基于不同土地利用方式的土壤重金属污染与潜在风险评价:以辽河流域(浑太水系)山水林田湖草沙一体化保护和修复工程为例

doi:10.19657/j.geoscience.1000-8527.2023.034

现代地质 ›› 2023, Vol. 37 ›› Issue (06): 1655-1664.DOI: 10.19657/j.geoscience.1000-8527.2023.034

基于不同土地利用方式的土壤重金属污染与潜在风险评价:以辽河流域(浑太水系)山水林田湖草沙一体化保护和修复工程为例

李楠¹(), 曹明杰², 郝喆¹(), 侯永莉², 陈红丹¹, 张颖²

1.辽宁大学环境学院,辽宁沈阳 110036
2.辽宁有色勘察研究院有限责任公司,辽宁沈阳 110013

收稿日期:2022-12-20 修回日期:2023-05-11 出版日期:2023-12-10 发布日期:2024-01-24
通讯作者: 郝喆,男,博士,教授,1972年出生,岩土工程专业,主要从事流域生态修复领域研究工作。Email:626447443@qq.com。
作者简介:李楠,女,硕士研究生,1998年出生,环境工程专业,主要从事流域生态修复领域研究工作。Email:577237813@qq.com。
基金资助:
辽宁省科技计划项目(2019JH8/10300107);辽宁省科技计划项目(2020JH2/10300100);中央引导地方科技发展专项资金项目(2021JH6/10500015)

Soil Heavy Metal Pollution and Potential Risk Assessment Based on Different Ways of Land Use: A Case Study of Integrated Protection and Restoration Project of Mountains, Rivers, Forests, Fields, Lakes, Grass and Sand in the Liaohe River Basin (Huntai River System)

LI Nan¹(), CAO Mingjie², HAO Zhe¹(), HOU Yongli², CHEN Hongdan¹, ZHANG Ying²

1. School of Environment, Liaoning University, Shenyang, Liaoning 110036, China
2. Nonferrous Geological Exploration and Research Institute Co.Ltd., Shenyang, Liaoning 110013, China

Received:2022-12-20 Revised:2023-05-11 Online:2023-12-10 Published:2024-01-24

摘要/Abstract

摘要：

本文的研究以“辽河流域(浑太水系)山水林田湖草沙一体化保护和修复工程”项目为依托,针对辽河流域浑太水系上游修复区,基于建设用地和农用地的土壤监测数据,建立相关性分析、单因子指数法、复合指数法、潜在生态风险指数法与反距离权重插值法相结合的土壤重金属污染状况评价体系。相关性分析表明农用地中砷、汞、铅、镍、镉和锌有相似污染来源,建设用地中砷、汞和铅有相似污染来源;单因子指数与复合指数相结合分析方法显示农用地中含有镉、铜、镍、锌和铬污染,建设用地中仅存在铅污染,重金属污染面积排序为铬>铅>铜>锌>镍>镉,复合污染种类面积排序为无污染>单一元素污染>双元素污染>三元素污染,复合等级面积排序为清洁>警戒>轻度污染;潜在生态风险指数指示建设用地和农用地单一重金属潜在生态风险水平均为轻微危害等级,建设用地的综合潜在生态风险指数在2.13~15.23之间,农用地的综合潜在生态风险指数在5.79~41.99之间,均属于轻微生态危害。本研究可以精准确定重金属污染种类、位置和面积等,为浑太流域上游土壤环境治理提供依据,建立的研究体系也可为其他流域的土壤环境评价工作提供参考与借鉴。

关键词: 浑太水系, 土壤重金属污染, 单因子指数, 复合指数, 潜在生态风险指数

Abstract:

In the project “Liaohe River Basin (Huntai River system) mountain, water, forest, farmland, lake, grass and sand integrated protection and restoration project”, basing on soil monitoring data of construction land and agricultural land in restoration area of upper reaches of Huntai River system, we established a soil heavy metal pollution assessment system.The system integrates correlation analysis, single factor index, compound index, potential ecological risk index, and the inverse distance weight interpolation method.The results show that the elements including arsenic, mercury, lead, nickel, cadmium and zinc in agricultural land have similar pollution source, while arsenic, mercury and lead in construction land have similar pollution source.Soil environmental quality was comprehensively assessed by combining the single factor index and composite index.Agricultural land contains cadmium, copper, nickel, zinc and chromium pollution, while construction land has only lead pollution.Ranking of heavy metal pollution area shows chromium>lead>copper>zinc>nickel>cadmium; Ranking of composite pollution type area shows pollution-free>single-element pollution>two-element pollution>three-element pollution. Composite level area ranking shows clean>alert>light pollution.According to the potential ecological risk index, the potential ecological risk levels of single heavy metal on construction land and agricultural land are determined to be of minor hazard level.The comprehensive potential ecological risk index of construction land is 2.13 to 15.23, and that of agricultural land is 5.79 to 41.99, both are within the minor ecological hazard range.Our results can accurately determine the type, location and area of heavy metal pollution, which can provide a basis for soil environmental control in the upper reaches of Huntai River system, and the established research system can also provide references for soil environmental assessment in other basins.

