川西北某鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)用地土壤重金屬污染評價

李靜文 高程 賀玉龍 王亞婷

摘要 基于2017年四川西北某鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量評價報告，對土壤8種重金屬進行了相關(guān)性分析和主成分分析，采用目前應(yīng)用廣泛的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法和潛在生態(tài)指數(shù)風(fēng)險指數(shù)法進行了農(nóng)用地土壤重金屬污染評價。結(jié)果表明：土壤中Ni、Cu、Zn、Cd、As這5種元素具有同源關(guān)系，Pb、Cr、Hg這3種元素也具有同源關(guān)系;8種重金屬元素單因子污染指數(shù)依次為Cd>Cu>Cr>Zn>As>Ni>Pb>Hg，Cd污染最為嚴(yán)重，為中度污染，整個調(diào)查區(qū)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)平均值為1.99，屬輕度污染;潛在生態(tài)危害指數(shù)法依次為Cd>Hg>As>Cu>Ni>Pb>Cr>Zn，Cd存在極高等潛在風(fēng)險，Hg也存在中高等潛在風(fēng)險，其他重金屬元素為低潛在生態(tài)風(fēng)險，綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)均值596.98，存在中高等潛在風(fēng)險。

關(guān)鍵詞 農(nóng)田土壤;重金屬;污染評價

中圖分類號 X 825? 文獻標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）23-0097-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.23.026

Evaluation of Heavy Metal Pollution in Agricultural Land of a Township in Northwest Sichuan

LI Jing-wen1，GAO Cheng2，HE Yu-long3 et al

（1.Chengdu Research Institute of Environmental Protection， Chengdu，Sichuan? 610072;2.Science and Technology Consulting Co.， Ltd. of Sichuan Academy of Environmental Sciences， Chengdu，Sichuan 610041;3. Faculty of Geoscience and Environmental Engineering， Southwest Jiaotong University，Chengdu，Sichuan 611756）

Abstract Based on the evaluation report of soil environmental quality of agricultural land in a town of northwestern Sichuan in 2017， the correlation analysis and principal component analysis of eight heavy metals in the soil were carried out. The Nemero comprehensive index method and the potential ecological index risk index were widely used. The law carried out the evaluation of heavy metal pollution in agricultural land. The results showed that the five elements Ni， Cu， Zn， Cd and As had homology， and the three elements Pb， Cr and Hg also had homology. The single factor pollution index of eight heavy metal elements was Cd>Cu>Cr>Zn>As>Ni>Pb>Hg， and Cd pollution was the most serious to moderate pollution. The average Mero comprehensive pollution index in the survey area was 1.99 mild pollution. The potential ecological hazard index method was： Cd>Hg>As>Cu>Ni>Pb>Cr>Zn， Cd has extremely high potential risks， Hg also has medium and high potential risks， other heavy metal elements are low potential ecological risks. The comprehensive potential average ecological risk index is 596.98， and there is a potential risk in the medium and high.

Key words Agricultural land soil;Heavy metal;Pollution assessment

作者簡介 李靜文（1993—），女，四川南充人，助理工程師，碩士，從事土壤污染及防治研究。通信作者，高級工程師，博士，從事土壤污染防治研究。

收稿日期 2021-03-11

土壤是生態(tài)系統(tǒng)中重要組成部分[1]，土壤重金屬狀況會直接影響農(nóng)作物的質(zhì)量。土壤中有兩種主要的重金屬來源：一是來自地質(zhì)背景，主要是由于成土母質(zhì)本身重金屬含量高，導(dǎo)致土壤中重金屬富集;二是來源于人為活動，主要是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)和城市生活造成的污染[2]。近年來石油開采、金屬冶煉、交通運輸?shù)刃袠I(yè)越來越多涉及重金屬和有機物，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的化肥、農(nóng)膜以及農(nóng)藥使用率高，回收率低也造成農(nóng)用地土壤污染，尤其Cd、Hg、Pb等有毒有害重金屬可能被農(nóng)作物吸收，難以被生物降解，通過生物累積效應(yīng)在人體中累積，嚴(yán)重危害人體健康[3]，是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點。《土壤污染防治行動計劃》以及土壤污染詳查等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中更是明確指出要重點監(jiān)測土壤中的Cd、Hg、Pb、Cr、As等重金屬污染。此次調(diào)查區(qū)日常土壤環(huán)境監(jiān)測重金屬含量偏高，對該地區(qū)農(nóng)用地重金屬進行污染調(diào)查及評價，可摸清區(qū)域重金屬污染特征、主要來源及生態(tài)風(fēng)險等級，對保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和維護人體健康具有重要意義[4]。

