山東省沂源縣土壤重金屬來(lái)源分布及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

徐夕博，呂建樹,2※，徐汝汝

（1. 山東師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，濟(jì)南 250358；2. 華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062）

0 引 言

土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的組成部分，是各類生命活動(dòng)進(jìn)行的重要媒介。重金屬具有廣泛的生物毒性、不可降解性及在生物體中的累積性，易在土壤中產(chǎn)生富集，人類活動(dòng)排放大量的重金屬及導(dǎo)致重金屬的二次污染，使日益嚴(yán)重的土壤污染問(wèn)題成為亟待解決的重要環(huán)境課題[1-2]。目前來(lái)看，盡管土壤對(duì)污染物具有一定的自我容納能力，但人類不合理的生產(chǎn)活動(dòng)，導(dǎo)致過(guò)量重金屬進(jìn)入生物圈參與到地球物理循環(huán)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)惡化，進(jìn)而威脅人類身體健康[3-4]。因此，研究土壤中重金屬來(lái)源、空間分布特征及對(duì)環(huán)境的潛在危害程度為調(diào)控治理土壤污染提供參考和理論依據(jù)，同時(shí)也對(duì)優(yōu)化人類生存環(huán)境具有重要意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)于土壤重金屬污染的研究從重要工業(yè)城市開始向城市周邊區(qū)域擴(kuò)展，Qing等[5]對(duì)土壤重金屬污染的研究集中在大型工業(yè)城市，其他相關(guān)學(xué)者的研究[6-9]則開始延伸到主要工廠、菜地、道路和公園。環(huán)境保護(hù)部與國(guó)土資源部2014年在《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》中指出全國(guó) 19.4%的農(nóng)用耕地受到重金屬的污染[10]，與身體健康密切相關(guān)農(nóng)業(yè)土壤的重金屬污染調(diào)查評(píng)價(jià)更應(yīng)當(dāng)引起人們的重視。山地丘陵區(qū)具有工業(yè)開發(fā)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)雙重功能，因其遠(yuǎn)離人類聚居區(qū)，更容易忽視帶來(lái)的土壤重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)，所以有必要對(duì)山地丘陵區(qū)的農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染狀況進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管控。土壤重金屬來(lái)源辨識(shí)是農(nóng)業(yè)土壤污染治理和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的重要課題之一，土壤重金屬的來(lái)源極其復(fù)雜，且是人為和自然的共同作用的結(jié)果。研究過(guò)程中通常采用多元統(tǒng)計(jì)分析（主成分分析和相關(guān)分析結(jié)合）[11]，用綜合性指標(biāo)替代多種相關(guān)數(shù)據(jù)作為特征值進(jìn)行判識(shí)，二者既可獨(dú)立分析又可相互驗(yàn)證提高準(zhǔn)確度；此外，基于地統(tǒng)計(jì)的空間分析技術(shù)繪制土壤重金屬污染分布圖[12]，可以有效識(shí)別土壤污染的熱點(diǎn)區(qū)和冷點(diǎn)區(qū)，與多元統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合可以進(jìn)一步深入對(duì)土壤重金屬的來(lái)源進(jìn)行判識(shí)；Hakanson等引入毒性響應(yīng)系數(shù)，將重金屬生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)與毒理學(xué)聯(lián)系起來(lái)，建立沉積物重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)，直觀的展示重金屬對(duì)生態(tài)環(huán)境的脅迫程度[13-15]。

沂源縣是山東省農(nóng)業(yè)為典型特色的山區(qū)縣域城市，農(nóng)業(yè)人口占到78.4%[16]，具備以農(nóng)業(yè)種植為主導(dǎo)、礦產(chǎn)資源開發(fā)加工為輔的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，是全國(guó)果品百?gòu)?qiáng)縣和全國(guó)重要蔬菜基地。農(nóng)業(yè)種植規(guī)模擴(kuò)大及工業(yè)生產(chǎn)快速發(fā)展必然會(huì)對(duì)土壤帶來(lái)一定的重金屬污染，而目前針對(duì)山東省內(nèi)的土壤重金屬污染研究多集中在工業(yè)城市[15,17-18]，所以有必要對(duì)以農(nóng)業(yè)為主縣域城市土壤進(jìn)行重金屬污染調(diào)查與分析評(píng)價(jià)。在區(qū)域內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)采樣并分析測(cè)試了As、Cd、Co、Cr、Cu、Ni、Pb、Hg、Zn和 Mn 共 10 種重金屬；利用多元統(tǒng)計(jì)分析（主成分分析和單因子方差分析）判別重金屬的來(lái)源，采用地統(tǒng)計(jì)方法模擬重金屬的空間分布特征；最后對(duì)重金屬進(jìn)行潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)，以期為保障土壤環(huán)境安全提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

沂源縣地處魯中山區(qū)腹地，隸屬于山東省淄博市，地理坐標(biāo)介于 117°53′47.3″E～118°30′55.8″E、36°23′28.7″N～35°55′27.9″N，南北長(zhǎng)約 50.8 km，東西寬約55.7 km，總面積1 636 km2，人口數(shù)53萬(wàn)（圖1）。氣候上屬大陸性暖溫帶季風(fēng)氣候，平均氣溫 12.2 ℃，多年平均降水量1 500 mm左右。地貌類型為山地丘陵為主，總地勢(shì)西北高、東南低，基底為泰山群古老變質(zhì)巖系，成土母質(zhì)主要以石灰?guī)r、花崗巖和坡積物為主。研究區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)農(nóng)業(yè)種植為主，工業(yè)企業(yè)集中在中部縣城工業(yè)園附近，形成了以多家上市企業(yè)為核心的醫(yī)藥、材料和高分子產(chǎn)業(yè)集群，此外區(qū)域內(nèi)零星分布有一定規(guī)模的煤礦化工、礦石生產(chǎn)加工企業(yè)。

