山東省濱城區(qū)耕地土壤重金屬富集原因分析,土壤污染論文

山東省濱城區(qū)耕地土壤重金屬富集原因分析,土壤污染論文土壤作為種養(yǎng)農(nóng)產(chǎn)品的重要環(huán)境要素,其質(zhì)量的好壞直接決定了所獲取農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)與數(shù)量。隨著工業(yè)化、城市化進(jìn)程的快速推進(jìn),使得重金屬、化學(xué)農(nóng)藥等污染物通過(guò)大氣煙塵沉降、污水灌溉、垃圾填埋處理等多種途徑進(jìn)入土壤。重金屬污染物進(jìn)入土壤后不能被土壤微生物分解,逐步在土壤中積累,進(jìn)而被作物吸收。因而,對(duì)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤中重金屬的來(lái)源進(jìn)行調(diào)查,并對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià),是保障農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境安全的基礎(chǔ)工作。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外對(duì)土壤中重金屬來(lái)源解析研究逐步增加,用于斷定環(huán)境重金屬來(lái)源的源解析方式方法也越來(lái)越遭到關(guān)注。楊忠平等對(duì)長(zhǎng)春市土壤Pb污染進(jìn)行了同位素示蹤研究,發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)春市中心城區(qū)土壤Pb污染主要來(lái)源于汽車尾氣殘留污染以及工業(yè)燃煤排放,而與當(dāng)下汽車尾氣排放量關(guān)系不密切。同位素示蹤研究法能夠示蹤長(zhǎng)時(shí)間跨度、大空間范圍的物質(zhì)的運(yùn)動(dòng),能夠反演或預(yù)測(cè)元素演化經(jīng)過(guò)的環(huán)境,成為研究生態(tài)和環(huán)境問(wèn)題的有效手段,但較為精到準(zhǔn)確、穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)僅僅適用于鉛、鋅、鍶、銅和鎘等5種重金屬元素。另外一種常用方式方法為統(tǒng)計(jì)分析法。研究者通常利用相關(guān)分析、主成分分析等方式方法來(lái)判定土壤重金屬含量中受人為因素影響明顯的元素;但多數(shù)研究在運(yùn)用主成分分析時(shí),只針對(duì)研究目的元素,對(duì)反映自然和人為作用的土壤養(yǎng)分信息考慮較少。本研究擬以黃河三角洲濱州市濱城區(qū)為研究區(qū),將研究區(qū)域內(nèi)表層土壤中7種重金屬(Pb、Hg、Cu、Cd、Cr、As和Zn)信息與速效磷、速效鉀等養(yǎng)分信息結(jié)合進(jìn)行主成分分析,討論研究區(qū)土壤重金屬富集原因,同時(shí)利用主成分分析的結(jié)果對(duì)產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),旨在為農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地認(rèn)證和土地可持續(xù)利用提供借鑒。1材料與方式方法1.1研究區(qū)大概情況濱州市濱城區(qū)位于華北平原,黃河下游。地處東經(jīng)117.47~118.09,北緯37.13~37.36,總面積1040.06km2。境內(nèi)有黃河和徒駭河,自西南向東北流經(jīng)全境。土壤主要類型為潮土和鹽土,土壤表層質(zhì)地所占面積分別為:輕壤56.7%、中壤26.9%、重壤8.2%、沙壤7.9%、粘土0.3%。黃河沖積物是唯一成土母質(zhì)的基礎(chǔ)物質(zhì),同時(shí)存在土質(zhì)鹽漬化。1.2采樣處理與分析根據(jù)研究區(qū)土壤肥力分等圖班,在保證樣品具有代表性的前提下,于2018年4月共采集了47個(gè)土壤樣品。采樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。采樣時(shí),使用手持式GPS記錄樣點(diǎn)的位置坐標(biāo),每個(gè)樣點(diǎn)在離地塊邊界100m范圍內(nèi)采集0~20cm的耕層土壤,采用四分法混合后作為該區(qū)域的混合樣本。土樣經(jīng)過(guò)風(fēng)干、磨碎及過(guò)篩后,按GB/T153372008進(jìn)行土壤重金屬含量檢測(cè)。檢測(cè)參數(shù)包括7種重金屬元素(As、Hg、Pb、Cd、Cr、Cu和Zn)以及速效磷、速效鉀,華而不實(shí)As和Hg采用氫化物原子熒光法測(cè)定;Pb和Cd采用石墨爐原子吸收光譜法測(cè)定;Cr、Cu和Zn采用火焰原子吸收光譜法測(cè)定;速效磷含量采用碳酸氫納浸提,分光光度法測(cè)定;速效鉀含量采用乙酸銨浸提,火焰光度法測(cè)定。1.3主成分分析主成分分析法以降維為目的,將多個(gè)變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)互不相關(guān)的幾個(gè)變量,通過(guò)較少的變量得到最多的信息量。