黄河三角洲不同土地利用方式下土壤重金属分析评价.pdf

鲁东大学学报(自然科学版)()():收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金()山东省自然科学基金()通信作者简介:于洋()女副教授硕士研究生导师博士研究方向为重金属污染、生态修复:.:././.黄河三角洲不同土地利用方式下土壤重金属分析评价贾少宁申 发颜 宁王若菲刘苏慧于 洋栗云召杨继松于君宝(鲁东大学.资源与环境工程学院.滨海生态高等研究院山东 烟台)摘要:为研究河口三角洲不同土地利用方式下土壤中重金属的分布规律选取黄河三角洲为研究对象对湿地、退耕还湿、林地、农田 种不同土地利用方式下 个样点的 土壤进行分层取样测定土壤、粒径、有机质以及 种重金属的含量(、)结果表明:土壤中、的平均含量分别为 、其中 是超标最严重的金属、的含量在不同用地类型间差异显著可能由于受海水影响 元素在东部沿海区域含量较高、含量分布南高北低湿地和退耕还湿土壤中 含量明显高于同一深度的林地和农田除 和 外其他重金属在农田的含量显著高于其他用地类型 相关性分析表明:、的来源相同或相似 与它们的来源不同颗粒物粒径越小越易吸附重金属 内梅罗综合污染指数表明研究区存在不同程度的污染且污染程度随深度增加而减小关键词:重金属用地类型内梅罗综合污染指数黄河三角洲中图分类号:文献标志码:文章编号:()河口三角洲是海陆交互作用的产物是典型的环境脆弱带和敏感带 工业开发(油气、盐业等)、农业围垦、大型水利工程建设以及渔业资源开发利用等工农业活动产生的重金属污染物随潮汐和河流等进入河口三角洲区域并在沉积物中累积 河口三角洲重金属的积累已在世界范围内被广为发现 埃及、新加坡等国均在河口三角洲沉积物中发现重金属污染中国沿海三角洲沉积物中、的含量均值超出背景值最高可达 倍 重金属作为持久性有毒物质在生态环境中具有长期性、隐蔽性、富集性、不可逆性以及不可降解性等特征频繁引起河口三角洲区域的生态问题如高浓度重金属抑制红树林生长、铜污染导致鸥嘴噪鸥的卵孵化失败等 因此加强河口三角洲重金属的研究是保护河口三角洲生态环境的前提也是开展重金属污染修复的基础河口三角洲重金属的分布受土壤理化性质、土地利用方式、人类活动等多种因素共同影响如高有机质含量为重金属在土壤颗粒中的吸附提供更多机会因此高金属浓度通常与高有机质含量呈现出显著的正相关具有更大比表面积的细颗粒能够吸附更多的重金属导致重金属富集土地利用方式会影响植物对重金属的吸收和转移影响土壤地表凋落物的含量以及微生物丰度等土壤环境是影响土壤中重金属含量的关键因素不同的土地利用方式也会影响人类活动农田中化肥农药的使用增加了土壤中重金属的含量同时也改变了土壤理化性质退耕还湿等行为减少重金属输入的同时改变了土壤理化性质因此阐明河口三角洲重金属在不同土地利用方式下的分布特征将为土地利用方式的变更提供重要指导为重金属生态风险防控提供依据黄河三角洲是中国最年轻、最具特色、也是暖温带保存最完整的河口三角洲为野生动物提供栖息、繁衍、迁徙和越冬的场所是东北亚内陆和环西太平洋鸟类迁徙重要的中转站、越冬栖息地和繁殖地具有十分重要的生态地位 鉴于此本研究以黄河三角洲为研究区选取湿地、退耕还湿、林 鲁东大学学报(自然科学版)第 卷地、农田 种主要用地类型的土壤作为研究对象分析不同土地利用方式下重金属的分布特征阐明其影响因素以期为黄河三角洲生态保护及土壤重金属污染治理提供科学依据和数据支持 材料与方法.