基于双层神经网络与GIS可视化的土壤重金属污染评价

针对土壤重金属污染进行评价,以四川省川芎主产区为例,对川芎主产区—都江堰、崇州、新都等15地土壤的重金属元素取样检测分析,采用双层组合神经网络和GIS空间分析技术综合评价川芎主产区土壤重金属污染。结果表明：研究区大部分区域处于轻度重金属污染状态,处于中度污染状态的区域为崇州、都江堰和彭州。基于双层组合BP神经网络和GIS的研究方法,可以在只具有少量数据的情况下对数据进行比较精确的空间分析,能够在满足一定精度分析的原则下适当的降低采样分析成本,得到比单因子指数评价准确度更高的空间分布图。     

吉林省人参土壤中重金属污染水平及生物有效性研究

为了解吉林省人参土壤中重金属污染水平及其生物有效性,人参对重金属的吸收、转化及富集程度,运用ICP-OES对农田栽参和林下参及其土壤重金属进行测定分析。结果表明,人参土壤中重金属Cd含量超过国家三级土壤标准,所测的其它八种重金属含量均处在国家一级土壤水平内,重金属Pb的生物有效性系数最高达27.37%,虽然含量较低但存在一定的风险性,人参土壤中Ti的含量最高,其全量在476-1038 mg/kg,生物有效性最低为0.09%;两种模式下人参根区土壤中重金属生物有效态含量差别不大,但林下参土壤重金属生物有效性系数低于农田栽参土壤,尤其是对生物毒性较大的Cd、Cr、Cu和Pb元素,Cd的生物有效态含量与其生物有效性系数达极显著负相关(P<0.01),相关系数为0.79;不同肥料的施用对农田栽参土壤重金属生物有效态有一定影响,同一种肥料对不同重金属生物有效态含量影响亦不同;人参对Cu、Zn和Pb的富集系数最大,潜在风险较大,其中Cu富集系数达到0.63;综合分析人参土壤中重金属全量、有效量及人参根中含量,发现人参土壤中Cd超标,污染严重,Cu和Zn受土壤类型影响较大,其它重金属均可通过培肥改土调节其有效态含量。     

吉林省人参土壤中重金属污染水平及生物有效性研究

人参(Panax Ginseng C.A.mey)属五加科多年生草本植物,是主要大宗道地中草药,人参产业作为吉林省东部山区及黑龙江、辽宁省山区的主要支柱产业,对地方经济发展具有极大的影响作用。自从1998年国家实行"天保工程"以来,传统的伐林栽参模式受到限制,农田栽参和林下参成为人参产业主要发展模式,农田栽参的发展避免了参林争地的矛盾,保护了生态环境,同时为市场提供了大量     

不同复垦时间的粉煤灰充填复垦土壤重金属污染与评价

为了解粉煤灰充填复垦土壤重金属污染情况，通过实地试验与现场采样化验相结合的方法，对复垦时间不同的粉煤灰复垦土壤里砷(As)、镉(Cd)、铬(Cr)、汞(Hg)、铅(Pb)、铜(Cu)、硒(Se)、锌(Zn)、、镍(Ni)和氟(F)等重金属和微量元素含量的时空变异性进行了研究。结果发现：以土壤本底值作为评价标准时，粉煤灰充填复垦土壤整体处于受污染状态。其中，表层复垦土壤受到Cd、Se、Zn、F 4种元素污染较重；粉煤灰充填复垦土壤适合旱作，不适合用作水田；随着复垦时间的增加，表层复垦土壤的污染指数呈递增趋势。     

汾河太原段土壤中Hg、Cr空间分布与污染评价

为了探明汾河太原段土壤中Hg、Cr污染情况,在GIS支持下,运用地统计学方法,测定分析了汾河太原段两岸土壤中重金属Hg、Cr的含量和空间分布特征,采用单因子法对土壤中Cr、Hg的污染进行评价。结果表明：汾河太原段土壤中Hg含量高于山西省土壤背景值和中国土壤背景值,Cr含量与背景值相当;土壤中Hg和Cr半方差函数模型为高斯模型,属于空间中等程度相关,Hg和Cr有相似的空间分布格局,总体分布趋势为北中部和南部地区相对较高,北部和中南部相对较小;污染评价表明Hg污染较Cr污染严重,但所有土壤Hg含量均在国家土壤环境质量二级标准之内;土壤Hg、Cr污染防治应结合其空间分布格局和区域污染特征综合考虑。     

