貴陽(yáng)市城郊兩處菜地土壤垂直剖面重金屬遷移規(guī)律及來(lái)源解析

蔡雄飛, 趙士杰, 宣斌, 王濟(jì), 張帥, 李丁

貴陽(yáng)市城郊兩處菜地土壤垂直剖面重金屬遷移規(guī)律及來(lái)源解析

蔡雄飛, 趙士杰, 宣斌, 王濟(jì)*, 張帥, 李丁

貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 貴陽(yáng) 550025

以貴陽(yáng)市某城郊菜地0—100 cm垂直剖面土壤為實(shí)驗(yàn)對(duì)象, 分析剖面土壤中8種重金屬元素垂向分布遷移規(guī)律, 并采用主成分分析(PCA)、正定因子分解模型(PMF)和Pb同位素示蹤技術(shù)對(duì)重金屬污染來(lái)源進(jìn)行解析。結(jié)果表明, 剖面土壤大部分深度的重金屬含量超出背景值; Ni、Cu、Pb、Cd和Hg均存在不同程度的富集, As在整個(gè)剖面表現(xiàn)為丟失, Cr和Zn變化較小; 淋洗遷移特征表明, Pb和Cd淋洗遷移現(xiàn)象較為活躍, 富集因子分析表明僅Hg含量受人為源輸入相對(duì)較多, 其他重金屬受人為污染程度較弱; PCA、PMF和Pb同位素示蹤研究表明, 剖面土壤重金屬主要為自然來(lái)源, 其次為農(nóng)業(yè)污染和燃煤消耗等人類活動(dòng)。三種源解析方法結(jié)果吻合, 能夠構(gòu)成互補(bǔ)的多元源解析體系。

城郊菜地; 土壤垂直剖面; 重金屬; 遷移; Pb同位素示蹤

0 前言

土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的載體和核心資源[1], 隨著工業(yè)化與城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn), 人為活動(dòng)使得重金屬進(jìn)入土壤并過(guò)量累積[2], 造成土壤環(huán)境質(zhì)量每況愈下, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力發(fā)展受到嚴(yán)重影響。且土壤重金屬污染具有遷移靈活、治理困難和危害性大等特點(diǎn)[3], 已引起眾多學(xué)者關(guān)注[4]。研究表明, 我國(guó)多個(gè)地區(qū)土壤重金屬含量存在超標(biāo)現(xiàn)象[5-8], 重金屬進(jìn)入土壤后由于耕作、淋溶等原因會(huì)發(fā)生橫向或縱向遷移, 導(dǎo)致不同土層受到污染[9], 污染源的確定則是評(píng)價(jià)土壤重金屬污染程度和對(duì)污染土壤進(jìn)行有效治理的前提[10]。近年來(lái), 多元統(tǒng)計(jì)分析法和同位素示蹤技術(shù)被廣泛應(yīng)用于重金屬污染源分析[11-12], 多元分析法通過(guò)對(duì)原始變量降維, 能夠更容易、更全面分析原始數(shù)據(jù), 特別是在識(shí)別重金屬來(lái)源方面已成為一種有力手段[13-14], 朱元芳等通過(guò)多元統(tǒng)計(jì)分析北京水系重金屬污染來(lái)源, 得出Hg、Cd、Zn和Cu作為第一主成分與工礦業(yè)開(kāi)采有關(guān); 第二主成分 As和Mn與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活污水排放有關(guān); 第三主成分 Cr、Ni和Ti與巖石風(fēng)化和土壤侵蝕有關(guān)[15]。土壤環(huán)境中Pb的4種同位素204Pb、206Pb、207Pb、208Pb是衰變后的終產(chǎn)物, 應(yīng)用其“指紋”特征可有效判定污染來(lái)源[16], 胡恭任等應(yīng)用鉛(鍶)同位素示蹤技術(shù)分別對(duì)廈門市旱地土壤[17]和降水[18]中重金屬來(lái)源進(jìn)行解析, 結(jié)果表明, 旱地土壤中Pb主要來(lái)源于母質(zhì)層, Sr受到人為源和母質(zhì)層雙重影響, 降雨中Pb主要受燃煤影響。

