关中平原农田土壤重金属污染风险研究

发布时间：2017-03-17 07:09

  本文关键词：关中平原农田土壤重金属污染风险研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：农田土壤重金属污染不仅直接影响农作物质量,而且会通过食物链进入人体产生富集,威胁人体健康。为全面了解关中平原农田土壤重金属污染现状和分布特征,本研究分别在该区主要的矿区、污灌区和日光温室集中区采集了土壤、植物样品,分析了该区农田土壤重金属污染特征和来源,对该区畜禽粪便农用风险进行了评价,同时,利用室内模拟试验和玉米盆栽试验进行了酸化对石灰性土壤重金属和微量元素活化效应的研究,主要结论如下:(1)对关中平原主要矿区农田土壤样品的Cd、Cr、Cu、Pb、Zn含量进行了测定,结果显示,5种重金属均在表层土壤(0~10 cm)含量最高,且随土层深度增加而减少。0~10cm土层土壤Cd、Cu、Pb平均含量均高于陕西省土壤背景值,而Cr和Zn含量低于背景值。利用地统计方法得到的表层土壤重金属含量分布图显示,土壤各重金属含量由西向东呈下降趋势,水泥厂周边土壤重金属含量最高。相关性分析和主成分分析结果表明,5种重金属之间呈极显著正相关,说明其存在较高的同源性或复合关系。第1主成分主要由Cd构成,且主要反映了人为活动的影响,而第2主成分中的Cr所占负荷最高,体现了成土母质的作用,Cu、Pb和Zn含量受人为活动和成土母质共同影响。分别利用污染负荷指数(PLI)法和潜在生态危害指数(PER)法对研究区域土壤污染风险进行了评价,评价结果为煤矿区呈无污染或轻微到中度污染,水泥厂区土壤呈中度污染水平,单一元素污染程度由高到低依次为Cd、Pb、Cu、Cr、Zn。研究区域苹果果实中重金属含量ZnCrCuPbCd,将其与“中华人民共和国农业行业标准NY/T844-2010/绿色食品温带水果”中的相关规定进行比较发现,Cr、Pb超标率分别为1.3%和31.3%,说明煤矿开采和水泥生产已造成部分农产品污染。(2)对陕西省西安市污灌区农田土壤、小麦和蔬菜等农作物样品的Cd、Cr、Cu、Pb、Zn含量进行了测定。结果表明,Cd、Pb平均值高于西安市和陕西省土壤背景值,Cu、Zn平均值高于陕西省土壤背景值。相关性分析结果显示,土壤Cd和Pb呈显著正相关关系,Zn与Cr和Cu分别呈显著和极显著正相关关系。结合主成分分析可知,土壤Cd和Pb主要受人为因素影响,Cr、Cu、Zn主要受成土母质影响。潜在生态危害指数法和内梅罗污染指数法的结果均表明污灌区农田土壤Cd已达到最强污染级别。污灌区小麦样品中Cr、Pb超标率分别到达70.00%和80.00%,茄果类蔬菜Cd、Cr和Pb超标率分别为66.67%、100%和66.67%,花菜类和叶菜类中Cd、Cr和Pb超标率均为100%。建议污灌区尽量避免种植重金属转移系数高的花菜类和叶菜类蔬菜,并对含Cd污水经过严格处理后再用于灌溉。(3)对关中平原工矿企业集中地区棚龄10年以上的日光温室及露地大田土壤的重金属含量进行了测定,结果表明,采样区域日光温室和露地大田土壤Cd含量均高于相应的陕西省土壤背景值,并分别有50%和16.7%的土壤超过国家土壤环境质量二级标准;而土壤Cu、Pb、Cr含量均未超标。分别采用潜在生态危害指数法和地累积指数法对日光温室及露地大田土壤重金属污染风险进行评价,结果表明,采样区域日光温室和露地大田土壤中Cd污染最为严重,各有75%的土壤样品达到了两种评价指标的中等污染及以上水平,土壤Cu、Pb污染程度较轻,土壤Cr呈清洁状态。(4)通过在陕西关中平原畜禽养殖集中的县区采集畜禽粪便和饲料样品,测定其中Cr、Cu、Pb、Zn等重金属元素含量,估算施用畜禽粪便造成的土壤重金属累积速率和安全使用年限。结果显示,猪粪中Cu、Zn超标率分别为76.00%和8.00%;牛粪、鸡粪、猪粪样品中Cr超标率分别为7.69%、4.35%和8.00%。饲料样品中Cu、Zn含量明显高于Cr、Pb含量,且与畜禽粪便Cu、Zn含量呈极显著正相关关系,结合主成分分析可知,畜禽粪便中Cu、Zn主要来源与饲料,而畜禽粪便中Cr、Pb主要来源于土壤、大气等外界环境。形态分析结果显示,畜禽粪便中Cu、Zn的有效性很高,尤其是鸡粪中Cu、Zn的有效态含量最高。若畜禽粪便施用量保持在当前水平,则施用畜禽粪便24.4~131.0年和69.7~91.9年后,种植番茄-黄瓜的大棚土壤中Cu、Zn含量即可从土壤背景值分别达到安全临界值,因此,畜禽粪便农用时,不仅要控制其施用量,还应适当减少饲料中Cu、Zn添加量。(5)利用室内模拟试验和玉米盆栽试验分析石灰性土壤酸化后土壤pH和土壤有效态Cd、Cu、Zn、Mn、Fe含量的动态变化及相关关系,并估算出石灰性土壤适合的酸化范围。室内模拟试验结果表明,酸化后土壤pH呈先降后升趋势,土壤有效态Cd、Cu、Zn、Mn、Fe含量分别与土壤pH呈极显著相关关系(P0.01),当土壤pH7.11时,土壤Cu、Zn、Mn、Fe等微量元素含量均可达到土壤缺素临界值以上;玉米盆栽试验结果表明,土壤有效态Cd、Mn、Fe含量分别与土壤pH呈极显著相关关系(P0.01),土壤有效态Cu、Zn含量与土壤pH关系不显著;由于玉米生长及根系分泌物的作用,土壤有效态Cd、Cu、Zn、Mn、Fe含量一般在玉米拔节期后开始下降。玉米植株中未检测到Cd,而Cu、Zn、Mn、Fe等微量元素主要富集于根部和叶部,且各元素质量分数大小为FeMnZnCu;当土壤5.37pH6.98时,土壤有效铜、锌、锰、铁的含量能够满足作物生长需求,但同时会促进土壤镉的活化,带来一定的污染风险。
【关键词】：矿区 污灌区 日光温室 畜禽粪便 土壤酸化
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X53
