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资江河口区农田土壤重金属污染评价及来源分析

刘文辉 马腾 李俊琦 武显仓 於昊天

刘文辉, 马腾, 李俊琦, 武显仓, 於昊天. 资江河口区农田土壤重金属污染评价及来源分析[J]. 地质科技通报, 2021, 40(2): 138-146. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2021.0212
引用本文: 刘文辉, 马腾, 李俊琦, 武显仓, 於昊天. 资江河口区农田土壤重金属污染评价及来源分析[J]. 地质科技通报, 2021, 40(2): 138-146. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2021.0212
Liu Wenhui, Ma Teng, Li Junqi, Wu Xiancang, Yu Haotian. Pollution assessment and source analysis of heavy metals in agricultural soil around Zijiang River estuary[J]. Bulletin of Geological Science and Technology, 2021, 40(2): 138-146. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2021.0212
Citation: Liu Wenhui, Ma Teng, Li Junqi, Wu Xiancang, Yu Haotian. Pollution assessment and source analysis of heavy metals in agricultural soil around Zijiang River estuary[J]. Bulletin of Geological Science and Technology, 2021, 40(2): 138-146. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2021.0212

资江河口区农田土壤重金属污染评价及来源分析

doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2021.0212
基金项目: 

中国地质调查项目 DD20190263

中国地质调查项目 2019040022

详细信息
    作者简介:

    刘文辉(1997—),男,现正攻读环境科学与工程专业硕士学位,主要从事地下水污染与防治方面的研究工作。E-mail: 1201910343@cug.edu.cn

    通讯作者:

    马腾(1972—),男,教授,博士生导师,主要从事流域地球关键带与生态水文地质、地下水污染与防治等方面的教学与科研工作。E-mail: mateng@cug.edu.cn

  • 中图分类号: X131.3

Pollution assessment and source analysis of heavy metals in agricultural soil around Zijiang River estuary

  • 摘要: 资江是洞庭湖的第二大支流,其中上游锑(Sb)矿采矿冶炼工业发达,给资江下游及洞庭湖区带来了严重的重金属污染风险。以资江河口区为研究区,采集了132个农田土壤样品及7个资江水样,综合采用多种污染评价方法、空间分析、多元统计分析方法对研究区重金属进行了污染评价及来源分析。结果表明,研究区农田土壤重金属平均质量分数表现为Zn>Cr>Ni>Pb>Cu>As>Sb>Cd,旱田土壤重金属平均质量分数除Pb外均高于水田。Sb、As、Cd为主要污染元素,Sb达到了中等污染和中等生态风险的程度,总体处于轻微-中等生态风险程度。资江水体Sb质量浓度较高,平均为10.51 μg/L。Sb主要来源于中上游的锑矿工业,受高锑质量浓度地表水灌溉、垃圾填埋场以及燃煤等人为活动的控制;Cd主要来源于农药化肥、生活垃圾和城镇废水等人为活动;Cr主要来源于成土母质,而Cu、Zn、As、Ni、Pb受成土母质和人为活动的双重控制。

     

  • 图 1  采样点分布图

    Figure 1.  Distribution of sampling in the study area

    图 2  研究区农田土壤重金属元素质量分数分布图

    Figure 2.  Distribution map of heavy metals in farmland soil in the study area

    图 3  研究区土壤样品重金属污染指数

    Figure 3.  Heavy metal pollution index of soil samples in the study area

    图 4  研究区土壤样品潜在污染指数

    Figure 4.  Potential pollution index of soil samples in the study area

    图 5  研究区土壤样品地累积指数

    Figure 5.  Index of geoaccumulation of soil samples in the study area

    图 6  研究区土壤样品潜在生态风险程度

    Figure 6.  Potential ecological risk of soil samples in the study area

    图 7  聚类分析树状图

    Figure 7.  Dendrogram of cluster analysis

    图 8  研究区资江Sb质量浓度

    Figure 8.  Sb concentration of Zijiang in the study area

    表  1  CfCpIgeo的分级标准[20]

    Table  1.   Classification criteria for Cf, Cp and Igeo

    重金属污染指数Cf 潜在污染指数Cp 地累计指数Igeo 污染程度
    < 1 < 1 ≤0 无污染
    (1, 3] [1, 3] (0, 1] 轻度-中度污染
    (3, 6] (1, 2] 中度污染
    (2, 3] 中度-重度污染
    > 6 > 3 (3, 4] 重度污染
    (4, 5] 重度-极重污染
    > 5 极重污染
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    表  2  潜在生态风险评价分级标准

