甘肃白银东大沟地区土壤镉地球化学特征及生态风险评价

doi:10.19657/j.geoscience.1000-8527.2023.025

摘要/Abstract

摘要：

甘肃白银是中国重要的有色金属基地,历史上不科学不合理的矿产资源开发和农业生产活动,造成白银市及其周边部分地区重金属严重超标。重金属生物有效性控制因素和生态风险预测,一直是元素生物地球化学行为研究非常关注的问题。本文调查研究了白银东大沟灌区及其周边根系土与玉米籽实污染情况,分析东大沟灌区农业集中区土壤2007年与2018年关键指标变化情况,并综合评价玉米种植区生态风险。研究区土壤中局部地段Cd含量超标,平均值17.48 mg/kg,最高值达到51.1 mg/kg,不同形态Cd含量相对大小依次为碳酸盐态>离子交换态>铁锰氧化态>腐殖酸态>强有机态>残渣态≫水溶态,高pH值碱性土壤和低镉积累的耐镉型玉米品种等因素限制了土壤中Cd的生物有效性,玉米籽实超标率仅为8.8%。东大沟灌区玉米地集中种植区内存在一定的Cd污染,但已得到有效控制,制约Cd生物有效性的pH值、Corg和CaO含量一半以上点位呈现升高趋势,可确保现在和未来一段时间内仍将继续保持低风险。为更好地做好东大沟灌区内Cd含量超标区管控,建议继续选择低镉积累的耐镉型玉米品种种植,同时成熟期收获籽粒作为动物饲料或发展玉米种子资源产业,其他部位尤其是根部可作为修复部分进行回收处理,实现“边生产、边修复”的目的。

关键词: 白银市, 土壤镉污染, 镉化学形态, 生态风险

Abstract:

Baiyin is an important non-ferrous metal province in China. Historically, unscientific and unreasonable mineral resource development and agricultural production activities have breached the heavy metal standards in Baiyin city and its surrounding areas. The controlling factors of bioavailability and ecological risk prediction of heavy metals have always been of great interest in biogeochemical behavior research. In this study, we investigated the contamination of root soil and corn seeds in/around the Dongdagou irrigation area (Baiyin city), analyzed the changes of key soil indicators in 2007 and 2018 in the local agricultural concentration area, and evaluated the ecological risks in the corn growing area. The local soil Cd content (average 17.48 mg/kg, maximum 51.1 mg/kg) exceeds the standard in some areas. The relative Cd content in different forms is carbonate state>ion exchange state>iron and manganese oxidation state>humic acid state>strong organic state>residue state≫water-soluble state. Factors such as high pH alkaline soil and low Cd accumulation of Cd-tolerant corn varieties limited the Cd bioavailability in the soil, and the exceedance rate of corn seeds is only 8.8%. There is certain Cd pollution in the local corn concentrated planting area, but it has been effectively controlled. Over half of the points of pH, Corg and CaO content that constrain the Cd bioavailability show an increasing trend, which imply that the risk will remain low for the coming future. To better control the areas with higher Cd content than the standard, we recommended to continue to choose low Cd accumulation of Cd-tolerant corn varieties for planting, and to harvest the seeds at maturity as animal feed or develop the corn seed resource industry. We also proposed to conduct recycling of other parts, especially the roots as restoration parts, to achieve reduction while restoration.

Key words: Baiyin city, cadmium pollution, cadmium speciation, ecological risk

中图分类号:

P595
X142

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HAN Baohua, DUAN Xingxing, HE Junlin, ADILAI Saitiniyazi, WANG Cuicui, DONG Yue. Geochemical Characteristics of Cadmium, and Ecological Risk Assessment of Soil in Dongdagou Area,Baiyin City,Gansu Province[J]. Geoscience, 2023, 37(03): 745-757.

