城市化背景下不同土地利用方式引起土壤重金属污染研究

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中文摘要：论文应用地统计学、土壤学和环境学等学科的理论体系，通过野外调查采样、实验室测定和室内统计分析等方法，系统研究了城市化背景下城市扩张、工业化、蔬菜用地和交通用地四种土地利用方式对土壤产生的重金属污染的特点和空间分布格局。得到如下结论：城市化过程对城乡交错区土壤重金属含量的变化有重要影响。对城乡交错区土壤重金属含量的地统计学分析表明，交错区土壤中Hg、Pb、Cu的含量在空间呈带状各向异性，Zn呈几何各向异性。在城乡方向上四种重金属元素在空间分布的变程较大，空间自相关程度较高；在垂直城乡方向上变程相对较小，空间自相关程度较低，而在45°和135°方向上的变程和自相关程度居中，说明城市化过程在不同方向上对土壤重金属含量的影响不同；克立格空间插值得到的元素含量分布格局图表明，沿城乡方向上Hg和Pb的含量有较明显的变化趋势。其中Hg含量以城市一侧含量最高，最靠近城市的采样点Hg含量高达0.70±0.14mg．kg<'-1>，与工业活动有关；乡村一侧较高，其在农田中的含量为0.33±0.12mg.kg<'-1>，与农业施肥等因素有关；中间部分含量相对较低。Pb含量则表现为从城市向乡村方向上呈梯度递减，其中靠近城区一侧为49.11±1.30mg．kg<'-1>，而靠近乡村一侧的农田中含量仅为27.45±1.73mg.kg<'-1>，和该区交通工具的活动强度由城区向乡村方向上的递减有关。Cu含量主要表现为从城市向乡村方向上的两侧和中间，有串珠状白色区域，该区域中土壤Cu含量较低。其余区域土壤中Cu含量略高，但总体相差不大，平均含量为31.86±3.87mg．kg<'-1>。Zn含量在城乡方向上的变化趋势不明显。在城乡交错区垂直于城乡方向上，以上各元素的变化没有明显的变化趋势，其平均含量为54.51±17.415mg．kg<'-1>。说明城市化过程对Hg、Pb含量影响较大，对Cu、Zn含量影响较小；对比分析和估值标准差分布格局表明，克立格插值对四种元素未测点的估值效果较好，后者还为提高估值精度提供了方法。工业用地对周围土壤会产生点源和面源重金属污染。点源污染研究表明，处理不当的废渣堆放、废水排放和烟尘排放，都会对周围环境造成严重土壤污染：铝合金厂废渣堆放在堆场周围水平方向550m，垂直方向6m的区域产生了Cr污染。其中距堆场水平距离为100m，深度在1m以内的土壤Cr含量超过150mg．kg<'-1>。在距堆场100m，深度为6m处的地下水中Cr<'6+>的含量是III类水标准的37.2倍。而距离堆场15m范围内的Cr6+的含量高达III类水标准的150.6倍；电站污水排放对周围土壤的污染呈带状分布，其中污泥中Cd和Pb严重超标（分别为23.1mg.kg<'-1>和478mg.kg<'-1>）（《土壤环境质量标准》GB 15618-1995），污水呈严重的酸化状态（pH为4.2）。河道周围50m和100m的农田土壤中Cd含量分别是三级标准上限值的3.7倍和1.46倍；冶炼厂烟尘排放造成下风方向50m范围内Pb和Cd的严重污染（含量分别为475mg.kg<'-1>和12.5mg.kg<'-1>）；在下风方向200m处，Pb和Cr含量虽有显著降低，但Cr含量仍高出三级标准上限值的1.5倍。面源污染研究表明，城镇周围农田土壤中Cd、Cr、Cu和Pb含量或变异较大，或含量较高应引起足够的重视。城镇西面和南面土壤中Cr和Cu含量著高于北面和东面，可能与该镇工业企业的重心在城镇西南方向上有关。土壤中的Pb含量在四个方向上均较高，与该镇的工业布局及交通影响有关。趋势检验进一步表明，在距离城镇3000m的范围内，城北方向上农田土壤中Cr和Cu的含量随距离增加分别呈显著的对数和指数趋势降低，在城东方向土壤中Cu和Pb含量呈显著的指数趋势降低；其它方向上土壤元素含量随距离的变化呈随机波动。说明工业型城镇对周围环境土壤中重余属含量有影响作用。城市化的发展，带动着城郊菜地种植面积的不断扩大和种植方式的集约化，同时也使菜地土壤中微量元素含量处于动态变化之中。以空间序列代替时间序列的方法对采地土壤中Hg、Cu、Zn、Cr、Pb、Co、Mn、Li、Sr、V、As、Ni、Cd、Ge、Sn共15种微主元素动态变化的研究表明，土壤中Hg、Cu、Zn、Cr、Pb的含量随种植时间的增加呈累积趋势。