开封市西瓜种植地土壤重金属污染及风险评价

张成丽, 钱静, 雷雨辰, 聂建欣, 马建华, 张君丽. 开封市西瓜种植地土壤重金属污染及风险评价[J]. 环境化学, 2021, 40(6): 1714-1722. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2020013002
引用本文: 张成丽, 钱静, 雷雨辰, 聂建欣, 马建华, 张君丽. 开封市西瓜种植地土壤重金属污染及风险评价[J]. 环境化学, 2021, 40(6): 1714-1722. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2020013002
ZHANG Chengli, QIAN Jing, LEI Yuchen, NIE Jianxin, MA Jianhua, ZHANG Junli. Sources of heavy metal pollution and risk assessment of soil in watermelon planting areas in Kaifeng City[J]. Environmental Chemistry, 2021, 40(6): 1714-1722. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2020013002
Citation: ZHANG Chengli, QIAN Jing, LEI Yuchen, NIE Jianxin, MA Jianhua, ZHANG Junli. Sources of heavy metal pollution and risk assessment of soil in watermelon planting areas in Kaifeng City[J]. Environmental Chemistry, 2021, 40(6): 1714-1722. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2020013002

开封市西瓜种植地土壤重金属污染及风险评价

    通讯作者: E-mail:zhangjunli0522@163.com
  • 基金项目:
    国家自然科学青年基金(41601522),中国博士后科学基金(2017M612387),河南省博士后科研项目(001701033)和2018年度河南省社科普及规划项目(1076)资助

Sources of heavy metal pollution and risk assessment of soil in watermelon planting areas in Kaifeng City

    Corresponding author: ZHANG Junli, zhangjunli0522@163.com
  • Fund Project: the National Natural Science Youth Foundation of China (41601522), China Postdoctoral Science Foundation (2017M612387), Henan Provincial Postdoctoral Research Project (001701033) and the 2018 Henan Provincial Social Science Popularization Planning Project (1076)
  • 摘要: 为了解开封市西瓜种植区土壤重金属污染特征,选取范村、西姜寨、杏花营、朱仙镇等4个乡镇西瓜种植区,采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)对种植区土壤样品中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb等6种重金属进行检测分析。结果表明,以河南省A层土壤背景为依据,开封市西瓜地土壤重金属Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb均不同程度的超出背景值。6种重金属的变异系数均在10%—100%之间,其中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb分别超出农用地土壤污染风险筛选值17.60%、0.75%、11.24%、13.11%、80.52%和0.75%。依照单因子指数法对各采样区土壤进行评价,西瓜种植区朱仙镇土壤Cr与Zn处于轻微污染,其余采样区无污染;各采样区Ni、Cu和Pb均处于无污染状态;Cd均处于轻微污染状态。内梅罗综合污染指数分析结果表明,西姜寨、杏花营、朱仙镇处于轻度污染状态,范村处于警戒级状态。潜在生态风险评价表明,西瓜种植区土壤Cd存在极强生态风险,其余均有轻微的生态风险,且Cd是构成生态危害的主要风险因子。由相关性以及主成分分析结果可知,pH与Cr、Cu、Ni、Zn、Cd、Pb均在0.01置信度水平下呈显著负相关,开封市西瓜种植地土壤重金属的污染源主要为农业源。
  • 建设北京城市副中心是党中央为了推动首都科学发展而做出的一项重大战略决策[1]. 土壤乃是一切生物生存的基础,更是维系动植物生存繁衍的根本,特别是城市土壤与城市生态环境紧密相连,关系到人体的健康[24]. 城市优良的土地资源构成了城市生态系统的关键支撑,同时,它们也是人类长期居留和可持续进化的关键物质条件之一[5]. 已有研究表明[68],城市化进程会导致土壤退化是一个紧迫的环境问题,其进程中释放的物质不断在土壤环境中累积,一旦重金属在土壤中的浓度超出相应标准的阈值,可能会直接影响土壤生态环境,鉴于城市居民,尤其是儿童,可能通过口误食、呼吸或皮肤接触等途径接触这些污染物后,易对身体健康造成不利影响.

    北京城市副中心地区作为市政府功能规划的核心区域,属于未来人口密集场所. 近几年,随着北京城市副中心的迅速发展,例如:副中心行政办公区和住宅区的建设与使用、广渠路东延工程、城市轨道交通的新建、东六环路入地改造和公路交通干线及交通枢纽建设等,增加了土壤重金属的潜在危害风险,与此同时南部区域范围内,之前分布有各类工厂,对土壤环境存在潜在污染风险[912]. 但是迄今鲜有对北京城市副中心开展土壤重金属生态风险综合研究,土壤重金属污染等级、生态风险大小和健康风险程度不清,因而亟需开展土壤重金属风险研究. 本研究以北京城市副中心作为分析区域,布点采集表层土壤,对土壤样品中的15种元素或指标进行分析测试,以潜在生态风险指数、富集因子和健康风险评价对区域土壤重金属污染进行了评价,研究结果对北京城市副中心的发展具有重要的理论和实际价值,可弥补该地区土壤重金属污染研究的不足,为北京城市副中心土壤重金属污染防治与管控、居民健康生活及城市规划提供参考依据.

    研究区位于北京市通州区境内,面积155 km2,地理坐标范围为116°36'—116°47'E、39°48'—39°57'N,南北长约18 km,东西宽约16 km. 地处永定河与潮白河的汇流平原之上,地形开阔,自西北缓缓地向东南方向倾斜,北运河斜穿该研究区. 构成该地区的土壤主要为潮黄土、两合土及沙壤土. 该地区气候特征为典型的大陆性季风气候. 研究区内建筑物较密集,主要分布在西部和中部.

    在综合考虑样品代表性、人口密度及土地利用现状之后,采用网格布点法进行布置,密度为2 km×2 km(每个格1—4个点),在研究区的公共绿地、公园绿地及居民区绿地内选取远离工矿企业和城市道路的地方共设置了107个表层(0—20 cm)土壤样品点,其中,公共绿地66个,公园绿地28个,居民区绿地13个,研究区土壤采样点位见图1.

    图 1  研究区域及采样点
    Figure 1.  Study area and sampling sites

    在设定的采样点及周围100 m范围内,采用双对角线采样法选取5个代表性的表层(0—20 cm)土壤分样,每个分样点清除植物根系、砂砾和砖块等杂物,现场均匀混合形成一个复合样品. 混合均匀之后,保留大约1.0 kg的样本量并装入样品袋. 土壤样本经实验室自然晾干、手工破碎后,然后过2 mm的尼龙筛,对通过筛的土壤样品采用四分法留下约300 g并装入牛皮袋备用测试. 土壤样品的采集和处理是进行土壤质量评估的基础,严格遵循《DZ/T 0258-2014》[13]的相关标准进行操作.

    对样品中的15种元素或指标进行了分析测试,其分析方法和检出限详见表1所示. 测试过程中加入了3件标准物质,从而对全过程的分析质量进行控制,误差范围均在允许之内. 所有样本测试结果均满足《DD2005-03》要求[14].

    表 1  土壤各指标的分析方法及检出限(mg·kg−1
    Table 1.  Methods of analysis and detection limits for soil indicators(mg·kg−1
    元素或指标Element or index 分析方法Method 参考标准Standard 实验室检出限Laboratory 规范检出限[13]Standard
    Cd 电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS) DZ/T 0279.5-2016 2.0×10−2 3.0×10−2
    Cu DZ/T 0279.3-2016 1.0×10−1 1.0
    Pb DZ/T 0279.3-2016 1.0 2.0
    Sc DZ/T 0279.3-2016 1.0×10−1 1.0
    Zn 电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES) DZ/T 0279.2-2016 1.0 4.0
    Mn DZ/T 0279.2-2016 5.0 10.0
    Ni DZ/T 0279.2-2016 2.0×10−1 2.0
    CaO DZ/T 0279.2-2016 2.0×10−2 5.0×10−2
    Cr X射线荧光光谱法(XRF) DZ/T 0279.1-2016 1.5 5.0
    Ti DZ/T 0279.1-2016 5.0 10.0
    Fe2O3 DZ/T 0279.1-2016 2.0×10−2 5.0×10−2
    Al2O3 DZ/T 0279.1-2016 3.0×10−2 5.0×10−2
    As 原子荧光光谱法 DZ/T 0279.13-2016 2.0×10−1 1.0
    Hg (AFS) DZ/T 0279.17-2016 5.0×10−4 5.0×10−4
    pH 离子选择电极法(ISE) DZ/T 0279.34-2016 1.0×10−2 1.0×10−1
      注:氧化物含量单位为%;pH无量纲. Note:Oxide content in %; pH dimensionless.
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    目前,土壤重金属污染的评价方法众多,迄今尚未有统一的规定和标准,各种污染评价方法,虽有其独特之处,但亦存在些许不足[15],采用单一的评价方法难以获得全面的评价结果. 因此,本研究运用潜在生态风险指数、富集因子和健康风险评价等多种方法进行多角度评价,他们的相互补充会使得评价结果更为准确.

