高新沙水库土壤重金属分布特征及环境风险_茹卫东.pdf

农业环境科学学报Journal of AgroEnvironment Science2023，42（6）:1315-13282023年6月茹卫东，黄俣轩，王元成，等.高新沙水库土壤重金属分布特征及环境风险J.农业环境科学学报,2023,42（6）：1315-1328.RU W D,HUANG Y X,WANG Y C,et al.Distribution characteristics and potential ecological risks of heavy metals in the Gaoxinsha reservoirJ.Journal ofAgro-Environment Science,2023,42（6）：1315-1328.高新沙水库土壤重金属分布特征及环境风险茹卫东1，黄俣轩2，王元成3，莫建成4，汤家源5，党志3，黄飞2*（1.广东粤海珠三角供水有限公司，广州 511455；2.广东工业大学环境科学与工程学院，广州 510006；3.华南理工大学环境与能源学院，广州 510006；4.广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635；5.中国水利水电第七工程局有限公司，成都 610213）Distribution characteristics and potential ecological risks of heavy metals in the Gaoxinsha reservoirRU Weidong1,HUANG Yuxuan2,WANG Yuancheng3,MO Jiancheng4,TANG Jiayuan5,DANG Zhi3,HUANG Fei2*（1.Guangdong Yuehai Pearl River Delta Water Supply Co.,Ltd.,Guangzhou 511455,China;2.School of Environmental Science andEngineering,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China;3.School of Environment and Energy,South ChinaUniversity of Technology,Guangzhou 510006,China;4.Guangdong Hydropower Planning&Design Institute Co.,Ltd.,Guangzhou510635,China;5.Power China Sinohydro Bureau 7 Co.,Ltd.,Chengdu 610213,China）Abstract：To investigate the spatial distribution characteristics and potential ecological risks of heavy metals in the Gaoxinsha reservoirsoils,the concentrations of heavy metals including Cu,Zn,Cd,Pb,Ni,Cr,Hg,and As were measured at four different soil depths（0-50,50-100,100-200 cm and 200-300 cm）,and their distribution characteristics were visually presented using ArcGIS.The potentialenvironmental risks were further assessed using the standard of soil environmental quality（GB 156182018）and Hankansons potentialecological risk index（RI）,respectively.The results indicated that all reservoir soils were slightly contaminated with Cu,Cd,Pb,Hg,andAs.This was the case especially for Cu and As;Cu exceeded the rates by 47.92%and 11.63%for the A layer soil（0-50 cm）and B layer收稿日期：2022-10-26录用日期：2023-02-17作者简介：茹卫东（1985），男，硕士研究生，主要从事水库环境质量评价研究。E-mail：*通信作者：黄飞E-mail：基金项目：珠江三角洲水资源配置工程项目：南沙地区土壤重金属超标原因及对高新沙水库的影响研究（CD88-GC02-2020-0059）Project supported：Water Resources Allocation Project of Pearl River Delta：Analysis of Excessive Heavy Metals in Soil for Nansha Area and Its Impact onGaoxinsha Reservoir（CD88-GC02-2020-0059）摘要：为探究拟建高新沙水库库区土壤重金属空间分布特征及其潜在生态风险，本研究通过对库区4层土壤（050、50100、100200、200300 cm）中8种重金属（Cu、Zn、Cd、Pb、Ni、Cr、Hg、As）含量的测定，利用ArcGIS技术分析了重金属元素的空间分布特征，并采用单因子指数法和潜在生态危害指数法评价了库区土壤重金属的潜在生态风险。