重庆都市圈土壤重金属元素迁移富集及生态效应研究

发布时间：2020-06-21 19:24

【摘要】： 土壤重金属污染问题是目前环境科学、农业地质、沉积地质学、生态地球化学、应用化学等领域的重点研究问题之一。论文通过在重庆市都市经济圈范围内采集了1772件沉积圈层最顶部的土壤表层土壤和深层土壤样品,并选择了都市圈4个典型污染区采集了红薯、空心菜、空心莲子草、南瓜、水稻、土豆、玉米等7种植物样品和对应根系土样,分析测试了As、Cu、Zn、Pb、Cd、Hg、Cr、Ni在岩石、土壤、植物等介质中的含量。通过数据统计及空间分析相结合的方法,研究重庆市都市圈范围内沉积圈层最顶部的土壤环境重金属的分布特征,总结元素迁移富集规律;结合国家土壤环境质量标准,利用尼梅罗指数、潜在生态风险指数、地质累积指数3个较常用的土壤质量环境评价方法对都市圈土壤作出综合评价。结合研究结果,对都市圈城市土地利用结构、农业产业布局调整、土壤污染防治等实践工作提出建议。论文主要取得以下结论和认识: (1)通过对重庆都市圈440件深层土壤样品的数学统计,首次系统提出了重庆都市圈土壤重金属含量推荐背景值,分别为:As为5.819ug/g、Cd为0.133ug/g、Cr为76.140 ug/g、Cu为23.830 ug/g、Hg为0.053 ug/g、Ni为30.648 ug/g、Pb为25.480 ug/g、Zn为75.837 ug/g。 (2)发现都市圈范围内沉积圈层最顶部的表层土壤8种重金属元素中,As、Cu、Zn、Pb、Cd和Hg受外源重金属元素的影响显著。其中,Cd和Hg在表层土壤的富集受外源迁入因素影响比较突出。Cr、Ni两种元素在表层土壤富集受外源影响强度相对较低。 (3)通过比较研究,部分重金属元素分布受沉积地层的影响明显。As元素在表层土壤的空间分布受地层控制明显,其中在三叠系表土中,As元素含量较高。 (4)通过土壤重金属元素与其它元素之间的相关性分析,重金属元素的富集与一些元素的富集有一定关系。其中,As和u、Cd、Zn、Cr和U、Hg和U、Ni和U、Pb和U都具有显著正相关。U元素的分布与多种重金属的分布相关性较大,呈同步消长关系。 (5)都市圈土壤pH大小和土壤重金属含量之间具有一定规律性。土壤pH在4～9范围内,土壤重金属含量和pH的关系主要呈现两种模式:①两翼型:即随着土壤pH值的变化,土壤重金属含量在某pH范围内出现峰值或最小值;②增长型:即土壤中某种重金属的含量随着pH值的增大而增大。其中As、Cd、Cu、Hg、Pb、Zn六种元素属于两翼型,Cr和Ni元素则属于增长型。pH值7～8的范围更加有利于土壤对重金属元素的富集。重庆都市圈土壤弱碱性区域主要集中分布于城区及长江两岸,该地区为重金属的高富集区。 (6)重庆市都市圈重金属元素分布和海拔高度的关系密切。土壤重金属含量从低海拔到高海拔总体上呈上升趋势。分布规律主要有两种模式:波浪型和平滑型。其中元素As、Pb、Hg属于波浪型;Cd、Cr、Cu、Ni、Zn属平滑型。对波浪型分布元素是一种对地质背景的突变反应,即在某个海拔段受外源输入或输出扰动有关;对平滑型分布模式则更多属于地质背景的连续性变化,受人为或外源迁移影响较小。 (7)由采集的都市圈表层1772个土样的数据分析和空间集成,结合国家土壤环境质量等标准对都市圈土壤环境质量评价表明:重庆都市圈Cd和Hg污染比较严重,并且呈面状污染态势,是都市圈8种污染重金属中对土壤污染危害最大的2种元素。样点中83.97%的采样点的土壤都受到了Cd元素不同程度的污染;其他重金属中,Cr、Pb、Zn元素污染比率分别达到了13.32%、13.77%、13.32%。通过尼梅罗指数、地质累积指数、潜在生态风险指数评价综合评价,土壤比较清洁的区域主要集中在接龙镇-神童镇-大观镇区域、邻丰镇区域和北碚西部山区三大区域。在金刀峡镇、白市驿镇等区域出现重金属局部中度到重度重金属污染,并属于多种重金属复合叠加污染。 (8)都市圈4个典型农业污染区,水稻对重金属的富集能力要高于其他作物,南瓜比较小,属比较安全农产品。井口的空心菜、白市驿的水稻、王家场土豆的综合安全风险指数较高,在农产业结构调整中值得注意和规避。 (9)本文在尼梅罗指数的公式基础上,基于重金属在人体内的积累效应,首次提出农作物安全风险指数概念与评价方法,将农产品质量进行划分等级评价。通过植物吸收土壤重金属生态效应的研究表明,植物对重金属的吸收能力根据不同植物和不同重金属种类有一定关系。由这种关系研究得出在产地环境中含有高含量Cr的土壤环境中避免栽植红薯和空心菜;虽研究区域水稻籽实内重金属含量并未超过国家标准,但基于重金属的生理富集作用,在Cd高含量的土壤中应尽量避免栽植水稻;土豆在高As含量土壤中的栽植安全威胁系数较低。 (10)首次利用沉积圈层最顶部的土壤地球化学研究成果,提出重庆城区用地扩张方向以东北方向为优先考虑扩张主方向,西南方向为次扩张方向,西北方向为有条件限制性扩张方向,东南方向为限制性扩张方向。在重庆都市圈,接龙镇、神童镇、大观镇区域和邻丰镇区域形成绿色食品产业的优先发展区,优先发展绿色产业,为城市菜篮子工程确定优先了区域。 (11)通过对都市圈土壤重金属的污染强度和空间特征分析,将重庆都市圈范围内沉积圈层最顶部的土壤划分为清洁保持区、污染源控制区、污染治理区三种不同防治区域。针对不同区域开展土壤重金属污染防治工作,主要综合防治措施为控制污染源头排放,减少高污染区重金属元素外迁,开展农业区重金属生态治理工作,保护优良土壤及阻止外源污染。
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：X53
【图文】：

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【引证文献】