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流域土壤重金属背景值再研究

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摘要:为深入探究广西西江流域土壤重金属背景值状况,在大规模系统采样的基础上,从2864件土壤样品中筛选出处于自然状态下的土壤样品。通过计算不同均值并分析比较后重新提出广西西江流域土壤重金属背景值。研究结果表明,西江流域背景值为: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。与以前研究结果相比,本研究新提出的As、Cu、Ni、Zn、Cr背景值略有差异,差异在5%以内,而Cd、Pb背景值则是前人研究结果的4.2倍、2.5倍,Sb则是全国土壤背景值的4.8倍。偏高的主要原因是因为西江流域上游地区的南丹县、金城江、环江县、都安县、大化县、宜州市处于地球化学异常区,该区域Cd、Pb、Sb含量十分异常,使得土壤中重金属整体偏高。对于重新提出的背景值为该流域土壤环境研究提供参考价值,同时为制定土壤环境质量标准提供重要依据。

关键词:西江流域;土壤;重金属;背景值

土壤元素背景值研究是土壤环境科学的基础性工作,对特定区域进行土壤元素背景值估算,可以预测今后该地区环境污染变化趋势,同时对区域土壤环境监测和评价提供依据(王登峰等,2012)。因此,许多国家都开展了关于土壤元素背景值的研究工作(Anderetal.,2013;Tayloretal.,2010;Vosnakisetal.,2009;Castroetal.,2013)。对元素含量背景值的研究方法不同研究者有着不同的见解。曾键年提出可利用“地球化学过程的基本定律”,应用Kolmogorov-Smirnov统计检验方法,使观测数据符合正态分布,求取算数平均值作为元素的背景值(曾键年等,1989)。唐文春则指出在数据处理过程中首先计算研究区土壤深层样元素平均值X1、标准离差S1,将数据经X1+2S1反复提出后再计算其平均值X2,即为研究区土壤元素基准值(唐文春等,2005)。成杭新通过利用公式计算某一元素的富集系数,剔除异常值,就可以得到表层土壤中元素含量的自然背景(成杭新等,2007)。虽然研究方法之间存在一定的差异性,但是土壤元素背景值的确定对环境规划和管理,以及对土壤污染治理、修复,农业生产均具有极其重要的意义。总之,它是指导土壤重金属污染监测、评价以及治理工作的基础(陈同斌等,2004)。在20世纪80年代就已经开展了以土壤元素背景值为目的地研究工作(魏复盛等,1991),为我国土壤背景值研究打下了坚实的基础。随后,大量研究者对不同地区开展了背景值详细研究(陈同斌等,2004;邢克孝等,1986;赵子良等,1987;甘华阳等,2010;马玉等,2014)。针对广西西江流域土壤背景值研究状况,由于当时经费、仪器设备等原因仅在5.8万km2区域内采集土壤样品32个(广西环境保护科学研究所,1992),样本量偏少。因此对于该流域土壤背景值的研究亟需解决,可为该区域的土壤环境研究提供了重要参考价值。同时许多研究者对广西西江流域土壤重金属进行调查并进行评估(刘畅等,2018;宋波等,2018;杨子杰等,2017;张云霞等,2018),但是相关的环境质量评价却是以全国背景值作为标准,而采用全国土壤背景值来进行相关的评价会产生问题(陈同斌等,2004)。因此,本文在对广西西江流域土壤重金属污染调查过程中,筛选出处于自然状态的土壤进行统计分析,重新研究土壤重金属背景值,为今后该流域相关环境研究提供更加准确、可靠的信息。

1.研究区概况与研究方法(Areaandmethod)

1.1研究区概况

西江流域是珠江水系的主干流,在广西境内的流域面积占珠江流域总面积的86%(翟丽梅等,2009),主要以刁江、红水河、打狗河、黔江、洵江和西江等主要河段的沿江区域为主,流经19个县市(如:河池市、柳州市、来宾市、玉林市、梧州市等)。西江流域面积约5.8万km2,东西跨度大,流域范围内有明显的季节性差异,土壤类型主要是以红壤和赤红壤为主,其成土母质主要为:沉积岩、岩浆岩与变质岩。随着地形地貌和气候环境的区域性变化,西江流域形成了不同成因的景观地貌沉积类型,在上游地区以风蚀高平原残积、坡积为主,中下游则以山地丘陵残积、坡积为主。典型的喀斯特岩溶地貌使得母岩碳酸盐岩在成土过程中发生淋溶,使得土壤中重金属易富集,同时土壤中重金属的分布存在一定的时空差异性。西江流域有着丰富的矿产资源,上游河池地区南丹县有色金属矿产资源总储量达1100万吨(叶绪孙等,1994),位于桂西北地区的丹池成矿带,广西武宣县盘龙-古立-朋村铅锌矿床(叶绪孙等,1994;邓坤等,2010;孙邦东等,1994;唐龙飞,2014;谢世业等,2004),存在着丰富的铅锌矿及伴锌矿资源。

1.2研究方法

样品采集:在2014.5-2016.6间分成多批次抽样的方法,按照西江流域土地利用类型图、矿产点分布图与地形图,在现有数字地图上确定采样点的基本分布。实际采样中,利用GPS定位,考虑土地利用类型的变化与地形因素,采用非均匀布点方法共采集土壤样品2864件,每件样品从10m×10m的正方形4个顶点和中心点共5处各取1kg的土壤(10~20cm),混合均匀后采用四分法取1kg土壤。在全部样品中,筛选出采集于山林和远离人类活动或受人类活动影响较小的山地、植被发育完好地方的自然土壤300件(图1)。样品处理:土壤样品从采集到处理的整个过程中,始终使用木头、塑料或玛瑙等工具,未曾接触过金属工具,防止人为原因致使样品受到污染。土壤样品经风干,研磨前去除碎石与植物残体等杂物,过100目筛。