目前關(guān)于土壤重金屬遷移規(guī)律及來(lái)源的研究大多集中于非喀斯特地區(qū), 對(duì)喀斯特地區(qū)不同土層重金屬污染程度、累積情況、遷移分布規(guī)律和污染來(lái)源的探索還不多。貴陽(yáng)屬于典型喀斯特地區(qū), 耕地資源少且人地矛盾突出, 且伴隨城市化進(jìn)程, 居民日常飲食中蔬菜比重也逐步增加, 故本文以貴陽(yáng)市城郊菜地土壤為研究對(duì)象, 分析其垂直剖面土壤重金屬的含量水平及分布特征, 運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)分析法和Pb同位素示蹤技術(shù)對(duì)重金屬污染來(lái)源進(jìn)行解析, 以期為喀斯特地區(qū)菜地土壤重金屬污染治理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自于貴陽(yáng)市云巖區(qū)建安(JA)路附近(106°38′20"E, 26°41′42"N)和云環(huán)(YH)中路附近(106°38′26"E, 26°40′06"N)的菜地(圖1), 以10 cm深度為間隔, 借助地質(zhì)勘查鉆采集垂直剖面土壤0—100 cm, 其中JA剖面pH范圍為6.94—8.58, 有機(jī)質(zhì)含量為16.29—110.39 g·kg-1, 黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.02—0.002 mm)和砂粒(0.02—2 mm)含量范圍分別為28.57%—46.47%、46.44%—64.75%和0.65%— 21.07%。YH剖面pH范圍為6.59—7.27, 有機(jī)質(zhì)含量為8.13—67.40 g·kg-1, 黏粒、粉粒和砂粒含量范圍分別為29.08%—48.26%、47.44%—61.71%和3.04%— 14.88%。每層取1—2 kg置于密封袋中, 貼好標(biāo)簽, 將土樣于實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干, 剔除雜質(zhì)后搗碎, 過(guò)200目尼龍篩, 密封于無(wú)色聚乙烯薄塑料袋備測(cè)。

1.2 分析方法與質(zhì)量控制

土壤 pH 使用超純水浸提(水土比為 2.5: 1), 用pH 計(jì)(PHS-3C+)測(cè)定, 土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定;土壤粒徑組成使用激光粒度儀(Mastersizer 2000)測(cè)定, 土壤中Ni、Cr、Zn、Cd、Pb和Cu含量采用“HCl-HNO3-HF-HClO3”消解, 用原子吸收分光光度計(jì)(GGX-800)測(cè)定, Hg和As含量采用水浴加熱, 用雙道原子熒光分光光度計(jì)(AFS- 230E)測(cè)定[19-20]。

為保證分析的精確性, 樣品分析時(shí)必須做20％平行樣品, 每批土壤樣品至少設(shè)置2個(gè)空白, 標(biāo)準(zhǔn)偏差控制在5%以內(nèi), 標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)系數(shù)≥0.999。試驗(yàn)過(guò)程用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07419全程進(jìn)行質(zhì)量控制, 試劑使用均為優(yōu)級(jí)純, 各元素回收率均在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)允許范圍內(nèi)。土壤樣品經(jīng)過(guò)預(yù)處理后, 送至核工業(yè)北京地質(zhì)研究院, 采用熱電離固體同位素質(zhì)譜儀(TIMS)進(jìn)行土壤Pb同位素分析, 具體過(guò)程參照文獻(xiàn)[21]。試驗(yàn)過(guò)程本底Pb不大于1×10-10g, 鉛同位素的質(zhì)量控制采用中華人民共和國(guó)地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)NIST SRM981進(jìn)行控制。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Excel 2016進(jìn)行計(jì)算整理, 相關(guān)分析采用SPSS 22.0進(jìn)行處理, 相關(guān)圖件繪制運(yùn)用Origin 2017完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 垂直剖面土壤重金屬分布特征

根據(jù)土壤垂直剖面8種重金屬含量描述性統(tǒng)計(jì)(圖2), 不同重金屬元素隨剖面深度變化不一, 兩個(gè)剖面Ni、Cu、Pb、Cd含量變化基本一致, 表現(xiàn)為隨土壤深度增加先上升后降低, 在30—60 cm含量高于0—30 cm, 有向底土層遷移的趨勢(shì), 該幾種重金屬含量均超過(guò)土壤背景值, 但未超過(guò)農(nóng)用地重金屬風(fēng)險(xiǎn)篩選值, 可能受喀斯特地區(qū)高地質(zhì)背景值的地球化學(xué)成因影響, 導(dǎo)致其含量過(guò)高[22]; Cr含量和JA剖面的Zn由深至淺呈波動(dòng)變化, YH剖面Zn含量表現(xiàn)為表層高、底層低, 說(shuō)明受外來(lái)源輸入明顯; As、Hg含量大致表現(xiàn)為直線式分布, 未出現(xiàn)明顯分層聚集現(xiàn)象, Hg含量遠(yuǎn)超背景值而As含量較低, 說(shuō)明人類活動(dòng)對(duì)Hg含量影響較大, As基本未受到人為影響。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點(diǎn)

