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菜子湖濕地土壤THg和TZn含量與污染分析

2021-10-21 08:50:27王雪峰
科技信息·學(xué)術(shù)版 2021年14期
關(guān)鍵詞:菜子村莊重金屬

王雪峰

摘要:為了研究菜子湖附近土壤中THg和TZn的污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)以及其與pH、土壤SOM的相關(guān)性分析,本研究采用地積累指數(shù)法、單因子指數(shù)法等方法分析菜子湖周圍八個村莊的土壤THg和TZn污染程度,并進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤THg均值含量與CK組均值含量均無顯著性差異,土壤TZn均值含量與CK組相比有顯著差異。八個村莊土壤THg單因子污染指數(shù)和土壤TZn單因子污染指數(shù)均呈無污染。八個村莊的土壤THg含量均沒超過土壤背景值,但土壤TZn含量有部分超過土壤背景值。本研究表明八個村莊土壤TZn和土壤THg存在一定程度的累積,土壤中THg積累較多,TZn積累較少。菜子湖的土壤THg和TZn的之間相關(guān)性較強(qiáng)。

關(guān)鍵詞:重金屬;菜子湖;地積累指數(shù);單因子污染指數(shù)

引言:

重金屬是環(huán)境當(dāng)中較為常見的一種污染物質(zhì),它具有對人體健康危害嚴(yán)重、擴(kuò)散范圍較廣、持續(xù)時間較長、污染隱蔽性較高、很難被自然降解等特點(diǎn)[1]。重金屬污染是指由重金屬和其化合物造成的環(huán)境污染,主要是由排放廢氣或污水、開采礦產(chǎn)和使用含重金屬的化合物等人為因素所致[2]。重金屬污染已經(jīng)給人們的日常生活帶來了嚴(yán)重的影響[3]。菜子湖是位于長江中下游,是典型的通江淺水湖泊,菜子湖周邊形成的濕地在氣候調(diào)節(jié)、洪水調(diào)蓄、水土保持等方面的影響顯著,對人與自然的可持續(xù)發(fā)展、社會經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展意義重大[4],并吸引了眾多的侯鳥和留鳥在此棲息。引江濟(jì)淮工程是一項(xiàng)以工業(yè)和城市供水為主,兼有農(nóng)業(yè)灌溉補(bǔ)水、生態(tài)環(huán)境改善和發(fā)展江淮航運(yùn)等綜合效益的大型跨流域調(diào)水工程[5],該工程解決了地區(qū)之間的水資源分配不均,并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益等。但是由于引江濟(jì)淮工程的實(shí)施,通過菜子湖進(jìn)行引長江水,使得菜子湖水位季節(jié)性升高與下降,原有的濕地生態(tài)格局遭到破壞,濕地退化。濕地是人類重要的資源之一,是具有較高生產(chǎn)力的生態(tài)系統(tǒng)。在運(yùn)行輸水工程后,菜子湖濕地將產(chǎn)生不可避免的破壞和損失,湖泊水生態(tài)系統(tǒng)有退化趨勢,如水生植被覆蓋度顯著下降,鳥類多樣性減少等等。為了避免因?yàn)橐瓭?jì)淮工程對菜子湖造成的生態(tài)環(huán)境問題,有必要對菜子湖周圍的濕地進(jìn)行退耕還濕。本研究通過調(diào)查和測定,研究該菜子湖土壤汞(Mercury,Hg)和鋅(Zinc,Zn)的含量和污染程度,探討菜子湖周邊土壤是否適合退耕還濕進(jìn)行分析,研究為菜子湖濕地生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

菜子湖濕地是組成沿江濕地的重要部分,跨越桐城縣、樅陽縣兩縣,其水域兩縣基本被平分,地理位置為東經(jīng)117°01′~117°10′,北緯30°45′~30°56′,平均的海拔高度為9.1m。菜子湖一年四季分明,氣候條件適宜,處于北亞熱帶濕潤氣候區(qū),全年的平均氣溫約為16.5℃,主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng),在夏季為西南風(fēng),其他季節(jié)均為東北風(fēng),年平均風(fēng)速約為1.6~5.0 m/s。水面是由3個湖區(qū)組成的,3個湖區(qū)分別是:菜子湖,白兔湖以及嬉子湖。菜子湖是安徽省省級安慶沿江水禽自然保護(hù)區(qū)生物多樣性最為豐富的區(qū)域,濕地占地面積為26.9平方公里,其中菜子湖的湖泊面積為21.56平方公里,占濕地面積的73.6%,也是內(nèi)陡湖泊中黑腹濱鷸的重要遷徒和越冬地。濕地土壤是生態(tài)系統(tǒng)中重要的構(gòu)成部分,對保持區(qū)域生態(tài)平衡有著至關(guān)重要的作用。周邊形成的濕地,吸引了白頭鶴、東方白鸛等眾多侯鳥和留鳥在此棲息,符合國際重要濕地的標(biāo)準(zhǔn),被世界自然基金會列為長江中下游3處最重要的濕地區(qū)域之一。