研究区概况黄河三角洲()位于山东省北部是指黄河入海口携带泥沙在渤海凹陷处沉积形成的冲积平原东临渤海南依莱州湾 属于温带大陆性季风气候年均蒸发量 年均气温 年降水量 约 主 要 集 中 在 夏 秋 两季 地下水位高度为 .样品采集根据对黄河三角洲的实地考察选取湿地(、)、退耕还湿(、)、林地(、)、农田(、)种典型的土地利用类型为研究对象共设置 个采样点(图)采样时去除表面的植物残体以及杂物碎屑之后采集 、个深度的土壤样品现场剔除植物根系和凋落物土样装密封袋密封并做好编号带回实验室置于通风干燥处风干风干后的土样一部分直接装袋备用一部分研磨过 目筛子装袋备用图 黄河三角洲采样点分布.实验室分析根据土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)()采用浓硝酸、氢氟酸和高氯酸对风干过筛后的土壤加热消解待土样消解完进行赶酸定容使用电感耦合等离子体质谱(美国)对、的含量进行测定采用电感耦合等离子发射光谱仪(日本)测定 含量 值(水 土 )采用 计(中国)测定利用粒径分析仪(中国)测定未研磨土壤的粒径并按照粘粒()、粉砂()和砂粒()进行分级有机质的测定采用高温外热重铬酸钾氧化容量法.内梅罗综合污染指数法内梅罗综合污染指数法能够反映出各元素对土壤环境的综合作用同时强调了污染指数最大的元素对整个土壤环境的影响和作用该方法的结果将土壤环境质量视为一个整体便于对其进行分析和对比 其综合污染指数的计算方法 第 期贾少宁等:黄河三角洲不同土地利用方式下土壤重金属分析评价 如下:综 式中:综是采样点的综合污染指数为 采样点重金属污染物单项污染指数中的最大值为单因子指数平均值计算公式为 为重金属元素的污染指数为重金属含量实测值为土壤环境质量标准本研究选用山东省土壤背景值作为土壤环境质量标准 土壤综合污染程度分级标准见表 表 土壤综合污染程度分级标准.土壤综合污染等级土壤综合污染指数污染程度综.安全.综.警戒线.综.轻度污染.重度污染.数据分析采用 和 进行数据处理采用多因素方差分析研究不同植被类型和深度以及二者相互作用对土壤重金属含量分布的影响用 相关性分析研究重金属含量的自相关性及其与其他影响因子之间的相关性采用、和 软件进行绘图 结果与讨论.黄河三角洲土壤中重金属含量与理化性质黄河三角洲不同用地类型下 土壤中、的含量范围分别为 (表)土壤中所有金属的最大值均超过山东省土壤背景值其中、的平均含量高于山东背景值 土壤样品中 的含量超过山东省土壤背景值且 具有高变异系数()表明黄河三角洲土壤中 含量的分布具有明显的空间差异性说明其污染与样点环境密切相关 的超标率为 在本研究中是超标最严重的金属鉴于 的高毒性、高迁移性、易富集性等特点需严格关注黄河三角洲土壤中 的浓度变化 相关研究表明北大港滨海湿地、闽东滨海湿地、天津宝坻人工湿地、长江口盐沼湿地等区域均存在高浓度的 含量具有较高的生态风险 的超标样品数为 最大值位于农田()其他重金属只有部分样点超过山东省背景值且变异系数为中等变异(范围为 )成土母质和样点周边环境可能是这些金属的主要来源表 黄河三角洲表层沉积物重金属及其影响因子含量分布.重金属及影响因子最小值最大值平均值标准差变异系数偏度山东省土壤背景值黄土背景值/()./()./()./()./()./()./()./().粘粒/.粉砂/.砂粒/.有机质/.