山西省太谷縣農(nóng)田土壤重金屬污染特征及評價

郭掌珍，張淵，馮兩蕊

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷030801）

隨著現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)和城市化的發(fā)展，廢水、廢氣、廢渣和生活垃圾排放增加，容易引起土壤中重金屬含量增加，進(jìn)而影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，并最終通過食物鏈影響人類健康［1，2］，已經(jīng)受到越來越多的重視［3，4］。太谷縣位于山西省晉中盆地中部，距省會太原市60公里，交通便利。該區(qū)屬暖溫帶大陸性氣候，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)好，盛產(chǎn)糧、油、果、菜等，是山西省重要的商品糧基地。近年，隨著榆祁高速、太長高速、瑪鋼廠、化工廠、農(nóng)機(jī)、建材等一批基礎(chǔ)設(shè)施和主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的建成，太谷經(jīng)濟(jì)得到了較快發(fā)展，農(nóng)田受交通運輸和工業(yè)化影響的可能性也在日益增加。為評估經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中可能帶來的土壤重金屬污染，對太谷縣部分農(nóng)田土壤中重金屬的污染現(xiàn)狀進(jìn)行了初步研究，以期為縣域生態(tài)環(huán)境治理和食品安全提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 土壤樣品采集

2010年4～6月，從太谷縣侯城鄉(xiāng)、北汪鄉(xiāng)、陽邑鄉(xiāng)、范村鎮(zhèn)、小白鄉(xiāng)等9個鄉(xiāng)鎮(zhèn)20個自然村采集20個土壤樣品，具體樣點名稱及編號見樣點站位圖（圖1）。

為了保證樣品的代表性，樣品由采樣中心點及周邊的4～5個子樣混合組成，置于布袋中運回實驗室，去除較大的植物根系、石塊等雜物，自然風(fēng)干，研磨過篩，測定汞（Hg）、鎘（Cd）、鉛（Pb）、砷（As）、銅（Cu）和鋅（Zn）6種金屬元素含量。

1．2 土壤樣品測定方法

砷、汞：原子熒光法；鎘：石墨爐原子吸收法；銅、鉛、鋅：火焰原子吸收法。

實驗中加入土壤ESS－1標(biāo)準(zhǔn)樣品（GSBZ500011－87）為參考物質(zhì)，各元素的分析誤差均在允許范圍內(nèi)。

1．3 土壤累積性指數(shù)

土壤累積性指數(shù)常用于評價土壤重金屬累積性污染程度［5］。其計算方法為：

式中：Pi為環(huán)境中污染物i的累積性指數(shù)；

Ci為環(huán)境中污染物i的實測濃度／mg·kg－1；

Cbi為環(huán)境背景值／mg·kg－1。

土壤累積性分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

本研究采用山西省七五土壤背景值［6］計算土壤累積性指數(shù)。

1．4 地積累指數(shù)（Igeo）

地積累指數(shù)常用于評價沉積物（土壤）中重金屬的污染程度［7，8］，其計算公式為：

式中，Cn為元素實測質(zhì)量分?jǐn)?shù)／mg·kg－1；Bn為元素背景質(zhì)量分?jǐn)?shù)／mg·kg－1。

根據(jù)地積累指數(shù)，可對重金屬污染程度進(jìn)行劃分。具體見表2。

1．5 多因子分析

主成分 分 析 法 （principal component analysis PCA）廣泛應(yīng)用于評估土壤或沉積物中污染物的來源及變化［9］。PCA法能有效降低數(shù)據(jù)維度，經(jīng)過向量提取后只留下有效變量。主成分分析所得結(jié)果有助于區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)變量中相對同源的組分［10，11］。采用統(tǒng)計軟件SPSS 13．0（SPSS Inc，USA）進(jìn)行PCA及相關(guān)性統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2．1 土壤重金屬含量及累積性評價結(jié)果

由表3可見，20個采樣點As、Cd、Cu、Hg、Pb、Zn含量變幅依次為（5．97～10．80）、（0．063～0．087）、（12．10～36．35）、（0．011～0．333）、（18．64～65．57）、（39．33～265．60）mg·kg－1，平均含量分別為8．50±1．28、0．072±0．005、21．87±5．46、0．156±0．111、30．98±9．65、72．64±48．40mg·kg－1。同一重金屬在不同樣點間的變異程度不同，其中Hg在整個研究區(qū)域變異較大，Zn、Pb、Cu變異系數(shù)次之，As、Cd最小。同一重金屬在不同樣點間的含量差異大，提示來源可能不同［12，13］。此外，Cd和As標(biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù)均較小，說明這兩種元素在各采樣點的分布較均勻［14］。Hg、Zn變異系數(shù)較大，分布不均勻，受人為擾動的可能性較大［15］。

統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，As含量最大值出現(xiàn)在4＃點位里修村，最小值位于6＃點位陽邑南；Cd最大值出現(xiàn)在15＃點位布袋莊村，最小值出現(xiàn)在5＃點位陽邑北；Cu最大值出現(xiàn)在14＃點位小郭村，最小值出現(xiàn)在1＃點位北張村；Hg最大值出現(xiàn)在19＃北郭村，最小值位于6＃點位陽邑南；Pb最大值出現(xiàn)在17＃朝陽村，最小值出現(xiàn)在1＃北張村；Zn最大值出現(xiàn)在17＃朝陽村，最小值出現(xiàn)在1＃北張村。從表3還可看出，20個樣點As、Cd、Cu元素的平均含量與山西省七五土壤背景值相比無明顯變化，均屬于無累積，說明可能來源于自然背景；Pb、Zn累積程度均為輕度累積；Hg累積程度為重度累積。累積程度表現(xiàn)為 Hg＞Pb＞Zn＞As＞Cu＞Cd。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，與土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618－1995）二級標(biāo)準(zhǔn)相比，各樣點金屬元素含量均未見超標(biāo)。環(huán)境中的汞主要來源于燃煤、鋼鐵等工業(yè)排放和農(nóng)田灌溉［16，17］?？紤]到太谷縣工業(yè)主要以鋼鐵、煤焦化循環(huán)產(chǎn)業(yè)為主，兼有農(nóng)機(jī)、建材等，且該縣是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)縣，蔬菜、水果、苗木種植相對集中。因此，農(nóng)田土壤汞的來源可能與工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有關(guān)。

