典型区域土壤—水稻系统重金属污染空间变异规律及迁移转化特征研究

论文摘要

近年来,随着经济的发展,,工矿企业的“三废”带来的重金属对周围土壤-作物系统产生污染越来越严重。苏南地区是我国经济发展最快的地区之一,与此相关的环境问题得到国内很多学者的高度关注。本论文选择具有代表性的苏南某废弃冶炼厂附近农田土壤重金属污染区（面积12.1 km2）为研究区,通过网格（约300～400米）采样并在重点研究区加密的采样方式,共采集了表层土壤样品和对应水稻籽粒样品各113个,其中重点研究区深层土壤样品（20～40 cm）32个。在分析土壤pH,有机质,部分重金属有效态及其全量和水稻籽粒中重金属含量等基础上,借助GIS软件和地统计学方法探讨了研究区内土壤-水稻系统重金属复合污染的空间变异规律及迁移特征。同时,沿贯穿研究区的国道设置3个监测断面（每个断面根据距路基的不同距离采集了5个样点）进行监测分析,以探讨公路对土壤重金属空间分布的影响。监测结果表明,研究区表层土壤（0～20cm）Cu、Pb呈局部污染而Cd污染严重。土壤Cu全量介于21.7～145.9 mg·kg-1之间,有21.2%的样点含量超过国家二级标准;土壤Pb全量介于19.5～459.0 mg·kg-1,有3.5%的样点含量超标;土壤Cd全量介于0.69～27.8mg·kg-1之间,全部超标。Cu、Pb、Cd有效态含量平均值分别为8.13 mg·kg-1、10.7mg·kg-1和0.72 mg·kg-1,Pb、Cd这两种重金属元素的有效态含量都相对较高。在糙米中,Cu含量在0.3～15.5 mg·kg-1之间,平均值为2.0 mg·kg-1,有1.8%的样点超标;Pb含量在0.04～5.8 mg·kg-1之间,平均值为0.59 mg·kg-1,有36.3%的样点超标;Cd含量在0.003～27.4 mg·kg-1之间,平均值为0.20mg·kg-1,有27.4%超标。研究区土壤安全利用的风险值得关注。地统计分析结果说明:在表层土壤中（0～20cm）,Pb全量和有效态、Cd全量和有效态、pH和有机质的空间相关性均为中等,人为因素和非人为因素在变异中都占十分重要的地位;Cu全量和有效态空间相关性最差（基底方差/基台值大于75%）变异主要由人为因素引起。三种重金属的变异都为东南-西北方向这与pH和有机质的变异方向是不一致的。糙米中Cu、Pb、Cd的空间变异情况与土壤Cu、Pb、Cd的变异是一致的。进一步对表土中Cu全量进行协同克里格分析（cokriging）发现,Cu与Pb、Cu与Cd协同克里格插值精度(相关系数分别为r=0.687**,r=0.711**)要比铜单独克里格插值精度有较大的提高(r=0.675**),全Pb、全Cd的协同克里格插值结果也有相同的结论。说明三者的空间相关性较高;Cu、Cd与有机质的的协同插值精度也有所提高而各重金属与pH,Pb与有机质都有不同程度的下降。说明Cu、Cd与有机质有较好的空间相关性,而Pb与有机质及各重金属全量与pH的空间相关性不明显。土壤重金属Cu、Pb、Cd有效态之间同样存在着很强的空间相关性,除Pb与pH空间相关性不明显外各重金属有效态与pH、有机质之间也表现出较强的空间相关性。说明土壤重金属有效态更容易受到pH、有机质的影响。对糙米与表土中Cu、Pb、Cd全量及有效态的协同克里格插值分析表明,糙米中Cu、Pb、Cd含量和土壤中Cu、Pb、Cd全量及有效态都表现出很好的空间相关性,且与有效态含量的空间相关性优于全量。研究表明,基于ArcGIS的地统计学分析模块可以较准确地分析典型区域土壤重金属污染的空间变异特征。几种重金属的富集系数及重点研究区向下迁移趋势的研究结果表明,Cu最易于被水稻吸收和向下迁移,Cd次之,Pb最小。研究区土壤重金属与水稻籽粒重金属的存在显著的指数或线性函数关系,具体关系表现为土壤重金属Cu、Pb（无论是有效态还是全量）与稻米中Cu、Pb呈显著的指数函数关系,土壤Cd与稻米Cd具有显著的线性函数关系。土壤有效Cu含量为10mg kg-1,全Cu含量为100mg kg-1,是水稻吸收土壤Cu的临界含量。土壤有效Pb含量为15mg kg-1,全Pb含量为150mg kg-1,是水稻吸收土壤Pb的临界含量。