Figure 1 Location of study area and sampling points

2.2 土壤垂直剖面重金屬遷移分析

2.2.1 土壤垂直剖面重金屬遷移特征

遷移系數(shù)的計(jì)算需選擇惰性元素作為參比元素, Ti在土壤中穩(wěn)定性高且人為污染比較小, 故選擇Ti作為計(jì)算遷移系數(shù)的參比元素, 計(jì)算公式如下[23]:

式中,T表示垂直剖面中元素的遷移系數(shù),C,s和C,b分別表示元素的含量和背景值,Ti,s和Ti,b表示Ti元素的含量和背景值。T<0, 表示元素丟失,T=0, 表示元素沒(méi)有富集或丟失,T>0, 表示元素富集。

從垂直剖面遷移系數(shù)(表1)來(lái)看, 相對(duì)于Ti, JA剖面Ni在0—40 cm處T均為正, 而在40—100 cm基本為負(fù), 這可能與菜地常期施用磷肥、污泥有關(guān)[24], YH剖面在0—50 cm處T基本為負(fù), 在50—100 cm為正, 但實(shí)測(cè)值與背景值相差不大, 推測(cè)主要受母質(zhì)影響; JA剖面Cu、Pb、Cd及YH剖面Cd在30—50 cm處T高于大部分土層, YH剖面Cu在50—70 cm處T最高, 說(shuō)明這些元素存在不同程度的富集, 可能是由于表層土壤重金屬易受到人為擾動(dòng)而向深層土壤遷移導(dǎo)致[17]。Cr和Zn的T總體在-0.3—0.3之間, 可認(rèn)為該兩種元素相對(duì)于參比元素Ti未發(fā)生遷移; As在整個(gè)剖面表現(xiàn)為丟失, 但下文分析As 元素WWC較為穩(wěn)定, 基本在1左右, 表明As主要受地質(zhì)背景值的影響, 其化學(xué)遷移能力并不強(qiáng)[25]; Hg元素T均大于0, 實(shí)測(cè)含量也遠(yuǎn)超背景值, 考慮到采樣點(diǎn)附近為氧化鋁廠, 燃煤可能是Hg累積遷移最主要的外來(lái)源[26]。

注: 實(shí)心表示JA剖面, 空心表示YH剖面, 虛線貴州省土壤重金屬背景值[8]。

Figure 2 Distribution of heavy metals in the vertical section of the vegetable plot in the suburbs

表1 城郊菜地垂直剖面土壤重金屬遷移系數(shù)

2.2.2 土壤垂直剖面重金屬淋溶遷移分析

重金屬在土壤中受農(nóng)業(yè)耕作和水流淋溶作用會(huì)向下遷移[27], 為分析城郊菜地重金屬元素淋失遷移規(guī)律, 將土壤按照不同深度特征劃分為耕作層(0—20 cm)、犁底層(20—30 cm)、心土層(30—50 cm)和底土層(50—100 cm)。耕作層元素取0—10 cm和10—20 cm兩層的平均值, 心土層元素取30—40 cm和40—50 cm兩層的平均值, 通過(guò)淋失比率(WWC)表示污染趨勢(shì), 計(jì)算公式如下[28]:

式中A為層元素淋失率,(i-1)j和M分別為元素在(-1)層和層中的含量。

由表2可知, 相較于YH剖面, JA剖面耕作層大部分重金屬WWC大于1, 考慮到研究區(qū)位于菜地, 且采樣時(shí)間為雨季(5月), 水量較為充沛, 故推測(cè)該剖面重金屬易隨水流向下遷移, 因而導(dǎo)致該層重金屬的大量淋溶。其中, Pb和Cd淋失比率較大, 這可能由于土壤中有效態(tài)Pb和Cd含量較高, Cd是水溶性較高的金屬物質(zhì)[28], 而菜地的人為翻耕容易導(dǎo)致Pb在表層發(fā)生垂向遷移[29], 故導(dǎo)致耕作層Pb和Cd的大量淋溶。犁底層部分重金屬WWC也大于1, JA剖面Ni和Cu及YH剖面Cr和Cd犁底層的WWC高于耕作層, 這是由于該幾種元素由耕作層隨灌溉水流溶解、遷移至犁底層, 導(dǎo)致犁底層含量較高。在底土層1(50—60 cm)大部分重金屬的WWC明顯高于大部分土層, 說(shuō)明在長(zhǎng)期降水和農(nóng)業(yè)活動(dòng)下, 大部分元素隨水流下滲向底層1遷移, 故將其視為轉(zhuǎn)折層。