开封黑岗口引黄灌区稻麦轮作下农田土壤剖面重金属分布特征

引黄灌区是我国重要的农业生产基地,其土壤重金属赋存状况直接关系到农业的可持续发展。本研究以黑岗口引黄灌区开封北郊稻麦轮作下农田土壤为研究对象,采集了耕作层(0~15 cm与15~30 cm)与剖面(0~100 cm)土壤样品,对其土壤剖面主要性质与重金属Pb、Cd、Cu和Zn的积累特征进行了分析。结果表明:(1)长期引黄灌溉及稻麦轮作下,开封北郊农业土壤主要性质在剖面上表现出明显的分异特征:总有机碳(TOC)与全氮(TN)含量主要分布在耕作层土壤,而30 cm以下的土层其含量明显降低;全磷(TP)含量在各土壤层中无明显差异;在部分土壤剖面中CaCO3呈现出明显的淀积层。(2)耕作层(0~30 cm)土壤中重金属Pb、Cu、Zn的含量与研究区背景值相当,而Cd含量显著高于背景值。除少部分剖面含量超标外,Cd、Pb、Cu、Zn的平均含量均未超出WHO限值,且远低于我国农业土壤环境质量标准。因子分析源解析表明:引黄灌区土壤中Pb、Cu和Zn具有相似的来源和迁移特性,而Cd的来源和迁移特性具有特殊性,它可能与当地的化肥施用等农业活动有关。(3)土壤剖面中Cu和Zn具有明显的表聚现象,Pb的表聚作用不明显,而Cd在剖面各层土壤含量具有较大变异性,这与重金属的自身属性、土壤剖面性质和当地的耕作条件有较大相关性。(4)Cu和Zn在土壤剖面主要以有机结合态和残余态形式存在;Pb的残余态、有机态以及铁锰氧化态含量也较高,且Pb的全量与有机结合态含量百分比变化呈现出一定的相似性;而Cd具有较高的碳酸盐结合态和离子交换态,表明Cd在土壤中具有较强的移动性,预示Cd的潜在健康风险较高。     

西藏尼洋河水体重金属分布特征及风险评价

重金属含量是影响水生态环境安全的重要因素,该文意在探索西藏河流水体重金属变化规律。研究了雅鲁藏布江第二大支流尼洋河的Zn、Cu、Mn、Cd、Fe 5种重金属含量时空变化特征和相关性,以及迁移变化机理,对重金属富集程度和污染风险进行了评价。结果表明：尼洋河重金属含量源头较低,中上游位置有突变。Fe、Mn、Cd是影响水质变化的敏感因子。Zn、Cu、Mn含量平水期＞枯水期＞丰水期。丰水期重金属含量主要受人类活动或水文气象活动影响,平水期及枯水期的Zn、Cu、Mn、Fe含量主要受自然过程影响,枯水期Cd主要受人类活动影响。水库对重金属富集有一定的影响。河源和中下游河段污染较轻,上游河段重金属综合污染指数最高。     

拉林河流域土壤重金属污染特征及来源解析

该文选取拉林河流域表层土壤为研究对象,通过对土壤重金属的含量和空间分布分析、污染评价、以及潜在生态风险评价,了解土壤重金属的分布特征和污染现状,并利用正定矩阵因子分解法（PMF）探索土壤重金属污染的来源。结果表明,表层土壤中Cr、As、Pb、Cu、Zn、Ni、Mn、V的平均含量均低于背景值,Co和Se略微高于背景值,部分土壤样点Cd和Ni超过国家土壤环境质量标准的二级标准。研究区土壤污染的主要金属元素为Cd和Hg,地累积指数表明受到污染的样品比例分别达到45.1%和37.0%,其潜在生态危害指数平均值分别为49.83和70.29。根据PMF计算结果,拉林河流域表层土壤重金属累积主要受自然源、农药肥料源、工业排放源的影响。其中,自然本底对研究区土壤中重金属的影响最大,贡献率为38.0%,其次是农药和肥料施用,贡献率为32.6%,燃煤和工业排放源的贡献率稍低,为29.4%。     

