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长江三角洲沉积物和土壤重金属生态地球化学研究

宋垠先  
【摘要】:长江是世界著名大河,随着现代科技的发展,逐渐成为了中国经济的大动脉。长江沿江是中国近年来经济发展最快的区域,特别是作为龙头的长江三角洲地区,在经济高速发展的同时,大量重金属污染物被排放进入了河流、土壤等环境系统中,造成了生态环境的日益恶化。大河流域除了流域的地质矿产风化释放大量的重金属造成污染外,沿江的大城市和经济发达区域对流域生态的影响也日益加重。因此,加大对长江流域重金属元素污染的监控力度以及增加地球化学行为特征的研究对保持长江流域工农业可持续发展有着重要意义。 在对长江江水悬浮物和沉积中重金属元素在时空变化的研究基础上,本文重点对长江三角洲区域内的长江干流河段以及分布于江苏、浙江和上海三个省市的主要面网河流以及农田土壤的重金属污染和地球化学特征情况进行测试分析以及污染区域分布的调查;对比长江全流域沉积物重金属地球化学特征,分析了长江下游干流三角洲区域内河段沉积物重金属的来源以及影响因素;对长江三角洲地区重金属元素的生态效应做了初步分析,为导致水稻重金属污染的日益酸化土壤的治理提供参考数据。 本文选择长江干、支流悬浮物和沉积物、长江干流下游沉积物、长江三角洲面网河流沉积物、长江三角洲水稻田土壤和水稻植株样品为研究对象,(1)运用主成份分析(PCA)探讨长江沉积物和长江三角洲面网河流沉积物中重金属元素含量的空间变化和地球化学行为特征,建立和对比面网河流沉积物和长江沉积物的光谱预测模型;(2)阐述了长江三角洲水稻田土壤重金属元素空间变化特征、赋存状态和迁移活性以及在不同pH值下重金属含量分布的差异性;(3)初步了解重金属在从土壤到水稻的迁移过程中的地球化学行为特征、不同pH值下重金属迁移情况和营养元素对水稻体中重金属的影响,主要得到以下结论: 1.从长江流域来看,As和Cd的地累积指数最高,达到中度污染。滇东北、湖南南岭和安徽铜陵三个矿区是悬浮物、沉积物中重金属的主要来源。As和Cd以及Pb和Zn这两对元素主要表现为受到采矿活动的影响。沉积物和枯水期悬浮物中Pb和Zn受矿区影响具有显著的线性关系。而Co、Cr、Cu和Ni除了矿区外,在沿江大城市附近也存在明显峰值。铜陵矿区可能对下游沉积物重金属有输入作用。 1.根据多元统计方法(PCA/MLR)分析,粒径分布对Co、Cr、Cu、Ni和Zn的地球化学行为贡献超过50%,这几种金属主要分布在粒径16 gm的颗粒中;Cd、Pb和MS的异常与粉煤灰有关,粉煤灰对Cd和Pb的贡献分别为69.0%和51.8%,另外粉煤灰对除Hg外的其它重金属都有贡献;Hg的地球化学行为与黑碳BC有关,均来自燃煤废气沉降。对照长江下游沿岸电厂分布,可以推断出,沿江电厂是三角洲地区当地的主要的重金属污染来源。 2.长江三角洲面网河流沉积物中Cd、Cu和Zn变异系数大于100%,表明这几种金属有含量异常高的样品存在;通过PCA分析和空间分布发现,江苏省污染区域主要集中在泰州和南通地区,而浙江省主要集中在宁波和嘉兴地区,其中宁波地区污染最为严重,在该地区河流沉积物中Cd, Cu和Zn均出现较高浓度。通过检验分析发现,浙江地区河流沉积物的Hg, Cr, Cu, Pb和Zn含量显著高于江苏省。面网河流沉积物中As、Cd和Pb明显小于长江下游沉积物,面网河流受当地污染影响大。 3.长三角面网河流沉积物光谱差异性大,层次聚类分组中重金属元素含量顺序不一致造成沉积物重金属光谱预测模型效果差,预测模型剩余预测偏差(RPD)均小于1.1。相比之下,由于沉积物成份以及重金属元素分布较为均一,长江干支流沉积物以及下游干流河段沉积物重金属光谱PLS回归模型预测能力优于面网河流沉积物,模型RPD基本均大于1.1。对于沉积物的光谱回归模型预测能力MIR波段要好于Vis/NIR波段。 4.长江三角洲水稻田根际土和非根际土重金属空间变化差异大,Cu、Cd、Zn和Hg的变异系数CV超过了50%。形态分析结果表明,重金属迁移活性大小顺序为CdPbAsCr, Hg,其中Cd、Pb和As在土壤中活性形态所占比例较高,生物可用性强。重金属空间分布显示浙江地区土壤重金属含量整体要高于江苏地区,其中以杭州、绍兴、宁波一带重金属元素峰值出现较多,金属浓度空间变化有明显差异性,浙江地区污染主要以Cd、Cu和Zn为主,而江苏地区由于农药、化肥的施用,主要以As污染为主。 5.长江三角洲水稻田土壤中Cd和Pb的活性部分所占比例较高,分别达到了-50%和-10%;江苏地区农田土壤中As含量显著高于浙江,而浙江地区土壤中Cd,Pb、Hg、Cu、Zn以及活性成分均高于江苏地区。江水稻秸秆和籽实样品As、Pb, Hg和Zn含量要比江苏地区样品高,而江苏地区水稻样品中Cu含量要高于浙江。空间分布来看,浙江地区水稻样品中重金属元素污染程度要高于江苏。 6.长江三角洲水稻田重金属元素从土壤到秸秆中迁移系数TFshoot/soil顺序为:CdCuAs, Hg, ZnPbCr,秸秆到籽实迁移系数TFgrain/shoot的顺序为:ZnCd, Hg, Cu, CrAsPb,Cd、Hg、Cu和Zn的迁移系数均大于0.2,这四种金属更容易进入水稻中。江苏样品中各金属的TFgrain/shoot略高于浙江,说明由于水稻样品污染程度低,金属迁移受到植株生长活性增强而提高。在低pH值样品中,As,Cd和Zn的迁移系数显著高于高pH样品。金属元素的TFgrain/shoot与秸秆中的重金属含量以及TFshoot/soil之间都存在着指数递减关系。 7.金属营养元素Ca和K在籽实中对重金属元素有着相同的地球化学行为,重金属可以通过Ca和K通道进入籽实,而在秸秆中,由于Ca2+和K+的竞争吸收作用,As、Hg、Pb、Cr和Zn可能主要通过Ca通道进入秸秆,而Cd、Cu和Zn可能通过K通道迁移。土壤中CaO对秸秆和籽实中重金属元素的抑制作用高于K2O,因此在农田里施加石灰,既可以提高营养元素Ca含量也可以缓解土壤酸化,更重要的是抑制重金属元素在土壤—水稻体系中的积累和迁移。


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