其中Hg、Cu、Zn元素含量在0～15cm、15～30cm、30～60cm的土壤剖面上的累积速率（累积通量）依次是：Hg（0.0043mg.kg<'-1>.a<,-1>、0.0062mg.kg<'-1>.a<'-1>和0.0049mg.kg<'-1>.a<'-1>），Cu（0.4824mg.kg<'-1>.a<'-1>，0.2877mg.kg<'-1>.a<'-1>和0.1983mg.kg.a<'-1>）和Zn（1.3992mg.kg<'-1>.a<'-1>，1.0764mg.kg<'-1>.a<'-1>和0.4559mg.kg<'-1>.a<'-1>）；Li、Sr、V和As的含量随种植时间呈直线型下降，其中Li和As在0～15cm、15～30cm和30～60cm流失通量依次是：Li（0.1451mg.kg<'-1>.a<'-1>、0.111mg.kg<'-1>.a<'-1>和0.1865mg.kg<'-1>.a<'-1>）.As（0.0553mg.kg<'-1>.a<'-1>、0.0607mg.kg<'-1>.a<'-1>和0.0604mg.<'-1>kg.a<'-1>）；Co、Mn和Ni的含量呈二次曲线型变化，其中Co、Mn在前25a里不断升高，后又开始下降，Ni含量先降低后升高，且不同深度的拐点不同；Cd，Ge，Sn随时间的变化呈波动型。对菜地土壤中以上元素在剖面上含量的比较表明，表层（0～15cm）土壤中Hg、Cu、Zn和Pb元素的含量显著高于底层（30～60cm），但表层Li元素含量显著低于中层（15～30cm）剖面，和下层差别不显著；其余元素含量在土壤剖面上下层间的差异不显著。结果表明，菜地土壤Hg、Cu、Zn、Cr和Pb含量随菜地种植时间的增加而不断累积，与当地菜地中大量投入的无机肥料（尤其是磷肥）、动物粪肥以及大量使用农药有关，且以上5种元素含量的相关分析表明，土壤中Hg、Cu、Zn和Pb四种元素两两之间有显著的相关关系，说明这4种元素的来源可能有一定的联系。菜地土壤中Li、V、Sr和Ni的含量随种植时间下降可能与蔬菜吸收而未能及时补充有关；菜地土壤中有效态Cu、Zn和Pb含量的变化表明，由于化肥等农业物质的大量投入，使菜地土壤表层有效态Cu、Zn和Pb的含量有显著升高，其中重金属总量、土壤pH值、有机质含量、土壤粘粒、粉粒和砂粒含量是影响有效态Cu、Zn和Pb含量的重要因素。但各因素对不同重金属元素的直接作用和间接作用的大小不同。在反映土壤中某一因素对土壤重金属有效态含量变化的综合作用上，相关系数和决策系数均有一定的参考作用。其中决策系数对土壤管理的参考价值更大。此外，文中提出的土壤元素含量变化速率对定量衡量土壤中某一元素的变化（累积或流失通量）有参考价值。交通对周围农田土壤中重金属含量有影响。交通用地周围农田土壤中重金属Pb和Cu的分布呈带状各向异性，且在垂直公路方向上的空间自相关程度高于沿公路方向上的自相关程度，而Zn和Ni含量的变化在各个方向上差异较小，其分布呈各向同性；克立格空间插值得到的元素含量分布格局图表明，公路周围土壤中绝大部分面积上Pb含量均高于《土壤环境质量标准》给出的土壤背景值（0.30mg.kg<’-1>）和江苏省土壤Pb含量的算术平均值（0.26mg.kg<’-1>）。其含量在总体上表现为靠近公路一侧Pb含量较高而远离公路一侧较低。但由于研究区左上角Pb含量异常升高，而左下角含量较低，导致Pb含量的分布格局有沿135。方向变化的趋势。土壤中Pb的分布格局可能与交通工具尾气的排放及农业施肥的影响有关。土壤中Cu含量在靠近公路一侧相对较高，远离公路一侧相对较低。Cu的分布格局可能也与交通尾气排放有关。土壤中Zn和Ni含量在空间的分布规律不明显，随机性较强。对比分析和估值标准差的空间分布图表明，克立格插值的结果是可靠的。从后者还可明显看到估值误差的大小和可靠性，并能很容易的确定为提高精度而增加样点的位置，从而可以提高采样点的有效性。

作者：

王国梁

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关键词：

城市化土地利用土壤重金属污染克立格插值土壤体积分形维数面源污染点源污染

授予学位：

博士

学科专业：

自然地理

导师：

赵其国、周生路

学位年度：

2005

学位授予单位：

南京大学

语种：

中文

中图分类号：