CN105057325B - 基于坐标转换的土壤重金属浓度与修复适宜性表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于坐标转换的土壤重金属浓度与修复适宜性表征方法，包括以下步骤：建立表征土壤中重金属浓度的直角坐标系；建立表征重金属污染土壤的修复适宜性的广义仿射坐标系；根据直角坐标系与广义仿射坐标系的转换得到土壤重金属浓度或者修复适宜性。本发明通过建立提供表征土壤中重金属浓度与修复适宜性的双坐标系，将重金属污染土壤中污染物的总量浓度、有效态浓度与修复所需有效态的削减比例关联起来，以“一点四值”的方式量化表征重金属污染土壤的现状与修复适宜性。

Description

基于坐标转换的土壤重金属浓度与修复适宜性表征方法

技术领域

本发明涉及重金属污染土壤修复的技术领域，具体说是一种基于坐标转换的土壤重金属浓度与修复适宜性表征方法。

背景技术

重金属污染农田的现状与修复评估是目前研究关注的热点。前期研究表明，农作物中重金属含量不仅受土壤中重金属总量浓度的影响，更与有效浓度态密切相关。因此，有效态浓度削减是控制作物超标率的关键途径，而有效态削减比例则可直接表征重金属污染土壤的修复适宜性。

目前研究中，对重金属污染土壤的现状与修复适宜性评价存在两大问题，即现状评价与修复适宜性缺少直接联系，且缺乏对修复适宜性的评价方法。以往研究多是以土壤中重金属总量的评价标准作为修复标准，以超过评价标准倍数，估算修复适宜性。但由于土壤理化性质及重金属活性的差异，常出现重金属总量不超标而作物超标，作物超标而总量不超标的情况，因此，常规方法缺乏科学性与普适性。而有效态与作物中重金属浓度直接相关，但其浓度变化受影响因子较多，相同总量条件下的有效态浓度也存在差异。因此，仅以有效态浓度作为评价标准，显然也缺乏科学依据。

因此，如何通过有限样品分析测定的实测值，建立起一个根据总量与有效态浓度而形成动态的安全阈值，并通过转换，得到对应的修复适宜性属性值，两者共同构成双坐标系，量化表征重金属污染土壤修复适宜性，对指导重金属污染土壤修复具有重要的理论和技术指导意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于坐标转换的土壤重金属浓度与修复适宜性表征方法。

为实现上述目的本发明采用的技术方案为：基于坐标转换的土壤重金属浓度与修复适宜性表征方法，包括以下步骤：

建立表征土壤中重金属浓度的直角坐标系；

建立表征重金属污染土壤的修复适宜性的广义仿射坐标系；

根据直角坐标系与广义仿射坐标系的转换得到土壤重金属浓度或者修复适宜性。

所述建立表征土壤中重金属浓度的直角坐标系包括以下步骤：

1)以土壤中某重金属总量浓度为X轴，有效态浓度为Y轴，两者相等x＝y为斜边，建立直角坐标系；

2)设定有效态安全阈值直线y＝c，且在斜边x＝y上取对应的总量值x＝c；

3)在x∈[c,+∞]且y∈[0,c]的范围内，建立x与y的有效态最小可控浓度的线性拟合函数，即y＝ax+b，其中a、b为系数。

所述建立表征重金属污染土壤的修复适宜性的广义仿射坐标系包括以下步骤：

1)以直角坐标系的有效态浓度为X’轴表示有效态浓度系数，斜边为Y’轴表示有效态削减系数，建立广义仿射坐标系；

2)有效态浓度系数x’为重金属有效态浓度占总量浓度的比例，即在直角坐标系上表现为与直角坐标系X轴-斜边交点相交的一簇直线y＝n·x，n∈[0,1]；

3)有效态削减系数y’为有效态浓度要达到安全阈值所需削减的比例，即也就是样品点与有效态安全阈值的垂直距离除以样品点与有效态最小可控浓度函数的垂直距离；在直角坐标系上表现为与y＝x直线相交的一簇直线y＝-λ·ax+λ·(c-b)+c，λ∈[0,+∞]。

