太原市農(nóng)田土壤重金屬污染評(píng)價(jià)與空間分布特征

滑小贊，程濱，趙瑞芬，霍曉蘭，王釗，王森

太原市農(nóng)田土壤重金屬污染評(píng)價(jià)與空間分布特征

滑小贊，程濱*，趙瑞芬，霍曉蘭，王釗，王森

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，太原 030031）

【】揭示太原市農(nóng)田土壤重金屬污染現(xiàn)狀、污染來源及其空間分布格局情況，為區(qū)域土壤污染防控和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供依據(jù)。采集太原市農(nóng)田土樣214個(gè)，測(cè)定土壤中Cr、Cd、Pb、Hg和As 5種重金屬量，采用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對(duì)土壤重金屬進(jìn)行污染評(píng)價(jià)，運(yùn)用ArcGIS 10.3繪制太原市農(nóng)田土壤重金屬空間分布圖，利用SPSS 16.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，進(jìn)一步了解土壤重金屬的污染來源。①太原市農(nóng)田土壤中重金屬量分布差別較大，Cr、Cd、As、Hg和Pb均值分別為68.38、0.121、8.59、0.08、24.23 mg/kg，均未超過《綠色食品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量》（NY/T 391—2013）中的規(guī)定，但其平均值均顯著高于太原市土壤背景值。②單項(xiàng)污染指數(shù)值由大到小順序?yàn)镠g（2.36）＞Pb（1.76）＞Cd（1.57）＞Cr（1.19）＞As（1.12）。其中，Hg、Pb和Cd主要受工業(yè)生產(chǎn)、污水灌溉、燃煤、農(nóng)藥化肥施用和交通運(yùn)輸?shù)热藶橐蛩氐挠绊?，As和Cr主要受成土母質(zhì)和農(nóng)業(yè)活動(dòng)的影響。③太原市農(nóng)田土壤內(nèi)梅羅綜合指數(shù)為2.14，呈中度污染。7個(gè)縣區(qū)農(nóng)田土壤內(nèi)梅羅綜合指數(shù)由大到小依次是晉源區(qū)（4.17）＞小店區(qū)（2.98）＞尖草坪區(qū)（2.13）＞清徐縣（2.07）＞陽(yáng)曲縣（1.71）＞婁煩縣（1.67）＞古交市（1.57）。重金屬空間分布圖可以直觀看出土壤重金屬空間分布和污染情況，在工業(yè)發(fā)達(dá)和人口密集的城郊晉源區(qū)、小店區(qū)、尖草坪區(qū)和清徐縣，農(nóng)田土壤為重度污染和中度污染，遠(yuǎn)離太原市市區(qū)的陽(yáng)曲縣、古交市和婁煩縣農(nóng)田土壤為輕度污染。太原市農(nóng)田土壤總體呈中度污染，Hg和Pb單項(xiàng)污染指數(shù)最高，重金屬污染較嚴(yán)重的區(qū)域集中在太原市城郊晉源區(qū)、小店區(qū)、尖草坪區(qū)和清徐縣，今后工作中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)太原市城郊污染較重區(qū)域農(nóng)田土壤重金屬重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，尤其是Hg和Pb，以確保土壤健康和可持續(xù)利用。

