Hans Journal of Agricultural Sciences
Vol. 09  No. 01 ( 2019 ), Article ID: 28613 , 10 pages
10.12677/HJAS.2019.91010

Evaluation of Heavy Metal Pollution in Farmland Soil of Henan Province Based on Bibliometrics

Huaizhi Zhang1, Quanxin Li1, Hongjie Ji1*, Kaiyu Lu2

1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing

2Institute of Agricultural Economics and Development, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing

Received: Jan. 2nd, 2019; accepted: Jan. 17th, 2019; published: Jan. 24th, 2019

ABSTRACT

In order to comprehensively evaluate heavy metal pollution in farmland of Henan province and to improve product quality and increase economic benefits for planting industry, this thesis collected all survey bibliometrics about the heavy metal pollution of farmland in Henan province from Chinese Literature Net, Weipu Net and so on, published from 2007 to 2017. Bibliometrics were selected again based on the standard of investigation data containing the soil sample number, the average of elemental concentration and test methods, finally, Cr, As, Ni, Hg, Pb, Cd elements were chosen to estimate pollution according to the data distribution in each evaluation unit (city). Four kinds of heavy metal contamination evaluation methods, contamination factor (CF), single pollution index (SPI), modified contamination degree (mCd) and pollution load index (PLI), were used by authors. The results showed that in seventeen evaluation units (except Luohe city) in Henan province, the average concentration of Cr in three evaluation units, As in five evaluation units and Ni in three evaluation units were slightly higher than each element background value using CF classification. The maximum value of Cr CF, As CF and Ni CF was orderly sorted 1.75 (Xinxiang), 1.42 (Jiaozuo), 3.51 (Jiyuan), the average concentration of Cd in fourteen evaluation units, Hg of eleven evaluation units and Pb of twelve evaluation units were higher than each element background value, the maximum value of Cd CF, Hg CF and Pb CF was orderly sorted 388.39 (Xinxiang), 13.70 (Jiyuan city), 11.74 (Luoyang). Using single factor index classification, Cr, As Hg and Pb can be categorized as no pollution degree in the all seventeen evaluation units, Ni of one evaluation unit can be categorized as very low pollution degree, Cd of four evaluation units can be categorized as low pollution to high pollution degree. Four evaluation units can be categorized as moderate degree pollution using modified contamination degree classification and seven evaluation units can be categorized as moderate degree pollution using pollution load index classification. Xinxiang, Jiyuan, Luoyang and Kaifeng can be categorized as moderate degree of contamination to ultra high degree of contamination with mCd and PLI. The study also showed that the heavy metals in the soil of Henan were enriched. The heavy metal contents in the industrial park and its surrounding farmland were higher than the general farmland, and the pollution degree of the evaluation unit was improved. In practice, the farmland should be classified and evaluated.

Keywords:Henan Farmland, Heavy Metals, Pollution Assessment, Bibliometrics

基于文献研究的河南省土壤重金属污染评价

张怀志1,李全新1,冀宏杰1*,吕开宇2

1中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京

2中国农业科学院农业经济与发展研究所,北京

收稿日期:2019年1月2日;录用日期:2019年1月17日;发布日期:2019年1月24日

摘 要

为全面评价河南省农田重金属污染状况进而为种植业提质增效服务,本文收集了中国知网等数据库2007~2017年发表的河南省农田土壤重金属污染调查与评价文献,从中筛选了含有调查区域特征、调查点数量、质量分数平均值、测试方法等基本数据的文献,根据数据分布情况,最终选择了Cr、As、Ni、Hg、Pb、Cd等6个重金属元素进行评价。基于单个重金属元素污染以及评价单元(地级市)综合污染评价,选用了污染因子法(Contamination Factor, CF)、单因子指数法(Single Pollution Index, SPI)、修订的污染程度(Modified Contamination Degree, mCd)和污染负荷法(Pollution Load Index, PLI)四种评价方法。结果表明,17个评价单元(漯河市除外)中,应用污染因子法评价,Cr、As、Ni、Cd、Hg和Pb的质量分数平均值分别有3个、5个、3个、14个、11个和12个评价单元高于背景值;应用单因子指数评价,Cr、As、Pb、Hg整体处于无污染等级,Ni有1个评价单元处于轻微污染等级,Cd有4个评价单元处于轻度污染以上等级;应用修订的污染程度法及污染负荷指数法评价分别有4个和7个评价单元处于中等污染及其以上等级。研究还表明,河南土壤重金属存在富集现象;与一般农田相比,工业园区内及其周边农田的重金属含量较高,提高了评价单元的污染程度,具体应用时,应对农田进行分类评价。