    该方法的提出源于1980年,由瑞典知名学者Lars Hakanson首次提出[16]. 此方法融入了多种有毒金属的毒性指标,同时融入了这些金属的生态学、环境学和毒理学的影响. 目前在生态风险评价中得到了普遍的使用[1719],计算公式如1-2所示:

    stringUtils.convertMath(!{formula.content}) (1)
    stringUtils.convertMath(!{formula.content}) (2)

    式中,Ti代表重金属i的毒性响应系数,Ci代表重金属的实测含量,Ei代表单项重金属的生态风险指数,Co代表重金属的参比值,RI代表综合潜在生态风险指数(即所有Ei的总和);采用北京地区表层土壤(0—20 cm)的地球化学参数[20]作为该研究区参比值;各种重金属的毒性参数:As为10,Cd为30,Cr为2,Cu、Ni和Pb均为5,Hg为40,Zn为1. Ei和RI分级标准详见表2.

    表 2  潜在生态风险分级标准
    Table 2.  Potential ecological risk classification criteria
    Ei 单因子污染的生态风险Single pollutant ecological risk RI 潜在生态危害程度The potential ecological risk degree
    <40 轻微 <150 轻微
    40 ≤Ei <80 中等 150≤RI< 300 中等
    80≤Ei<160 较强 300≤RI< 600
    160≤Ei <320 ≥600 很强
    ≥320 很强
      注:“—”表示未提及. Note:“—”Means no mentioned.
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    富集因子法(EF指数)是一种在环境科学领域被广泛应用的元素分析方法[21],它主要通过对比样本元素浓度与参比物质中相应元素浓度,来判断该元素是否因人为影响而呈现富集或衰减状况 [2223],计算公式如3所示:

    stringUtils.convertMath(!{formula.content}) (3)

    式中,EF代表土壤中元素富集程度的指标. Ci代表土壤中某种元素i的含量,Cn则代表作为参考元素的元素含量. 样品(sample)指的是研究对象,而背景(baseline)则是指背景条件. 通常选取那些地球化学性质稳定且受人类活动干扰较小的元素,如铝(Al)、钛(Ti)、钪(Sc)、锂(Li)、锰(Mn)、铁(Fe)、钙(Ca)等,作为参考元素[2425]. 通过分析土壤中重金属与参考元素之间的相关性,可以判断重金属元素是否受到人为活动的干扰. 根据Southerland[26]的分级标准,重金属污染的富集因子可以按照五个等级进行划分: EF<2(无—弱富集)、2≤EF<5(中度富集)、5≤EF<20(显著富集)、20≤EF<40(高度富集)、EF≥40(极度富集). 当EF值大于1时,表示该元素相对富集受到了人类活动的侵扰.

    鉴于中国人与美国人在体重、寿命、暴露频率、皮肤面积等各方面有一定的差异,所以评估研究区域内成人和儿童的健康风险时,将美国国家环境保护局的健康风险评价模型和中国生态环境部评估模型结合使用 [2728]. 评估不同暴露路径下重金属所导致的健康风险,计算公式如式4-5所示:

    stringUtils.convertMath(!{formula.content}) (4)
    stringUtils.convertMath(!{formula.content}) (5)

    式中,HI代表总非致癌健康风险指数的和,当HI小于1 时,表明重金属的非致癌风险微乎其微或可忽视,反之,则存在一定的非致癌健康风险[29];TCR代表致癌健康风险指数总和,若其值小于1×10−6,则不会引发致癌风险;当TCR值介于1×10−6—1×10−4之间时,致癌风险则处于可接受范围;然而,若TCR值超过1×10−4,则致癌风险变得不可接受[3031]. ADDioral、ADDidermal和 ADDibreath依次代表经口直接摄入、皮肤接触和呼吸摄入等不同途径的暴露剂量;RfDi代表三种途径的参考剂量;SF代表致癌斜率系数.

    每日土壤重金属暴露剂量的估算公式如式6-8所示:

    stringUtils.convertMath(!{formula.content}) (6)
    stringUtils.convertMath(!{formula.content}) (7)
    stringUtils.convertMath(!{formula.content}) (8)

    式中,Ci代表土壤重金属元素i的实测含量,单位为mg·kg−1;其余参数含义见表3所示. 本项探究中对土壤中重金属对人体健康造成风险的估算参数及其数值见表3. 同时,表4列出了在3种不同的接触途径下,推荐日摄入量(RfD)以及致癌斜率系数(SF)的参考数据.

    表 3  健康风险评估参数及取值[27-2832-33]
    Table 3.  Health risk assessment parameters and values
    参数Parameter 单位Units 儿童参考取值Children reference values 成人参考取值Adult reference values
    IngR(每日摄入土壤量) mg·d−1 200 100
    InhR(每日空气呼吸量) m3·d−1 7.5 14.5
    ABS(皮肤吸收因子) 无量纲 As(0.03);Cd(0.001);Cr(0.001);Cu(0.06);Hg(0.05);Ni(0.001);Pb(0.006);Zn(0.02)
    EF(暴露频率) d·a−1 350 350
    BW(平均体重) kg 19.2 61.8
    AT(平均暴露时间) d 致癌(27740)非致癌(2190 致癌(27740)非致癌(2190
    ED(暴露年限) a 6 24
    PEF(土壤尘产生因子) m3·kg−1 1.36×109 1.36×109
    SA(暴露皮肤表面积) cm2 2848.01 5373.99
    SL(皮肤粘附系数) mg·(cm2·d)−1 0.2 0.07
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    表 4  各重金属不同暴露途径参考剂量及致癌斜率系数取值[27-2832-33]
    Table 4.  Values of reference doses and carcinogenicity slope coefficients for different exposure pathways of each heavy metal
    参数Parameter 重金属Heavy metal
    As Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn
    参考剂量RfD[mg·(kg·d)−1] RfDioral 3.0×10−4 1.0×10−3 3.0×10−3 4.0×10−2 3.0×10−4 2.0×10−2 3.5×10−3 3.0×10−1
    RfDidermal 3.0×10−4 2.5×10−5 7.5×10−5 4.0×10−2 2.1×10−5 8.0×10−4 5.3×10−4 3.0×10−1
    RfDibreath(儿童) 5.86×10−4 3.91×10−6 3.91×10−5 1.17×10−5 3.52×10−5 1.37×10−4
    RfDibreath(成人) 3.52×10−4 2.35×10−6 2.35×10−5 7.04×10−5 2.11×10−5 8.21×10−5
    致癌斜率系数SF[((kg·d) ·mg−1] SForal 1.5 6.1
    SFdermal 1.5 6.1
    SFbreath 4.3×10−3 6.3
      注:“—”表示无相应参考值. Note:“—”Means no corresponding reference value.
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    使用Excel 2017和SPSS 19.0进行元素和指标的统计分析,图形绘制用MapGIS 6.7 和OriginPro 2021软件完成.

    土壤pH值介于7.83—9.17,以碱性和强碱性为主,其平均值、中位值均超过了北运河流域(北京段)背景值[34]和北京土壤背景值[20],如表5所示;土壤中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn等8项重金属的中位值与北运河流域(北京段)背景值相比较,除As、Cr和Ni外,其余重金属元素含量均超过北运河流域(北京段)背景值,是相应背景值的1.02—3.05倍;与北京土壤背景值相比较,除As和Cr外,其余重金属元素含量中位值均超过北京土壤背景值,为相应背景值的1.07—2.04倍. 变异系数是评价土壤特性参数空间变异性程度的定量指标,若其数值越大,则表明该指标分布的均匀性越差,受人类活动的侵扰越强烈[35];土壤中重金属 As和Hg 处在高度变异水平,相比Hg的变异系数最大,为121.4%,表明这种重金属在土壤中分布最不均匀,这可能与人类侵扰有较大关联;而重金属 Cd、Cu、Ni、Pb和Zn 的变异系数处于中等水平,Cr的变异系数最低,表明其受人类侵扰最小;综上所述,研究区土壤重金属的高度变异系数暗示了人为因素在局部区域对土壤重金属含量的显著影响.

    表 5  土壤重金属含量统计特征(mg·kg−1
    Table 5.  Statistical characteristics of soil heavy metal content(mg·kg−1
    指标Index As Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn pH
    最小值 2.99 0.060 41.4 12.2 0.013 16.1 15.8 45.9 7.83
    最大值 43.80 0.300 82.7 67.1 0.963 42.9 54.6 225.0 9.17
    平均值 7.67 0.150 56.3 23.7 0.067 25.6 25.4 73.1 8.65
    中位值 8.20 0.153 55.8 24.6 0.116 25.1 26.6 76.6 8.61
    标准离差 4.03 0.05 6.22 7.78 0.14 4.26 5.95 22.75 0.25
    偏度 6.61 0.73 0.37 2.00 3.22 0.40 2.05 3.52 -0.44
    峰度 58.19 0.64 2.40 8.14 13.78 2.02 6.68 18.58 0.22
    变异系数/% 49.1 31.8 11.1 31.6 121.4 17.0 22.4 29.7 2.9
    北运河流域(北京段)背景值[34] 8.68 0.150 56.7 22.8 0.038 25.2 22.8 71.5 8.38
    北京土壤背景值[20] 8.4 0.140 58.0 23 0.057 25 24 69 8.21
    农用地筛选值[37] 25 0.6 250 100 3.4 190 170 300
    建设用地筛选值[38] 20 20 2000 8 150 400
      注:偏度、峰度、变异系数和pH均无量纲;北运河流域(北京段)背景值统计的表层土壤(0—20 cm)样本量n=740;北京土壤背景值统计的表层土壤(0—20 cm)样本量n=2268;“-”表示未提及.
      Note:Skewness, kurtosis, coefficient of variation and pH are dimensionless; Sample size of top soil (0—20 cm) for background value statistics in the BeiyunRiver Basin (Beijing section) n=740; Sample size of top soil (0—20 cm) for soil background value statistics in Beijing n=2268; “-”Means no mentioned.
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    判定参与统计的数据是否符合正态分布或近似正态分布,可降低统计分析和空间插值分析过程中出现的潜在比例效应[36]. 对研究区的107件土壤重金属样品含量绘制箱线图和正态曲线,如图2,结果表明,研究区As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn等7种重金属元素符合正态分布,Hg符合对数正态分布.