太原市；農(nóng)田土壤；重金屬；污染評(píng)價(jià)；空間分布

0 引言

【研究意義】隨著工業(yè)迅速發(fā)展和人口急劇增加，環(huán)境問題越來越突出，其中土壤重金屬污染已經(jīng)成為全世界的共性問題[1-2]。重金屬污染具有隱蔽性、長(zhǎng)期性和不可逆性，一旦進(jìn)入土壤，難以排除，重金屬在農(nóng)田土壤中過量累積導(dǎo)致土壤肥力下降和農(nóng)產(chǎn)品中重金屬超標(biāo)，進(jìn)而危害人類健康[3-7]。環(huán)境保護(hù)部和國(guó)土資源部在2014年聯(lián)合發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》中顯示，我國(guó)耕地土壤點(diǎn)位超標(biāo)率為19.4%，其中重金屬污染占80%，面積近2×107hm2，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)200億元[1,8-10]。因此，了解農(nóng)田土壤重金屬污染程度和空間分布情況，解析重金屬污染來源對(duì)區(qū)域土壤防控和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)合理布局具有重要意義。【研究進(jìn)展】太原市是我國(guó)煤炭能源重化工基地，也是全國(guó)環(huán)境污染最為嚴(yán)重的城市之一[11-16]。郭翠花等[11-12]對(duì)太原市地表土壤重金屬污染的研究發(fā)現(xiàn)，重金屬Cu、Cr、Zn、Cd、Hg高于中國(guó)土壤背景值，其中，Hg和Cd是主要的污染元素，污染主要來源于工業(yè)“三廢”的排放、污水灌溉及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)等。張乃明等[13-14]對(duì)太原市污灌區(qū)土壤重金屬污染的研究發(fā)現(xiàn)，Cd、Pb和Hg高于太原市背景值，并有逐年累積的趨勢(shì)，Cd累積主要來源于污水灌溉，Hg累積主要來源于大氣沉降，Pb累積主要受污水灌溉和大氣沉降共同影響。劉勇等[15]對(duì)太原市城鎮(zhèn)周邊土壤重金屬污染的研究發(fā)現(xiàn)，城鎮(zhèn)周邊土壤重金屬污染指數(shù)高于耕地。解文艷等[16]對(duì)太原市南郊污灌區(qū)土壤重金屬污染的研究發(fā)現(xiàn)，污灌區(qū)土壤呈重度污染和中度污染水平，晉源區(qū)污染最重，主要的污染元素是Hg和Cd?！厩腥朦c(diǎn)】上述的研究主要集中對(duì)太原市城鎮(zhèn)周邊和污灌區(qū)的土壤重金屬污染進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，對(duì)太原市縣域農(nóng)田土壤重金屬的分析評(píng)價(jià)和空間分布情況還鮮有報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究針對(duì)太原市農(nóng)田土壤中危害系數(shù)較大的Hg、As、Pb、Cd、Cr等5種重金屬元素，采用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對(duì)重金屬污染程度進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，運(yùn)用ArcGIS地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)研究區(qū)重金屬含量的空間分布狀況進(jìn)行分析，并利用SPSS 16.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性和主成分分析，客觀全面了解該區(qū)域農(nóng)田土壤重金屬污染狀況和污染來源。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

太原市地處山西省中部，東經(jīng)111°30′—113°09′，北緯37°27′—38°25′，東西約144 km，南北約107 km。以石灰性褐土為主，耕地面積為10.7萬(wàn)hm2。太原市城鎮(zhèn)化規(guī)模較大，由迎澤區(qū)、杏花嶺區(qū)、萬(wàn)柏林區(qū)、小店區(qū)、尖草坪區(qū)、晉源區(qū)等6個(gè)區(qū)、清徐縣、陽(yáng)曲縣、古交市、婁煩縣等4個(gè)縣市組成，其中，6個(gè)區(qū)是太原市主要城區(qū)，隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)張，大部分土地已變?yōu)榉寝r(nóng)業(yè)用地，僅小店區(qū)、晉源區(qū)、尖草坪區(qū)處于太原市郊區(qū)，有約1.5萬(wàn)hm2為農(nóng)業(yè)用地。小店區(qū)、晉源區(qū)、尖草坪區(qū)和清徐縣是水澆地，主要種植蔬菜；陽(yáng)曲縣、婁煩縣和古交市是旱地，主要種植大田作物。

1.2 樣品采集與測(cè)定

2017年7—10月，根據(jù)1∶5萬(wàn)縣級(jí)土地利用現(xiàn)狀圖和土壤圖，在研究區(qū)盡量均勻分布采集農(nóng)田土壤樣品，在保證樣品代表性的前提下，平均每2 km×2 km左右布設(shè)1個(gè)采樣點(diǎn)，在晉源區(qū)、小店區(qū)、清徐縣有污灌歷史的地區(qū)加密布點(diǎn)，平均每1 km×1 km左右布設(shè)1個(gè)采樣點(diǎn)。采用五點(diǎn)法采集0~20 cm表層土壤，混合均勻后用四分法保留約1 kg土樣。樣點(diǎn)位置采用GPS定位，共采集土壤樣品214個(gè)。使用ArcGIS 10.3 軟件生成采樣點(diǎn)分布圖（圖1）。

