流域土壤重金屬背景值再研究范文

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摘要：為深入探究廣西西江流域土壤重金屬背景值狀況，在大規(guī)模系統(tǒng)采樣的基礎(chǔ)上，從2864件土壤樣品中篩選出處于自然狀態(tài)下的土壤樣品。通過計(jì)算不同均值并分析比較后重新提出廣西西江流域土壤重金屬背景值。研究結(jié)果表明，西江流域背景值為：As-17.0mg•kg-1、Sb-5.08mg•kg-1、Cd-0.561mg•kg-1、Pb-50.7mg•kg-1、Cu-20.8mg•kg-1、Ni-26.5mg•kg-1、Zn-67.3mg•kg-1、Cr-82.7mg•kg-1。與以前研究結(jié)果相比，本研究新提出的As、Cu、Ni、Zn、Cr背景值略有差異，差異在5%以內(nèi)，而Cd、Pb背景值則是前人研究結(jié)果的4.2倍、2.5倍，Sb則是全國土壤背景值的4.8倍。偏高的主要原因是因?yàn)槲鹘饔蛏嫌蔚貐^(qū)的南丹縣、金城江、環(huán)江縣、都安縣、大化縣、宜州市處于地球化學(xué)異常區(qū)，該區(qū)域Cd、Pb、Sb含量十分異常，使得土壤中重金屬整體偏高。對于重新提出的背景值為該流域土壤環(huán)境研究提供參考價值，同時為制定土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提供重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：西江流域；土壤；重金屬；背景值

土壤元素背景值研究是土壤環(huán)境科學(xué)的基礎(chǔ)性工作，對特定區(qū)域進(jìn)行土壤元素背景值估算，可以預(yù)測今后該地區(qū)環(huán)境污染變化趨勢，同時對區(qū)域土壤環(huán)境監(jiān)測和評價提供依據(jù)（王登峰等，2012）。因此，許多國家都開展了關(guān)于土壤元素背景值的研究工作（Anderetal.,2013;Tayloretal.,2010;Vosnakisetal.,2009;Castroetal.,2013）。對元素含量背景值的研究方法不同研究者有著不同的見解。曾鍵年提出可利用“地球化學(xué)過程的基本定律”，應(yīng)用Kolmogorov-Smirnov統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，使觀測數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，求取算數(shù)平均值作為元素的背景值（曾鍵年等，1989）。唐文春則指出在數(shù)據(jù)處理過程中首先計(jì)算研究區(qū)土壤深層樣元素平均值X1、標(biāo)準(zhǔn)離差S1，將數(shù)據(jù)經(jīng)X1+2S1反復(fù)提出后再計(jì)算其平均值X2，即為研究區(qū)土壤元素基準(zhǔn)值（唐文春等，2005）。成杭新通過利用公式計(jì)算某一元素的富集系數(shù)，剔除異常值，就可以得到表層土壤中元素含量的自然背景（成杭新等，2007）。雖然研究方法之間存在一定的差異性，但是土壤元素背景值的確定對環(huán)境規(guī)劃和管理，以及對土壤污染治理、修復(fù)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)均具有極其重要的意義。總之，它是指導(dǎo)土壤重金屬污染監(jiān)測、評價以及治理工作的基礎(chǔ)（陳同斌等,2004）。在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)開展了以土壤元素背景值為目的地研究工作（魏復(fù)盛等,1991），為我國土壤背景值研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨后，大量研究者對不同地區(qū)開展了背景值詳細(xì)研究（陳同斌等,2004;邢克孝等,1986;趙子良等,1987;甘華陽等,2010;馬玉等,2014）。針對廣西西江流域土壤背景值研究狀況，由于當(dāng)時經(jīng)費(fèi)、儀器設(shè)備等原因僅在5.8萬km2區(qū)域內(nèi)采集土壤樣品32個（廣西環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究所,1992），樣本量偏少。因此對于該流域土壤背景值的研究亟需解決，可為該區(qū)域的土壤環(huán)境研究提供了重要參考價值。同時許多研究者對廣西西江流域土壤重金屬進(jìn)行調(diào)查并進(jìn)行評估（劉暢等,2018;宋波等,2018;楊子杰等,2017;張?jiān)葡嫉?2018），但是相關(guān)的環(huán)境質(zhì)量評價卻是以全國背景值作為標(biāo)準(zhǔn)，而采用全國土壤背景值來進(jìn)行相關(guān)的評價會產(chǎn)生問題（陳同斌等,2004）。因此，本文在對廣西西江流域土壤重金屬污染調(diào)查過程中，篩選出處于自然狀態(tài)的土壤進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，重新研究土壤重金屬背景值，為今后該流域相關(guān)環(huán)境研究提供更加準(zhǔn)確、可靠的信息。