1.2 樣品的采集與測定

1.2.1 采樣和處理

在菜子湖周圍雙興村、小楊村、先讓村、趙莊村、黃盆村、瓦竹村、獅莊村、陡潭村各設(shè)置3個采用點(diǎn),每個采樣點(diǎn)進(jìn)行3次采樣。在地勢較高、沒有人為活動干擾的樹林設(shè)置對照組(CK組),進(jìn)行相同的操作,總共是81份土壤樣品。對這八個村農(nóng)田耕地進(jìn)行采樣,用干凈的鏟子采樣20cm深度的土壤,每份采取1000g,將采取的樣品裝入雙層聚乙烯塑料袋中,封好且做好標(biāo)記,避免混亂。帶回實(shí)驗(yàn)室后及時處理土壤中的雜質(zhì),將土壤碾碎,篩好后放在陰涼處密封低溫保存。

1.2.2 土壤指標(biāo)含量的測定

土壤中THg、TZn的測定參照《農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(NY /T 395-2000),將水樣進(jìn)行過濾后,酸堿度(pH值)采用玻璃電極法進(jìn)行測定。土壤THg采用冷原子吸收分光光度法進(jìn)行測定,取部分采樣土壤經(jīng)過瑪瑙研缽研磨,過100目網(wǎng)篩后,用鹽酸與硝酸混合液(體積1∶1)體系使用水浴法消解土壤樣品,通過原子熒光光度計(jì)(AFS)測定土壤THg元素的含量。在聚四氟乙烯鍋內(nèi)用鹽酸—硝酸—?dú)浞帷呗人徇M(jìn)行全分解,再使用火焰原子吸收分光光度法測定土壤TZn元素的含量。再取部分土壤經(jīng)過瑪瑙研缽研磨,過60目篩后采用重鉻酸鉀氧化-油浴加熱法(容量法)測定土壤有機(jī)質(zhì)含量(Soil organic matter,SOM)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與評價(jià)

1.3.1 地積累指數(shù)計(jì)算

地積累指數(shù)法(Muller指數(shù))是由Muller在1969年提出,用于研究沉積物中重金屬污染的定量指標(biāo),被廣泛地應(yīng)用于土壤重金屬污染評價(jià),其計(jì)算公式如下:

式中:IGeo是地積累指數(shù);Cn為樣品中元素n的實(shí)測含量(mg/kg);BEn為該元素背景值(mg/kg),安徽省江淮流域土壤背景值分別是為THg 0.014 mg/kg,TZn 53.2mg/kg,常量1.5是轉(zhuǎn)換系數(shù)(為消除各地巖石差異可能引起背景值的變動)。IGeo分級和污染程度見下表1。

1.3.2 單因子污染指數(shù)法

單因子污染指數(shù)法評價(jià)可以用來確定單一重金屬污染物以及危害程度的方法。即以重金屬含量實(shí)測值和土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值相比除去量綱來計(jì)算污染指數(shù),其計(jì)算公式為:

Pi=Ci s/Ci n

式中:為單因子污染指數(shù),為重金屬含量實(shí)測值,為《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-2018)中的農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值,根據(jù)土壤不同的pH值,的值也不同(表2)。

土壤重金屬污染狀況按單項(xiàng)污染指數(shù)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下表3所示。

1.3.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

測得的結(jié)果應(yīng)用于軟件SPSS19.0以及Excel表格進(jìn)行相關(guān)的差異顯著性和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

各個村莊的pH值都在7.0以下。其中趙莊村、黃盆村的pH值不到6.0,分別是5.4、5.6;雙興村、先讓村、小楊村、瓦竹村、獅莊村、陡潭村的pH值在6和7之間,分別是6.7、6.4、6.1、6.6、6.3、6.3。

2.1 不同村莊土壤THg含量分析

對8個村莊的3個采樣點(diǎn)分別進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)得出均值(表4),由表4,土壤THg均值含量最高的是雙興村,均值含量最低的是瓦竹村。雙興村和先讓村土壤THg含量均值是0.68mg/kg、0.67mg/kg,高于CK組(CK組土壤THg含量0.39mg/kg);小楊村、趙莊村、黃盆村、瓦竹村、獅莊村、陡潭村的土壤THg均值含量分別是0.28mg/kg、0.17mg/kg、0.16mg/kg、0.15mg/kg、0.25mg/kg、0.19mg/kg,均低于CK組。先讓村不同采樣點(diǎn)THg含量差異最大,該村最高含量是最低含量的10.26倍。黃盆村不同采樣點(diǎn)THg含量差異最小,該村最高含量是最低含量的1.16倍。八個村莊土壤THg含量與CK組比較,均無顯著差異(P>0.05)。

