CN111678969A - 利用土壤剖面表层重金属累积比例解析重金属污染来源的方法 - Google Patents

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陈雅丽
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Abstract

本发明涉及一种利用土壤剖面表层重金属累积比例解析重金属污染来源的方法，所述方法包括：对土壤进行剖面样品采样，测定剖面中Cd、Cu、Pb和Zn重金属含量，用表层土壤重金属含量减去深层土壤重金属确定重金属累积量，扣除重金属地质背景，进而计算不同重金属累积之间的比值。基于与不同污染源(大气沉降、有机肥、灌溉水和矿渣)重金属比值的对比，初步定性确定点位最有可能的重金属污染来源。利用主成分分析确定每个点位可能的多重污染来源。采用逐步线性回归的方法确定不同污染源对点位污染的贡献比例。该方法克服了传统受体模型重金属源解析数据量需求大的缺点，也不需要重金属同位素源解析方法复杂的实验操作。提供了一种对单一或较少田块的，流程简单，易于操作的土壤重金属源解析，具有广泛的应用前景。

Description

利用土壤剖面表层重金属累积比例解析重金属污染来源的 方法
技术领域
本发明属于环境地学领域，涉及土壤重金属污染来源解析技术，尤其是一种利用土壤剖面表层重金属累积比例解析重金属污染来源的方法。
背景技术
土壤是人类生存必不可少的自然资源，但随着人口的增长和经济的发展，我国土壤环境问题日益凸显，其中重金属是农田土壤的主要污染物。全国土壤污染调查显示，我国耕地土壤重金属点位超标率为19.4％。了解土壤重金属的污染来源，是监测和评价研究区生态环境的重要前提，也是制定和采取相应的源头消减与阻控措施，从而保护农田土壤质量和农产品安全的根本措施。但是由于土壤中的重金属来源复杂，重金属在土壤中的迁移和累积过程受到多种因素的影响，无论是来源组成还是土壤特性都有很强的空间变异性。因此，面对多污染来源的污染土壤，如何准确地辨析出特定研究区域内主要的重金属污染来源是有效治理土壤重金属污染的关键。
随着重金属污染逐渐受到重视，土壤重金属源解析技术应用和发展迅速，常见方法包括主成分分析、聚类分析以及多元统计分析等统计数值法、投入品清单法和同位素指纹法等。统计数值方法依赖大量土壤分析数据及其他相关数据，得出的是经验性结论；投入品清单法则是通过调查各种投入品中的重金属含量及其使用量，计算出各种来源对土壤重金属总输入的贡献，并将其在输入中的贡献默认等同于对土壤中累积重金属的贡献。同位素指纹法由于对检测技术要求较高而使用较少，同时该技术要求不同来源的同位素组成有明显差别。多数简单方法只定性地推测土壤重金属潜在的污染源，未对其进行定量化的解析。而能够定量化的方法都有着依赖大量数据或复杂实验的缺点。提供一种简便易操作的，能够定量化解析土壤重金属来源方法，对于土壤重金属污染源头控制和治理有着重要的研究意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种简便易操作的，基于剖面重金属累积比例的土壤重金属来源解析方法，对土壤重金属源及其贡献进行定量解析，为土壤重金属源头控制和治理提供了有效的理论依据。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种利用土壤剖面表层重金属累积比例解析重金属污染来源的方法，方法步骤包括：
S1：在需要进行重金属源解析的田块进行土壤剖面样品采样，使用土壤剖面采样器采集0-20cm、20-40cm、40-60cm、60-100cm，四个深度范围的样品，获取分层的剖面土壤样品；
S2：剖面土壤样品风干后，对样品进行研磨处理，使样品粒径小于100目，称取一定量的样品，采用HNO3-H2O2方法进行消解，消解完成待消解液冷却后定容，采用电感耦合等离子体质谱一次进样得到Cd、Cu、Pb和Zn的浓度；
S3：将表层土壤(0-20cm)重金属Cd、Cu、Pb和Zn浓度值减去底层土壤(60-100cm)对应重金属浓度值，获得采样点位表层累积重金属浓度，以扣除重金属的地质背景；
S4：从文献报道中收集获取源解析区域污染源大气沉降、有机肥、灌溉水和矿渣中重金属Cd、Cu、Pb和Zn含量数据，并分别求不同重金属的平均值，作为区域中不同污染来源中重金属特征值；
S5：计算步骤S3中得到的不同表层累积重金属之间的比值和S4不同重金属之间的比值，包括Pb/Cd、Pb/Cu、Zn/Pb、Cu/Cd、Zn/Cd和Zn/Cu，并根据比值做雷达图；
S6：根据采样点位的雷达图与污染源点位雷达图的相似程度进行分类，通过可视化的数据信息初步判定点位最有可能的重金属污染来源；
S7：进一步通过对污染来源和采样点位的元素比例进行主成分分析，确定不同污染源和污染点之间的关系，筛选出可能对点位产生污染的污染源；
S8：通过建立点位和污染源元素比值的线性回归方程，由线性回归方程的归一化系数确定不同污染源对点位污染的贡献比例，达到重金属污染源解析的目的；
如果在线性回归操作中不要求更多的污染来源选择依据，可省略步骤7，进一步简化源解析操作。
本发明的优点和积极效果是：
本发明提供一种土壤中重金属污染源解析的方法，利用输入到土壤重金属优先在土壤表层累积的特点以及不同污染来源重金属比值特征各异的特点，通过污染土壤表层累积重金属比值与不同污染来源重金属比例的可视化对比、主成分分析和逐步线性回归，最终由线性回归方程的归一化系数判断不同污染源对点位污染的贡献。该方法利用污染物赋存的普遍规律，借鉴重金属同位素源解析方法和传统受体模型中主成分分析的原理，并将二者有机的结合，进行重金属污染来源解析。方法克服了传统受体模型重金属源解析数据量需求大和在较大区域范围内解析污染来源的缺点，用简单的重金属总量分析取代重金属同位素源解析方法中复杂的实验操作。大幅缩减了源解析数据量需求量，使溯源过程更为简单，并可对单一或较少的田块进行重金属来源解析，对田块尺度的土壤重金属污染源头防控和污染修复具有重要意义。