圖1 研究區(qū)及采樣點(diǎn)示意圖Fig.1 Location of soil sampling sites in study area

1.2 樣品采集與分析方法

結(jié)合研究區(qū)土地利用圖、土壤類型圖和地質(zhì)圖，按照可通達(dá)性、典型代表原則并排除人為因素干擾，利用ArcGIS 10.1軟件在數(shù)字底圖上按照規(guī)則網(wǎng)格（2 km×2 km）進(jìn)行采樣點(diǎn)的布設(shè)，在2012年8月共獲取到427個(gè)采樣點(diǎn)；在采樣點(diǎn)周圍利用多點(diǎn)采樣法將采集到0～20 cm表層土壤樣品等量混合至1 kg后裝入聚乙烯密封袋內(nèi)，并用GPS記錄實(shí)際坐標(biāo)。土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干、研磨、過(guò)100目（0.25 mm）篩后，繼續(xù)用瑪瑙研缽磨細(xì)，使之全部通過(guò)0.074 mm孔徑篩，并經(jīng)過(guò)HNO3-HCl-HF-HClO4法消煮后，供10種重金屬項(xiàng)目測(cè)定；其中Cr、Cu、Ni、Pb、Zn采用等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-OES）測(cè)定，Cd、Co和Mn采用石墨爐原子吸收分光光度法（GF-AAS）測(cè)定，AS和Hg采用原子熒光光譜法（HG-AFS）測(cè)定。分析方法的準(zhǔn)確度和精密度采用國(guó)家一級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW系列）進(jìn)行檢驗(yàn)，并按比例隨機(jī)檢查和異常點(diǎn)檢查進(jìn)行嚴(yán)格的樣品質(zhì)量監(jiān)控，測(cè)試結(jié)果符合監(jiān)控要求[15,19]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 多元統(tǒng)計(jì)與地統(tǒng)計(jì)分析

將實(shí)驗(yàn)室獲得的 As、Cd、Co、Cr、Cu、Hg、Mn、Ni、Pb和Zn共 10種重金屬含量值在SPSS 19.0中進(jìn)行均值、中值、范圍、標(biāo)準(zhǔn)差、峰度、偏度和變異系數(shù)等基本統(tǒng)計(jì)特征分析；在對(duì)重金屬空間分布插值時(shí)，GS+9.0軟件求出變異函數(shù)，擬合出最優(yōu)插值模型參數(shù)，在ArcGIS10.1地統(tǒng)計(jì)模塊中進(jìn)行克里格插值繪制出土壤重金屬空間分布格局。

1.3.2 重金屬污染評(píng)價(jià)

潛在生態(tài)危害指數(shù)法由瑞典科學(xué)家 Hakanson[13]提出，以沉積學(xué)為基礎(chǔ)結(jié)合重金屬的的性質(zhì)，按照沉積轉(zhuǎn)換規(guī)律所建立的土壤或沉積物的重金屬評(píng)價(jià)模型?？紤]研究區(qū)污染物毒性和重金屬元素背景值差異，以及各種評(píng)價(jià)方法的敏感程度，潛在生態(tài)危害指數(shù)法更為適合對(duì)本研究?jī)?nèi)土壤重金屬污染評(píng)價(jià)。潛在生態(tài)危害指數(shù)RI(risk index)計(jì)算過(guò)程如下：

式中 ic為重金屬含量實(shí)測(cè)值，mg/kg，參考值 iB選用的是山東省東部地區(qū)土壤元素背景值， iT為單重金屬元素毒性響應(yīng)參數(shù)，反映重金屬對(duì)生態(tài)環(huán)境的脅迫強(qiáng)度，相關(guān)研究[19-20]得出，重金屬 Hg、Cd、As、Co、Cu、Ni、Pb、Cr、Mn和Zn的毒性響應(yīng)參數(shù)分別為40、30、10、5、5、5、5、2、1、1； Ei為單種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)危害指數(shù)，RI 為多種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)危害指數(shù)，等于各個(gè)重金屬的Ei總和[21]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬的描述性統(tǒng)計(jì)

表1可以得出，As、Cd、Co、Cr、Cu、Ni、Pb、Hg、Zn和 Mn 10種實(shí)測(cè)重金屬含量均值分別超出背景值44.13%、38.89%、39.27%、30.85%、72.65%、37.93%、43.15%、37.48%、51.02%和21.05%，但未高于國(guó)家二級(jí)限定標(biāo)準(zhǔn)；除As元素其余9種重金屬含量極大值均超過(guò)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限定值，說(shuō)明局部地區(qū)土壤可能受到強(qiáng)烈外來(lái)干擾或者是受土壤本底值影響；變異系數(shù)是統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)波動(dòng)特征的參數(shù)，其中Hg的變異系數(shù)達(dá)到125%，處于高度變異（CV>36%）[22]說(shuō)明該區(qū)域土壤重金屬可能存在較多異常值且受到了強(qiáng)烈外力擾動(dòng)；偏度反映了正態(tài)分布雙尾特征，峰度反映了樣本的集中程度，標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布偏度0，峰度3[23]，David等[24]認(rèn)為，自然界表層土壤中微量金屬元素的存在都是遵從正態(tài)分布，在母質(zhì)類型相同的土壤中金屬元素分布形態(tài)相同或者接近，但人類活動(dòng)會(huì)改變其分布狀態(tài)，人為干擾條件下As等10種重金屬偏度系數(shù)出現(xiàn)正值產(chǎn)生重金屬分布形態(tài)的正偏現(xiàn)象，這與對(duì)重金屬的變異系數(shù)的特征分析結(jié)果相一致。