對(duì)土壤重金屬進(jìn)行主成分分析,再對(duì)濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,以便從諸多的影響因素中找出具有最大相關(guān)性的影響因子,為追溯土壤重金屬來(lái)源提供根據(jù)。本研究運(yùn)用SPSS20.0統(tǒng)計(jì)軟件包進(jìn)行主成分分析。為了消除變量之間在數(shù)量級(jí)和量綱上的差異,采用Z分?jǐn)?shù)法(ZSocre)對(duì)重金屬數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。采用KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)和Bartlett(BartletttestofSphericity)法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)集進(jìn)行主成分分析適宜性檢驗(yàn),華而不實(shí)KMO統(tǒng)計(jì)量取值為0~1。常用的KMO度量標(biāo)準(zhǔn)為:0.9表示非常合適;0.8表示合適;0.7表示一般;0.6表示不太適合;0.5表示極不適合。Bartlett用來(lái)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),當(dāng)SIG0.05時(shí),則以為原變量間的相關(guān)性顯著,合適于作因子分析。1.4農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方式方法1.4.1評(píng)價(jià)方式方法1)單因子指數(shù)法。單因子指數(shù)法是對(duì)研究對(duì)象的某個(gè)單因子進(jìn)行指數(shù)權(quán)重評(píng)定。借助于單因子指數(shù),能夠判定研究對(duì)象單因子的污染程度,并且能夠作為多因子綜合評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)指標(biāo)使用。通常利用量綱1進(jìn)行污染物間比照,常采用實(shí)測(cè)值和標(biāo)準(zhǔn)值的比例來(lái)計(jì)算。Pi=Ci/Si(1)式中:Pi為i污染物的單因子指數(shù),Ci為對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)值,Si為該污染物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),下標(biāo)i分別表示土壤重金屬Pb、Hg、Cu、Cd、Cr、As和Zn。當(dāng)Pi1時(shí),表示清潔,處于污染等級(jí)1;1Pi2,表示輕度污染,處于污染等級(jí)2;2Pi3,表示中度污染,處于污染等級(jí)3;Pi3,表示重度污染,處于污染等級(jí)4。2)加權(quán)綜合污染指數(shù)法。加權(quán)綜合得到的環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果能夠有效的揭示不同評(píng)價(jià)因子間的內(nèi)在聯(lián)絡(luò),其評(píng)價(jià)結(jié)果更接近環(huán)境質(zhì)量的實(shí)際狀況,計(jì)算公式為【2】式中:P綜為檢測(cè)樣點(diǎn)的綜合污染指數(shù);Pi為i污染物的單因子指數(shù);i為第i個(gè)污染物權(quán)重系數(shù),本研究中通過(guò)主成分分析得到。當(dāng)P綜0.7時(shí),表示清潔,處于污染等級(jí)1;0.7P綜1,表示尚清潔,處于污染等級(jí)2;1P綜2,表示輕度污染,處于污染等級(jí)3;2P綜3,表示中度污染,處于污染等級(jí)4;P綜3,表示重度污染處于污染等級(jí)5。1.4.2評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)家為了防止土壤污染、維護(hù)人體健康、保衛(wèi)生態(tài)系統(tǒng)所制訂的土壤中污染物在一定空間和時(shí)間范圍內(nèi)的容許含量值,因而本研究選擇食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(HJ/T3322006,6.5pH7.5)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。2結(jié)果與分析2.1土壤重金屬的描繪敘述性統(tǒng)計(jì)分析對(duì)研究區(qū)域的47個(gè)樣品測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果見(jiàn)表1。研究區(qū)農(nóng)田土壤中Pb、Hg、Cd、Cu、Cr、As和Zn含量的范圍分別為14.3~31.4、0.038~0.383、0.006~0.112、5.4~36.7、14.7~28.5、7.1~8.6和32.8~79.3mg/kg。參照食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(6.5pH7.5),表示清楚7種重金屬的含量均沒(méi)有超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值。