雄安新区西南部土壤重金属污染特征及生态风险评价

doi:10.13745/j.esf.sf.2020.7.1

摘要/Abstract

摘要：

土壤重金属污染具有巨大的生态环境风险和危害。本文以雄安新区西南部(老河头镇、同口镇和芦庄乡)的表层土壤和大宗农作物小麦、玉米为研究对象,在对8种重金属As、Ni、Cu、Cr、Pb、Hg、Cd和Zn含量测试分析的基础上,开展了土壤重金属污染和生态风险评价。结果表明:研究区表层土壤局部存在重金属超标情况,重金属的污染程度依次为:Cd>As>Cu>Zn>Pb>Hg,Cr和Ni土壤环境清洁;研究区表层土壤重金属污染是人为源输入,老河头镇及周边大量有色金属冶炼活动是可能的主要污染源;8种重金属的潜在生态危害程度由强至弱依次为:Cd>Hg>As>Cu>Pb>Zn>Cr>Ni;多金属潜在生态风险指数RI的平均值为252,土壤整体的重金属潜在危害程度为中等风险,其中Cd对潜在生态风险指数RI的贡献最大,且Cd的活性最强,迁移能力强,易被植物吸收。研究成果可为雄安新区的土地利用规划提供重要依据。

关键词: 雄安, 土壤, 重金属, 污染, 评价, 生态风险

Abstract:

Heavy metal pollution in soil is tremendously hazardous and poses great risks to the ecosystem. In this study, we focus on the topsoils and staple crops, wheat and maize, in southwestern Xiong’an District. We assessed the heavy metal pollution in soil and its ecological risks based on the metal concentration analysis of eight heavy metals, As, Ni, Cu, Cr, Pb, Hg, Cd and Zn. The results show that the concentration of heavy metals in the topsoils of certain areas exceeded the standard value. The degrees of heavy metal pollution were Cd>As>Cu>Zn>Pb>Hg, while Cr and Ni were below the hazardous level for clean soil environment. The heavy metal pollution in topsoils of the area is caused by human activity. Numerous nonferrous metal smelting activities in Laohetou Township and adjacent area might be the major pollutant source. The degrees of potential ecological risk of the eight heavy metals were Cd>Hg>As>Cu>Pb>Zn>Cr>Ni. The average value of polymetallic potential ecological risk index (RI) was 252, indicating an intermediate risk level of overall potential hazard from heavy metals. Among the eight heavy metals, Cd contributed the most to RI, for it has the strongest chemical activity and strong migration ability and is easily absorbed by plants. These results would provide an important basis for the land use planning in Xiong’an District.

Key words: Xiong’an, soil, heavy metals, pollution, assessment, ecological risks

中图分类号:

X53
X826

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图/表 16

图1 研究区采样点位图

Fig.1 Distribution of sampling sites in study area

表1 重金属污染潜在生态风险指数法评价分级标准

Table 1 Pollution grading standard according to heavy metal potential ecological risk index

单一金属潜在生态风险因子	多金属潜在生态风险指数	生态危害程度
$E r i$ <40	RI<150	轻微 (Ⅰ)
40≤ $E r i$ <80	150≤RI<300	中等 (Ⅱ)
80≤ $E r i$ <160	300≤RI<600	强 (Ⅲ)
160≤ $E r i$ <320	RI≥600	很强 (Ⅳ)
$E r i$ ≥320		极强 (Ⅴ)

表1 重金属污染潜在生态风险指数法评价分级标准

Table 1 Pollution grading standard according to heavy metal potential ecological risk index

单一金属潜在生态风险因子	多金属潜在生态风险指数	生态危害程度
$E r i$ <40	RI<150	轻微 (Ⅰ)
40≤ $E r i$ <80	150≤RI<300	中等 (Ⅱ)
80≤ $E r i$ <160	300≤RI<600	强 (Ⅲ)
160≤ $E r i$ <320	RI≥600	很强 (Ⅳ)
$E r i$ ≥320		极强 (Ⅴ)

