Factores determinantes de la acumulación de cadmio, plomo, cobre y zinc en suelos agrícolas y productos de la llanura del norte de China

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 7429 (2023) Citar este artículo

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La acumulación de metales pesados ​​en los suelos agrícolas preocupa la seguridad alimentaria. Mediante el uso del Detector Geográfico, este estudio investigó la influencia de seis tipos de factores (once factores) en la acumulación de Cd, Pb, Cu, Zn en suelo agrícola y productos de la Llanura del Norte de China y confirmó el factor dominante. Los resultados mostraron que los metales pesados ​​se habían acumulado en los suelos agrícolas regionales y que la acumulación de Cd era severa. La acumulación de metales pesados ​​estuvo significativamente influenciada por factores de políticas (manejo y reducción en el uso de fertilizantes y pesticidas), factores de fertilización (aplicación de fertilizantes orgánicos y químicos), factores de pesticidas (aplicación de herbicidas e insecticidas) y factores de deposición atmosférica (aplicación de fertilizantes pesados). concentración de metales en la deposición atmosférica). El factor de política dominó a los otros tres tipos de factores. La deposición atmosférica y la aplicación excesiva de fertilizantes y pesticidas conducen directamente a la acumulación de metales pesados. Debido a las altas concentraciones de metales pesados ​​y las abundantes cantidades de aplicación, los fertilizantes orgánicos han aportado altos niveles de metales pesados ​​a los suelos agrícolas. Este estudio sugiere que la fertilización formulada y los planes de acción para la reducción de pesticidas podrían disminuir efectivamente la acumulación de metales pesados ​​en los suelos y productos agrícolas en el área de estudio.

En lo que respecta a la seguridad de los productos agrícolas, la contaminación por metales pesados ​​en los suelos agrícolas ha recibido mucha atención en China. El Ministerio de Protección Ambiental y el Ministerio de Tierras y Recursos de China1 emitieron un comunicado basado en la primera encuesta nacional sobre el estado de contaminación del suelo de 2005 a 2013. El comunicado arrojó que el 13,3% del suelo nacional estaba contaminado por metales pesados, y los metales pesados ​​típicos de las tierras cultivables contaminadas fueron Cd, Ni, Cu, As, Hg y Pb. El estudio2 realizó una revisión de las investigaciones sobre la contaminación del suelo en tierras agrícolas en China entre 2000 y 2018, y reveló que la concentración media de Cd en las tierras agrícolas era de 0,86 mg kg−1. El valor medio superó el umbral de detección de riesgo (0,6 mg kg−1) de contaminación del suelo en tierras agrícolas chinas3. Un estudio separado4 indicó que las tierras de cultivo ubicadas dentro del perímetro del centro de la ciudad en la región norte de la llanura del norte de China servían como zona principal para el enriquecimiento de metales pesados. Los metales pesados ​​podrían inhibir el crecimiento de los cultivos5, reduciendo así el rendimiento de los cultivos. Además, los metales pesados ​​de los productos agrícolas se acumularían en el cuerpo humano, induciendo efectos tóxicos. La superación de los límites de metales pesados ​​en los cultivos alimentarios fue más común en el sur de China que en otras regiones6. Esto se debió en parte a la alta fitodisponibilidad de metales pesados ​​causada por la acidificación del suelo7. China tiene solo el 8,2% de la tierra cultivable del mundo, pero tiene aproximadamente el 18,1% de la población mundial. La contaminación por metales pesados ​​en las tierras cultivables es un problema importante para la supervivencia del pueblo chino.

Los metales pesados ​​en los suelos agrícolas provienen de dos tipos de fuentes: naturales y antropogénicas. Las fuentes naturales están asociadas con los tipos de suelo y el material original del suelo8. Por ejemplo, el Cr y el Ni en el suelo se vieron afectados principalmente por los materiales originales de Weifang, China9, y el Cu y el Zn fueron de origen geogénico en los suelos agrícolas de Sialkot, Pakistán10. Las fuentes antropogénicas, en lugar de las fuentes naturales, aportan la mayoría de los metales pesados ​​a los suelos agrícolas. La fundición de metales afectó mucho al Cu, Pb, Zn y As en el suelo agrícola del valle de Shangdan, noroeste de China11. Los gases de escape de los vehículos son una de las principales fuentes antropogénicas de metales pesados ​​en los suelos de las carreteras agrícolas en Jordania12. La deposición atmosférica fue el elemento dominante fuente de metales pesados, incluidos Cd, Hg, As, Cu, Pb, Zn, Cr y Ni, en suelos agrícolas en Heilongjiang y Zhejiang, China13,14. Las actividades de producción agrícola también tuvieron grandes efectos en el aporte de metales pesados ​​a los suelos agrícolas. La acumulación de metales pesados ​​en el suelo agrícola de las instalaciones de Shouguang, China, estuvo relacionada con la aplicación de fertilizantes orgánicos, fertilizantes fosfatados y fertilizantes compuestos15. Los pesticidas fueron sugeridos como una de las fuentes antropogénicas importantes de metales pesados ​​en los suelos agrícolas16. Se demostró que el retorno de la paja conduce directamente a una notable acumulación de Cd en los suelos agrícolas de la llanura de Jianghan en el centro de China17. El agua de riego fue la principal fuente de metales pesados ​​(As, Cd, Cu y Hg), y aportó entre el 60% y el 71% de los aportes totales a los suelos agrícolas en el delta del río Yangtze, China18. Además, la aplicación de biosólidos, el riego con aguas servidas y la disposición de desechos también influyeron en la acumulación de metales pesados ​​en los suelos agrícolas8.

