当前世界环境

介绍

土壤是生态系统的基本组成部分，是陆地生态系统的支柱，在空气、土壤和水界面的几个生物地球化学过程中起作用。土壤可以吸收和降解许多类型的剧毒物质，如重金属。然而，它的能力是有限的，有时可能会被污染(Wahsha等人，2014a)。因此，必须保持和提高土壤质量及其生产能力。土壤中ETS的水平和空间分布取决于母质、气候、地形、土壤类型和土地利用等多个因素(Wahsha et al.， 2012a)。可以确定三个主要污染源:工业活动和农业实践。这些人为活动的管理不善可能会大大增加土壤中ETS的正常浓度水平，造成污染、环境问题和健康问题。重金属污染土壤可能会对土壤健康产生负面影响，这往往会限制甚至有时使土壤生物多样性丧失资格，并降低植物生长(Nadimi-Goki等人，2014)。在土壤中，不同生态系统组成部分的所有生物、地质和化学过程都是结合在一起的(Maleci et al.， 2014)。评估生态系统长期可持续性的一个常见标准是评估土壤质量(Wahsha等人，2014)。

因此，了解土壤的组成、性质和动态，以便在需要时进行可持续的保护和开垦，是非常重要的。越来越需要对可能或已经受到污染的土壤进行更可持续的地质环境评估(Wahsha等人，2014c)。

约旦气候的主要特征是西北部半湿润的地中海和约旦东部和东南部的干旱至极度干旱的对比。除了海拔和地质变化外，这些因素在土壤发育和发生中发挥了重要作用(Wahsha et al.， 2014)。约旦的土壤调查可以追溯到20世纪50年代，使用1938年的美国分类系统(Al-Qudah, 2001)。在约旦西北部，五种是常见的;土壤、土壤、土壤、土壤和土壤(农业部，1993年)。这些土壤由不同的母质发育而成，包括第四纪冲积层、冲积层和黄土沉积(Khresat et al. 1998)。

研究区为北部高原的东延;以种植谷物而闻名的肥沃土壤。与西部的土壤相比，它的生产力实际上更低。然而，在过去的几十年里，这个地区在城市发展中迅速扩张。该地区拥有一条连接伊尔比德和包括拉姆萨在内的东部城市的主要高速公路，这促进了人类定居点的向东扩张。约旦东北部土壤主要为干旱区土壤，是在低降雨量和高温条件下形成的。研究区70%的土壤处于干旱化过渡状态(Khresat et al. 1998)。

本研究旨在通过测量选定重金属的浓度来表征污染状况。探讨了土壤成因与岩性的关系。这提供了有关该地区未来农业发展的知识，并有助于决策者进行土地利用规划。

研究区域

研究区位于约旦北部，位于Al-Ramtha市以南约2 km处(伊尔比德以东)，位于经度32°31′~ 32°32′，纬度35º59′~ 36º3′之间(图1)。研究区主要地质露头有泥灰岩和泥灰岩组成的Muwaqqar白垩泥灰岩组(B3)和始新世中下部的Umm Rijam Chert灰岩组(B4)。B4组主要由灰岩、白垩岩和燧石组成。全新世钙质砾岩在研究区内的分布范围有限(图2)。钙质砾岩随机分布在半平坦和缓坡平原的不同地区，这些地区的蒸发量超过年降雨量。这个地区的大多数岩石都覆盖着厚度从1-6米不等的土壤。这种土壤是由周围暴露的碳酸盐岩风化作用形成的(Abed, 2003;农业部，1993年)。

材料与方法

本研究所审议的地区位于拉姆萨市。根据相同的地质、形态、植被覆盖和人为影响以及相同的土壤条件，选择了7个站点(图1)。每个站点在5、15和30 cm深度取样。样品用铝箔紧紧包裹，并放在密封的塑料袋中以保持土壤水分含量。进入实验室后，按照Wahsha等人(2012b)描述的程序进行常规土壤分析。首先分析样品的含水量和粒度分布，以确定土壤质地。土壤样品也进行了包括x射线衍射在内的矿物学分析。随机样品的XRD分析采用Phillips TW 1729衍射仪进行，cu - k - α辐射为40kv, 20mA。为了在不破坏晶体晶格的情况下分离颗粒，用一根木棍轻轻地粉碎样品。每个采样点的一个样品进行XRD分析。此外，土壤样品在105°C下烘干24小时，用去离子水(1:5土水混合物)提取，摇晃90分钟，离心并通过0.45微米过滤器过滤。 The extract was analyzed for NO_3.^-和阿宝₄³采用原子吸收分光光度法(AAS)和重量法测定样品的总体化学组成。