关键词 :河南农田,重金属,污染评价,文献研究

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1. 引言

随着工业化以及经济的快速发展,Cd、Pb、Zn、Cu等重金属元素通过肥料施用、污水灌溉、大气沉降、点源污染等多种途径进入土壤中 [1] ,重金属元素在土壤中移动性很小,不易随水淋滤,不被微生物降解,一方面对土壤理化性质及土壤生物学特性和微生物群落结构产生不良影响 [2] ,另一方面影响农作物的生长发育,还可以通过食物链的富集作用以数十倍乃至数百倍的能力富集在农作物体内,进而通过食物链对人体健康产生潜在威胁。土壤重金属污染已被认为是世界上重要的环境污染问题之一,受到各国广泛关注 [3] [4] ,研究人员先后提出了污染负荷指数法、地积累指数法等在内的多种重金属污染评价方法 [5] - [10] 。我国《“十三五”生态环境保护规划(2016~2020)》提出要严密防控重金属污染风险,并列出了16个重点区域和8个重点流域为综合整治示范区 [11] 。

我国各地广泛开展了重金属污染调查与评价工作 [12] [13] [14] [15] [16] ,从研究尺度看,村级、乡镇级、县级、地市级尺度研究较多,省级尺度研究较少。文献研究法通过收集、鉴别和整理文献,采用定量或者定性分析方法,形成新的科学认识,该法在科学评价等领域具有广泛作用。现已有基于文献计量学的全国农田土壤重金属污染状况评价研究 [17] 。但鉴于土壤重金属污染调查多基于县域层面,评价区域范围较大时,用县域层面数据评价地市级污染情况差异较为适宜,县域层面数据用于评价全省土壤重金属污染情况值得商榷。因此本文采用文献研究法,收集中国知网、维普以及Elsever等数据库2007~2017年公开发表的河南省土壤重金属调查与评价数据,研究河南省各地级市土壤重金属污染情况,以期为优质农产品种植布局提供依据。

2. 材料与方法

2.1. 研究区域概况

河南省位于我国中部,界于北纬31˚23'~36˚22',东经110˚21'~116˚39'之间,总面积16.7万km2,大部分位于半干旱暖温带,辖郑州市、开封市、洛阳市等18个地级市,其中1个为省直管市;土壤分属于潮土、水稻土、褐土、黄褐土、砂姜黑土、棕壤、黄棕壤等土类 [18] 。

2.2. 数据收集与处理

为较全面获取2007~2017年河南省土壤重金属污染的信息,本研究在中国知网、维普网、Elsevier等数据库以“作者单位(河南) + 主题词(土壤重金属)”为关键词进行搜索,剔除其中存在的点位重复、定性描述、仅有摘要、市区土壤调查、无调查点位数量、无重金属质量分数平均值以及不能确定点位所属区域等文献,共获取25个研究实例。根据文献中土壤采样点四周环境描述,将土壤采样点分为两类,一类是来自于周边无工矿园区的农田,称为一般农田,包括大田、菜地等;另一类是来自于工矿园区(油田、矿区、工业园区等)内农田及其周边农田,称为工矿园区及其周边农田,25个实例中有14个实例为一般农田,11个实例为工矿园区内及其周边农田。记录相应的统计数据:样本数量、平均值、最大值、最小值以及样品处理和分析方法、文献发表年份等。

一个地级市被确定为一个评价单元。某评价单元重金属元素质量分数平均值采用加权平均算法,即在该评价单元内,用每个案例内该重金属元素样本数乘以该元素质量分数平均值之总和,除以该重金属元素在该评价单元的样本数(见方程1)。

H M i = S i j * H M i j / S i j (1)

方程1中,HMi为某评价单元重金属i的质量分数平均值,Sij为重金属i的j文献的样本数,HMij为某评价单元某重金属i的j文献测定质量分数平均值。

2.3. 污染评价方法

根据收集到的数据情况,从单个重金属元素及评价单元污染评价的角度出发,选用污染因子法、单因子指数法、修订的污染程度法和污染负荷法等四种方法进行河南省重金属污染评价。

污染因子法是各个重金属元素质量分数平均值与背景值的比值,表示土壤重金属元素积累情况,也可用来评价单个土壤重金属污染程度,计算见方程2。本文采用文献中的河南省土壤各元素的平均值作为背景值 [19] 。

CF = H M i / C b i (2)

方程2中,CF为污染因子, H M i 意义同上文, C b i 为元素i的土壤背景值。CF < 1,低污染因子;1 ≤ CF < 3,中等污染因子;3 ≤ CF < 6,较高污染因子;CF ≥ 6,高污染因子。

