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物探与化探, 2022, 46(6): 1565-1572 doi: 10.11720/wtyht.2022.1688

生态环境调查

人类活动对江汉平原地区土地质量的影响——以洪湖市为例

郑雄伟,1,2, 陶梦珺,3, 张芷宜4, 查亚5, 王亚风6, 张响荣7

1.长江大学 地球科学学院,湖北 武汉 430100

2.湖北省地质局地球物理勘探大队,湖北 武汉430056

3.国防科技大学 信息通信学院,湖北 武汉 430030

4.湖北工业大学 经济与管理学院,湖北 武汉 430068

5.江苏华东八一四地球物理勘查有限公司,江苏 南京 210000

6.湖北省地质局第五地质大队,湖北 鄂州 436000

7.湖北省地质实验测试中心,湖北 武汉 430034

Impacts of human activities on the land quality of Jianghan Plain: A case study of Honghu City

ZHENG Xiong-Wei,1,2, TAO Meng-Jun,3, ZHANG Zhi-Yi4, CHA Ya5, WANG Ya-Feng6, ZHANG Xiang-Rong7

1. School of Geosciences, Yangtze University, Wuhan 430100, China

2. Geophysical Exploration Brigade, Hubei Geological Bureau, Wuhan 430056,China

3. Information and Communication College of National University of Defense Technology,Wuhan 430030,China

4. School of Economics and management of Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China

5. Jiangsu East China 814 Geophysical Exploration Co.,Ltd.,Nanjing 210000,China

6. Fifth Geological Brigade of Hubei Geological Bureaun,Ezhou 436000,China

7. Hubei Geological Research Laboratory,Wuhan 430034,China

通讯作者: 陶梦珺(1990-),女,助理教师,从事高校教育管理相关工作。 Email:113851719@qq.com

责任编辑: 蒋实

收稿日期: 2021-12-20   修回日期: 2022-01-13  

基金资助: 湖北省自然资源厅财政预算项目“湖北省‘金土地’工程—高标准基本农田地球化学调查”(HBJTD 20140107)
湖北省自然资源厅财政预算项目“湖北省‘金土地’工程—高标准基本农田地球化学调查”(HBJTD20160110)
湖北省自然资源厅财政预算项目“湖北省‘金土地’工程—高标准基本农田地球化学调查”(HBJTD 20170106)
“洪湖市全域土地质量地球化学评价暨地方特色农业硒资源调查”(洪土资函[2019]12号)

Received: 2021-12-20   Revised: 2022-01-13  

作者简介 About authors

郑雄伟(1986-),男,工程师,在读博士研究生,主要从事生态环境地球化学调查工作。Email:493928635@qq.com

摘要

为了对农业生态系统中不同输入途径及其所导致的土壤污染有进一步认识,促进江汉平原农业生产可持续发展,选取2014~2019年洪湖市土地质量地球化学评价项目所取得的数据进行了整体研究,对研究区大气干湿沉降、灌溉水和化肥Cr、Hg等重金属元素进行土壤生态地球化学分析,计算每种输入途径的输入量,在此基础上,探讨3种途径对土地质量的影响,研究结果如下:①洪湖市土地质量的安全性受人类活动的影响较小;②从3种途径的输入通量总和来看,不同元素表现差异较大,反映了当地农业活动输入的差异;③灌溉水的年输入通量较大,除Zn、Cr、Pb外,其他元素的通量中灌溉水对土壤的贡献都是最大的。

关键词: 输入途径; 人类活动; 土地质量; 洪湖市

Abstract

This study aims to further understand different input ways of heavy metal elements into the agroecosystem and resultant soil pollution and to promote the sustainable development of agriculture in the Jianghan Plain. To this end, data were collected from the geochemical assessment project on the land quality of Honghu City from 2014 to 2019 and were studied as a whole. Then, this study conducted geochemical analyses of heavy metal elements such as Cr and Hg input via three ways, namely atmospheric dry and wet subsidence, irrigation water, and chemical fertilizers, and calculated the input amount of the heavy metal elements via each way. Based on these, this study explored the impacts of the three ways on land quality. The results are as follows:①The land quality in Honghu City is slightly affected by human activities; ②The total input flux of different elements differs greatly with the input ways, reflecting the differences in the heavy metal elements input via local agricultural activities; ③The annual input flux of heavy metal elements via irrigation water is relatively high, and irrigation water contributes the most to the heavy metal elements (except for Zn, Cr, and Pb) input to soil.