Las principales fuentes de metales pesados ​​eran diferentes de los suelos agrícolas en diferentes regiones. La deposición atmosférica fue la fuente más importante de metales pesados ​​en los suelos agrícolas de China, pero los fertilizantes y pesticidas orgánicos y químicos fueron las fuentes predominantes en los países europeos19. Para el Cd, las fuentes principales fueron la deposición atmosférica, el riego y la aplicación de estiércol de ganado en China y la deposición atmosférica, la aplicación de fertilizantes químicos y el riego en Europa20. En el norte de China, la deposición atmosférica contribuyó con la mayoría de los metales pesados ​​a los suelos agrícolas debido a una industria pesada altamente desarrollada y a una mayor combustión de carbón, y en el sur de China, la contribución del estiércol del ganado fue obviamente mayor debido a la floreciente producción agrícola y ganadería21. Las tasas de contribución del polvo de las carreteras y los residuos sólidos fueron más altas para el Pb que para otros metales pesados ​​en suelos agrícolas periurbanos bajo la gran influencia de las actividades humanas22. Además, las principales fuentes de diferentes metales pesados ​​también fueron diferentes. La deposición atmosférica aportó la mayor parte de las proporciones de Cd, Cr y Hg a los arrozales, pero las fuentes secundarias fueron el agua de riego para el Cd y los fertilizantes para el Cr y el Hg23.

Se sugirió detener las fuentes de metales pesados ​​como la estrategia principal para controlar la contaminación en los suelos agrícolas6. Algunas políticas típicas llevadas a cabo por el gobierno chino fueron propicias para reducir las fuentes de metales pesados. En 2013 se publicó e implementó el Plan de Acción de Prevención y Control de la Contaminación Atmosférica24. El Plan de Acción se centró en la reducción de partículas atmosféricas a través de la reducción del uso de carbón y el control del polvo. En 2017, se logró completamente el objetivo del Plan de Acción. La deposición atmosférica en los suelos agrícolas a nivel nacional también se redujo de manera efectiva con la implementación del Plan de Acción. En China, la reducción del uso de fertilizantes se lleva a cabo principalmente a través de pruebas de suelo y fertilización formulada (STFF). El STFF se ha implementado en todo el país desde 200525. El STFF incluía la medición de los nutrientes del suelo, el desarrollo de un programa de fertilización y la aplicación de fertilizantes en el campo. La aplicación de STFF podría aumentar la fertilidad del suelo y el rendimiento y la calidad de los cultivos mediante la aplicación racional de fertilizantes. La cantidad de aplicación de fertilizante disminuyó a través de la aplicación de STFF. Desde 2015, además de STFF, se sugirió comúnmente un aumento razonable en la aplicación de fertilizantes orgánicos y paja para sustituir la aplicación de fertilizantes químicos para reducir las cantidades de aplicación de fertilizantes químicos. Desde el mismo año se han llevado a cabo una serie de medidas para reducir el uso de plaguicidas en la producción agrícola26. El plan de acción de reducción de pesticidas (APPR) hasta 2025 también fue anunciado por el Ministerio de Agricultura y Asuntos Rurales de China en 202227. Las medidas incluían adaptar el remedio al caso, pronosticar con precisión las enfermedades de las plantas y las plagas de insectos, cultivar plantas resistentes a enfermedades y variedades resistentes a insectos, uso de dispositivos de aspersión eficientes de pesticidas, promoción de tecnologías verdes de prevención y control, etc. Estas medidas se llevaron a cabo comúnmente con la aplicación de STFF.

Hasta la fecha, se han realizado muchos estudios sobre la distribución en la fuente de metales pesados ​​en suelos agrícolas. Sin embargo, las fuentes fueron diferentes entre las regiones debido al desarrollo regional desequilibrado de la agricultura, la industria y la sociedad. Además, la fuerza ejecutiva de políticas del gobierno local afectó en gran medida la reducción de la fuente de metales pesados ​​en los suelos agrícolas. Por lo tanto, era fundamental realizar un estudio en una región representativa. En este estudio, se seleccionó como área de estudio una región agrícola tradicional en la llanura del norte de China. Los factores impulsores de la acumulación de Cd, Pb, Cu y Zn en el suelo y los productos agrícolas se confirmaron mediante el uso del Detector Geográfico. También se investigó la interacción y la diferencia entre los factores impulsores para determinar el factor dominante. Los resultados de este estudio proporcionan una base científica para el manejo de fuentes de metales pesados ​​para prevenir la acumulación de metales pesados ​​en suelos y productos agrícolas regionales.

