一种土壤重金属污染区域的预测预警方法与流程

本发明涉及一种重金属污染防治领域，特别是涉及一种土壤有效态重金属污染的预测方法。
背景技术：
：当前重金属污染的已经成为一个世界性的环境难题，重金属污染物(如mn、pb、cd、cr、cu、zn等)的来源包括各种常见金属在各行各业的大量使用及其废弃物的未处理掩埋，90％的重金属最终进入了土壤，土壤一旦受到重金属的污染，难以修复和治理，同时也会引起水和大气环境质量的二次污染，一些工业发达国家已经为此付出了沉重的代价，中国受镉、砷、铬、铅等重金属污染的耕地面积近2000万公顷,约占总耕地面积的1/5，并且重金属会在植物体内富集，并通过食物链输送到生物体内，诱发各种疾病，危害人们的生命安全，这在很大程度上制约了我国经济的长远发展，因此很有必要对土壤重金属污染问题进行评价和治理。由于土壤重金属污染与生态环境乃至人类健康息息相关，一直都是环境科学中备受关注的研究领域，为了有效评测和控制重金属污染对区域环境的影响，不仅要了解土壤重金属的成分组成，含量水平及污染来源，还应对不同重金属污染之间的相关性进行深入研究。目前业界对重金属污染程度的研究主要是基于土壤重金属的整体含量，并在此基础上对污染物的污染负荷进行了预测；但是，公知的是土壤并非均匀质体，成分复杂且不均一，是一个具有高度空间异质性的空间变异体，同时重金属在土壤中存在着多种形态，而不同形态重金属的生物有效性不同，如图2所述，所以仅以重金属总量并不能准确评估土壤重金属的潜在环境风险和人类健康风险，不能很准确地评价土壤重金属的生物效应和环境效应，重金属的生物毒性不仅与其总量有关，很大程度上也是由其有效态含量所决定，研究土壤中重金属的形态特征更有实际意义。其中，申请号为cn107767032a的专利申请，采用的技术方案是将所有限定种类的重金属真实含量按照一定影响因子系数转化成一个综合指标来指征污染程度，这种方法虽然比较简便，但该技术中存在的缺点是无法满足对指定重金属污染情况的预测需求，如考虑到pb元素对婴幼儿发育有较大影响，那么当需要对幼儿园的选址进行重金属pb污染预测时，综合指标方法无法满足我们的需求。其中，chinesejournalofeco-agriculture,apr.2017,25(4):605-615的文献采用的技术方案是使用化学溶剂浸提重金属有效态，但该技术中存在的缺点是忽略了植物的富集作用，植物通过根细胞膜和环境进行物质交换，根系和附近土壤毛细孔保有相当量的重金属有效态，只检测土壤部分将很大程度影响结果的准确性。发明人通过对重金属有效态的监测以及不同种类污染相关性的分析，实现了对土壤重金属污染风险的有效预测。技术实现要素：为了克服现有的土壤重金属污染的预警方法的不足,本发明提供一种土壤重金属有效态的检测方法，用以解决上述技术缺陷。本发明方法包括如下步骤：(1)样品采集与预处理：针对研究区域，按照代表性和均匀性原则的要求进行采样点的布设，采样点均匀分布在研究区域内并采用gps进行样点定位，一般选择在原貌保存较好的场地，土壤样品的采集采用梅花形取点法，在每个采样点采集地表土壤和深层土壤均5kg，土壤采集孔洞的半径为20cm，取样深度分别为5cm和150cm，去除原植被的地上部分，并保留完整根系组织，分别放入自封口袋并用黑色袋包装，带回实验室冷藏保存，贴好标签，做好采样记录，同时对该地点的土壤类型和土地利用方式做好详细记录。(2)样品检测：待测土样先经机械震动分散成1cm直径以下的松散颗粒状，分离出植物根系研磨成粉末，再与土壤颗粒混合，采用0.1mol·l-1的hcl溶液浸提制备待测液，浸提时间为12小时。有效态镉、铬、镍、铅、钴采用原子吸收分光光度法测定,有效态铜、锌采用等离子发射光谱(icp)法测定,汞采用等离子发射光谱(icp)法测定.