    图 2  土壤8项重金属箱线图和正态曲线(n=107)
    Figure 2.  Box plots and normal curves for 8 heavy metals in soil(n=107)

    参照农用地筛选值[37]和建设用地筛选值[38]标准,所有土壤样本的Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn在内的7项重金属元素的含量均低于农用地筛选值阈值,属于优先保护类别;仅有1件土壤样品中As含量超过农用地筛选值和建设用地筛选值阈值,调查发现该超标样点位于公园树林中,该树林为人工种植,As元素超标可能与农药的使用密切相关[39]. 表层土壤的金属浓度表现出显著的多样性(表5).

    在土壤重金属危害指数(Ei)评价结果(见表6)中,区内8种重金属单一潜在生态危害指数平均值由低到高排序依次为:Zn、Cr、Ni、Cu、Pb、As、Cd、Hg. 除Hg外,其余元素单一潜在生态风险指数均小于 40,为轻微生态风险;As和Cd的单一潜在生态风险指数范围分别为3.56—52.14和12.86—64.29,属轻微生态风险水平的样本占比均在77%以上. 区内土壤中Hg和Cd是主要的生态危害因子,其中Hg的单一潜在生态风险指数极高值是其风险等级最大值2.11倍.

    表 6  土壤重金属危害指数及风险指数
    Table 6.  Soil heavy metal hazard index and risk index
    单一潜在生态危害指数Single potential ecological risk index 元素Element Ei范围Ei range Ei均值Ei mean 不同风险等级样本占比/%Percentage of samples with different risk levels/%
    轻微Slight 中等Moderate 较强Weakly strong 强Strong 极强Extremely strong
    Ei As 3.56—52.14 9.76 99.07 0.93 0 0 0
    Cd 12.86—64.29 32.70 77.57 22.43 0 0 0
    Cr 1.43—2.85 1.92 100 0 0 0 0
    Cu 2.65—14.59 5.35 100 0 0 0 0
    Hg 9.12—675.79 81.32 42.06 29.91 10.28 14.95 2.80
    Ni 3.22—8.58 5.01 100 0 0 0 0
    Pb 3.29—11.38 5.55 100 0 0 0 0
    Zn 0.67—3.26 1.11 100 0 0 0 0
    总潜在生态风险指数 Total potential ecology Risk index RI范围 RI均值 不同风险等级样本占比/%Percentage of samples with different risk levels/%
    轻微Slight 中等Moderate 强Strong 很强Extremely strong
    RI 41.42—750.68 142.73 74.77 19.63 4.67 0.93
      注:“-”表示未提及. Note:“—”Means no mentioned.
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    土壤中重金属的总潜在生态风险指数 (RI)极值差异显著,均值为142.73. 生态环境面临的风险程度轻重不一,以轻度和中度风险为主,分别占总样本量的74.77%和19.63%;极度风险的样本仅有1件,占总样本量的0.93%. 图3结果显示,这些高风险样点主要位于研究区的中部和西部,通过调查发现,那里有大量的住宅小区、交通主干线、公园、建筑工地和生产加工企业,这些地区长期受到人类活动和生产活动的侵扰,从而导致周边土壤中的重金属,如 Cd 和 Hg 的生态风险较高,其中 Hg 的极端值颇高. 此外,Hg 的 Ei和 RI 值在其分布区域里呈现出较高的相似性,这一现象使得Hg成为对生态系统整体风险贡献最大的因素.

    图 3  土壤重金属风险指数(RI)等值线图
    Figure 3.  Contour plot of soil heavy metal risk index (RI)

    运用SPSS 19.0对土壤8项重金属元素与候选参考元素进行皮尔逊相关系数矩阵分析(见图4),以探究它们之间的相关性. 由图4可知,土壤中Mn、Sc、Ti 和Fe与As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn呈正相关关系. 鉴于Mn是变价元素,化学性质不稳定,高价Mn存在迁移性,因此,选择Mn做参比元素不合适;而Sc在表生地球化学过程中性质稳定,因此,在评价土壤重金属富集因子时,以Sc为计算富集因子的参照元素则相对合理.

    图 4  土壤元素间的相关性分析
    Figure 4.  Correlation analysis between soil elements
    注: Al用Al2O3代替,Ca用CaO代替,Fe用Fe2O3代替.
    Note:Al is replaced by Al2O3, Ca by CaO and Fe by Fe2O3.

    图5可知,所有土壤均无高度富集和极度富集,均值总体处于无—弱富集水平,从弱到强依次为:Cr、As、Ni、Cu、Cd、Zn、Pb、Hg. 在研究区的土壤中,所有Cr和Ni富集因子均小于2,均处于无—弱富集水平. 土壤As富集因子有1件样本呈显著富集,占样本总数的0.93%. 土壤Hg富集现象尤为突出,富集程度跨度较广,土壤Hg呈显著富集程度的样点数为 7 件,占总样本数的 6.54%,Hg 富集因子的最小值与最大值差异显著,这揭示了人类活动对汞积累的影响强烈;对于土壤中的Cd、Cu、Hg、Pb和Zn,它们的富集因子表现出中等程度富集,占总样本数的比例依次为: 2.80%、1.87%、17.76%、1.87%和2.80%. 而Cr和Ni的富集因子均值相对较小,表明Cr和Ni在土壤中的空间分布主要受地质因素的控制,人为活动侵扰相对较小;而土壤Hg、Pb、Zn、Cd、Cu和As的富集因子均值相对较大,表明在土壤中富集的重金属元素主要来自外部非自然条件;总之,Hg、Pb、Zn、Cd、Cu和As 含量均在不同程度上受到人为活动侵扰.

    图 5  土壤重金属的EF评价
    Figure 5.  Enrichment factor evaluation of soil heavy metals

    表7表8图6可知,在非致癌性物质暴露方面,儿童的总量超过了成人. 儿童通过口腔和皮肤接触土壤中的重金属日均暴露量均超出成人,然而,通过呼吸摄入的日均暴露量则低于成人. 在不同的接触方式中,各类重金属元素的健康风险指数从低到高排列为:HIibreath<HIidermal<HIioral. 这一现象说明,土壤中的重金属对于人体的非致癌风险主要与通过口腔摄入有关,并且这种风险会随着接触方式的改变而变化. 针对儿童与成年人群,各类单一土壤重金属所引发的非致癌风险指数的平均值普遍低于1. 各种重金属对儿童和成人的非致癌风险程度,从低到高排序为:Cd<Zn<Hg<Cu<Ni<Pb<Cr<As. 单一重金属元素的健康风险指数(HQ)均低于1. 儿童与成人面对的非致癌性重金属健康风险指标(HI)分别介于0.318—1.751和0.197—1.086之间,其均值分别为0.573和0.355,各仅有一件样本的HI值超过了1,表明有高达99.07%对儿童与成人构成的非致癌健康风险是极其微小的,尚可忽略,仅有0.93%的个别土壤样本可能对儿童与成人构成非致癌健康风险. 图7显示,儿童的重金属潜在非致癌风险(HQ)普遍高于成年人群,这揭示了土壤中的As、Cr和Pb等重金属成分可能是引起这一现象的关键原因.