1.研究區(qū)概況與研究方法（Areaandmethod）

1.1研究區(qū)概況

西江流域是珠江水系的主干流，在廣西境內(nèi)的流域面積占珠江流域總面積的86%（翟麗梅等,2009），主要以刁江、紅水河、打狗河、黔江、洵江和西江等主要河段的沿江區(qū)域?yàn)橹鳎鹘?jīng)19個縣市（如：河池市、柳州市、來賓市、玉林市、梧州市等）。西江流域面積約5.8萬km2，東西跨度大，流域范圍內(nèi)有明顯的季節(jié)性差異，土壤類型主要是以紅壤和赤紅壤為主，其成土母質(zhì)主要為：沉積巖、巖漿巖與變質(zhì)巖。隨著地形地貌和氣候環(huán)境的區(qū)域性變化，西江流域形成了不同成因的景觀地貌沉積類型，在上游地區(qū)以風(fēng)蝕高平原殘積、坡積為主，中下游則以山地丘陵殘積、坡積為主。典型的喀斯特巖溶地貌使得母巖碳酸鹽巖在成土過程中發(fā)生淋溶，使得土壤中重金屬易富集，同時土壤中重金屬的分布存在一定的時空差異性。西江流域有著豐富的礦產(chǎn)資源，上游河池地區(qū)南丹縣有色金屬礦產(chǎn)資源總儲量達(dá)1100萬噸（葉緒孫等,1994），位于桂西北地區(qū)的丹池成礦帶，廣西武宣縣盤龍-古立-朋村鉛鋅礦床（葉緒孫等,1994;鄧?yán)さ?2010;孫邦東等,1994;唐龍飛,2014;謝世業(yè)等,2004），存在著豐富的鉛鋅礦及伴鋅礦資源。

1.2研究方法

樣品采集：在2014.5-2016.6間分成多批次抽樣的方法，按照西江流域土地利用類型圖、礦產(chǎn)點(diǎn)分布圖與地形圖，在現(xiàn)有數(shù)字地圖上確定采樣點(diǎn)的基本分布。實(shí)際采樣中，利用GPS定位，考慮土地利用類型的變化與地形因素，采用非均勻布點(diǎn)方法共采集土壤樣品2864件，每件樣品從10m×10m的正方形4個頂點(diǎn)和中心點(diǎn)共5處各取1kg的土壤（10~20cm），混合均勻后采用四分法取1kg土壤。在全部樣品中，篩選出采集于山林和遠(yuǎn)離人類活動或受人類活動影響較小的山地、植被發(fā)育完好地方的自然土壤300件（圖1）。樣品處理：土壤樣品從采集到處理的整個過程中，始終使用木頭、塑料或瑪瑙等工具，未曾接觸過金屬工具，防止人為原因致使樣品受到污染。土壤樣品經(jīng)風(fēng)干，研磨前去除碎石與植物殘體等雜物，過100目篩。

2.結(jié)果與討論（Resultsanddiscussion）

2.1西江流域土壤重金屬分布特征

經(jīng)正態(tài)概率分布檢驗(yàn)，土壤重金屬含量均不符合正態(tài)分布，經(jīng)過對數(shù)轉(zhuǎn)換之后，8種重金屬元素均符合正態(tài)分布。表1為西江流域土壤重金屬元素基本統(tǒng)計(jì)參數(shù)。

2.2西江流域土壤重金屬不同計(jì)算方法比較

從理論上來說，土壤元素的背景值是不受或者很少受人類活動影響的情況下，土壤原來固有的元素含量水平（陳同斌等,2004）。但是在廣西西江流域，上游豐富的礦產(chǎn)資源與下游廣袤的平原地帶，造就了密集地人類活動痕跡。因此要想找到完全不受任何人為污染的土壤幾乎是不現(xiàn)實(shí)的。從實(shí)際采樣角度出發(fā)，只要通過合理的布點(diǎn)，避開人類活動密集區(qū)域，那么所篩選出的自然狀態(tài)土壤中重金屬含量即可代表該區(qū)域土壤元素背景值。關(guān)于如何獲得背景值，表示背景值，并沒有統(tǒng)一格式（邢克孝等,1986）。夏增祿（夏增祿,1987）認(rèn)為土壤重金屬背景值應(yīng)該是一個表征該元素含量集中分布趨勢的特征值，而不是一個具體的數(shù)值。背景值應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)分布特征采用不同的方法表示，在含量分布符合正態(tài)分布的情況下，一般可用算術(shù)均值表征；在含量分布符合對數(shù)正態(tài)分布的情況下，則可采用幾何均值表征集中趨勢（Chenetal.,1991）。唐將（唐將等,2008）則認(rèn)為多次疊代均值能夠更好地反映元素含量的集中趨勢，以此來表示土壤背景值。為了確保廣西西江流域土壤背景值的準(zhǔn)確性，從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度出發(fā)，分別統(tǒng)計(jì)土壤的中位數(shù)、算術(shù)平均值、幾何平均值及多次疊代剔除平均值（表1），其中多次疊代剔除平均值是指以平均值加減2倍標(biāo)準(zhǔn)差（x±2S）為目標(biāo)函數(shù)經(jīng)逐步剔除（剔除限為數(shù)據(jù)集合內(nèi)不再含有該函數(shù)值時的值）的算術(shù)平均值（唐將等,2008）。在這些統(tǒng)計(jì)量中對數(shù)轉(zhuǎn)換、中位數(shù)或者多次疊代可以削弱高值在均值計(jì)算中的權(quán)重從而使得最終結(jié)果更加接近實(shí)際，因而這些值比算術(shù)均值更加的合理，算術(shù)均值就不適合作為平均含量的代表。而中位數(shù)為切尾均值的極端情況，對數(shù)據(jù)信息損失大，從而效率低（張朝生等,1995）。因此，多次疊代均值更接近于數(shù)據(jù)的集中趨勢。