所述根据直角坐标系与广义仿射坐标系的转换得到土壤重金属浓度或者修复适宜性包括：

1)根据土壤中重金属总量浓度和有效态浓度，通过直角坐标系与广义仿射坐标系的转换得到有效态浓度系数和有效态削减系数；

将有效态削减系数与设定的修复适宜性等级阈值比较，得到土壤的修复适宜性；

2)根据广义仿射坐标系中的坐标得到土壤中重金属有效态削减系数和有效态浓度系数，通过直角坐标系与广义仿射坐标系的转换得到总量浓度和有效态浓度。

所述直角坐标系与广义仿射坐标系的转换包括：

1)直角坐标系向广义仿射坐标系转换为：

2)广义仿射坐标系向直角坐标系转换为：

其中，x为总量浓度，y为有效态浓度；x’为有效态浓度系数，y’为有效态削减系数，a、b为系数，c为有效态安全阈值。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.本发明通过建立提供表征土壤中重金属浓度与修复适宜性的双坐标系，将重金属污染土壤中污染物的总量浓度、有效态浓度与修复所需有效态的削减比例关联起来，以“一点四值”的方式量化表征重金属污染土壤的现状与修复适宜性。

2.本发明可根据有限样品的统计分析结果，推广应用于相同区域、相同作物品种与耕作方式的农田土壤重金属污染现状与修复适宜性的量化表征。

附图说明

图1是本发明提供的土壤重金属浓度直角坐标系与修复适宜性广义仿射坐标系示意图。

图2是本发明实施例提供的土壤镉浓度直角坐标系与修复适宜性广义仿射坐标系。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明通过建立可转换的双坐标系，表征了土壤中重金属浓度或者修复适宜性。其中：1)双坐标系由直角坐标系与广义仿射坐标系构成；2)直角坐标系可表征土壤中重金属浓度，广义仿射坐标系可表征重金属污染土壤的修复适宜性，且两者可相互转换；3)在双坐标系中，一个点具有四个值，代表了重金属污染土壤的污染物的实测值(重金属总量浓度与有效态浓度)和属性值(有效态系数与有效态削减系数)。该双坐标系量化表征土壤中重金属浓度与修复适宜性，对指导重金属污染土壤修复具有重要的理论和技术指导意义。

如图1所示，直角坐标系建立的具体方法如下：

1.以总量浓度为X轴，有效态浓度为Y轴，两者相等x＝y为斜边，建立直角坐标系；

2.以作物中重金属不超标对应的土壤重金属有效态浓度最大值为界，确定有效态安全阈值直线y＝c；且在斜边x＝y上，取对应的总量值x＝c；

3.在x∈[c,+∞]且y∈[0,c]的范围内，建立x与y的有效态最小可控浓度的线性拟合函数，即y＝ax+b；拟合函数可通过SPSS软件中线性回归求得，并得到系数a与b的值。

4.直角坐标系表征了重金属总量浓度、有效态浓度及两者关系。

广义仿射坐标系建立的具体方法如下：

1.以有效态浓度系数为X’轴，有效态削减系数为Y’轴，建立广义仿射坐标系；

2.有效态浓度系数x’，是重金属有效态浓度占总量浓度的比例，即在直角坐标系上表现为与直角坐标系X轴-斜边交点相交的一簇直线y＝n·x(n∈[0,1])；

3.有效态削减系数y’，是有效态浓度要达到安全阈值所需削减的比例，即在直角坐标系上表现为通过与斜边上两点的一簇直线，即与y＝x直线相交的一簇直线y＝-λ·ax+λ·(c-b)+c(λ∈[0,+∞])。

其中，根据《食品中污染物限量》(GB2762-2012)，以该土壤对应农作物可食部分中重金属的限量标准，设定对应的土壤重金属有效态浓度最大值c，确定有效态安全阈值直线y＝c。

4.广义仿射坐标系表征了有效态浓度系数、有效态削减系数及两者关系。

直角坐标系与广义仿射坐标系相互转换的具体方法如下：

1.直角坐标系向广义仿射坐标系转换模型为：

(公式1)

2.广义仿射坐标系向直角坐标系转换模型为：

(公式2)

