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物探与化探  2024, Vol. 48 Issue (1): 255-263    DOI: 10.11720/wtyht.2024.2595
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皖南典型区耕地土壤重金属富集特征、来源识别及健康风险评估
杨艳(), 刘彬, 夏飞强, 陈平峰, 张祥
安徽省地球物理地球化学勘查技术院,安徽 合肥 230022
Enrichment characteristics, source identification, and health risk assessment of soil heavy metals in typical cultivated land in the mountainous area of southern Anhui Province
YANG Yan(), LIU Bin, XIA Fei-Qiang, CHEN Ping-Feng, ZHANG Xiang
Anhui Institute of Geophysical and Geochemical Prospecting Techniques, Hefei 230022, China
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摘要 

为探讨安徽省皖南山区典型耕地土壤重金属富集特征及成因,以安徽省东南部宁国市为研究对象,在耕地中采集1 399件表层土壤样品,测定As、Cd、Hg、Pb、Cr、Ni、Cu、Zn元素含量,运用相关分析、土壤环境质量农用地土壤污染风险、地质累积指数、健康风险指数及PMF(正定矩阵因子分解)模型方法开展重金属风险评价及来源识别。结果显示:As、Cd、Hg、Pb、Cr、Ni、Cu、Zn含量的平均值分别为:15.8×10-6、0.41×10-6、0.106×10-6、31×10-6、67×10-6、29.00×10-6、29×10-6、94×10-6,除Ni外,其他元素均高于安徽省背景值;重金属土壤污染风险水平整体较低,有866件土壤样品重金属含量低于风险筛选值;地质累积指数结果表明,耕地土壤主要受到Hg、Cd、As污染;健康风险评估结果显示,研究区内成人非致癌与致癌风险水平均在可接受范围内;基于PMF模型,确立了研究区重金属4种来源:与人类活动相关的工农业排放源、大气沉降源、与土壤类型相关的成土母质源和地质背景源。
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杨艳
刘彬
夏飞强
陈平峰
张祥
关键词 ： 耕地,  土壤重金属,  健康风险,  PMF模型    
Abstract：

This study aims to explore the enrichment characteristics and origin of soil heavy metals in typical cultivated land in the mountainous area of southern Anhui province. With Ningguo City in southeastern Anhui Province as the research object, this study collected 1399 topsoil samples in the cultivated land for determining the concentrations of As, Cd, Hg, Pb, Cr, Ni, Cu, and Zn. Furthermore, this study conducted a health risk assessment and source identification of heavy metals using the correlation analysis, the soil environmental quality - risk control standard for soil contamination of agricultural land, the geoaccumulation index, the health risk index, and the positive matrix factorization (PMF) model. The results are as follows: (1) The average concentrations of As, Cr, Hg, Pb, Cr, Ni, Cu, and Zn were 15.8×10-6, 0.41×10-6, 0.106×10-6, 31×10-6, 67×10-6, 29×10-6, 29×10-6, and 94×10-6, respectively, which were all higher than their background values in Anhui Province, except Ni. (2) The soil heavy metals generally exhibited low pollution risks, with the heavy metal concentrations of 866 soil samples lower than their risk screening values. (3) The cultivated soil was primarily polluted by Hg, Cd, and As, as indicated by the geoaccumulation index results. (4) Both non-carcinogenic and carcinogenic risk levels in adults in the study area were within the acceptable ranges, as revealed by the health risk assessment results. (5) Four sources of heavy metals in the study area were identified based on the PMF model: industrial and agricultural emissions associated with human activities, atmospheric deposition, soil parent materials related to soil types, and the geological background source.
Key words： cultivated land    soil heavy metals    health risk    PMF model
收稿日期: 2022-11-30      修回日期: 2023-05-05      出版日期: 2024-02-20
ZTFLH:  X142  
  X825  
基金资助:安徽省公益性地质工作项目(2016-g-3-11)
作者简介: 杨艳(1993-),女,本科,2013年毕业于中国地质大学(武汉),地球化学勘查工程师,主要研究方向为生态地球化学。Email:1061839449@qq.com
引用本文:   
杨艳, 刘彬, 夏飞强, 陈平峰, 张祥. 皖南典型区耕地土壤重金属富集特征、来源识别及健康风险评估[J]. 物探与化探, 2024, 48(1): 255-263.
YANG Yan, LIU Bin, XIA Fei-Qiang, CHEN Ping-Feng, ZHANG Xiang. Enrichment characteristics, source identification, and health risk assessment of soil heavy metals in typical cultivated land in the mountainous area of southern Anhui Province. Geophysical and Geochemical Exploration, 2024, 48(1): 255-263.
