沂蒙山区典型农业流域面源重金属流失特征研究

The agricultural diffuse pollution has attracted much attention in recent years because of its significant impact on environment. Due to the lack of proper watershed models, research in this area is still mostly focused on nitrogen, phosphorus and other nutrients, but pay less attention on toxic heavy metals that can cause enormous ecological and human health threats. By using sediment geochemistry and Pb isotopic methods, we can indicate the diffuse heavy metal losses at different spatial and temporal scales, which is helpful for watershed diffuse heavy metal control. This study was mainly concerned on the Yimeng mountainous area, a typical lithoidal mountainous area of North China. By collecting and dating the sediment cores from a typical agricultural watershed, we calculated the heavy metal fluxes. Consequently, the main diffuse pollutants, critical source areas and their affecting factors were further identified. At last, the agricultural impact on diffuse heavy metal accumulation in the sediments was quantitatively assessed. Generally, this research enriched our information of agricultural diffuse pollution in mountainous areas, and the related study methods can also be applied to other similar areas.

农业面源污染已成为世界范围内共同关注的一个环境热点问题。由于缺乏合适的流域模型，目前该领域研究仍大多集中在氮、磷等营养物质，而对于有着巨大生态安全和人体健康威胁的有毒重金属关注较少。借助沉积物分析和Pb同位素技术可以开展不同时空尺度特征的面源重金属流失研究，这对于有效实施流域面源重金属污染防控具有重要意义。本项目拟以我国北方土石山区代表-沂蒙山区为研究对象，通过采集典型农业流域柱状沉积物样品，计算沉积速率并估算各重金属污染物的沉积通量，从而识别流域不同历史时期的主要面源重金属污染物、优先控制区和影响因素，最后尝试定量解析Pb等重金属的主要农业源贡献。本研究成果不仅可以丰富我国北方典型土石山区农业面源污染基础资料，而且所使用的主要技术和方法也可推广应用于其它类似地区。

农业面源污染已成为世界范围内共同关注的一个热点环境问题。目前该领域研究仍大多集中在氮、磷等营养物质，而对于有着巨大生态安全和人体健康威胁的有毒重金属关注较少。借助沉积物分析和Pb同位素技术可以开展不同时空尺度特征的面源重金属流失研究。基于此，本项目以我国北方土石山区代表-沂蒙山区为研究对象，通过采集典型农业流域沉积物样品，进行化学分析和同位素分析，从而识别流域主要面源重金属污染物、优先控制区和影响因素，最后定量解析Pb等重金属的主要人为源贡献。结果表明，经过长期的农业发展该流域表层沉积物已经呈现出明显的重金属累积趋势。与流域背景土壤相比，表层沉积物中Cd、Cu、Ni、Pb、Cr、Zn的平均含量分别提高了72.2%、63.0%、53.1%、74.4%、56.8%和65.3%。其中，Cu、Ni、Pb、Cr四种重金属需要引起特别的关注，可能会对当地水环境安全产生负面效应。在空间分布上，表层沉积物中各重金属含量高值点均位于流域主要耕作区域，反映了流域农业活动对土壤重金属流失的影响。在时间尺度上，流域重金属沉积通量整体较为明显地呈现出持续增加趋势。其中，流域土壤侵蚀量的迅速增加是导致1976-2011年间面源重金属流失加剧的主要影响因素，而2011年后各重金属流失负荷的加剧与人为输入量的增加有关。大气沉降是流域Pb、Cr、Ni三种重金属的主要人为来源，化肥施用是Cd的主要人为来源，而人为Cu和Zn输入主要来自畜禽粪便施用。富集因子、MLR-APCS模型、Pb稳定同位素分析三种方法结合使用是一种可靠的沉积物重金属人为来源定量解析方法。具体来说，大气沉降对沉积物中Pb、Cr、Ni三种重金属的实际污染贡献率分别为43.1%、30.4%和35.3%，化肥施用对Cd的实际污染贡献率为44.3%，有机肥施用对Cu、Zn两种重金属的实际污染贡献率分别为41.0%和40.6%。本研究成果不仅可以丰富我国北方典型土石山区农业面源污染基础资料，为相关环境管理部门提供理论依据和决策支持，而且所使用的主要技术和方法也可推广应用于其它类似地区。