Keywords: input way; human activity; land quality; Honghu City

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本文引用格式

郑雄伟, 陶梦珺, 张芷宜, 查亚, 王亚风, 张响荣. 人类活动对江汉平原地区土地质量的影响——以洪湖市为例[J]. 物探与化探, 2022, 46(6): 1565-1572 doi:10.11720/wtyht.2022.1688

ZHENG Xiong-Wei, TAO Meng-Jun, ZHANG Zhi-Yi, CHA Ya, WANG Ya-Feng, ZHANG Xiang-Rong. Impacts of human activities on the land quality of Jianghan Plain: A case study of Honghu City[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2022, 46(6): 1565-1572 doi:10.11720/wtyht.2022.1688

0 引言

土地作为地球表面上由土壤、岩石、气候、水文、地貌、植被等组成的自然综合体,土地质量自然会受到这些因素的影响,而随着人类活动的日益频繁和加剧,土地质量受人类活动的影响也越来越大[1-3]。从农田区域的角度出发,人类活动主要从大气干湿沉降、施用灌溉水和施用化肥3方面对土壤元素含量产生影响,造成土壤重金属的累积,然后通过食物链进入人体,给人体的健康带来威胁[4-5]。近年来关于农业生态系统中单独元素的通量研究很多[6-11],但较少涉及几种元素输入途径及输入量等方面的研究。本研究以2014~2019年完成的1∶5万“湖北省‘金土地’工程(洪湖1-3期)”和“洪湖市全域土地质量地球化学评价暨地方特色农业硒资源调查”项目的测试数据为研究基础,探讨大气干湿沉降、灌溉水和化肥3种途径对土地质量的影响,以期为研究区农业生产和农产品种植提供重要科学依据,也为研究区科学的制定土地利用规划、保护和改善土地资源提供理论支撑。

1 研究区地质概况

研究区位于湖北省中南部,长江中游北岸,江汉平原东南端,面积2 519 km2,包含20个乡镇办区和洪湖经济开发区。

研究区地层属扬子地层区,基岩零星分布于城区。区内第四系全新统分布广泛,具有类型多、相变大、物质成分复杂的特点,按成因类型划分为冲积、湖积、湖冲积、沼泽沉积等4种成因类型(表1)。

表1   研究区地层单位划分

Table 1  Brief table of stratigraphic unit division of the study area

地层代号岩性特征
第四系全新统Qhal冲积层:黄褐色黏土、亚砂土、砂砾石层
Qhl湖积层:黑—灰黑色淤泥、黏土
Qhlal湖冲积层:灰黄色黏土、亚黏土
Qhf沼泽沉积层:青灰色淤泥质亚黏土、亚砂土、淤泥
侏罗系下统桐竹园组J1t以黄、黄绿、灰黄色砂质页岩、粉砂岩及长石石英细砂岩为主,夹炭质页岩及
薄煤层或煤线
三叠—侏罗系王龙滩组T3J1w厚层长石石英砂岩、岩屑砂岩夹粉砂岩、泥岩、煤层和炭质页岩

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根据第三次土地调查的成果,统计发现研究区以耕地、水域及水利设施用地为主,按照《土地利用现状分类标准》(GB/T 21010—2007),耕地面积有799.25 km2,占32.66%;水域及水利设施用地面积有1 408.34 km2,占57.55%;园地面积有2.66 km2,占0.11%,林地面积有76.56 km2,占3.13%,见图1