    表 7  土壤中重金属的非致癌平均日暴露量统计[mg·(kg·d)−1]
    Table 7.  Statistics of non-carcinogenic average daily exposure to heavy metals in soil[mg·(kg·d)−1]
    人群Crowds 途径Avenues As Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn ADDtotal
    儿童 ADDioral 8.19×10−5 1.52×10−6 5.57×10−4 2.46×10−4 1.16×10−6 2.50×10−4 2.66×10−4 7.65×10−4 2.17×10−3
    ADDidermal 1.17×10−6 7.24×10-10 2.64×10−7 7.00×10−6 2.75×10−8 1.19×10−7 7.58×10−7 7.26×10−6 1.66×10−5
    ADDibreath 2.26×10−9 4.20×10-11 1.54×10−8 6.77×10−9 3.19×10-11 6.90×10−9 7.34×10−9 2.11×10−8 5.98×10−8
    ADDichild 8.31×10−5 1.52×10−6 5.57×10−4 2.53×10−4 1.19×10−6 2.50×10−4 2.67×10−4 7.72×10−4 2.19×10−3
    成人 ADDioral 5.09×10−5 9.47×10−7 3.46×10−4 1.53×10−4 7.19×10−7 1.56×10−4 1.65×10−4 4.75×10−4 1.35×10−3
    ADDidermal 2.39×10−7 1.48×10-10 5.43×10−8 1.44×10−6 5.64×10−9 2.44×10−8 1.55×10−7 1.49×10−6 3.41×10−6
    ADDibreath 5.43×10−9 1.01×10-10 3.69×10−8 1.63×10−8 7.67×10-11 1.66×10−8 1.76×10−8 5.07×10−8 1.44×10−7
    ADDiadult 5.11×10−5 9.47×10−7 3.46×10−4 1.54×10−4 7.25×10−7 1.56×10−4 1.65×10−4 4.76×10−4 1.35×10−3
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    表 8  研究区土壤重金属非致癌危害指数统计
    Table 8.  Statistics of non-carcinogenic hazard index of heavy metals in soil of study area
    人群Crowds 途径Avenues HQ均值Mean
    As Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn
    儿童 经口摄入 2.73×10−1 1.52×10−3 1.86×10−1 6.14×10−3 3.86×10−3 1.25×10−2 7.60×10−2 2.55×10−3
    皮肤渗透 4.10×10−3 2.47×10−5 3.88×10−3 1.54×10−4 5.53×10−4 1.46×10−4 1.25×10−3 2.22×10−5
    呼吸摄入 3.85×10−4 1.08×10−5 3.93×10−4 2.73×10−6 1.96×10−4 5.35×10−5
    总和 2.76×10−1 1.56×10−3 1.90×10−1 6.30×10−3 4.4×10−3 1.29×10−2 7.73×10−2 2.57×10−3
    成人 经口摄入 1.70×10−1 9.47×10−4 1.15×10−1 3.82×10−3 2.40×10−3 7.78×10−3 4.72×10−2 1.59×10−3
    皮肤渗透 7.98×10−4 5.94×10−6 7.23×10−4 3.59×10−5 2.68×10−4 3.05×10−5 2.93×10−4 4.97×10−6
    呼吸摄入 1.54×10−3 4.30×10−5 1.57×10−3 1.09×10−6 7.86×10−4 2.15×10−4
    总和 1.72×10−1 9.96×10−4 1.18×10−1 3.85×10−3 2.67×10−3 8.59×10−3 4.77×10−2 1.59×10−3
      注:“—”表示未提及. Note:“—”Means no mentioned.
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    图 6  土壤重金属健康风险评价结果
    Figure 6.  Results of soil heavy metal health risk evaluation
    图 7  土壤单一重金属HQ贡献率
    Figure 7.  Soil single heavy metal HQ contribution

    表9图6可知,致癌与非致癌风险的日暴露风险评价一致,从高到低排列,致癌的平均日暴露量为ADDioral>ADDidermal> ADDibreath,其中土壤重金属通过口直接摄入是致癌风险指数(TCR)的主要影响因素. 在研究区域内,儿童与成人所接触的土壤致癌风险TCR分别介于3.92×10−6—5.33×10−5和2.42×10−6—3.28×10−5之间,其平均值分别为1.06×10−5和6.52×10−6;所有采集的样品该风险值均落在1×10−6—1×10−4的范围. 据此判断,研究区土壤重金属砷(As)和镉(Cd)对儿童与成人引起的致癌总风险仍处于较低水平,尚可忽略.

    表 9  土壤重金属致癌危害指数统计
    Table 9.  Soil Heavy Metals Carcinogenic Hazard Index Statistics
    人群Crowds 途径Avenues CR均值Mean
    As Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn
    儿童 经口摄入 9.70×10−6 7.34×10−7
    皮肤渗透 1.38×10−7 3.48×10-10
    呼吸摄入 7.67×10-13 2.09×10-11
    总和 9.84×10−6 7.34×10−7
    成人 经口摄入 6.03×10−6 4.56×10−7
    皮肤渗透 2.83×10−8 7.15×10-11
    呼吸摄入 1.84×10-12 5.02×10-11
    总和 6.06×10−6 4.56×10−7
      注:“—”表示未提及.Note:“—”Means no mentioned.
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    有关土壤重金属污染的风险评价,目前我国尚无统一的规定与标准,因此,不同的评价标准将导致对污染程度不同的结论. 考虑到北京土壤背景值[20]低于中国土壤元素背景值[40]、农用地风险筛选值[37]及建设用地筛选值[38],如以北京土壤背景值为评价基准,其重金属污染程度结果则较为严重. 研究区综合污染程度较轻,总体处于安全无污染水平,环境相对安全. 该地区土壤中总体上四分之一的重金属潜在生态风险指数(RI)处于中等水平. 土壤中重金属的富集因子(EF)呈现出零星样本中土壤中的Hg和As受到明显的污染,表明长期的人类和生产活动对部分土壤重金属积累造成了一定影响. 潜在风险生态指数(RI)和富集因子(EF)都表明,该地区土壤中Hg的贡献最为显著. 根据农用地筛选值标准[37],该地区的8种重金属元素含量整体偏低,符合标准要求,土壤中仍存在大量重金属环境容量.

    1)土壤pH值显碱性-强碱性;区内总体环境相对安全,As和Hg这两项元素呈现高度的变异性,尤其是Hg,其变异性系数高达121.4%,这一现象揭示了人类活动对某些区域土壤中这些元素的高度富集有着直接关系.

    2)土壤中重金属的潜在生态风险水平以轻微和中等为主,分别占总样本数的74.77%和19.63%;仅存在零星的强和极强潜在生态风险水平的土壤样品,分别占总样本数的4.67%和0.93%,这些样本主要分布在研究区的中部和西部,这些区域分布有大量的住宅小区、交通干线、公园、建筑工地及一些生产加工企业,长期的人类活动及生产活动导致周边土壤中重金属Hg和Cd的生态风险相对较高.

    3)土壤中重金属元素的富集因子均值低于2,元素富集程度由低到高排序依次为:Cr、As、Ni、Cu、Cd、Zn、Pb、Hg,总体处于无—弱污染水平,有6.54%的土壤Hg和0.93%的As富集因子呈显著富集.

    4)土壤中重金属对儿童和成人的非致癌风险程度,从低到高排序为:Cd<Zn<Hg<Cu<Ni<Pb<Cr<As,99.07%以上的样品均在可接受的区间内,但有1件样品的土壤重金属对儿童和成人均构成了轻微的非致癌健康风险,揭示了土壤中的As、Cr和Pb等重金属可能是引起这一风险的关键原因.

  • 图 1  开封市西瓜种植区位置及采样点分布示意图

    Figure 1.  Location and sampling distribution of watermelon growing areas in kaifeng city

    图 2  西瓜种植区不同采样点土壤重金属的单因子污染指数

    Figure 2.  Single factor pollution index of soil heavy metals at different sampling points in watermelon planting area

    表 1  潜在生态风险评价指标分级

    Table 1.  Classification of potential ecological risk assessment indicators

    Eir单因子生态危害程度Single factor ecological harm degreeRI总的潜在生态危害程度Total potential ecological hazard
    <40轻微Slight risk<150轻微Slight risk
    40—80中等Medium risk150—300中等Medium risk
    80—160强Strong risk300—600强Strong risk
    160—320很强Very strong risk600—1200很强Very strong risk
    ≥320极强Extremely strong risk≥1200极强Extremely strong risk
    Eir单因子生态危害程度Single factor ecological harm degreeRI总的潜在生态危害程度Total potential ecological hazard
    <40轻微Slight risk<150轻微Slight risk
    40—80中等Medium risk150—300中等Medium risk
    80—160强Strong risk300—600强Strong risk
    160—320很强Very strong risk600—1200很强Very strong risk
    ≥320极强Extremely strong risk≥1200极强Extremely strong risk
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    表 2  开封市西瓜地土壤重金属描述性统计分析(mg·kg−1

    Table 2.  Descriptive statistical analysis of heavy metals in watermelon soil in Xiangfu District, Kaifeng City (mg·kg−1)

    采样点Sampling siteCrNiCuZnCdPb
    西姜寨(pH8.06—9.46)92.7342.8832.94125.40.9163.62
    范村(pH8.54—5.59)132.551.9741.15144.70.6359.47
    杏花营(pH7.76—9.49)191.571.0257.40209.61.0774.90
    朱仙镇(pH8.84—9.60)255.299.3081.81299.31.1687.74
    土壤标准值Soil standard value250.0190.0100.0300.00.60170.0
    土壤背景值Soil background value62.5026.1019.2058.400.0719.10
    平均值The average181.771.0057.40209.30.9773.54
    最大值The maximum708.7280.7241.4798.64.34186.6
    最小值The minimum value6.373.512.366.960.413.81
    标准差The standard deviation110.839.5834.57118.20.4823.08
    变异系数Coefficient of variation/%60.9555.7460.2256.4849.8731.38
    超标率Exceeding rate/%17.600.7511.2413.1180.520.75
    采样点Sampling siteCrNiCuZnCdPb
    西姜寨(pH8.06—9.46)92.7342.8832.94125.40.9163.62
    范村(pH8.54—5.59)132.551.9741.15144.70.6359.47
    杏花营(pH7.76—9.49)191.571.0257.40209.61.0774.90
    朱仙镇(pH8.84—9.60)255.299.3081.81299.31.1687.74
    土壤标准值Soil standard value250.0190.0100.0300.00.60170.0
    土壤背景值Soil background value62.5026.1019.2058.400.0719.10
    平均值The average181.771.0057.40209.30.9773.54
    最大值The maximum708.7280.7241.4798.64.34186.6
    最小值The minimum value6.373.512.366.960.413.81
    标准差The standard deviation110.839.5834.57118.20.4823.08
    变异系数Coefficient of variation/%60.9555.7460.2256.4849.8731.38
    超标率Exceeding rate/%17.600.7511.2413.1180.520.75
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    表 3  开封市西瓜地土壤重金属潜在生态风险评价分析