El área de estudio está ubicada en el centro de la llanura del norte de China (Fig. 1). La elevación del área de estudio pasó de 44,8 m a 66,8 m. En 2018, la temperatura y la precipitación promedio fueron de 15,4 °C y 697,4 mm, respectivamente. Esta zona ha sido la principal zona productora de cereales y hortalizas desde la antigüedad. El principal sistema de cultivo es la cosecha doble al año, y la superficie de tierras agrícolas con cosecha triple al año ha aumentado en los últimos años. El principal grupo de suelos agrícolas es el suelo fluvo-acuático. Los fertilizantes químicos, los fertilizantes orgánicos y los pesticidas se han utilizado ampliamente en la producción agrícola desde 1980. El fertilizante químico es principalmente fertilizante compuesto NPK, y el fertilizante orgánico se produce principalmente a partir de excrementos de ganado. Los pesticidas fueron principalmente herbicidas e insecticidas. El agua de riego es subterránea. La industria principal es el procesamiento de la madera y la confección, y no existen empresas altamente contaminantes en el área de estudio.

La ubicación del área de estudio y los sitios de muestreo. El límite se determinó de acuerdo con la situación actual del uso de la tierra. El mapa se obtuvo de la Plataforma Nacional para Servicios de Información Geoespacial Común (https://www.tianditu.gov.cn/) y se creó en ArcGIS 10.4 (ESRI, Redlands, CA, EE. UU.).

Los sitios de muestreo se ubicaron en terrenos de cultivo con pozo de riego. El muestreo se refirió a los métodos recomendados por el Ministerio de Agricultura y Asuntos Rurales de China y el Ministerio de Ecología y Medio Ambiente de China3,28,29. En octubre de 2018, se recolectaron muestras de pakchoi de 20 sitios y muestras de maíz de 45 sitios (Fig. 1). Las muestras de suelo y riego se recolectaron con muestreo de plantas. El alcance de cada área de muestreo fue de 200 m × 200 m. De acuerdo con el método estocástico, se recolectaron nueve muestras de suelo (0–20 cm), y también se recolectaron nueve muestras de plantas enteras. Las nueve muestras de suelo y las nueve muestras de plantas se mezclaron como una muestra de suelo y una muestra de plantas, respectivamente. Se utilizó una botella de vidrio de 2 L con tapón de goma para recolectar el agua de riego. Antes de su uso, la botella de vidrio y el tapón de goma se lavaron con el agua de riego correspondiente tres veces. Se encendió la bomba para drenar el agua durante al menos 5 min, y luego se recogió el agua de riego con una botella de vidrio. La botella se cubrió con un tapón de goma cuando se llenó. El pozo de riego estaba en una casita de 2 m de largo, 1 m de ancho y 2 m de alto. La deposición atmosférica se recolectó del techo de la casa del pozo de riego usando un cepillo de nailon. La deposición atmosférica se colocó en una bolsa de papel limpia y la bolsa se selló con cinta adhesiva. También se recolectaron muestras de pesticidas y fertilizantes químicos y orgánicos de agricultores y empresas de materiales agrícolas en el área de estudio. Las muestras recolectadas de suelo, plantas, agua de riego, deposición atmosférica, fertilizantes y pesticidas se colocaron en una caja de retención de calor usando una bolsa de hielo para mantener 4 °C. Las cajas se transportaron al laboratorio lo antes posible. En el laboratorio, las muestras de suelo, las muestras de deposición y las muestras de fertilizante se secaron al aire y se molieron, se retiraron las piedras y los restos de hierba y luego se almacenaron las muestras en botellas de muestras. Las muestras de plantas se lavaron cuidadosamente en agua desionizada para eliminar cualquier partícula de suelo y otras impurezas. Las raíces y partes comestibles (grano de maíz, hojas de pakchoi) se secaron en estufa a 105 °C durante 40 min y luego se mantuvieron a 75 °C hasta obtener un peso constante. Las muestras de plantas secas se molieron y luego se distribuyeron en las botellas de muestra. Todas las muestras se almacenaron en un refrigerador a 4 °C.

Las muestras de suelo y las muestras de deposición se digirieron usando una mezcla de digestión ácida (HCl, HNO3, HF y HClO4) en una placa eléctrica para determinar las concentraciones de Cd, Pb, Cu y Zn30. El DTPA se utilizó para extraer la fracción lábil de metales pesados ​​del suelo31. Las muestras de agua de riego se digirieron con HNO3 en una placa calefactora eléctrica para determinar las concentraciones de metales pesados32. Las muestras de plantas fueron digeridas con una mezcla de digestión ácida (HNO3 y HClO4) en una placa calefactora eléctrica para determinar las concentraciones de metales pesados33. Las muestras de fertilizantes se digirieron con HCl y HNO3 en una placa calefactora eléctrica para determinar las concentraciones de metales pesados34. Las muestras de plaguicidas se colocaron en agua regia en un sistema de microondas de laboratorio para determinar las concentraciones de metales pesados35. Las concentraciones de metales pesados ​​en las muestras se determinaron con espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente (ICP-MS: PerkinElmer NexION 300X; iCAP6300). Las tasas de recuperación estándar fueron del 93,5 al 104,2 % y las desviaciones estándar relativas (RSD) fueron inferiores al 5 %. Esto mostró una alta exactitud y precisión del método de prueba. El límite de detección (LOD) y el límite de cuantificación (LOQ) fueron de 1,1 a 12,3 ng L−1 y de 3,5 a 38,9 ng L−1, respectivamente.