图/表 11

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序号	处理方法	分析方法	测定指标
1	粉末压片法	X射线荧光光谱法	Zn
2	HCl-HNO₃-HF-HClO₄溶样	等离子体光谱法	CaO
3	HCl-HNO₃-HF-HClO₄溶样	等离子体质谱法	Cd
4	蒸馏水浸提	电位法	pH
5	重铬酸钾氧化	硫酸亚铁铵容量法	Corg

序号	处理方法	分析方法	测定指标
1	粉末压片法	X射线荧光光谱法	Zn
2	HCl-HNO₃-HF-HClO₄溶样	等离子体光谱法	CaO
3	HCl-HNO₃-HF-HClO₄溶样	等离子体质谱法	Cd
4	蒸馏水浸提	电位法	pH
5	重铬酸钾氧化	硫酸亚铁铵容量法	Corg

化学形态	提取方法
水溶态(1)	蒸馏水25 mL,超声提取30 min,离心分离,清液经0.45 μm滤膜过滤
离子交换态(2)	向残渣中加入25 mL氯化镁溶液,摇匀,超声提取30 min,离心分离
碳酸盐结合态(3)	向残渣中加入25 mL醋酸钠溶液,摇匀,超声提取60 min,离心分离
腐殖酸结合态(4)	向残渣中加入50 mL焦磷酸钠溶液,摇匀,超声提取40 min,放置2 h后离心分离
铁锰氧化物结合态(5)	向残渣中加入50 mL盐酸羟胺-盐酸混合溶液,摇匀,超声提取60 min,离心分离
强有机结合态(6)	向残渣中加入3 mL HNO₃溶液、5 mL H₂O₂,摇匀,83 ℃水浴恒温1.5 h,加2.5 mL醋酸铵-硝酸混合液,定容至25 mL,放置10 h后离心分离
残渣态(7)	将残渣风干、磨细、称重,计算残渣校正系数d;称取0.2 g残渣,加15 mL HNO₃、3 mL HClO₄溶液,加热至HClO₄冒浓白烟2 min左右,盐酸提取,定容至25 mL

化学形态	提取方法
水溶态(1)	蒸馏水25 mL,超声提取30 min,离心分离,清液经0.45 μm滤膜过滤
离子交换态(2)	向残渣中加入25 mL氯化镁溶液,摇匀,超声提取30 min,离心分离
碳酸盐结合态(3)	向残渣中加入25 mL醋酸钠溶液,摇匀,超声提取60 min,离心分离
腐殖酸结合态(4)	向残渣中加入50 mL焦磷酸钠溶液,摇匀,超声提取40 min,放置2 h后离心分离
铁锰氧化物结合态(5)	向残渣中加入50 mL盐酸羟胺-盐酸混合溶液,摇匀,超声提取60 min,离心分离
强有机结合态(6)	向残渣中加入3 mL HNO₃溶液、5 mL H₂O₂,摇匀,83 ℃水浴恒温1.5 h,加2.5 mL醋酸铵-硝酸混合液,定容至25 mL,放置10 h后离心分离
残渣态(7)	将残渣风干、磨细、称重,计算残渣校正系数d;称取0.2 g残渣,加15 mL HNO₃、3 mL HClO₄溶液,加热至HClO₄冒浓白烟2 min左右,盐酸提取,定容至25 mL