1 調(diào)查區(qū)概況

調(diào)查區(qū)位于四川盆地西北部，分布于R河周圍，周邊農(nóng)用地主要以地表水R河灌溉為主，距離R河較遠的區(qū)域以地下水灌溉為主。調(diào)查區(qū)周邊的工礦企業(yè)也主要沿R河分布，大多為化工企業(yè)，少數(shù)為化肥廠、飼料廠、制革廠等。根據(jù)周邊環(huán)境特點初步分析調(diào)查區(qū)潛在的污染源可能有灌溉水、大氣沉降物、肥料等。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與分析

調(diào)查區(qū)面積共29.307 131 km2，運用Google Earth、ArcGIS等軟件采用200 m×200 m網(wǎng)格法布點，采樣深度為土壤表層0～20 cm，共計布設(shè)351個點位在采樣單元格內(nèi)根據(jù)五點梅花法進行取樣。土壤全量銅、鉛、鋅、鎘、鉻、鎳測量采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）;全量砷和汞測量采用微波消解/原子熒光法[5]。

2.2 評價方法

2.2.1 內(nèi)梅羅污染綜合指數(shù)法。

內(nèi)梅羅污染綜合指數(shù)法根據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量評價和污染評價，評價土壤受多種污染物污染綜合效應(yīng)的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，常以土壤中各污染物的污染指數(shù)的疊加作為土壤污染綜合指數(shù)。該研究采用綜合指數(shù)法對土壤進行環(huán)境質(zhì)量評價，該評價方法不僅可以全面反映各種污染物對土壤環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生的影響，還特別考慮了對土壤環(huán)境影響最嚴(yán)重的因子，另外在加權(quán)過程中盡量客觀，避免主觀因素對評價結(jié)果造成影響，所以在單因子指數(shù)評價基礎(chǔ)上采用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法。依據(jù)GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》中的農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值，可得出超標(biāo)元素種類及其超標(biāo)程度。

先按照調(diào)查區(qū)土壤環(huán)境中的各污染物的實測數(shù)據(jù)分別算出各因子的分指數(shù)，再通過分指數(shù)計算調(diào)查區(qū)土壤各因子污染指數(shù)的平均值和最大污染指數(shù)，最后計算內(nèi)梅羅污染綜合指數(shù)，根據(jù)土壤綜合污染分級標(biāo)準(zhǔn)可得出土壤污染等級。

2.2.2 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法。

Hakanson在20世紀(jì)90年代發(fā)表了潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法，該方法能夠有效反映不同區(qū)域多種因素對生態(tài)風(fēng)險的影響包括土壤重金屬對生態(tài)環(huán)境可能造成的潛在風(fēng)險應(yīng)用較為廣泛[6-7]。其計算公式為：

Eir=Tir×CiCoi（1）

RI=Eri（2）

式中，Eir代表元素r的單項潛在生態(tài)危害指數(shù);RI為多種重金屬綜合潛在生態(tài)危害指數(shù);Tir為單一重金屬元素的毒性響應(yīng)系數(shù)。該研究涉及的重金屬毒性系數(shù)[8]如表1所示。Ci為土壤重金屬i的實測含量（mg/kg）;Coi為重金屬i的參比值（mg/kg），采用四川省土壤背景值。

3 結(jié)果與討論

3.1 研究區(qū)農(nóng)用地土壤重金屬污染分布特征

研究區(qū)土壤重金屬含量見表2，變異系數(shù)（%）是標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值，可以用來表征數(shù)據(jù)的離散程度，小于10%時為弱變異，10%～90%為中等程度變異，大于90%為高程度變異[9]。從表2可看出，所有元素都有不同程度變異，Hg和Cd的變異系數(shù)相對較高，說明Hg和Cd分布不均勻，存在人類活動產(chǎn)生的異常值[10]。

3.2 重金屬含量相關(guān)性分析和主成分分析

同一來源的元素之間存在相關(guān)性，因此，可以利用元素之間的相關(guān)性來反映各個元素之間的同源關(guān)系或關(guān)聯(lián)情況[11]，相關(guān)性分析結(jié)果見表3。

由表3可知，土壤中Ni、Cu、Zn、Cd、As含量之間呈極顯著正相關(guān)，表明這5種元素具有同源關(guān)系或者它們的污染源之間具有一定的關(guān)聯(lián)性;Pb、Cr、Hg含量之間也存在極顯著正相關(guān)，表明它們具有相似的污染途徑和來源[12]。

