京津冀地区永清县土壤重金属地球化学特征及绿色食品产地的土壤质量评价

doi:10.19657/j.geoscience.1000-8527.2023.015

现代地质 ›› 2023, Vol. 37 ›› Issue (03): 778-789.DOI: 10.19657/j.geoscience.1000-8527.2023.015

• 实验、应用与环境地球化学 • 上一篇下一篇

京津冀地区永清县土壤重金属地球化学特征及绿色食品产地的土壤质量评价

胡庆海¹^,²(), 王学求¹^,²(), 韩志轩³, 成晓梦¹^,², 吴慧¹^,², 田密¹^,², 刘福田¹^,², 孙彬彬¹^,², 陈卫明¹^,², 杜雪苗¹^,², 刘彬⁴, 崔邢涛⁴

1.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所自然资源部地球化学探测重点实验室,河北廊坊 065000
2.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所联合国教科文组织全球尺度地球化学国际研究中心,河北廊坊 065000
3.桂林理工大学,广西桂林 541004
4.河北地质大学,河北石家庄 050031

收稿日期:2022-11-05 修回日期:2023-04-12 出版日期:2023-06-10 发布日期:2023-07-20
通讯作者: 王学求,男,研究员,1963年出生,地球化学专业,从事应用地球化学和全球地球化学基准研究工作。Email:wxueqiu@mail.cgs.gov.cn 。
作者简介:胡庆海,男,工程师,1989年出生,地球化学专业,从事环境地球化学和岩石地球化学研究工作。Email:huqinghai0616@foxmail.com。
基金资助:
河北省重大科技成果转化专项(19057411Z);国家自然科学基金项目(41903025);国家自然科学基金项目(41803048);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目(AS2022P03)

Geochemical Characteristics of Heavy Metals in Soils and Soil Quality Evaluation of Green Food Production in the Yongqing County of Beijing-Tianjin-Hebei Region

HU Qinghai¹^,²(), WANG Xueqiu¹^,²(), HAN Zhixuan³, CHENG Xiaomeng¹^,², WU Hui¹^,², TIAN Mi¹^,², LIU Futian¹^,², SUN Binbin¹^,², CHEN Weiming¹^,², DU Xuemiao¹^,², LIU Bin⁴, CUI Xingtao⁴

1. Key Laboratory of Geochemical Exploration, Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, Langfang, Hebei 065000, China
2. UNESCO International Centre on Global-scale Geochemistry, Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, Langfang, Hebei 065000, China
3. Guilin university of technology, Guilin, Guangxi 541004, China
4. Hebei GEO University, Shijiazhuang, Hebei 050031, China

Received:2022-11-05 Revised:2023-04-12 Online:2023-06-10 Published:2023-07-20

摘要/Abstract

摘要：

为保障京津冀地区食品安全,以河北省廊坊市永清县作为研究区,采集全县域412件表层土壤和410件深层土壤样品,测定As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn共8种重金属元素含量,采用富集因子法和潜在生态风险法对重金属污染程度及生态风险进行评价。结果表明,永清地区表层(深层)土壤中8种重金属的平均含量分别为As 9.44 mg/kg(8.93 mg/kg)、Cd 0.16 mg/kg(0.10 mg/kg)、Cr 64.4 mg/kg(62.3 mg/kg)、Cu 24.6 mg/kg(20.7 mg/kg)、Hg 0.41 mg/kg(0.20 mg/kg)、Ni 27.7 mg/kg(27.7 mg/kg)、Pb 20.7 mg/kg(18.2 mg/kg)和Zn 72.8 mg/kg(57.5 mg/kg),重金属元素含量空间分布上整体呈现“西南高,东北低”的特征。富集因子(EF)评价结果显示8种重金属大体分为三类:(1)Hg(2.18),受到较强的人为活动影响;(2)Pb(1.14)、Cu(1.22)、Zn(1.29)和Cd(1.63),由自然地质背景和人为活动共同作用控制;(3)Ni(1.01)、Cr(1.05)和As(1.09),主要受控于自然地质背景。环境质量评价结果显示,研究区土壤以可安全利用为主,风险区面积仅为1.1 km²,占调查总面积的0.14%。永清地区符合《绿色食品产地环境质量》评价标准的土壤总面积为756.62 km²,占调查总面积的99.43%,水浇地、旱地、果园符合该标准的面积占各自土地类别总面积的98.94%、99.29%和99.59%。生态风险方面,研究区旱地、水浇地、果园农业用地土壤综合潜在生态风险指数以低等风险为主,分别占比95.63%、77.37%和98.35%,仅旱地(0.13 km²)和水浇地(0.03 km²)存在少许高等生态风险区域,值得进一步关注并开展生态效应评价。综合以上结果,虽然永清地区部分区域重金属元素受到人为活动影响,但大部分地区生态风险较低,本文推荐既满足《绿色食品产地环境质量》评价标准,又属于综合潜在生态风险低等区域,作为最适宜大规模发展的绿色食品种植区域的总面积为669.12 km²,占调查总面积的87.93%。研究成果为永清县域绿色农产品的生产种植和规划管理提供科学依据。