测定过程中以测量准确度和测量不确定度为控制指标进行测量数据的质量控制；(3)数据处理：采用grubbs法对步骤(2)所测原始数据中特异值进行检验和剔除；采用spss19.0进行数据的正态分布检验；通过对土壤重金属有效态含量的分析，归纳了目标区域重金属含量数据的统计规律；通过线性尺度和大空间尺度分析不同污染物有效态之间的关系。(4)数据库分析：根据步骤(2)获得的目标区域表层和深层土壤的测量数据，结合当地主要的重金属污染程度背景调查分析和其他研究所需资料，包括周围居民区和主要道路分布，以及对土地使用类型的分析在gis信息系统中建立该区域的基础数据库，以区域gis数据库为基础，采用地统计学技术的方法，分析研究区土壤重金属污染中各污染物有效态之间的空间变异规律。(5)预测模型的构建:利用步骤(4)建立的数据库对未来土壤中各重金属有效态含量及分布进行预测，用arcgis软件完成该区域重金属有效态含量空间分布图的绘制。土壤学的理论认为：工业发展速度越快，发达程度越高，对土壤污染的“贡献”就越大，外界每年对土壤中污染物的累积不是等量的，对土壤的污染也是加速的，而人类的环保意识也是逐渐显现的，人类在环境保护方面做出的努力，最终会使工业发展对土壤的影响维持在一个特定的水平上，因此，土壤的污染过程可归纳为两个阶段：一是加速阶段，二是匀速阶段，基于各地环保问题的复杂化，做出如下模拟，以该地区现代工业化开端为起点，一般为1970-1985年。土壤污染速度持续增加，直到当地环保意识加强，采取有效环保措施控制住污染加剧趋势，一般为2000-2010年。之后重金属污染以等速发展。在特殊情况下，如某些环保意识差，没有采取有效环境保护措施的区域，重金属污染将一直保持加速发展至今。式(1)(2)(3)中a是污染加速阶段加速度，v是等速发展阶段速度，t是重金属有效态含量预警时间年限，a是当前土壤重金属有效态含量，b是基质土壤重金属有效态含量，t是污染加速阶段持续时间，q是重金属有效态含量预警值。利用arcgis软件完成未来该区域重金属有效态含量空间分布图的绘制，并用该模型对土壤中各重金属有效态含量变化趋势进行预测，适时地给出恶化的各种警戒信息。本发明的有益效果在于：与现有技术相比，本发明更直接的展示了重金属污染的有效性，其输出的结果可以直观的预测目标区域内的生物毒性，因而既可以满足对当前污染状况调查的需求，也可以满足对未来风险预警的需求，从而为重金属污染的生态风险评价、控制、治理与修复等提供理论基础和科学依据。本发明考虑了植物密度的不均匀性及其富集效应，因此采用了梅花形取点法来减少影响，并保留了全部根系组织，完善了对重金属有效态的提取，输出了污染分布图，从图示结果和统计特征来看，基本可以反映该区域土壤污染的时间和空间变化特征，模型精度满足需要。附图说明图1是本发明实施例的流程框图；图2是重金属在土壤有机体系统中的转移及检测示意图；图3是本发明一种实施例的采样点分布示意图；图4是本发明一种实施例的重金属pb有效态含量图；图5是arcgis的预警功能窗口；图6是arcgis的超标年限预测设置窗口。具体实施方式下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。请参阅图3和图4，本发明实施例包括：以湖北武汉洪山区某区域为实验对象，对该区土壤重金属污染进行生态风险预测，具体步骤如下：(1)样品采集与预处理：选择湖北武汉洪山区100平方公里的区域，按照代表性和均匀性原则的要求进行100个采样点的布设，土壤样品的采集采用系统随机布点法，采样点均匀分布在研究区域内并采用gps进行样点定位，选择原貌保存较好的场地，土壤样品的采集采用梅花形取点法，在每个采样点采集地表土壤和深层土壤均为5kg，土壤采集孔洞的半径为20cm，取样深度分别为5cm和150cm，去除原植被的地上部分，并保留完整根系组织，分别放入自封口袋并用黑色袋包装，带回实验室冷藏保存，贴好标签，做好采样记录。