進(jìn)一步將7種重金屬總量與研究區(qū)土壤重金屬含量背景值相比可知,部分樣點(diǎn)中Pb、Cd、Cu和As總量超過(guò)背景值,超出比例分別為38.3%、46.8%、42.6%和14.9%。由此可知,研究區(qū)農(nóng)田土壤中Pb、Cd、Cu和As含量存在一定程度的累積趨勢(shì)。從變異系數(shù)看,Hg、Cd和Cu元素的變異系數(shù)較高,到達(dá)中等變異,華而不實(shí)Hg元素變異程度最大,表示清楚其受外界因子干擾尤其是人為活動(dòng)影響最大。其余各元素的變異系數(shù)均在30%下面,屬于弱變異。不同元素在土壤中的變異系數(shù)大小順序?yàn)镠gCdCuPbZnCrAs?！颈?】2.2土壤重金屬污染來(lái)源分析采用主成分分析法對(duì)研究區(qū)表層土壤中重金屬污染物的主要來(lái)源進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)分析前,首先進(jìn)行主成分分析適宜性檢驗(yàn),對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行KMO和Bartlett檢驗(yàn),得到的KMO值為0.745,表示清楚適宜進(jìn)行主成分分析;Bartlett檢驗(yàn)的顯著水平小于0,因而,可以為相關(guān)系數(shù)矩陣與單位矩陣有顯著差異,以上檢驗(yàn)結(jié)果均表示清楚原始數(shù)據(jù)集合適進(jìn)行主成分分析。主成分分析結(jié)果見(jiàn)表2和表3。由表2可知,前3個(gè)主成分的累積奉獻(xiàn)量到達(dá)了82.782%,表示清楚前3個(gè)主成分能夠較好地代表原數(shù)據(jù)所蘊(yùn)涵的信息。由表3的主成分載荷系數(shù)能夠看出,重金屬Hg、Cd、Cr、As以及速效磷在主成分1上具有較高載荷,重金屬Pb、Cu和Zn在主成分2上具有較高載荷,而速效鉀在主成分3上具有很高的載荷。主成分分析的目的不僅在于找出主成分,更重要的是明確各主成分的意義,明確每個(gè)主成分所代表的污染源。根據(jù)土壤學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)研究結(jié)果,土壤速效鉀含量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性,空間變異主要受構(gòu)造性因子(土壤母質(zhì)、土壤類型、地形等)的影響;土壤速效磷含量具有中等空間相關(guān)性,空間變異受構(gòu)造性因子和隨機(jī)性因子(施肥、耕作、點(diǎn)源污染等)共同影響。因而,速效鉀含量在很大程度上反映了土壤母質(zhì)信息,而速效磷含量在一定程度上能夠表征農(nóng)用施肥對(duì)土壤影響的程度。速效磷在主成分1上具有較高載荷(表3),講明主成分1反映了農(nóng)用施肥作用對(duì)土壤影響的結(jié)果。由此可推斷出,同樣受主成分2決定的重金屬Hg、Cd、Cr和As主要源于化肥、農(nóng)藥、有機(jī)肥的過(guò)度施用以及污水灌溉。速效鉀在主成分3上具有較高載荷,講明主成分3反映了與土壤母質(zhì)相關(guān)的自然因素。而Pb、Cu和Zn共同受主成分2決定,該主成分與土壤母質(zhì)相關(guān)的自然因素和影響土壤磷累積的農(nóng)田施肥作用無(wú)關(guān)。大量研究表示清楚,汽車尾氣及汽車輪胎磨損產(chǎn)生的有害氣體成為土壤中Pb累計(jì)的主要來(lái)源。2.3農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)對(duì)濱州地區(qū)47個(gè)采樣圖斑的重金屬含量分別進(jìn)行單因子指數(shù)評(píng)價(jià)和加權(quán)綜合評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表4。研究區(qū)土壤中重金屬Pb、Hg、Cd、Cu、Cr、As和Zn單因子污染指數(shù)的平均值分別為0.45、0.65、0.19、0.24、0.10、0.01和0.22,根據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)均處于安全等級(jí)。重金屬元素Hg的單因子污染指數(shù)到達(dá)輕度污染水平,占總采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)的21.3%。主成分分析確定污染指標(biāo)權(quán)重方式方法見(jiàn)以下為參考文獻(xiàn)。7種重金屬污染元素的權(quán)重分別是i=(0.006、0.155、0.246、0.065、0.238、0.215、0.074),i分別代表重金屬Pb、Hg、Cu、Cd、Cr、As和Zn。根據(jù)式(2)計(jì)算可知,研究區(qū)土壤環(huán)境加權(quán)綜合污染指數(shù)平均值為0.54,表示清楚研究區(qū)大部分地區(qū)屬于土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)安全等級(jí)。47份土壤樣品中,加權(quán)綜合污染指數(shù)處于1級(jí)水平的占總采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)的83%,處于2級(jí)水平的占17%。