农业土壤重金属污染来源解析技术研究同位素比值分析多元统计分析空间分析实例硕士专业学位论文.docx

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农业土壤重金属污染来源解析技术研究同位素比值分析多元统计分析空间分析实例硕士专业学位论文

硕士专业学位论文

农业土壤重金属污染来源解析技术研究

Studyonthetechnologiesforheavymetalsourceapportionmentofagriculturesoils

专业学位类别：

农业推广硕士

专业学位领域：

农业资源利用

所在学院：

环境与资源学院

农业土壤重金属污染来源解析技术研究

论文作者签名:

指导教师签名:

论文评阅人1：

评阅人2：

评阅人3：

评阅人4：

评阅人5：

答辩委员会主席：

委员1：

委员2：

委员3：

委员4：

委员5：

答辩日期：

Studyonthetechnologiesforheavymetalsourceapportionmentofagriculturesoils

Author’ssignature:

Supervisor’ssignature:

ExternalReviewers:

ExaminingCommitteeChairperson:

ExaminingCommitteeMembers:

Dateoforaldefence：

浙江大学研究生学位论文独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

学位论文作者签名：

签字日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解浙江大学有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。

本人授权浙江大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。

（保密的学位论文在解密后适用本授权书）

学位论文作者签名：

导师签名：

签字日期：

年月日签字日期：

年月日

本研究受

《环保公益性行业科研专项》（#2011467057）

《国家高技术研究发展计划（863计划）》（#2012AA101405）

《国家高技术研究发展计划（863计划）》（#2009AA06Z316）

资助

Acknowledgements

Thisstudywasfinanciallysupportedbyspecialscientificresearchofenvironmentalpublicwelfare（#2011467057）,NationalhightechnologyresearchanddevelopmentprogramofChina（#2012AA101405and#2009AA06Z316）andfundamentalresearchfundsforthecentraluniversities.

致谢

时光匆匆，如白驹过隙。

三年的硕士研究生活恍如昨日开始，却即将在不久以后结束。

在母校浙江大学的生活平凡恬静、波澜不惊，却在临别之际令人感慨万千，难以忘怀。

首先感谢我的导师——杨肖娥教授。

是她带我进入了人生的一个新阶段，让我接触到前所未有的科研生活。

她以和蔼的教育方式、严谨的治学理念、积极的工作态度不断地感染着我，对我今后的人生必将产生深远影响。

这位人生中的良师益友以及我们之间深厚的师生情谊将会成为我人生中的宝贵财富和美好回忆。

感谢李廷强老师、冯英老师、杨卫东老师、卢玲丽老师、赵和平老师在日常生活和学习中的悉心指导和帮助，特别感谢李廷强老师在我的论文撰写和科研工作方面的耐心指正和详细讲解。

感谢丁哲利、TariqRafiq、侯丹迪、林子闻、娄林均、冯媛媛、庞少君等同学在实验进行过程中给予的巨大帮助，让我能够完成全部的实验内容；感谢曾峥、黄化刚、赵凤亮、狄贞珍、高峻、王玉艳、王凯、张新成等同学在研究方法和实验技能方面给予的多方指导，让我更有效率地学习到相关的知识和经验；感谢张奕斌、张杰、赵晶、韩璇、许良峰、梁俊、张敏、Jahid、RukhsandaAziz、陈宝、刘娣、梁成凤、潘风山、陶琦、马晓晓、孟帆、赖春宇、廖星程、刘桂青等同学营造了良好的学习气氛和科研环境；感谢实验室何志龙、吴飞飞、吴春勇、林可聪、朱凤珍、王美娥、胡国相等工作人员为我提供的帮助。