2.3西江流域土壤重金屬元素推薦背景值與前人研究對比

本研究所提出的As、Cu、Ni、Zn、Cr背景值均略高于《土壤背景值研究方法及廣西土壤背景值》（下文均以“前人研究”代稱）（廣西環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究所,1992）的研究結(jié)果，其差異在5%以內(nèi)，而Cd、Pb背景值則遠(yuǎn)高于前人研究結(jié)果，差異分別達(dá)到了320%、152%。對于Sb，前人研究中未對此元素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，故將本研究結(jié)果與全國土壤Sb背景值進(jìn)行對比，差異為379%。對于Pb元素，按照背景值區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)劃分為<14.7、14.7-19.0、>19.0三個等級，其幾何均值分別為：43.6mg•kg-1、57.3mg•kg-1、45.0mg•kg-1。可以發(fā)現(xiàn)自然土壤中Pb含量并沒有表現(xiàn)出與流域區(qū)劃背景值相同的升高趨勢，但是資料表明，在桂西北河池地區(qū)存在52200km2的高Pb異常區(qū)（張?jiān)葡嫉?2018），平均值為53.3mg•kg-1。這會對自然土壤中Pb含量偏高造成一定的影響。對于Sb元素，西江流域Sb含量十分異常（謝學(xué)錦等,2008），主要集中在紅河、宜良、馬龍、望謨、宜威、廣西賓陽、河池、忻城與上思、寧明、憑祥范圍內(nèi)，面積34×104km2，規(guī)模大，強(qiáng)度極高；特別是河池地區(qū)Sb異常強(qiáng)度高，且梯度和濃度集中十分明顯，異常平均值9.6mg•kg-1。可見，由于成土母質(zhì)對土壤Sb含量的影響，導(dǎo)致西江流域Sb背景值顯著高于全國土壤Sb背景值。另外通過與前人研究的實(shí)驗(yàn)過程對比發(fā)現(xiàn)：第一，研究中所用樣品均來自于很少受人類活動影響的林地、山地中的土壤剖面，但是前人研究僅在5.8萬km2區(qū)域內(nèi)采集土壤樣品32個，而本研究采集樣品數(shù)量是其7~9倍，因此本研究在樣品數(shù)量上更具有代表性；第二，兩者樣品加工處理、數(shù)據(jù)處理方法、質(zhì)量控制方面都保持一致；第三，在樣品分解方法上，本研究采用美國土壤分析HNO3+H2O2的消解方法，前人研究中采用HNO3+HF+HClO4的消解方法。測試方法靈敏度和實(shí)驗(yàn)定量水平的差異是否是造成本研究所提出的背景值高于前人研究結(jié)果的原因還有待進(jìn)一步研究。

3.結(jié)論（Conclusion）

土壤重金屬含量背景值是制定土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的重要依據(jù)，因此，應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)的土地類型，成土母質(zhì)等因素開展切合實(shí)際的土壤背景值研究。通過對西江流域土壤重金屬調(diào)查研究，重新提出該流域土壤重金屬背景值：As17.0mg•kg-1、Sb5.08mg•kg-1、Cd0.561mg•kg-1、Pb50.7mg•kg-1、Cu20.8mg•kg-1、Ni26.5mg•kg-1、Zn67.3mg•kg-1、Cr82.7mg•kg-1。本研究所提出的As、Cu、Ni、Zn、Cr背景值與前人研究結(jié)果基本一致，其差異在5%以內(nèi)，而Cd、Pb背景值則是前人研究結(jié)果的4.2倍、2.5倍，Sb則是全國土壤背景值的4.8倍，這主要是由于西江流域處在地球化學(xué)異常區(qū)造成的，使得土壤中Cd、Pb、Sb含量顯著偏高。采礦活動、交通運(yùn)輸及大氣沉降是否會對自然土壤中重金屬含量造成影響還有待進(jìn)一步研究。本研究得到的土壤重金屬背景值，可以為該流域的土壤環(huán)境管理提供重要依據(jù)。

作者：王佛鵬1a；宋波1a,b；周浪1a；龐瑞1a；張?jiān)葡?a；陳同斌1a,2 單位：1.桂林理工大學(xué),a環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，b巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心，2中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所