土壤樣品自然風(fēng)干，剔除有機(jī)殘?jiān)⒅参锔岛涂梢娗秩塍w，粗磨過20目篩，再細(xì)磨全部過100目篩，用以測(cè)定土壤重金屬[17]。土壤重金屬Cr、Pb和Cd采用硝酸-雙氧水-氫氟酸三酸聯(lián)合微波消解，Cr采用火焰原子吸收分光光度法進(jìn)行測(cè)定，Pb和Cd采用石墨爐原子吸收分光光度法進(jìn)行測(cè)定；Hg、As采用王水水浴消解，原子熒光光度法測(cè)定[1,17-18]。分析方法準(zhǔn)確度和精密度采用國(guó)家土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW 07453）和室內(nèi)平行樣品進(jìn)行質(zhì)量控制，標(biāo)準(zhǔn)曲線的相關(guān)系數(shù)≥0.999，Cr、Pb、Cd、Hg和As的方法檢出限分別為4、0.1、0.01、0.002、0.01 mg/kg，回收率介于100%±10%之間。

圖1 采樣點(diǎn)分布

1.3 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法

為評(píng)價(jià)太原市農(nóng)田土壤重金屬污染情況，本研究選取“七五”期間太原市土壤背景值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)方法采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法。

單因子污染指數(shù)法是對(duì)土壤中某一重金屬元素的累積污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)[17-18]。其計(jì)算式[2,8]為：

P=C/S， （1）

式中：P為所計(jì)算出的重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)；C為該重金屬的實(shí)測(cè)值；S為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值，均采用太原市的土壤背景值作為參比值。P≤0.7為清潔，0.7＜P≤1.0為安全，1.0＜P≤2.0為輕污染，2.0＜P≤3.0為中度污染，P＞3.0為重污染。P數(shù)值越大，說明受到的重金屬污染越嚴(yán)重[18]。

內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法是對(duì)土壤中幾種重金屬的累積污染程度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，突出高濃度污染物對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響[5,17-19]。其計(jì)算式為：

式中：綜為綜合污染指數(shù)；平均為各單項(xiàng)污染指數(shù)P的平均值；max為各單項(xiàng)污染指數(shù)中的最大值。綜≤0.7為清潔，0.7＜綜≤1.0為安全，1.0＜綜≤2.0為輕污染，2.0＜綜≤3.0為中污染，綜＞3.0為重污染。

對(duì)孩子的懲罰方式是多樣的，但是最終的目的都是為了建立成年人的權(quán)威，成年人被政府慫恿要兒童絕對(duì)的屈服和順從。不過這種教育方式只會(huì)造成更壞的影響，這些帶著惡意的獎(jiǎng)勵(lì)與處罰教育手段注定會(huì)為孩子的童年投上一層陰影。在這種社會(huì)環(huán)境下，有一種必然的趨勢(shì)便是：兒童在成年人權(quán)威的壓制下，他們?cè)谧约旱耐陼r(shí)光里注定會(huì)犧牲他們的天性與純真來服從社會(huì)的風(fēng)俗和習(xí)慣。對(duì)政府而言，抹除兒童的天性與純真，以便符合國(guó)家的意識(shí)形態(tài)要求是無可厚非的社會(huì)價(jià)值準(zhǔn)則。

1.4 空間變異特征分析

半變異函數(shù)可同時(shí)描述區(qū)域化變量的隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性，能較好反映區(qū)域化變量的空間特征，是研究區(qū)域土壤性質(zhì)空間變異規(guī)律和空間結(jié)構(gòu)分析的有效工具[17, 20-21]。本研究利用ArcGIS 10.3中Geostatistical Analyst采用普通克里金法對(duì)研究區(qū)內(nèi)土壤重金屬量進(jìn)行半變異函數(shù)/協(xié)方差模型分析，得到不同重金屬元素的最優(yōu)半變異函數(shù)模型。

