典型黑色岩系地质高背景区土...品重金属富集特征与污染风险_邓帅.pdf

Eco-EnvironmentalKnowledge Web环 境 科 学Environmental Science第44卷第4期 2023年4月Vol44，No4 Apr，2023典型黑色岩系地质高背景区土壤和农产品重金属富集特征与污染风险邓帅1，段佳辉2，宁墨奂2，谭林2，蒲刚1，陈际行1，齐小兵1，蒋尚智1，谢桃园1，刘意章3*(1 重庆市地质矿产勘查开发局 205 地质队，重庆401120;2 重庆市地质调查院，重庆401120;3 中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室，贵阳550081)摘要:土壤重金属污染是我国的重要环境问题，而区域地质高背景是土壤重金属富集的重要影响因素 黑色岩系风化土壤普遍存在重金属富集的现象，潜在生态环境风险较高，但目前农产品重金属富集的基础数据较缺乏，限制了黑色岩系地质高背景区的土地安全利用与农产品安全生产 对重庆典型黑色岩系地质高背景区 313 件土壤和 289 件主要农产品重金属的富集特征、污染风险和土壤重金属赋存形态进行研究 结果表明，相对于我国土壤环境背景值和重庆市表层土壤，研究区土壤 Cd、Cr、Cu、Zn 和 Se 富集，Pb 不富集;其中98.7%的土壤 Cd 含量超过风险筛选值，47.3%的土壤 Cd 含量超过风险管制值，Cd 的污染水平和潜在生态风险最高，是研究区土壤的特征污染物 土壤 Cd 主要以离子交换态存在(40.6%)，其次为残渣态(19.1%)和弱有机结合态(16.6%);Cr、Cu、Pb、Se 和 Zn 主要以残渣态存在，Se 和 Cu 的有机结合态、Pb 的铁锰结合态也占较高比例;说明 Cd的迁移能力和活性高于其它重金属 研究区主要农产品富集重金属的能力较弱，约18.7%的农产品 Cd 超标，超标倍数相对较低，重金属污染风险较低 研究可为黑色岩系地质高背景区土地安全利用和农产品安全生产提供科学依据关键词:地质高背景区;土壤;农作物;镉(Cd);硒(Se);赋存形态中图分类号:X53文献标识码:A文章编号:0250-3301(2023)04-2234-09DOI:1013227/j hjkx202205115收稿日期:2022-05-10;修订日期:2022-06-29基金项目:重庆市规划和自然资源局地调科研项目(渝规资 2020188 号);国家自然科学基金项目(41773142);中国科学院青年创新促进会专项(2021399)作者简介:邓帅(1993 )，男，工程师，主要研究方向为地质高背景区重金属污染与环境效应，E-mail:992449246 qq com*通信作者，E-mail:liuyizhang mail gyig ac cnAccumulation and Pollution isks of Heavy Metals in Soils and Agricultural Productsfrom a Typical Black Shale egion with High Geological BackgroundDENG Shuai1，DUAN Jia-hui2，NING Mo-huan2，TAN Lin2，PU Gang1，CHEN Ji-xing1，QI Xiao-bing1，JIANG Shang-zhi1，XIE Tao-yuan1，LIUYi-zhang3*(1 No205 Geological Team，Chongqing Bureau of Geology and Minerals Exploration，Chongqing 401120，China;2 Chongqing Institute of Geological Survey，Chongqing401120，China;3 State Key Laboratory of Environmental Geochemistry，Institute of Geochemistry，Chinese Academy of Sciences，Guiyang 550081，China)Abstract:Soil polluted by heavy metals(HMs)is an important environmental issue in China，and regional geological background is a vital factor that influences theenrichment of HMs in soils Previous studies have shown that soils derived from black shales are commonly enriched in HMs and present high potential eco-environmental risksHowever，few studies have investigated the HMs in different agricultural products，which inhibit the safe use of land and safe production of food crops in black shale regionsThis study investigated the concentrations，pollution risks，and speciation of HMs in soils and agricultural products from a typical black shale region in Chongqing The resultsshowed that the study soils were enriched in Cd，Cr，Cu，Zn，and Se but not in Pb Approximately 