Todos los métodos utilizados para recolectar y analizar muestras fueron recomendados por el Ministerio de Agricultura y Asuntos Rurales y el Ministerio de Ecología y Medio Ambiente de China. Antes de su uso, todo el material de vidrio y los recipientes de plástico se empaparon en HNO3 al 20 % (v/v) durante al menos 24 h y se enjuagaron minuciosamente inicialmente con agua destilada y posteriormente con agua desionizada. Además, para el control de calidad se utilizaron muestras de referencia certificadas, que incluían material de hojas de arbustos (GBW-07603) y material de suelo amarillo (GBW-07408). La diferencia entre las concentraciones medidas y certificadas de los elementos no superaba el 10 %.

Todos los métodos utilizados para recolectar y analizar muestras se realizaron de acuerdo con los métodos de recomendación del Ministerio de Agricultura y Asuntos Rurales de China y el Ministerio de Ecología y Medio Ambiente de China. El departamento de agricultura local permitió la recolección de muestras de suelo, agua de riego y maíz.

Mediante el uso de la función de variación, se investigó el patrón de distribución espacial y la correlatividad de las variables regionalizadas en el análisis geoestadístico36. La interpolación kriging ordinaria fue uno de los métodos efectivos. En este estudio, se utilizó la interpolación kriging ordinaria para investigar la distribución espacial de las concentraciones totales y la extracción de DTPA de metales pesados ​​en el suelo y las concentraciones de metales pesados ​​en raíces y partes comestibles en ArcGIS 10.4 (ESRI, Redlands, CA, EE. UU.). La prueba de normalidad se realizó a través de Normal QQPlot en ArcGIS 10.4. La prueba mostró que los datos obedecían a una distribución normal. La validación cruzada indicó que los valores predichos estaban cerca de los valores medidos.

El método del detector geográfico podría usarse para explorar la heterogeneidad espacialmente estratificada de los factores (factores de respuesta) y determinar los factores impulsores dominantes (factores explicativos)37,38. Este método estadístico se basó en la hipótesis de que si una variable independiente tenía una influencia importante sobre una variable dependiente, su distribución espacial era comparable. Este método sin hipótesis lineal tenía una forma elegante y un significado físico definido. Los datos de factores de respuesta fueron numéricos, y los datos de factores explicativos deben ser discretizados como algunas clasificaciones. La ventaja única del método fue explorar la interacción de dos factores explicativos sobre los factores de respuesta. Al comparar el valor q de cada factor explicativo y el valor q interactivo de dos factores explicativos, se pudo determinar la existencia, intensidad, dirección y linealidad de la interacción.

El método incluía cuatro funciones: detector de factores, detector de interacción, detector ecológico y detector de riesgo. El detector de factores midió la influencia de los factores explicativos en el factor de respuesta. Un mayor valor de q indica una mayor influencia. El detector de interacción reveló si dos factores explicativos tenían una influencia interactiva en el factor de respuesta. Los tipos de interacción se muestran en la Tabla 1. El detector ecológico identificó la diferencia en los impactos de dos factores explicativos, que fue evaluado por la estadística F. El detector de riesgo indicó la significación de la diferencia entre los valores medios del factor de respuesta en cada estrato del factor explicativo. Los cálculos pertinentes se realizaron a través del software GeoDetector basado en Microsoft Excel (http://geodetector.cn/).

El sistema de factores incluía factores de respuesta y factores explicativos. El propósito principal de esta investigación fue investigar los efectos de los factores explicativos sobre los factores de respuesta y determinar los factores explicativos dominantes. Los cuatro factores de respuesta incluyeron la concentración total y la extracción de DTPA de Cd, Pb, Cu y Zn en el suelo y las concentraciones de metales pesados ​​en raíces y partes comestibles. Once factores explicativos se muestran en la Tabla 2. El tipo de suelo (ST) se refiere a las fuentes naturales de metales pesados. Además, ST era la propiedad que decidía la capacidad de mantenimiento y suministro de la fertilidad del suelo y, por lo tanto, afectaba la práctica agrícola39. El grado de fertilidad del suelo (SFG) fue la base principal para la aplicación de STFF, lo que influyó en el uso de fertilizantes y pesticidas. La frecuencia de riego (IF) y la concentración de metales pesados ​​en el agua de riego (HMCIW) se seleccionaron como factores de riego que se consideró que afectaban la entrada de metales pesados ​​en el suelo agrícola18. Se seleccionó como factor de política la gestión de reducción del uso de fertilizantes y pesticidas (MRUFP), incluyendo las medidas de implementación del STFF y reducción de pesticidas. Los proyectos STFF y APPR se realizaron en el área de estudio en 2007 y 2015, respectivamente. En el área de estudio, el MRUFP incluyó valores estándar y no estándar. El MRUFP estándar se refería a la aplicación de fertilizantes y pesticidas siguiendo estrictamente la recomendación de STFF y APPR, y la aplicación excesiva de fertilizantes y pesticidas ocurría bajo el MRUFP no estándar. La aplicación de la cantidad de fertilizante orgánico (AQOF), la aplicación de la cantidad de fertilizante químico (AQCF) y la aplicación de la cantidad de paja (AQS) fueron seleccionados como factores de fertilización que han demostrado afectar las concentraciones de metales pesados ​​en las tierras de cultivo21,40. Además, la cantidad aplicada de herbicida (AQH) y la cantidad aplicada de insecticida (AQI) se seleccionaron como factores pesticidas. Se demostró que la principal fuente de metales pesados ​​en los suelos agrícolas de la llanura del norte de China es la deposición atmosférica en los últimos años. La concentración de metales pesados ​​en la deposición atmosférica (HMCAD) fue seleccionada como factor explicativo. En resumen, los factores explicativos incluyeron seis tipos: factores del suelo (ST, SFG), factores de riego (IF, HMCIW), factores de políticas (MRUFP), factores de fertilización (AQOF, AQCF, AQS), factores de pesticidas (AQH, AQI) y factores atmosféricos. factor de deposición (HMCAD).