表1:选择的化学物理性质和 研究土壤中重金属的浓度。 点击这里查看表格

为分析土壤中伪总金属(Cu、Fe、K、Mg、Mn、Na、Pb和Zn)含量，取0.2 g粉状土壤样品，用5 mL王水用聚四氟乙烯制成的密闭容器放入微波炉中消解后的土壤样品采用火焰原子吸收光谱法(AAS)进行分析，参考Fontana et al.(2010)。

图1:研究区域和采样点位置 点击此处查看图

结果与讨论

表层土壤的来源

大多数水工土和风成土的粒度分布被认为是多模态的，代表不同的搬运或沉积过程(Bagnold and Barndorff-Nielsen, 1980)。土壤样品的粒度分布是土壤调查中常用的环境指标。

大部分为粗粒土;特别是研究区域的砂石沉积物，在暴雨潮湿的年份由于山洪暴发而被搬运，这是由于区域沉积物的广泛分布(图2)。

表层土壤的结构分析结果如图3所示。晶粒尺寸分布表明，在类似的平面体系中，表面的颗粒分布与细粒和中粒物质的分布是同步的。绝大多数土壤表现为粉砂质、砂质、粘土和卵石质颗粒相。

这些沉积物沉积在平坦的水道盆地中。平均晶粒尺寸在北方向增大，在那里沉积了较粗的部分。砂土可能是通过跃移搬运的，而泥沙和粘土可能是通过悬浮在水中或风的作用搬运的。砾石相被认为是在暴雨或风暴事件后沉积的(图2)。

图2研究区砾质相图 点击此处查看图

图3:粒度分析(平均值见 所研究地区土壤的百分比。 点击此处查看图

地球化学

所有研究样品的化学性质和金属浓度的平均浓度和标准偏差见表2。在调查区域，土壤样品的含水率从7.6-30.8%不等(平均约为18.97)(表2)。

表2:地壳中重金属的平均浓度(Rule, 1986)和土壤中重金属的平均浓度(ppm) (Adriano, 2001)，以及土壤和临界土壤总浓度的正常范围(Alloway, 1990)，与分析土壤样品的结果进行了比较。

金属	Ave.地壳丰富	土壤正常范围	临界土壤总密度。	世界平均土壤	研究区土壤
Pb	12.5	2 - 300	100 - 400	20.	145.56
锌	70	1 - 900	70 - 400	95	116.16
铜	70	1 -	2 - 100	45	330.79
K	-	-	-	96600	1353.33
菲	-	-	-	47200	38996.14
锰	-	-10000	1500 - 3000	850	684.16
Na	-	-	-	9600	671.47
毫克	-	-	-	1500	1157.25

土壤样品的pH值在7.2 ~ 8.2之间，平均值为7.75。这些值表明土壤是微碱性的。pH> 7对金属从水相到固相的脱除和植物对营养物的可利用性有影响。例如，吸附-解吸主要取决于pH值;随着pH值从4增加到7，土壤对铅的吸附量增加。一般来说，研究土壤中的重金属浓度相对较高，这可以解释为pH值的增加(> 8)，这增加了土壤对这些元素的吸附能力(Nadimi-Goki etal . 2014)。

硝酸盐含量(NO_3.)的范围在27至108 ppm之间，平均为53 ppm(表2)。氮浓度的增加可能是由于植物残体腐烂或用处理过的废水灌溉造成的。邻近耕地氮肥和粪肥使用量的增加以及人畜粪便的影响也导致了NO的增加_3.^-_．

在所分析的样品中，电导率(EC)范围从174µs/cm到1908µs/cm，平均值为334.14µs/cm(表2)。EC值的变化可以解释为由于灌溉水源的原因，其中用处理过的废水灌溉导致EC值明显更高。采用含粘硫88%的乙烯锌、二辉石和塞米扎尔的农药焦硝石和氨(NH4) SO4^--化肥，可以解释EC的增加(Abu- Rukah和Samawi, 2000)。