单因子指数法是质量分数平均值与国家标准值的比值,用以直接对各个重金属元素的达标及污染情况进行评价;计算模型见方程3。

SPI = H M i / C l i (3)

方程3中,SPI为单因子指数, H M i 意义见上文, C l i 为元素i的国家二级标准值。本文采用国家土壤环境质量标准(GB15618-1995)中的二级标准值。当SPI < 1时,达标无污染;当1 < SPI ≤ 2时,轻微污染;当2 < SPI ≤ 3时,轻度污染;当3 < SPI ≤ 5时,中度污染;当SPI > 5时,重度污染。

修订的污染程度法。该法是所有污染因子的算术平均值,可用于综合评价区域土壤重金属污染情况,计算见方程4。

(4)

方程4中,mCd为修订的污染程度值,n为评价元素个数,CF意义同上文。mCd < 2,低度污染;2 ≤ mCd < 4,中等程度污染;4 ≤ mCd < 8,较高程度污染;8 ≤ mCd < 16,高程度污染;16 ≤ mCd < 32,很高程度污染;mCd ≥ 32,极高程度污染。

污染负荷指数法:是所有重金属污染因子的几何平均值,可用于区域土壤重金属污染综合性评价。

PLI = CF 1 × CF 2 × CF n n (5)

方程5中,PLI为污染负荷指数,CF、n意义见上文。当PLI < 1时,无污染;当1 ≤ PLI < 2时,中等污染;当2 ≤ PLI < 3时,强污染;当PLI ≥ 3时,极强污染。

3. 结果与讨论

3.1. 基本数据信息

本研究所获得的25个研究实例以及作者2015年在夏邑县、西平县、安阳县以及许昌县采集的16个土壤样本数据,共覆盖河南省17个省辖市,其中漯河市没有信息;鉴于Cu、Zn分别有6个、7个评价单元没有测试信息,因此本文只分析As、Pb、Cr、Ni、Cd、Hg等六种元素(见表1)。所有文献中采样点位布设方法多样,主要为随机布点或网格布点方法,均取表层0~20 cm土壤样本;各研究人员采用的测试方法并不一致,但都是按照国家标准或者常用方法进行的,测定结果间差异忽略不计。

本文收集的数据中,新乡市、济源市、焦作市、洛阳市、濮阳市、开封市、三门峡市以及商丘市等8个评价单元含有来自工业园区内及其周边的农田的案例,其它评价单元均为一般农田。

3.2. 污染因子法评价

河南省各重金属元素背景值依次为:As 11.4 mg∙kg−1,Cd 0.074 mg∙kg−1,Cr 63.8 mg∙kg−1,Hg 0.034 mg∙kg−1;Ni 26.74 mg∙kg−1,Pb 19.6 mg∙kg−1。应用方程2计算的17个评价单元各重金属元素CF分布情况见图1。从图1中可以看出,Cr、As和Ni的积累情况不明显,Cr、As、Ni的质量分数平均值分别有17.65% (3个)、23.53% (5个)和17.65% (3个)评价单元略高于背景值;CF最大值分别为1.75 (新乡市)、1.42 (焦作市)、3.51 (济源市),三重金属元素污染处于低或者中等等级;Cd、Pb、Hg的质量分数平均值分别有14个、11个和12个评价单元高于背景值,Cd积累情况最为明显,CF全部处于中等、较高及高污染等级,最为突出的是新乡市、济源市、开封市、洛阳市,CF值分别为388.38、23.97、14.46和6.01;Pb积累情况较为突出的是洛阳市、济源市,CF值分别为11.74和8.66;Hg积累情况较为突出的是济源市,CF值为13.70。

应该指出的是,上述评价单元中,来自工业园区内及其周边农田的样本其重金属元素含量往往高于远离工业园区的一般农田,以新乡市为例,其工业园区内及其周边农田的Ni、Cd的质量分数平均值分别为134.42 mg∙kg−1、51.12 mg∙kg−1,分别是一般农田对应元素质量分数平均值的6.11倍、10.31倍;再比如济源市,其工业园区内及其周边农田的Ni的质量分数平均为42.84 mg∙kg−1,是一般农田对应元素质量分数平均值的3.17倍。

Table 1. Static as number of heavy metals in each evaluation unit

表1. 各评价单元测定的重金属元素数量统计表(个)