图1

图1   研究区土地利用现状

Fig.1   Current situation of land use of the study area


洪湖市土地资源结构以耕地和水域为主要土地类型,占全市总面积的90.21%,其土地利用的主要特点为:水域面积大、建设用地面积大;耕地面积小、未利用地面积小。

2 样品采集及分析测试方法

2.1 数据来源

本研究起止年份为2014~2019年, 研究数据分 4个部分:①2014年湖北省地质局地球物理勘探大队开展的湖北省“金土地”工程(洪湖一期)调查;②2016年湖北省地质局地球物理勘探大队开展的湖北省“金土地”工程(洪湖二期)调查;③2018年湖北省地质局第四地质大队开展的湖北省“金土地”工程(洪湖三期)调查;④2019年湖北省地质局地球物理勘探大队和湖北省地质局第四地质大队共同开展的“洪湖市全域土地质量地球化学评价暨地方特色农业硒资源调查”,见图2

图2

图2   2014~2019年各时段工作范围及大气干湿沉降样品点位

Fig.2   The work scope of 2014~2019 and the sample localities of atmospheric dry and wet deposition


2.2 采样方法

按照1个点/16 km2的采样密度,在灌溉水取水口或其上游位置布设灌溉水取样点,采集时间为农作物的灌溉期,采集现场测试水体的pH值和水温等指标,根据测试指标不同,添加不同的保护剂。单点样分析指标23项,具体为pH、As、Mo、Se、Cr6+、K、N、Ba、Pb、Zn、Cu、Cd、Hg、Mn、Fe、P、硫酸盐、氯化物、氟化物、硝酸盐、高锰酸钾指数、总硬度、溶解性总固体。

肥料样品采集密度约为1个点/20 km2,样品覆盖了整个研究区,兼顾空间分布的均匀性。一般要求在上茬作物成熟或收获以后,下茬作物尚未种植以前,田间管理人员正在施用底肥期间采集样品,以反映采样地块的真实养分状况和供肥能力。按照实际施肥种类进行化肥、农家肥或泥炭等样品采集,采集不同种类和不同厂家生产、当地使用广泛的大宗肥料及各点肥料的输入量,样品质量大于500 g。

在研究区布设6 处大气沉降监测点,布署在洪湖市的主要乡镇。每处样点放置 2 个接沉缸,半年回收1次大气干湿沉降物样品,样点布设位置见图2

研究区共采集92件灌溉水样,86件大气降尘样,95件肥料样,见表2

表2   研究区样品类型工作量统计

Table 2  Sample type workload statistics of the study area

样品类型计量单位2014年2016年2017年2019年累计完成工作量/件
灌溉水样2020252792
大气降尘监测样2424142486
肥料样3117202795

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样品的采集、加工和保存均严格按照《区域生态地球化学评价规范》(DZ/T 0289—2015)执行。

2.3 分析测试方法

所有样品测试及分析工作均由湖北省地质实验测试中心承担,分析测试过程的质量控制严格按照《多目标区域地球化学调查规范(1∶250 000)》执行,测试结果都满足相关技术要求规定的准确度和精密度等质量要求。所有样品分析合格率100%,各元素异常抽查合格率均>95%。

3 研究区人类活动对土地质量的影响

3.1 大气干湿沉降对土地质量的影响

3.1.1 大气干湿沉降输入量结果与分析

在研究区均匀布设的 6个观测点大气干湿沉降指标地球化学特征值见表3表4

表3   研究区大气降尘地球化学指标特征值

Table 3  Characteristic value of geochemical index of atmospheric dust fall of the study area