    Table 3.  Evaluation on Potential Ecological Risk of Heavy Metals in Soil of Watermelon in Xiangfu District, Kaifeng City

    采样点Sampling siteCrCuZnCdPbRI
    西姜寨2.978.582.15390.016.65428.6
    范村4.2410.722.48270.015.57313.0
    杏花营6.1314.953.59458.619.61516.5
    朱仙镇8.1721.305.13497.122.97573.7
    开封市5.8114.953.58415.019.25472.2
    采样点Sampling siteCrCuZnCdPbRI
    西姜寨2.978.582.15390.016.65428.6
    范村4.2410.722.48270.015.57313.0
    杏花营6.1314.953.59458.619.61516.5
    朱仙镇8.1721.305.13497.122.97573.7
    开封市5.8114.953.58415.019.25472.2
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    表 4  采样区土壤重金属皮尔森相关系数

    Table 4.  Pearson correlation coefficient of soil heavy metals in sampling area

    指标IndicatorsCrNiCuZnCdPbpH
    采样区Sampling areaCr1
    Ni0.524**1
    Cu0.640**0.919**1
    Zn0.541**0.883**0.914**1
    Cd0.443**0.422**0.521**0.641**1
    Pb0.279*0.416**0.475**0.528**0.677**1
    pH−0.257**−0.173−0.229−0.146−0.124−0.1141
      **在0.01水平(双侧)上显著相关;*在0.05水平(双侧)上显著相关.  **Correlation is significant at the 0.01 level; *Correlation is significant at the 0.05 level.
    指标IndicatorsCrNiCuZnCdPbpH
    采样区Sampling areaCr1
    Ni0.524**1
    Cu0.640**0.919**1
    Zn0.541**0.883**0.914**1
    Cd0.443**0.422**0.521**0.641**1
    Pb0.279*0.416**0.475**0.528**0.677**1
    pH−0.257**−0.173−0.229−0.146−0.124−0.1141
      **在0.01水平(双侧)上显著相关;*在0.05水平(双侧)上显著相关.  **Correlation is significant at the 0.01 level; *Correlation is significant at the 0.05 level.
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    表 5  采样区土壤重金属主成分分析结果

    Table 5.  Principal component analysis results of heavy metals in sampling area

    元素Element因子载荷Factor loading
    西姜寨范村杏花营朱仙镇
    PC1(58.44%)PC2(25.74%)PC1(61.13%)PC2(18.90%)PC1(83.50%)PC1(82.61%)
    Cr0.820.710.890.94
    Ni0.970.880.960.98
    Cu0.980.910.950.97
    Zn0.940.910.980.98
    Cd0.830.530.740.860.60
    Pb0.870.680.560.870.93
    方差贡献率/%58.4425.7461.1318.983.582.61
    累积贡献率/%58.4484.1861.1380.0483.582.61
      注:百分数为各因子(各主成分)在总变量中的贡献率;“—”表示该元素在对应的主成分上载荷小于0.4.  Note: the percentage is the contribution rate of each factor (principal component) in the total variable; “--” means that the element's load on the corresponding principal component is less than 0.4.
    元素Element因子载荷Factor loading
    西姜寨范村杏花营朱仙镇
    PC1(58.44%)PC2(25.74%)PC1(61.13%)PC2(18.90%)PC1(83.50%)PC1(82.61%)
    Cr0.820.710.890.94
    Ni0.970.880.960.98
    Cu0.980.910.950.97
    Zn0.940.910.980.98
    Cd0.830.530.740.860.60
    Pb0.870.680.560.870.93
    方差贡献率/%58.4425.7461.1318.983.582.61
    累积贡献率/%58.4484.1861.1380.0483.582.61
      注:百分数为各因子(各主成分)在总变量中的贡献率;“—”表示该元素在对应的主成分上载荷小于0.4.  Note: the percentage is the contribution rate of each factor (principal component) in the total variable; “--” means that the element's load on the corresponding principal component is less than 0.4.
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  • [1] 杨新明, 庄涛, 韩磊, 等. 小清河污灌区农田土壤重金属形态分析及风险评价 [J]. 环境化学, 2019, 38(3): 644-652.

    YANG X M, ZHUANG T, HAN L, et al. Fraction distribution and ecological risk assessment of soil heavy metals in the farmland soil from the sewage irrigated area of Xiaoqing River [J]. Environmental Chemistry, 2019, 38(3): 644-652(in Chinese).

    [2] 林海, 靳晓娜, 董颖博, 等. 膨润土对不同类型农田土壤重金属形态及生物有效性的影响 [J]. 环境科学, 2019, 40(2): 945-952.

    LIN H, JIN X N, DONG Y B, et al. Effects of bentonite on chemical forms and bioavailability of heavy metals in different types of farmland soils [J]. Environmental Science, 2019, 40(2): 945-952(in Chinese).

    [3] 环境保护部, 国土资源部. 全国土壤污染状况调查公报 [J]. 中国环保产业, 2014, 36(5): 10-11.

    Ministry of Environmental Protection, Ministry of Land and Resources. National bulletin of soil pollution survey China [J]. Environmental Protection Industry, 2014, 36(5): 10-11(in Chinese).

    [4] 谢团辉, 郭京霞, 陈炎辉, 等. 福建省某矿区周边土壤-农作物重金属空间变异特征与健康风险评价 [J]. 农业环境科学学报, 2019, 38(3): 544-554. doi: 10.11654/jaes.2018-1315

    XIE T H, GUO J X, CHEN Y H, et al. Spatial variability and health risk assessment of heavy metals in soils and crops around the mining areain Fujian Province, China [J]. Journal of Agro-Environment Science, 2019, 38(3): 544-554(in Chinese). doi: 10.11654/jaes.2018-1315

    [5] 张军, 董洁, 梁青芳, 等. 宝鸡市区土壤重金属污染影响因子探测及其源解析 [J]. 环境科学, 2019, 40(8): 3774-3783.

    ZHANG J, DONG J, LIANG Q F, et al. Heavy metal pollution characteristics and influencing factors in Baoji Arban Soils [J]. Environmental Science, 2019, 40(8): 3774-3783(in Chinese).

    [6] 赵慧, 何博, 孟晶, 等. 典型城市化地区蔬菜重金属的累积特征与健康风险研究 [J]. 中国生态农业学报(中英文), 2019, 27(12): 1892-1902.

    ZHAO H, HE B, MENG J, et al. Accumulation characteristics and health risks of heavy metals in vegetables in typical urbanized areas [J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(12): 1892-1902(in Chinese).

    [7] MUNGAI T M, OWINO A A, MAKOKHA V A, et al. Occurrences and toxicological risk assessment of eight heavy metals in agricultural soils from Kenya, Eastern Africa [J]. Environmental Science and Pollution Research, 2016, 23(18): 1-9.
    [8] 李伟迪, 崔云霞, 曾撑撑, 等. 太滆运河流域农田土壤重金属污染特征与来源解析 [J]. 环境科学, 2019, 40(11): 5073-5081.

    LI W D, CUI Y M, ZENG C C, et al. Pollution characteristics and source analysis of heavy metals in farmland soils in the Taige Canal Valley [J]. Environmental Science, 2019, 40(11): 5073-5081(in Chinese).

    [9] 卢鑫, 胡文友, 黄标, 等. 基于UNMIX模型的矿区周边农田土壤重金属源解析 [J]. 环境科学, 2018, 39(3): 1421-1429.

    LU X, HU W Y, HUANG B, et al. Source apportionment of heavy metals in farmland soils around mining area based on UNMIX Model [J]. Environmental Science, 2018, 39(3): 1421-1429(in Chinese).

    [10] 王小莉, 陈志凡, 魏张东, 等. 开封市城乡交错区农田土壤重金属污染及潜在生态风险评价 [J]. 环境化学, 2018, 37(3): 513-522.

    WANG X L, CHEN Z F, WEI Z D, et al. Heavy metal pollution and potential ecological risk assessment in agricultural soils located in the peri-urban area of Kaifeng City [J]. Environmental Chemistry, 2018, 37(3): 513-522(in Chinese).

    [11] 李肃秋, 陈光华. 1987-2016年开封市气候特征分析 [J]. 现代农业科技, 2017(23): 192, 198.

    LI S Q, CHEN G H. Analysis on climate characteristics of Kaifeng from 1987 to 2016 [J]. Xiandai Nongye Keji, 2017(23): 192, 198(in Chinese).

    [12] 张存松, 吴占清, 张先亮, 等. 推进农业供给侧结构性改革下看开封西瓜产业如何发展 [J]. 农业科技通讯, 2019(4): 47-49.

    ZHANG C X, WU Z Q, ZHANG X L, et al. How to promote the agricultural supply-side structural reform to see the development of the watermelon industry in Kaifeng [J]. Communications on Agricultural Science and Technology, 2019(4): 47-49(in Chinese).

    [13] 李一蒙, 马建华, 刘德新, 等. 开封城市土壤重金属污染及潜在生态风险评价 [J]. 环境科学, 2016, 36(3): 1037-1043.