PeenLab是一个团结、积极、进取的温暖集体，能在这样的集体中生活和学习我有深深的幸福感。

上海世博会之旅、每年的春游秋游、各种学术交流会等美好难忘的生活片段将永远保存在我的人生记忆中。

最后感谢我的父母，是他们用自己的辛勤劳苦换来我今日的幸福生活，是他们一直的支持和鼓励，让我能够在风雨中得到成长，感谢他们为我所作的一切！

感谢所有给于我指导、帮助和支持的领导、老师和同学们以及将要参加本论文评阅和答辩的各位专家、教授在百忙中付出的辛勤工作！

吴呈显

2013年1月于启真湖畔

目录

中文摘要I

ABSTRACTIII

第一章绪论1

1.1研究背景1

1.2国内外研究现状分析2

1.2.1同位素比值法在土壤重金属污染源解析中的应用2

1.2.1.1同位素比值法在土壤Pb污染源解析中的应用2

1.2.1.2同位素比值法在土壤Hg污染源解析中的应用3

1.2.1.3同位素比值法在土壤Cd污染源解析中的应用4

1.2.2多元统计分析方法在土壤重金属污染源解析中的应用4

1.2.3空间分析方法在土壤重金属污染源解析中的应用5

1.3研究目的、研究内容与技术路线6

1.3.1研究目的6

1.3.2研究内容6

1.3.3技术路线7

第二章农业土壤重金属污染源调查过程8

2.1引言8

2.2区域概况8

2.3实地调查的准备工作8

2.3.1实地调查所需工具8

2.3.2采样区块划分9

2.4样点分布与样品采集11

2.5样品处理11

2.5.1使用仪器及试剂11

2.5.2样品前处理12

2.6样品重金属含量测定12

2.7样品重金属同位素比值测定13

2.7.1重金属同位素比值分析注意事项13

2.7.1.1重金属同位素质量歧视效应干扰13

2.7.1.2重金属同量异位素干扰14

2.7.1.3记忆效应干扰14

2.7.2重金属同位素比值测定过程15

2.7.2.1重金属Pb同位素比值测定方法15

2.7.2.2重金属Hg同位素比值测定方法16

2.7.2.3重金属Cd同位素比值测定方法19

2.8小结21

第三章农业土壤重金属污染源调查结果与分析22

3.1引言22

3.2研究区域重金属污染情况22

3.2.1农田土壤重金属含量情况22

3.2.2农田作物重金属含量情况24

3.2.3潜在污染物重金属含量情况25

3.2.4结论26

3.3农业土壤重金属污染源重金属同位素比值分析26

3.3.1重金属同位素比值分析优势27

3.3.2重金属同位素比值数据处理过程27

3.3.3重金属同位素比值分析结果28

3.3.4结论32

3.4农业土壤重金属污染源多元统计分析32

3.4.1主成分分析32

3.4.1.1分析原理32

3.4.1.2分析过程33

3.4.1.3分析结果33

3.4.2聚类分析37

3.4.2.1分析原理37

3.4.2.2分析过程37

3.4.2.3分析结果38

3.4.3结论43

3.5农业土壤重金属污染源空间分析43

3.5.1空间分析原理43

3.5.1.1空间分析概念与涉及学科43

3.5.1.2空间分析数据处理原理与形式44

3.5.1.3空间分析插值法分类与选择45

3.5.2空间分析过程46

3.5.3空间分析结果48

3.5.4结论52

3.6小结53

第四章综合讨论和结论、创新点和研究展望54

4.1综合讨论和结论54

4.2创新点56

4.3研究展望57

参考文献58

中文摘要

近年来，世界各地重金属污染对人类健康与生命安全的危害备受瞩目。

随着“镉米”事件等农产品重金属超标问题频频爆发，以及人们对农产品健康安全的日益重视，对农业土壤重金属污染问题的研究和解决更加变得刻不容缓。

调查土壤重金属污染物的来源，是从源头上控制并解决土壤重金属污染问题最有效的途径之一，对实施重金属污染治理亦具有举足轻重的意义。

然而，过去的大部分工作多局限于区域重金属污染程度、破坏生态环境和人类健康机理、重金属污染修复手段等方面，对重金属污染源的解析方法研究甚少。

目前，在环境调查工作中尚缺乏高效的方法来寻找农业土壤中重金属污染的具体来源，现有技术存在较大的局限和误差。

因此，利用同位素比值测定技术与空间分析、多元统计分析等多种技术相结合，发展污染源准确鉴定方法，创新重金属污染源解析的技术，对制定土壤重金属污染有效控制策略十分必要。