同时对该地点的土壤利用类型做好详细记录。(2)样品检测：待测土样先经机械震动分散成1cm直径以下的松散颗粒状，分离出植物根系研磨成粉末，再与土壤颗粒混合，采用0.1mol·l-1的hcl溶液浸提制备待测液，浸提时间为12小时。有效态镉、铬、镍、铅、钴采用石墨炉原子吸收法测定,有效态铜、锌采用等离子发射光谱(icp)法测定,汞采用还原气化-原子荧光光谱法测定，过程中以测量准确度和测量不确定度为控制指标进行测量数据的质量控制；(3)数据处理：采用grubbs法对所测原始数据中特异值进行检验和剔除；采用spss19.0进行数据的正态分布检验，通过对洪山区土壤重金属有效态含量的分析得到的表1，归纳了重金属含量数据的统计规律。我们取置信度95％，精度为均值的20％，得到了重金属元素有效态的合理取样数目，由表1的合理取样数可知，100个样点能够代表洪山区土壤重金属有效态含量的分布状况。通过表1可知，所有元素都处于正偏态，cd，cr，ni的偏度较大，说明该区域土壤中的重金属元素有了一定程度的累积现象，从一个角度说明该区域表层土壤中的重金属受到了外源污染的影响。一般而言，除了特殊地质场合，一定区域内土壤重金属的背景值差异波动较小，外源重金属大部分则是来自人类活动，标准差和变异系数指征了该区域重金属有效态含量分布的离散程度，从表1可知，变异系数除co、ni在0.4以下外，其它元素均超过0.5，以cd最大，达0.76，说明重金属分布离散程度较高。有效态含量最高值与最低值可相差6-45倍，同样以cd最大，土壤中的cd常常来自蔬菜种植过程中使用的复合肥，重金属cr含量存在的明显差异，从另一个角度说明该区域土壤重金属污染存在明显的外源影响。土壤重金属有效态cd含量较高，超出了当地全量背景值，其中最大值高达1.22mg·kg-1，是全量背景值的10倍，而其它重金属元素的有效态含量均较低，尤以hg最小，只有0.0008mg·kg-1。8种重金属有效态含量中，只有10个样点的有效态cd含量超过了国家《土壤环境质量标准》(gb15618-1995)二级标准限值0.3mg·kg-1，而其余重金属有效态含量均没有超过其二级标准。表1洪山区土壤重金属有效态含量的统计分析(4)数据库分析：根据目标区域表层和深层土壤的测量数据，结合当地主要的重金属污染程度背景调查分析和其他研究所需资料，包括周围居民区和主要道路分布，以及对土地使用类型的分析在gis信息系统中建立该区域的基础数据库。以区域gis数据库为基础，采用地统计学技术的方法，分析研究区土壤重金属污染中各污染物有效态之间的空间变异规律。通过数据库直接做线性尺度分析得到表2，数据表明,除有效态hg外,其它重金属元素间均存在显著或极显著的正相关。但普通线性相关分析由于采样或测定的系统误差的影响，包含了存在于线性尺度效应里的误差,难以对变量之间的相关关系做出非常准确的解释，因此,它并不能准确表达变量间实际存在的相关性。通过数据库构建协同区域化矩阵，分析重金属元素的空间相关性，同样可以表达为尺度的函数得到表3，这种大空间尺度分析排除了线性尺度效应的影响。由表2和3可知,土壤重金属有效态在不同空间尺度下的相关性存在较大差别，各元素在大空间尺度分析时的相关性比线性尺度时更显著，在线性尺度中,元素间显著正相关一般认为是小范围的单一污染源，可说明该尺度重金属污染源的情况，但在大空间尺度的空间相关关系中,大部分元素之间均呈显著或极显著的正负相关,这可能是由于污染来源不一,多种污染源相互叠加后的结果，特别是大空间尺度分析的负相关特征明显表明存在不同的污染来源。