3.在两个坐标系的叠合区域(x∈[c,+∞],y∈[c,+∞])，一个点有四个值，代表了重金属污染土壤的污染物实测值(重金属总量浓度与有效态浓度)和属性值(有效态系数与有效态削减系数)。

表征方法具体如下：

1.通过土壤与对应农作物的采样与检测分析，得到土壤中重金属总量浓度与有效态浓度，及对应农作物中重金属含量；

2.根据检测结果，建立表征土壤重金属浓度的直角坐标系，与表征土壤修复适宜性的广义仿射坐标系；

3.根据有效态削减系数，确定土壤修复的适宜程度；

4.根据检测区域土壤中重金属浓度与土壤理化性质，确定修复措施的技术与经济成本，划分适宜与不适宜修复区间。将有效态削减系数与设定的修复适宜性等级阈值比较，得到土壤的修复适宜性，即适宜修复和不适宜修复；例如：以有效态削减系数值M为临界值，当有效态削减系数≤M时，该土壤适宜修复，当有效态削减系数＞M时，该土壤不适宜修复。

实施例：

本实施例所采重金属污染土壤，采自于湖南省某农田，主要重金属为镉，种植作物为水稻。采样面积为400亩，采样方式为均匀网格采样，分别采集土壤与对应水稻样品各40个。

土壤中镉总量浓度测定采用石墨炉原子吸收分光光度法(GB/T 17141-1997)；镉有效态浓度测定方法参照Tessier连续提取法，其中有效态浓度为可交换态；水稻籽粒中镉含量测定采用石墨炉原子吸收光谱法(GB/T 5009.15-2003)，食用的评价标准参考《食品中污染物限量》(GB2762-2012)，即标准为0.2mg/kg。

如图2所示，具体操作流程包括：

步骤1：建立土壤中镉浓度的直角坐标系

1)以总量浓度为水平X轴，有效态浓度为竖直Y轴，两者相等x＝y为斜边，建立镉浓度直角坐标系；X轴与斜边的交点为X轴原点，以Y轴与X轴的交点为Y轴原点。

2)以水稻籽粒中镉<0.2mg/kg对应的土壤镉有效态浓度最大值0.18mg/kg为界，确定有效态安全阈值直线y＝0.18mg/kg；且在斜边x＝y上，取对应的总量浓度值x＝0.18mg/kg；

3)在(x∈[0.18,+∞],y∈[0,0.18])范围内，将x、y应用SPSS软件中线性回归方法，建立x与y的有效态最小可控浓度的线性拟合函数，即y＝0.12x+0.015。

步骤2：建立土壤中镉修复适宜性的广义仿射坐标系

1)以有效态浓度系数为X’轴，有效态削减系数为Y’轴，建立镉污染土壤的修复适宜性广义仿射坐标系。其中X’轴与直角坐标系中的Y轴重合，Y’轴与直角坐标系中的斜边重合。

2)有效态浓度系数值x’，是重金属有效态浓度占总量浓度的比例，即图形在直角坐标系上表现为与Y轴相交的一簇直线y＝n·x(n∈[0,1])；

3)有效态削减系数值y’，是有效态浓度要达到安全阈值所需削减的比例，，即也就是样品点与有效态安全阈值的垂直距离除以样品点与有效态最小可控浓度函数的垂直距离；

在直角坐标系上表现为通过(1.375,0.18)与 两点的一簇直线，即与y＝x直线相交的一簇直线y＝-0.12λx+0.165λ+0.18(λ∈[0,+∞])；

步骤3：建立双坐标系的转换模型

1)直角坐标系向广义仿射坐标系转换模型为：

(公式3)

2)广义仿射坐标系向直角坐标系转换模型为：

(公式4)

双坐标系建立后，通过转换模型，可以将污染土壤中镉的实测值，转换为表征修复适宜性的属性值。以样品A为例，在直角坐标系中，样品A的坐标为(0.479,0.288)，即样品A中镉的总量浓度为0.479mg/kg，镉的有效态浓度为0.288mg/kg；根据转换模型(公式3)，样品A的广义仿射坐标为(0.60，1/2)，即样品A中镉有效态浓度占总量浓度的60％，修复到有效态最小可控浓度时，有效态削减系数为1/2，即有效态浓度需削减50％。