本文选择了一个既有农业发展区域、又有工业生产活动的典型区域进行农业土壤重金属污染来源解析方法的研究。

通过对选择区域进行较为全面和详尽的调查走访、样品采集、数据检测，采用多元统计分析、空间分析、重金属同位素比值分析三大分析方法对样品数据信息进行筛选、剖析和研究，并结合当地调查的实际情况给出区域农业土壤重金属污染来源的综合分析结论。

主要研究结果如下：

1.研究区域内主要以连片形式的农业区块为主，但也存在庭院菜园式农业用地。

在调查区域中，电镀厂、汽车配件厂、彩印厂、印刷厂、齿轮厂、灯具厂、服装厂等大型企业以及数量众多的铸造熔炼小作坊林立，工业生产活动密集频繁。

当地主要农作物有大白菜、西兰花、水稻、西瓜、甘蔗等，大部分作物样品中存在重金属超标或接近超标的现象。

农业土壤中Pb和Cr的区域整体污染水平较低，Hg和Cd的土壤污染相对更加严重。

调查区域内采集的潜在重金属污染来源样品主要有化肥、有机肥、工业废弃物、道路扬尘、灌溉水等，其中Pb浓度较高的包括工业固体废弃物和道路扬尘样品，Hg浓度较高的包括有机肥、固体废弃物和公路扬尘样品，Cd浓度较高的包括部分种类化肥和公路扬尘样品，Cr浓度较高的包括有机肥和道路扬尘样品。

2.总结多元统计分析、空间分析、重金属同位素比值分析三种方法对农业土壤重金属污染来源解析的情况，获得研究区域内土壤Pb、Hg、Cd、Cr污染来源的最终结论：

土壤Pb污染主要来源于道路扬尘和固体废弃物。

区域内分布范围较广且浓度居中的Pb污染主要可能由道路扬尘引起，分布范围较小而浓度较高的Pb污染则主要可能由固体废弃物引起；土壤Hg污染主要来源于有机肥、道路扬尘和固体废弃物。

远离道路和工厂的农田区域内浓度较高的Hg污染主要可能由有机肥的施用引起，分布在道路周围、范围较广且浓度居中的Hg污染主要可能来自道路扬尘，工业区域附近分布范围小而浓度较高的Hg污染主要可能来自工业固体废弃物；土壤Cd污染主要来源于固体废弃物，但也可能存在未知污染源没有纳入到研究当中；土壤Cr污染主要来源于有机肥和道路扬尘。

远离道路和工厂的农田区域内浓度较高的Cr污染主要可能来自有机肥，道路周围、范围较广且浓度居中的Cr污染主要可能来自道路扬尘，此外，根据实际调查的情况，当地电镀厂污水也是周围土壤Cr污染的主要可能来源。

3.通过对多元统计分析、空间分析、重金属同位素比值分析三种方法原理和使用过程的了解并结合调查的实际情况，对方法中的整体流程或具体细节进行了优化改进。

其中，在比较不同多元统计方法间原理和特点的前提下，最终选取主成分分析和聚类分析用于研究；空间分析过程中重点对插值法进行对比选择，根据不同插值法处理数据的实际效果最终选择反距离加权插值法对空间分析过程进行补充完善；同位素比值方法通过选择适合的重金属同位素比值测试技术，从而提高仪器测试结果的准确度和精密度。