2．2 土壤污染元素的相關(guān)關(guān)系

研究表明，來源相似的元素之間往往有較好的相關(guān)性，因此，統(tǒng)計學(xué)上相關(guān)性較好的重金屬元素之間在成因上也有相似之處［18］。從太谷縣農(nóng)田土壤重金屬元素兩兩之間的相關(guān)系數(shù)看（表4），6種金屬元素之間，除Pb、Zn之間存在顯著相關(guān)性，其余兩兩之間差異不顯著，說明各點位重金屬元素的來源可能存在多種途徑。元素地球化學(xué)研究結(jié)果表明，成因相似的元素之間常有良好的相似性［18］。Pb和Zn之間的相關(guān)性為正極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0．816，說明土壤中這兩種元素的來源相似。Pb、Zn均屬親硫金屬，都能與土壤中的S結(jié)合，形成難溶的硫化物，或被鐵錳氧化物或氫氧化物吸附。兩者之間的高度一致反映了這兩種重金屬可能有共同的污染來源。環(huán)境中鋅主要來源于汽車輪胎磨損，油的泄漏，以及農(nóng)業(yè)含鋅肥料的使用［19］；鉛主要來源于工業(yè)和交通等方面的鉛排放。考慮到Pb、Zn含量較高的點位主要集中在2＃、16＃、17＃、18＃點位附近，且多數(shù)靠近交通干線，因此，研究區(qū)Pb、Zn可能主要來源于交通源的排放。

2．3 土壤污染物地積累指數(shù)評價結(jié)果

由地積累指數(shù)計算結(jié)果可知（表5），Pb在多數(shù)點位受到輕度～中度污染，且部分點位受到中度污染；Hg在多數(shù)點位受到中度污染，部分點位受到強(qiáng)污染。根據(jù)太谷縣農(nóng)田土壤重金屬地積累指數(shù)及污染分級結(jié)果，太谷縣農(nóng)田重金屬的污染程度由強(qiáng)到弱依次為：Hg＞Pb＞Zn＞As＞Cu＞Cd，整體處于無～中度污染水平，與土壤累積性趨勢（表3）相似。

2．4 土壤主要污染物主成分分析

采用主成分分析法對太谷縣農(nóng)田土壤全部樣點的金屬元素進(jìn)行了載荷因子分析，通過對原始數(shù)據(jù)的歸一化，得到原始數(shù)據(jù)相關(guān)矩陣，并對相關(guān)矩陣特征向量進(jìn)行提取，取特征值＞1，累積方差已達(dá)75．592%的前3個成分作為主成分，得到太谷縣農(nóng)田土壤的主成分因子載荷（表6）。由表6可見，第一主成分占方差的36．519%，包括Pb、Zn、Cu。第二主成分則包括了元素Hg、Cd，其貢獻(xiàn)率占到方差的20．431%。第三主成分為元素As?？紤]到太谷縣農(nóng)田土壤重金屬污染整體較輕（表3、表5），且重金屬之間相關(guān)性較差（表4），因此，主成分分析中不同因子主要反映了各重金屬高值區(qū)人為來源的差異［20］。

結(jié)合太谷縣農(nóng)田土壤重金屬高值區(qū)分布可知，第一主成分包含的Pb、Zn、Cu的高值區(qū)主要分布在14＃和17＃點位的小郭村和朝陽村。一般認(rèn)為，環(huán)境中的Pb、Zn、Cu均可來源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)［20，21］和機(jī)動車排放，且 Pb、Zn也可來源于鋼鐵冶煉［22，23］。考慮到太谷縣農(nóng)田 Pb、Zn、Cu高值區(qū)多分布在交通主干線兩側(cè)，且17＃點位附近分布有鋼鐵廠。因此，其污染來源可能與交通運輸、鋼鐵冶煉和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有關(guān)。第二主成分中包含Hg、Cd。環(huán)境中的Hg主要來源于燃煤工業(yè)排放和農(nóng)田灌溉［18，22］。考慮到太谷縣農(nóng)田 Hg高值區(qū)多分布在5＃點位陽邑北、7＃點位里美莊村、11＃點位冀村、19＃點位北郭村附近，周邊無工業(yè)企業(yè)分布，因此其來源可能與灌溉有關(guān)?？紤]到樣點范圍內(nèi)Cd和第三主成分包含的As，變異均較小且均無累積（表3），因此，Cd和As受人為擾動較少，可能主要來自于成土母質(zhì)。

3 結(jié)論

太谷縣農(nóng)田天壤20個樣點As、Cd、Cu、Hg、Pb、Zn含量分別為8．50±1．28、0．072±0．005、21．87±5．46、0．156±0．111、30．98±9．65、72．64±48．40mg·kg－1。土壤累積性指數(shù)和地積累指數(shù)的計算結(jié)果顯示，20個樣點整體處于無～中度污染水平，但Pb、Zn為輕度累積，Hg為重度累積，說明收到人為擾動較大。太谷縣農(nóng)田土壤重金屬Pb、Zn、Cu污染來源可能與交通運輸、鋼鐵冶煉和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有關(guān)。Hg污染來源可能與灌溉有關(guān)，其余元素主要為自然來源。

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