已知样品A在广义仿射坐标系中的坐标为(0.60，1/2)，即样品A中镉有效态浓度占总量浓度的60％，有效态削减系数为1/2；根据转换模型(公式4)，样品A的直角坐标坐标为(0.479,0.288)，即样品A中镉的现状具体表现为，总量浓度是0.479mg/kg，镉的有效态浓度是0.288mg/kg。

步骤4：明确土壤修复适宜性，划分不适宜修复区间。

根据湖南采样地区土壤的低pH值特性，及其土壤中镉总量与有效态浓度，修复应以调节土壤pH值与翻耕等农艺措施为主，从而核算相应技术与经济成本，以有效态削减系数为2/3为临界值，当有效态削减系数≤2/3时，该土壤适宜修复，当有效态削减系数＞2/3时，该土壤不适宜修复。

Claims (2)

1.基于坐标转换的土壤重金属浓度与修复适宜性表征方法，其特征在于包括以下步骤：

建立表征土壤中重金属浓度的直角坐标系；

建立表征重金属污染土壤的修复适宜性的广义仿射坐标系；

根据直角坐标系与广义仿射坐标系的转换得到土壤重金属浓度或者修复适宜性；

所述建立表征土壤中重金属浓度的直角坐标系包括以下步骤：

1)以土壤中某重金属总量浓度为X轴，有效态浓度为Y轴，两者相等x＝y为斜边，建立直角坐标系；

2)设定有效态安全阈值直线y＝c，且在斜边x＝y上取对应的总量值x＝c；

3)在x∈[c,+∞]且y∈[0,c]的范围内，建立x与y的有效态最小可控浓度的线性拟合函数，即y＝ax+b，其中a、b为系数；

所述建立表征重金属污染土壤的修复适宜性的广义仿射坐标系包括以下步骤：

1)以直角坐标系的有效态浓度为X’轴表示有效态浓度系数，斜边为Y’轴表示有效态削减系数，建立广义仿射坐标系；

2)有效态浓度系数x’为重金属有效态浓度占总量浓度的比例，即在直角坐标系上表现为与直角坐标系X轴-斜边交点相交的一簇直线y＝n·x，n∈[0,1]；

3)有效态削减系数y’为有效态浓度要达到安全阈值所需削减的比例，即也就是样品点与有效态安全阈值的垂直距离除以样品点与有效态最小可控浓度函数的垂直距离；在直角坐标系上表现为与y＝x直线相交的一簇直线y＝-λ·ax+λ·(c-b)+c，λ∈[0,+∞]；

所述直角坐标系与广义仿射坐标系的转换包括：

1)直角坐标系向广义仿射坐标系转换为：

$x^{\&prime;}=\frac{y}{x},y^{\&prime;}=\frac{y-c}{y-ax-b}$

2)广义仿射坐标系向直角坐标系转换为：

$x=\frac{c-{\mathrm{by}}^{\&prime;}}{x^{\&prime;}+{\mathrm{ay}}^{\&prime;}-x^{\&prime;}{y}^{\&prime;}},y=\frac{x^{\&prime;}(c-{\mathrm{by}}^{\&prime;})}{x^{\&prime;}+{\mathrm{ay}}^{\&prime;}-x^{\&prime;}{y}^{\&prime;}}$

其中，x为总量浓度，y为有效态浓度；x’为有效态浓度系数，y’为有效态削减系数，a、b为系数，c为有效态安全阈值。

2.按权利要求1所述的基于坐标转换的土壤重金属浓度与修复适宜性表征方法，其特征在于所述根据直角坐标系与广义仿射坐标系的转换得到土壤重金属浓度或者修复适宜性包括：

1)根据土壤中重金属总量浓度和有效态浓度，通过直角坐标系与广义仿射坐标系的转换得到有效态浓度系数和有效态削减系数；

将有效态削减系数与设定的修复适宜性等级阈值比较，得到土壤的修复适宜性；

2)根据广义仿射坐标系中的坐标得到土壤中重金属有效态削减系数和有效态浓度系数，通过直角坐标系与广义仿射坐标系的转换得到总量浓度和有效态浓度。