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-15
• 第一章 文献综述15-28
• 1.1 研究背景与目的意义15
• 1.2 工矿区土壤重金属污染15-19
• 1.2.1 煤矿区土壤重金属研究16
• 1.2.2 金属矿区土壤重金属研究16-17
• 1.2.3 工厂区土壤重金属研究17
• 1.2.4 工矿区土壤重金属污染特点17-19
• 1.3 污灌区土壤重金属污染19
• 1.4 日光温室土壤重金属污染19-22
• 1.5 土壤酸化与重金属有效性22
• 1.6 土壤重金属污染风险评价方法研究进展22-25
• 1.6.1 污染指数法（Pollution Index）22-23
• 1.6.2 富集因子法（Enrichment factors）23
• 1.6.3 地累积指数法（Index of Geo-accumulation）23-24
• 1.6.4 污染负荷指数法（Pollution load index）24
• 1.6.5 潜在生态危害指数法(The Potential Ecological Risk Index)24-25
• 1.7 土壤重金属污染防治与修复研究进展25-28
• 1.7.1 对“三废”进行处理后再排放或加以利用25-26
• 1.7.2 利用植物修复技术对重金属污染土壤进行治理26
• 1.7.3 结合改良剂、合理施肥等农艺措施降低土壤重金属活性26-28
• 第二章 研究内容与方法28-31
• 2.1 研究区域概况28
• 2.2 研究内容28
• 2.3 研究方法与数据处理28-30
• 2.3.1 样品来源28
• 2.3.2 样品测定28-29
• 2.3.3 数据处理与图形制作29
• 2.3.4 重金属污染风险评价方法29-30
• 2.4 技术路线30-31
• 第三章 矿区农田土壤重金属分布特征与污染风险研究31-43
• 3.1 引言31
• 3.2 材料与方法31-33
• 3.2.1 采样区域概况31-32
• 3.2.2 样品采集及处理32
• 3.2.3 数据处理与图形制作32
• 3.2.4 土壤重金属污染风险评价方法32-33
• 3.3 结果与分析33-40
• 3.3.1 研究区域土壤重金属垂直分布特征33-34
• 3.3.2 0~10cm土层土壤重金属含量及分布特征34-35
• 3.3.3 土壤重金属相关性及主成分分析35-38
• 3.3.4 土壤重金属污染风险评价38-39
• 3.3.5 研究区域苹果果实重金属污染评价39-40
• 3.4 讨论40-41
• 3.5 小结41-43
• 第四章 污灌农田土壤-作物体系重金属污染评价43-53
• 4.1 引言43
• 4.2 材料与方法43-44
• 4.2.1 采样区域概况43
• 4.2.2 样品采集及处理43-44
• 4.2.3 数据处理与图形制作44
• 4.3 结果与分析44-50
• 4.3.1 研究区域农田土壤重金属含量44-45
• 4.3.2 研究区域土壤重金属相关性及主成分分析45-47
• 4.3.3 研究区域土壤重金属污染风险评价47-48
• 4.3.4 研究区域作物重金属污染评价48-50
• 4.4 讨论50-51
• 4.5 小结51-53
• 第五章 关中平原日光温室土壤重金属污染现状及风险评价53-62
• 5.1 引言53
• 5.2 材料与方法53-55
• 5.2.1 研究区域概况及采样点布设53-54
• 5.2.2 土壤重金属测定方法54
• 5.2.3 土壤污染评价方法54-55
• 5.3 结果与分析55-58
• 5.3.1 日光温室土壤重金属含量55-56
• 5.3.2 露地大田土壤重金属含量56-57
• 5.3.3 土壤重金属污染风险评价57-58
• 5.4 讨论58-60
• 5.5 小结60-62
• 第六章 关中平原畜禽粪便重金属污染风险估算62-75
• 6.1 引言62-63
• 6.2 材料与方法63-64
• 6.2.1 样品采集63
• 6.2.2 样品处理63-64
• 6.2.3 数据处理64
• 6.3 结果与分析64-73
• 6.3.1 关中平原畜禽粪便重金属含量64-66
• 6.3.2 关中平原畜禽粪便重金属年通量66-67
• 6.3.3 关中平原畜禽粪便重金属溯源研究67-72
• 6.3.4 关中平原畜禽粪便重金属形态分析72-73
• 6.4 讨论73
• 6.5 小结73-75
• 第七章 酸化对石灰性土壤重金属及微量元素的活化效应75-94
• 7.1 引言75
• 7.2 材料与方法75-77
• 7.2.1 供试土壤来源及理化性质75-76
• 7.2.2 试验设计76
• 7.2.3 样品测定方法76-77
• 7.2.4 数据处理方法77
• 7.3 结果与分析77-92
• 7.3.1 酸化试验土壤pH的动态变化77
• 7.3.2 酸化试验土壤Cd及微量元素有效态含量的变化特征77-81
• 7.3.3 酸化试验土壤pH与土壤Cd及微量元素有效态含量的关系81-82
• 7.3.4 盆栽试验土壤pH的动态变化82-83
• 7.3.5 盆栽试验土壤Cd及微量元素有效态含量的变化特征83-86
• 7.3.6 盆栽试验土壤pH与土壤Cd及微量元素有效态含量的关系86-88
• 7.3.7 盆栽试验玉米植株中微量元素的分布特征88-90
• 7.3.8 土壤酸化对重金属及微量元素的活化效应90-92
• 7.4 讨论92-93
• 7.5 小结93-94
• 第八章 结论与结语94-97
• 8.1 主要结论94-95
• 8.2 本研究的创新点95-96
• 8.3 问题与展望96-97
• 参考文献97-111
• 致谢111-112
• 作者简介112