土壤PO4含量在5.78% ~ 34.86%之间，平均为12.96(表2)。土壤PO4含量的变化与研究区农业强度的变化有关。周围的上白垩统磷矿是影响土壤PO4含量的另一个因素。在研究区域，农田持续使用磷肥是磷的另一个来源(Bini and Wahsha 2014)。

尽管研究区域的土壤缺乏植被覆盖，但硝酸盐含量相对较高。尽管硝酸盐水平变化不定，但总体趋势是明显的。结果表明，在各个位置，硝酸盐水平随深度的增加而降低(图3)。

重金属浓度

土壤样品中Pb和Zn的浓度范围为70 ~ 207ppm，平均值为146 ppm; Zn的浓度范围为0.0 ~ 465 ppm，平均值为116 ppm; Cu、Fe、K、Mg、Mn和Na的平均浓度分别为330、38996、1353、1157、684和671 ppm(表2)。

由于研究区土壤中Pb、Zn、Na、Cu、Mn、Mg、K和Fe的含量变化，如果不考虑金属的空间变异性和不同世界平均值的含量，很难对其污染程度进行分析。表3显示了地壳中重金属在土壤中的平均浓度(Rule, 1986;Adriano, 1986)，土壤正常范围和临界土壤总浓度(Wahsha et al.， 2012b;Alloway, 1990)，与从研究区域收集的土壤样本中获得的分析结果进行了比较。

几乎所有地点都显示，研究区域土壤中各种金属的浓度都很高，超过了Mason Moore 1982年所述的允许水平。各种金属离子浓度增加的来源除了自然来源的贡献外，还可归因于农业来源的人为影响日益增加。

土壤、粉尘、沉积物和天然水等环境样品中的铅污染来自于含有四乙基铅作为抗爆剂的汽油的燃烧。土壤中不应自然出现超过110的铅浓度，而必须可能反映污染的影响(Kabata-Pendias和Pendias, 1984年)。根据Bender，(1991)，研究区土壤是：主要产于上白垩统碳酸盐岩中。但一般来说，碳酸盐岩的铅浓度很低。与本研究得到的数值相比较，可以清楚地看出，碳酸盐岩母岩并不是铅的唯一来源。其他来源最有可能是人为因素(Wahsha和Al-Rshaidat, 2014)。

碳酸盐岩中Zn的平均浓度(表3)约为20 ppm。Alloway(1990)估计碳酸盐岩中锌的平均浓度为20ppm。正常土壤中锌的平均浓度在百万分之1到900之间。Kabata-Pendias和Pendias，(1984)发现锌的平均浓度在17至125 ppm之间。将研究区土壤中锌的平均浓度与几位作者给出的平均浓度进行比较，分析的土壤样品中相对较高的锌浓度似乎反映了人为影响(Wahsha和Al-Rshaidat, 2014)。这可能解释了研究区土壤中锌含量相对较高的原因。

土壤表层的铜浓度较高，表明冶炼厂、肥料、污水鼻涕虫和其他废物对土壤进行了添加(Allowey, 1990年)。样品中的铜含量高于世界范围的值(100 - 300 ppm) (Fergusson和Kim, 1991年)。本研究发现，与世界上几个地区或地区相比，铜的含量较高(表3)。通过分析研究区域内Na、Mn、Mg、K和Fe的平均浓度，这些含量似乎与Kabata - Pendias(1984)报道的含量相似。

表3:相关系数与显著性 测试所测重金属与 关联物理化学参数。 点击这里查看表格

相关分析

测定的重金属总浓度与测定的理化性质呈正相关。重金属含量与% PO呈正相关₄可能是由于研究地区使用磷肥，其特点是农业活动密集。

Alloway etal .，(1995)表明pH值是控制不同土壤对重金属比吸附的关键因素之一。沉积物中重金属的正相关性与pH的碱度密切相关(Alloway, 1990, Baker, 1980)。

虽然研究区土壤植被覆盖率低，但硝酸盐含量相对较高。尽管硝酸盐水平变化不定，但总体趋势是明显的。结果表明，在每个位置，硝酸盐水平增加到15厘米深，之后几乎保持不变。