鲁东大学学报(自然科学版)第 卷 研究区土壤的 值在 和 之间平均值为 属于碱性土壤 其中 值大于(强碱性)的样品有 个最高值发生在林地证实了林地具有适应较高 值的能力影响因子中 值的变异系数为 说明 值具有显著的区域性特征 土壤粒径为 (粘粒)、(粉砂)和 (砂粒)的平均质量分数分别为 和 表明 粒径(粉砂)颗粒物为黄河三角洲土壤的主要组分 受三角洲区域潮汐和河流的影响粘粒和砂粒具有高变异系数()说明土壤颗粒物粒径区域性差异显著 土壤有机质平均含量为 其中林地 农田 湿地 退耕还湿 远低于三江平原退耕还湿地有机质含量 农田为 .土壤中重金属的空间分布特征黄河三角洲土壤重金属的空间分布(图)表明高含量的 主要分布在东部沿海区域具体表现为沿海区域采样点、土壤中 含量完全超过山东省土壤背景值海水侵入可能是 含量较高的主要影响因素 一方面海水入侵时带来丰富的 另一方面海水中丰富的硫可以与 发生反应形成 相的沉淀并吸附在沉积物表面上使土壤 含量升高重金属、含量呈现出南高北低的空间分布特征可能与南部人类活动较多有关、在研究区中部及东南部农田、退耕还湿土壤中含量较高主要原因是农业生产过程中为保证作物正常生长需要添加各种化肥、是植物生长所必须的微量元素过量投加化肥导致土壤中重金属的累积 含量超标的点主要集中在北部水产养殖区域原因可能是水产养殖过程中会不断投加铜元素保证水产生物正常生长的同时改善水质 元素除研究区中部含量较高其余均在背景值以下大气沉降可能是其主要来源 第 期贾少宁等:黄河三角洲不同土地利用方式下土壤重金属分析评价 图 黄河三角洲重金属元素及其影响因子水平空间分布特征.不同土地利用方式下土壤重金属的垂直分布特征 对比黄河三角洲不同土地利用方式下以及不同深度土壤中金属的含量发现、在不同用地类型间差异显著()不同深度土壤中的、含量存在显著性差异()重金属含量随用地类型和深度的变化如图 所示 对于同一深度的土壤湿地和退耕还湿的 含量高于林地和农田 除 和 外其他重金属在农田的含量显著高于其他用地类型灌溉水源、肥料以及除草剂等的使用可能是农田重金属含量高于其他植被类型的原因之一在 土壤中的含量明显高于在 中的含量这可能与植被根系的吸附作用、人类浅层施加化肥以及表层喷洒农药有关在 土层中重金属含量明显增加可能是因为翻耕、灌溉等农业活动导致重金属由表层向深层土壤迁移 和 随深度变化波动较大 元素随深度的增加农田和林地具有相同的含量变化趋势 元素在湿地中的含量随深度增加呈现先增后减在 处出现最大值在退耕还湿中随深度增加而增加 鲁东大学学报(自然科学版)第 卷图 黄河三角洲重金属及其影响因子的垂直分布特征.影响因素分析相关性分析结果(图)表明用地类型与 种重金属均存在显著的相关性()粘粒、有机质与除 之外的其他重金属显著正相关()相关研究表明土壤中有机质可以与 第 期贾少宁等:黄河三角洲不同土地利用方式下土壤重金属分析评价 重金属形成络合物从而影响土壤重金属的迁移转化和积累粘粒粒径小具有更大的比表面积更容易吸附重金属 砂粒与除 之外的其他重金属显著负相关()进一步证实了相比小颗粒大颗粒不易吸附重金属此外、之间呈显著正相关()与其他重金属的相关性相对较弱可能由于其来源与其他重金属不同 对于黄河三角洲金属的来源可包括大气沉降、潮汐、海水入侵、河水泥沙输入以及成土母质和人类活动等 结合表 和图 推测 元素的来源与海水入侵及成土母质有关 结合重金属的空间分布特征其他金属含量在中南部人类活动较多的地方高在人类活动少的地方含量低可能受自然因素与人类活动的双重影响注:表示双尾检验在 水平上显著相关表示双尾检验在 水平(双侧)上显著相关图 重金属质量分数与环境因子的 相关性分析.