长白山火山土壤质量及有害元素环境风险评价

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长白山是欧亚大陆东缘的最高山系,地处吉林省东南部,位邻中国与朝鲜边界。长白山天池火山是世界上潜在的最危险的火山之一,也是我国最具潜在灾害性喷发的一座大型近代活动火山。火山一旦喷发将会对该区域的人身安全、生态环境、财产安全和经济发展等造成巨大的威胁,除此以外,火山喷发产生的物质将会对区域内的大气、水、土壤和生态环境产生深远的影响。本研究的主要目的是探索火山喷发对土壤环境的影响。在天池火山周围收集火山土壤和火山灰样本,并测定理化性质和21种金属元素(Al、Fe、K、Ca、Na、Mg、Mn、Ti、Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、Ba、Ga、Li、Co、Cd、As、Sn和Sr)的浓度。根据理化性质,采用熵值法和加权综合评价法对研究区土壤质量进行综合评价。利用反距离加权(IDW)插值的方法得到金属元素的空间分布情况,综合Pearson相关分析、聚类分析和主成分分析的方法对金属的来源进行分析。使用地理累积指数(Igeo)、富集因子(EF)、污染因子(CF)和潜在生态风险指数法(RI)评估金属的潜在生态风险,并使用人体健康风险评价模型对金属的致癌风险和非致癌风险进行评价。主要的研究结果如下:(1)物理性质除含水量外变异系数较小(3.03%-16.93%),较为稳定;化学性质除pH外变异系数较大(13.61%-64.59%);对于火山灰土特性指标,火山玻璃的变异系数较小(2.92%-6.68%),磷酸盐吸持量的变异系数较大(32.03%-63.85%)。对于理化性质含量,基本上呈现出表层火山土壤>次层火山土壤>火山灰或者次层火山土壤>表层火山土壤>火山灰两种规律。变异系数大的原因可能是受土壤理化性之间的相互影响、地形地貌、土壤母质、当地降水和蒸发等自然因素的影响,以及不同的土地利用方式和采样点的不均匀分布等人为因素的影响。(2)土壤肥力质量整体呈现中等水平,受人为因素影响小,植被自然生长的区域土壤肥力质量高。常用二级标准作为土壤环境质量评价的质量标准,显示存在轻度污染。研究区内土壤质量总体处于中等-极高的等级,土壤质量主要受海拔、降雨和植被覆盖等自然因素以及人口和景区开发情况等人为因素的影响。(3)天池火山样本中大部分金属元素平均浓度低于其它火山或与其它火山浓度相似,仅有少数金属(如Zn)的平均浓度非常高。Fe、K、Na、Mn、Pb、Zn、As和Sn元素在天池附近浓度较高;Ca、Mg、Ti、Cu、Cr、Ni、Ba、Co和Sr元素在研究区北部至西部浓度较高,且存有部分低浓度区域,而在南坡存有部分高浓度区域。(4)理化性质和火山灰土特性指标中只有土壤容重、土壤孔隙度、有效磷、海拔和磷酸盐吸持量对多数金属的累积存在一定影响。Fe、Mn和As主要为人为来源;其他元素(Al、K、Ca、Na、Mg、Ti、Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、Ba、Ga、Li、Co、Cd、Sn和Sr)主要为自然来源,但Li、Pb和Zn可能有人为来源。长白山地区主要为林地和旅游景区,研究区内的人为来源主要为交通源。(5)金属元素浓度较低,不存在潜在的生态风险和非致癌风险,但是要注意Cr和As对儿童的致癌风险。根据研究结果,提出了强化政府的主导作用、制定相应标准、增加污染金属元素的监测种类、重视交通源污染和增强公众的环保意识等5个方面的风险管理措施。研究区域内火山喷发对土壤质量影响,可以为火山喷发对土壤环境效应的研究提供理论依据;对有害元素进行环境风险评价,从环境风险的角度为我国在火山方面的研究提供了一个新的思路,可以保障长白山地区的粮食安全、地下水饮用以及土壤环境。
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