Temporal and spatial variation and risk assessment of soil heavy metal concentrations for water-level-fluctuating zones of the Three Gorges Reservoir

Purpose

This study aimed to reveal the temporal and spatial variation of soil heavy metal concentrations in the Three Gorges Reservoir area (TGR) water-level-fluctuating zone (WLFZ) and evaluated its pollution status and potential ecological risks and provide scientific basis for ecological risk prevention and ecological restoration of the TGR.

Materials and methods

This study was based on long-term monitoring of soil heavy metals (Cu, Pb, Cd, and Cr) before water level fluctuation (2008) and after 1 (2009), 4 (2012), or 7 (2015) cycles of water level fluctuation at the altitude of 155–172 m in the Wushan (WS) and Zigui (ZG) sections of the TGR, and pollution status and potential ecological risks of each heavy metal element were evaluated by index of geoaccumulation and potential ecological risk index.

Results and discussion

The Cd concentration increased with the increase in the number of reservoir water level fluctuations, whereas the concentrations of Cu, Cr, and Pb varied with the monitoring site. The Cd showed clear horizontal transfer characteristics. Moreover, with the increase of the frequency of water level fluctuations the Cd concentration at ZG (near the dam) were higher than those at WS (away from the dam). After 7 cycles of water level fluctuation, the concentrations of most soil heavy metal were not obvious differences between soil layers (except Pb). Before and after the reservoir water level fluctuation, Cd contamination level changed from pollution-free to strong or extremely polluted, Cu contamination level changed from pollution-free to moderately polluted, and Cr and Pb were pollution-free. Before the fluctuation of the reservoir water level, the potential ecological risk of Cd in the WS reached a classification of strongly polluted, whereas pollution at ZG was considered to be low level. However, after 4 cycles of water level fluctuation the Cd pollution level increased to a very high level, whereas Cu, Cr, and Pb remained consistently low.

Conclusions

There is an obvious temporal and spatial variation of heavy metal concentrations for WLFZ of TGR. Cd concentration increased with the increase in the number of reservoir water level fluctuations. Heavy metal concentrations changed from WS > ZG to WS < ZG after the impact of water level fluctuations. After 7 cycles of water level fluctuation, the distribution of heavy metals in different soil layers tends to be uniform (except Pb). Cd pollution is more serious, and there is a strong potential ecological risk.

     

Multivariate and geostatistical analyses of the sources and spatial distribution of heavy metals in agricultural soil in Gongzhuling,Northeast China

Journal of Soils and Sediments - The content, source, and spatial distribution of heavy metals in soils are necessary to establish quality standard on a regional level, to assess the potential...     

山东省沂源县土壤重金属来源分布及风险评价

为建设高标准农田及保证食品安全,对土壤重金属污染状况进行精确评估极为关键。选取山东省山地丘陵区典型区域-沂源县为研究区,系统采集427个表层土壤样品（0～20 cm）,测定了As、Cd、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Hg和Zn共10种重金属含量;采用多元统计分析和地统计分析方法,揭示了土壤重金属的主要来源;进一步分析得出研究区重金属的空间分布以及与成土母质、工业排放和农业生产污染之间的关系。研究表明：1）沂源县表层土壤中10种重金属元素的平均含量值均高于土壤背景值但未超过国家二级土壤元素限定值,存在一定程度的重金属富集。2）经主成分分析和单因素方差分析后将研究区重金属的来源主要分为3类：As、Co、Cu和Mn主要来源于成土母质,属自然源因子;Hg 、Cd、Zn和Pb受到母质和工农业污染双重控制,属于混合来源;Cr和Ni主要是成土母质影响下的自然来源。3）自然来源重金属含量的高值区主要与石灰岩成土母质类型分布相一致,Hg 、Cd、Zn和Pb元素含量的高值区与工业区分布基本一致。4）通过潜在生态风险评价,沂源县表层土壤目前处于中度潜在生态风险等级,其中Hg和Cd潜在生态风险最强,达到中度生态危害,其他元素具有轻微的潜在生态危害。研究中通过多元统计-地统计模拟分析法有效的揭示了土壤重金属污染源汇特征,可作为评估该区土壤污染现状和对土壤重金属污染进行风险评价的重要依据。     

