湖南某工业区土壤及水稻重金属污染源解析

发布时间：2020-10-23 04:31

　　 重金属元素因非生物降解性、毒性和持久性,对农业生产、食品安全和人类健康造成严重影响。土壤中重金属的浓度很大程度上取决于母质土壤和人类活动的多样性,诸如快速工业化、交通拥挤、非农业化学品的非法使用和未经处理的灌溉废水等给环境带来巨大压力。对环境和食品重金属污染的有效治理首先需明确其污染源和污染途径。本论文以湖南某工业区为典型研究区域,分析了此区域土壤和水稻籽粒重金属的污染状况;利用重金属元素指纹法,结合主成分分析法、地统计分析法与正定矩阵因子分解模型等多元统计方法对该区域土壤重金属污染源进行初步源解析研究;在此基础上,利用镉同位素指纹法精确解析出土壤镉的污染源及其贡献率;通过盆栽试验和田块尺度定点试验,研究了土壤、叶片污染对水稻各器官镉元素的积累与转运规律,确定出水稻籽粒相对土壤对镉同位素的分馏系数,利用镉同位素指纹分析法解析出水稻籽粒镉的污染源及贡献率;探讨了土壤和水稻籽粒重金属污染源解析的思路和方法。为我国重金属污染防控提供了理论与技术支撑。主要研究结果和结论如下:(1)研究区域表层土壤和母质土壤中As、Hg、Cr、Cd、Ni、Pb、Cu和Zn均存在污染情况,Cd污染最严重,超标率达94.4%;水稻籽粒也存在重金属超标现象,Cd污染最严重,超标率达95.0%。(2)利用重金属元素指纹法解析出该区域土壤重金属污染源主要为自然源、农业源、工业源和交通与工业排放源,它们的贡献率分别为24.9%、19.1%、30.1%和25.9%;利用镉同位素指纹法对污染源贡献率进行解析,得出汽车尾气、水泥厂降尘、农业肥料和冶炼厂降尘对土壤镉的污染贡献率分别为2%、8%、15%和75%,即冶炼厂降尘的污染贡献最大。(3)盆栽试验结果表明,水稻土壤根系镉污染浓度达到40 mg kg~(-1)、水稻叶片的镉污染浓度达到20 mg kg~(-1)时,根系和叶片共同污染会产生显著协同作用,但低于该浓度未发现显著协同作用,即在低浓度下水稻籽粒镉主要来源于根部吸收。(4)水稻籽粒相对土壤对δ~(114/110)Cd的分馏系数为0.208‰;利用镉同位素指纹对水稻籽粒镉污染源贡献率进行解析,得出汽车尾气、水泥厂降尘、农业肥料和冶炼厂降尘的污染贡献率分别为2%、8%、16%和74%,即冶炼厂降尘的污染贡献最大。(5)土壤和水稻籽粒重金属污染源解析一般思路和方法为,利用重金属元素指纹法可初步分析出污染源的个数、性质及贡献率;利用重金属同位素指纹法可解析出直接污染源的贡献率;利用重金属同位素指纹法对水稻籽粒污染源解析时需要明确水稻籽粒相对污染介质的同位素分馏系数。
【学位单位】：中国农业科学院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X53;X503.231
【部分图文】：

水稻籽粒：2017 年 10 月于湖南某工业区周边农田收集水稻籽粒样品 23 份。当地地理位置及环境信息如表 2-3 所示。表 2-3 样品采集地理及气候信息表Table 2-3 The geological location andclimate information of samples纬度(N) 经度(E) 总降水量(mm) 平均温度（℃） 27.85o-27.92o 113.00o-113.10o 1409 17.6 亚热2.1.3 试验方法2.1.3.1 采样方法本研究在长江北岸的某工业区附近进行，研究区的占地面积约为 47.1 平方公里有许多工业企业主要进行冶炼和化工生产。样本地理位置及采样点分布见图 2-1。考区的地貌特征和土壤类型，采用网格法收集土样。采用 5cm 直径的钻孔进行土壤取每个采样点，除去表土并混合后，得到具有 1/4 的土壤样品。土壤样品包括表层土壤（深）与母质土壤（40-60cm 深）组成。使用 GPS 设备收集样品并保存在密封包装中移到实验室进行后续分析。共从 72 个采样点收集 133 个土壤样本（72 个表层土壤和母质土壤）。

图 3-1 旋转后三个主成分的分布Figure. 3-1 Graphical display of the three rotated components of the PCA (aincludes PC1 and PC2, PC1 is industrialcomponent, PC2 is anthropogenic component,bincludes PC2 and PC3, PC3 is lithogenic component)3.2.2 地统计学模型对土壤重金属污染源解析基于 GIS 方法的不同重金属空间分布图已被证明是探索其成因和污染热点的有效工具。研究区的重金属浓度空间变化图如 3-2 所示。由图 3-2 得到，Cd 主要分布在工业区的西北部、南部和东北部，分布的区域比较广，而且浓度也较高。该地区的土壤受到不同程度的镉污染。由人类活动控制的 Pb 和 Zn 的空间分布模式呈现出类似的趋势（图 3-2b、3-2c），表明了这两种重金属元素可能具有共同来源；Cu 的高浓度区域主要分布在工业区和高速公路两侧；研究区南部和西部土壤中的砷（As）浓度较高。农业投入主要包括含有大量砷的商品化肥，动物粪肥和农药。研究区南部为水稻种植区，农药施用明显，可能是砷的常见来源。研究区的西部是可能施用杀虫剂和化肥的山区。铬（Cr）和镍（Ni）没有表现出任何点源分布。

砷和重金属元素的空间分布
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本文编号：2852553