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土壤是动植物活动以及微生物进行物质交换的场所,是人类赖以生存的最重要的物质基础之一[1−2]。工矿“三废”大量排放、长期不合理施肥、大气沉降等原因导致农田土壤环境质量问题日趋严峻[3−4],土壤重金属污染是其中之一。重金属不能自然降解,隐蔽性强,来源复杂,在输入源基础上不断富集,通过土壤迁移到地下水和农作物中,进一步通过食物链危害动物和人体健康[5−6]。农田土壤重金属污染来源众多,既与区域地球化学过程和成土环境有关,又受到采矿、农业生产和交通运输等人为活动的影响,造成不同重金属元素的污染程度和空间分布存在较大差异[7]。因此,有必要对农田周围土壤的重金属污染程度以及污染来源进行调查评价[8]。
土壤重金属污染评价方法较多,可分为3类,包括以单因子指数法[9]、内梅罗综合指数法[10]、地积累指数法[11]、潜在生态风险指数法[12]等为代表的指数法,以健康风险评价模型[13]为代表的模型模拟法,以及基于地理信息系统(GIS)进行空间分析的GIS分析法[14]。这些评价方法通过土壤重金属质量分数变化和内在关联性,量化重金属的累积情况,从而对土壤重金属污染情况进行分等定级,但目前尚未形成统一的标准和方法[15−16]。因此,应根据不同土壤状况,综合运用多种评价方法或模型并改进,从而提高土壤重金属评价分析的精度和科学性[17]。
矿山开发过程中的污染物排放,以及过度施肥、畜禽养殖和生活污水排放等原因,导致浙江省丽水市莲都区耕地受到不同程度的重金属污染,其中以莲都区某乡耕地土壤重金属污染问题最为突出。为了解区域重金属污染基本情况,实现区域土壤风险基本管控,本研究利用空间分析研究区土壤重金属污染状况,评估研究区内重金属污染带来的潜在生态风险[18],通过主成分分析法对研究区潜在污染源进一步识别[19],为后续全面开展土壤安全管理和污染综合治理提供科学依据。
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由表1表明:研究区土壤Cd、Pb、Cr、Hg、As平均质量分数分别为0.39、69.41、40.38、0.10和3.36 mg·kg−1。与农田评价标准(GB 15618—2018)对比发现,研究区大部分土壤Cr、Hg、As质量分数低于土壤污染风险筛选值;土壤Cd和Pb超标率分别为60.71%和39.29%,但均低于农用地土壤污染风险管控值。土壤Cr和As平均质量分数未超过浙江省土壤环境背景值,Cd、Pb和Hg平均质量分数均分别为背景值的5.63、2.93和1.11倍。从5种重金属的变异系数来看,Cr和As元素的变异系数大于100%,属于强变异,表明受到人类干扰较大;Cr、Hg、Pb变异系数为10%~100%,属于中等变异。土壤中Cr和As的偏度系数和峰度系数显著高于其他土壤重金属,但平均质量分数低于污染风险筛选值,表明土壤中Cr和As在局部区域呈现高累积状态。
统计指标 重金属质量分数/(mg·kg−1) Cd Pb Cr Hg As 平均值 0.39 69.41 40.38 0.10 3.36 最小值 0.15 18.99 6.07 0.05 0.71 最大值 1.39 210.45 287.20 0.26 30.67 标准差 0.22 36.79 49.72 0.05 4.19 变异系数/% 55.61 53.00 123.14 47.08 124.69 偏度 2.11 1.61 3.88 1.55 5.27 峰度 6.83 3.61 16.65 2.62 33.53 Table 1. Descriptive statistics of heavy metals in soil
图2表明:所有土壤Cd的质量分数高于浙江省土壤环境背景值,平均质量分数超过风险筛选值,但低于风险管控值。土壤Pb平均质量分数高于浙江省土壤环境背景值,但低于农用地土壤污染风险筛选值;部分样品Pb质量分数高于风险筛选值但低于风险管控值。部分土壤样品Hg质量分数高于浙江省土壤环境背景值,但均低于风险筛选值。大部分Cr和As质量分数低于浙江省土壤环境背景值。
从图3可知:土壤Cd总体污染程度为轻微污染,轻中度污染区主要分布在张山后村西南部和根竹园村东部附近。土壤Pb污染区域集中在南源村、皂树村中南部、何金富村、葛畈村中南部以及张山后村东部区域。土壤Cr仅在仙里村南部和葛畈村北部附近轻微污染。全域土壤重金属Hg和As无污染风险。
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从图4可见:各层剖面土壤Cd质量分数总体趋势为:P2、P3和P5点位各层土壤Cd质量分数随土壤深度增加而降低,P1、P4、P6、P7和P8点位各层土壤Cd质量分数随土层深度的增加而增加,P9和P10点位中间层Cd质量分数低于表层和底层土壤。不同深度土壤Pb的变化趋势为:P1、P4、P5、P8点位土壤Pb质量分数随土层深度的增加而增加,P2、P3、P6、P7和P10点位土壤Pb质量分数随土壤深度增加呈降低趋势,P9点位中层土壤Pb质量分数高于表层和底层土壤。土壤Hg质量分数变化总体趋势为:P2和P7点位土壤Hg质量分数随土层深度增加而增加,P3、P5、P6和P8点位土壤Hg质量分数随土层深度增加而降低,P1、P9和P10点位中间层土壤Hg质量分数均高于表层和底层,P4点位中间层土壤Hg质量分数低于表层和底层。不同土层中Cd、Pb和Hg质量分数变化趋势无明显规律,这与前期农业生产中养殖粪便的施用以及山涧溪水的淋溶有关。剖面点位土壤中Cr和As质量分数均低于环境风险筛选值。