基于PMF模型的准东煤矿周围土壤重金属污染及来源解析

为了解准东煤矿区周围土壤的污染状况及来源,在准东露天矿区采集47个表层土壤样本,测定其中Zn、Cu、Pb、Cr、Hg和As 6种重金属元素的含量。运用统计学方法、地累计指数(geoaccumulation index,I_(geo))和潜在风险指数(potential ecological risk index,PER)对研究区土壤重金属污染程度和生态风险态势进行评价,采用正矩阵分解模型(positive matrix factorization,PMF)解析重金属污染源。结果表明:1)研究区土壤Zn、Cu、Pb、Cr、Hg和As含量均超出新疆土壤环境质量背景值,超标率分别为2.1%、14.9%、4.3%、68.1%、68.1%和95.8%,其中As含量的均值分别超过国家土壤质量Ⅰ级和Ⅱ级标准(GB15618-1995)的2.1和1.3倍;2)Hg的地累积指数和潜在生态风险指数呈极高污染和高风险态势,Zn、Cu和Pb处于未污染和低风险状态。研究区综合潜在生态风险指数介于50.09～1 038.47之间,差异明显,均值为180.22,21%和11%土壤采样点呈现出较高和高风险水平;3)PMF模型结果显示:研究区土壤Hg主要受到燃煤活动的影响;Pb的积累主要与交通运输有关,As的积累主要与大气沉降和工业排放有关,工业排放是Cr的主要污染源,Zn和Cu的积累主要与土壤成土母质等自然因素有关。燃煤、交通运输、大气降尘、工业排放和自然因素5种来源的贡献率分别为20.79%,16.83%,16.83%和27.72%和17.82%。     

长江三角洲地区土壤盐酸可提取态重金属含量的空间变异特征

以江苏昆山市为典型区,对长三角地区土壤盐酸可提取态重金属含量的结构特征进行分析,得出该区盐酸可提取态重金属的空间分布格局并揭示了引起这种分布格局的成因和污染来源,结果表明：昆山市盐酸可提取态Cd、Cr、Cu、Pb、Zn、Hg属强变异,Ni和Co为中等变异。半方差函数模型拟合表明所有盐酸可提取态重金属元素均符合球状模型,8种重金属元素在一定范围内均存在空间相关性。采用Kriging最优内插法得到了盐酸可提取态重金属含量的空间分布格局,表明土壤盐酸可提取态重金属含量与工业活动、污水灌溉和大气降尘密切相关。通过主成分分析与地统计学相结合的方法,得出该区盐酸可提取态重金属由4个主成分构成,第一主成分为Cd、Cu、Pb、Cr和Zn,决定这一成分的主要因素为工业污水灌溉、大气降尘和元素地球化学特征;第二主成分为Ni,决定这一成分的主要因素为土壤内部因子;第三主成分为Hg,该成分主要受工业点源污染的影响;第四主成分为Co,该成分可能主要受地形影响。     

海涂围垦区土壤盐分空间变异性随机模拟与不确定性评价

以苏北海涂围垦区典型地块为例, 把随机模拟技术引入土壤盐分空间变异性研究中, 利用普通克里格法和序贯高斯模拟方法对土壤盐分的空间分布进行估值和模拟, 将随机模拟值与克里格插值及实测值进行对比分析, 并采用序贯指示模拟对土壤盐分空间分布的不确定性进行评价。结果表明: 由普通克里格法得到的土壤盐分空间分布整体比较连续, 具有明显的平滑效应, 减小了数据间的空间差异性, 改变了数据的空间结构; 序贯高斯模拟结果整体分布相对离散, 突出了原始数据分布的波动性。对非盐化土、轻度盐化土、中度盐化土和重度盐化土的空间不确定性进行的序贯指示模拟结果显示, 围垦后研究区耕层土壤盐渍化的发生概率已显著降低。轻度盐化土的高概率区是改良利用的主要区域, 宜采用农业生物改良措施, 对中度盐化土高概率区应通过完善田间灌排设施以加强改良治理, 客土法是重度盐化土高概率区较为高效的改良治理途径。     