98.7%of total soils exceeded the risk screening values，and 47.3%oftotal soils exceeded the risk intervention values Cd had the highest pollution level and potential ecological risks and was the primary pollutant in soils of the study area Mostof the Cd resided in ion-exchangeable fractions(40.6%)，followed by residual fractions(19.1%)and weak organic matter combined fractions(16.6%)，whereas Cr，Cu，Pb，Se，and Zn were dominated by residual fractions Additionally，organic combined fractions contributed to Se and Cu，and Fe-Mn oxide combined fractions contributed toPb These results indicated that Cd had higher mobility and availability than those of other metals The agricultural products presented a weak ability to accumulate HMsApproximately 18.7%of the collected samples with Cd exceeded the safety limit，but the enrichment factor was relatively low，indicating low pollution risks of the heavymetals The findings of this study could provide guidelines for safe use of land and safe production of food crops in black shale regions with high geological backgroundKey words:high geological background;soil;food crops;cadmium(Cd);selenium(Se);speciation土壤重金属污染是我国目前的主要环境问题之一，除矿冶、工业和农业等典型人为活动造成土壤重金属污染外，区域地质高背景也是土壤重金属富集的重要因素1 3 我国浙江部分地区、珠江三角洲和西南碳酸盐岩地区土壤重金属的富集均不同程度受到地质高背景的影响4 6，其中，西南地区大面积土壤镉等重金属自然富集，土壤重金属富集特征与环境效应被广泛关注7 10 有研究表明，碳酸盐岩地质高背景区土壤重金属的生物活性较低11，农产品污染风险低，例如广西岩溶区稻田土壤 Cd 含量超过风险筛选值的点位占比超过 50%，但在安全利用区和严格管控区，水稻籽实 Cd 的超标率分别为 11.5%和 16.4%12 而受硫化物风化产酸等因素影响，黑色岩系地质高背景区土壤重金属的生物活性相对较高，以 0.01 mol L1CaCl2溶液对重金4 期邓帅等:典型黑色岩系地质高背景区土壤和农产品重金属富集特征与污染风险属的提取率为例，重庆典型黑色岩系地区土壤 Cd的平均提取率为6.14%13，浙江黑色岩系地区土壤Cd 的平均提取率为 15.9%14，均显著高于碳酸盐岩风化土壤平均值 1.9%11 然而，与西南碳酸盐岩地质高背景区相比，目前关于黑色岩系地区农产品重金属富集特征与污染风险的研究相对较少，有研究表明，即使土壤 Cd 含量和生物有效性较高，但黑色岩系地区玉米的超标率仍较低13，15 然而，其它农产品中重金属的污染风险依然未知，相关基础数据的缺乏制约了黑色岩系地质高背景区土地安全利用和农产品安全生产 因此，本文选择重庆市城口县的典型黑色岩系地质高背景区，系统采集区内土壤和多种主要农产品，研究样品重金属总量及典型土壤样品中重金属赋存形态特征，通过揭示黑色岩系地区土壤与农产品的重金属富集特征与污染风险，以期为区域重金属污染风险防控和农产品安全生产提供科学依据1材料与方法1.1研究区域概况研究区位于重庆市城口县(图 1)，属亚热带山地气候，具有气候温和、雨量充沛、日照较足、四季分明和冬长夏短等特征 地形地貌以低山河谷、中山和峰丛台地为主 研究区位于城巴断裂带以北，区内地层主要为寒武系下统鲁家坪组，岩性主要以含炭质板岩和泥质板岩为主，中上部夹少量薄层灰岩，部分板岩含黄铁矿星点和结核 成土母质主要为第四系新冲积黄色冲积物、碳酸盐岩风化物、沙泥岩和碳酸盐风化物 土壤类型为黄壤和黄棕壤 研究区耕地以旱地为主，主要种植玉米、红薯、土豆和萝卜等农作物图 1研究区地理位置和采样点位示意Fig 1Location of the study area and sampling sites1.2样品采集与分析本文采集了研究区内主要地块的土壤和对应农产品样本，表层土壤样品(0 20 cm)根据地块形状选择“X”型或“S”型由主样点向周边辐射 30 50 m确定 4 6 个分样点，等份组成一个混合样，共采集土壤样品 313 件 农产品采集于收获盛期，在采样点地块内视不同情况采用棋盘法、梅花点法、对角线法和蛇形法等进行多点取样，然后等量混匀组成一个混合样品，共采集农产品样品 313 件，其中土豆48 件，草莓 27 件，玉米 80 件，萝卜 47 件，红薯 42件，板栗 45 件;另有 24 件为中药材样品，未纳入本文讨论土壤样品自然风干后过 10 目孔径尼龙筛，剔除粗粒级石块和植物