    Table  2.   Classification criteria for potential ecological risk assessment

    单个重金属的潜在生态危害系数Eri 潜在生态风险指数RI 潜在生态风险程度
    < 40 < 150 轻微
    [40, 80) [150, 300) 中等
    [80, 160) [300, 600]
    [160, 320] > 600 很强
    > 320 极强
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    表  3  研究区农田土壤重金属元素质量分数统计性结果

    Table  3.   Statistical results of heavy metal elements in farmland soil in the study area

    类型 As Cd Cr Cu Ni Pb Sb Zn
    水田 范围 10.70~34.30 0.09~0.92 53.00~88.00 15.80~72.10 18.20~46.20 23.60~73.50 1.70~42.60 33.00~160.00
    平均值 17.79 0.40 71.41 27.23 32.06 33.79 6.51 92.31
    极差 23.60 0.83 35.00 56.30 28.00 49.90 40.90 127.00
    标准偏差 4.12 0.17 7.11 6.48 4.83 7.14 6.89 22.20
    变异系数/% 23 43 10 24 15 21 106 24
    旱地 范围 13.90~31.80 0.04~1.89 54.00~94.00 21.10~38.40 22.60~60.60 22.00~61.80 1.45~60.30 55.00~127.00
    平均值 19.55 0.43 72.06 28.07 36.01 31.36 9.68 95.14
    极差 17.90 1.85 40.00 17.30 38.00 39.80 58.85 72.00
    标准偏差 4.20 0.34 8.29 3.88 7.09 6.62 14.66 21.21
    变异系数/% 21 79 12 14 20 21 151 22
    江汉-洞庭平原[23] 10.23 0.15 13.62 18.57 - 20.86 - 84.06
    鄱阳湖[24] 13.15 0.18 81.91 38.45 - 35.44 - 80.45
    巢湖[25] 5.83 4.27 10.02 15.31 21.33 26.71 - 42.60
    成都平原[26] 9.50 0.32 104.00 35.20 39.30 41.40 - 112.00
    三江平原[27] 16.87 0.18 69.83 35.28 22.29 18.26 - 68.21
    国家土壤环境背景值[28] 9.60 0.08 57.30 20.70 24.90 23.50 1.07 68.00
    洞庭湖平原土壤背景值[29] 12.31 0.31 88.20 26.01 26.51 31.69 1.32 86.10
    注:表中重金属元素质量分数的范围、平均值、极差单位均为10-6
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    表  4  研究区潜在生态风险评价结果

    Table  4.   Evaluation results of potential ecological risks in the study area

    As Cd Cr Cu Ni Pb Sb Zn 潜在生态风险指数(RI) 风险级别
    单个重金属元素的潜在生态危害指数(Eri)
    水田 14.45 38.93 1.62 5.23 6.05 5.33 49.32 1.07 122.00 轻微
    旱地 15.88 41.94 1.63 5.40 6.79 4.95 73.32 1.11 151.02 中等
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    表  5  研究区农田土壤相关性分析结果

    Table  5.   Results of correlation analysis of farmland soil in the study area

    重金属 As Cd Cr Cu Ni Pb Sb
    Cd 0.331**
    Cr 0.397** -0.141
    Cu 0.330** 0.542** 0.149
    Ni 0.550** 0.347* 0.539** 0.517**
    Pb 0.484** 0.337** 0.385** 0.320** 0.481**
    Sb 0.344** 0.322** -0.067 0.235* 0.179* 0.173*
    Zn 0.449** 0.757** 0.103 0.751** 0.636** 0.463** 0.331**
    注:***分别表示在0.01置信水平(双尾)和0.05置信水平(双尾)下相关性显著
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    表  6  研究区土壤重金属含量旋转因子载荷

    Table  6.   Rotation factor loading of heavy metal content in the study area

    重金属 PC1 PC2 共同度
    As 0.326 0.687 0.647
    Cd 0.899 0.004 0.825
    Cr -0.216 0.880 0.846
    Cu 0.774 0.264 0.723
    Ni 0.430 0.748 0.767
    Pb 0.337 0.648 0.626
    Sb - - -
    Zn 0.896 0.308 0.925
    方差贡献率/% 38.039 34.167
    累计方差贡献率/% 38.039 72.206
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