运城市村级农业土壤重金属的空间分布与原因分析

通过检测运城市南薛村农业土壤8种重金属(Cu、Zn、Cr、Cd、Pb、Ni、As、Hg)含量,分析研究区内重金属空间分布特征和原因。与国家土壤环境标准的二级标准相比,Hg和Ni的超标率分别为16.50%和12.62%,Cd、Pb、As均未超标。按单项污染指数进行评价,主要污染物是Hg,污染指数为1.58,处于轻度污染级别,其余重金属的单项污染指数均小于1,处在安全域内。按内梅罗综合污染指数评价,61.65%的农业土壤重金属污染程度处于安全水平,18.45%的土壤处在警戒线上,15.53%的土壤为中度污染和严重污染,只有个别土壤属轻污染。Zn、Cr、Ni和As的块金效应介于25%~75%之间,同时受农药、化肥和母质因素的影响;Cu、Cd、Pb和Hg的块金效应大于75%,分别受粪肥、污水、汽车尾气和居民生活的影响。8种重金属含量空间分布差异显著,主要原因是不同地块间的生产方式不同,该研究对于试验区农业资源的合理配置、农业生产的科学管理和农产品的安全生产具有重要的指导意义。     

Content of some heavy metals in soil and corn grain

Abstract

In an attempt to find causes for lower than expected corn (Zea mays L.) production along the bottomlands of the Green and Pond Rivers in western Kentucky, corn fields were sampled for soil and corn grain to determine heavy metal content. Samples from sixteen carefully selected fields were analyzed for Cd, Cr, Pb, and Ni content. Yield of corn was not related to either soil or grain content of these heavy metals. There was also no relationship between soil pH and heavy metal accumulation by grain or heavy metal accumulation by grain and soil content of heavy metals within the range of levels found. Soil contents of Cr, Pb, and Ni were within the range of values reported in the literature for uncontaminated soils. However, soil content of Cd was near or above the upper end of the ranges reported in the literature, even on control samples taken upstream from sites of potential heavy metal pollution. Karnak soils (fine, montmorillonitic, nonacid, mesic Vertic Haplaquepts), which are high in montmorillonitic clay content and have high cation exchange capacities, had higher Cd content than the other soils sampled. Except for two sites, grain Cd content was similar to values reported in the literature. Corn yields were found to be generally lower on Karnak soils than on other soils, raising the possibility that observed lower than expected yields are related to the poor physical characteristics of these soils rather than heavy metal pollutants in floodwaters.     

河南省土壤pH值时空变化特征分析

p H值是土壤的重要化学性质,会对土地生产力产生重要影响。为掌握河南省土壤pH值近年来变化状况,本文采用空间统计方法,基于河南省第二次土壤普查及2015年土壤p H值数据对近30年该省土壤p H值时空变化及其影响因素进行了分析。结果表明:(1)河南省土壤p H值总体上呈下降趋势。全省平均土壤pH值由20世纪80年代的7.62降至2015年的7.17,下降了0.45个单位。p H值为碱性的土壤与中性土壤面积大幅度下降,弱碱性土壤和弱酸性土壤面积增加,增加比例为18.84%和22.42%。(2)第二次土壤普查结果河南省酸性土壤主要分布于南部地区、西部地区,土壤pH值最高的土壤分布于东部地区;2015年酸性土壤主要分布于南部地区,土壤pH值平均值为5.95;土壤pH值最高土壤主要分布于北部地区。(3)信阳中部的水稻土、南阳及驻马店山地丘陵的黄褐土和砂姜黑土上,水稻土、黄褐土和砂姜黑土成为pH值最低的三个土类。(4)广泛分布于河南省西部和北部山区的褐土pH值在各土类中最高,且近30年下降幅度最小;(5)近30年来土壤pH值的变化幅度在降水量小于1250mm时与其呈负相关,与海拔呈正相关。     

