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规模化猪场区域农田土壤重金属污染研究

黄治平

   我国规模化养猪业发展迅速,集约化养猪场所产生的废弃物大多由养猪场附近的农田土壤消纳。由于规模化猪场废弃物含有大量重金属,为进一步规范规模化猪场废弃物循环利用,预防因灌溉猪场废水引起土壤重金属积累,以及对规模化养猪生产方式带来的重金属农业立体污染提出阻控对策的基础依据,本文以施用猪场废弃物的猪场周边区域农田为研究范围,以猪场废弃物中对环境具有积累效应的重金属为研究对象,对规模化猪场废弃物处理工艺和污水特性进行调研和监测,并布置田间试验和盆栽实验进一步对重金属积累进行研究。 本文在选题和方法上有一定特色和创新: (1)采用相关分析、主成分分析、地统计分析结合GIS技术对猪场废水灌溉区农田土壤重金属来源进行了识别,由分析得知,Zn、Cu、Mn和As的主要污染来源为猪场废水,Cd的主要污染来源为猪场废水和化肥,Pb的主要污染来源为化肥,而Ni和Cr的主要受土壤母质影响; (2)本文对施用猪场废弃物的农田土壤部分重金属积累进行了预测,根据Cu和Zn模拟模型预测,若连续以150 m~3.hm~(-2).a~(-1)的猪粪施用量于温室土壤,T-Cu和T-Zn含量分别经过10年和15年可能超过国家农田土壤二级标准; (3)研究表明,施用猪场粪污会降低土壤pH值,从而提高土壤重金属有效态含量,增加重金属的土壤环境风险。 通过研究主要得出以下基本观点和结论: (1)调研分析和试验表明,长期污灌猪场废水和施用猪场粪污主要增加土壤T-Zn、T-Cu和T-Mn,根据Cu和Zn模拟模型预测,若连续以150 m~3.hm~(-2).a~(-1)的猪粪施用量施于研究区蔬菜温室,土壤T-Cu和T-Zn含量分别经过10年和15年可能超过国家农田土壤二级标准。而T-Cd、T-Ni、T-Cr、T-Pb和T-As含量增加不明显,土壤重金属有效态含量明显增加,土壤pH值降低,重金属有效态含量与pH负相关。空间分布上污灌地重金属含量明显比清洁区重金属含量高。 施用猪粪温室土壤As有一定的短期累计效应,而Cr、Ni、Mn、Pb和Cd短期积累不明显,随着土壤施用猪粪量增加,土壤B-Zn、B-Cu、B-Cd、B-Pb、B-Mn和B-As增加,并且土壤B-Zn和B-Cu含量基本呈梯度增长。当单位土地施用猪粪量为600 m~3.hm~(-2)时,土壤T-Zn和T-Cu分别约由55 mg.kg~(-1)和20 mg.kg~(-1)增加到120 mg.kg~(-1)和50 mg.kg~(-1)左右,均增加一倍多,B-Zn、B-Cu、B-Mn、B-Pb和B-As含量分别为对照土壤的5倍、10倍、4倍、3倍和2倍,土壤B-Cd含量稍有增加。 (2)总体上污灌区小麦粒重金属含量高于清洁区小麦粒重金属含量,小麦粒的Zn、Cu、Mn、Cd、Ni、Cr和As含量分别与土壤Zn、Cu、Mn、Cd、Ni、Cr和As全量和有效态含量具有同向变化趋势。田间试验和盆栽试验表明,植株中Zn、Cu、Mn含量分别与土壤的Zn、Cu和Mn全量和有效态含量有关,但植株中As含量与土壤T-As和B-As相关性不显著。 (3)相关分析、主成分分析、地统计分析结合GIS技术综合分析能很好地识别重金属污染来源,分维数分析能很好论证变异函数分析的结论。由分析得知,Zn、Cu、Mn和As的主要污染来源识别为猪场废水,Cd的主要污染来源识别为猪场废水和化肥,Pb的主要污染来源识别为化肥,而Ni和Cr的主要受土壤母质影响。 (4)研究区Zn、Cu、As的空间分布主要与灌溉的猪场废水量和水质有关,还与土地利用有关,与微域地形、土壤质地和种植制度关系不大;Cr和Ni主要与土壤母质和土地利用有关;重金属有效态空间分布均与污灌猪场废水有关。 (5)从单因子污染指数、内梅罗综合指数、Hakanson潜在风险评价指数和地积累指数来看,灌溉8年猪场废水农田土壤和连续施用猪粪累计施用量为624.00±273.64 m~3.hm~(-2)的4年温室土壤均未产生Zn、Cu、Cr、Ni、Pb和As的全量污染,但B-Zn和B-Cu为中强和高强程度污染,B-Cd和B-Pb为无污染或轻微污染,B-As表现出中等程度的污染,土壤潜在生态风险指数RI为中值。 综上所述,施用猪场废弃物对土壤主要带来Zn和Cu的富集,Mn、Cd、As和Pb的富集效应较小,而Ni和Cr基本没有富集。尽管As、Cd、Ni和Cr富集很小,但是长期施用猪场废弃物会降低土壤pH值,从而提高重金属有效态含量,增加重金属生态风险。要降低施用猪场废弃物对土壤带来的重金属积累的环境风险,需降低单位土地废弃物应用量,提高土壤pH值以降低土壤重金属有效态含量,开发环境友好型饲料,从源头上切断猪粪带来的重金属。……   
[关键词]:猪场废弃物;农业利用;农田土壤;重金属;污染;空间分布;地统计学;风险评价
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中国农业科学院2007年
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