关键词: 土壤, 重金属, 生态风险, 绿色食品, 京津冀地区

Abstract:

To ensure food safety in the Beijing-Tianjin-Hebei region, the Yongqing County (Langfang City, Hebei Province) was selected as the research area. A total of 412 surface and 410 deep soil samples were collected to determine the concentration of eight heavy metals, i.e., As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb and Zn. Meanwhile, the enrichment factor and potential ecological risk were used to evaluate the degree of heavy metal pollution and ecological risk. The results showed that the average concentrations of eight heavy metals in surface (deep) soil in Yongqing region are As 9.44 mg/kg (8.93 mg/kg), Cd 0.16 mg/kg (0.10 mg/kg), Cr 64.4 mg/kg (62.3 mg/kg), Cu 24.6 mg/kg (20.7 mg/kg), Hg 0.41 mg/kg (0.20 mg/kg), Ni 27.7 mg/kg (27.7 mg/kg), Pb 20.7 mg/kg (18.2 mg/kg) and Zn 72.8 mg/kg (57.5 mg/kg), respectively. The spatial distribution of heavy metal concentration shows a pattern of high in the southwest and low in the northeast. Based on the enrichment factor (EF), the eight heavy metals could be divided into three categories: (1) Hg (2.18) is strongly influenced by human activities; (2) Pb (1.14), Cu (1.22), Zn (1.29) and Cd (1.63) are controlled by natural geological background and human activities; (3) Ni (1.01), Cr (1.05) and As (1.09) are mainly controlled by natural geological background. Results of the environmental quality assessment showed that the local soil is largely safe to use, and the risk area is only 1.1 km², accounting for 0.14% of the total area. The area that meets the evaluation standards for green food production is about 756.62 km², accounting for 99.43% of the total area. Among them, the area of irrigated land, dry land, orchards in accordance with the standard accounted for 98.94%, 99.29% and 99.59% of the total area of their respective land categories. In terms of ecological risk, the soil comprehensive ecological risk index of the local dryland, irrigated land and orchard agricultural land is largely low, accounting for 95.63%, 77.37% and 98.35%, respectively. Only dry land (0.13 km²) and irrigated land (0.03 km²) have a few higher ecological risk areas, which deserve further ecological evaluation. In conclusion, although heavy metal contents in some areas at Yongqing are affected by human activities, most areas have low ecological risk. In this study, the area that meets the evaluation standards for green food production and low comprehensive potential ecological risk is determined as the most suitable for large-scale green food production. This area is 669.12 km², accounting for 87.93% of the total area. Our results provide a scientific basis for local production, planting and planning management of green agricultural products.

Key words: soil, heavy metal, ecological risk, green food, Beijing-Tianjin-Hebei region

中图分类号:

胡庆海, 王学求, 韩志轩, 成晓梦, 吴慧, 田密, 刘福田, 孙彬彬, 陈卫明, 杜雪苗, 刘彬, 崔邢涛. 京津冀地区永清县土壤重金属地球化学特征及绿色食品产地的土壤质量评价[J]. 现代地质, 2023, 37(03): 778-789.

HU Qinghai, WANG Xueqiu, HAN Zhixuan, CHENG Xiaomeng, WU Hui, TIAN Mi, LIU Futian, SUN Binbin, CHEN Weiming, DU Xuemiao, LIU Bin, CUI Xingtao. Geochemical Characteristics of Heavy Metals in Soils and Soil Quality Evaluation of Green Food Production in the Yongqing County of Beijing-Tianjin-Hebei Region[J]. Geoscience, 2023, 37(03): 778-789.