2.3 土壤垂直剖面重金屬來(lái)源解析

2.3.1 主成分分析

為分析城郊菜地土壤垂直剖面重金屬的污染來(lái)源, 采用因子分析法(PCA)進(jìn)行解析, KMO和Bartlett球形度檢驗(yàn)結(jié)果表明標(biāo)準(zhǔn)化后的重金屬含量適宜做因子分析, 數(shù)據(jù)經(jīng)最大方差旋轉(zhuǎn)后, 第三主成分特征值為1.096, 大于1, 第四主成分特征值為0.789, 小于1, 選擇負(fù)載大于1的3個(gè)因子, 累積方差貢獻(xiàn)率為79.88%, 分別可以解釋總方差的43.27%、22.91%、13.70%, 得到垂直剖面土壤重金屬因子分析表(表3)。同時(shí)利用正定因子分解模型(PMF)得到源成分譜貢獻(xiàn)率(圖3), 結(jié)合分析可知, Ni、Cu、Pb和Cd在第1因子變量上具有較高正載荷, 其中PC1對(duì)Pb的貢獻(xiàn)率高達(dá)70%, 對(duì)Ni、Cu和Cd貢獻(xiàn)率也均在55%以上, 該組重金屬含量大部分接近或略高于背景值, 可能受喀斯特地區(qū)高地質(zhì)背景值的影響, 故推斷主成分1主要來(lái)源于成土母質(zhì), 為自然來(lái)源。Cr、Zn和As第2因子變量上具有較高正載荷, PC2對(duì)Zn貢獻(xiàn)率為68%, 對(duì)Cr和As貢獻(xiàn)率分別為40%和45%, 判斷其可能具有相同來(lái)源, Cr、Zn和As污染主要來(lái)源于農(nóng)藥噴灑、葉面施肥殘留及污水灌溉[30-31], 因此推斷該成分主要來(lái)自于農(nóng)業(yè)污染。Hg在第3因子變量上具有較高正載荷, PC3對(duì)Hg貢獻(xiàn)率為54%, 研究表明燃煤是Hg的主要外來(lái)源[32-33], 考慮研究區(qū)位于氧化鋁廠附近, 推測(cè)Hg主要來(lái)源于工業(yè)燃煤, Hg在因子2中也占有一定載荷, 說(shuō)明Hg部分來(lái)源于農(nóng)業(yè)活動(dòng)。綜上分析, 貴陽(yáng)市城郊菜地垂直剖面土壤重金屬主要為自然來(lái)源, 其次為農(nóng)業(yè)污染和燃煤消耗等人類活動(dòng)。

表2 城郊菜地垂直剖面土壤重金屬淋失比率

2.3.2 富集因子分析

富集因子可用來(lái)推斷土壤重金屬的來(lái)源, 同時(shí)確定人為污染程度, Fe元素在地殼中含量高, 受人為干擾小[34], 本研究以Fe作為參比元素, 背景值為貴州省土壤環(huán)境背景值, EF值通過(guò)式(3)計(jì)算。

式中, EF為元素富集因子;Cs為該剖面深度重金屬元素的含量;nFe為參比元素的含量;Cb為該重金屬元素的背景值;bFe為參比元素背景值。EF<2表示無(wú)富集或輕微富集, EF為2—5表示中等富集, EF為5—10表示重度富集, EF為10—25表示嚴(yán)重富集, EF>50表示極其嚴(yán)重富集[35]。

表3 土壤重金屬因子分析

圖3 土壤重金屬源成分譜圖

Figure 3 Source profiles of soil heavy metals and source contribution rate

如表4所示, Ni、Cu、Pb、Cd和As的EF呈現(xiàn)隨土壤深度呈先增加后降低的趨勢(shì), 在0—30 cm表現(xiàn)為無(wú)富集或輕微富集, 在30—40 cm處僅JA剖面Ni、Cu和Pb及Cd達(dá)到中等富集, 在40 cm以后基本表現(xiàn)為無(wú)富集或輕微富集, Cr和Zn的EF隨土壤深度呈波動(dòng)變化, 但均表現(xiàn)為無(wú)富集或輕微富集, 因此認(rèn)為上述重金屬元素主要為自然源, 受人為擾動(dòng)較小。Hg在整個(gè)垂直剖面基本為中等富集, 極有可能受到人為活動(dòng)的影響, 與上述分析結(jié)果一致。