2.2 不同村莊土壤TZn含量分析

8個村莊土壤TZn均值含量從高到低順序依次是獅莊村>瓦竹村>先讓村>黃盆村>趙莊村>小楊莊>雙興村>陡潭村,分別高于CK組90.21mg/kg、85.22mg/kg、84.62mg/kg、69.51mg/kg、62.23mg/kg、61.38mg/kg、58.38mg/kg和54.76mg/kg,8個村莊與CK組均具有極顯著性差異(P<0.01),說明8個村莊土壤TZn含量均受到人類活動的影響。小楊莊不同采樣點(diǎn)土壤TZn含量差異最大,變化范圍在42.45mg/kg-140.88mg/kg之間。

2.3 不同村莊土壤SOM含量分析

各村莊的土壤SOM含量均比CK組大。雙興村、先讓村、趙莊村、瓦竹村的土壤SOM含量是2.14mg/kg、1.98mg/kg、2.48mg/kg、1.85mg/kg,與CK組相比呈極顯著性差異(P<0.01);小楊村、黃盆村的土壤SOM含量是2.10mg/kg、2.39mg/kg,與CK組相比呈顯著性差異(P<0.05);陡潭村的土壤SOM含量是1.78mg/kg,與CK組相比,沒有顯著性差異(P>0.05)。

2.4 不同村莊土壤THg單因子污染指數(shù)和地積累指數(shù)分析

雙興村、先讓村、小楊莊、趙莊村、黃盆村、瓦竹村、獅莊村、陡潭村和CK組的THg含量分別是GB 15618-2018標(biāo)準(zhǔn)的0.2847、0.371、0.158、0.1342、0.0877、0.064、0.1364、0.108和0.1611倍,以單因子污染指數(shù)法評價(jià)可知八個村莊和CK組均無污染。雙興村、先讓村、小楊莊、趙莊村、黃盆村、瓦竹村、獅莊村、陡潭村THg含量分別是土壤背景值的48.57、47.86、20.00、12.14、11.43、10.71、17.86、13.57、27.86倍??梢姲藗€村THg均超過土壤自然容量,在人為活動下具有一定的積累性。

八個村莊土壤THg的地積累指數(shù):瓦竹村的地積累指數(shù)是2.8786,屬于中污染與重污染之間;小楊村、趙莊村、獅莊村、陡潭村的地積累指數(shù)分別是3.7595、3.0539、3.5476和3.2109,屬于重污染;先讓村的地積累指數(shù)是4.9909,屬于重污染與極重污染之間;雙興村的地積累指數(shù)是5.0241,屬于極重污染。

2.5 不同村莊土壤TZn單因子污染指數(shù)和地積累指數(shù)分析

CK組TZn含量比GB 15618-2018中的Zn的農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值標(biāo)準(zhǔn)低212.19mg/kg,比江淮流域土壤背景值低15.39mg/kg。雙興村、先讓村、小楊莊、趙莊村、黃盆村、瓦竹村、獅莊村和陡潭村的TZn含量分別是GB15618—2018標(biāo)準(zhǔn)的0.38、0.61、0.50、0.50、0.54、0.50、0.64和0.46倍,以單因子污染指數(shù)法評價(jià)可知八個村莊和CK組均無污染。雙興村、先讓村、小楊莊、趙莊村、黃盆村、瓦竹村、獅莊村、陡潭村TZn含量分別是土壤背景值的1.81、2.30、1.86、1.88、2.02、2.31、2.41、1.74和0.71倍,可見八個村TZn均超過土壤自然容量,在人為活動下具有一定的積累性。

八個村莊土壤TZn地積累指數(shù)依次分別為0.27、0.62、0.31、0.33、0.43、0.62、0.68、0.21,均介于無污染與中污染之間。

3討論

雙興村、先讓村、小楊村、趙莊村、黃盆村、瓦竹村、獅莊村、陡潭村土壤THg平均含量超過了土壤背景值,地積累指數(shù)法評價(jià)顯示八個村莊土壤THg呈中污染-極重污染,但單因子污染指數(shù)法評價(jià)八個村莊土壤THg均呈無污染。除了陡潭村,雙興村、先讓村、小楊莊、趙莊村、黃盆村、瓦竹村、獅莊村的TZn含量平均含量超過了土壤背景值。單因子污染指數(shù)法評價(jià)可知八個村莊和CK組均無污染。積累指數(shù)法評價(jià)顯示八個村莊土壤TZn均介于無污染與中污染之間。常用的單因子指數(shù)法無法直觀反映綜合污染狀況[11]。研究發(fā)現(xiàn)重金屬來源是自然來源和人為活動因素共同所致。自然變化包括土壤中其它化學(xué)成分、pH值、SOM、生物成分及土壤質(zhì)地、地形水文等因素,可知這些因素起到了一定的作用。經(jīng)調(diào)查,菜子湖周圍的八個村莊沒有Hg、Zn污染企業(yè),長期耕種,長期施加農(nóng)藥和化肥也會帶來一些積累,如硫酸鉀型復(fù)合肥、氮肥(Zn含量較高)、磷肥(Hg含量較高)。