    LI Y M, MA J H, LIU D X, et al. Assessment of heavy metal pollution and potential ecological risks of urban soils in Kaifeng City, China [J]. Environmental Science, 2016, 36(3): 1037-1043(in Chinese).

    [14] 马建华, 马诗院, 陈云增. 河南某污灌区土壤-作物-人发系统重金属迁移与积累 [J]. 环境科学学报, 2014, 34(6): 1517-1526.

    MA J H, MA S Y, CHEN Y Z. Migration and accumulation of heavy metals in soil-crop-hair system in a sewage irrigation area, Henan, China [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2014, 34(6): 1517-1526(in Chinese).

    [15] 姜玉玲, 阮心玲, 杨玲, 等. 开封市城市土壤剖面Hg、As和Sb分布特征分析 [J]. 环境化学, 2017, 36(5): 1036-1046.

    JIANG Y L, RUAN X L, YANG L, et al. Distribution of Hg, As and Sb concentrations in urban soil profiles of Kaifeng City, Henan Province [J]. Environmental Chemistry, 2017, 36(5): 1036-1046(in Chinese).

    [16] 张东明, 吕新, 王海江, 等. 工业区周边农田重金属污染评价及来源分析 [J]. 土壤通报, 2017, 48(3): 715-723.

    ZHANG D M, LV Xin, WANG Hai Jiang, et al. Heavy metal pollution assessment and source analysis on farmland soil around an industrial area [J]. Soil notification, 2017, 48(3): 715-723(in Chinese).

    [17] 吴健, 王敏, 张辉鹏, 等. 复垦工业场地土壤和周边河道沉积物重金属污染及潜在生态风险 [J]. 环境科学, 2018, 39(12): 5620-5627.

    WU J, WANG M, ZHANG H P, et al. Heavy metal pollution and potential ecological risk of soil from reclaimed industrial sites and surrounding river sediments [J]. Environmental Science, 2018, 39(12): 5620-5627(in Chinese).

    [18] 王春光, 刘军省, 殷显阳, 等. 基于IDW的铜陵地区土壤重金属空间分析及污染评价 [J]. 安全与环境学报, 2018, 18(5): 1989-1996.

    WANG C G, LIU J S, YIN X Y, et al. Spatial analysis and pollution assessment of heavy metals in the soils of Tongling urban area based on IDW [J]. Journal of Safety and Environment, 2018, 18(5): 1989-1996(in Chinese).

    [19] Hakanson L. An ecological risk index for aquatic pollution control. a sedimentological approach [J]. Water Research, 1980, 14(8): 975-1001. doi: 10.1016/0043-1354(80)90143-8
    [20] 邵丰收, 周皓韵. 河南省主要元素的土壤环境背景值 [J]. 河南农业, 1998(10): 28.

    SHAO F S, ZHOU H Y. The background value of soil environment of main elements in Henan Province [J]. Henan Agriculture, 1998(10): 28(in Chinese).

    [21] 马牧源, 于一雷, 郭嘉, 等. 襄阳入江中小河流表层沉积物重金属污染特征及其潜在的生态风险评价 [J]. 环境科学学报, 2019, 39(9): 3144-3153.

    MA M Y, YU Y L, GUO J, et al. Heavy metal pollution characteristics and potential ecological risk assessment of surface sediments in the middle and small rivers of the Yangtze River in the Yangtze River [J]. Journal of Environmental Science, 2019, 39(9): 3144-3153(in Chinese).

    [22] 何博, 赵慧, 王铁宇, 等. 典型城市化区域土壤重金属污染的空间特征与风险评价 [J]. 环境科学, 2019(6): 1-11.

    HE B, ZHAO H, WANG T Y, et al. Spatial characteristics and risk assessment of heavy metal pollution in typical urbanized areas [J]. Environmental Science, 2019(6): 1-11(in Chinese).

    [23] 王洪涛, 张俊华, 丁少峰, 等. 开封城市河流表层沉积物重金属分布、污染来源及风险评估 [J]. 环境科学学报, 2016, 36(12): 4520-4530.

    WANG H T, ZHANG J H, DING S F, et al. Distribution characteristics, sources identification and risk assessment of heavy metals in surface sediments of urban rivers in Kaifeng [J]. Journal of Environmental Science, 2016, 36(12): 4520-4530(in Chinese).

    [24] 郭欣, 姚苹, 杜焰玲, 等. 典型土地利用方式下土壤重金属污染物分布特征与源解析——以成都平原干溪河流域为例 [J]. 环境工程, 2019, 37(1): 1-5.

    GUO X, YAO P, DU Y L, et al. Distribution characteristics and source apportionment of heavy metals in soils under typical land use patterns— A case study on the ganxi river basin of Chengdu plain [J]. Environmental Engineering, 2019, 37(1): 1-5(in Chinese).

    [25] MA J H, LI J, SONG B. Contamination and spatial distribution of heavy metals in the soils ofdifferentoperating sectionsa long the Zhengzhou-K aifeng highway [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2007, 27(10): 1734-1743.
    [26] 白一茹, 张兴, 赵云鹏, 等. 基于GIS和受体模型的枸杞地土壤重金属空间分布特征及来源解析 [J]. 环境科学, 2019, 40(6): 2885-2894.

    BAI Y R, ZHANG X, ZHAO Y P, et al. Spatial distributioncharacteristics and source apportionment of soil heavy metals in Chinese wolfberry land based on GIS and the receptor model [J]. Environmental Science, 2019, 40(6): 2885-2894(in Chinese).

    [27] 陈枭嘉, 邹广彬, 王昭君, 等. 沼气发酵等对长江下游典型规模化畜牧养殖业污染排放特征的影响 [J]. 江苏农业学报, 2019, 35(2): 329-339. doi: 10.3969/j.issn.1000-4440.2019.02.013

    CHEN X J, ZOU G B, WANG Z J, et al. Effects of biogas fermentation on the pollutant emission characteristics of large-scale livestock breeding in the lower reaches of Yangtze River [J]. Acta agriculturae Jiangsu, 2019, 35(2): 329-339(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1000-4440.2019.02.013

    [28] 周艳, 陈樯, 邓绍坡, 等. 西南某铅锌矿区农田土壤重金属空间主成分分析及生态风险评价 [J]. 环境科学, 2018, 39(6): 2884-2892.

    ZHOU Y, CHEN Q, DENG S P, et al. Principal component analysis and ecological risk assessment of heavy metals in farmland soils around a Pb-Zn Mine in Southwestern China [J]. Environmental Science, 2018, 39(6): 2884-2892(in Chinese).

    [29] BRESSI M, SCIARE J, GHERSI V, et al. Sources and geographical origins of fine aerosols in Paris (France) [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2014, 14(16): 8813-8839. doi: 10.5194/acp-14-8813-2014
    [30] JIANG Y X, CHAO S H, LIU Y Y, et al. Source apportionment and health risk assessment of heavy metals in soil for a township in Jiangsu Province, China [J]. Chemosphere, 2017, 168: 1658-1668. doi: 10.1016/j.chemosphere.2016.11.088
    [31] 张璐, 聂建欣, 赵著燕, 等. 典型地膜残留地区土壤重金属残留测定及其健康风险评价 [J]. 有色金属材料与工程, 2017, 38(1): 35-39.

    ZHANG L, NIE J X, ZHAO Z Y, et al. Field survey on the heavy metal concentration and health risk assessment in the soil with plastic residue [J]. Non-Ferrous Metal Materials And Engineering, 2017, 38(1): 35-39(in Chinese).

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-30
  • 刊出日期:  2021-06-27
张成丽, 钱静, 雷雨辰, 聂建欣, 马建华, 张君丽. 开封市西瓜种植地土壤重金属污染及风险评价[J]. 环境化学, 2021, 40(6): 1714-1722. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2020013002
引用本文: 张成丽, 钱静, 雷雨辰, 聂建欣, 马建华, 张君丽. 开封市西瓜种植地土壤重金属污染及风险评价[J]. 环境化学, 2021, 40(6): 1714-1722. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2020013002
ZHANG Chengli, QIAN Jing, LEI Yuchen, NIE Jianxin, MA Jianhua, ZHANG Junli. Sources of heavy metal pollution and risk assessment of soil in watermelon planting areas in Kaifeng City[J]. Environmental Chemistry, 2021, 40(6): 1714-1722. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2020013002
Citation: ZHANG Chengli, QIAN Jing, LEI Yuchen, NIE Jianxin, MA Jianhua, ZHANG Junli. Sources of heavy metal pollution and risk assessment of soil in watermelon planting areas in Kaifeng City[J]. Environmental Chemistry, 2021, 40(6): 1714-1722. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2020013002

开封市西瓜种植地土壤重金属污染及风险评价

    通讯作者: E-mail:zhangjunli0522@163.com
  • 1. 河南大学环境与规划学院,开封,475001
  • 2. 黄河中下游数字地理技术教育部重点实验室(河南大学),开封,475001
  • 3. 河南大学环境与规划国家级实验教学示范中心,开封,475001
  • 4. 河南省高等学校工程技术研究中心环境与健康工程技术研究中心(河南大学),开封,475001
  • 5. 复旦大学 环境科学与工程系,上海,200433
  • 6. 河南大学生命科学学院/作物逆境适应与改良国家重点实验室,开封,475001
基金项目:
国家自然科学青年基金(41601522),中国博士后科学基金(2017M612387),河南省博士后科研项目(001701033)和2018年度河南省社科普及规划项目(1076)资助