交叉驗(yàn)證是一種常見的空間插值精度驗(yàn)證方法，是指利用預(yù)測(cè)的半變異函數(shù)模型，在去除某個(gè)采樣點(diǎn)實(shí)測(cè)值后，用其他樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，一直重復(fù)運(yùn)算，直到得到所有樣點(diǎn)的預(yù)測(cè)值，并與對(duì)應(yīng)樣點(diǎn)實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較[17,22]。當(dāng)平均誤差、標(biāo)準(zhǔn)平均誤差接近于0，均方根誤差較小以及標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差接近于1的時(shí)候認(rèn)為可以通過交叉檢驗(yàn)，說明克里格插值效果較好。當(dāng)預(yù)測(cè)的半變異函數(shù)模型通過交叉驗(yàn)證后，根據(jù)不同土壤重金屬的半變異函數(shù)模型及相關(guān)參數(shù)，應(yīng)用普通克里金方法進(jìn)行最優(yōu)內(nèi)插，得到各重金屬元素的空間分布圖、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評(píng)價(jià)圖。

1.5 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)測(cè)定的農(nóng)田土壤各樣點(diǎn)元素量數(shù)據(jù)，利用Excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)特征分析，采用SPSS 16.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性和主成分分析，運(yùn)用ArcGIS 10.3軟件繪制采樣點(diǎn)空間分布圖和土壤重金屬空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田土壤重金屬的總體特征

太原市農(nóng)田土壤重金屬元素量分析結(jié)果（表1）顯示，重金屬Cr、Cd、As、Hg和Pb量的平均值分別為68.38、0.121、8.59、0.08、24.23 mg/kg，均高于“七五”期間太原市土壤重金屬元素背景值，且分別為背景值的1.19、1.57、1.12、2.36、1.76倍，表明各元素在表層土壤中均存在富集。5種元素超過背景值的比例均高于50%，分別是Pb=100%＞Cd=99.5%＞Cr=96.7%＞Hg=95.8%＞As=71.0%。5種元素的變異系數(shù)從大到小依次是Hg＞As＞Cd＞Pb＞Cr，其中，Cr、Cd、As、Pb量的變異系數(shù)均≤25%，呈低變異性，表明在區(qū)域內(nèi)變化不大，受到人類活動(dòng)的影響較??；Hg的變異系數(shù)＞50%，呈高變異性，表明在區(qū)域上差異顯著，受人類活動(dòng)影響較大。

太原市農(nóng)田土壤pH值范圍為7.5~8.5，選用《綠色食品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量》（NY/T 391—2013）中Cr、Cd、As、Hg和Pb標(biāo)準(zhǔn)值120、0.40、20、0.35、50 mg/kg為參考標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)土壤中5種重金屬的最大值均小于該標(biāo)準(zhǔn)。故太原市農(nóng)田土壤中這5種重金屬存在潛在污染風(fēng)險(xiǎn)。

表1 太原市農(nóng)田土壤重金屬量的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2 農(nóng)田土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

以“七五”期間太原市土壤背景值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，太原市各區(qū)縣土壤重金屬的污染指數(shù)見表2。研究區(qū)重金屬單因子污染指數(shù)平均值由大到小依次是：Hg（2.36）＞Pb（1.76）＞Cd（1.57）＞Cr（1.19）＞As（1.12），說明5種重金屬元素在土壤中都存在累積現(xiàn)象。其中，Hg、Pb和Cd等3種重金屬污染較嚴(yán)重，個(gè)別點(diǎn)位重金屬達(dá)到中度污染和重度污染水平。研究區(qū)內(nèi)梅羅綜合指數(shù)平均值為2.14，呈中度污染，其中輕污染占67.3%、中污染占17.8%、重污染占15.0%。

7個(gè)區(qū)縣內(nèi)梅羅綜合指數(shù)由大到小依次是：晉源區(qū)（4.17）＞小店區(qū)（2.98）＞尖草坪區(qū)（2.13）＞清徐縣（2.07）＞陽(yáng)曲縣（1.71）＞婁煩縣（1.67）＞古交市（1.57），其中，晉源區(qū)呈重污染水平，小店區(qū)、尖草坪區(qū)、清徐縣呈中度污染水平，陽(yáng)曲縣、婁煩縣、古交市呈輕度污染水平。從7個(gè)區(qū)縣單項(xiàng)污染指數(shù)可以看出，Hg是主要污染物，Pb和Cd次之。