Key words: Huntai River system, soil heavy metal pollution, single factor index, compound index, potential ecological risk index

中图分类号:

李楠, 曹明杰, 郝喆, 侯永莉, 陈红丹, 张颖. 基于不同土地利用方式的土壤重金属污染与潜在风险评价:以辽河流域(浑太水系)山水林田湖草沙一体化保护和修复工程为例[J]. 现代地质, 2023, 37(06): 1655-1664.

LI Nan, CAO Mingjie, HAO Zhe, HOU Yongli, CHEN Hongdan, ZHANG Ying. Soil Heavy Metal Pollution and Potential Risk Assessment Based on Different Ways of Land Use: A Case Study of Integrated Protection and Restoration Project of Mountains, Rivers, Forests, Fields, Lakes, Grass and Sand in the Liaohe River Basin (Huntai River System)[J]. Geoscience, 2023, 37(06): 1655-1664.

图/表 14

图1 浑太流域水系分布图(a)和抚顺市行政区划图(b)

Fig.1 Distribution map of Huntai River system (a) and zoning map of Fushun City administrative (b)

图2 抚顺市土壤环境监测点

Fig.2 Soil environment monitoring sites in Fushun City

表1 单因子污染指数定级[22]

Table 1 Single-factor pollution index grading[22]

单因子污染指数	级别	污染程度
P_i<0.7	1	清洁
0.7≤P_i<1	2	警戒
1≤P_i<2	3	轻度污染
2≤P_i<3	4	中度污染
P_i≥3	5	重度污染

表2 生态风险评价指数与分级标准[24]

Table 2 Ecological risk assessment index and classification criteria[24]

名称	轻微	中等	强	很强	极强
单一潜在生态风险指数( $E i r$ )	<40	40(含) ~80	80(含) ~160	160(含) ~320	≥320
综合潜在生态风险指数(RI)	<150	150(含) ~300	300(含) ~600	600(含) ~1200	≥1200

表2 生态风险评价指数与分级标准[24]

Table 2 Ecological risk assessment index and classification criteria[24]

名称	轻微	中等	强	很强	极强
单一潜在生态风险指数( $E i r$ )	<40	40(含) ~80	80(含) ~160	160(含) ~320	≥320
综合潜在生态风险指数(RI)	<150	150(含) ~300	300(含) ~600	600(含) ~1200	≥1200

表3 抚顺市农用地土壤重金属含量(10-6)

Table 3 Heavy metal content of agricultural soil in Fushun city (10-6)

数值类型	砷	汞	镉	铜	铅	镍	锌	铬
最大值	2.95	0.020	0.300	81.0	33.2	111.0	352.0	197.0
最小值	0.96	0.002	0.005	12.0	2.5	1.5	35.0	102.0
平均值	1.53	0.008	0.050	36.4	13.2	16.8	153.8	145.3
标准差	0.39	0.005	0.070	20.9	7.1	20.4	50.7	29.4
变异系数(%)	25.5	65.7	138.2	57.6	53.4	121.4	33.0	20.2

表4 抚顺市建设用地土壤重金属含量(10-6)

Table 4 Heavy metal content in soils of construction land in Fushun City (10-6)

数值类型	砷	汞	镉	铜	铅	镍
最大值	10.78	0.09	19.30	1152.0	911.0	315.0
最小值	2.01	0.02	0.01	7.0	40.0	103.0
平均值	5.24	0.05	6.74	289.7	237.5	150.1
标准差	1.98	0.02	5.60	143.7	128.2	48.2
变异系数 (%)	38.1	34.4	83.4	50.2	54.1	32.3

表5 抚顺市农用地土壤重金属相关性

Table 5 Correlation of heavy metals in soils of agricultural land in Fushun City

	砷	汞	镉	铜	铅	镍	锌	铬
砷	1.00
汞	0.633^**	1.00
镉	0.056	0.307^*	1.00
铜	0.063	-0.113	0.079	1.00
铅	0.275^*	0.471^**	0.239	-0.017	1.00
镍	0.448^**	0.279^*	-0.236	0.167	0.349^**	1.00
锌	0.005	0.109	0.301^*	-0.269^*	0.162	0.061	1.00
铬	0.019	-0.131	-0.399^**	0.071	-0.144	0.189	-0.148	1