此外，还运用源贡献率数值分析模型对农业土壤重金属污染来源进行半定量化的分析。

关键词：

农业土壤；重金属；源解析；多元统计；空间分析；同位素比值；综合评价

ABSTRACT

Therehavebeenmoreandmoreheavymetalpollutioneventshappenedregularlyinrecentyears.Hundredsofmillionsofpeoplesufferfromtoxiceffectsofheavymetals.Heavymetaliserodingpeople’shealth,eventakethelivesofpeople.Astheproblemsofheavymetalexcesslevelsinagriculturalproductsarise,like“Cdrice”,andagriculturalsafetycausedbytheheavymetalpollutionisbeingpaidmoreandmoreattentionto,theresearchofheavymetalpollutioninagriculturalsoilsallowsofnodelay.Investigatingandcontrollingthesourcesofheavymetalpollutioninagriculturalsoiloriginallyisoneofthemosteffectivewaystosolvetheproblemsofheavymetalpollutioninsoils,whichisincreasinglyseenascrucialtotreatforheavymetalincontaminatedsoils.Peopleconcentratedonresearchesofheavymetalpollutionlevels,harmmechanismofheavymetalinenvironmentandhumanbodiesandtheremovalofheavymetalsinsoils,etc.However,lessinvestigationofsourcesofheavymetalsinsoilswasbeingconductedinthepast.Atpresent,therestillhavenostandardmethodstotracethesourcesofheavymetalsinagriculturalsoils,speciesandquantitymessageofmanmadeproductsandnaturalmaterialswhichcouldbepotentialsourcesofheavymetalpollutionsinsoilsisnotclearyet,basicdataofdischargesofheavymetalpollutantsislack,methodsoftracingsourcesofheavymetalpollutionsinsoilsshouldbeimproved.Peoplenowusesinglemethodstoinvestigatesourcesofheavymetals,whichcauseresultsofinvestigationbecomemorepartialandinaccurate.Therefore,itisnecessarytofindanewcomprehensivemethodtoinvestigatethesourcesofheavymetalpollutionsinsoils.Thepresentstudychooseatypicalareawhichhasbothagricultureandindustrytoresearchmethodsofinvestigatingthesourcesofheavymetalpollutionsinsoils.Onthebasisoftheinvestigationoflocalconditions,sampleanalysisanddatacalculation,finaldiscussionandresultsaregiveninthisstudy.Theresultsshowed:

1.Thelocalagricultureareasmainlyissuccessive,afewoffieldsarelikehomegardens.Therearemajorindustrieslikeelectroplatefactories,autopartsfactories,printinganddyeingmills,etcandnumerousofindividualcastingworkshopslocatedinthesurveyregion.Localareamainlyproductcabbage,broccoli,rice,watermelon,sugarcane,etc,heavymetalsinmostofthemwerenearlyinexcessofthestandards.Asawhole,thelevelofHgandCdpollutionwashigherthanPbandCrpollutioninthelocalarea.Samplesofsourcesofheavymetalsinsoilscollectedfromthesurveyregionincludechemicalandorganicfertilizer,industrialwaste,roaddust,irrigationwater,etc.HighconcentrationofPbwasfoundinindustrialwasteandroaddust.HighconcentrationofHgwasfoundinorganicfertilizer,industrialwasteandroaddust.HighconcentrationofCdwasfoundinchemicalfertilizerandroaddust.HighconcentrationofCrwasfoundinorganicfertilizerandroaddust.

2.Threemethodsoftracingsourcesofheavymetalpollutionsinsoils,includingmultivariatestatisticalanalysis,spatialanalysisandisotoperatioanalysis,weresummarizedinthisstudy.Theresultsshowed:

ThemostpossiblesourcesofPbpollutioninsoilswereindustrialwasteandroaddust,Pbpollutioncausedbyroaddustdistributedwidelyandconcentrateinmiddlelevel,whilePbpollutioncausedbyindustrialwastedistributednarrowandconcentratedinhighlevel.ThemostpossiblesourcesofHgpollutioninsoilswereorganicfertilizer,industrialwasteandroaddust,Hgpollutioncausedbyorganicfertilizermainlydistributedintheagricultureareasfarfromindustriesandroads,Hgpollutioncausedbyroaddustwasneartheroadsanddistributedwidely,Hgpollutioncausedbyindustrialwastedistributednarrowandconcentratedinhighlevel.ThemostpossiblesourcesofCdpollutioninsoilswereindustrialwaste,butalsowaspossiblebecauseofunknownpollutantsources.ThemostpossiblesourcesofCrpollutioninsoilswereorganicfertilizerandroaddust,Crpollutioncausedbyorganicfertilizermainlydistributedintheagricultureareasfarfromindustriesandroads,Crpollutioncausedbyroaddustwasneartheroadsanddistributedwidely.Inaddition,wastewaterofelectroplatefactoriesalsowasarealsourceofCrinlocalareaaccordingtotheinvestigation.

3.Themethodsoftracingsourcesofheavymetalpollutionsinsoilswasimprovedinthepresentstudy.