2.3.3 Pb同位素示蹤研究

(1)Pb同位素組成

Pb同位素具有有效區(qū)分土壤環(huán)境污染來(lái)源的“指紋”特征, 目前成為在環(huán)境污染溯源領(lǐng)域運(yùn)用最廣的一種方法。一般認(rèn)為206Pb/207Pb比值大于1.20為自然源,206Pb/207Pb在0.96—1.20之間為人為源[36]。根據(jù)城郊菜地垂直剖面土壤中Pb同位素組成(圖4)可知, Pb同位素組成變化幅度較小,206Pb/207Pb、206Pb/204Pb、207Pb/204Pb、208Pb/204Pb、208Pb/206Pb和208Pb/(207Pb+206Pb)變化范圍分別為1.2385—1.2823、19.4869—20.2000、15.7270—15.7670、38.8620—39.0220、1.9251—2.0026和1.0816—1.1080。其中208Pb/204Pb、208Pb/206Pb和208Pb/(207Pb+206Pb)比值在垂直剖面變化趨勢(shì)相似, 基本隨土壤深度增加呈下降趨勢(shì),206Pb/207Pb、206Pb/204Pb和207Pb/204Pb比值均隨深度增加而略有上升。其中206Pb/207Pb比值基本大于1.20, 但耕作層(0—20 cm)比值明顯低于30—40 cm, 表明貴陽(yáng)市城郊菜地土壤總體受人為影響不大, 僅表層土受到較小人為Pb的輸入影響。

(2)垂直剖面土壤中Pb的來(lái)源

母質(zhì)層、灰塵、碳灰、燃油和污泥等端元組分的206Pb/207Pb和206Pb/204Pb具有不同的同位素標(biāo)記值, 對(duì)不同污染源能夠進(jìn)行有效區(qū)分。故采用206Pb/207Pb和206Pb/204Pb來(lái)追蹤貴陽(yáng)市城郊菜地垂直剖面土壤中鉛的來(lái)源。如圖5所示, 剖面土壤中206Pb/207Pb和206Pb/204Pb比值均在1.20以上, 離母質(zhì)層端元較近, 且兩者Pb同位素具有良好的相關(guān)關(guān)系(=0.99), 而距離灰塵、碳灰、燃油和污泥等端元較遠(yuǎn), 因此推斷貴陽(yáng)市城郊菜地土壤Pb主要來(lái)自于母質(zhì)層, 受人為影響較小, 與上述研究結(jié)果一致。

表4 城郊菜地垂直剖面土壤重金屬富集因子

注: 實(shí)心表示JA剖面, 空心表示YH剖面。

Figure 4 Pb isotopic ratios in the soil profile of suburb vegetable field

3 討論

綜合分析剖面重金屬遷移變化可知, Ni、Cu、Pb和Cd變化一致, 呈先升后降的特點(diǎn), 表層重金屬有向底層遷移的趨勢(shì), 這與富集因子分析和淋溶分析一致。前者表明, 在30—40 cm該幾種元素達(dá)到中等富集, 而從各元素在整個(gè)土層遷移深度來(lái)看, 當(dāng)土層中Pb和Cd含量較高時(shí), 其淋洗遷移現(xiàn)象較為活躍, Cd表現(xiàn)最為明顯, 一方面可能與土層中重金屬含量較高有關(guān)[17], 另一方面Cd水溶性較高[28], 因而導(dǎo)致Cd元素可向深層遷移, Shan等研究也表明旱地由于施磷量較高而含水量較低導(dǎo)致Pb、Zn和Cd過(guò)量累積[37]。Cr和Zn變化趨勢(shì)類似, 呈波動(dòng)變化, 其淋失比率無(wú)明顯變化, 而遷移系數(shù)表明該重金屬相對(duì)于Ti未遷移, 富集因子也表明該重金屬為富集較弱。As元素變化含量不大, 遷移率也較低, 而Hg元素遷移系數(shù)較高, 且達(dá)到中等富集, 考慮到采樣點(diǎn)附近為氧化鋁廠, 燃煤可能是Hg累積遷移最主要的外來(lái)源。由于研究中并未設(shè)置生物學(xué)重復(fù), 可能會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定偏差, 今后研究中每個(gè)樣品應(yīng)設(shè)置3次重復(fù), 從而減小誤差。