表6 抚顺市建设用地土壤重金属相关性

Table 6 Correlation of heavy metals in soils of construction land in Fushun City

	砷	汞	镉	铜	铅	镍
砷	1
汞	0.316^**	1
镉	-0.282^**	-0.010	1
铜	0.089	0.063	-0.072	1
铅	0.234^**	0.035	-0.002	0.166	1
镍	0.167	-0.134	-0.213^*	-0.002	-0.096	1

表7 抚顺市土壤重金属单因子指数

Table 7 Single factor index of heavy metals in soils in Fushun City

土地利用类型	数值类型	砷	汞	镉	铜	铅	镍	锌	铬
农用地	P_i范围	0.024~0.074	0.001~0.015	0.017~1	0.240~1.620	0.034~0.369	0.021~1.850	0.175~1.760	0.680~1.313
农用地	平均值	0.038	0.005	0.168	0.726	0.163	0.259	0.769	0.969
建设用地	P_i范围	0.034~0.180	0.001~0.002	0~0.297	0~0.062	0.050~1.139	0.114~0.350
建设用地	平均值	0.087	0.001	0.104	0.016	0.297	0.167

图3 抚顺市土壤代表性重金属元素污染空间分布图

Fig.3 Spatial distribution of heavy metal pollution of soils in Fushun City

图4 抚顺市土壤重金属复合污染种类空间分布

Fig.4 Spatial distribution of heavy metal composite pollutiontypes of soils in Fushun City

表8 抚顺市土壤重金属复合污染元素统计

Table 8 Statistics of heavy metal pollutant assemblages for soils in Fushun City

级别	复合污染情况	污染元素	土地类型	面积(hm²)	占总面积比例 (%)
Ⅰ	无污染	无	无	1919412.02	91.83
Ⅱ	单一元素污染	铜、铅、锌、铬	建设用地(2点位)、农用地(27点位)	150156.83	7.18
Ⅲ	双元素污染	铜、铬;锌、铬;镍、铬;铜、镍	农用地(10点位)	20471.83	0.98
Ⅳ	三元素污染	铬、铜、镉	农用地(1点位)	12.12	0.01

图5 抚顺市土壤重金属复合污染等级空间分布

Fig.5 Spatial distribution of heavy metal composite pollution levels of soils in Fushun City

表9 抚顺市土壤潜在生态风险指数及危害程度

Table 9 Potential ecological risk index and degree of harmfulness for soils in Fushun City

土地类型	数值类型	砷	汞	镉	铜	铅	镍	锌	铬	综合潜在生态风险指数	风险等级
建设用地	最大值	1.80	0.10	8.91	0.32	5.69	1.75	—	—	15.23	轻微生态危害
	最小值	0.34	0.02	0	0	0.25	0.57	—	—	2.13
	平均值	0.88	0.05	3.13	0.08	1.51	0.84	—	—	6.47
农用地	最大值	0.74	0.58	30	8.10	1.84	9.25	1.76	2.63	41.99	轻微生态危害
	最小值	0.24	0.04	0.50	1.20	0.17	0.11	0.18	1.36	5.79
	平均值	0.39	0.20	5.40	3.67	0.82	1.41	0.78	1.94	14.42