图/表 14

图1 永清县空间位置示意图(a)和永清地区土壤实际采样点位图(b)

Fig.1 Spatial location map of the Yongqing county (a) and soil sampling sites in the Yongqing county (b)

表1 实验分析方法和质量控制结果

Table 1 Analytical methods and quality control of thisstudy

测试指标	样品处理方法	测试方法	检出限 (mg/kg)	检出率 (%)	合格率(%)
测试指标	样品处理方法	测试方法	检出限 (mg/kg)	检出率 (%)	标准物质	重复样
As	王水溶样	HG-AFS	1	99.9	100	97.6
Cd	酸溶	ICP-MS	0.03	100	100	95.2
Cr	粉末压片	XRF	5	100	100	100
Cu	酸溶	ICP-MS	1	100	100	100
Hg	王水溶样	CV-AFS	0.0005	100	100	95.1
Ni	酸溶	ICP-MS	2	100	100	100
Pb	酸溶	ICP-MS	2	100	100	100
Zn	酸溶	ICP-OES	4	100	100	100
Sc	酸溶	ICP-MS	1	100	100	97.6
pH		POT	0.1(无量纲)	100	100	100

表2 富集因子和污染等级

Table 2 Enrichment factors and categories of pollution

富集因子	富集程度	污染等级
EF<2	无或低富集	无或低
2≤EF<5	中度富集	中度
5≤EF<20	偏高富集	偏高
20≤EF<40	高富集	高
EF≥40	极高富集	极高

表3 农用地土壤污染风险筛选值与管制值和绿色食品产地环境质量要求

Table 3 Risk screening values and control values for soil pollution of agricultural land and environmental quality requirement of green food production area

类型	As	Cd	Cr	Cu	Hg	Ni	Pb	Zn
农用地土壤污染风险筛选值
pH≤5.5	40	0.3	150	50	1.3	60	70	200
5.5<pH≤6.5	40	0.3	150	50	1.8	70	90	200
6.5<pH≤7.5	30	0.3	200	100	2.4	100	120	250
pH>7.5	25	0.6	250	100	3.4	190	170	300
农用地土壤污染风险管制值
pH≤5.5	200	1.5	800	250^*	2.0	300^*	400	1000^*
5.5<pH≤6.5	150	2.0	850	250^*	2.5	350^*	500	1000^*
6.5<pH≤7.5	120	3.0	1000	500^*	4.0	500^*	700	1250^*
pH>7.5	100	4.0	1300	500^*	6.0	950^*	1000	1500^*
绿色食品产地环境质量要求
pH<6.5	25	0.3	120	50	0.25		50
6.5≤pH≤7.5	20	0.3	120	60	0.30		50
pH>7.5	20	0.4	120	60	0.35		50

表4 潜在生态风险评价指数划分标准

Table 4 Ecological risk index and risk intensity grade

$E r i$	单项重金属潜在生态风险等级	RI	综合潜在生态风险等级
$E r i$ <40	低	RI<110	低
40≤ $E r i$ <80	中	110≤RI<220	中
80≤ $E r i$ <160	较重	220≤RI<440	重
160≤ $E r i$ <320	重	RI≥440	严重
$E r i$ ≥320	严重

表4 潜在生态风险评价指数划分标准

Table 4 Ecological risk index and risk intensity grade

$E r i$	单项重金属潜在生态风险等级	RI	综合潜在生态风险等级
$E r i$ <40	低	RI<110	低
40≤ $E r i$ <80	中	110≤RI<220	中
80≤ $E r i$ <160	较重	220≤RI<440	重
160≤ $E r i$ <320	重	RI≥440	严重
$E r i$ ≥320	严重