圖5 垂直剖面土壤與端元物質(zhì)Pb同位素組成對(duì)比

Figure 5 Composition of Pb isotopes in the soil profiles and their known sources

污染源的確定是對(duì)污染土壤進(jìn)行有效治理的前提, 孫境蔚等對(duì)泉州林地剖面重金屬污染源解析, 得到Fe、Cu、Cr 和Ni 主要來(lái)源為自然源, Pb、Sr、Mn、Zn 為人為來(lái)源[38], 與本研究類似。本研究根據(jù)PCA和PMF分析得出, PC1對(duì)Ni、Cu、Pb和Cd貢獻(xiàn)率在55—70%, 主要來(lái)源于成土母質(zhì), 為自然來(lái)源; PC1對(duì)Cr、Zn和As在PC貢獻(xiàn)率在40%—68%, 主要來(lái)自于農(nóng)業(yè)污染, PC3對(duì)Hg貢獻(xiàn)率為54%, 主要來(lái)自于工業(yè)污染。目前, Pb同位素示蹤技術(shù)在污染源確定方面較為成熟, 應(yīng)用其對(duì)Pb污染源進(jìn)行解析, 其中,206Pb/207Pb比值高于1.20, 同時(shí)與母質(zhì)層端元具有較高線性關(guān)系(=0.99), 因此, 判斷土壤中Pb主要為自然源。三種源解析方法結(jié)果吻合, 均能較好解析土壤中重金屬來(lái)源。

4 結(jié)論

(1)土壤垂直剖面重金屬分布特征表明, 受喀斯特地區(qū)高地質(zhì)背景值的影響, 大部分剖面土壤的重金屬含量超出背景值, Ni、Cu、Pb、Cd含量表現(xiàn)為隨土壤深度增加先上升后降低, As、Hg含量總體表現(xiàn)為直線式分布, Cr、Zn表現(xiàn)為表層高、底層低的特點(diǎn)。

(2)土壤垂直剖面重金屬遷移分析表明, Ni主要在0—40 cm處富集, Cu、Pb和Cd在30—50 cm處存在不同程度的富集, Hg在整個(gè)剖面存在不同程度富集, As在整個(gè)剖面表現(xiàn)為丟失, Cr和Zn未出現(xiàn)明顯富集現(xiàn)象; 在長(zhǎng)期降水和農(nóng)業(yè)活動(dòng)下, 土層中Pb和Cd淋洗遷移現(xiàn)象較為活躍, 大部分重金屬元素隨水流下滲向底層1(50—60 cm)遷移底, 故將其視為轉(zhuǎn)折層。

(3)PCA和PMF聯(lián)合分析表明, 貴陽(yáng)城郊菜地垂直剖面土壤重金屬主要為自然來(lái)源, 其次為農(nóng)業(yè)污染和燃煤消耗等人類活動(dòng); 富集因子分析表明除Hg含量受人為源輸入較大外, 其他重金屬受人為擾動(dòng)較小。Pb同位素示蹤研究表明貴陽(yáng)市城郊菜地土壤重金屬含量受人為影響不大, 土壤中Pb主要來(lái)自于母質(zhì)層, 僅表層土受到較小人為Pb的輸入影響。

[1] 李樂(lè), 劉常富. 三峽庫(kù)區(qū)面源污染研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)科學(xué), 2020, 39(2): 215–226.

[2] CHEN Lian, ZHOU Shenglu, WU Shaohua, et al. Combining emission inventory and isotope ratio analyses for quantitative source apportionment of heavy metals in agricultural soil[J]. Chemosphere, 2018, 204: 140–147.

[3] 楊皓, 范明毅, 黃先飛, 等. 喀斯特山區(qū)燃煤型電廠周邊農(nóng)業(yè)土壤中重金屬的污染特征及評(píng)價(jià)[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2016, 25(5): 893–902.

[4] 李丁, 王濟(jì), 宣斌, 等. 貴陽(yáng)南部近郊蔬菜重金屬污染狀況及健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J]. 環(huán)境污染與防治, 2019, 41(11): 1362–1367.

[5] 郭書(shū)海, 吳波, 張玲妍, 等. 農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn):發(fā)生過(guò)程與預(yù)警防控[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2018, 37(1): 1–8.

[6] 樊霆, 葉文玲, 陳海燕, 等. 農(nóng)田土壤重金屬污染狀況及修復(fù)技術(shù)研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2013,22(10): 1727– 1736.

[7] 尚二萍, 許爾琪, 張紅旗, 等. 中國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)耕地土壤重金屬時(shí)空變化與污染源分析[J]. 環(huán)境科學(xué), 2018, 39(10): 4670–4683.

[8] 劉旭, 鄭劉根, 陳欣悅, 等. 淮南潘集礦區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染特征及在小麥中累積特征研究[J]. 環(huán)境污染與防治, 2019, 41(8): 959–964.

[9] 何夢(mèng)媛, 董同喜, 茹淑華, 等. 畜禽糞便有機(jī)肥中重金屬在土壤剖面中積累遷移特征及生物有效性差異[J]. 環(huán)境科學(xué), 2017, 38(4): 1576–1586.