摘要: 为了解开封市西瓜种植区土壤重金属污染特征,选取范村、西姜寨、杏花营、朱仙镇等4个乡镇西瓜种植区,采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)对种植区土壤样品中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb等6种重金属进行检测分析。结果表明,以河南省A层土壤背景为依据,开封市西瓜地土壤重金属Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb均不同程度的超出背景值。6种重金属的变异系数均在10%—100%之间,其中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb分别超出农用地土壤污染风险筛选值17.60%、0.75%、11.24%、13.11%、80.52%和0.75%。依照单因子指数法对各采样区土壤进行评价,西瓜种植区朱仙镇土壤Cr与Zn处于轻微污染,其余采样区无污染;各采样区Ni、Cu和Pb均处于无污染状态;Cd均处于轻微污染状态。内梅罗综合污染指数分析结果表明,西姜寨、杏花营、朱仙镇处于轻度污染状态,范村处于警戒级状态。潜在生态风险评价表明,西瓜种植区土壤Cd存在极强生态风险,其余均有轻微的生态风险,且Cd是构成生态危害的主要风险因子。由相关性以及主成分分析结果可知,pH与Cr、Cu、Ni、Zn、Cd、Pb均在0.01置信度水平下呈显著负相关,开封市西瓜种植地土壤重金属的污染源主要为农业源。

English Abstract

  • 土壤作为农作物生产的基础和载体,其环境质量的优劣直接影响到农产品安全[1-2]。2014年全国土壤污染状况调查发现:耕地土壤点位超标率为19.4%,无机污染物超标点位数占全部超标点位的82.8%[3]。工业“三废”的排放、农田污水的灌溉等问题致使土壤中重金属含量不断累积,不仅导致农作物产量下降和质量降低,还可通过食物链危害人类健康[4-6]

    近年来,国内外学者对农业区土壤重金属污染含量、来源及风险评价进行大量的研究,Mungai等[7]对东非肯尼亚农田土壤中8种重金属Zn、Pb、Cr、Cu、As、Ni、Hg和Cd进行了研究分析,结果表明,8种重金属均超过美国农业土壤标准值,并分析发现农业土壤中8种重金属的污染源主要来自人为活动和自然风化。李伟迪等[8]以太湖流域土壤背景值为基准,利用单因子指数和内梅罗指数评价农田土壤重金属污染状况,结果表明87.29%样点的土壤重金属呈现轻度污染,5.93%样点呈现中度污染,6.78%样点呈现重度污染;卢鑫等[9]应用UNMIX模型进行了土壤重金属源解析的研究可知,云南省会泽县铅锌矿区农田土壤样品的3个土壤重金属污染来源分别为工业活动造成的人为污染源、燃煤和施肥导致的人为污染源与自然的综合污染源。王小莉等[10]对开封市城乡交错区农田土壤重金属(Cd、Pb、Cu、Ni、Zn和Cr)进行研究,结果表明该区农田土壤Cd和Hg为重度污染,Zn、Pb和Cu为轻度污染,Ni、Cr和As处于无污染状态,其来源主要与人类活动有关。开封市位于河南省中部偏东,黄河冲击平原的东端[11],西瓜是开封市重要的高效经济作物,常年西瓜种植面积保持在4万hm2以上,居全国前列[12]。开封市西瓜种植地土壤的环境质量直接影响着当地居民的食品安全和身体健康,开展以重金属为目标的开封市西瓜种植地土壤环境质量状况调查十分必要。

    目前,开封市内土壤重金属的相关研究主要集中在城郊污灌区含量、分布及环境质量的评价[13-14]。然而针对开封市西瓜种植土壤重金属污染情况的调查以及来源分析,鲜有报道。本文采用野外调查和实验分析相结合,利用单因子指数和内梅罗指数评价土壤重金属污染状况。并在评价农田土壤重金属状况的基础上,结合主成分分析,明确开封市西瓜种植地土壤重金属的污染来源对土壤重金属污染情况,为该区土壤重金属污染防治、保障瓜果的食用安全提供科学依据。

  • 开封市位于东经114°07′—114°43′,北纬34°30—34°56′,属黄河、淮河合力冲击平原的组成部分,海拔高度在62.5—89.3 m之间,暖温带大陆性季风气候,年平均气温14 ℃,年降水量为628 mm,无霜期214 d。土壤类型是潮土,质地为沙壤土,土壤pH值约为8.4,呈碱性。该区雨水丰沛,气候适宜,适宜西瓜生长。开封西瓜种植区划定的地域保护范围为兰考县、杞县、通许县、尉氏县、祥符区、龙亭区,选取祥符区农业过渡地带的范村、西姜寨、杏花营、朱仙镇的4个乡镇西瓜种植区为代表进行分析。目前,该区有50万亩西瓜种植规模,是全国西瓜市场的主产地,图1为开封市西瓜种植区位置及采样点分布示意图。

  • 根据开封市西瓜种植情况,选取范村、西姜寨、杏花营、朱仙镇等4个乡镇为采样区。采用100 m×100 m网格法布点,采样深度为0—20 cm,按“梅花型”采集5个子样,混合后得到某样点土壤样品。共采集样品267个,其中朱仙镇、范村、西姜寨和杏花营分别采样87、63、45、72个。采集的土壤样品室内常温风干,去除动植物残体、石块等杂物,玛瑙研钵粉碎后过0.149 mm尼龙筛,充分混匀,备用。土壤样品采用硝酸-氢氟酸-高氯酸三酸[15]消解体系,用石墨消解仪(ST-60)自动消解。采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS,Elan6000)测定重金属Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb含量。按规范要求进行质量控制,以确保实验数据准确可靠。

  • 土壤重金属污染评价以我国《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》(GB15618—2018)农用地土壤污染风险筛选值为参照,采用单因子指数法[16]与内梅罗综合污染指数法[17]进行评价分析,内梅罗综合污染指数法是在单因子污染指数法的基础上,计算其平均值和最高值平方加和后再开方,计算公式分别如下:

    式中,Ci为土壤中污染元素i的实测值;Co为土壤中污染元素i的评价标准。Pi ≤ 1表示无污染,1 < Pi ≤2表示轻微污染,2 < Pi ≤3表示轻度污染,3 < Pi ≤ 5表示中度污染,Pi > 5表示重度污染[16]P综合为内梅罗综合污染指数,(ˉPi)2为土壤中所有重金属单因子指数平均值的平方;max(Pi)为土壤中所有重金属单因子指数最大污染指数。且当P综合 ≤ 0.7时,土壤样品污染等级为安全;0.7 < P综合 ≤ 1.0时,为警戒级;1.0 < P综合 ≤ 2.0时,为轻度污染;2.0 < P综合 ≤ 3.0时,为中度污染;P综合 > 3.0时,为重度污染。

  • 采用Hakanson潜在生态风险指数法[18]对重金属污染进行生态风险评价,该方法以土壤中重金属的元素背景值[19]为基准,结合重金属的生物毒性(毒性响应因子)、环境效应(污染指数)计算其潜在生态风险系数,评价公式如下:

    式中,Cif为重金属元素i的污染指数;CiD为土壤中重金属元素i的实测含量;CiR为参照值;Tir为重金属元素i的毒性影响因子;Eir为重金属元素i的潜在生态风险系数;RI为综合潜在生态风险指数。重金属Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb的毒性系数分别为2、5、5、1、30和5(表1)。

  • 相关性分析和主成分分析采用SPSS 19.0软件分析,相关性分析采用Pearson相关系数分析方法,分别对单因子指数和内梅罗综合污染指数进行分析,用ORIGIN 9.0分析软件进行绘图。

  • 按照上述的试验方法进行处理,开封市不同采样点土壤重金属含量分析结果见表2。由表2可知,《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》(GB15618—2018)农用地土壤污染风险筛选值中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb的含量值分别为250、190、100、300、0.6、170 mg·kg−1。Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb的河南省A层土壤背景值[20]分别为62.5、26.1、19.2、58.4、0.07、19.1 mg·kg−1

    经测定开封市西瓜种植区pH均值为8.98,西姜寨、范村、杏花营和朱仙镇pH值分别为8.95、9.27、8.75和9.30,均呈碱性土壤。西瓜种植区土壤Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb的平均值分别为181.7、71.00、57.40、209.3、0.97、73.5 mg·kg−1,分别为河南省A层土壤背景值的2.91、2.72、2.99、3.58、13.86、3.85倍,由各村庄的西瓜地土壤数据来看,朱仙镇土壤中重金属Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb含量均为最高,分别为255.2、99.30、81.81、299.3、1.16、87.74 mg·kg−1,分别为河南省A层土壤背景值的4.08、3.80、4.26、5.13、16.52、4.59倍,分别为农用地土壤污染风险筛选值的1.02、0.52、0.82、1.00、1.93、0.52倍;其次为杏花营,重金属Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb的含量分别为191.5、71.02、57.40、209.6、1.07、74.90 mg·kg−1,分别为河南省A层土壤背景值的3.06、2.72、2.99、3.59、15.22、3.92倍,分别为农用地土壤污染风险筛选值的0.77、0.37、0.57、0.70、1.78、0.44倍;西姜寨土壤中Cr、Ni、Cu和Zn含量最小,分别为92.73、42.88、32.94、125.4 mg·kg−1,分别为河南省A层土壤背景值的1.48、1.64、1.72、2.15倍,为农用地土壤污染风险筛选值的0.37、0.23、0.33、0.42倍,范村土壤中Cd与Pb最小,分别为0.63 mg·kg−1和59.47 mg·kg−1,为河南省A层土壤背景值的8.95倍和3.11倍,是农用地土壤污染风险筛选值的1.05倍和0.35倍。