元素样品数平均值/10-6标准差/10-6变异系数最小值/10-6最大值/10-6中位值/10-6
Se843.8866.1011.5700.0311625.8100.3381
As849.66215.2891.5820.0718864.0102.3249
Sb240.8120.4540.5590.109642.0990.6907
Hg840.0970.1341.3830.00260.4760.0137
Cr8450.19082.2751.6393.1040473.04012.4900
Ni8424.52241.0851.6750.6489224.5484.6900
Cu8460.27597.1901.6121.922426.9609.6400
Zn84413.956704.2021.7014.784219.16074.3200
Cd843.4305.9151.7240.042634.0000.4837
Pb84111.835171.8991.5373.092986.12027.6600
Fe246383.3005595.8690.877446.14720345.5004134.1500
Al241270.9601758.8841.3840.00000436621.5400.0003
Ca241058.620677.2240.640328.7623502.030937.6860
Mg24603.060495.5090.82273.92782049.600489.3350
K241057.820888.1470.84094.64283890.320872.5400
Mn2428.88029.6081.0250.01102.70022.6500
P24192.784116.1880.60319.95525.900179.0500
Co240.9010.7420.8230.13093.5010.7321
Mo240.2400.1520.6340.03090.6600.2042

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表4   研究区大气降水地球化学指标特征值

Table 4  Characteristic values of geochemical indexes of atmospheric precipitation of the study area

指标样品数平均值标准差变异系数最小值最大值中位值
As840.6290.460.70.0751.6080.567
Hg840.0180.010.40.0130.0600.015
Se840.7610.630.80.0752.8820.625
Cu841.5350.970.60.1004.0961.417
Zn8418.60318.421.00.10072.96011.990
Mo720.1710.171.00.0500.9340.127
Cd840.1540.140.90.0250.6610.108
Pb840.4670.621.30.0504.1850.311
Ba720.0310.031.10.0010.0750.010
Fe840.0430.071.60.0050.3960.017
K720.2460.200.80.0010.7590.177
Mn840.0120.021.40.0020.0900.004
P840.0160.021.10.0030.0700.010
凯氏N842.1991.160.50.4385.2101.930
Cr6+840.0250.177.00.0011.4000.004
溶解性总固体8435.73822.240.64.000126.00034.000
F840.0980.050.50.0250.2480.098
Cl-841.9043.041.60.14317.8600.844
NO3-841.5701.891.20.0756.9300.540
SO42-845.3652.840.50.45914.2404.789
总硬度8412.2469.710.81.02544.1308.980
高锰酸钾指数846.5884.080.61.54018.2005.480
B127.4723.270.43.96215.2106.751
Sr120.0200.000.10.0200.0250.020
V120.0200.000.00.0200.0210.020
硫化物120.0620.020.40.0300.0900.060
pH846.5920.510.15.5108.6006.610

注: As~Pb含量单位为μg/L;pH无量纲;其他为mg/L。

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从变异系数看,大气降尘、大气降水各分析指标在研究区均为较弱分异型,表明大气降尘和大气降水中各指标(元素)在研究区分布较为均匀。

从区域分布来看(表5),不论是干沉降还是湿沉降,4号观测点大气沉降中重金属元素含量较其他观测点高数倍。 这主要是由于4号观测点附近固体废弃物露天焚烧产生大量烟尘,携带大量有害物质进入大气造成的。

表5   研究区大气干湿沉降中元素含量的特征

Table 5  Content of heavy metals in dry and wet atmospheric deposition of the study area

元素湿沉降元素含量/(μg·L-1)干沉降元素含量/10-6
1号点2号点3号点4号点5号点6号点1号点2号点3号点4号点5号点6号点
As0.7711.650.72.352.180.581.3221.929.078.2612.382.39
Hg0.020.240.030.080.060.040.928.041.037.055.030.49
Cu1.124.130.10.20.150.247.6924.361.9215.3619.872.46
Zn246.8949.4850.5688992551032.358110.184008.78386.395645.895312.12
Cd0.153.240.330.450.390.870.33208.473.0490.3610.892.56
Pb0.348.383.151.364.590.3927.96106.9713.072.3645.3636.98
Cr0.285.571.361.340.380.1911.46117.23.15.6596.3645.37
Ni8.1212.392.11.56.63.425.19827.35354.658.6245.2378.35