Figure 1. Contamination factor distribution

图1. 污染因子分布统计

3.3. 单因子指数评价

方程3计算结果表明,17个评价单元的6个重金属元素中,Cr、As、Pb、Hg元素皆达标,且Cr、As单因子指数均不足0.5;济源市Hg、Pb单因子指数分别为0.93、0.57,洛阳市Pb单因子指数为0.77,除此外,其它评价单元这2个重金属元素的单因子指数也不足0.5。17个评价单元中,仅有新乡市Ni超标,且处于轻微污染等级;新乡市、济源市、开封市、洛阳市、许昌市、三门峡市的Cd超标,其他8个评价单元Cd不超标;超标的评价单元中,新乡市、济源市Cd处于重污染等级,开封市Cd处于中度污染等级,洛阳市、许昌市、三门峡市为轻微污染等级(见图2)。

Figure 2. Single pollution index distribution map

图2. 单因子指数评价结果图

应用单因子评价法,一般农田中,仅有新乡市和许昌市的Cd超标,其它评价单元其它重金属元素均不超标;而工业园区内及其周边农田,6个重金属元素中,除焦作市、濮阳市外,新乡市、济源市、洛阳市、开封市、三门峡市以及商丘市Cd全部超标,最大超标倍数170.4倍,另新乡市Ni超标2.7倍,其它均不超标。

3.4. 修订的污染饱和度评价

17个评价单元的mCd法评价结果见图3,从图中可以看出,新乡市重金属处于极高程度污染,济源市处于高程度污染,开封市、洛阳市处于中等程度污染,其它评价单元皆处于低度污染状态。应用修订的污染程度法对一般农田和工业园区内及其周边农田的污染风险评价发现,一般农田中,只有新乡市为高程度污染,其它评价单元均处于低度污染;而工业园区内及其周边农田中,新乡市处于极高程度污染等级、济源市处于高程度污染等级,开封市、洛阳市处于较高程度污染等级,三门峡市为中等程度污染,商丘市、濮阳市、焦作市为低度污染;同一评价单元内,工业园区内及其周边农田污染风险高于一般农田。

3.5. 污染负荷指数评价

17个评价单元的PLI法评价结果见图4,从图中可以看出,新乡市、济源市重金属处于极强污染等级,洛阳市处于强污染等级,开封市、焦作市、平顶山市和驻马店市为中等污染等级,其它评价单元皆处于无污染状态。进一步分析发现,一般农田中,只有新乡市处于高强度污染,焦作市等4个评价单元为中等污染,其它评价单元均为无污染,至于工业园区内及其周边的农田,皆处于中等污染及其以上等级,其中新乡市、洛阳市及济源市均为极强度污染,开封市、三门峡市处于强污染,商丘市、濮阳市、焦作市为中等污染。

Figure 3. Modified contamination degree distribution map

图3. 修订的污染饱和度评价结果图

Figure 4. Pollution load index distribution map

图4. 污染负荷指数评价结果图

可见,工业园区内工厂排放的污染物增加了周边一定范围内农田的有关重金属含量,提高了评价单元的重金属污染等级,这和前人研究结论是一致的 [20] [21] [22] 。

4. 结论

根据收集到的Cr、As、Ni、Hg、Pb、Cd等6个重金属元素有效数据,污染因子法评价结果表明,河南省17个评价单元(漯河市除外)中,Cr、As、Ni的质量分数平均值分别有3个、5个和3个评价单元略高于背景值,Cr、As和Ni的CF最大值分别为1.75 (新乡市)、1.42 (焦作市)、3.51 (济源市),Cd、Hg和Pb的质量分数平均值分别有14个、11个和12个评价单元高于背景值,Cd、Hg和Pb的CF最大值分别为388.39 (新乡市)、13.70 (济源市)和11.74 (洛阳市);单因子指数评价结果表明,Cr、As、Pb、Hg整体处于无污染等级,Ni有1个评价单元处于轻微污染等级,Cd有4个评价单元处于轻度污染以上等级,Cd是河南省农田的主要污染物;应用修订的污染程度法及污染负荷指数评价分别有4个和7个评价单元处于中等污染及其以上等级,两种方法均表明所有评价单元中,新乡市、济源市、洛阳市和开封市均为中等及其以上污染等级。

与一般农田相比,工业园区及其周边农田的重金属含量增加,污染风险程度增加,也提高了整个评价单元的重金属污染等级。

基金项目

国家十三五重点研究计划(2016YFD0801006)、公益性行业(农业)科研专项(201503121)。

文章引用

张怀志,李全新,冀宏杰,吕开宇. 基于文献研究的河南省土壤重金属污染评价
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  23. NOTES

    *通讯作者。

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