    开封市西瓜种植区共采集样品267个,以该土壤农用地土壤污染风险筛选值为依据评价开封市土壤污染超标情况,采样点中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb含量分别有47、2、30、35、215和2个超标点,超标率分别为17.60%、0.75%、11.24%、13.11%、80.52%和0.75%。其他重金属均在国家土壤环境质量农用地土壤污染风险筛选值以内,低于标准值,可认为无土壤污染危害风险。

    变异系数可反映采样点之间的变异程度,当变异系数小于10%,属弱变异性,在10%—100%属中等变异,大于100%为强变异性。开封市6种重金属的变异系数均在10%—100%之间,属于中等变异,其中重金属Cr变异系数最大,为60.95%,其次为Cu、Zn、Ni、Cd、Pb。这说明重金属Cr受外部影响较其他重金属大,空间分异明显。

  • 依照上述单因子指数法与内梅罗综合污染指数法对西瓜种植区各采样区土壤进行评价,结果见图2

    西瓜种植区中各采样点Cr、Zn朱仙镇轻微污染,其余无污染;Ni、Cu均无污染,西瓜种植区各采样点Cr、Ni、Cu、Zn的单因子污染指数按照从大到小的排序均为朱仙镇>杏花营>范村>西姜寨。Cd均处于轻微污染,按照从大到小的排序为朱仙镇>杏花营>西姜寨>范村。Pb的均处于无污染状态,单因子污染指数按照从大到小的排序为朱仙镇>杏花营>西姜寨>范村。

    从内梅罗综合污染指数来看,西瓜种植区各采样点土壤中内梅罗综合污染指数分别为1.14、0.83、1.37和1.53,西姜寨、杏花营、朱仙镇处于轻度污染状态,范村处于警戒级状态,按照从大到小的排序为朱仙镇>杏花营>西姜寨>范村。

  • 基于河南省土壤背景值计算6种重金属生态风险系数可得表3,可以看出西姜寨、范村、杏花营和朱仙镇的Cr、Ni、Cu、Zn和Pb,均处于轻微生态风险,范村Cd的存在强生态危害,西姜寨、杏花营和朱仙镇Cd的潜在生态危害处于极强状态,西姜寨、范村、杏花营和朱仙镇的综合潜在生态风险指数分别为428.6、313.0、516.5和573.7,均处于强危害生态水平。开封市西瓜地土壤重金属生态风险系数分别为5.81、14.95、3.58、415.0和19.25,Cd有极强生态危害,其余均有轻微的生态风险,综合潜在生态风险指数为472.2,存在强生态危害。Cd对西姜寨、范村、杏花营和朱仙镇的综合潜在生态风险指数贡献率分别为91.00%、86.26%、88.79%、86.65%和87.88%,显然Cd是构成生态危害的主要风险因子。

  • 为综合了解西瓜地中6种重金属是否来自相同的污染源,计算了采样区重金属Cr、Cu、Ni、Zn、Cd、Pb之间的皮尔森相关系数,见表4。采样区的Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb之间均呈显著正相关,可能具有相同的污染源。开封市pH与Cr、Cu、Ni、Zn、Cd、Pb均呈显著负相关。

  • 通过上述相关性分析,发现西姜寨、范村、杏花营、朱仙镇各重金属元素间具有显著的相关性,同时Bartlett球形度检验相伴概率均为0.000,小于显著性水平0.05,KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)检验统计值分别为0.77、0.83、0.83、0.90,均大于0.7,因此,各采样点重金属数据适合于作因子分析。由表5可知,西姜寨、范村的6种重金属元素辨识出了2个主成分,西姜寨的第一主成分的方差贡献率为58.44%,Cr、Ni、Cu和Zn占有较高的正荷载,Cd与Pb的荷载较低。

    第二主成分的方差贡献率为25.74%,Cd与Pb占有较高的正荷载范村的第一主成分的方差贡献率为61.13%,Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb占有较高的正荷载第二主成分的方差贡献率为18.90%,Cd与Pb占有较高的正荷载。表5可知杏花营、朱仙镇辨识出一个主成分。土壤重金属的来源广泛,生活废弃物、工业废水、交通运输、燃料燃烧及灰尘沉降、肥料等人为污染源排放与地膜与土壤重金属有密切关系。人类活动性质与强度在空间的差异性决定着农田土壤重金属含量的不均匀分布。

    由上述相关分析可知,西姜寨、范村、杏花营、朱仙镇的重金属元素可能有相同的污染源,西瓜种植区采样点土壤Cr、Ni、Cu和Zn的平均值分别为160.7、63.42、50.88、184.7 mg·kg−1,分别为河南省A层土壤背景值的2.57、2.43、2.65、3.16倍。表1可知,西姜寨、范村、杏花营、朱仙镇采样点的Cd与Pb均超过河南省土壤背景值,可推测西姜寨、范村、杏花营、朱仙镇的Cr、Ni、Cu、Zn、Cd与Pb在一定程度上受到人类活动的影响。对杏花营、朱仙镇进一步主成分及因子分析得出一主因子,杏花营、朱仙镇的6种重金属的污染来源可能相同。相关研究表明,Cd、Cr、Zn、Cu、Ni和Pb主要来自农业肥料的施用,煤炭燃烧,电镀、电池、冶金等行业所排放的“三废”、橡胶轮胎磨损、润滑油耗损等交通源,堆肥、猪粪等有机肥的使用[21-24]。马建华等[25]发现开封市杏花营公路两侧300 m范围内的土壤重金属含量明显高于对照区和中国潮土背景值,Zn常用作汽车轮胎硬度添加剂,Cu用来制备汽车散热器,轮胎和散热器的磨损,会产生含Cu、Zn的粉尘进入土壤[26],且杏花营采样区畜牧业、农业较为发达,因此可以认为杏花营的主因子为农业源与交通源的混合源。朱仙镇第一产业为畜牧业,研究表明,在养殖过程中微量元素添加到饲料中后,大量的微量元素未被动物吸收而排出体外,导致排放到环境中重金属的含量相当高[27],第二产业为工业,工业企业会有大量的废水、废气、废渣排放进入环境,使土壤中的重金属严重超标[9],采样区的Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb均呈显著正相关,则朱仙镇的主因子可能为农业源与工业源的混合源。西姜寨、范村进一步主成分及因子分析得出两个主因子:第一主成分Cr、Ni、Cu和Zn占有较高的正荷载,Cr、Ni、Cu和Zn累积贡献率为58.44%,通常来讲,土壤中的Cr和Ni主要来源于成土母质,受人为影响较小[28],Cu和Zn则有可能来自交通源[29]。橡胶轮胎磨损、润滑油耗损、机械磨损等交通活动污染使土壤重金属含量不断累积[30],西姜寨交通干道环绕货物运输量大,则西姜寨的第一污染源可能为自然源与交通源结合的混合源。单因子污染评价与潜在生态风险评价两种评价均显示Cd最主要污染因子,西姜寨现为覆膜大蒜、花生、西瓜等多种作物种植基地,Cd和Pb的累积贡献率为84.18%,西姜寨因子2应该与西姜寨普遍使用含Cd肥料及农膜有关[31],则西姜寨的主要污染源可能为农业源。范村第一主成分Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb占有较高的正荷载,Cd为最主要污染因子,地膜的使用、化肥农药施用、污水灌溉也是造成土壤重金属累积的原因,范村乡具有花生、西瓜、林果、畜牧四大支柱产业,则范村乡主要污染源可能为农业源。

  • (1)开封市西瓜种植区中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb的超标率分别为17.6%、0.75%、11.24%、13.11%、80.5%和0.75%。6种重金属的变异系数均在10%—100%之间,属于中等变异。

    (2)依照污染指数法与潜在生态风险评价各采样区土壤进行评价,西瓜种植区各采样点中Cr与Zn,朱仙镇轻微污染,其余无污染;西瓜种植区Ni、Cu和Pb均处于无污染状态;Cr、Cu、Ni、Zn、和Pb均有轻微的生态风险,开封市西瓜种植区Cd存在极强生态风险,Cd是构成生态危害的主要风险因子。

    (3)西姜寨、范村、杏花营、朱仙镇的Cr、Ni、Cu、Zn之间均呈显著正相关,开封市西瓜种植区pH与Cr、Cu、Ni、Zn、Cd、Pb呈显著负相关。开封市西瓜种植区土壤重金属的污染源主要为农业源,杏花营采样区的重金属污染源为农业源与交通源的混合源;朱仙镇采样区的重金属污染源为农业源与工业源的混合源;西姜寨采样区的主要污染源为农业源,第二污染源为自然源与工业源结合的混合源;范村乡采样区的主要污染源为农业源。

参考文献 (31)

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