结果表明：As在各层土壤中轻微超出土壤环境标准筛选值（GB 156182018），超标范围为4.17%35.71%，但最大超标倍数仅为0.39倍；Cu在前两层土壤中轻微超标，超标率分别是47.92%（050 cm）和11.63%（50100 cm），在后两层土壤中均未超标；Cd、Pb和Hg在极个别点位轻微超标，Zn、Ni和Cr均未发现超标现象。土壤中Cu、Zn、Pb、Ni、Cr和As 6种重金属的单项潜在生态危害指数（Eir）值均远小于40，而且库区94.12%的土壤综合生态风险指数（RI）值小于150，这表明库区土壤重金属总体生态风险处于安全级别。对比广东现行的大部分水库重金属含量发现，除了As含量略高于部分现行水库含量外，高新沙水库土壤中其余7种重金属含量低于或接近现行水库水平。研究表明，研究区域土壤重金属总体潜在生态风险极低，可作为水库建设用地。关键词：水库；水体质量；土壤环境；重金属；分布特征；生态风险中图分类号：X53文献标志码：A文章编号：1672-2043（2023）06-1315-14doi:10.11654/jaes.2022-1075农业环境科学学报第42卷第6期珠江三角洲水资源配置是国务院批准 珠江流域综合规划（20122030年）中提出的重要水资源配置工程，其中拟建的高新沙水库是珠江三角洲水资源配置工程中重要的调节水库之一。拟建高新沙库区选址区域主要为淤质黏土，土壤中重金属在适宜的库区环境条件下很有可能被重新释放到水体中，从而影响水质安全，危害人体健康。因此，研究高新沙水库库区土壤重金属含量分布及潜在风险对水质安全保障具有重要意义。近年来，国内外学者在不同区域中土壤重金属污染特征与生态风险评价方面开展了大量研究1-5。目前的研究内容主要集中在土壤重金属污染评价6、重金属迁移转化机制7-8、重金属来源解析9-10等方面，研究区域也侧重于农业生产区8，11-13、污水灌溉区14-15、工业矿区16-17等，这些研究工作表明，不同利用类型的土壤区域中重金属分布特征及污染来源具有显著性差异。水库土壤不同于工业或农业生产污染区，也与河流、湖泊、海洋等自然生态系统有所不同，水库作为一类人工淡水生态系统，其受人类活动影响较大且被污染途径较多。部分学者针对三峡库区18、密云水库水源保护区19、丹江口水库20等现行水库土壤中重金属分布特征及风险展开了深入研究，结果均表明现行水库土壤重金属存在不同程度的潜在生态风险，非常有必要加强水质监测与保护工作。从这个角度来看，对拟建水库土壤中重金属风险进行评价就显得尤为重要，但是，当前针对拟建水库土壤重金属分布特征及风险评价的研究工作还鲜见报道。本研究以拟建高新沙水库库区土壤为研究对象，通过对库区4层土壤（A层050 cm、B层50100 cm、C 层 100200 cm、D 层 200300 cm）中 8 种重金属（Cu、Zn、Cd、Pb、Ni、Cr、Hg 和 As）含量的测定，利用ArcGIS技术探讨了重金属元素的空间分布特征，并采用单因子指数法和潜在生态危害指数法对重金属的生态风险进行了评价，从而揭示水源地土壤重金属分布特征及环境风险，以期为采取有效措施保护水源提供数据支持，并为将来高新沙水库运行中水质安全与风险管控提供理论依据。1材料与方法1.1 研究区域及采样点布设拟建高新沙水库选址位于广州市南沙区蕉门水道江心洲的头部三角地带，土地利用类型原属于果园用地。水库水域面积100 000 m2，库容5 290 000 m3。根据库区实际地形，采用网格加图斑的方法将库区分为16个采样区域。在实际采样中，采用“S”或“X”形进行布点采样（图1），尽可能避开地形干扰。每个采样区域设置3个平行样，按照050、50100、100200、200300 cm依次采集4个土层样品。1.2 样品采集处理与测定分析土壤样品采集后去除植物根须、砂砾、杂草等杂物，置于干净通风处自然晾干后用研钵研磨并过100目尼龙网筛，装于保鲜袋密封保存备用。在研究区域中，采集A层土壤样品48份，B层样品43份，C层样品31份，D层样品14份，共计136份土样。在每份土样测定Cu、Zn、Cd、Pb、Ni、Cr、Hg和As 8种重金属的含量，共测定样品数3 264个。准确称取0.1 g土样放入聚四氟乙烯坩埚中，加入10 mL优级纯盐酸（=1.19 gmL-1），将坩埚置于电热板上 120 左右加热。当坩埚内盐酸剩余大约 3mL时，分别加入5 mL优级纯硝酸（=1.42 gmL-1）、5mL优级纯氢氟酸（=1.49 gmL-1）和3 mL优级纯高氯酸（=1.76 gmL-1）进行消解。等待产生大量白烟时，盖上坩埚盖使埚内壁黑色物质完全消解，开盖排尽白烟，并用去离子水冲洗坩埚盖和内壁，将溶液转移至50 mL容量瓶中，冷却后定容待测。Cu、Zn、Cd、Pb、Ni和Cr的含量采用石墨炉原子吸收法测定，Hg和As的含量采用原子荧光光度计测定12。1.3 评价方法（1）单因子指数法。依据土壤pH值，不同重金属选取对应的风险筛选值进行评价。计算公式：soil（50-100 cm）,respectively,while As generally exceeded standard rate in a range from 4.17%to 35.71%.The ecological risks（Eir）forsix heavy metals（Cu,Zn,Pb,Ni,Cr,and As）at different soil depths were below 40,and the RI were well below 150,suggesting that theecological risk of the reservoir derived from heavy metal was very low.The levels of the seven heavy metals including Cu,Zn,Cd,Pb,Ni,Cr,and Hg in