表2 土壤重金属参数统计

Table 2 Parameter statistics for heavy metals in soils

重金属元素	最大值/ (mg·kg^-1)	最小值/ (mg·kg^-1)	算术平均值/ (mg·kg^-1)	标准差/ (mg·kg^-1)	变异系数/ %	冀中平原背景值/ (mg·kg^-1)	中国土壤背景值/ (mg·kg^-1)	土壤污染风险筛选值^[30]/ (mg·kg^-1)
Cd	20.9	0.088	0.684	0.956	139.9	0.152	0.097	0.6
Pb	2 364	16.2	53.6	73.4	137.0	22.5	26	170
As	422	5.26	19.51	16.87	86.5	10.05	11.2	20
Hg	1.175	0.010 5	0.058 2	0.047	80.8	0.039	0.065	1
Ni	58.5	19.7	39.8	5.9	14.8	28.3	26.9	190
Cu	2 664	14.6	66.2	90.4	136.6	23.1	22.6	100
Zn	2 647	48.8	145	125.8	86.8	70.1	74.2	300
Cr	144	48.1	80.7	10.4	12.8	65.5	61	250

表3 小麦、玉米籽实重金属含量参数统计

Table 3 Parameter statistics for heavy metal concentrations in wheat and maize seeds

重金属	小麦在N=35情况的相关参数					玉米在N=40情况的相关参数								食品中污染物限量/ (mg·kg^-1)		小麦绿色食品标准/ (mg·kg^-1)
重金属	最大值/ (mg·kg^-1)	最小值/ (mg·kg^-1)	算术平均值/ (mg·kg^-1)	变异系数/%		最大值/ (mg·kg^-1)		最小值/ (mg·kg^-1)		算术平均值/ (mg·kg^-1)		变异系数/%		食品中污染物限量/ (mg·kg^-1)		小麦绿色食品标准/ (mg·kg^-1)
Cr	0.25	0.12	0.178	17.18	0.15		0.068		0.111		18.63		1.0^a
Ni	0.25	0.1	0.17	23.70	0.34		0.13		0.22		24.13
Cu	7.07	4.58	5.77	11.88	2.66		0.92		1.44		23.35
Zn	57.2	23.70	36.55	24.72	31.6		13.50		21.49		16.30
As	0.4	0.023	0.102	73.88	0.042		0.018		0.026		21.23		0.5^a		0.5^b
Cd	0.18	0.016	0.047	78.83	0.069		0.017		0.030		42.60		0.1^a		0.1^b
Hg	0.23	0.025	0.070	62.84	0.012		0.002 6		0.005 1		43.80		0.02^a
Pb	0.002 3	0.001 1	0.001 6	22.20	0.001 7		0.001		0.001 3		13.86		0.2^a		0.2^b

表4 重金属元素单因子污染指数超标情况统计

Table 4 Statistics of heavy metal pollution grades assessed by single factor contamination index

元素	样品数量	污染指数超标率/%
元素	样品数量	清洁	轻微污染	轻度污染	中度污染	重度污染
Cr	1 443	100
Ni	1 443	100
Cu	1 443	88.08	9.22	1.73	0.55	0.42
Zn	1 443	94.94	4.23	0.35	0.28	0.21
Cd	1 443	62.79	27.10	5.61	3.40	1.11
Pb	1 443	97.85	1.80	0.14	0.14	0.07
As	1 443	67.50	29.73	1.46	0.83	0.49
Hg	1 443	99.93	0.07

表5 耕地土壤重金属污染情况统计

Table 5 Statistics of heavy metal pollution in arable soils

土壤及重金属	各种情况下的污染面积及占比
	清洁		轻微污染		轻度污染		中度污染		重度污染
	面积/hm²	比例/%	面积/hm²	比例/%	面积/hm²	比例/%	面积/hm²	比例/%	面积/hm²	比例/%
土壤综合	6 702.66	59.59	3 568.00	31.72	628.67	5.59	275.33	2.45	74.00	0.66
锌	10 961.99	97.45	275.33	2.45	5.33	0.05	6.00	0.05
铜	10 315.32	91.70	816.00	7.25	106.67	0.95	8.67	0.08	2.00	0.02
砷	7 872.00	69.98	3 162.66	28.12	92.67	0.82	73.33	0.65	48.00	0.43
镉	7 562.66	67.23	2 843.33	25.28	582.00	5.17	214.00	1.90	46.67	0.41