2.结果与讨论(Resultsanddiscussion)

2.1西江流域土壤重金属分布特征

经正态概率分布检验,土壤重金属含量均不符合正态分布,经过对数转换之后,8种重金属元素均符合正态分布。表1为西江流域土壤重金属元素基本统计参数。

2.2西江流域土壤重金属不同计算方法比较

从理论上来说,土壤元素的背景值是不受或者很少受人类活动影响的情况下,土壤原来固有的元素含量水平(陈同斌等,2004)。但是在广西西江流域,上游丰富的矿产资源与下游广袤的平原地带,造就了密集地人类活动痕迹。因此要想找到完全不受任何人为污染的土壤几乎是不现实的。从实际采样角度出发,只要通过合理的布点,避开人类活动密集区域,那么所筛选出的自然状态土壤中重金属含量即可代表该区域土壤元素背景值。关于如何获得背景值,表示背景值,并没有统一格式(邢克孝等,1986)。夏增禄(夏增禄,1987)认为土壤重金属背景值应该是一个表征该元素含量集中分布趋势的特征值,而不是一个具体的数值。背景值应根据数据分布特征采用不同的方法表示,在含量分布符合正态分布的情况下,一般可用算术均值表征;在含量分布符合对数正态分布的情况下,则可采用几何均值表征集中趋势(Chenetal.,1991)。唐将(唐将等,2008)则认为多次叠代均值能够更好地反映元素含量的集中趋势,以此来表示土壤背景值。为了确保广西西江流域土壤背景值的准确性,从统计学的角度出发,分别统计土壤的中位数、算术平均值、几何平均值及多次叠代剔除平均值(表1),其中多次叠代剔除平均值是指以平均值加减2倍标准差(x±2S)为目标函数经逐步剔除(剔除限为数据集合内不再含有该函数值时的值)的算术平均值(唐将等,2008)。在这些统计量中对数转换、中位数或者多次叠代可以削弱高值在均值计算中的权重从而使得最终结果更加接近实际,因而这些值比算术均值更加的合理,算术均值就不适合作为平均含量的代表。而中位数为切尾均值的极端情况,对数据信息损失大,从而效率低(张朝生等,1995)。因此,多次叠代均值更接近于数据的集中趋势。

2.3西江流域土壤重金属元素推荐背景值与前人研究对比

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广西土壤背景值》(下文均以“前人研究”代称)(广西环境保护科学研究所,1992)的研究结果,其差异在5%以内,而Cd、Pb背景值则远高于前人研究结果,差异分别达到了320%、152%。对于Sb,前人研究中未对此元素进行统计,故将本研究结果与全国土壤Sb背景值进行对比,差异为379%。对于Pb元素,按照背景值区划标准划分为<14.7、14.7-19.0、>19.0三个等级,其几何均值分别为:43.6mg•kg-1、57.3mg•kg-1、45.0mg•kg-1。可以发现自然土壤中Pb含量并没有表现出与流域区划背景值相同的升高趋势,但是资料表明,在桂西北河池地区存在52200km2的高Pb异常区(张云霞等,2018),平均值为53.3mg•kg-1。这会对自然土壤中Pb含量偏高造成一定的影响。对于Sb元素,西江流域Sb含量十分异常(谢学锦等,2008),主要集中在红河、宜良、马龙、望谟、宜威、广西宾阳、河池、忻城与上思、宁明、凭祥范围内,面积34×104km2,规模大,强度极高;特别是河池地区Sb异常强度高,且梯度和浓度集中十分明显,异常平均值9.6mg•kg-1。可见,由于成土母质对土壤Sb含量的影响,导致西江流域Sb背景值显著高于全国土壤Sb背景值。另外通过与前人研究的实验过程对比发现:第一,研究中所用样品均来自于很少受人类活动影响的林地、山地中的土壤剖面,但是前人研究仅在5.8万km2区域内采集土壤样品32个,而本研究采集样品数量是其7~9倍,因此本研究在样品数量上更具有代表性;第二,两者样品加工处理、数据处理方法、质量控制方面都保持一致;第三,在样品分解方法上,本研究采用美国土壤分析HNO3+H2O2的消解方法,前人研究中采用HNO3+HF+HClO4的消解方法。测试方法灵敏度和实验定量水平的差异是否是造成本研究所提出的背景值高于前人研究结果的原因还有待进一步研究。

3.结论(Conclusion)

土壤重金属含量背景值是制定土壤环境质量标准的重要依据,因此,应根据不同地区的土地类型,成土母质等因素开展切合实际的土壤背景值研究。通过对西江流域土壤重金属调查研究,重新提出该流域土壤重金属背景值: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背景值与前人研究结果基本一致,其差异在5%以内,而Cd、Pb背景值则是前人研究结果的4.2倍、2.5倍,Sb则是全国土壤背景值的4.8倍,这主要是由于西江流域处在地球化学异常区造成的,使得土壤中Cd、Pb、Sb含量显著偏高。采矿活动、交通运输及大气沉降是否会对自然土壤中重金属含量造成影响还有待进一步研究。本研究得到的土壤重金属背景值,可以为该流域的土壤环境管理提供重要依据。

作者:王佛鹏1a;宋波1a,b;周浪1a;庞瑞1a;张云霞1a;陈同斌1a,2 单位:1.桂林理工大学,a环境科学与工程学院,b岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心,2中国科学院地理科学与资源研究所

红河学院学报责任编辑:张雨    阅读:人次
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