[10] 孫境蔚, 胡恭任, 于瑞蓮, 等. 多元統(tǒng)計(jì)與鉛同位素示蹤解析旱地垂直剖面土壤中重金屬來(lái)源[J]. 環(huán)境科學(xué), 2016, 37(6): 2304–2312.

[11] SINGH S, RAJU N J, NAZNEEN S. Environmental risk of heavy metal pollution and contamination sources using multivariate analysis in the soils of Varanasi environs, India[J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2015, 187(6): 345–356.

[12] CHANDRASEKARAN A, RAVISANKAR R, HARIKRI-SHNAN N, et al. Multivariate statistical analysis of heavy metal concentration in soils of Yelagiri Hills, Tamilnadu, India-Spectroscopical approach[J]. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 2015, 137: 589–600.

[13] CHAI Yuan, GUO Jia, CHAI Sheli, et al. Source identification of eight heavy metals in grassland soils by multivariate analysis from the Baicheng-Songyuan area, Jilin Province, Northeast China[J]. Chemosphere, 2015, 134: 67–75.

[14] 韓志軒, 王學(xué)求, 遲清華, 等. 珠江三角洲沖積平原土壤重金屬元素含量和來(lái)源解析[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2018, 38(9): 257–265.

[15] 朱先芳, 唐磊, 季宏兵, 等. 北京北部水系沉積物中重金屬的研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 30(12): 2553–2562.

[16] SANGSTER D F, OUTRIDGE P M, DAVIS W J. Stable lead isotope characteristics of lead ore deposits of environmental signi?cance[J]. Environmental Reviews, 2011, 8(2): 115–147.

[17] 張煒華, 于瑞蓮, 楊玉杰, 等. 廈門某旱地土壤垂直剖面中重金屬遷移規(guī)律及來(lái)源解析[J]. 環(huán)境科學(xué), 2019, 40(8): 3764–3773.

[18] 王珊珊, 程奕楓, 顏金培, 等. 廈門市降水中金屬元素含量分布特征及來(lái)源解析[J]. 環(huán)境科學(xué), 2019, 40(11): 4783–4790.

[19] 中華人民共和國(guó)生態(tài)環(huán)境部. 土壤和沉積物銅、鋅、鉛、鎳、鉻的測(cè)定火焰原子吸收分光光度法: HJ491—2019[S]. 北京: 中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社, 2019.

[20] 中華人民共和國(guó)生態(tài)環(huán)境部. 土壤和沉積物汞、砷、西、鉍、銻的測(cè)定微波消解/原子熒光法: HJ680—2013[S]. 北京: 中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社, 2013.

[21] HU Gongren, Zhang Bangtong, YU Ruilian. Petrology, chronology and isotope geochemistry of the proterozoic amphibolites from Xiangshan, central Jiangxi province, China[J]. Chinese Journal of Geochemistry, 1999, 18(2): 139–149.

[22] ZHANG Huihua, CHEN Junjian, ZHU Li, et al. Anthropogenic mercury enrichment factors and contributions in soils of Guangdong Province, South China[J]. Journal of Geochemical Exploration, 2014, 144: 312–319.

[23] 張坤, 季宏兵, 褚華碩, 等. 黔西南喀斯特地區(qū)紅色風(fēng)化殼的物源及元素遷移特征[J]. 地球與環(huán)境, 2018, 46(3): 257–266.

[24] 王國(guó)梁, 周生路, 趙其國(guó), 等. 菜地土壤剖面上重金屬元素含量隨時(shí)間的變化規(guī)律研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2006 (1): 79–84.

[25] 劉文輝, 李春亮, 吳永強(qiáng), 等. 蘭州市表層土壤中汞的生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)[J]. 物探與化探, 2012, 36(5): 869–873.

[26] 章詩(shī)辭, 羅澤嬌. 某聚氯乙烯樹(shù)脂廠退役場(chǎng)地土壤汞污染特征分析[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2017, 11(10): 5771–5777.

[27] 劉鵬, 林玉鎖, 賀靜, 等. 冶煉廠渣場(chǎng)周邊農(nóng)田土壤中銅鎘的分布特征研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 28(7): 1397–1403.

[28] 南忠仁, 李吉均. 干旱區(qū)耕作土壤中重金屬鎘鉛鎳剖面分布及行為研究——以白銀市區(qū)灰鈣土為例[J]. 干旱區(qū)研究, 2000, 17(4): 39–45.

[29] 黃安香, 楊守祿, 楊定云, 等. 竹筍地土壤剖面的鉛和鎘的積累遷移及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 土壤通報(bào), 2018, 49(5): 1225–1232.