表6 废渣中重金属元素含量统计

Table 6 Statistics of heavy metal concentrations in slags

重金属元素	最小值/ (mg·kg^-1)	最大值/ (mg·kg^-1)	算术平均值/ (mg·kg^-1)	标准差/ (mg·kg^-1)	变异系数/ %	土壤污染风险筛选值^[30]/ (mg·kg^-1)	与筛选值的比值
Cr	22.7	2 455	518	687	133	350	1.48
Ni	7.39	1 416	254	362	142	60	4.23
Cu	0.01	6.51	1.61	1.92	120	100	0.02
Zn	0.01	12.68	1.7	3.25	192	300	0.01
Cd	0.24	32.5	10.85	10.41	96	0.6	18.08
Pb	0.02	0.66	0.22	0.2	90	350	0.001
As	3.1	940	112	244	217	20	5.62
Hg	4.25	3 750	628	1 171	187	1 000	0.63

图2 土壤环境质量综合评价图

Fig.2 Comprehensive assessment of soil environmental quality

表7 主成分分析结果

Table 7 Results of principal component analysis

项目	特征值	贡献率/ %	累计贡献率/%	因子载荷
项目	特征值	贡献率/ %	累计贡献率/%	Cr	Ni	Cu	Zn	Cd	Pb	As	Hg
第一主成分	3.442	43.03	43.03	0.114	0.09	0.127	0.528	0.657	0.039	0.847	0.861
第二主成分	1.785	22.32	65.34	0.052	0.075	0.839	0.698	0.58	0.737	-0.006	0.238
第三主成分	1.057	13.21	78.55	0.97	0.973	0.021	0.024	0.077	0.085	0.196	0.015

表8 土壤样品重金属$E_r^i$统计分析

Table 8 $E_r^i$ statistical analysis of heavy metals in soil samples

重金属	$E r i$ 值范围	$E r i$ 平均值	标准差	变异系数/ %	轻微危害比例/%	中等危害比例/%	强危害比例/%	很强危害比例/%	极强危害比例/%
Cd	17~4 125	135	190	141.0	6.03	36.66	34.51	16.98	5.82
Pb	4~525	12	16	138.2	98.06	1.66	0.21		0.07
As	5~420	19	17	87.2	97.23	2.08	0.42	0.21	0.07
Hg	11~1 205	59	48	80.5	23.22	63.83	10.88	1.52	0.55
Ni	3~10	7	1	14.8	10
Cu	3~577	14	20	137.4	96.74	2.43	0.62	0.14	0.07
Zn	1~38	2	2	86.6	10
Cr	1~4	2	0.3	12.8	10

表8 土壤样品重金属$E_r^i$统计分析

Table 8 $E_r^i$ statistical analysis of heavy metals in soil samples

重金属	$E r i$ 值范围	$E r i$ 平均值	标准差	变异系数/ %	轻微危害比例/%	中等危害比例/%	强危害比例/%	很强危害比例/%	极强危害比例/%
Cd	17~4 125	135	190	141.0	6.03	36.66	34.51	16.98	5.82
Pb	4~525	12	16	138.2	98.06	1.66	0.21		0.07
As	5~420	19	17	87.2	97.23	2.08	0.42	0.21	0.07
Hg	11~1 205	59	48	80.5	23.22	63.83	10.88	1.52	0.55
Ni	3~10	7	1	14.8	10
Cu	3~577	14	20	137.4	96.74	2.43	0.62	0.14	0.07
Zn	1~38	2	2	86.6	10
Cr	1~4	2	0.3	12.8	10

图3 土壤重金属污染RI的评价结果

Fig.3 RI assessment results of heavy metal pollution in soil

图4 土壤重金属Cd元素生态风险因子分布

Fig.4 Distribution of ecological risk factors for heavy metal Cd in soil

图5 土壤重金属RI评价结果

Fig.5 Results of risk index (RI) assessment for heavy metals in soil

图6 研究区村庄周边冶炼废渣堆积

Fig.6 Accumulation of smelting slags around villages in the study area

图7 研究区土壤重金属化学形态分布

Fig.7 Distribution of heavy metal chemical forms in soil of the study area

图8 土壤Cd元素离子交换态含量与全量关系图

Fig.8 Relationship between soil Cd content at ion exchange state and total Cd content

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