链接本文:  
https://www.wutanyuhuatan.com/CN/10.11720/wtyht.2024.2595      或      https://www.wutanyuhuatan.com/CN/Y2024/V48/I1/255
Fig.1  研究区地理位置示意(a)、土壤类型(b)和采样点分布(c)
1—第四系;2—白垩系;3—侏罗系;4—二叠系;5—石炭系;6—泥盆系;7—志留系;8—奥陶系;9—寒武系;10—震旦系;11—南华系;12—燕山期侵入岩(二长花岗岩);13—燕山期侵入岩(二长花岗斑岩);14—花岗斑岩;15—地层界线;16—断层;17—土壤采样点位
元素/指标 分析方法 检出限/10-6 测定范围/10-6
As AFS 0.2 0.2~500
Cd ICP-MS 0.02 0.02~4.0
Hg AFS 0.0005 0.0005~10
Pb ICP-MS 2 2~2000
Cr ICP-AES 3 3~3500
Ni ICP-AES 0.05 0.05~2000
Cu ICP-AES 1 1~2000
Zn ICP-AES 2 2~3000
pH ISE 0.1* 0.1~14.0*
Table 1  各元素(指标)分析方法及检出限
等级 1 2 3 4 5 6 7
Igeo ≤0 >0~1 >1~2 >2~3 >3~4 >4~5 ≥5
污染程度 无 无到中等 中等 中等到重度 重度 重度到极度 极度
Table 2  地质累积指数分级标准划分
参数 含义 单位 成人 儿童
I R 土 壤 土壤摄入量 mg/d 100 200
EF 暴露频率 d/a 350 350
ED 暴露期 a 24 6
BW 平均体重 kg 61.8 19.2
AT 平均作用时间 d 9125 2190
SA 可能接触土壤的皮肤面积 cm2/d 5700 2800
AF 皮肤对土壤的吸附系数 mg/cm2 0.07 0.2
ABS 皮肤吸收率 % 0.1 0.1
PEF 土壤尘产生因子 m3/kg 1.36′109 1.36′109
I R 空 气 日空气吸入量 m3/d 14.5 7.5
Table 3  健康风险模型暴露参数[12,15-16]
元素 参考计量RfD/mg·(kg·d)-1 致癌斜率SF/[mg/(kg·d)]-1
经口 皮肤 呼吸 经口 皮肤 呼吸
As 3.00×10-4 1.23′10-4 4.29′10-6 1.50 1.50 15.10
Cd 1.00×10-3 2.50′10-5 2.86′10-6 6.30
Hg 3.00×10-4 2.14′10-5
Pb 1.40×10-3 5.24′10-4 8.50×10-3 4.20×10-2
Cr 3.00×10-3 3.00′10-5 2.86′10-5 5.01×10-1 2.00′101 4.20′101
Ni 2.00×10-2 5.40′10-3 9.00′10-5 1.70 4.25′101 8.40×10-1
Cu 4.00×10-2 1.20′10-2
Zn 3.00×10-1 6.00′10-2
Table 4  土壤重金属不同暴露途径的RfD和SF[12,15-16]
参数 Cr Cu Ni Zn Cd Pb As Hg pH
原始数据 最大值 326 95 94.48 451 16.06 225 292.5 0.650 8.3
最小值 10 7 4.49 39 0.03 4 1.3 0.030 4.3
中位数 68 27 28.20 91 0.21 30 10.6 0.100 5.4
算术平均值 67 29 29.00 94 0.41 31 15.8 0.106 5.5
标准离差 17.450 10.998 9.863 34.392 0.799 7.993 18.902 0.048 0.659
变异系数 0.26 0.38 0.34 0.37 1.97 0.26 1.20 0.46 0.12
迭代剔除后 算术平均值 67 29 28.57 91 0.27 30 11.4 0.098 5.4
标准离差 14.657 9.919 9.025 26.139 0.173 4.567 6.155 0.031 0.363
变异系数 0.22 0.35 0.32 0.29 0.64 0.15 0.54 0.32 0.07
样品数量 1374 1380 1383 1363 1288 1357 1276 1329 1290
安徽省[11] 算术平均值 66.5 20.4 29.8 62 0.097 26.6 9.0 0.033 6.4
全国[17] 算术平均值 66 25 27 71 0.205 30 10.3 0.076
Table 5  土壤重金属元素参数统计
土壤污染
风险等级		 样品数/件
Cr Cu Ni Zn Cd Pb As Hg 综合
低风险 1398 1343 1393 1382 930 1396 1266 1397 866
风险可控 1 56 6 17 437 3 130 2 498
较高风险 32 3 35
Table 6  研究区耕地土壤污染风险等级统计结果
元素 Igeo≤0 0<Igeo≤1 1<Igeo≤2 2<Igeo≤3 3<Igeo≤4 4<Igeo≤5 Igeo>5
污染程度 无 无到中等 中等 中等到重度 重度 重度到极度 极度
Cr 99.0 0.9 0.1 0 0 0 0
Cu 62.1 36.9 1.0 0 0 0 0
Ni 95.4 4.4 0.1 0 0 0 0
Zn 53.4 44.8 1.6 0.1 0 0 0
Cd 20.7 42.8 20.6 11.8 2.7 0.8 0.6
Pb 93.9 6.0 0.1 0.1 0 0 0
As 65.0 24.2 7.0 3.1 0.6 0.1 0
Hg 3.4 51.5 41.0 4.0 0.1 0 0
Table 7  各元素不同地质累积指数级别的样品数占总样品数的百分比
元素 Cr Cu Ni Zn Cd Pb As Hg
Cr 1.000
Cu 0.613 1.000
Ni 0.743 0.872 1.000
Zn 0.371 0.818 0.769 1.000
Cd 0.224 0.554 0.551 0.759 1.000
Pb 0.181 0.401 0.290 0.444 0.256 1.000
As 0.273 0.379 0.348 0.269 0.170 0.225 1.000
Hg 0.116 0.175 0.136 0.187 0.125 0.130 -0.019 1.000
Table 8  土壤重金属含量相关性分析
Fig.2  通过PMF模型获得的研究区重金属污染源成分谱
Fig.3  研究区重金属污染源成分谱
Fig.4  PMF影响因子空间分布
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