当土壤有效Cu含量为24mg kg-1,全Cu含量为198mg kg-1,土壤有效Pb含量为10.8mg kg-1,全Pb含量为76.4mg kg-1时,水稻籽粒中的Cu、Pb将会超过食品卫生标准。对于Cd而言,本研究得到的超标临界含量比较高,其有效态含量为0.71mg kg-1,全量为4.15 mg kg-1,这可能是由于研究区部分镉含量较高的地区使用了石灰作为土壤改良剂,提高了土壤pH从而降低了Cd的活性。对公路的三个监测断面中,只有第三断面能够很好的反映公路对于土壤-水稻籽粒中重金属含量的影响。公路对土壤、水稻籽粒重金属含量的影响均表现为靠近公路处（距公路5米、25米）含量较高随着与公路距离的增加而迅速降低,公路对土壤重金属Pb的影响最大,污染范围达到200米,其次是Cd污染范围达到50米,最后是Cu。公路对水稻籽粒重金属含量的影响也是Pb、Cd大于Cu。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 第二章 文献综述
• 1 农田重金属污染物的主要来源
• 1.1 大气沉降
• 1.2 污水灌溉
• 1.3 固体废弃物
• 1.4 农用化学品
• 2 土壤-水稻系统重金属复合污染的研究现状
• 2.1 重金属复合污染下的水稻效应
• 2.2 水稻对重金属的吸收累积特点及其影响因素
• 3 国内外应用地统计学对空间变异研究分析
• 4 地统计学基本原理
• 4.1 地统计学由来及概念
• 4.2 区域化变量（regionalized variable）
• 4.3 平稳性假设及内蕴假设
• 4.4 半方差函数及其理论模型
• 4.5 结构分析
• 4.6 模型的检验（Cross-validation）
• 4.7 克里格内插
• 第三章 研究区概况与试验方案
• 1 研究区域概况
• 2 研究目标、研究内容和技术路线
• 2.1 研究目标
• 2.2 研究内容
• 3 试验方案
• 3.1 样品的采集与分析
• 3.2 数据处理方法
• 第四章 土壤重金属空间变异规律研究
• 1 基本统计分析
• 2 表层土壤重金属全量的空间变异
• 2.1 重金属全量的数据转换和趋势
• 2.2 表层土壤重金属全量的克里格（kriging）空间插值
• 2.3 模拟值和实测值的交叉验证
• 2.4 克里格插值结果分析
• 2.5 表层土壤Cu、Pb、Cd全量的协同克里格（cokriging）插值
• 3 表层土壤重金属有效态的空间变异
• 3.1 表层土壤重金属有效态的数据转换和趋势分析
• 3.2 表层土壤有效态的克里格空间插值
• 3.3 克里格空间插值结果分析
• 3.4 表层土壤Cu、Pb、Cd有效态与有机质、pH值间的协同克里格插值
• 4 本章小结
• 第五章 Cu、Pb、Cd在水稻籽粒中的积累及污染特性
• 1 基本统计分析
• 2 Cu、Pb、Cd在水稻籽粒（糙米）中空间变异分析
• 2.1 糙米中重金属的数据转换、分布类型和趋势的确定
• 2.2 克里格法空间插值分析
• 2.3 糙米中Cu、Pb、Cd含量的空间分布规律
• 3 糙米Cu、Pb、Cd含量与土壤Cu、Pb、Cd含量的协同克里格插值
• 4 本章小结
• 第六章 公路对土壤-水稻籽粒重金属分布的影响
• 1 研究区的概况（同第三章）
• 2 试验的方案
• 2.1 样品的采集
• 2.2 样品的分析（同第三章）
• 2.3 数据处理方法
• 3 公路对土壤重金属分布的影响
• 4 公路对水稻籽粒重金属分布的影响
• 5 本章小结
• 第七章 研究区土壤-水稻系统重金属迁移特征研究
• 1 研究区的概况（同第三章）
• 2 试验的方案（同第三章）
• 2.1 样品的采集（同第三章）
• 2.2 样品的分析（同第三章）
• 2.3 数据处理方法
• 3 各重金属全量、有效态、pH和有机质之间的两两相关关系分析
• 4 土壤-水稻系统重金属含量之间的相关性
• 5 作物对不同重金属的富集系数比较
• 6 重点研究区表层土壤向下迁移能力分析
• 7 本章小结
• 第八章 全文结论与研究展望
• 1 全文总结
• 2 创新之处
• 3 研究展望
• 参考文献
• 作者简介
• 致谢