Los datos de todos los factores de respuesta y algunos factores explicativos (HMCIW, HMCAD) se obtuvieron mediante análisis de laboratorio. Los datos de ST, SFG, IF, ASTFF, AQOF, AQCF, AQH, AQI y AQS fueron proporcionados por el departamento de administración agrícola local y fueron verificados a través de nuestra encuesta de agricultores locales. La discretización de los factores explicativos se realizó utilizando los métodos de un estudio previo41.

De acuerdo con el método de discretización, cada factor explicativo se clasificó en diferentes niveles (Cuadro 2). Los resultados del detector de riesgo mostraron que los valores promedio del factor de respuesta en diferentes niveles de cada factor explicativo fueron significativamente diferentes (p < 0,05; los datos detallados no se muestran en su totalidad para una gran cantidad de datos). Esto indicó que el método de discretización seleccionado era óptimo. El gran grupo de suelo de las muestras de suelo recolectadas fue el suelo fluvo-acuático, que incluye ocho géneros de suelo. Casi dos tercios de las muestras de suelo eran suelo franco acuoso fluvo, que tenía una alta capacidad de cultivo. La fertilidad del suelo de más del 60% de las muestras de suelo fue moderada (grados de fertilidad del suelo 2, 3 y 4), y solo tres muestras de suelo fueron altas (grado de fertilidad del suelo 1). Las proporciones de cada grado de fertilidad del suelo entre el suelo de maíz y el suelo pakchoi fueron casi las mismas. Más de la mitad de los sitios de muestreo de maíz o pakchoi fueron regados más de una vez al año, y las concentraciones de metales pesados ​​en casi la mitad de las muestras de agua de riego para maíz o pakchoi pertenecían a un nivel alto (nivel 3). Las concentraciones de Cd, Pb, Cu y Zn fueron muy inferiores a la limitación de metales pesados ​​en el agua de riego (Cd: 10 μg L−1, Pb: 200 μg L−1, Cu: 1000 μg L−1, Zn: 2000 μg L−1) en China29. Más del 70% de los sitios de muestreo de maíz o pakchoi estaban bajo MRUFP estándar, con baja cantidad de aplicación de fertilizantes (Niveles 1, 2 y 3) y pesticidas (Niveles 1 y 2). En esos sitios de muestreo bajo MRUFP no estándar (menos del 30%), se aplicaron fertilizantes y pesticidas en exceso para asegurar la producción de cultivos y vegetales. De manera similar, el HMCAD de la mayoría de los sitios de muestreo con MRUFP estándar pertenecía al nivel bajo (niveles 1, 2 y 3), y el HMCAD de los sitios de muestreo con MRUFP no estándar pertenecía al nivel 4. Los sitios de muestreo de cada nivel de AQS eran casi los mismos. mismo.

Las concentraciones de Cd y Pb en suelo y plantas fueron más altas en la parte centro-noroeste de la región de estudio que en otras partes (Fig. 2). Las concentraciones de Cu y Zn en el suelo y las plantas fueron más altas en las partes occidental y norte de la región de estudio que en otras partes. Los valores promedio de metales pesados ​​en suelo y plantas fueron más altos en los sitios de muestreo de pakchoi que en los sitios de muestreo de maíz (Cuadro 3). Excepto por las concentraciones totales de Pb en 23 sitios de muestreo de maíz y las concentraciones totales de Zn en 20 sitios de muestreo de maíz, las concentraciones totales de metales pesados ​​en el suelo de otros sitios de muestreo fueron superiores a los valores de fondo en el suelo regional (Cuadro 3). Esto indicó la acumulación de metales pesados ​​en el suelo de las tierras de cultivo de la región de estudio. Excepto por las concentraciones totales de Cd en 4 sitios de muestreo de maíz y 6 sitios de muestreo de pakchoi, las concentraciones totales de metales pesados ​​en el suelo de otros sitios de muestreo fueron menores que los valores de detección de riesgo para la contaminación del suelo de tierras agrícolas en China (Tabla 3). Excepto por las concentraciones de Cd en las partes comestibles de 3 sitios de muestreo de maíz y 3 sitios de muestreo de pakchoi, las concentraciones de metales pesados ​​en las partes comestibles de otros sitios de muestreo fueron inferiores a las limitaciones de los alimentos en China (Cuadro 3). Esto indicó contaminación lumínica de Cd en suelos agrícolas del área de estudio.

La distribución espacial de Cd, Pb, Cu y Zn en suelo y planta. La unidad fue mg kg−1.

