素通常出现在长石矿物中(Huang,1989)。将4种母岩发育土壤中K、Na和Mg含量与相应的土壤背景值进行比较发现，表层土壤中K和Na含量分布与土壤背景值一致，中酸性母岩及其形成土壤的含量显著高于其他母岩。此外，碎屑岩、第四系沉积和碳酸盐岩中K、Na和Mg的平均含量均低于相应背景值低2–7倍。Acostaetal.(2011)认为土壤中Na和K等碱金属相对于成土母岩的含量较低的原因和原生矿物在风化过程中的淋失有关。因此，我们认为成土母岩决定了K、Na等碱土金属的分布来源。Jiangetal.(2017)和Mikkonenetal.(2018)也发现相似的结论。此外，K、Na和Mg的变异系数显著低于其他元素，且因子3的块金系数(RNS)仅0.247，表明其受人为影响较弱。故因子3也被识别为自然来源。(4)因子4Cr和Ni在因子4中具有较高的载荷。但Cr和Ni与反映土壤自然来源的Al、Fe相关性低且不显著，表明土壤Cr和Ni的累积可能受到人为输入的干扰(Chenetal.,2009)。因子4的高值区集中在良圻农场附近(图3-4d)，以及东部部分农田和主要交通干线道路附近(G209和S101)。其中，良圻农场内建有一座复合化肥厂。通过查阅《横县统计年鉴》(南宁市统计局，2018)和走访当地农民和化肥厂，钙镁磷复合肥的年施用量最高，平均为106618吨/年。Chenetal.(2006)发现，钙镁磷复合肥中Cr的含量最(156.93mg/kg)，而Cd、Pb、Hg和As的含量极低，分别为0.1、6.26、0.27和4.37mg/kg。而且，也有研究认为Ni含量的局部异常可能由污水灌溉所导致(Lietal.,2009)。由此可以推断，Cr和Ni的主要来源是农业活动，包括施肥或污水灌溉。其他有关研究也得出了类似的结果(Duanetal.,2015;Tuetal.,2011)。此外，铜镍合金是汽车零部件的重要原材料，随着机械零件的老化，部分Cu和Ni被排放到周围环境中(Hjortenkransetal.,2006;Lietal.,2004)。Johanssonetal.(2009)研究发现，交通排放物中80%以上的Ni是由废气排放造成的。此外，Cr和Ni的变异系数远大于36%，属于高度变异；且因子4的块金系数为0.36，说明这些元素受到人类活动的干扰。基于以上分析，因子4被解释为农业活动和交通排放来源。图3-5计算了不同因子来源对土壤重金属富集的贡献率。其中，母岩背景和风化作用对Cd、Cu、Zn、As、Hg和Pb的贡献最大，范围为65.5～99%，表明6种元素主要受到自然来源的影响(图3-5a)。34.5%的Cd和16.5%的Zn来自工业活动。农业和交通排放控制了65.7%的Ni，56%的Cr和18.5%的Cu，明显高于其他5种元素。整体来看，对土壤重金属贡献最大的是母岩背景和风化作用，而工业排放、农业交通排放的贡献率分别为18.23%和18.95%(图3-5b)。图3-SEQ图_3-\*ARABIC5表层土壤重金属来源贡献量解析(a)不同因子对各元素的贡献量;(b)不同来源对整体土壤重金属的贡献量Fig.3-5SourcecontributionstoPTEsofeachfactorgeneratedbyAPCS-MLR.(a)Thecontributionofdifferentfactorloadstoeachelement;(b)thecontributionofdifferentsourcestototalsoilheavymetals1.2基于稳定Pb同位素的表层土壤重金属来源解析通常，源解析模型APCS-MLR的应用是假设研究区土壤重金属污染物总浓度等于各来源贡献量总和(Wuetal.,2019a)。但在现实环境下，人类活动如交通排放、农业活动或者点源污染是无法影响到整个研究区土壤(Maieretal.,2013)。本文中成土母岩的高度空间异质性也大大增加了受体模型解析结果的不确定性。因此，我们将空间异质性引入区域土壤重金属来源解析当中，采用Pb同位素和IsoSource模型对不同母岩类型形成土壤的Pb进行示踪和来源贡献解析。图3-6可以看出，不同母岩发育土壤中同位素分布存在一定差异。由右下角到左上角依次为碳酸盐岩发育土壤、第四系沉积岩发育土壤、中酸性岩发育土壤和碎屑岩发育土壤，且共同形成了较好的线型趋势，它们的Pb同位素208Pb/206Pb和206Pb/207Pb平均值依次为1.944、1.248；2.061、1.219；2.101、1.197；2.087、1.204。相应地，土壤背景Pb同位素分布也呈现为类似特征，且背景值与其发育土壤距离较近，说明土壤中重金属含量很大程度继承了土壤母质来源。相反，煤炭(Kongetal.,2018a)、尾矿(Kongetal.,2018a)、汽车尾气排放(Zhaoetal.,2011)、钾肥(Chenetal.,2018b)、磷肥(Chenetal.,2018b)等人类活动来源的Pb同位素比值离土壤距离较远，尤其远离碳酸盐岩发育土壤，整体偏离了这一线型趋势，表明研究区土壤Pb较少受到人类活动排放物源污染。图3-SEQ图_3-\*ARABIC6不同母岩类型发育土壤与各潜在端元Pb同位素比值图CLS表示碎屑岩形成土壤;CLSBK表示碎屑岩形成土壤背景;QSS表示第四系母岩形成土壤;QSSBK表示第四系母岩形成土壤背景;MAS表示中酸性岩形成土壤;MASBK表示中酸性岩形成土壤背景;CAS表示碳酸盐岩形成土壤;CASBK表示碳酸盐岩形成土壤背景Fig.3-6Pbisotoperatioofsurfacesoilwithparentmaterialsandhumanactivities(CLS:soilderivedfromclasticrock;CLSBK:backgroundofsoilderivedfromclasticrock;QSS:soilderivedfromQuaternarysediments;QSSBK:backgroundofsoilderivedfromQuaternarysediments;MAS:soilderivedfrommoderatelyacidicrock;MASBK:backgroundofsoilderivedfromgraniterock).IsoSource模型计算的不同母岩发育土壤Pb污染的贡献比例见表3-9。总体来看，土壤Pb污染来源中土壤背景贡献最大，平均贡献率为74%；其他人类输入来源均不足10%。其中，碳酸盐岩发育土壤母岩来源贡献最高，平均值为94.8%，人为来源贡献最少；中酸性岩发育土壤55%来源于母岩，其他45%则由人类活动外源输入，其中氮肥和钾肥的贡献率达到11.5%和12.1%。表3-SEQ表_3-\*ARABIC9基于Pb同位素的土壤重金属来源解析Table3-9Contribution(%)ofPbsourcetosurfacesoilsbasedonPbisotoperatio碎屑岩土壤第四系