外源输入和成土母质是引起农田土壤重金属、污染的2个重要因素,剖面检测结果表明:不同深度土壤均有重金属污染,为分析污染来源,将重金属质量分数最低的土层重金属质量分数认定为由成土母质因素引起,以重金属质量分数最低土层的重金属质量分数除以最高土层的重金属元素质量分数得到土壤母质因素对土壤污染的贡献率。外源污染Cd、Pb和Hg输入对土壤污染贡献率分别约12.0%~65.7%、8.2%~42.6%和18.3%~62.3%。
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以GB 15618—2018农用地风险筛选值为标准,计算单项污染指数(Pi)和内梅罗综合污染指数(P综合)。土壤Cd、Pb、Cr、Hg和As的Pi平均值分别为1.31、0.99、0.27、0.08和0.08 (表2),其中Cd的Pi>1,属轻微污染,其余重金属Pi<1,无污染。(P综合)为0.38~3.40,平均值1.10,属轻度污染。
统计指标 单项污染指数(Pi) 内梅罗综合
污染指(P综合)Cd Pb Cr Hg As 平均值 1.31 0.99 0.27 0.08 0.08 1.10 最小值 0.50 0.27 0.04 0.04 0.02 0.38 最大值 4.64 3.01 1.91 0.20 0.77 3.40 标准差 0.73 0.53 0.33 0.04 0.10 0.56 变异系数/% 55.61 53.00 123.14 47.08 124.69 50.57 Table 2. Heavy metal pollution index in soils
由表3可知:39.29%点位的土壤Cd的Pi≤1,超标点位占比60.71%,其中轻微污染、轻度污染、中度污染的点位占比分别为44.64%、14.29%和1.79%。60.71%的点位土壤Pb的Pi≤1,超标点位占比39.29%,其中轻微污染、轻度污染、中度污染的点位占比分别为33.93%、3.57%和1.79%。96.43%的点位土壤Cr的Pi≤1,超标点位占比3.57%,属于轻微污染。Hg和As土壤点位Pi≤1,全部为无污染。由此推断Cd和Pb是研究区土壤污染累积最严重的重金属。从P综合看,P综合≤0.7的点位占比仅为23.21%,超标点位占比76.79%,其中尚清洁、轻度污染、中度污染、重度污染的点位占比分别为28.57%、42.86%、3.57%和1.79%。总体来看,研究区土壤环境污染较严重,需要采取修复措施,减轻土壤污染程度。
单项污染指数(Pi) 污染等级 点位占比/% 内梅罗综合污
染指数(P综合)污染等级 点位占比/% Cd Pb Cr Hg As Pi≤1 无污染 39.29 60.71 96.43 100 100 P综合≤0.7 清洁 23.21 1<Pi≤2 轻微污染 44.64 33.93 3.57 0 0 0.7< P综合≤1.0 尚清洁 28.57 2<Pi≤3 轻度污染 14.29 3.57 0 0 0 1.0<P综合≤2.0 轻度污染 42.86 3<Pi≤5 中度污染 1.79 1.79 0 0 0 2.0<P综合≤3.0 中度污染 3.57 Pi>5 重度污染 0 0 0 0 0 P综合>3.0 重度污染 1.79 Table 3. Distribution of heavy metal pollution points based on the pollution index method
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由表4可知:土壤Cd、Pb、Cr、Hg和As的地积累指数(Igeo)平均值分别为1.74、0.79、−1.49、−0.56、−2.49,其中土壤Cd和Pb的Igeo>0,分别为中度污染和无污染-中度污染;Cr、Hg和As的Igeo≤0,无污染。土壤Cd的Igeo点位全部超标,其中无污染-中度污染、中度污染、中度污染-强污染、强污染分别为16.07%、55.36%、25.00%和3.57%。土壤Pb的Igeo点位超标率为85.71%,其中无污染-中度污染、中度污染、中度污染-强污染分别为46.43%、33.93%和5.36%。土壤Cr、Hg和As的Igeo点位超标率分别为8.93%、17.86%和1.79%。总体而言,研究区在人类活动的影响下,土壤Cd和Pb呈现高度富集;土壤Cr、Hg和As存在轻微富集现象。
重金属 地积累指数(Igeo) 地积累指数(Igeo)点位比率/% 变化范围 平均值 标准差 Igeo≤0 0<Igeo≤1 1<Igeo≤2 2<Igeo≤3 3<Igeo≤4 Cd 0.51~3.73 1.74 0.69 0 16.07 55.36 25.00 3.57 Pb −0.90~2.57 0.79 0.71 14.29 46.43 33.93 5.36 0 Cr −3.71~1.86 −1.49 1.13 91.07 5.36 3.57 0 0 Hg −1.53~0.94 −0.56 0.60 82.14 17.86 0 0 0 As −4.28~1.15 −2.49 1.03 98.21 1.79 0 0 0 Table 4. Statistical table of evaluation characteristic values of accumulation index of heavy metal elements