Los resultados del detector de factores mostraron una influencia significativa de MRUFP, AQOF, AQCF, AQH, AQI y HMCAD sobre los metales pesados ​​en el suelo y las plantas (Fig. 3). Los resultados del detector de riesgo mostraron que los factores de respuesta aumentaron significativamente con niveles crecientes de estos factores explicativos (Fig. 4, p < 0,05). Las concentraciones más altas de metales pesados ​​en el suelo y las plantas incluyeron los sitios de muestreo con MRUFP no estándar, alto HMCAD y altas cantidades de aplicación de fertilizantes y pesticidas, y viceversa. Los resultados del detector ecológico mostraron que las influencias de MRUFP, AQOF, AQCF, AQH, AQI y HMCAD tenían diferencias significativas con las de otros factores explicativos sobre las concentraciones de metales pesados ​​del suelo y las plantas en los sitios de muestreo de maíz o pakchoi, y la las influencias no fueron significativamente diferentes entre MRUFP, AQOF, AQCF, AQH, AQI y HMCAD (Fig. 5, p < 0.05). Esto indicó que estos factores explicativos tenían influencias significativas en los factores de respuesta. Los resultados del detector de interacción mostraron que las interacciones entre MRUFP y AQOF, AQCF, AQH y AQI y entre HMCAD y MRUFP, AQOF, AQCF, AQH y AQI se mejoraron de forma no lineal, y las interacciones entre otros factores explicativos se mejoraron bivariadamente ( Figura 5, p < 0,05). Esto indicó que MRUFP mejoró en gran medida las influencias de AQOF, AQCF, AQH y AQI en las concentraciones de metales pesados ​​del suelo y las plantas en los sitios de muestreo de maíz y pakchoi, y la influencia de HMCAD fue mucho mayor por MRUFP, AQOF, AQCF, AQH y AQI.

Los resultados del detector de factor. *: el estadístico q es significativo al nivel 0,01; #: el estadístico q es significativo al nivel 0,05.

Los resultados parciales del detector de riesgo. Cada columna mostró el valor promedio del factor de respuesta relacionado de los sitios de muestreo en el nivel correspondiente del factor explicativo. Las letras minúsculas diferentes en las columnas indican diferencias significativas en p < 0,05 según el análisis de varianza de una vía (ANOVA).

Los resultados del detector ecológico (a) y el detector de interacción (b).

Estudios previos en el sur de China mostraron que el agua de riego era la principal fuente de metales pesados ​​en los suelos agrícolas18,44. Sin embargo, encontramos que las influencias de los factores de riego (IF y HMCIW) sobre los metales pesados ​​en el suelo y las plantas no fueron significativas. Esto podría atribuirse a las bajas concentraciones de metales pesados ​​en el agua de riego y la frecuencia de riego limitada en este estudio. Hasta ahora, los efectos impulsores del retorno de la paja sobre la acumulación y biodisponibilidad de metales pesados ​​en el suelo agrícola han sido controvertidos17,45. La descomposición de la paja en el suelo es un proceso complejo que induce diferentes interacciones entre los productos de descomposición y los metales pesados. Encontramos que el efecto del retorno de la paja sobre la acumulación de metales pesados ​​en el suelo y las plantas no fue significativo. Esto podría atribuirse a las prácticas de producción agrícola. En el área de estudio se prohibió la quema de paja. La paja de desecho se vendía preferentemente a explotaciones ganaderas y avícolas como forraje, y el resto se aplicaba a tierras de cultivo. Desde 2015 se ha fomentado aumentar razonablemente la aplicación de paja para aumentar la materia orgánica en los suelos agrícolas y reducir las cantidades de aplicación de fertilizante químico. El rendimiento de la paja no se basó completamente en la demanda de fertilidad del suelo y fue muy aleatorio. Además, la concentración de metales pesados ​​en la paja era baja. Estos factores indujeron la influencia no aparente del retorno de la paja.

Se sugirió que la deposición atmosférica, en lugar de la fertilización y la aplicación de pesticidas, era el elemento principal fuente de metales pesados ​​en el suelo agrícola, y los metales pesados ​​en la deposición atmosférica provenían principalmente de la industria pesada y la combustión del carbón21. Sin embargo, se demostró que la acumulación de Cd, Pb, Cu y Zn en tierras de cultivo en la llanura del norte de China se debe principalmente a prácticas agrícolas a largo plazo, como la aplicación de fertilizantes y pesticidas, y la deposición atmosférica fue la fuente exógena secundaria de metales pesados46 . Otro estudio realizado en la llanura del norte de China indicó que la acumulación de metales pesados ​​en el suelo estaba relacionada con la aplicación de fertilizantes orgánicos, fertilizantes fosfatados y fertilizantes compuestos15. En este estudio, los resultados del Detector Geográfico también indicaron los efectos impulsores dominantes de la deposición atmosférica y la aplicación de fertilizantes y pesticidas sobre la acumulación de metales pesados ​​en el suelo y las plantas. En el norte de China, los metales pesados ​​transportados por el aire abundan en partículas gruesas y se asientan principalmente en las regiones cercanas a las fuentes de contaminación47. Por lo tanto, algunas fuentes de contaminación por metales pesados ​​se distribuyeron por el suelo agrícola con la acumulación de metales pesados ​​relacionados. A través de la encuesta, no hubo otras fuentes de contaminación por metales pesados ​​en o alrededor de la región de estudio. Las emisiones de hollín de las industrias involucradas se redujeron considerablemente debido a la implementación de planes regionales de prevención y control de la contaminación del aire de 2013 a 2018. A fines de 2017, se desmantelaron las calderas de carbón con vapores de menos de 100 kilotones y el contaminante Se controlaron estrictamente las emisiones de las calderas de carbón con más de 100 kilotones de vapor. Los metales pesados ​​en la deposición atmosférica podrían provenir del polvo levantado por el viento de las tierras de cultivo circundantes. Además, los resultados del detector de interacción mostraron que la gestión para reducir el uso de fertilizantes y pesticidas y las cantidades de aplicación de fertilizantes y pesticidas aumentaron en gran medida la influencia de la deposición atmosférica en las concentraciones de metales pesados ​​del suelo y las plantas. Por lo tanto, las influencias de la deposición atmosférica y otros factores explicativos significativos sobre la acumulación de metales pesados ​​en el suelo y las plantas fueron igualmente importantes.

