Study on soil heavy metal environmental capacity in Shantou City based on source analysis

doi:10.13745/j.esf.sf.2024.4.23

Abstract

Abstract:

Soil environmental capacity assessments often overlook the influence of heavy metal sources, yet analyzing these sources is essential for understanding regional environmental dynamics and mitigating heavy metal pollution effectively. In Guangdong Province, Shantou stands as a prominent economic hub with significant industrial and urban development, raising concerns about soil heavy metal pollution and the region’s environmental capacity. This study focused on surface soil in Shantou, utilizing 511 soil samples to investigate environmental capacity. Employing GIS technology and geostatistics, we applied the enrichment factor method to evaluate heavy metal enrichment. Principal component analysis and correlation analysis were used to discern heavy metal sources, while the comprehensive index technique was employed to analyze soil heavy metal environmental capacity features and spatial distribution. The surface soil in Shantou exhibited concentrations of As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, and Zn were 4.84 (0.23-119.4), 0.14 (0.013-4.94), 36.05 (2.2-109.1), 19.08 (2.9-453.1), 0.18 (0.008-1.394), 13.29 (3.7-229.6), 51.73 (9.9-1000), and 79.83 (9.2-309.5) mg/kg. Except for moderate enrichment of soil Pb, other heavy metals showed mild enrichment. Principal component analysis revealed five principal component sources: mixed natural background and agricultural activities, mixed agricultural activities and industrial production, industrial production, mining activities, and stone mining sources. Soil heavy metals’ static environmental capacity ranking was As > Zn > Cr > Ni > Pb > Cu > As > Hg > Cd, with a moderate comprehensive environmental capacity level. However, extensive human activities have led to generally low environmental capacities for heavy metals in the towns of Yanhong, Guiyu, and Chendian, posing certain risks. The findings of this study can serve as a scientific reference for early warning and management of soil heavy metal pollution, as well as the remediation and governance of contaminated soil in Shantou City. Additionally, it provides valuable insights for enhancing environmental capacity and soil quality.

Key words: soil heavy metals, environmental capacity, pollution assessment, source analysis, spatial distribution patterns

CLC Number:

YAN Liping, XIE Xianming, TANG Zhenhua. Study on soil heavy metal environmental capacity in Shantou City based on source analysis[J]. Earth Science Frontiers, 2024, 31(4): 403-416.

Figures/Tables 13

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序号	指标	测试方法	方法检出限
1	As	氢化物-原子荧光光谱法(HG-AFS)	0.05
2	Cd	等离子体质谱法(ICP-MS)	0.02
3	Hg	冷蒸气-原子荧光光谱法(CV-AFS)	0.000 3
4	Cr	X射线荧光光谱法(XRF)	2
5	Cu	X射线荧光光谱法(XRF)	1
6	Ni	X射线荧光光谱法(XRF)	1
7	Zn	X射线荧光光谱法(XRF)	2
8	Pb	X射线荧光光谱法(XRF)	1
9	P	X射线荧光光谱法(XRF)	8
10	SiO₂	X射线荧光光谱法(XRF)	0.08^*
11	MgO	X射线荧光光谱法(XRF)	0.01^*
12	CaO	X射线荧光光谱法(XRF)	0.01^*
13	S	容量法(VOL)	40
14	N	容量法(VOL)	8
15	C_org	容量法(VOL)	0.09^*
16	pH	离子选择性电极法(ISE)	0.10^**

序号	指标	测试方法	方法检出限
1	As	氢化物-原子荧光光谱法(HG-AFS)	0.05
2	Cd	等离子体质谱法(ICP-MS)	0.02
3	Hg	冷蒸气-原子荧光光谱法(CV-AFS)	0.000 3
4	Cr	X射线荧光光谱法(XRF)	2
5	Cu	X射线荧光光谱法(XRF)	1
6	Ni	X射线荧光光谱法(XRF)	1
7	Zn	X射线荧光光谱法(XRF)	2
8	Pb	X射线荧光光谱法(XRF)	1
9	P	X射线荧光光谱法(XRF)	8
10	SiO₂	X射线荧光光谱法(XRF)	0.08^*
11	MgO	X射线荧光光谱法(XRF)	0.01^*
12	CaO	X射线荧光光谱法(XRF)	0.01^*
13	S	容量法(VOL)	40
14	N	容量法(VOL)	8
15	C_org	容量法(VOL)	0.09^*
16	pH	离子选择性电极法(ISE)	0.10^**

级别	容量等级	容量指数	污染水平
Ⅰ	超载区	P≤0	污染超过风险基准
Ⅱ	警戒区	0<P≤0.3	污染很严重
Ⅲ	低容量区	0.3<P≤0.7	污染较严重
Ⅳ	中容量区	0.7<P≤1	受轻度污染
Ⅴ	高容量区	P>1	基本未受污染

级别	容量等级	容量指数	污染水平
Ⅰ	超载区	P≤0	污染超过风险基准
Ⅱ	警戒区	0<P≤0.3	污染很严重
Ⅲ	低容量区	0.3<P≤0.7	污染较严重
Ⅳ	中容量区	0.7<P≤1	受轻度污染
Ⅴ	高容量区	P>1	基本未受污染

特征值	元素含量及标准偏差/(mg·kg^-1)
特征值	As	Cd	Cr	Cu	Hg	Ni	Pb	Zn
最小值	0.23	0.013	2.2	2.9	0.008	3.7	9.9	9.2
最大值	119.4	4.94	109.1	453.1	1.394	229.6	1 000	309.5
中位数	2.88	0.102	33.2	14.6	0.112	11.6	44.7	74.4
平均值	4.84	0.14	36.05	19.08	0.18	13.29	51.73	79.83
标准偏差	9.32	0.25	16.09	24.88	0.18	11.92	51.00	34.61
研究区背景值	3.08	0.1	34.86	15.23	0.11	11.86	45.78	75.58
变异系数	1.93	1.80	0.45	1.30	1.00	0.90	0.99	0.43