序号	样号	As	Hg	Se	Cd	Cr	Pb	Cu	Zn	根系土Cd	富集系数	采样位置
1	BYYM01	0.068	0.0015	0.290	0.015	0.12	0.067	1.20	20.28	0.08	0.192	两侧
2	BYYM02	0.045	0.0016	0.414	0.020	0.11	0.054	1.21	24.55	9.83	0.002	两侧
3	BYYM03	0.036	0.0017	0.392	0.015	0.11	0.182	1.53	23.41	6.05	0.002	两侧
4	BYYM04	0.017	0.0015	0.261	0.011	0.12	0.101	1.68	23.70	2.39	0.005	两侧
5	BYYM05	0.045	0.0016	0.213	0.122	0.12	0.121	1.76	35.69	33.68	0.004	两侧
6	BYYM06	0.086	0.0016	0.709	0.061	0.13	0.067	1.19	29.23	30.27	0.002	两侧
7	BYYM07	0.065	0.0016	0.339	0.044	0.10	0.260	1.52	24.86	35.19	0.001	两侧
8	BYYM08	0.071	0.0016	2.314	0.159	0.11	0.190	1.43	33.89	33.33	0.005	两侧
9	BYYM09	0.054	0.0014	0.433	0.047	0.11	0.195	1.38	29.29	39.37	0.001	两侧
10	BYYM10	0.064	0.0015	0.604	0.036	0.10	0.196	1.16	22.76	33.97	0.001	两侧
11	BYYM11	0.046	0.0015	0.252	0.044	0.11	0.064	1.46	22.28	28.59	0.002	两侧
12	BYYM12	0.091	0.0017	0.492	0.046	0.12	0.054	1.37	22.69	33.50	0.001	两侧
13	BYYM13	0.051	0.0016	0.962	0.051	0.10	0.028	1.30	22.60	26.52	0.002	两侧
14	BYYM14	0.047	0.0017	0.256	0.061	0.10	0.045	1.15	20.73	31.95	0.002	两侧
15	BYYM15	0.048	0.0013	0.237	0.022	0.11	0.103	1.28	24.32	37.87	0.001	两侧
16	BYYM16	0.052	0.0014	0.345	0.011	0.13	0.054	0.99	21.65	18.63	0.001	两侧
17	BYYM17	0.066	0.0016	0.679	0.033	0.13	0.102	1.83	22.85	24.46	0.001	两侧
18	BYYM18	0.081	0.0013	0.380	0.061	0.12	0.050	1.19	22.83	34.12	0.002	两侧
19	BYYM19	0.056	0.0014	0.329	0.020	0.13	0.059	1.14	22.42	21.47	0.001	两侧
20	BYYM20	0.063	0.0013	0.355	0.045	0.12	0.084	1.16	22.13	17.33	0.003	两侧
21	BYYM21	0.116	0.0013	0.524	0.051	0.14	0.053	1.04	23.08	18.39	0.003	两侧
22	BYYM22	0.179	0.0014	0.500	0.017	0.10	0.044	0.91	22.15	19.62	0.001	两侧
23	BYYM23	0.191	0.0014	0.335	0.034	0.11	0.031	0.90	25.00	46.47	0.001	两侧
24	BYYM24	0.081	0.0014	0.440	0.060	0.10	0.097	1.07	25.12	44.17	0.001	两侧
25	BYYM25	0.066	0.0014	0.234	0.024	0.13	0.060	1.04	25.72	34.49	0.001	两侧
26	BYYM26	0.077	0.0012	0.374	0.051	0.12	0.053	1.20	23.80	23.14	0.002	两侧
27	BYYM27	0.063	0.0014	0.386	0.034	0.11	0.090	1.12	30.79	51.10	0.001	两侧
28	BYYM28	0.056	0.0014	0.285	0.042	0.11	0.077	1.26	30.68	30.65	0.001	两侧
29	BYYM29	0.043	0.0013	0.502	0.046	0.12	0.105	1.29	27.07	28.57	0.002	两侧
30	BYYM30	0.077	0.0014	0.443	0.108	0.12	0.077	1.06	26.93	43.55	0.002	两侧
31	BYYM31	0.037	0.0014	0.296	0.015	0.11	0.088	1.19	23.63	11.76	0.001	两侧
32	BYYM32	0.065	0.0015	0.239	0.035	0.12	0.159	1.16	22.82	17.05	0.002	两侧
33	BYYM33	0.062	0.0016	0.440	0.035	0.11	0.052	1.26	22.42	19.76	0.002	两侧
34	BYYM34	0.077	0.0015	0.288	0.037	0.11	0.043	2.01	25.18	19.21	0.002	两侧