不同用地类型下重金属污染评价结合土壤综合污染程度分级标准(表)和内梅罗综合污染指数(图)发现所有用地类型下的土壤都受到了不同程度的重金属污染且随深度的增加总体污染程度有减小的趋势 在 内湿地和林地部分地区受到了中度污染其余为轻度污染湿地受到的污染程度最重在 内除农田部分地区为中污染外其余为轻度污染 内所有植被类型均为轻度污染 内除湿地极少部分地区为中度污染其余为轻度污染 内为轻度污染且部分植被类型出现了安全值 内所有植被类型为轻度污染 重金属在不同深度间的分布与土壤理化性质、有机质含量、土壤密度、自身性质等有关另外大气沉降、人类活动等外部因素也可使不同深度土壤污染程度不同 平时应注重加强对表层土壤的治理和对深层土壤的监测 鲁东大学学报(自然科学版)第 卷注:和代表异常值图 内梅罗综合污染指数箱图.结论黄河三角洲研究区土壤中、的平均含量高于山东省土壤背景值 是超标最严重的金属其次为 研究区土壤为碱性土壤粉砂为土壤颗粒物的主要组分 黄河三角洲不同土地利用方式下 种重金属的水平空间分布和垂直空间分布存在差异:元素的分布具有明显的不均匀性高含量的 主要集中在东部沿海区域、在研究区中部及东南部农田、退耕还湿土壤中含量较高、在农田中的含量显著高于其他用地类型且在 处含量低于 和 相关分析表明:、呈显著正相关表明他们具有相同或相似的来源粘粒、有机质与除 之外的其他重金属显著正相关主要因为粘粒具有较大的比表面积容易吸附大量的重金属 内梅罗综合污染指数表明所有用地类型下的土壤都受到了不同程度的重金属污染随着深度的增加污染程度减小参考文献:.:.:.:.:.:.:.第 期贾少宁等:黄河三角洲不同土地利用方式下土壤重金属分析评价:.:.谢文羽.黄河三角洲鸥嘴噪鸥羽毛和卵内重金属含量研究.曲阜:曲阜师范大学.():.:.():.:.曾淼张厚勇.黄河三角洲芦苇湿地不同水期土壤植被重金属分布特征.水土保持研究():.李珊杨越超姚媛媛等.不同土地利用方式对山东滨海盐碱土理化性质的影响.土壤学报():.:.刘月良.加强黄河三角洲湿地保护努力建成国际重要湿地保护的典范.绿色中国():.齐月李俊生马艺文等.黄河三角洲滨海滩涂湿地沉积物重金属空间分布及生态风险评价.环境科学研究():.孙德斌栗云召于君宝等.黄河三角洲湿地不同植被类型下土壤营养元素空间分布及其生态化学计量学特征 .环境科学():.().():.国家环境保护局中国环境监测总站.中国土壤元素背景值.北京:中国环境科学出版社.马香菊徐慧韬王丽平.天津临港滨海湿地公园重金属污染特征及风险评.环境工程技术学报():.王昌宇张素荣刘继红等.雄安新区某金属冶炼区土壤重金属污染程度及风险评价.中国地质():.鲍士旦.土壤农化分析.版.北京:中国农业出版社.段梦琦丁效东李士美等.黄河三角洲典型区土壤 值时空变化特征.灌溉排水学报():.刘淑民姚庆祯刘月良等.黄河口湿地表层沉积物中重金属的分布特征及其影响因素.中国环境科学():.王维周俊丽裴淑玮等.辽河入海口及城市段柱状沉积物金属元素含量及分布特征.环境科学():.刘兆宁王国栋方玉龙等.三江平原洪河农场天然沼泽退耕还湿地和农田表层土壤中 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