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 王宁;李九玉;徐仁扣;;土壤酸化及酸性土壤的改良和管理[J];安徽农学通报;2007年23期

2 高芳蕾;董岩翔;王世纪;;矿区土壤重金属元素的形态分布及生物活性[J];安徽农业科学;2009年12期

3 檀建新，尹君，，王文忠，贾荣革，史吉平;镉对小麦、玉米幼苗生长和生理生化反应的影响[J];河北农业大学学报;1994年S1期

4 杨元根,刘丛强,张国平,吴攀,朱维晃;土壤和沉积物中重金属积累及其Pb、S同位素示踪[J];地球与环境;2004年01期

5 吕兴;朱英存;吴之均;王国建;;模拟酸雨对土壤中Zn的释放与缓冲作用研究[J];福建分析测试;2007年04期

6 邓兰生;涂攀峰;陈理益;张承林;叶倩倩;;根层水肥调控对盆栽玉米生长效果的研究[J];灌溉排水学报;2012年02期

7 易秀;;西安市污灌区土壤中重金属潜在生态危害评价[J];干旱区资源与环境;2007年03期

8 李鑫;易建华;;居住在镉污染区人群的组织镉浓度[J];国外医学(医学地理分册);2008年02期

9 黄玉溢;刘斌;陈桂芬;王影;;规模化养殖场猪配合饲料和粪便中重金属含量研究[J];广西农业科学;2007年05期

10 邢丹;刘鸿雁;;铅锌矿区重金属的迁移特征及生态恢复研究现状[J];环保科技;2009年02期

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 王海云;土壤pH值对苹果生长发育影响及其酸害机理研究[D];山东农业大学;2008年

2 王意锟;有机物料、粘土矿物对重金属污染土壤的修复[D];南京林业大学;2009年

  本文关键词：关中平原农田土壤重金属污染风险研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：252546