2.2 主成分分析

主成分分析是將具有相關(guān)性的信息變量轉(zhuǎn)換為具有一定載荷值的線性不相關(guān)綜合變量，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)復(fù)雜體系中各分量的貢獻(xiàn)值，且載荷值反映了在該組綜合變量所代表的信息量，幫助判別土壤中重金屬的來(lái)源[1]。表2為旋轉(zhuǎn)后主成分載荷矩陣結(jié)果，前3個(gè)主成分特征值均大于1且累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)74.41%，能夠解釋10種重金屬含量數(shù)據(jù)的大部分信息，故選取前 3個(gè)主成分即可?？梢缘贸?，第一主成分（PC1）主要由As、Co、Cu和Mn組成，這5種金屬代表了第一主成分（PC1）的主要信息；PC2上Cd、Hg、Pb和Zn的載荷值均大于0.6，說(shuō)明了這些4種重金屬的共性信息集中在第二主成分上；Cr和Ni元素在PC3上載荷值均為0.97，反映PC3上的主要信息，根據(jù)主成分分析得出的結(jié)果可以進(jìn)一步深入分析重金屬來(lái)源[25]。

表2 土壤金屬元素因子載荷Table 2 Factors matrix of metal elements in soils

PC1的方差貢獻(xiàn)率為 36.81%，As、Co、Cu和 Mn金屬元素載荷值均大于0.7；沂源縣境內(nèi)成土母質(zhì)類型主要為石灰?guī)r，受石灰?guī)r土壤化學(xué)風(fēng)化過(guò)程影響，As、Co、Cu和Mn金屬元素會(huì)高于其他母質(zhì)類型中含量值[26-27]；Mn是重要的地球化學(xué)元素，是地殼組成成分[28]，大量存在于地表土壤中，Co的含量一般較低，常伴生在Mn等化合物中，在風(fēng)化巖石中具有較高豐度，Zhou等[29]在研究中將Co和Mn分到同一主成分，并分析得出來(lái)源于風(fēng)化巖石的結(jié)論；麥爾耶姆·亞森等[25]在對(duì)渭庫(kù)綠洲研究中將Cr和Cu歸為自然來(lái)源，主要受到地球化學(xué)成因控制；因此判斷PC1主要受到成土母質(zhì)的控制，As、Co、Cu和Mn元素在土壤中為自然來(lái)源。

PC2代表 Cd、Hg、Pb、Zn元素在土壤中的富集，占到解釋總方差的22.70%。以背景值為參照標(biāo)準(zhǔn)，Cd、Zn、Pb和 Hg元素含量均值分別超出背景值 38.89%、51.02%、43.15%和37.48%，但未超過(guò)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)警戒值。沂源具有發(fā)展工業(yè)生產(chǎn)的巨大潛力，魯村煤礦具備60萬(wàn)t的年產(chǎn)量，方解石礦探明開采為山東省最大，此外鐵、建筑用礦石開發(fā)是該區(qū)支柱產(chǎn)業(yè)，具有分布廣、儲(chǔ)量大和開發(fā)久的特點(diǎn)[30]；Cd、Pb和Zn這3種元素的重要來(lái)源主要為工業(yè)生產(chǎn)的三廢排放[15,31]；Hg的變異系數(shù)最大，對(duì)應(yīng)受外部擾動(dòng)也最大，Hg元素的聚集主要是通過(guò)燃煤、電廠和焦化廠等向大氣中排放，Hg在大氣中是一種很穩(wěn)定的元素，一定氣壓條件下可以在大氣中存在，主要通過(guò)大氣干沉降和濕沉降進(jìn)入土壤中[18,32-33]；土壤中Cd和Zn的含量與總磷的含量有一定的相關(guān)關(guān)系，并認(rèn)為化肥和農(nóng)藥的施用是 Cd和 Zn的主要來(lái)源之一[34]；此外 Zn和Cd是同族元素具有相似的化學(xué)特征，在以石灰?guī)r為主的母質(zhì)中含量較高，礦山開發(fā)和加工過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生聚集[15]；值得注意的是在華北地區(qū)動(dòng)物飼料添加劑中高含量Hg和Pb經(jīng)施用有機(jī)肥后在土壤中聚集[35]；煤炭燃燒的灰渣和汽車尾氣的排放（2000年之前為含鉛汽油）會(huì)產(chǎn)生Pb，且Pb在空氣經(jīng)風(fēng)力作用，沉積至土壤中產(chǎn)生富集[31,36]；此外，Zn、Hg、Pb、Cd通常受到工業(yè)活動(dòng)影響較大，但Kurun等[37]、Li等[38-39]在河流和山區(qū)等人類活動(dòng)較少區(qū)域研究時(shí)發(fā)現(xiàn)上述元素含量較高，故將其來(lái)源歸結(jié)為洪水和風(fēng)化巖石產(chǎn)物。綜上研究，將PC2歸為受到成土母質(zhì)和工農(nóng)業(yè)污染的雙重控制下的混合來(lái)源。