参考文献 25

[1]	HE J Y, YANG Y, CHRISTAKOS G, et al. Assessment of soil heavy metal pollution using stochastic site indicators[J]. Geoderma, 2019, 337: 359-367. DOI URL
[2]	MARRUGO-NEGRETE J, PINEDO-HERNÁNDEZ J, DÍEZ S. Assessment of heavy metal pollution, spatial distribution and origin in agricultural soils along the Sinú River Basin, Colombia[J]. Environmental Research, 2017, 154: 380-388. DOI URL
[3]	WU W, WU P, YANG F, et al. Assessment of heavy metal pollution and human health risks in urban soils around an electronics manufacturing facility[J]. Science of the Total Environment, 2018, 630: 53-61. DOI URL
[4]	胡庆海, 王学求, 韩志轩, 等. 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(3):778-789.
[5]	赵杰, 罗志军, 赵弯弯, 等. 基于改进物元可拓模型的鄱阳湖区耕地土壤重金属污染评价[J]. 农业环境科学学报, 2019, 38(3): 521-533.
[6]	王辉, 焦振恒, 吴昊, 等. 铅锌矿周边土壤重金属污染评价方法概述[J]. 沈阳大学学报(自然科学版), 2021, 33(4): 300-306.
[7]	刘洋, 刘明庆, 王磊, 等. 云南某废弃硅厂周边农田土壤重金属污染评价[J]. 农业环境科学学报, 2022, 41(4): 785-793.
[8]	滑小赞, 程滨, 赵瑞芬, 等. 太原市农田土壤重金属污染评价与空间分布特征[J]. 灌溉排水学报, 2021, 40(3): 101-109.
[9]	陶美霞, 陈明, 杨泉, 等. GIS在土壤重金属污染评价和安全预警的应用[J]. 有色金属科学与工程, 2017, 8(6): 92-97.
[10]	刘硕, 吴泉源, 曹学江, 等. 龙口煤矿区土壤重金属污染评价与空间分布特征[J]. 环境科学, 2016, 37(1): 270-279.
[11]	赵晓光, 张亦扬, 杜华栋. 陕北矿区不同土地类型下土壤重金属污染评价[J]. 环境工程, 2019, 37(9): 188-193.
[12]	施建飞, 靳正忠, 周智彬, 等. 额尔齐斯河流域典型尾矿库区周边土壤重金属污染评价[J]. 生态环境学报, 2022, 31(5): 1015-1023. DOI
[13]	刘同, 刘传朋, 康鹏宇, 等. 山东省沂南县东部土壤重金属地球化学特征及源解析[J]. 现代地质, 2022, 36(4): 1173-1182.
[14]	乔雯, 王议, 张德强, 等. 某矿区土壤重金属分布特征及来源解析[J]. 现代地质, 2022, 36(2): 543-551.
[15]	黄勇, 段续川, 袁国礼, 等. 北京市延庆区土壤重金属元素地球化学特征及其来源分析[J]. 现代地质, 2022, 36(2): 634-644.
[16]	杜古尔·卫卫, 石海涛, 邢浩, 等. 新疆戈壁荒漠区典型露天煤矿土壤重金属来源解析及空间分布[J]. 现代地质, 2023, 37(3):790-800.
[17]	GAO Y, CHEN F, ZHANG H L, et al. Pollution and health risk assessment of heavy metals in soils of Guizhou, China[J]. Ecosystem Health and Sustainability, 2021, 7(1):356-367.
[18]	LIU H, QU M, CHEN J, et al. Heavy metal accumulation in the surrounding areas affected by mining in China: Spatial distribu-tion patterns, risk assessment, and influencing factors[J]. Science of The Total Environment, 2022, 825: 154004. DOI URL
[19]	张又文, 韩建华, 涂棋, 等. 天津市郊农田土壤重金属积累特征及评价[J]. 生态与农村环境学报, 2019, 35(11): 1445-1452.
[20]	薛志斌, 李玲, 张少凯, 等. 内梅罗指数法和复合指数法在土壤重金属污染风险评估中的对比研究[J]. 中国水土保持科学, 2018, 16(2): 119-125.
[21]	唐兴敏, 汪欣, 贾正勋, 等. 武汉市某污染场地开发利用后土壤环境质量分析[J]. 资源环境与工程, 2022, 36(1): 54-59. DOI
[22]	李玲, 薛志斌, 高畅, 等. 基于复合指数法的土壤重金属污染评价[J]. 国土资源科技管理, 2018, 35(1): 1-10.
[23]	黄志伟, 李文静, 李伟杰, 等. 东江流域土壤重金属污染特征及潜在风险评价[J]. 农业环境科学学报, 2022, 41(3): 504-515.
[24]	姜彬慧, 张博, 王雪峰, 等. 抚顺西露天矿区土壤重金属污染及潜在风险评价[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2020, 41(4): 568-574. DOI
[25]	张宪依, 庞成宝, 王安婷, 等. 海南岛表层及深层土壤重金属分布特征及源解析[J]. 现代地质, 2020, 34(5):970-978.

基于不同土地利用方式的土壤重金属污染与潜在风险评价:以辽河流域(浑太水系)山水林田湖草沙一体化保护和修复工程为例

Soil Heavy Metal Pollution and Potential Risk Assessment Based on Different Ways of Land Use: A Case Study of Integrated Protection and Restoration Project of Mountains, Rivers, Forests, Fields, Lakes, Grass and Sand in the Liaohe River Basin (Huntai River System)

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 14

参考文献 25

相关文章 1

编辑推荐

Metrics

本文评价