城郊污灌区土壤-作物系统重金属来源及其迁移的同位素示踪研究—以开封市化肥河污灌区为例

Source quantitative identification and migration mechanism of heavy metals in soil-crop system are key issues in preventing and treatmenting soil contamination with heavy metal effectively. In this proposal,the sewage-irrigated area of Huafei River located in the eastern suburb of Kaifeng City is selected as the study area. Soils,crops and potential pollution sources are sampled through scientific approach, and their concentrations and chemical fractions of heavy metals, as well as Pb-Cd-Zn-Cu isotopic composition are analysed.Applying GIS spatial techniques, spatial distribution of total concentration and available fraction of heavy metals are investigated. Based on Pb-Cd-Zn-Cu isotopic compositions, major heavy metal sources in soils and crop organs are identified, and their percentage contributions are calculated by using N-variable mixing model. Combined BCR sequential extraction with isotopic approach, the correlation of different chemical fractions and their isotopic composition of Pb-Cd-Zn-Cu are analysed, and their bioavailability and health risk for each source are investigated. Based on the above works,uptake and transfer mechanism of Pb-Cd-Zn-Cu in soil-plant system were given further research. The study is helpful to conduct comprehensive and quantitative identification on metal mixed sources in the suburb of City, and make effective prevention on soil contamination with heavy metal. The research will enrich the application and theoretical basis of stable isotopic approach in heavy metal source identifications.

污染源的定量化识别与迁移机理是有效防治土壤-作物系统重金属污染的关键。本课题以开封市东郊化肥河污灌区为研究区，在科学布点采集区域内土壤、作物与潜在污染源样品的基础上，进行土壤重金属全量、化学形态、作物各部位重金属含量以及Pb-Cd-Zn-Cu稳定同位素组成分析。利用GIS空间分析技术研究区域土壤重金属全量与有效态空间分布特征；进而基于Pb-Cd-Zn-Cu稳定同位素组成特征判别典型样区内土壤、作物重金属来源，并采用N元混合模型计算各主要污染源的相对贡献率；结合形态分析法与同位素示踪法探求不同污染源对土壤重金属生物有效性与健康风险的影响，试图揭示作物对不同源重金属的吸收与迁移机理。该研究对于全面确切了解城郊污灌及工农业复合污染区重金属污染源、有效防治土壤重金属污染具有重要的现实意义，同时丰富了同位素组成法在重金属污染溯源研究中的应用与理论依据。

污染源分析与定量化识别以及弄清首要重金属在土壤－作物系统中的迁移机理是有效防治土壤-作物系统重金属污染、预防其潜在健康风险的关键。基于此，本课题着重开展了以下几方面的研究：.（1）基于GIS技术的土壤重金属含量的空间分布规律与源分析。选用ArcGIS中IDW插值法，并依据各元素的土壤背景值与国家农业土壤标准值进行手动分级，模拟不同重金属含量空间分布特征和污染程度的差异。在此基础上，和典型样区中土壤重金属形态分布特征相结合，对研究区重金属污染来源及其特征进行分析与识别。结果表明：污灌与化工厂等排污河水的侧渗是造成农田污染的首要原因，化工企业的降尘对农田污染起到了耦合效应；且在高污染区域重金属Cd、Zn、Pb和Cu的非残余态含量较高，存在较高的潜在健康风险。.（2）基于门限回归分析，揭示研究区首要重金属污染物Cd在土壤-小麦系统中的迁移转化机理。结果表明：pH、土壤有机质的变化、土壤中粘粒含量等因素对Cd的吸收和迁移存在明显的门限效应，这为重新认识Cd在土壤-小麦系统中的迁移机制提供了新的思路。.（3）通过对受污染土壤、匹配小麦不同部位及各类潜在污染源中重金属稳定同位素组成的测定与比较，分析受污染土壤及小麦中重金属积累的主要来源及其相对贡献率，研究表明：历史性污灌是导致农田土壤重金属积累的主要来源，其相对贡献率达55.15%；其次为由工业所带来的大气沉降，其相对贡献率约为47.55%；农业施用化肥的相对贡献率非常小，只有1.64%；而由于长期的耕作和土壤流失等过程，自然源的贡献率反而呈现出微弱的负值。进一步深入分析正在进行中。.另外，本课题还开展了研究区土壤剖面中重金属总量与形态分布特征以及重金属不同暴露途径、不同元素的健康风险评价等研究工作。.总体来说，本课题相关研究对于全面确切了解城郊污灌及工农业复合污染区重金属污染源、有效防治土壤重金属污染具有重要的现实意义，同时丰富了同位素组成法在重金属污染溯源研究中的应用与理论依据。