cd、cr、zn和co具有极显著的大空间尺度分析正相关关系,尤其是cd和zn的相关性达0.982，这一般是因为重金属cd、cr、zn和co主要来自电镀工业污水排放，属于小范围的单一污染源。在2种尺度分析下cd和zn的相关性均极强,相关系数分别达0.611和0.982,这与zn和cd均位于元素周期表中相同次副族有关,zn和cd的离子半径、电负性等方面具有某种程度的共同之处,这种相似的性质促使他们在地球物理化学过程和人类冶金活动中有着更多的伴生行为。大空间尺度分析中的hg、pb与其它重金属元素主要呈显著或者非常显著的负相关,这是因为hg、pb的污染来源和传播途径与其它元素不同所致。hg、pb的来源主要是汽车尾气排放，其它重金属一般来源于工业污水排放、农业灌溉施肥、生活废渣堆放。hg、pb的污染传播形式为气态迁移最终沉降在地表,而其它元素是通过液态途径迁移。元素cdcrnipbcocuznhgcd1.0000.3550.1000.6590.1200.3850.6110.061cr1.0000.4110.4330.3070.5300.3320.155ni1.0000.0050.2800.1860.267-0.024pb1.0000.2650.6820.2780.165co1.0000.2740.1770.037cu1.0000.6220.113zn1.0000.039hg1.000表2线性尺度下土壤有效态重金属的相关性元素cdcrnipbcocuznhgcd1.0000.3350.285-0.1770.250-0.2570.9820.113cr1.0000.006-0.3350.7150.2950.350-0.360ni1.0000.3130.397-0.2550.265-0.227pb1.000-0.391-0.240-0.105-0.292co1.0000.2050.2750.265cu1.000-0.2130.022zn1.0000.150hg1.000表3大空间尺度下土壤有效态重金属的相关性(5)预测模型的构建:利用步骤(4)建立的各个采样点的空间位置与该点各重金属有效态含量之间映射关系的数据库对未来土壤中各重金属有效态含量及分布进行预测，本实例用arcgis软件完成该区域重金属pb有效态含量空间分布图的绘制，见图4；考虑到洪山区的发展历史，以1986年该地区从郊区转变为城区为工业化起点，之后土壤污染速度持续增加，直到2006年，在这之后当地环保意识加强，大量污染企业外迁，采取了有效环保措施控制住污染加剧趋势，污染以等速发展至今。arcview系统的土壤质量预测分析下拉菜单上选择土壤污染超标年限预测,系统将弹出如图5对话框。针对不同功能地区可以按不同评价标准及评价参数,根据权利要求1中所述,本实施例介绍pb元素超标年限预测。在图4所示窗口中,选择匀速恶化模式,背景值取深层样平均值b＝20×10-3,评价标准取国家参考标准q＝40×10-3。设置以上各参数后点击执行,系统自动将超标年限预测结果加入到当前视图中,洪山区pb元素超标年限预测结果如图6所示。从预测结果可以看出,洪山区大部分区域在50年内不会出现pb污染，在建安街与书城路交汇处有约1km2土壤中的pb将在10至20年内超过标准,南湖名都和华锦花园内部分区域将在20至50年内超标,而这些地方都是汽车流量密度较大的交通主干道，公知pb常被用作机动车污染源的标识元素,所以pb可能主要来源于交通因素,润滑油在高温条件下氧化生成的有机酸、醇等化合物能够腐蚀与其接触的合金部件,导致其向环境中释放含有的铬、钴、锌、镍等元素，这一方面说明本研究区的pb污染主要由汽车尾气引起,另一方面也证明了本模型预测结果合理准确。以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的
技术领域：
，均同理包括在本发明的专利保护范围内。当前第1页12