Gaoxinsha reservoir were lower or approaching the values of the existing reservoir in Guangdong Province,while theconcentrations of As were slightly higher than those of the existing reservoir.These findings suggest that the soils of Gaoxinsha reservoir areunlikely to be highly polluted by these heavy metals,which means that they are potentially at a“safe”level for the reservoir construction.Keywords：reservoir;water quality;soil environment;heavy metal;distribution characteristic;ecological risk1316茹卫东，等：高新沙水库土壤重金属分布特征及环境风险2023年6月Pi=Ci/Si式中：Pi为土壤中污染物的环境质量指数；Ci为污染物实测含量，mgkg-1；Si为 土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）（GB 156182018）筛选值，mgkg-1。当Pi1时，说明土壤重金属含量没有超标；当Pi1时，说明土壤重金属含量超标，可能影响人体健康21。（2）潜在生态危害指数法。该方法不但能说明某一特定环境中不同重金属污染物对环境的影响，而且可以反映多种重金属污染物的综合风险，并定量划分潜在生态危害等级22。计算公式：RI=i=1mEir=i=1mTirCiCin式中：RI为多种重金属潜在生态危害指数，RI分级标准是由Hakanson依据沉积物中Hg、As、Pb、Cu、Cr、Zn和PCB等8种污染物的毒性系数（Tir）之和而提出的，可分为轻微风险、中等风险、较强风险、很强风险、极强风险 5个等级23；Tri为重金属的毒性系数，重金属Cu、Zn、Cd、Pb、Ni、Cr、Hg和As的Tri分别为5、1、30、5、5、2、40和10；Eri为单个重金属的潜在生态危害指数，反映重金属的潜在生态危害程度；Ci为重金属i的实测含量，mgkg-1；Cin为重金属i的含量参比值，本研究参照 土壤重金属风险评价筛选值 珠江三角洲（DB44/T 14152014）中土壤环境背景值，重金属Cu、Zn、Cd、Pb、Ni、Cr、Hg 和 As 分别选取为 32、97、0.11、60、28、77、0.13 mgkg-1和 25 mgkg-1。根据赵梓霖等22和姚波等24的报道，土壤重金属Eri、RI与潜在生态风险程度的关系如表1所示。2结果与讨论2.1 土壤pH及重金属含量分析总体来看，随着土层深度增加土壤pH由酸性逐步变为弱碱性，A、B、C、D 4 层土壤的 pH 依次为（5.771.53）、（6.291.17）、（6.910.76）、（7.560.92），变异系数依次为 0.27、0.19、0.11、0.12。重金属 Cu、Zn、Cd、Pb、Ni、Cr、Hg和As的含量范围分别为877、40159、0.030.40、16400、648、2799、0.0030.666mgkg-1和4.240.9 mgkg-1。重金属Cu、Zn、Hg和As均 在 A 层 土 壤 中 平 均 含 量 最 大，分 别 是 50.27、119.69、0.14 mgkg-1和23.58 mgkg-1，而Pb、Ni、Cr均在 B 层土壤中平均含量最大，分别为 65.84、27.65、65.30 mgkg-1，仅Cd在4层土壤中平均含量的差异不显著，4 层土壤从上到下的平均含量依次为 0.17、0.13、0.15 mgkg-1和0.16 mgkg-1（表2）。2.2 重金属污染的生态风险2.2.1 单因子指数法评价（1）A层土壤中的重金属含量分布特征与评价水库土壤中Cu、Cd、Pb、Hg和As 5种重金属呈现a.高新沙水库平面图Plane graph for the reservoirb.采样点分布示意图Sketch map for soil samples图1 研究区域及采样点分布Figure 1 Schematic diagram of the soil sampling sites表1 Eri及RI的分级标准Table 1 Criteria for classification of Eriand RIEriEri4040Eri8080Eri160160Eri320Eri320RIRI150150RI300300RI600600RIAsZnPbCdNiHgCr；B 层、C 层和D层土壤中重金属平均超标倍数顺序分别为AsCuPbZnNiCdCrHg、AsCuZnPbNiCdCr表2 库区土壤重金属含量特征Table 2 Content of heavy metals in reservoir soil重金属Heavy metalCuZnCdPbNiCrHgAsA层土壤Soil profile A（050 cm）含量Content/（mgkg-1）50.2711.14119.6918.300.170.0947.0438.5025.386.8761.5211.290.140.0923.584.92变异系数Coefficient ofvariation0.220.150.520.820.270.180.620.21B层土壤Soil profile B（50100 cm）含量Content/（mgkg-1）39.6512.10107.9524.420.130.0765.8454.5027.658.1565.3010.770.090.0322.686.46变异系数Coefficient