因子分析法中，KMO和Bartlett檢驗表明各重金屬之間具有較強的相關(guān)性，該研究取樣的KMO值為0.794，Bartlett球形度檢驗P值<0.001，說明這8種重金屬的數(shù)據(jù)十分適合做因子分析[13]。

由表4因子分析的總方差解釋，該研究的總變量適合由2個主成分因子來解釋，2個主成分因子可解釋總變量的66.570%，因子1解釋總方差的46.089%，因子2 解釋總方差的20.481%。

因子載荷矩陣見表5，可看出Ni、Cu、Zn、Cd、As主要受因子1影響;Hg、Pb、Cr主要受因子2影響。這再次解釋了元素含量之間具有相關(guān)性，來源可能相似。

3.3 內(nèi)梅羅污染綜合指數(shù)法評價結(jié)果

調(diào)查區(qū)8種重金屬含量的單因子污染指數(shù)如表6所示。

按照單因子污染指數(shù)平均值大小排序，8種重金屬依次為Cd>Cu>Cr>Zn>As>Ni>Pb>Hg，可觀察出區(qū)域內(nèi)Cd污染最為嚴(yán)重，為中度污染。

調(diào)查區(qū)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價結(jié)果如表7所示[14]。

由表7可知，僅10.56%的點位不存在重金屬污染，48.71%的點位輕度污染，28.77%的點位中度污染，11.96%的點位重度污染;整個調(diào)查區(qū)P綜平均值為1.99，屬輕度污染，造成污染的主要元素為Cd與Cu。利用ArcGIS克里金插值法得到土壤重金屬內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)空間分布圖，由圖2可看出污染嚴(yán)重的點位主要集中于R河的北側(cè)，需要對此區(qū)域污染源進行詳細調(diào)查。

3.4 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法評價結(jié)果

由公式（3）算出調(diào)查區(qū)土壤8種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)，平均潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)大小排序為Cd>Hg>As>Cu>Ni>Pb>Cr>Zn。潛在生態(tài)危害指數(shù)法引入了毒性因子，使評價更側(cè)重于污染物的潛在毒害效應(yīng)，根據(jù)評價結(jié)果（表8、9）[12]，Cd存在極高等潛在風(fēng)險，Hg也存在中高等潛在風(fēng)險，其他重金屬元素為低潛在生態(tài)風(fēng)險。

調(diào)查區(qū)綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)（RI）范圍為176.63～1 282.47，均值596.98，根據(jù)潛在生態(tài)風(fēng)險程度分級標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)查區(qū)土壤環(huán)境存在中高等潛在風(fēng)險。

利用ArcGIS對調(diào)查區(qū)土壤的潛在生態(tài)風(fēng)險進行插值分區(qū)，由圖3可看出R河的南部土壤潛在生態(tài)風(fēng)險嚴(yán)重，需要對此區(qū)域污染源進行詳細調(diào)查。

4 結(jié)論

（1）調(diào)查區(qū)農(nóng)用地土壤主成分1中Ni、Cu、Zn、Cd、As的載荷系數(shù)較大，具有同源關(guān)系，Cd元素外部來源主要來自大氣沉降和化肥;主成分2中Hg、Pb、Cr的載荷系數(shù)較大，這3種元素有相同自然源輸入。

（2）調(diào)查區(qū)農(nóng)用地土壤中各重金屬的單因子污染指數(shù)平均值排序為Cd>Cu>Cr>Zn>As>Ni>Pb>Hg，其中Cd污染最為嚴(yán)重，其他均為輕度污染。整個調(diào)查區(qū)90%的點位存在土壤重金屬綜合污染。整個調(diào)查區(qū)P綜平均值為1.99，屬輕度污染，這是基于多種重金屬濃度綜合考量的結(jié)果其中某些污染較重的金屬可能被平均，從而削弱了其實際的污染水平。

（3）調(diào)查區(qū)重金屬對土壤的潛在危害程度依次為Cd>Hg>As>Cu>Ni>Pb>Cr>Zn。Cd存在極高等潛在風(fēng)險，Hg存在中高等潛在風(fēng)險。整個調(diào)查區(qū)RI值為596.98，存在中高等潛在風(fēng)險。

（4）綜合兩種評價方法，調(diào)查區(qū)農(nóng)用地土壤中Cd的污染程度和潛在危害程度相對都比較高; Hg雖然污染程度較低但其毒性帶來的潛在危害比較嚴(yán)重。且兩種評價方法得出污染分布區(qū)域與潛在污染區(qū)域有差異，說明污染現(xiàn)狀不明顯的區(qū)域極有可能存在污染風(fēng)險，需同時加強調(diào)查區(qū)北部農(nóng)用地土壤污染治理和南部土壤污染風(fēng)險管控。

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