2.3 農(nóng)田土壤重金屬元素空間分布特征

不同重金屬的半變異函數(shù)模型及相關(guān)參數(shù)見表3。由表3可知，太原市農(nóng)田土壤中Cr、As的塊金系數(shù)均＜25%，表示變量具有顯著地空間自相關(guān)；土壤中Cd、Hg、Pb的塊金系數(shù)為74.9%、60.6%、49.5%，表示變量具有中等程度自相關(guān)。Cr、Cd、As、Hg和Pb 5種重金屬的平均誤差（）、標(biāo)準(zhǔn)平均誤差（）均接近于0，均方根誤差（）較小以及標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差（）均接近于1，說明5種重金屬元素的半變異函數(shù)模型均可通過交叉驗(yàn)證，能夠較好地預(yù)測(cè)土壤重金屬的分布特征。根據(jù)不同土壤重金屬的半變異函數(shù)模型及相關(guān)參數(shù)，應(yīng)用普通克里金方法進(jìn)行最優(yōu)內(nèi)插，得到各重金屬元素的空間分布圖、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果圖（圖2）。

表2 太原市各區(qū)縣土壤重金屬的污染指數(shù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

表3 重金屬量的半變異函數(shù)模型及相關(guān)參數(shù)

圖2 研究區(qū)各重金屬空間分布圖和評(píng)價(jià)結(jié)果

從內(nèi)梅羅綜合指數(shù)圖可以看出，以“七五”期間太原市土壤背景值為參考標(biāo)準(zhǔn)，晉源區(qū)大部分土壤受重度污染；小店區(qū)大部分區(qū)域土壤呈中度污染，與晉源區(qū)相接壤的地區(qū)土壤呈重度污染；清徐縣北部地區(qū)土壤呈中度污染，東南部地區(qū)土壤呈輕度污染；尖草坪區(qū)大部分土壤呈中度污染，有小部分土壤呈重度污染，與陽(yáng)曲縣相接壤的部分土壤呈輕度污染；古交市大部分土壤呈輕度污染，與清徐縣相接壤的部分土壤呈中度污染；陽(yáng)曲縣大部分土壤呈輕度污染，與尖草坪區(qū)和杏花嶺區(qū)相接壤的部分土壤呈中度污染；婁煩縣土壤呈輕度污染。

2.4 土壤重金屬相關(guān)性分析

根據(jù)重金屬之間相關(guān)性可以判斷污染來源是否相同，若重金屬之間存在顯著正相關(guān)，說明污染來源可能相同，否則污染來源不止一個(gè)[23-24]。相關(guān)性分析結(jié)果見表4。由表4可知，除As外，Cr、Cd、Hg、Pb兩兩均具有顯著的相關(guān)性（<0.01），表明土壤中這4種重金屬可能具有相同或相似的來源。As元素較為特殊，與Cr、Cd呈顯著相關(guān)的，與Hg、Pb 不相關(guān)，表明As與Cr、Cd可能具有相同來源，與Hg、Pb的污染來源不同。

表4 土壤重金屬量的相關(guān)性

注 *表示在0.05水平下差異顯著；**表示在0.01水平下差異顯著。

為了進(jìn)一步明確太原市農(nóng)田土壤中重金屬的污染來源，對(duì)土壤重金屬進(jìn)行主成分分析。主成分分析結(jié)果如表5，5個(gè)指標(biāo)可由2個(gè)主成分反映78.442%的信息，即對(duì)2個(gè)主成分進(jìn)行分析就可以反映5個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)的大部分信息。對(duì)5種重金屬進(jìn)行主成分分析發(fā)現(xiàn)，在因子的初始矩陣中，Cd、Pb、Cr、Hg在因子1中顯示出較高的因子負(fù)荷，As在因子2中表現(xiàn)出較高的值。經(jīng)過矩陣變換后，因子1中Pb、Hg和Cd有較高的因子負(fù)荷，說明Pb、Hg和Cd可能具有相同的來源；因子2中As和Cr有較高的因子負(fù)荷，說明As和Cr可能具有相同的來源。

