黔西北喀斯特小流域农田土壤镉的输入输出通量和质量平衡

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黔西北喀斯特地区属于典型的镉(Cadmium)地球化学异常区,土壤Cd背景值是0.66 mg·kg-1,上世纪80年代当地土法炼锌造成叠加污染,使得该区域农用地土壤Cd,Pb,Zn等重金属超标严重,土壤潜在安全风险较高,对食物链安全和生态环境安全造成极大威胁。在黔西北地质高背景区选择工业污染小流域(MS)和农业生产对照小流域(HS),对比研究小流域岩石、土壤、大气、农作物、径流等不同环境介质中镉的分布和元素地球化学特征,探讨农田土壤Cd的输入输出通量和质量平衡,对解析农田土壤Cd的地质源、工业源和农业源,掌握农田土壤重金属的污染特性具有重要意义,结果表明:(1)两个小流域岩石中Cd平均值分别为0.548 mg·kg-1和0.607 mg·kg-1,均远高于上地壳Cd元素的丰度值(0.11 mg·kg-1),农田与区域土壤Cd背景值的比值KI分别是9.03和6.86,表现为强富集,地质高背景特征明显。(2)污染小流域雨水中Cd浓度范围为0.86-4.51ug·L-1,年均值1.94±1.14ug·L-1,季节变化规律为:冬季>秋季>春季>夏季;对照小流域Cd浓度范围为0.54-2.15 ug·L-1,年均值1.11±0.64 ug·L-1,季节变化规律为:冬季>春季>秋季>夏季;污染小流域大气TSP中Cd质量浓度四季平均值分别为0.065,0.005,0.006和0.046 ug·m-3;对照小流域大气TSP中的Cd质量浓度四季平均值分别为0.026,0.002,0.003,0.009 ug·m-3;两个小流域全年湿沉降输入量分别是10.55 g·hm-2·a-1和5.12 g·hm-2·a-1,干沉降年输入量分别为37.8 g·hm-2·a-1和18.4 g·hm-2·a-1;春冬两季以干沉降为主,夏秋两季以湿沉降为主,工业污染小流域干湿沉降对土壤Cd的输入量远高于对照小流域。(3)污染小流域农田土壤Cd含量范围0.93-10.55 mg·kg-1,均值为5.96mg·kg-1,p H范围4.98-8.09,均值6.91,形态分布为:可还原态(38.57%)>可交换态(28.14%)>残渣态(22%)>可氧化态(11.28%);对照小流域农田土壤Cd含量范围1.10-5.77 mg·kg-1,均值为4.53 mg·kg-1,p H范围4.43-7.99,均值6.19,形态分布为:可交换态(38.14%)>可还原态(35.86%)>残渣态(20.71%)>可氧化态(5.29%);对照小流域农田土壤Cd受农业源影响较大,p H相对较低,具有较高的迁移性。(4)综合大气沉降、灌溉、肥料输入和农作物、雨水淋溶输出,计算小流域农田土壤的质量平衡,污染小流域农田土壤年输入输出通量为42.26 g·hm-2·a-1;对照小流域农田土壤年输入输出通量为17.55 g·hm-2·a-1,两个小流域农田土壤Cd均表现为净输入;在输入清单中,干沉降所占比例最大,分别占总输入量的71.36%和62.25%,其次湿沉降分别占19.92%和18.16%,农家肥分别占8.02%和16.43%,灌溉水分别占0.65%和0.07%,化肥输入量最小,分别占0.05%和0.08%;大气沉降是目前农田土壤Cd的主要污染源,农家肥的施用也是农田土壤Cd的重要来源。
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