35	BYYM35	0.066	0.0013	0.151	0.040	0.13	0.066	1.14	27.14	20.35	0.002	两侧
36	BYYM36	0.072	0.0014	0.233	0.060	0.12	0.036	1.26	26.18	13.60	0.004	两侧
37	BYYM37	0.066	0.0014	0.340	0.029	0.11	0.022	1.08	24.66	12.81	0.002	两侧
38	BPM-01	0.073	0.0020	0.308	0.256	0.15	0.049	1.67	19.67	10.78	0.024	两侧
39	BPM-02	0.043	0.0023	0.284	0.032	0.15	0.071	1.58	21.70	12.06	0.003	两侧
40	BPM-03	0.088	0.0012	0.479	0.029	0.15	0.064	1.56	25.79	25.89	0.001	两侧
41	BPM-04	0.046	0.0021	0.507	0.020	0.14	0.054	1.79	22.05	28.18	0.001	两侧
42	BPM-05	0.064	0.0017	0.532	0.043	0.14	0.061	1.47	25.92	30.09	0.001	两侧
43	BPM-06	0.098	0.0018	0.531	0.043	0.14	0.118	1.42	27.40	22.13	0.002	两侧
44	BPM-07	0.050	0.0023	0.452	0.182	0.15	0.080	1.59	27.73	34.51	0.005	两侧
45	BPM-08	0.044	0.0017	0.154	0.019	0.14	0.081	1.54	21.00	13.19	0.001	两侧
46	BPM-09	0.130	0.0016	1.779	0.102	0.14	0.137	1.79	31.57	27.55	0.004	两侧
47	BPM-10	0.034	0.0020	0.369	0.033	0.14	0.089	1.59	21.75	5.62	0.006	灌区
48	BPM-11	0.035	0.0014	0.286	0.046	0.16	0.062	1.56	23.42	5.40	0.008	灌区
49	BPM1-02	0.020	0.0016	0.069	0.016	0.17	0.080	1.90	19.80	1.41	0.011	灌区
50	BPM1-04	0.020	0.0022	0.075	0.011	0.16	0.084	1.94	18.02	1.79	0.006	灌区
51	BPM1-06	0.023	0.0021	0.161	0.007	0.18	0.081	1.58	18.24	1.09	0.006	灌区
52	BPM1-08	0.011	0.0022	0.010	0.020	0.08	0.100	0.36	3.60	1.00	0.020	灌区
53	BPM1-10	0.012	0.0015	0.071	0.009	0.15	0.028	1.56	16.29	1.36	0.006	灌区
54	BPM1-12	0.013	0.0017	0.033	0.005	0.15	0.070	1.53	15.73	0.37	0.015	灌区
55	BPM1-14	0.020	0.0024	0.056	0.015	0.14	0.118	2.01	17.20	0.32	0.047	灌区
56	BPM1-16	0.012	0.0014	0.031	0.003	0.15	0.036	1.50	11.75	0.68	0.004	灌区
57	BPM1-18	0.016	0.0011	0.020	0.003	0.15	0.031	1.47	14.91	1.07	0.003	灌区
58	BPM1-20	0.013	0.0018	0.038	0.003	0.14	0.055	1.31	13.28	0.43	0.007	灌区
59	BPM1-22	0.021	0.0013	0.065	0.024	0.16	0.059	2.20	17.98	0.79	0.031	灌区
60	BPM1-24	0.014	0.0023	0.032	0.004	0.22	0.100	1.58	16.55	0.77	0.006	灌区
61	BPM1-26	0.023	0.0028	0.033	0.012	0.16	0.130	1.67	15.25	0.53	0.022	灌区
62	BPM1-27	0.020	0.0011	0.090	0.007	0.17	0.026	1.54	17.15	0.57	0.012	灌区
63	BPM1-30	0.008	0.0026	0.078	0.004	0.15	0.031	1.60	15.14	0.50	0.008	灌区
64	BPM2-02	0.023	0.0015	0.097	0.007	0.16	0.026	1.55	19.48	1.17	0.006	灌区
65	BPM2-04	0.013	0.0020	0.065	0.008	0.18	0.047	2.01	19.96	1.21	0.006	灌区
66	BPM2-06	0.017	0.0021	0.098	0.070	0.16	0.058	1.67	20.87	1.76	0.039	灌区
67	BPM2-08	0.031	0.0018	0.128	0.011	0.17	0.055	1.92	22.12	1.87	0.006	灌区
68	BPM2-10	0.014	0.0020	0.062	0.006	0.16	0.029	2.03	22.61	1.57	0.004	灌区