表5 具有Kaiser標(biāo)準(zhǔn)化的正交旋轉(zhuǎn)法得到的因子和全部解釋變量

3 討論

3.1 太原市農(nóng)田土壤重金屬污染情況和污染來源

土壤重金屬來源主要有2方面，一方面是自然因素，即成土母質(zhì)在礦化過程中形成的；另一方面是人為因素，包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的農(nóng)業(yè)化肥施用、污水灌溉、工業(yè)廢棄物排放和公路交通運(yùn)輸?shù)萚18,25-26]。以區(qū)域?yàn)樵u(píng)價(jià)單元，結(jié)合土壤重金屬空間分布圖和相關(guān)性分析結(jié)果，對(duì)小店區(qū)、晉源區(qū)、尖草坪區(qū)、清徐縣、陽(yáng)曲縣、古交市和婁煩縣的農(nóng)田土壤中Hg、Pb、Cd、Cr和As等5種重金屬污染情況和污染來源進(jìn)行分析。

主成分分析中，因子1為元素Hg、Pb和Cd的組合，表明重金屬Hg、Pb和Cd污染來源基本相同。由圖2可以看出，重金屬Hg、Pb、Cd的空間分布圖基本相似，在太原市城郊晉源區(qū)、小店區(qū)、尖草坪區(qū)和清徐縣含量明顯突出，遠(yuǎn)離太原市的陽(yáng)曲縣、古交市和婁煩縣含量相對(duì)較低。太原市是我國(guó)煤炭能源重化工基地，且有較長(zhǎng)的污灌歷史，工業(yè)三廢的排放和污水灌溉引起農(nóng)田土壤重金屬含Cd、Hg、Pb量增多[13-16]。太原市郊區(qū)交通運(yùn)輸比較發(fā)達(dá)，汽車尾氣排放、汽車輪胎磨損會(huì)產(chǎn)生大量含Hg、Pb等重金屬的有害氣體和粉塵，同時(shí)燃煤是太原市市區(qū)最主要的能耗方式，燃煤產(chǎn)生大量的含Hg和Pb的有害氣體和粉塵，這些物質(zhì)隨風(fēng)飄落進(jìn)入土壤中積累下來[27]。另一方面，晉源區(qū)、小店區(qū)和清徐縣主要種植蔬菜，有機(jī)肥和化肥施用量大，在土壤有機(jī)質(zhì)和全氮等養(yǎng)分量提高的同時(shí)，Cd、Hg和Pb等有害重金屬也被帶入土壤中[28-32]。因此，因子1除受自然因素影響外，主要受工業(yè)活動(dòng)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和燃煤等人為因素的影響。

因子2為元素As和Cr組成，As和Cr是成巖元素[33]，單項(xiàng)污染指數(shù)分別為1.12和1.19，接近于土壤背景值，說明As和Cr主要受成土母質(zhì)的影響，受人為因素影響較小。由土壤中5種重金屬的相關(guān)性和主成分分析得知，重金屬As與Pb、Hg不相關(guān)，而重金屬Hg和Pb是污水灌溉、燃煤排放、汽車尾氣排放等污染源的標(biāo)志性元素，因此重金屬As的來源與污水灌溉、燃煤排放和汽車尾氣等人為因素相關(guān)性較小，在區(qū)域中的變異性主要是由土壤母質(zhì)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)決定的。研究結(jié)果與劉勇等[15]的研究結(jié)果基本一致，As和Cr的污染來源除了土壤母質(zhì)外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)是其主要來源。因此，因子2主要受成土母質(zhì)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的影響。

3.2 太原市各縣區(qū)農(nóng)田土壤重金屬綜合評(píng)價(jià)