ofvariation0.310.230.500.830.290.160.380.28C层土壤Soil profile C（100200 cm）含量Content/（mgkg-1）35.1011.6991.6524.980.150.0653.1314.2625.428.5362.2613.390.090.0920.495.45变异系数Coefficient ofvariation0.330.270.390.270.340.221.050.27D层土壤Soil profile D（200300 cm）含量Content/（mgkg-1）29.8617.9179.7134.830.160.0649.5712.7820.7913.1154.7121.270.050.0416.337.92变异系数Coefficient ofvariation0.600.440.390.260.630.390.930.48注：数据为平均值标准差。下同。Note：Data is expressed as mean standard deviation.The same below.1318茹卫东，等：高新沙水库土壤重金属分布特征及环境风险2023年6月Hg和AsCuZnPbCdNiCrHg。值得注意的是，高新沙水库库区土壤重金属总体呈现极轻微超标现象，局部区域Cu和As存在轻度超标，极个别点位中Pb和Hg极轻微超标。2.2.2 潜在生态风险指数法评价从Eir来看，土壤Cu、Zn、Pb、Ni、Cr和As 6种重金属的Eir远小于40，说明库区4层土壤中重金属生态危害程度均为轻微级别生态风险（表3），这与张雷等28对丹江口水库迁建区土壤重金属生态风险评价的结果一致。其余2种重金属中，Cd在A层、C层和D层土壤中Eir平均值大于40，潜在生态风险处于中等级别，而Hg仅在A层土壤Eir平均值大于40，处于中等级别生态风险。总体来看，大约58.09%的土壤可能处于轻微生态风险级别（Eir0.3Cd/（mgkg-1）N1132500E225030N1132530E225000N225100N060Ni/（mgkg-1）1132500E225030N1132530E225000N225100N05050Cu/（mgkg-1）1132500E225030N1132530E225000N225100N08080Pb/（mgkg-1）区域边界研究区域采样点位00.25 0.50 km1132500E225030N1132530E225000N225100N0250Cr/（mgkg-1）1132500E225030N1132530E225000N225100N00.50.5Hg/（mgkg-1）1132500E225030N1132530E225000N225100N03030As/（mgkg-1）NNNNNNN1320茹卫东，等：高新沙水库土壤重金属分布特征及环境风险2023年6月图4 B层土壤（50100 cm）重金属含量Figure 4 Content of heavy metals in the soil profile B（50-100 cm）for each sampling siteCu/（mgkg-1）Zn/（mgkg-1）Cd/（mgkg-1）Pb/（mgkg-1）Ni/（mgkg-1）Cr/（mgkg-1）Hg/（mgkg-1）As/（mgkg-1）表3 库区土壤重金属潜在生态风险指数评价Table 3 Potential ecological risk index of heavy metals in the reservoir soils项目ItemEirRICuZnCdPbNiCrHgAsA层土壤Soil profile A7.851.74（3.2812.0）1.230.18（0.881.63）46.724.4（16.4109.0）3.923.20（1.3324.00）4.531.22（1.617.32）1.590.29（0.732.57）44.527.5（17.9204.9）9.431.96（3.0116.40）119.840.5（64.9320.7）B层土壤Soil profile B6.191.88（2.0311.60）1.110.25（0.541.64）35.817.9（8.2109.1）5.484.54（2.0833.30）4.931.45（1.798.57）1.690.27（0.992.18）28.110.5（4.054.2）9.072.58（4.2816.10）92.425.9（27.3176.5）C层土壤Soil profile C5.481.82（2.198.44）0.940.25（0.461.29）40.715.8（21.895.5）4.421.18（1.838.33）4.531.52（1.256.96）1.610.34（0.992.16）26.227.4（2.8161.5）8.192.17（3.9912.12）92.035.4（46.5207.5）D层土壤Soil profile D4.662.79（1.258.91）0.820.36（0.411.34）42.916.7（21.881.8）4.131.06（2.086.17）3.712.34（1.076.96）1.420.55（0.702.18）14.213.2（0.938.2）6.533.16（1.6811.10）78.326.5（45.8141.3）1321农业环境科学学报第42卷第6期1132500E225030N1132530E225000N225100N0200Zn/（mgkg-1）1132500E225030N1132530E225000N225100N00.4Cd/（mgkg-1）1132500E225030N1132530E225000N225100N070Ni/（mgkg-1）1132500E225030N1132530E225000N225100N05050Cu/（mgkg-1）1132500E225030N1132530E225000N225100N0100100Pb/（mgkg-1）1132500E225030N1132530E225000N225100N0250Cr/（mgkg-1）1132500E225030N1132530E225000N225100N00.5Hg/（mgkg-1）1132500E225030N1132530E225000N225100N03030As/（mgkg-1）于粤西水库（130.81 mgkg-1）和粤北水库（85.06 mgkg-1）。