附图说明
图1是实施例中提供的基于剖面重金属累积比例的土壤重金属来源解析方法流程示意图；
图2是不同剖面土壤中Cd、Cu、Pb和Zn浓度；
图3是实施例中不同污染源中重金属之间比值和不同点位中表层累积重金属比值和的雷达图；
图4是实施例中主成分分析图；
图5是实施例中污染来源贡献比例图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
如图1是本发明方法的流程示意图，其所述方法为一种基于剖面重金属累积比例的土壤重金属来源解析方法，方法步骤包括：
S1：在需要进行重金属源解析的田块进行土壤剖面样品采样，使用土壤剖面采样器采集0-20cm、20-40cm、40-60cm、60-100cm，四个深度范围的样品，获取分层的剖面土壤样品；
S2：剖面土壤样品风干后，对样品进行研磨处理，使样品粒径小于100目，称取一定量的样品，采用HNO3-H2O2方法进行消解，消解完成待消解液冷却后定容，采用电感耦合等离子体质谱一次进样得到Cd、Cu、Pb和Zn的浓度；
S3：将表层土壤(0-20cm)重金属Cd、Cu、Pb和Zn浓度值减去底层土壤(60-100cm)对应重金属浓度值，获得采样点位表层累积重金属浓度，以扣除重金属的地质背景；
S4：从文献报道中收集获取源解析区域污染源大气沉降、有机肥、灌溉水和矿渣中重金属Cd、Cu、Pb和Zn含量数据，并分别求不同重金属的平均值，作为区域中不同污染来源中重金属特征值；
S5：计算步骤S3中得到的不同点位表层累积重金属之间的比值和S4不同重金属之间的比值，包括Pb/Cd、Pb/Cu、Zn/Pb、Cu/Cd、Zn/Cd和Zn/Cu，并根据比值做雷达图；
S6：根据采样点位的雷达图与污染源点位雷达图的相似程度进行分类，初步判定点位最有可能的重金属污染来源；
S7：进一步通过对污染来源和采样点位的元素比例进行主成分分析，确定不同污染源和污染点之间的关系，筛选出可能对点位产生污染的污染源；
S8：通过建立点位和污染源元素比值的线性回归方程，由线性回归方程的归一化系数确定不同污染源对点位污染的贡献比例，达到重金属污染源解析的目的。
实施例
本实施例以湖南省长株潭地区为研究区域，在该范围采集土壤剖面样品10个(点位1-10)。其中，点位3位为养猪场附近以沼液灌溉的稻田可能受有机肥源污染；而点位4为主要公路旁的稻田，由于当地矿业产业发达，该点位可能受到矿渣运输洒落污染，这两个点位可作为重金属来源解析的验证点位。每个剖面分为4个层段：0-20cm、20-40cm、40-60cm、60-100cm，共40个样品；
样品风干后，对所述剖面土壤样品进行研磨处理，使样品粒径小于100目，称取0.2g的样品，采用HNO3-H2O2方法，在电热消解炉中进行消解，消解完成待消解液冷却后，将消解液用超纯水定容至50ml，采用电感耦合等离子体质谱一次进样，得到不同剖面Cd、Cu、Pb和Zn的浓度，结果如图2所示；
将表层土壤(0-20cm)重金属Cd、Cu、Pb和Zn浓度值减去底层土壤(60-100cm)对应重金属浓度值，获得采样点位表层累积重金属浓度，以扣除重金属的地质背景；
从文献报道中收集获取源解析区域污染源大气沉降、有机肥、灌溉水和矿渣中重金属Cd、Cu、Pb和Zn含量数据，并分别求不同重金属的平均值，作为区域中不同污染来源中重金属特征值，结果如表1所示；
表1不同污染来源中重金属的特征值
Figure BDA0002525356210000041
计算10个不同点位表层累积重金属之间的比值和4个不同来源重金属之间的比值，包括Pb/Cd、Pb/Cu、Zn/Pb、Cu/Cd、Zn/Cd和Zn/Cu，并根据比值做雷达图；
根据采样点位的雷达图与污染源点位雷达图的相似程度进行分类，初步判定点位最有可能的重金属污染来源，如图3所示，点位2、点位5、点位7、点位9和电位10与大气沉降相似，被分为组1；点位1和点位3与有机肥污染相似，被分为组2；点位4和点位8与矿渣相似，被分为组3；点位6与灌溉水相似被分为组4；
进一步通过对污染来源和采样点位的元素比例进行主成分分析，确定不同污染源和污染点之间的关系，筛选出可能对点位产生污染的污染源，如图4所示，图中点位和污染源之间的距离反映了它们之间的相关性，根据污染点位与污染源在图中的位置可以判断，点位3为有机肥污染的可能较大；点位6为灌溉水污染可能较大；点位4和8为矿渣污染的可能较大，这些结果与雷达图判断结果一致；其他点位有大气沉降污染贡献的可能，但不能排除其他污染来源。
最后通过建立点位和污染源元素比值的线性回归方程，确定不同污染源对点位污染的贡献比例，达到重金属污染源解析的目的，线性回归方程如公式(1所示)，
Figure BDA0002525356210000042
其中，
Figure BDA0002525356210000043
是每个点位表层累积重金属比例(i＝10)，
Figure BDA0002525356210000051
是污染来源重金属比例(j＝4).αPS-j是不同污染来源的贡献比例；
来源解析结果如图5所示，点位1：98.8％为有机肥污染(R2＝0.957)；点位2：84.5％为有机肥污染，28.1％为矿渣污染(R2＝0.996)；点位3：95.8％为有机肥污染(R2＝0.952)；点位4：99.3％为矿渣污染(R2＝0.980)；点位5：97.7％为大气沉降污染(R2＝0.953)；点位6：93.6％为灌溉水污染(R2＝0.892)；点位7：45.2％为大气沉降污染，57.2％为有机肥污染(R2＝0.991)；点位8：97.8％为矿渣污染(R2＝0.954)；点位9：98.9％为大气沉降污染(R2＝0.968)；点位10：99.2％为大气沉降污染(R2＝0.992)。重金属来源解析的验证点位3和4的解析结果与预期结果一致。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例所公开的内容。