新疆准东矿区土壤与降尘重金属空间分布及关联性分析

土壤重金属与大气降尘重金属之间的关联性可以反映重金属污染的来源、土壤-大气系统中重金属的传输、迁移和扩散特征。为了研究矿区表层土壤的污染状况及与降尘重金属质量分数间的关联性,该研究以新疆维吾尔自治区准东矿区为研究靶区,利用2014年采集的51个表层土壤和大气降尘样品的室内实测重金属质量分数数据,并基于此分析了样品中6种重金属(As、Cu、Cr、Hg、Pb、Zn)的空间分布特征、地积累指数以及潜在生态风险;利用Pearson相关性分析矩阵和灰色关联法对表层土壤与大气降尘中重金属浓度的相关性和关联度进行探讨。结果表明:1)准东矿区表层土壤重金属的分布状况存在着明显的空间差异,其中Hg的污染程度最严重,处于强-极强度污染,其潜在生态危害指数达到了较高生态风险;Zn和Cu基本处于无污染状态,属于轻微生态风险;2)大气降尘重金属空间分布存在着明显差异,降尘中的Zn处于极强度污染,Hg处于无污染状态;3)Pearson相关分析与灰色关联分析表明,准东地区表层土壤与大气降尘中6种重金属的相关系数大小顺序与关联度排序结果一致,其中Hg和As元素具有较强的一致性,且具有相同的来源,说明大气降尘对表层土壤中重金属的质量分数有一定影响。但因不同重金属元素沉降特性不同,导致各元素之间的关联度有所差异。     

北京耕作土壤重金属多尺度空间结构

为了有效揭示土壤重金属的空间分布特征,为土壤环境质量评价提供科学依据,该研究以北京市耕作土壤中重金属为例,通过地统计学方法分析了重金属空间结构的尺度效应。研究结果表明：土壤重金属Cr、Ni、Zn和Hg的空间结构性对空间尺度有明显的依赖,理论半方差函数的最优性检验进一步表明多尺度套合模型能充分地挖掘和利用土壤重金属Cr、Ni、Zn和Hg的空间变异结构,并且采用多尺度套合模型法对重金属Cr、Ni、Zn和Hg进行克里格插值,其插值效果明显优于单一尺度下的普通克里格插值。因此,多尺度套合模型法能有效地揭示耕作土壤中重金属的空间分布特征。     

东北黑土区侵蚀农田土壤质量指数构建及其空间分异

侵蚀的空间异质性会改变土壤性质,导致土壤质量在空间分布上的差异。为明确中国东北侵蚀农田黑土土壤性质在不同空间位置上的分布规律,该研究基于纬度变化,从寒温带到中温带跨区选择了4个丘陵区（从北到南依次为九三、克山、海伦、宾县）的农田黑土坡面作为试验对象,划分了坡面位置（坡顶、坡上、坡中、坡下和坡底）和土壤深度（0～20 cm和>20～40 cm）,分析了不同空间位置对侵蚀农田黑土土壤物理、化学和生物特征对不同空间位置的响应规律,并基于最小数据集（minimum data set,TDS）构建土壤质量指数（soil quality index,SQI-TDS）,对侵蚀农田黑土土壤质量进行综合比较。研究表明,4个丘陵区黑土土壤性质在不同区域、坡位和土壤深度下的存在明显的空间变异（P<0.05）。全氮和有机碳含量随维度升高而增加,且随坡位降低而逐渐减小,在坡底处增加。平均重量直径在九三最高,克山次之,海伦和宾县较小。土壤细颗粒在坡底沉积促进了新的团聚体形成,以致团聚体稳定性在坡面位置上表现为随坡位的降低呈先减小后增加的“V”型变化。SQI-MDS从北至南整体呈降低趋势,其中宾县的土壤质量指数最低,较其他3个地区显著降低22.66%～26.52%。在不同坡位上,SQI-MDS表现为以坡底、坡顶、坡上、坡中和坡下次序降低。该研究量化了东北侵蚀农田黑土土壤综合质量,结果可为侵蚀农田黑土修复和可持续发展提供科学依据。