太原市農(nóng)田土壤內(nèi)梅羅綜合指數(shù)平均值為2.14，呈中度污染。晉源區(qū)農(nóng)田土壤呈重度污染，小店區(qū)、尖草坪區(qū)和清徐縣呈中度污染，陽(yáng)曲縣、婁煩縣和古交市呈輕度污染。研究結(jié)果與內(nèi)梅羅綜合指數(shù)圖基本一致，重度污染和中度污染的土壤主要分布在晉源區(qū)、小店區(qū)、尖草坪區(qū)、清徐縣北部區(qū)域；輕度污染的土壤主要分布在清徐縣東南部、陽(yáng)曲縣、婁煩縣和古交市。造成這種分布格局的原因包括：晉源區(qū)、小店區(qū)、尖草坪區(qū)、清徐縣北部離太原市城區(qū)較近，工業(yè)發(fā)達(dá)、人口密集，分布著太原鋼鐵廠、太鋼污水處理廠、山西化工廠、山西針織廠和山西毛紡廠等能源化工企業(yè)[13-16]，工業(yè)排放的三廢、燃煤和交通運(yùn)輸、生活垃圾、污水灌溉及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)等原因引起土壤重金屬Hg、Pb、Cd等量明顯增加，使得該區(qū)域土壤重金屬內(nèi)梅羅綜合指數(shù)達(dá)到很高的污染水平。其中，晉源區(qū)污染最重，大部分區(qū)域達(dá)到重度污染水平，Hg的單項(xiàng)污染指數(shù)均值為5.31，是主要的污染因子，該結(jié)果與解文艷等[16]研究結(jié)果基本一致，主要是因?yàn)樵搮^(qū)域分布多家化工廠、造紙廠、熱電廠等能源化工企業(yè)，土壤污染比較嚴(yán)重。清徐縣東南部、陽(yáng)曲縣、古交市和婁煩縣遠(yuǎn)離太原市城區(qū)，主要種植大田作物，重金屬污染主要受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的影響，除與城區(qū)相鄰的地區(qū)呈中度污染水平，大部分地區(qū)都呈輕度污染水平。

晉源區(qū)、小店區(qū)和清徐縣是太原市最大的污灌區(qū)，內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評(píng)價(jià)農(nóng)田土壤重金屬污染狀況表明晉源區(qū)為重度污染，小店區(qū)和清徐縣為中度污染，與解文艷等[16]研究結(jié)果基本一致；但是Hg和Pb的單項(xiàng)污染指數(shù)升高，Cd、Cr和As的單項(xiàng)污染指數(shù)下降，這可能是近10年來太原市加強(qiáng)環(huán)境治理和污水處理，嚴(yán)格控制工業(yè)三廢的排放和污水灌溉，使土壤中含Cd、Cr和As量得到控制，使其單項(xiàng)污染指數(shù)降低；而隨著交通運(yùn)輸業(yè)的不斷發(fā)展及汽車擁有量的增加，汽車尾氣排放、汽車輪胎磨損產(chǎn)生了大量含Hg和Pb等重金屬的有害氣體和粉塵，同時(shí)燃煤也可產(chǎn)生大量含Hg有害氣體和粉塵，這些物質(zhì)隨風(fēng)飄落進(jìn)入土壤并積累下來，引起土壤中重金屬Hg和Pb量增加。

4 結(jié)論

1）太原市農(nóng)田土壤中Cr、Pb、Cd、Hg、As量均低于綠色食品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，但各種重金屬平均值均顯著高于太原市“七五”普查背景值，說明隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，Cr、Pb、Cd、Hg、As從環(huán)境進(jìn)入土體并累積；其中Hg和Pb是主要污染元素，主要來源于工業(yè)活動(dòng)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和燃煤等人為活動(dòng)。

2）太原市農(nóng)田土壤總體為中度污染，縣域間土壤污染程度差異較大。在工業(yè)發(fā)達(dá)和人口密集的城郊晉源區(qū)、小店區(qū)、尖草坪區(qū)和清徐縣，農(nóng)田土壤為重度污染和中度污染，遠(yuǎn)離太原市市區(qū)的陽(yáng)曲縣、古交市和婁煩縣農(nóng)田土壤為輕度污染。