Claims (6)

1.一种利用土壤剖面表层重金属累积比例解析重金属污染来源的方法，其特征在于：方法步骤包括：
S1：土壤剖面样品采样，获取分层的剖面土壤样品，分层数至少为两层，表层和深层；
S2：剖面土壤样品消解处理，得到Cd、Cu、Pb和Zn的浓度；
S3：将表层土壤重金属Cd、Cu、Pb和Zn浓度值减去底层土壤对应重金属浓度值，获得采样点位表层累积重金属浓度；
S4：收集获取源解析区域污染源中重金属Cd、Cu、Pb和Zn含量数据，并分别求不同重金属的平均值，作为区域中不同污染来源中重金属特征值；
S5：计算步骤S3中得到的不同表层累积重金属之间的比值和S4不同重金属之间的比值，包括Pb/Cd、Pb/Cu、Zn/Pb、Cu/Cd、Zn/Cd和Zn/Cu，并根据比值做雷达图；
S6：根据采样点位的雷达图与污染源点位雷达图的相似程度进行分类，通过数据信息判定点位的重金属污染来源；
S7：通过建立点位和污染源元素比值的线性回归方程，由线性回归方程的归一化系数确定不同污染源对点位污染的贡献比例，达到重金属污染源解析的目的。
2.根据权利要求1所述的一种利用土壤剖面表层重金属累积比例解析重金属污染来源的方法，其特征在于：土壤剖面采集深度为：0-20cm、20-40cm、40-60cm、60-100cm，0-20cm为表层，60-100cm为深层。
3.根据权利要求1所述的一种利用土壤剖面表层重金属累积比例解析重金属污染来源的方法，其特征在于：剖面土壤样品风干后，对样品进行研磨处理，使样品粒径小于100目，称取样品，采用HNO3-H2O2方法进行消解，消解完成待消解液冷却后定容，采用电感耦合等离子体质谱一次进样得到Cd、Cu、Pb和Zn的浓度。
4.根据权利要求1所述的一种利用土壤剖面表层重金属累积比例解析重金属污染来源的方法，其特征在于：源解析区域污染源包括大气沉降、有机肥、灌溉水和矿渣。
5.根据权利要求1所述的一种利用土壤剖面表层重金属累积比例解析重金属污染来源的方法，其特征在于：通过对污染来源和采样点位的元素比例进行主成分分析，确定不同污染源和污染点之间的关系，筛选出可能对点位产生污染的污染源。
6.根据权利要求1所述的一种利用土壤剖面表层重金属累积比例解析重金属污染来源的方法，其特征在于：线性回归方程如公式如下：
Figure FDA0002525356200000011
Figure FDA0002525356200000021
其中，
Figure FDA0002525356200000022
是每个点位表层累积重金属比例(i＝10)，
Figure FDA0002525356200000023
是污染来源重金属比例(j＝4).αPS-j是不同污染来源的贡献比例。
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