PC3占到解釋總方差的14.89%，元素載荷均為0.97，較高的載荷值反映了主成分 2上的主要信息。Cr和 Ni兩種元素在土壤中的聚集，同樣與成土母質(zhì)有較大關(guān)聯(lián)，Cr和Ni同為鐵族元素，具備親鐵特性，一般在土壤中具有較高相關(guān)性[1,32]；魯中地區(qū)玄武巖和基性片麻巖殘坡積母質(zhì)中Cr和Ni的含量高，經(jīng)過(guò)風(fēng)化作用沉積到土壤中致使重金屬濃度較高[40]；此外呂建樹 等[1]、Reza等[41]和雷凌明等[12]在研究中將Cr、Ni和Co分到同一個(gè)主成分內(nèi)，且來(lái)源于成土母質(zhì)故將PC3作為自然源因子。

2.3 重金屬在不同土地利用類型、土壤母質(zhì)含量差異

土地利用和土壤母質(zhì)是人類活動(dòng)和地質(zhì)背景相互作用下最具代表性的因素，分析兩者與重金屬含量之間的關(guān)系可以更加深入的探討重金屬來(lái)源[42]。沂源縣不同土地利用類型和成土母質(zhì)的土壤重金屬含量值如表3所示，研究區(qū)土壤母質(zhì)類型以石灰?guī)r和花崗巖為主，分別占到55.36%和40.52%，坡積物次之，僅占到總面積4.12%，但卻是城鎮(zhèn)工業(yè)活動(dòng)分布的集中區(qū)域；As、Cd、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn在石灰?guī)r中含量值明顯高于其他母質(zhì)，其次為花崗巖和坡積物背景土壤，含量差異顯著，受地球化學(xué)因素控制；Hg在3種母質(zhì)中的含量值基本一致，無(wú)顯著差異，但平均值均高于背景值。

沂源縣是一個(gè)以農(nóng)業(yè)為主的山區(qū)縣域城市，耕地面積所占比例約為67.92%，其次林地、草地、居民用地、水體和城鎮(zhèn)用地分別為15.07%、10.07%、3.67%、1.34%和1.93%；區(qū)域內(nèi)整體土地利用類型對(duì)土壤重金屬含量具有明顯的影響，其中Hg、Pb和Zn在城鎮(zhèn)建設(shè)用地含量差異最為顯著，分別超出背景值141.3%、74.1%和69.4%，在城鎮(zhèn)建設(shè)用地區(qū)土壤中重金屬含量的極大值分別為0.62、333.1和761.9 mg/kg，均已超過(guò)土壤質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限定值，說(shuō)明已受到工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的影響；Cd在耕地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地中含量值為0.15 mg/kg，略高于其他土地利用類型，但城鎮(zhèn)用地中Cd的標(biāo)準(zhǔn)差較大，說(shuō)明耕地中的Cd可能來(lái)源自面源農(nóng)業(yè)污染，而城鎮(zhèn)中的Cd受到工業(yè)點(diǎn)源排放主導(dǎo)；其他元素含量值在不同土地利用類型間變化范圍基本相同，土壤重金屬富集差異不明顯。

表3 不同土地利用類型和成土母質(zhì)的重金屬含量Table 3 Heavy metals contents in different land use types and parent material (mg·kg–1)

2.4 空間分布函數(shù)理論模型擬合

地統(tǒng)計(jì)分析是利用變異函數(shù)（variogram）對(duì)空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，探討環(huán)境地球特征的空間分布[43-44]。普通克里格是無(wú)偏預(yù)測(cè)，要求數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，插值前需進(jìn)行Kolmogorov-Smirnov正態(tài)性檢驗(yàn)[19,45]，對(duì)不符合正態(tài)分布單金屬元素經(jīng)對(duì)數(shù)變換后符合正態(tài)分布進(jìn)行普通克里格插值。

變異函數(shù)理論模型主要包括球狀（Spherical）和指數(shù)（Exponential）等模型，主要參數(shù)包括塊金常數(shù)（C0）、基臺(tái)值（C0+C）、決定系數(shù)（R2）和殘差（RSS）等。塊金常數(shù)和基臺(tái)值的比值（C0/C0+C）表示參數(shù)的空間自相關(guān)性，可以反映自然和人為因素的影響作用，決定系數(shù)（R2）表示理論模型的擬合精度。

由變異函數(shù)理論模型擬合的結(jié)果（表4）可知，Co、Cr、Hg、Mn、Ni、Pb和Zn的變異函數(shù)理論模型均符合指數(shù)模型，AS、Cd、Cu符合球狀模型。除Hg之外，所有元素的決定系數(shù)均大于0.607，而RSS均較小，說(shuō)明理論模型的選取基本符合要求。Hg的塊基比（C0/C0+C）大于 0.75，表明這些元素空間變異以隨機(jī)變量為主，說(shuō)明受到強(qiáng)烈的人為活動(dòng)的干擾；其余元素的塊基比介于0.25～0.75之間，受到人為干擾影響較小。

表4 土壤重金屬元素的變異函數(shù)理論模型及相關(guān)參數(shù)Table 4 Variograms fitting models of heavy metals in soils and related parameters

2.5 重金屬含量空間分布特征

圖 2是沂源縣土壤重金屬含量的空間分布，并依據(jù)等間距法[46]將重金屬含量值分為 6類；可以看出各元素含量值空間分異和主成分分析結(jié)果基本一致，可以相互驗(yàn)證，說(shuō)明克里格法用于重金屬環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的合理性[19]。