以上对比分析间接反映了该区域土壤重金属对拟建水库水质不会造成不良影响。值得注意地是，高新沙库区As平均含量为20.77mgkg-1，高于马尾水库（14.35 mgkg-1）、松木山水库（11.28 mgkg-1）、白坑水库（4.22 mgkg-1）等7个水库的重金属含量，但低于五点梅水库（25.97 mgkg-1）和水濂山水库（20.83 mgkg-1），这些间接说明拟建高新沙库区土壤As可能对水质存在潜在的风险。因此，在水库库盆阻隔措施中应加强土壤As的检测与防控工作。3结论（1）拟建高新沙水库前 3 层（0200 cm）土壤 pH呈现酸性，第4层（200300 cm）土壤为弱碱性。4层土壤中 As 普遍轻微超出土壤环境标准筛选值（GB156182018），超标范围为4.17%35.71%，但最大超标倍数仅为0.39倍；Cu仅在前两层土壤中存在轻微图5 B层土壤（50100 cm）重金属含量空间分布特征Figure 5 Spatial distribution of heavy metals content for the soil profile B（50-100 cm）in reservoir regionN区域边界研究区域采样点位00.25 0.50 kmNNNNNNN1322茹卫东，等：高新沙水库土壤重金属分布特征及环境风险2023年6月超标现象，超标率分别为47.92%（050 cm）和11.63%（50100 cm）；Cd、Pb和Hg仅在个别点位中出现极轻微超标现象；Zn、Cr和Ni均未发现超标现象。（2）拟建高新沙水库土壤中Cu、Zn、Pb、Ni、Cr和As 6种重金属的单项潜在生态风险指数值均远小于40，表明重金属的生态风险处于轻微级别，且大约94.12%的库区土壤的综合生态风险指数小于150，说明重金属总体生态风险处于安全水平。（3）拟建高新沙水库土壤中Cu、Zn、Cd、Pb和Hg 5种重金属含量均普遍低于广东大部分现行水库含量，Cr和Ni 2种重金属含量与现行水库含量接近，As含量略高于部分水库含量，这些间接反映出拟建高新沙水库土壤重金属可能不会对水质造成不良影响。参考文献：1 姜宇,郭庆军,邓义楠.长江流域沉积物和土壤重金属分布规律研究进展J.生态学杂志,2022,41（4）：804-812.JIANG Y,GUO QJ,DENG Y N.Research progress in the distribution of heavy metals insediments and soils in the Yangtze River basinJ.Chinese Journal ofEcology,2022,41（4）：804-812.2 张健琳,瞿明凯,陈剑,等.中国西南地区金属开采对矿区土壤重金图6 C层土壤（100200 cm）重金属含量Figure 6 Content of heavy metals in the soil profile C（100-200 cm）for each sampling siteCu/（mgkg-1）Zn/（mgkg-1）Cd/（mgkg-1）Pb/（mgkg-1）Ni/（mgkg-1）Cr/（mgkg-1）Hg/（mgkg-1）As/（mgkg-1）1323农业环境科学学报第42卷第6期1132500E225030N1132530E225000N225100N0250Zn/（mgkg-1）1132500E225030N1132530E225000N225100N00.6Cd/（mgkg-1）1132500E225030N1132530E225000N225100N0100Ni/（mgkg-1）1132500E225030N1132530E225000N225100N0100Cu/（mgkg-1）1132500E225030N1132530E225000N225100N0140Pb/（mgkg-1）1132500E225030N1132530E225000N225100N0300Cr/（mgkg-1）1132500E225030N1132530E225000N225100N00.6Hg/（mgkg-1）1132500E225030N1132530E225000N225100N02525As/（mgkg-1）属 影 响 的 Meta 分 析 J.环 境 科 学,2021,42（9）：4414-4421.ZHANG J L,QU M K,CHEN J,et al.Meta-analysis of the effects ofmetal mining on soil heavy metal concentrations in southwest ChinaJ.Environmental Science,2021,42（9）：4414-4421.3 于旦洋,王颜红,丁茯,等.近十年来我国土壤重金属污染源解析方法比较J.土壤通报,2021,52（4）：1000-1008.YU D Y,WANG YH,DING F,et al.Comparison of analysis 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