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徐州市典型污染源周边土壤重金属污染特征及磁学响应研究

毛应明  
【摘要】:本研究选择徐州市某火电厂、某水泥厂和煤港路附近表土作研究对象,重点考察典型污染源周边土壤重金属污染的变异特征及影响因素,探讨土壤磁学特性与重金属污染强度间的相关关系,并建立相应磁学诊断模型,主要结论如下:(1)除煤港路两侧Co外,典型污染源边表土中十种重金属含量均高于我国自然褐土中对应的背景值。其中Cd超标最多,是背景值的6~8倍;其次有Cu、Zn、Pb等均在2倍以上;而V、Co、Mn、Fe超标相对较少。(2)半方差函数分析结果为:典型污染源周边土壤中Cr、Cu、Zn、Cd和Pb等的块基比介于25%~75%,另有某火电厂边Mn、Fe和N i,某水泥厂边Fe和Ni,煤港路两侧Mn和N i的块基比也大于或接近25%,表明其空间相关性达到或接近中等程度,土壤耕作、工业生产、交通污染等人为活动改变其空间相关性;而某火电厂附近的V和Co,某水泥厂附近的V、Mn和Co,煤港路两侧的V、Fe和Co等的块基比均较小(20%),显示出较强空间相关性,土壤母质、土壤类型、气候和土壤成因等自然因素起主导作用,受人为因素的影响则较弱。(3)克立格插值法得到的土壤重金属空间分布图显示,某火电厂边Cu、Zn、Cd和Pb等受随机因素影响明显的元素分布格局近似相同,高浓度值多位于厂区偏北和西南区域且距离厂区较近;某水泥厂边也有类似的情况出现;煤港路两侧Ni、Cu、Zn等呈带状和块状分布,距离公路较近的地方土壤重金属浓度较高,随着距离的增大重金属含量有逐渐降低的趋势。根据内梅罗综合污染指数评价,研究区土壤接近重度污染,其空间分布图也有上述类似的变化特征。这与土壤耕作措施、土地利用方式等因素引起变异不符,而更符合由污染源引起的变化特征。污染源周边靠近西南一侧的元素含量相对更高,推测是受到了气候条件的影响。(4)土壤基本理化性质与重金属相关关系较复杂。其中除Zn、Pb等两性元素外,p H与重金属含量负相关;TOC因吸附作用与多数金属呈正相关;元素与土壤中砂粒含量负相关,而与粉砂及粘粒含量呈正相关。根据相关、主成分和聚类法分析结果可将十种金属元素分为三类:某火电厂和某水泥厂附近的Cu、Zn、Cd和Pb,煤港路两侧Ni、Cu和Zn等元素主要来源于相应的污染源;全部区域上V、Co和Mn以及某火电厂和煤港路附近Fe等元素主要来源于土壤母质;某火电厂周边Cr和Ni,某水泥厂周边Cr、Fe和Ni,煤港路两侧Cr、Cd和Pb等元素来源相对复杂,可能既有土壤母质,也有工业交通污染和农业污染等。(5)典型污染源周边表土χlf明显增强,最大值高达497.6×10-8 m3/kg,比正常值高出近7倍,随着与污染源距离的增大,χlf有逐渐下降趋势。煤港路两侧χlf详细分析结果显示垂直公路方向χlf特征变化明显,采样点距离公路0~15 m内,χlf变化显著且受气候条件影响,但在15~40 m内χlf值较低且变化幅度很小,接近于远离污染源区域的χlf,这符合交通污染特征。污染源周边表土χlf与χfd呈负相关,呈现出人类活动污染土壤特征,可推断污染源周边磁性增强主要是污染源释放引起。磁化系数(F300)和退磁系数(S-100)分析表明污染源周边土壤的磁学特征是亚铁磁性矿物为主导,但也有少量不完整反铁磁性矿物的贡献,其中某火电厂和某水泥厂附近不完整反铁磁性矿物的比例高于煤港路两侧;SIRM和SOFT值较高,且与χlf的线性关系拟合得较好,指示土壤的磁性矿物以较粗的多畴磁铁矿颗粒为主,这种颗粒通常由工矿企业生产、汽车尾气和其他人为活动引起;污染源周边χlf和SIRM等磁学参数的空间分布图与综合污染指数分布图相似,预示着磁学性质与重金属污染之间有较为密切的关系。(6)污染源周边代表性土样的磁滞回线呈高瘦形且在250~350m T外磁化场作用下闭合,IRM在300 m T时已达到饱和值的83%~95%,这些都表明样品中低矫顽力的亚铁磁性矿物占主导;代表样品在DAY氏图上均落在MD区;TDS曲线在580℃附近出现急剧转折证实样品中的亚铁磁性矿物主要为磁铁矿,MD磁铁矿颗粒通常是由工业生产和交通污染等人为因素产生。相关性分析、主成分分析和聚类分析得出χfd与土壤母质、土壤类型和土壤成因等内源性重金属元素的含量显著相关;而χlf、SOFT、SIRM、χARM则主要表现为与工业生产、交通污染和农业污染等外源输入的元素相关性较强。利用逐步线性回归分析可得出典型污染源周边土壤重金属元素的多个磁学参数表达式,作为重金属污染的磁学诊断的数学模型。(7)利用SEM-EDX分析某火电厂和煤港路附近土壤中磁性矿物的形貌特征及其组成成分可发现,除一些不规则的形状外,还有许多球状的磁性颗粒被检出,其主要成分是Fe,还含有少量Cu、Zn、Cd和Pb等重金属元素,表明了土壤中重金属和磁性颗粒具有共存性,也能初步解释磁性指标对重金属污染有指示作用的机理。(8)典型污染源周边土壤磁学参数与某些重金属含量的关系表明,磁学参数可作为土壤重金属污染的代用指标,磁学测量方法简便、快捷,且具有耗费低、非破坏性等特点,可用于监测和评价工业生产和交通污染等引起的土壤重金属污染状况。


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