沂源縣土壤重金屬含量空間分布格局（圖2）總體上呈現(xiàn)中部區(qū)域環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別最高并向四周逐漸降低的趨勢(shì)，高值區(qū)自西北向東南帶狀分布，與成土母質(zhì)石灰?guī)r的分布大致相同，這也與主成分來(lái)源分析的結(jié)果相一致；沂源地形構(gòu)造復(fù)雜，主要以山地為主，地勢(shì)自西北向東南傾斜，成土母質(zhì)類型主要以石灰?guī)r為主，工業(yè)企業(yè)建立在中部河流洪沖擊區(qū)和山谷處；重金屬含量的高污染風(fēng)險(xiǎn)區(qū)位于縣城附近及礦產(chǎn)開發(fā)區(qū)區(qū)域，如Cd（圖2b）、Hg（圖 2f）、Pb（圖2i）和 Zn（圖 2j），這就建立和工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)與與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的高度相關(guān)性，但是人為干擾只影響到局部地區(qū)含量值升高，分布趨勢(shì)還是主要受到成土母質(zhì)的控制;土壤中As（圖2a）、Mn（圖2g）、Cu（圖2e）和Co（圖2c）含量主要高值呈現(xiàn)西北到東南帶狀分布，其他區(qū)域呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，這與成土母質(zhì)類型石灰?guī)r的分布規(guī)律非常接近，進(jìn)一步證實(shí)PC1的自然來(lái)源；Cr元素（圖2d）和Ni元素（圖2h）的空間分布整體比較均一，區(qū)域內(nèi)含分異性小，含量主要受到成土母質(zhì)的控制，與石灰?guī)r的分布相一致，綜上Cr和Ni為受到成土母質(zhì)控制的自然源因子；從沂源縣土壤重金屬含量環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)總體空間分布可以得出，元素含量值的空間分布特征與成土母質(zhì)分布格局基本一致，石灰?guī)r母質(zhì)風(fēng)化土壤決定了重金屬含量高值區(qū)的分布，其次為花崗巖和坡積物母質(zhì)，局部區(qū)域受人為污染影響形成面帶狀結(jié)合分布格局。

圖2 表層土壤重金屬含量空間分布Fig.2 Spatial distribution of heavy metals in topsoils

2.6 重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

潛在生態(tài)危害指數(shù)可以作為定量評(píng)價(jià)土壤重金屬污染程度的重要指標(biāo)[47]。根據(jù)式（1）和（3），結(jié)合土壤中重金屬實(shí)測(cè)濃度數(shù)據(jù)和背景參考值，參照相關(guān)毒性響應(yīng)指數(shù)[13,19]，得出沂源縣表層土壤中單個(gè)重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù) iE，并繪出重金屬綜合生態(tài)危害指數(shù)RI分布圖（圖3）。

圖3 土壤重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)分布Fig.3 Spatial distribution of potential ecological risk index of heavy metal in soils

相關(guān)研究表明[15]iE與 RI不同代表重金屬元素存在不同的生態(tài)危害： iE<40與RI<150時(shí)，存在輕微的生態(tài)危害，在40≤ iE<80與150≤RI<300時(shí)，存在中等生態(tài)危害，在 iE≥80時(shí)與RI≥300時(shí)，則存在強(qiáng)等級(jí)的生態(tài)危害。As、Cd、Co、Cr、Cu、Hg、Mn、Ni、Pb 和 Zn的潛在生態(tài)危害指數(shù)平均值分別為14.42、40.92、6.96、2.62、8.63、60.88、1.21、7.16、6.87 和 1.51，按照由高到低的順序?yàn)镠g > Cd > As > Cu > Ni > Co > Pb > Cr>Zn> Mn；表層土壤中潛在危害最大的重金屬是Hg，其在研究區(qū)有262個(gè)點(diǎn)（占全部樣點(diǎn)61.3%）存在中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；其次的重金屬元素是Cd，也達(dá)到中等潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)危害，整個(gè)區(qū)域內(nèi)共有12個(gè)點(diǎn)（占全部樣點(diǎn)3%） iE平均值超過(guò)80，達(dá)到強(qiáng)等級(jí)潛在風(fēng)險(xiǎn)危害；As、Co等其他8種重金屬 iE均未超過(guò)40，具有輕度的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，綜上，研究區(qū)內(nèi)單元素潛在生態(tài)危害處于中度等級(jí)，僅少部分地區(qū)表層土壤受到強(qiáng)等級(jí)的重金屬脅迫。

研究區(qū)內(nèi)RI值為151.18，整體處于中度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，其中約77.21%的表層土壤受到中度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)威脅，22.04%的區(qū)域處于輕微潛在生態(tài)危害，僅有約1%左右的區(qū)域處于強(qiáng)等級(jí)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；在單個(gè)元素中只有Cd和Hg處于中度潛在生態(tài)危害等級(jí)，兩者毒性水平較高，長(zhǎng)期累積對(duì)身體危害較大，值得重視；研究區(qū)重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)的高值區(qū)域集中在研究區(qū)中部縣城附近，并呈現(xiàn)中心向四周放射狀遞減的分布趨勢(shì)，故縣城附近及部分工業(yè)企業(yè)及應(yīng)作為環(huán)境治理工作的重點(diǎn)。

3 結(jié) 論

1）沂源縣 As、Cd、Co、Cr、Cu、Ni、Pb、Hg、Zn和 Mn元素含量平均值相對(duì)山東省東部地區(qū)背景土壤元素值分別超出44.13%、38.89%、39.27%、30.85%、72.65%、37.93%、43.15%、37.48%、51.02%和21.05%，但未超過(guò)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限定值（Co和Mn沒(méi)有參照除外），表層土壤中存在一定程度重金屬富集。