表5 永清地区土壤重金属元素含量统计特征

Table 5 Statistics of heavy metals in the soil in the Yongqing county

参数	As	Cd	Cr	Cu	Hg	Ni	Pb	Zn	Sc	pH
表层土壤
最大值	17.50	621.0	211.0	399.0	242.0	45.0	31.8	303.0	18.2	9.39
最小值	4.28	60.4	48.9	11.7	2.57	17.3	13.5	38.6	7.2	6.68
平均值	9.44	160.0	64.4	24.6	41.3	27.7	20.7	72.8	10.7	8.53
中位数	9.34	152.0	61.5	21.8	36.2	26.9	20.2	67.0	10.3	8.53
标准偏差	2.33	53.09	13.46	20.17	25.61	5.00	2.99	26.70	1.89	0.25
变异系数(%)	24.65	33.27	20.89	81.90	62.00	18.07	14.44	36.70	17.58	2.94
廊坊地区表层土壤均值^[26]	10.2	160	66.9		38.0		24.0
深层土壤
最大值	18.2	247.0	101.0	42.2	111.0	46.4	29.7	105.0	19.1	9.71
最小值	4.54	42.8	41.5	9.56	8.90	17.2	13.2	35.4	6.8	8.12
平均值	8.93	104.0	62.3	20.7	20.4	27.7	18.2	57.5	10.8	8.75
中位数	8.17	91.6	58.9	18.7	17.2	26.1	17.4	53.4	10.1	8.73
标准偏差	3.04	39.55	12.79	7.35	10.22	7.23	3.36	16.22	2.57	0.25
变异系数(%)	34.06	38.01	20.51	35.42	50.06	26.06	18.42	28.19	23.78	2.83
廊坊地区深层土壤均值^[26]	10.2	110	66.4		17.0		21.5
河北省土壤背景值^[24]	13.6	94.0	68.3	21.8	36.0	30.8	21.5	78.4
中国土壤背景值^[24]	11.2	97.0	61.0	22.6	65.0	26.9	26.0	74.2
绿色食品产地环境质量^[10]	20.0	400	120	60.0	350	60.0	50.0	300

图2 永清地区地表土壤8种重金属含量空间分布(重金属含量单位为mg/kg)

Fig.2 Geochemical maps of eight heavy metal contents in surface soils in the Yongqing county(unit: mg/kg)

图3 永清地区土壤8种重金属富集因子箱形图

Fig.3 Box plot of enrichment factors of heavy metals in the soil in the Yongqing county

图4 永清地区土壤环境地球化学综合等级图 (样品号YQ065,位于北大王庄,pH=7.58,PI8=1,Cu含量=399 mg/kg,超过对应筛选值。样品号YQ113,位于中太平庄村,pH=7.21,PI8=1,Cd含量=0.62 mg/kg,超过对应筛选值。样品号YQ107,位于中岔口村,pH=6.68,PI8=2,Cd含量=0.31 mg/kg,Zn含量=303 mg/kg,超过对应筛选值)

Fig.4 Comprehensive grade map of soil environmental geochemistry in the Yongqing county

图5 永清地区绿色食品产地环境质量等级图

Fig.5 Environmental quality grade map of green food producing area in the Yongqing county

表6 永清地区土壤重金属和综合潜在生态风险指数

Table 6 Heavy metals and comprehensive potential ecological risk intensity for the soil in the Yongqing county

参数	As	Cd	Cr	Cu	Hg	Ni	Pb	Zn	综合潜在生态风险指数
样品数	412	412	412	412	412	412	412	412	412
最大值	19.02	117.16	6.88	86.84	179.42	8.59	7.23	4.41	249.53
最小值	4.65	11.39	1.59	2.54	1.90	3.31	3.08	0.56	38.50
算数平均值	10.26	30.11	2.10	5.35	30.61	5.28	4.70	1.06	89.47
几何平均值	9.96	28.76	2.07	4.95	26.86	5.20	4.66	1.01	85.65
中位数	10.15	28.64	2.00	4.73	26.83	5.14	4.60	0.97	86.06
标准偏差	2.53	10.02	0.44	4.38	18.97	0.95	0.68	0.39	28.01
变异系数(%)	24.65	33.27	20.89	81.90	61.98	18.07	14.44	36.70	31.31

图6 永清地区土壤8种重金属潜在生态风险评价箱形图

Fig.6 Boxplot of potential ecological risk assessment of heavy metals for the soil in the Yongqing county

图7 永清地区土壤综合潜在生态风险评价图

Fig.7 Comprehensive grade map of potential ecological risk assessment for the soil in Yongqing county

表7 永清地区农业用地土壤综合潜在生态风险等级统计

Table 7 Quantity statistics of comprehensive ecological risk levels of agricultural land soil in theYongqing county

综合潜在生态风险等级分区	旱地		水浇地		果园
综合潜在生态风险等级分区	面积 (km²)	比例 (%)	面积 (km²)	比例 (%)	面积 (km²)	比例 (%)
低等生态风险区	173.04	95.63	191.81	77.37	73.86	98.35
中等生态风险区	7.77	4.29	56.06	22.61	1.24	1.65
高等生态风险区	0.13	0.07	0.03	0.01	0.00	0.00

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京津冀地区永清县土壤重金属地球化学特征及绿色食品产地的土壤质量评价

Geochemical Characteristics of Heavy Metals in Soils and Soil Quality Evaluation of Green Food Production in the Yongqing County of Beijing-Tianjin-Hebei Region

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