En el área de estudio se encontraron metales pesados ​​en fertilizantes orgánicos y químicos (Cuadro 4). Las concentraciones de metales pesados ​​en los fertilizantes orgánicos eran mucho mayores que las de los fertilizantes químicos. Las cantidades de aplicación de fertilizantes orgánicos en todos los sitios de muestreo fueron superiores a los valores promedio (2,25 t hm−2) del país48. Las cantidades de aplicación de fertilizantes orgánicos en la mayoría de los sitios de muestreo fueron superiores a los valores promedio del país (369,58 kg hm−2, datos de la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, https://www.fao.org/faostat). La aplicación de fertilizantes orgánicos y químicos indujo la acumulación de metales pesados ​​en las tierras de cultivo. La aplicación de pesticidas podría inducir la acumulación de metales pesados ​​en suelos agrícolas49,50. Se detectaron diferentes concentraciones de Cd, Pb, Cu y Zn en los pesticidas recolectados (herbicida e insecticida, Tabla 4). Además, las cantidades de aplicación de herbicidas e insecticidas fueron mucho mayores que las de pesticidas (total) para China en 2018 (2,17 kg(L) hm−2, datos de la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, https://www .fao.org/faostat). La aplicación de herbicidas e insecticidas aumentaría los metales pesados ​​en las tierras de cultivo. En resumen, la deposición atmosférica y la aplicación excesiva de fertilizantes y pesticidas y la deposición atmosférica causaron directamente la acumulación de Cd, Pb, Cu y Zn en los suelos agrícolas del área de estudio.

El factor detector indicó las influencias significativas de la política de manejo de reducción del uso de fertilizantes y pesticidas y la deposición atmosférica sobre la acumulación de Cd, Pb, Cu y Zn en suelo y plantas. Además, el detector de interacción indicó las influencias muy mejoradas de la fertilización, el uso de pesticidas y la deposición atmosférica por parte de MRUFP. De los cuatro tipos de factores impulsores, MRUFP fue el factor dominante. En realidad, el alto nivel de aplicación de fertilizantes y pesticidas y el alto nivel de concentración de metales pesados ​​en la deposición atmosférica se distribuyeron en la región con MRUFP no estándar. La región con aplicación no estándar de MRUFP incluía aproximadamente la mitad de los niveles altos y bajos de fertilidad del suelo de las tierras de cultivo en el área de estudio. En las tierras de cultivo con suelos de alta fertilidad, la superficie de tierras de cultivo con cultivos triples al año aumentó año tras año. Las actividades de producción agrícola de alta intensidad requieren la aplicación abundante de fertilizantes y pesticidas para asegurar el rendimiento y la calidad de los productos agrícolas. En tierras de cultivo con baja fertilidad del suelo, se aplicaron grandes fertilizantes para mejorar la fertilidad del suelo y también se usaron abundantes pesticidas para asegurar el rendimiento y la calidad de los productos agrícolas. A pesar de la aplicación de STFF y la reducción del uso de pesticidas en toda el área de estudio, el manejo se ha relajado gradualmente desde 2011. En estas regiones, la aplicación de fertilizantes y pesticidas ha aumentado desde 2011 debido a las necesidades de la producción agrícola, induciendo la acumulación de metales pesados ​​en suelos y plantas. Como no se distribuyeron otras fuentes de contaminación por metales pesados ​​en o alrededor del área de estudio, los metales pesados ​​en la deposición atmosférica en forma de polvo fueron levantados por el viento de las tierras de cultivo circundantes. Esta deposición atmosférica inducida con altas concentraciones de metales pesados ​​debía distribuirse en regiones con MRUFP no estándar, y viceversa. En vista de esto, reducir el uso de fertilizantes y pesticidas requiere medidas de gestión estrictas para evitar la acumulación de metales pesados ​​en suelos y productos agrícolas.