2）沂源縣土壤重金屬來(lái)源可分為3類：As、Co、Cu、Mn和主要受到成土母質(zhì)影響，屬于自然來(lái)源；Hg 、Cd、Zn和Pb主要受到成土母質(zhì)和工業(yè)生產(chǎn)的雙重控制，屬于混合來(lái)源；Ni和Cr主要來(lái)源于成土母質(zhì)，屬自然源因子。

3）沂源縣土壤重金屬含量空間分布總體上自西北向東南帶狀分布，與成土母質(zhì)的分布格局基本一致；但Cd、Hg、Pb和Zn受到工業(yè)生產(chǎn)影響高值區(qū)出現(xiàn)在中部縣城區(qū)，其余元素分布受成土母質(zhì)控制，與工業(yè)分布無(wú)關(guān)。

4）通過(guò)土壤重金屬潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)得出：總體上沂源縣表層土壤具有中度等級(jí)的潛在生態(tài)危害風(fēng)險(xiǎn)，10種重金屬的潛在生態(tài)危害風(fēng)險(xiǎn)排序?yàn)?Hg>Cd > As >Cu > Ni >Co > Pb > Cr> Zn> Mn，Hg和Cd的污染風(fēng)險(xiǎn)程度最高，具有中度等級(jí)的潛在生態(tài)危害，應(yīng)重點(diǎn)治理，其余研究區(qū)中部縣城區(qū)及部分工礦區(qū)為污染易發(fā)區(qū)域，應(yīng)重點(diǎn)防范。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1] 呂建樹，張祖陸，劉洋，等. 日照市土壤重金屬來(lái)源解析及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 地理學(xué)報(bào)，2012，67(7)：109－122.Lü Jianshu, Zhang Zulu, Liu Yang, et al. Sources identification and hazardous risk delineation of heavy metals contamination in Rizhao City[J]. Acta Geographica Sinica, 2012, 67(7):109－122. (in Chinese with English abstract)

[2] Karak T, Bora K, Paul R K, et al. Paradigm shift of contamination risk of six heavy metals in tea (Camellia sinensis, L.) growing soil: A new approach influenced by inorganic and organic amendments[J]. Journal of Hazardous Materials, 2017, 338: 250.

[3] Wilcke W, Müller S, Kanchanakool N, et al. Urban soil contamination in Bangkok: heavy metal and aluminium partitioning in topsoils[J]. Geoderma, 1998, 86(3/4): 211－228.

[4] Li X, Liu L, Wang Y, et al. Heavy metal contamination of urban soil in an old industrial city (Shenyang) in Northeast China[J]. Geoderma, 2013, 192(1): 50－58.

[5] Qing X, Yutong Z, Shenggao L. Assessment of heavy metal pollution and human health risk in urban soils of steel industrial city (Anshan), Liaoning, Northeast China[J].Ecotoxicology & Environmental Safety, 2015, 120: 377－385.

[6] 張連科，李海鵬，黃學(xué)敏，等. 包頭某鋁廠周邊土壤重金屬的空間分布及來(lái)源解析[J]. 環(huán)境科學(xué)，2016，37(3)：1139－1146.Zhang Lianke, Li Haipeng, Huang Xuemin, et al. Soil heavy metal spatial distribution and source analysis around an aluminum plant in baotou[J]. Environmental Science, 2016,37(3): 1139－1146. (in Chinese with English abstract)

[7] 索琳娜，劉寶存，趙同科，等. 北京市菜地土壤重金屬現(xiàn)狀分析與評(píng)價(jià)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(9)：179－186.Suo Linna, Liu Baocun, Zhao Tongke, et al. Evaluation and analysis of heavy metals in vegetable field of Beijing[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2016, 32(9): 179－186. (in Chinese with English abstract)

[8] 段海靜，蔡曉強(qiáng)，阮心玲，等. 開封市公園灰塵重金屬含量及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[J]. 地球與環(huán)境，2016，44(1)：89－95.Duan Haijing, Cai Xiaoqiang, Ruan Xinling, et al. Potential ecological risk of heavy metals in surface dusts from parks of Kaifeng City, China[J]. Earth and Environment, 2016, 44(1):89－95. (in Chinese with English abstract)

[9] 姚靜波，王明新，齊今笛，等. 高架道路周邊建筑物灰塵重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)：以常州市為例[J]. 環(huán)境科學(xué)，2017,38(5)：1807－1816.Yao Jingbo, Wang Mingxin, Qi Jindi, et al. Pollution risk of heavy metals in dust from the building along elevated road: A Case Study in Changzhou[J]. Environmental Science, 2017,38(5): 1807－1816. (in Chinese with English abstract)

[10] 陳能場(chǎng)，鄭煜基，何曉峰，等. 《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》探析[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2017，36(9)：1689－1692.Chen Nengchang, Zheng Yuji, He Xiaofeng, et al. Analysis of the Report on the national general survey of soil contamination[J]. Journal of Agro-Environment Science,2017, 36(9): 1689－1692. (in Chinese with English abstract)

[11] Esmaeili A, Moore F, Keshavarzi B, et al. A geochemical survey of heavy metals in agricultural and background soils of the Isfahan industrial zone, Iran[J]. Catena, 2014, 121(7):88－98.

[12] 雷凌明，喻大松，陳玉鵬，等. 陜西涇惠渠灌區(qū)土壤重金屬空間分布特征及來(lái)源[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(6)：88－96.Lei Lingming, Yu Dasong, Chen Yupeng, et al. Spatial distribution and sources of heavy metals in soils of Jinghui Irrigated Area of Shaanxi, China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2014, 30(6): 88－96. (in Chinese with English abstract)

[13] Hakanson L. An ecological risk index for aquatic pollution control.a sedimentological approach[J]. Water Research,1980, 14(8): 975－1001.