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大气干湿沉降降落到土壤中后,对土壤中重金属元素含量的影响可能是正向的,也可能是负向的。由于湿沉降对土壤耕层体积不会产生影响,因此湿沉降都会增加土壤中元素的含量水平。但干沉降情况相对复杂,如果干沉降中的元素含量高于土壤中的元素含量,那么干沉降会造成表层土壤元素的累积;如果干沉降中的元素含量小于表层土壤的元素含量,那么干沉降就会使土壤中的元素含量降低,起到稀释作用[6]。在扣除土壤本底的影响下,计算得出大气干湿沉降年净增通量。经统计发现,除Se和Hg外,其他重金属元素的颗粒态沉降量均大于大气降水中的沉降量,说明研究区重金属大气沉降输入途径以降尘为主。由表6可知,重金属元素Zn的干湿沉降总量在研究区内最高,最低者为Hg。

表6   研究区大气干湿沉降年通量

Table 5  Annual flux of atmospheric dry and wet deposition of the study areakg·km-2·q-1

年通量SeAsCdCrCuHgPbZn
湿沉降年通量4.1574.8770.53717.17113.2940.10614.513106.789
干沉降年通量0.8015.1660.79319.90916.7660.04937.534138.381
年干湿沉降总通量4.95910.0431.33037.08030.0600.15452.047245.170

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3.1.2 大气干湿沉降评价标准与结果

依据《土地质量地球化学评价规范》要求,大气干湿沉降物环境地球化学等级划分指标为Cd和Hg,研究区所有监测点Cd和Hg年通量密度值均小于标准值,Cd、Hg大气干湿沉降环境质量均为一等。依据上述综合指标评价方法,研究区大气干湿沉降单指标均达到一等,因此评价区干湿沉降综合质量为一等,见图3

图3

图3   大气干湿沉降年通量综合等级

Fig.3   Comprehensive grade map of annual flux of atmospheric dry and wet deposition


3.2 灌溉水对土地质量的影响

在研究区采集了92件灌溉水,灌溉水中重金属元素含量及输入通量见表7。灌溉水输入通量为元素的含量与用水量的乘积,用水量采用2018年度《湖北省水资源公报》公布的数据,全省农田实灌亩均用水量356 m3,折合为每公顷用水量为5 337 m3

表7   研究区灌溉水重金属元素含量及年平均输入通量

Table 7  Heavy metal content and annual average input flux in irrigation water of the study area

参数AsHgCuZnCdPbCr6+pH
最大值17.990.2083.1745.730.0582.254.28.49
最小值2.019<0.0150.3810.388<0.0250.0871.76.96
平均值5.3540.0661.23.830.0370.6337.43
农田灌溉水标准
(GB 5084—2005)
5015002000102001005.5~8.5
年均输入通量28.570.356.4020.440.203.3616.01

注:元素含量单位为10-6,pH无量纲;年均输入通量单位为g/(hm2·a)。

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从表中可以看出,与农田灌溉水标准(GB 5084—2005)相比,研究区灌溉水中的重金属元素含量均较低。不同元素含量的差异较大,受不同水系来源的影响,各点位的含量也呈现较大的差别。灌溉水pH值较适宜,以中偏碱性为主。As的输入通量最大,达28.57 g/(hm2·a),其次为Zn,输入通量最小为Hg,为0.35g/(hm2·a)。

3.3 农业施肥对土地质量的影响

为了研究从化肥中输入土壤中的重金属元素通量,采集了当地农民常施用的肥料及不同生产家厂的产品,共94件,其中包括复合肥样品79件,氮肥样品15件。通过野外调查统计出的每种化肥的年平均使用量来计算重金属元素的输入量。根据野外调查结果,研究区农田复合肥亩均用量120 kg、氮肥50kg,折算出年均施肥量:复合肥年均施肥量为每公顷1 800 kg,氮肥年均施肥量为每公顷750 kg。化肥中重金属元素含量及输入通量见表8