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由表5可知:土壤Cd、Pb、Cr、Hg和As的潜在生态危害指数($E_{\rm{r}}^i $)平均值分别为39.45、4.96、0.54、3.09和0.84,土壤Pb、Cr、Hg和As的所有点位$E_{\rm{r}}^i $≤40,处于轻微水平风险。土壤Cd的$E_{\rm{r}}^i $最高,平均为39.45,变化幅度较大,最大为139.30,最小为14.94,达到中等和较强生态风险的样点占比分别为26.79%和3.57%。该区域IR为18.80~149.55,平均为48.87,变异系数差异性较大,但所有样点的IR均<150,处于轻微风险,主要贡献因子为土壤Cd。该区域IER为−3.99~1.21,平均为−2.26,处于无风险至轻度预警级。采用潜在生态风险指数法和生态风险预警指数法均表明:研究区土壤重金属处于轻微污染级别。
重金属 潜在生态危害指数($E_{\rm{r}}^i $) 潜在生态危害指数($E_{\rm{r}}^i $)点位比率/% 变化范围 平均值 标准差 变异系数/% $E_{\rm{r}}^i $≤40 40<$E_{\rm{r}}^i $≤80 80<$E_{\rm{r}}^i $≤160 Cd 14.94~139.30 39.45 21.93 55.61 69.64 26.79 3.57 Pb 1.36~15.03 4.96 2.63 53.00 0 0 0 Cr 0.08~3.83 0.54 0.66 123.14 0 0 0 Hg 1.43~7.97 3.09 1.45 47.08 0 0 0 As 0.18~7.67 0.84 1.05 124.69 0 0 0 Table 5. Evaluation of potential ecological risks of heavy metal elements
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通过主成分分析(表6)进一步确认土壤中5种重金属的具体来源,共提取3个主成分,累积贡献率为69.037%。第1主成分(PC1)累积贡献率为25.899%,Hg和Cr具有较大载荷,分别为0.749和0.668。第2主成分(PC2)累积贡献率为22.636%,As和Cd具有较大载荷,分别为0.887和0.505。第3主成分(PC3)累积贡献率为20.502%,Pb具有较大载荷,为0.891。
成分 初始特征值 提取平方和载入 旋转成分矩阵 特征值 贡献率/% 累积贡
献率/%特征值 贡献率/% 累积贡
献率/%重金属 PC1 PC2 PC3 1 1.295 25.899 25.899 1.295 25.899 25.899 Cd 0.446 0.505 0.440 2 1.132 22.636 48.535 1.132 22.636 48.535 Pb −0.079 −0.017 0.891 3 1.025 20.502 69.037 1.025 20.502 69.037 Cr 0.668 0.178 −0.263 4 0.862 17.230 86.268 Hg 0.749 −0.273 0.151 5 0.687 13.732 100.000 As −0.100 0.887 −0.046 Table 6. PCA result of heavy metals in soil
Spatial distribution and pollution assessment of heavy metals in typical cultivated soils in southwest Zhejiang Province
doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20230389
- Received Date: 2023-07-04
- Accepted Date: 2023-12-14
- Rev Recd Date: 2023-11-30
- Publish Date: 2024-04-01
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Key words:
- heavy metals in soil /
- spatial analysis /
- risk assessment /
- source apportionment
Abstract:
Citation: | WANG Huilai, WU Dongtao, YE Zhengqian. Spatial distribution and pollution assessment of heavy metals in typical cultivated soils in southwest Zhejiang Province[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2024, 41(2): 396-405. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20230389 |