[14] Lv J, Zhang Z, Li S, et al. Assessing spatial distribution,sources, and potential ecological risk of heavy metals in surface sediments of the Nansi Lake, Eastern China[J].Journal of Radioanalytical & Nuclear Chemistry, 2014,299(3): 1671－1681.

[15] 戴彬，呂建樹，戰(zhàn)金成，等. 山東省典型工業(yè)城市土壤重金屬來(lái)源、空間分布及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 環(huán)境科學(xué)，2015(2)：507－515.Dai Bin, Lü Jianshu, Zhan Jincheng, et al. Assessment of sources,spacial distribution and ecological risk of heavy metals in soils in a typical Industry-based City of Shandong Province, Eastern China[J]. Environmental Science, 2015(2):507－515. (in Chinese with English abstract)

[16] 山東省統(tǒng)計(jì)局. 山東統(tǒng)計(jì)年鑒. 2010[M]. 北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2010.

[17] Lv J, Liu Y, Zhang Z, et al. Distinguishing anthropogenic and natural sources of trace elements in soils undergoing recent 10-year rapid urbanization: a case of Donggang, Eastern China[J]. Environmental Science & Pollution Research International, 2015, 22(14): 10539.

[18] Lv J, Liu Y, Zhang Z, et al. Factorial kriging and stepwise regression approach to identify environmental factors influencing spatial multi-scale variability of heavy metals in soils[J]. Journal of Hazardous Materials, 2013, 261(13):387－397.

[19] Liu Y, Ma Z, Lv J, et al. Identifying sources and hazardous risks of heavy metals in topsoils of rapidly urbanizing East China[J]. Journal of Geographical Sciences, 2016, 26(6):735－749.

[20] 郭笑笑，劉叢強(qiáng)，朱兆洲，等. 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，2011，30(5)：889－896.Guo Xiaoxiao, Liu Congqiang, Zhu Zhaozhou, et al. Evaluation methods for soil heavy metals contamination: A review[J].Chinese Journal of Ecology, 2011, 30(5): 889－896. (in Chinese with English abstract)

[21] 張雷，秦延文，鄭丙輝，等. 丹江口水庫(kù)遷建區(qū)土壤重金屬分布及污染評(píng)價(jià)[J]. 環(huán)境科學(xué)，2013，34(1)：108－115.Zhang Lei, Qin Yanwen, Zheng Binghui, et al. Distribution and pollution assessment of heavy metals in soil of relocation areas from the Danjiangkou Reservoir[J]. Environmental Science, 2013, 34(1): 108－115. (in Chinese with English abstract)

[22] Wilding L P. Spatial variability: Its documentation,accommodation and implication to soil survey[J]. Spatial Variations, 1985, 166－187.

[23] 寧茂岐，劉洪斌，武偉. 兩種取樣尺度下土壤重金屬空間變異特征研究[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2007，15(3)：86－91.Ning Maoqi, Liu Hongbin, Wu Wei. Determination of the characteristics of soil heavy metal spatial variability with two soil sampling scales[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture,2007, 15(3): 86－91. (in Chinese with English abstract)

[24] David McGrath, Chaosheng Zhang, Owen T. Carton,Geostatistical analyses and hazard assessment on soil lead in Silvermines area[J]. Ireland, Environmental Pollution, 2004,127(2): 239－248.

[25] 麥爾耶姆·亞森，買買提·沙吾提，尼格拉·塔什甫拉提，等.渭干河-庫(kù)車河綠洲土壤重金屬分布特征與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(20)：226－233.Maieryemu Yasen, Mamat Sawut, Nigela Taxipulati, et al.Distribution of heavy metal pollution and assessment of its potential ecological risks in Ugan-Kuqa River Delta of Xinjiang[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017,33(20): 226－233. (in Chinese with English abstract)

[26] 陳松，桂和榮，孫林華. 安徽宿州地區(qū)石灰?guī)r土壤地球化學(xué)特征[J]. 地球與環(huán)境，2012，40(4)：529－535.Chen Song, Gui Herong, Sun Linhua. Geochemical characteristics of limestone soil from Suzhou Area,Anhui Province[J]. Earth and Environment, 2012, 40(4): 529－535. (in Chinese with English abstract)

[27] 溫琰茂，曾水泉. 中國(guó)東部石灰?guī)r土壤元素含量分異規(guī)律研究[J]. 地理科學(xué)，1994，14(1)：16－21.Wen Yanmao, Zeng Shuiquan. Distributive tendenoy of element concentrations in soils derived from limestone in Eastern China[J]. Scientia Geographica Sinica, 1994, 14(1):16－21. (in Chinese with English abstract)

[28] 魯佳，方維萱. Fe，Mn元素在巖漿作用中的地球化學(xué)特征[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展，2012(增刊1)：50－51.Lu Jia, Fang Weixuan. The geochemical characteristics of the Fe and Mn elements in the magmatism[J]. Advances in Earth Science, 2012(Supp.1): 50－51. (in Chinese with English abstract)

[29] Zhou M, Liao B, Shu W, et al. Pollution assessment and potential sources of heavy metals in agricultural soils around Four Pb/Zn Mines of Shaoguan City, China[J]. Journal of Soil Contamination, 2015, 24(1): 76－89.

