枸杞—土壤系统重金属风险空间分布及预测系统开发

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目的:食品安全问题及其相关的人体健康风险一直是全球关注的焦点。枸杞作为药食两用的一种经济作物,其品质尤为重要,与人们的健康密切相关。有许多因素影响着农产品的质量,而其中最为重要的源头因素是土壤污染及其导致的环境质量恶化是引起农产品质量安全问题,是决定农产品质量的基础条件之一。由于具有持久性及非生物降解性,重金属污染引起了全世界的普遍关注,土壤重金属污染也进一步成为国内外环境污染研究的热点之一。因此,枸杞-土壤系统中重金属污染研究对于提升食品安全和保护土壤环境质量都具有重要意义。十分有必要开展产地范围内枸杞-土壤系统重金属污染的深入研究,并进一步与信息化结合,为提高产地土壤环境质量,指导枸杞安全生产布局,保障农产品安全,提供必要的理论依据。方法:本研究通过检测37组枸杞和根系土壤样品(0–20 cm)的重金属含量(镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、砷(As)、镉(Cd)、铅(Pb)、铬(Cr)和汞(Hg))及理化性质(p H、有机质(SOM)和阳离子交换量(CEC)),运用源解析、风险评估、多元线性回归、地统计学、信息化开发等方法,分析了枸杞-土壤中重金属污染现状,进行枸杞-土壤系统重金属浓度及风险的空间预测分析,并创新性地尝试在枸杞和根系土壤之间建立联系。通过信息化技术,基于.NET开发平台,C#开发语言,使研究结果程序化。结果:土壤中Cd检出率94.6%,其余均为100%。Ni、Pb和Hg的含量略高于土壤的背景值,所有重金属均低于限量标准,8种重金属的变异系数顺序为Cd>Hg>Pb>Cr>Cu>Ni>As>Zn,范围为14.6%~92.7%。源解析结果表明因子1代表交通运输源,对整体贡献率为9.5%,因子2代表工业源及燃料燃烧,对整体贡献率为27.8%,因子3代表农业活动源,对整体贡献率为14.5%,因子4代表土壤母质即自然源,对整体贡献率为48.2%。Hg的风险水平为较重风险,对整体的潜在生态风险贡献率为83.2%,其他重金属均对整体的贡献率不超过5%,总风险的风险水平为中风险。总生态风险大部分面积被评为中或低风险,研究区土壤有较高的洁净度,污染峰值大多出现在中部耕地。平均富集因子值表明,所有重金属均被归类为无富集或最低富集。在枸杞样品中未检出Hg,As的检出率为59.5%,Pb的检出率为91.9%,Ni、Cu、Zn、Cd和Cr的检出率均为100%,与中国和世界卫生组织制定的限量标准相比,1份枸杞样品的Cd含量超标,超标率为2.7%。其余均不超标。枸杞对Cd的富集性最高(BCF=5.821),对Pb的富集性最低(BCF=0.017),其中Cu和Cd的BCF大于1。各重金属的健康风险(Ni<Zn<Pb<Cd<Cu<As<Cr<1)和总风险(<1)表明不存在明显的健康风险。空间预测结果显示研究区枸杞均无污染情况拟合了以枸杞重金属含量为因变量,土壤中的各指标为自变量的多元线性回归方程。以枸杞中Cu、Zn、Pb和Ni含量为因变量拟合方程时,p<0.05,其中Cu和Pb的拟合方程r值较高,证明拟合结果较好。以枸杞中As和Cr含量为因变量拟合方程时,p=0.053,略大于0.05。以枸杞中Cd含量为因变量拟合方程时,entry设定为0.15并没有自变量进入,设定为0.2才进入了土壤中p H这一自变量且p=0.186>0.05。将基本浓度和理化性质数据纳入数据库,将风险计算公式算法化后,本研究完成了将数据可应用化的软件开发。该程序支持手动配置各个参数以及地图文件,加载shape文件(平面图)和tif文件(卫星图)并进行切换,支持Kriging算法,Kriging计算模式和参数可以手动配置,显示地域名称,支持双击地图或输入具体坐标显示结果。结论:1.土壤样品中各重金属含量均在限量标准范围内。除Hg外其余土壤重金属生态风险为低,Hg是主要污染元素,总生态风险大部分面积被评为中或低风险,研究区土壤有较高的洁净度,污染峰值大多出现在中部耕地。各重金属均没有富集现象。源解析表明污染主要来自自然源、农业活动源、工业源及燃料燃烧和交通运输源。2.枸杞样品中仅有1例枸杞样品Cd含量超标。Cu和Cd的富集系数高,Cd是研究区枸杞主要污染元素。空间预测结果显示研究区枸杞均无污染情况,可放心食用。3.成功建立了枸杞重金属与土壤中各指标间的多元线性关系,Cu、Zn、Pb和Ni在0.05水平下拟合结果较好,As、Cr和Cd拟合结果较差,受本研究中自变量影响较弱。4.完成了枸杞-土壤重金属风险空间预测系统,为相关重金属污染的管理及枸杞种植选址提供了信息决策支持。
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