农田土壤重金属污染源解析技术比较研究

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农田土壤重金属污染直接影响到农业安全和人类健康,近年来我国在重金属污染防治的投入力度不断加大。2014年全国土壤污染状况调查公告显示,全国耕地点位的超标率达到19.4%,显著高于林地和草地,主要超标重金属为Cd、Ni等,因此解决农田土壤重金属污染问题刻不容缓。开展农田土壤重金属源解析可为从源头上切断污染提供科学依据,提高根治重金属污染问题的成效。因此,本研究利用多元统计学方法、受体模型分析法、地统计学空间分析法和同位素比值法来探究农田土壤重金属污染来源,对各种溯源方法的解析结果进行比较分析,提高解析结果的全面性和准确性,为土壤重金属源解析方法学评价、污染治理和修复提供参考。  本文以辽宁省细河流域农田土壤为研究对象,从细河流域上游大潘镇至其下游长滩镇呈放射状布设采样点,采集农田表层土壤样品和对应点位上蔬菜样品各134份,测定并分析土壤及蔬菜中SOM含量和pH值,以及Hg、As、Pb、Cd、Ni、Cr、Zn和Cu8种重金属的含量,得出以下主要结论:  (1)研究区农田土壤中Hg、As、Pb、Cd、Ni、Cr、Zn、Cu含量范围分别为0.04~1.85、4.80~11.70、10.80~36.70、0.09~1.50、22.30~47.40、19.60~104.00、71.40~242.00、31.20~105.00mg/kg,其中Hg、Cd、Zn、Cu、Ni和Cr含量均值是沈阳市土壤背景值的3.80、2.50、2.04、2.03、1.14和1.02倍,Cd、Cu和Hg的含量超过土壤环境质量标准(GB15618-1995)样点比例分别为48%、9%、9%。单因子污染指数评价结果显示土壤中Hg和Cd污染最为严重,污染指数均值分别为4.52和2.96;内梅罗综合污染指数均值为4.13,说明研究区土壤整体为重度污染;蔬菜中8种重金属的含量几乎均满足《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB2762-2012)要求,不同种类的蔬菜对重金属的富集能力不同,萝卜中Hg含量与土壤中Hg含量的相关性最强,相关系数为0.777(p<0.01)。(2)多元统计分析法、受体模型分析法、地统计学空间分析法和同位素比值法的源解析结果均显示Cd与Pb具有一定的同源性,主要来自于细河上游工业企业污染源;Cu和As主要来自于农药化肥超标使用的农业污染源;Zn主要来自于交通污染源;Hg和Ni主要来自大气沉降源;Cr主要来自自然成土母质源。(3)土壤重金属全量的PCA/APCS模型解析表明:工业和农业污染源51.4%、成土母质和交通污染综合源38.5%、大气沉降污染源10.1%;PMF模型解析表明:工业污染源36.5%、农业污染源20.8%、交通污染源和大气沉降综合污染源23.5%、成土母质源19.2%;UNMIX模型解析表明:工业污染源24.8%、农业污染源24.2%、成土母质、大气沉降和交通污染综合源51.0%。从解析的贡献率结果说明研究区人为源贡献率远大于自然源。(4)多元统计分析和地统计学方法仅能解析出源的数量和类别,受体模型法和同位素比值法不仅可以解析出源的数量和类别,还可以给出各源对各重金属污染的贡献率,实现定量解析,因此受体模型法在探究土壤重金属来源上具有较大优势。三种模型解析出污染源的类别基本一致,但贡献率存在一定的差异;PMF模型具有解析结果非负性且受样本量变化和异常值剔除的影响相对较小,特别是对污染来源复杂差异性大的研究区数据更为适宜。下一步工作是开展源解析方法系统评价,阐明不同模型的贡献率准确性,提出模型使用指导原则,针对不同土壤受体样本的特点筛选适宜的模型。
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