无花果。3:硝酸盐在土壤中的分布 不同土壤样品的剖面。 点击此处查看图

研究区半干旱的气候条件和相对有限的降雨量使得硝酸盐在地表附近积累。然而，在很长一段时间和降雨期间，硝酸盐渗入土壤，随着水分蒸发而积累，并返回大气。此外，土样粒度分布(表1)表明，土样以粉砂和粘土为主，细砂比例较小。这些细颗粒可以紧密地聚集在一起，通过蒸发浓度减少水分的入渗，有利于硝酸盐的积累。虽然硝酸盐的来源尚未调查，但人们认为这两个过程;生物或非生物，都对土壤硝酸盐有贡献。研究区处于干旱(东向)和半湿润(西向)的过渡地带，沙尘天气频繁，特别是东风天气频繁。这表明这些硝酸盐的一部分可能与风成沉积物有关，在那里硝酸盐随着大气流入被输送到该地区。此外，该地区覆盖着分散的原生植被，这些植被在分解时会释放硝酸盐。散落的植被也有助于捕获含有硝酸盐的风沙，这些硝酸盐会渗入土壤。 The soil pH for all samples exhibited alkaline soils, which is mainly related to the presence of calcium carbonate. In addition, the arid and semiarid climate conditions prevailing in the study area help buildup of carbonate in soil profile (Wahsha et al., 2012a and b; Fontana et al., 2010).

土壤与粘粒含量的关系

土壤的质地等级取决于土壤中粘土、淤泥和沙子的百分比。粘土是粒径小于2μm的土壤颗粒，比砂、粉等其他土壤颗粒具有更高的表面积。在大多数情况下，这包括粘土矿物，但也包括其他矿物的细磨颗粒。粘土矿物是岩石风化的产物，对土壤的物理和化学性质都有影响。土壤的化学性质受到其永久带负电荷的大表面积的影响。由于土壤的大部分阳离子交换能力来自带负电荷的粘土表面，因此粘土使金属比沙质土壤少得多。粘土矿物作为结构组分可能含有少量的微量元素，但其对微量元素的吸附能力起着非常重要的作用。不同粘土矿物的吸附能力顺序为:蒙脱土、蛭石>伊利石、绿泥石>高岭石(Wahsha and Al-Rshaidat, 2014)。

XRD与有机质

粘土矿物如高岭石和氧化铁被认为是可变电荷矿物(Sparks 2002和2005)。重金属，包括铅(Pb)，倾向于在土壤剖面的粘土部分积累。土壤中Zn浓度与粘土含量呈正相关(Hailu, 2007)。土壤中重金属(Co、Cu、Ni、Pb和Zn)的总浓度取决于粘土的含量。土壤中Cu含量是全土的5倍，Zn和Ni含量是2倍，Co和Pb含量是1.5倍。由于这些微量元素从地下到地表的生物地球化学循环，表层土层的粘土部分比地下土层含有更高浓度的Cu、Zn和Co (Lee et. al .， 1997)。

对不同位置和不同深度土壤样品中一些主要元素和微量元素浓度的一般观察(图4)表明;微量元素在A、B、C处随深度增加，在D、E、F、G处随深度减少;这可能是由降雨量和沙子与这些地区的淤泥和粘土的比例所控制的。年降雨量多的地区，重元素淋滤越多，深度越大，反之亦然。此外，D、E、F和G位置的砂土相对于粉土和粘土的比例相对大于a、B和C位置的百分比，这使得水更容易入渗，从而使重元素更容易向更深的深度运输。

图4:主要和微量元素的浓度 土壤样品中的元素 地点和深度不同。 点击此处查看图

结论

土壤是一种基本的、难以再生的资源，它提供了许多环境、社会和经济服务。相反，对土壤功能的主要短期影响来自土地利用变化及其管理。选定地点的人为影响是显而易见的。几乎所有地点都显示研究区域土壤中各种金属的高浓度超过了允许的水平。各种金属离子浓度增加的来源可归因于农业来源的人为影响日益增加，以及该地区自然来源的贡献。

鸣谢

这项工作得到了约旦耶尔穆克大学科学研究和研究生院院长的资助。

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