表8   化肥中重金属元素含量及年平均输入通量

Table 8  Contents of heavy metals in chemical fertilizers and annual average input fluxes

肥料种类参数AsCdCrCuHgNiPbZn
平均值0.21940.02573.1160.12460.0010.33650.4621.46
复合肥最大值0.45810.13.8950.250.0031.24050.9084.24
最小值0.05940.022.2770.10.00050.11650.1830.1
平均值7.11780.137214.362.03520.0213.32772.19956.74
氮肥最大值28.78841.0835.1226.340.3614.06513.7451250.5
最小值0.130.0241.380.20050.00050.210.10.1
化肥年均输入通量5.7330.14916.3761.7510.0183.1012.48045.182

注:元素含量单位为10-6;pH为无量纲;年均输入通量单位为g/(hm2·a)。

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重金属元素的年输入通量最大的为Zn,达45.182 g/(hm2·a),其次为Cr,Hg的输入通量最小,为0.018 g/(hm2·a)。

4 不同输入途径重金属元素对土地质量的影响

不同输入途径的重金属元素通量存在较大差异(表9),对土壤元素含量的贡献也不一样。总体上灌溉水的年输入通量较大,除Zn、Cr、Pb外,其他元素的通量中灌溉水对土壤的贡献都是最大的,尤其是Hg和As两种重金属元素表现最为明显,其灌溉水通量分别占到总通量的91.45%、80.92%,见图4。对于大气干湿沉降的通量,As、Hg和Cr表现较低,As仅占到2.84%,Hg也仅占到4.00%,Hg的灌溉水输入通量比较低。从3种途径的输入通量总和来看,不同元素表现差异较大,反映了元素本身地球化学循环的差异。

表9   不同输入途径重金属元素年输入通量

Table 9  Annual fluxes of heavy metals from different sourcesg·(hm2·a)-1

元素AsCdCrCuHgPbZn
化肥5.730.1516.381.750.022.4845.18
灌溉水28.570.2016.016.400.353.3620.44
干湿沉降1.0040.1333.7083.0060.0155.20524.517
合计35.3040.48336.09811.1560.38511.04590.137
年增加量/10-60.00970.00010.00990.00310.00010.00300.0248
土壤风险筛选值/10-6250.63002000.6140250
(年增加量/风险筛选值)/%0.03880.01670.00330.00160.01670.00210.0099

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图4

图4   不同输入途径重金属元素年输入通量各占比例分布

Fig.4   Distribution of annual heavy metal input fluxes in different ways


按土壤深度取20 cm,土壤容重取水稻土容重1 820 kg/m3(根据全域数据),计算总通量引起的土壤元素年增加量。与土壤环境质量农用地土壤污染风险筛选值(GB 15618—2018)相比,可以了解不同元素通量对土壤质量的影响大小。从表中可以看出,7种重金属元素年增加量与标准值相比,比值都小于0.05%,对土壤的影响都较小[12]

5 结论

1)通过对研究区大气干湿沉降、灌溉水和化肥3种不同输入途径重金属元素对土地质量的影响研究,As、Pb、Zn等7种重金属元素年增加量与标准值相比,比值都小于0.05%,证实研究区土地质量的安全性受人类活动的影响较小。

2)从3种途径的输入通量总和来看,不同元素表现差异较大,反映了当地农业活动输入的差异。

3)灌溉水的年输入通量较大,除Zn、Cr、Pb外,其他元素的通量中灌溉水对土壤的贡献都是最大的。

致谢

对在工区工作的同仁表示由衷的敬意,感谢严向军教授级高工对文章的审阅。样品分析由自然资源部武汉岩矿测试中心曾慧美等协助完成,在此一并表示感谢!

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