將各采樣點(diǎn)加權(quán)綜合污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果與位置數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián),利用地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS進(jìn)行渲染顯示,得到農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地質(zhì)量綜合污染指數(shù)空間分布圖(圖2)?？芍?加權(quán)污染指數(shù)較大(P綜0.7)的點(diǎn)主要分布于研究區(qū)中西部及東部,北部和南部大部分地區(qū)其加權(quán)污染指數(shù)一般較低(P綜0.7)。濱城區(qū)的化工廠和農(nóng)藥廠主要集中在中部地區(qū),農(nóng)用地則主要集中在周邊地區(qū),東區(qū)是濱城區(qū)新的行政中心,已新建城市道路21條、道路總長(zhǎng)100km,車輛通行量較多。綜合以上分析及污染源解析結(jié)果可知,研究區(qū)中西部及東部部分地區(qū)受工業(yè)、農(nóng)業(yè)和交通等來(lái)源引起的土壤重金屬污染到達(dá)了環(huán)境質(zhì)量警戒線,應(yīng)當(dāng)引起有關(guān)部門(mén)的重視。2.4討論研究區(qū)Hg元素變異程度最大,表示清楚在整個(gè)研究區(qū)域受人為干擾影響最為明顯。同樣,通過(guò)對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行單因子指數(shù)評(píng)價(jià)得出重金屬元素Hg的單因子污染指數(shù)到達(dá)輕度污染水平,占總采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)的21.3%。固然我們國(guó)家施用的磷肥中重金屬含量遠(yuǎn)低于世界主要國(guó)家,但長(zhǎng)期施用也將會(huì)造成土壤重金屬Hg的污染。除此之外,以畜禽排泄物、固體廢棄物及生活垃圾為原料的有機(jī)肥對(duì)土壤重金屬的累積有著重要的影響,尤其對(duì)土壤中Hg含量的提高幅度相對(duì)較大,同時(shí)將導(dǎo)致作物籽粒中重金屬的富集。因而,應(yīng)嚴(yán)格控制人為因素對(duì)土壤的污染,十分是Hg元素。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)過(guò)中應(yīng)盡量施用重金屬含量低的農(nóng)用物資,以減少重金屬在土壤中的累積,最大限度地延長(zhǎng)土地健康使用年限。3結(jié)論本研究以黃河三角洲濱州市濱城區(qū)為研究區(qū),通過(guò)對(duì)其表層土壤中7種重金屬(Pb、Hg、Cu、Cd、Cr、As、Zn)、速效磷和速效鉀進(jìn)行主成分分析,討論了研究區(qū)土壤重金屬構(gòu)成原因,同時(shí)對(duì)產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià),研究得到下面結(jié)論:1)研究區(qū)農(nóng)田土壤中Pb、Hg、Cd、Cu、Cr、As和Zn含量的平均值均未超過(guò)食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(6.5pH7.5)。進(jìn)一步將7種重金屬總量與研究區(qū)土壤重金屬含量背景值相比能夠看出,部分樣點(diǎn)土壤中Pb、Cd、Cu和As總量超過(guò)背景值?？梢?jiàn),研究區(qū)農(nóng)田土壤中Pb、Cd、Cu、As含量存在一定程度的累積趨勢(shì)。2)將土壤重金屬含量和土壤養(yǎng)分所反映的信息綜合起來(lái)進(jìn)行主成分分析。結(jié)果表示清楚:研究區(qū)表層土壤中的重金屬來(lái)源存在差異,華而不實(shí)重金屬Hg、Cd、Cr和As主要源于化肥、農(nóng)藥、有機(jī)肥的過(guò)度施用以及污水灌溉;Pb、Cu和Zn主要源于粉塵及汽車輪胎磨損所產(chǎn)生的大量含重金屬的有害氣體。3)根據(jù)食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),研究區(qū)域的表層土壤單項(xiàng)污染指數(shù)平均值均小于1,處于安全等級(jí);重金屬元素Hg的單因子污染指數(shù)到達(dá)輕度污染水平,占總采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)的21.3%,表示清楚Hg在該地區(qū)表現(xiàn)出明顯的污染特征;加權(quán)綜合污染數(shù)平均值0.7,講明絕大多數(shù)地區(qū)處于安全等級(jí),部分地區(qū)處于警戒線水平。以下為參考文獻(xiàn)[1]梁堯,李剛,仇建飛,等.土壤重金屬污染對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的影響及其防治措施[J].農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量與安全,