前人研究表明,pH、有機(jī)質(zhì)和土壤粒徑等土壤理化因子會對土壤重金屬的含量產(chǎn)生影響。一般相關(guān)性分析可以用來推測重金屬元素間的來源是否相同。本研究對各村莊土壤TZn、THg含量與pH值、SOM進(jìn)行相關(guān)性分析,相關(guān)系數(shù)r顯示:

雙興村的土壤THg含量與SOM、pH呈正相關(guān),相關(guān)性一般;土壤TZn含量與SOM、pH呈負(fù)相關(guān),相關(guān)性一般;土壤THg含量與土壤TZn的相關(guān)性系數(shù)為0.770,說明土壤TZn和THg具有較強(qiáng)相關(guān)性。先讓村的土壤THg含量與SOM、pH值呈負(fù)相關(guān),與SOM相關(guān)性緊密,與pH值關(guān)系一般;土壤TZn含量與SOM、pH值呈正相關(guān),相關(guān)性一般;與土壤TZn的相關(guān)性系數(shù)為0.338,說明土壤中TZn和THg相關(guān)性一般。小楊村的土壤THg含量與SOM呈負(fù)相關(guān),與pH值呈正相關(guān),相關(guān)性一般;土壤TZn含量與SOM呈正相關(guān),與pH值呈負(fù)相關(guān),相關(guān)性一般;與土壤TZn的相關(guān)性系數(shù)為0.984,說明土壤中TZn和THg相關(guān)性強(qiáng)。趙莊村的土壤THg含量與SOM呈正相關(guān),與pH值呈負(fù)相關(guān),相關(guān)性一般;土壤TZn含量與SOM呈正相關(guān),與pH值呈負(fù)相關(guān),相關(guān)性一般;與土壤TZn的相關(guān)性系數(shù)為0.324,說明土壤中TZn和THg相關(guān)性一般。黃盆村的土壤THg含量與SOM、pH值呈正相關(guān),相關(guān)性一般;土壤TZn含量與SOM、pH值呈負(fù)相關(guān),相關(guān)性強(qiáng);與土壤TZn的相關(guān)性系數(shù)為0.345,說明土壤中TZn和THg相關(guān)性一般。瓦竹村的土壤THg含量與SOM呈負(fù)相關(guān),與pH值呈正相關(guān),相關(guān)性一般;土壤TZn含量與SOM呈正相關(guān),與pH值呈負(fù)相關(guān),相關(guān)性一般;與土壤TZn的相關(guān)性系數(shù)為0.205,說明土壤中TZn和THg相關(guān)性一般。獅莊村的土壤THg含量與SOM、pH值呈正相關(guān),相關(guān)性一般;土壤TZn含量與SOM、pH值呈負(fù)相關(guān),相關(guān)性一般;與土壤TZn的相關(guān)性系數(shù)為0.563,說明土壤中TZn和THg相關(guān)性中等。陡潭村的土壤THg含量與SOM、pH值呈負(fù)相關(guān),相關(guān)性一般;土壤TZn含量與SOM、pH值呈正相關(guān),與SOM相關(guān)性強(qiáng),與pH值相關(guān)性一般;與土壤TZn的相關(guān)性系數(shù)為0.418,說明土壤中TZn和THg中等相關(guān)。

重金屬元素間的相關(guān)關(guān)系在一定程度上反映著幾種重金屬的同源性與差異性,說明雙興村、小楊村土壤Hg和Zn來源可能相同。

4結(jié)論

由于不同類型的耕地施加農(nóng)藥(化肥)產(chǎn)品與施加量不同,導(dǎo)致農(nóng)藥化肥中THg和TZn在土壤中分布和積累不一樣。

單因子指數(shù)評價(jià)法表明八個村莊土壤TZn和土壤THg存在一定程度的累積。

地積累指數(shù)表明不同村莊土壤THg呈中度-極重污染,土壤TZn介于無污染與中污染之間。說明八個村莊土壤中THg積累較多,TZn積累較少。

pH值與土壤THg和TZn含量大小影響土壤TPb和THg的遷移和累積。SOM與TPb和THg含量一般呈正相關(guān)。菜子湖周圍土壤THg和TZn之間相關(guān)性較強(qiáng)。

參考文獻(xiàn):

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