因此，今后工作中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)太原市城郊晉源區(qū)、小店區(qū)、尖草坪區(qū)和清徐縣等4個(gè)區(qū)縣農(nóng)田土壤重金屬進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，尤其是Hg和Pb，以確保土壤健康和可持續(xù)利用。

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Pollution Assessment and Spatial Distribution of Heavy Metals in the Farmland Soils of Taiyuan City

HUA Xiaozan, CHENG Bin*, ZHAO Ruifen, HUO Xiaolan, WANG Zhao, WANG Sen

(College of Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Taiyuan 030031, China)

【】Heavy metal pollution is an important source of soil pollution. At present, the research mainly focuses on the urban area and the sewage irrigation area soil, but the heavy metal pollution and the spatial distribution of the whole farmland soil in Taiyuan have not been reported. The objective of present study was to describe the present situation, pollution sources and spatial distributions of heavy metals in the farmland soil of Taiyuan city. This work will be helpful for pollution control and agricultural production. 【】The concentrations of Cr, Cd, Pb, Hg and As in the 214 farmland soils of Taiyuan city were determined. The pollution level of soil heavy metal elements was evaluated using single factor index method and nemerow comprehensive index method. The spatial distribution map of heavy metals was drew using ArcGIS 10.3 and the correlation analysis was done by SPSS 16.0 to reveal the pollution sources of heavy metals in soils. 【】①The concentrations distribution of heavy metals in farmland soils was quite different. The average content of Cr, Cd, As, Hg and Pb in soil was 68.38, 0.121, 8.59, 0.08 and 24.23 mg/kg, respectively. These contents were significantly higher than the corresponding background values of soil in Taiyuan, although they did not exceed the environmental quality standard of the green food producing area. ②The Single Pollution Index was shown as Hg(2.36)>Pb(1.76)>Cd(1.57)>Cr(1.19)>As(1.12). The contaminations of Hg, Pb and Cd mainly originated from industrial production, sewage irrigation, coal burning, application of pesticide and chemical fertilizer and transportation. On the other hand, the pollution of As and Cr were mainly associated with soil parent material and agricultural activities. ③The Nemerow index of Taiyuan farmland soil was 2.14, indicating the moderate pollution. The Nemerow index of farmland soil was 4.17 in Jinyuan district, 2.98 in Xiaodian district, 2.13 in Jiancaoping district, 2.07 in Qingxu county, 1.71 in Yangqu county, 1.67 in Loufan county and 1.57 in Gujiao county. The spatial distribution map of heavy metals and pollution status could be visualized, showing moderately and severely polluted in the suburb soils of Taiyuan city(especially in Jinyuan and Xiaodian districts), and slightly polluted in the countries far from Taiyuan city. 【】 We conclude that the farmland soils of Taiyuan city were moderately polluted, and Hg and Pb were the main contaminants. The more serious heavy metal pollution was located in the suburbs of Taiyuan city (i.e., Jinyuan, Xiaodian, Jiancaoping and Qingxu). We recommend that it is necessary to strengthen monitoring Hg and Pb in soils in these heavily polluted areas to ensure the soil health and agriculture sustainability.

Taiyuan; arable land soil; heavy metals; pollution envaluation; spatial distribution

X53

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020540

1672 - 3317（2021）03 - 0101 - 09

滑小贊, 程濱, 趙瑞芬, 等. 太原市農(nóng)田土壤重金屬污染評(píng)價(jià)與空間分布特征[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2021, 40(3): 101-109.

HUA Xiaozan, CHENG Bin, ZHAO Ruifen, et al. Pollution Assessment and Spatial Distribution of Heavy Metals in the Farmland Soils of Taiyuan City[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(3): 101-109.

2020-09-27

山西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（201803D31209-1）；山西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（201603D21110-1）；山西省青年科技研究基金項(xiàng)目（201601D202071）

滑小贊（1982-），女。副研究員，主要從事土壤重金屬污染修復(fù)研究。E-mail: 1875501@qq.com

程濱（1963-），女。研究員，主要從事植物營(yíng)養(yǎng)與土壤污染修復(fù)研究。E-mail: chengbin0709@163.com

責(zé)任編輯：白芳芳