[30] HA H, OLSON J R, BIAN L, et al. Analysis of heavy metal sources in soil using Kriging interpolation on principal components[J]. Environmental Science & Technology, 2014, 48(9): 4999–5007.

[31] CHEN Tao, LIU Xingmei, ZHU Muzhi, et al. Identification of trace element sources and associated risk assessment in vegetable soils of the urban-rural transitional area of Hangzhou, China[J]. Environmental Pollution, 2008, 151(1): 67–78.

[32] 劉育辰, 王莉淋, 伍鈞, 等. 四川城市生活垃圾重金屬污染狀況及來(lái)源分析[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2015, 9(12): 6010–6018.

[33] 楊靜, 陳龍, 劉敏, 等. 上海典型燃燒源鉛和汞大氣排放趨勢(shì)分析[J]. 環(huán)境科學(xué), 2018, 39(9): 3987–3994.

[34] TUREKIAN K K, WEDEPOHL K H. Distribution of the elements in some major units of the earth's crust[J]. Geological Society of America Bulletin, 1961, 72(2): 175–192.

[35] REIMANN C, D E CARITAT P. Distinguishing between natural and anthropogenic sources for elements in the environment: regional geochemical surveys versus enrichment factors[J]. Science of the Total Environment, 2005, 337 (1//3): 91–107.

[36] 宣斌, 王濟(jì), 段志斌, 等. 鉛同位素示蹤土壤重金屬污染源解析研究進(jìn)展[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2017, 40(11): 17–21.

[37] Shan Yushu, Tysklind M,Hao Fanghua, et al. Identification of sources of heavy metals in agricultural soils using multivariate analysis and GIS[J]. Journal of Soils and Sediments, 2013, 13(4): 720–729.

[38] 孫境蔚, 于瑞蓮, 胡恭任, 等. 應(yīng)用鉛鍶同位素示蹤研究泉州某林地垂直剖面土壤中重金屬污染及來(lái)源解析[J]. 環(huán)境科學(xué), 2017, 38(4): 1566–1575.

Migration and source analysis of heavy metals in vertical soil profiles of the two suburban vegetable filds of guiyang city

CAI Xiongfei, ZHAO Shijie, XUAN Bin, WANG Ji, ZHANG Shuai, LI Ding

School of Geographic and Environmental Science, Guizhou Normal University, Guiyang, 550025, China

The vertical profile of 0-100 cm soil in a vegetable field in a suburb of Guiyang was used as the experimental object to analyze the vertical distribution characteristics and migration rules of eight heavy metal elements in the profile soil. Principal component analysis(PCA), positive matrix factorization(PMF) and Pb isotope tracer technology were used to analyze the source of heavy metal pollution. The results show that the heavy metal content at most depths of the profile soil exceeds the background value. Ni, Cu, Pb, Cd and Hg are enriched to varying degrees. As appears as a loss in the entire profile; Cr and Zn change less. The leaching migration characteristics show that the leaching migration of Pb and Cd is more active. Enrichment factor analysis shows that only Hg content is relatively more input by man-made sources, and other heavy metals are less. Principal component analysis(PCA), positive matrix factorization(PMF)and Pb Isotope tracer technology reveal that soil heavy metals in the profile are mainly from natural sources, followed by human activities such as agricultural pollution and coal consumption. The results of the three methodsfor source apportionment are in good agreement, Thus, these methods can be used complimentarily to effectively constrain heavy metals pollution sources.

suburb vegetable field; the soil profile; heavy metals; migration; Pb isotope tracing

蔡雄飛, 趙士杰, 宣斌, 等. 貴陽(yáng)市城郊兩處菜地土壤垂直剖面重金屬遷移規(guī)律及來(lái)源解析[J]. 生態(tài)科學(xué), 2021, 40(3): 42–50.

ZHAO Shijie, XUAN Bin, WANG Ji, et al. Migration and source analysis of heavy metals in vertical soil profiles of the two suburban vegetable filds of guiyang city[J]. Ecological Science, 2021, 40(3): 42–50.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.03.006

X53

A

1008-8873(2021)03-042-09

2020-08-28;

2020-09-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41807336); 貴州省省級(jí)科技計(jì)劃項(xiàng)目([2017]2580)

蔡雄飛(1982—), 男, 貴州盤縣人, 博士, 副教授, 主要從事土壤重金屬污染與防治研究, E-mail: 624420800@qq.com

王濟(jì), 男, 博士, 教授, 主要從事土壤重金屬污染與防治研究, E-mail: wangji@gznu.edu.cn