[30] 楊斌，羅文強(qiáng)，張尚坤，等. 沂源縣重喜官莊方解石礦地質(zhì)特征及成因[J]. 山東國(guó)土資源，2013(5)：10－14.Yang Bin, Luo Wenqiang, Zhang Shangkun, et al. Geological characteristics and origin of calcite deposit in Chongxiguanzhuang Mining Area in Yiyuan County[J].Land and resources in Shandong, 2013(5): 10－14. (in Chinese with English abstract)

[31] 邱孟龍，李芳柏，王琦，等. 工業(yè)發(fā)達(dá)城市區(qū)域耕地土壤重金屬時(shí)空變異與來(lái)源變化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2015，31(2)：298－305.Qiu Menglong, Li Fangbai, Wang Qi, et al. Spatio-temporal variation and source changes of heavy metals in cultivated soils in industrial developed urban areas[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(2): 298－305. (in Chinese with English abstract)

[32] Lv J, Liu Y, Zhang Z, et al. Identifying the origins and spatial distributions of heavy metals in soils of Ju country (Eastern China) using multivariate and geostatistical approach[J].Journal of Soils & Sediments, 2015, 15(1): 163－178.

[33] 阿爾祖娜·阿布力米提，王敬哲，王宏衛(wèi)，等. 新疆準(zhǔn)東礦區(qū)土壤與降塵重金屬空間分布及關(guān)聯(lián)性分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017(23)：259－266.Aerzuna Abulimiti, Wang Jingzhe, Wang Hongwei, et al.Spatial distribution analysis of heavy metals in soil and atmospheric dust fall and their relationships in Xinjiang Eastern Junggar mining area[J] Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017(23): 259－266. (in Chinese with English abstract)

[34] Chen T, Liu X, Zhu M, et al. Identification of trace element sources and associated risk assessment in vegetable soils of the urban-rural transitional area of Hangzhou, China.[J].Environmental Pollution, 2008, 151(1): 67－68.

[35] 王飛，趙立欣，沈玉君，等. 華北地區(qū)畜禽糞便有機(jī)肥中重金屬含量及溯源分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(19)：202－208.Wang Fei, Zhao Lixin, Shen Yujun, et al. Analysis of heavy metal contents and source tracing in organic fertilizer from livestock manure in North China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(19): 202－208. (in Chinese with English abstract)

[36] Batjargal T, Otgonjargal E, Kitae B, et al. Assessment of metals contamination of soils in Ulaanbaatar, Mongolia.[J].Journal of Hazardous Materials, 2010, 184(1/3): 872－876.

[37] Kurun A, Balkis N, Erkan M, et al. Total metal levels in crayfish Astacus leptodactylus (Eschscholtz, 1823), and surface sediments in Lake Terkos, Turkey[J]. Environmental Monitoring & Assessment, 2010, 169(1/4): 385－395.

[38] Li G, Liu G, Zhou C, et al. Spatial distribution and multiple sources of heavy metals in the water of Chaohu Lake, Anhui,China[J]. Environmental Monitoring & Assessment, 2012,184(5): 2763－2773.

[39] Zhaoyong Z, Abuduwaili J, Fengqing J. Heavy metal contamination, sources, and pollution assessment of surface water in the Tianshan Mountains of China[J]. Environmental Monitoring & Assessment, 2015, 187(2): 33.

[40] 王關(guān)玉，潘懋，劉錫大，等. 山東省土壤中元素含量與母質(zhì)的關(guān)系[J]. 北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1992，28(4)：475－485.Wang Guanyu, Pan Mao, Liu Xida, et al. On the relationship between the concentrations of elements in soil and types of soil-forming parent material in Shandong Province, China.Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis[J].1992, 28(4): 475－485. (in Chinese with English abstract)

[41] Reza S K, Baruah U, Singh S K, et al. Geostatistical and multivariate analysis of soil heavy metal contamination near coal mining area, Northeastern India[J]. Environmental Earth Sciences, 2015, 73(9): 5425－5433.

[42] 周萍，文安邦，史忠林，等. 三峽庫(kù)區(qū)不同土地利用土壤重金屬分布特征與污染評(píng)價(jià)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2017，48(7)：207－213.Zhou Ping, Wen Anbang, Shi Zhonglin, et al. Distribution characteristics and pollution evaluation of soil heavy metals of different land use type in three Gorges Reservoir in Region[J]. Transactions of The Chinese Society of Agricultural Machinery, 2017, 48(7): 207－213. (in Chinese with English abstract)

[43] Agterberg F P. Practical geostatistics[J]. Earth Science Reviews,1981, 16(4): 385－386.

[44] 趙科理，傅偉軍，葉正錢，等. 電子垃圾拆解區(qū)土壤重金屬空間異質(zhì)性及分布特征[J]. 環(huán)境科學(xué)，2016，37(8)：3151－3159.Zhao Keli, Fu Weijun, Ye Zhengqian, et al. Spatial variation of heavy metals in an E-waste dismantling area and their distribution charateristics[J]. Environmental Science, 2016,37(8): 3151－3159. (in Chinese with English abstract)

[45] Smith J L, Halvorson J J, Papendick R I. Using multiplevariable indicator kriging for evaluating soil quality[J]. Soil Science Society of America Journal, 1993, 57(3): 743－749.

[46] Qishlaqi A, Moore F, Forghani G. Characterization of metal pollution in soils under two landuse patterns in the Angouran region, NW Iran: A study based on multivariate data analysis[J]. Journal of Hazardous Materials, 2009, 172(1): 374.

[47] Li K, Gu Y, Li M, et al. Spatial analysis, source identification and risk assessment of heavy metals in a coal mining area in Henan, Central China[J]. International Biodeterioration &Biodegradation, 2017, 128: 148－154.