一种土壤重金属污染区域的预测预警方法技术

一种土壤重金属污染区域的预测预警方法，本发明专利技术包括如下步骤：原始土样采集与预处理，样品分离与检测，数据处理与分析，预测模型的构建。该方法将土壤附着植物纳入了重金属的检测范围，使得检测内容更加全面、准确；将重金属有效态理论与GIS可视化技术相结合，使得预测结果更具有现实意义，从而能为土壤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。

A prediction and early warning method of heavy metal pollution area in soil

【技术实现步骤摘要】
一种土壤重金属污染区域的预测预警方法
本专利技术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。
技术介绍
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。专利技术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。
技术实现思路
为了克服现有的土壤重金属污染的预警方法的不足,本专利技术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。本专利技术方法包括如下步骤：(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。本专利技术的有益效果在于：与现有技术相比，本专利技术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。本专利技术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是本专利技术实施例的流程框图；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是本专利技术一种实施例的采样点分布示意图；图4是本专利技术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专利技术的较佳实施例进行详细阐述，以使本专利技术的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本专利技术的保护范围做出更为清楚明确的界定。请参阅图3和图4，本专利技术实施例包括：以湖北武汉洪山区某区域为实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种土壤重金属污染区域的预测预警方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，样品采集与预处理：按照代表性和均匀性原则的要求进行采样点的布设，采样点均匀分布并采用GPS定位，在每个采样点采集地表和深层土壤，保留植株的根系组织，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，并记录土壤类型和土地利用方式；步骤2，样品检测：对步骤1的土样采用酸溶液浸提,镉、铬、镍、铅、钴采用原子吸收分光光度法测定,铜、锌采用等离子发射光谱(ICP)法测定,汞采用原子荧光分光光度法测定；步骤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软件进行数据的正态分布检验，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；步骤4，数据库分析：在GIS信息系统中建立该区域的基础数据库，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；步骤5，预测模型的构建:利用步骤(4)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。

【技术特征摘要】
1.一种土壤重金属污染区域的预测预警方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，样品采集与预处理：按照代表性和均匀性原则的要求进行采样点的布设，采样点均匀分布并采用GPS定位，在每个采样点采集地表和深层土壤，保留植株的根系组织，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，并记录土壤类型和土地利用方式；步骤2，样品检测：对步骤1的土样采用酸溶液浸提,镉、铬、镍、铅、钴采用原子吸收分光光度法测定,铜、锌采用等离子发射光谱(ICP)法测定,汞采用原子荧光分光光度法测定；步骤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软件进行数据的正态分布检验，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；步骤4，数据库分析：在GIS信息系统中建立该区域的基础数据库，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；步骤5，预测模型的构建:利用步骤(4)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。2.根据权利要求1所述的一种土壤重金属污染区域的预测预警方法，其特征在于，步骤1中土壤采集一般选择在原貌保存较好的场地，土壤...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴华安，黄丹，周猛，
申请(专利权)人：重庆工商大学融智学院，
类型：发明
国别省市：重庆,50