A través del análisis de las concentraciones de metales pesados ​​en las muestras recolectadas de fertilizantes orgánicos y químicos, se encontró que las concentraciones de metales pesados ​​en los fertilizantes orgánicos eran mucho mayores que las de los fertilizantes químicos, y las concentraciones de Cd y Pb en algunas muestras de fertilizantes orgánicos excedían los limitaciones de los fertilizantes en China (Cuadro 4). Esto estaba de acuerdo con los resultados del análisis de contenido de metales pesados ​​en fertilizantes comunes en los típicos campos de vegetales del norte de China44 y en conflicto con los resultados de investigaciones extranjeras50. Investigaciones extranjeras han demostrado que las concentraciones de Cd, Pb, Cu y Zn en los fertilizantes químicos son mucho mayores que las de los fertilizantes de estiércol. Esto se atribuyó al estricto control de calidad de los fertilizantes químicos en China. En el área de estudio, la mayoría de los fertilizantes orgánicos fueron autoproducidos a partir de estiércol de ganado comprado a granjas ganaderas y avícolas por los agricultores, y los fertilizantes orgánicos comerciales no se utilizaron ampliamente debido a su alto precio. No se podía garantizar la calidad de los fertilizantes orgánicos de producción propia. Además, desde 2015 se ha sugerido aumentar los fertilizantes orgánicos para sustituir la aplicación de fertilizantes químicos. Así, las cantidades de aplicación de fertilizantes orgánicos en la región de estudio fueron mucho mayores que las de fertilizantes químicos (Cuadro 2). Por lo tanto, los fertilizantes orgánicos aportaron más metales pesados ​​al suelo agrícola que los fertilizantes químicos. Un estudio anterior también mostró que la sustitución de fertilizante químico por fertilizante orgánico indujo la acumulación de Cd, Pb, Cu y Zn en el suelo52. Para evitar la acumulación de metales pesados ​​en los suelos y productos agrícolas, la aplicación de fertilizantes orgánicos debe seguir las recomendaciones del STFF. Bajo la premisa del control de precios, la sustitución de fertilizantes orgánicos de producción propia por fertilizantes orgánicos comerciales estandarizados fue un método efectivo. El monitoreo normativo de metales pesados ​​en fertilizantes orgánicos comerciales es fundamental para garantizar la calidad.

En este estudio, se seleccionó como área de estudio una importante zona productora de cereales y hortalizas con acumulación de Cd, Pb, Cu y Zn en el suelo de la llanura del norte de China. Se utilizó el método del detector geográfico para determinar los factores impulsores de la acumulación de Cd, Pb, Cu y Zn en suelos y productos agrícolas. Los factores de política (gestión de la reducción del uso de fertilizantes y pesticidas), factores de fertilización (aplicación de fertilizantes orgánicos y químicos), factores de pesticidas (aplicación de herbicidas e insecticidas) y factores de deposición atmosférica (concentración de metales pesados ​​en la deposición atmosférica) tuvieron influencias significativas en la acumulación de metales pesados ​​en el suelo y las plantas. Entre estos factores, el factor político fue el factor impulsor dominante que mejoró en gran medida las influencias de los otros tres tipos de factores. La deposición atmosférica y la aplicación excesiva de fertilizantes y pesticidas inducen directamente la acumulación de metales pesados ​​en el suelo y las plantas. Los fertilizantes orgánicos aportan altos niveles de metales pesados ​​al suelo agrícola debido a sus altas concentraciones de metales pesados ​​y abundantes cantidades de aplicación. La aplicación de fertilización formulada y planes de acción para la reducción de pesticidas disminuyó efectivamente la acumulación de metales pesados ​​en el suelo y las plantas. Se sugirió la aplicación estándar de fertilizantes orgánicos y el monitoreo normativo de metales pesados ​​en fertilizantes orgánicos para prevenir la acumulación de metales pesados ​​en los suelos agrícolas del área de estudio.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Descargar referencias

Este trabajo fue apoyado por la Fundación de Jóvenes Doctores del Departamento de Educación de Gansu (2022QB-172) y la Fundación de Ciencias Naturales de Gansu (20JR10RA288, 21JR7RA693, 21JR1RA319). Los autores agradecen la ayuda de Maoquan Liang, Yifei Xue, Yixin Zhang, Rongye Li, Liqi Fan y Ping Zhang de la Universidad de la ciudad de Lanzhou en el muestreo de campo y las pruebas de laboratorio. Los autores también agradecen la ayuda de la Oficina de Agricultura y Asuntos Rurales de Caoxian de la provincia de Shandong.

Escuela de Ingeniería Química, Universidad de la ciudad de Lanzhou, Lanzhou, 730070, China

Zheng Liu y Jun Li

Centro de Investigación para el Control de la Contaminación Ambiental de las Ciudades de la Cuenca del Río Amarillo, Universidad de la Ciudad de Lanzhou, Lanzhou, 730070, China

zheng liu

Academia Gansu de Ciencias Ecoambientales, Distrito de Chengguan, Lanzhou, 730000, China

Yingbai

Centro de Monitoreo del Medio Ambiente Ecológico de Baiyin de la provincia de Gansu, Baiyin, 730900, China

junhong gao

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ZL diseñó el experimento, analizó los datos, preparó todas las figuras y tablas, escribió el manuscrito. YB supervisó la investigación, revisó el manuscrito, mantuvo los datos de investigación. JG y JL realizaron muestreos, encuestas y pruebas en interiores, recolectaron otros materiales.

Correspondencia a Ying Bai.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Liu, Z., Bai, Y., Gao, J. et al. Factores impulsores de la acumulación de cadmio, plomo, cobre, zinc en suelos agrícolas y productos de la llanura del norte de China. Informe científico 13, 7429 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34688-6

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Recibido: 08 febrero 2023

Aceptado: 05 mayo 2023

Publicado: 08 mayo 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34688-6

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