安徽省東南部江淮平原區(qū)農(nóng)業(yè)土壤的重金屬含量特征

蔣金柱 吳媛媛 蔣艷嬌

摘要 為了解安徽省東南部長(zhǎng)江北岸的江淮平原區(qū)土壤重金屬含量特征、污染程度及來(lái)源，采集研究區(qū)44個(gè)土壤樣品，測(cè)定Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb、As、Hg、Se含量，應(yīng)用單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)土壤的污染狀況，結(jié)合地累積指數(shù)法和相關(guān)性分析初步判斷重金屬來(lái)源。結(jié)果表明，Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb在土壤中有一定的積累，而As、Hg、Se 3種元素含量低于背景值，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害;單因子指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，Cr、Co、Ni、Cu、Cd屬于輕微污染，Zn、Pb、As、Hg、Se屬于清潔無(wú)污染;由地累積指數(shù)法和相關(guān)性分析可知，Ni、Cr、Cu 3種元素以人為污染源為主，Cr與Co、Ni、Cu、Zn之間，Co與Ni、Cu、Zn之間，Ni與Cu、Zn之間，Cu與Zn之間，Zn與Cd之間，Cd與Hg、Se之間，Pb與Se之間，Hg與Se之間同源性很強(qiáng)。

關(guān)鍵詞 重金屬;單因子指數(shù)法;地累積指數(shù)法;相關(guān)性分析

Abstract In order to find the characteristics of soil heavy metal content， pollution degree and sources in Jianghuai Plain on the north bank of Yangtze River in southeastern Anhui Province， fortyfour soil samples in the study area were collected and the contents of Cr， Co， Ni， Cu， Zn， Cd， Pb， As， Hg and Se were determined. The single factor index method was used to evaluate the pollution status of soil， combination with geoaccumulation index method and correlation analysis， the sources of heavy metals in soil were determined preliminarily. The results showed that Cr， Co， Ni， Cu， Zn， Cd and Pb accumulated in the soil to some extent， while the contents of As， Hg and Se were lower than the background values， which would not cause harm to the environment. The single factor index evaluation results showed that Cr， Co， Ni， Cu and Cd were minor pollution， while Zn， Pb， As， Hg and Se were clean and pollutionfree. Based on the geoaccumulation index method and correlation analysis， it can be seen that the three elements of Ni， Cr and Cu were mainly manmade pollution sources. There was a strong homology between Cr and Co， Ni， Cu， Zn， between Co and Ni， Cu， Zn， between Ni and Cu， Zn， between Cu and Zn， Zn， Cd， between Cd and Hg and Se， between Pb and Se， between Hg and Se.

Key words Heavy metal;Singlefactor exponential method;Geoaccumulation index method（GAI）;Correlation analysis

近年來(lái)，中國(guó)土壤重金屬污染事故頻發(fā)[1-2]。因土壤重金屬不可降解、具有生物累積性、移動(dòng)且具有毒性而對(duì)糧食安全、生態(tài)系統(tǒng)以及人類(lèi)安全造成了嚴(yán)重的威脅。其中，耕地土壤重金屬污染引起國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注[3-4]。當(dāng)前，中國(guó)對(duì)土壤重金屬污染研究多集中在工業(yè)區(qū)[5-6]、礦區(qū)[7-8]、城郊耕地[9]、交通道路[10]等，但對(duì)糧食主產(chǎn)區(qū)耕地土壤重金屬的研究較少。長(zhǎng)江中下游的江淮地區(qū)是中國(guó)農(nóng)業(yè)資源條件極為優(yōu)越的五大糧食主產(chǎn)區(qū)之一，但耕地的土壤重金屬污染情況直接威脅著中國(guó)的糧食安全和國(guó)民健康[11]。鑒于此，筆者以安徽省東南部長(zhǎng)江北岸的江淮平原區(qū)為研究對(duì)象，采用單因子指數(shù)法評(píng)估耕地土壤重金屬（Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb、As、Hg、Se）的污染現(xiàn)狀;同時(shí)，基于樣點(diǎn)的區(qū)位環(huán)境，結(jié)合地累積指數(shù)法分析土壤重金屬的污染源，以期為建立土壤空間數(shù)據(jù)庫(kù)、全面了解江淮平原糧食主產(chǎn)區(qū)耕地土壤重金屬污染狀況、查清污染來(lái)源及制定有效的防治策略提供支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)主要位于長(zhǎng)江北岸，安徽省東南部，研究區(qū)屬北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫15.8 ℃，全區(qū)降雨豐富，多年平均降雨量為1 041 mm，主要集中在5—8月，占年降雨量的60%以上。年平均蒸發(fā)量為1 561.0 mm，年平均相對(duì)濕度為78.50%。

研究區(qū)地貌整體屬江淮波狀平原區(qū)，地貌類(lèi)型有河谷平原、波狀平原、淺丘狀平原、丘陵等?？傮w上來(lái)看，中部和東南部沿江平原區(qū)地勢(shì)低平，西部和東北部丘陵區(qū)地勢(shì)較高。研究區(qū)主要被第四系覆蓋，厚度在20～60 m，出露地層主要為全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)，巖性主要為黏土、亞黏土、粉砂、細(xì)砂等。

1.2 樣品采集與處理

采用1∶5萬(wàn)地形圖針對(duì)性地布設(shè)樣點(diǎn)，采樣利用GPS精準(zhǔn)定位，誤差均小于5 m。共采集農(nóng)用地土壤樣品44件，樣品均布于整個(gè)研究區(qū)，深度0～20 cm。單個(gè)樣品的采取方法是將土壤掰碎，除去植物根莖（不刮去表層土）、磚頭石塊、蟲(chóng)體、肥料團(tuán)塊等雜物后組合成1個(gè)樣品，樣品采集重量約1 000 g。

將樣品置于干凈整潔場(chǎng)所自然風(fēng)干后，經(jīng)木槌輕輕敲打，過(guò)20目尼龍篩。過(guò)篩后，樣品剩余部分不能超過(guò)1 g。將初步加工后的樣品稱(chēng)重并裝入樣品袋中，每個(gè)單點(diǎn)樣重量大于500 g。

樣品送交南京地質(zhì)調(diào)查中心進(jìn)行測(cè)試，采用國(guó)家一級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行監(jiān)控。分析測(cè)試方法為：采用離子選擇性電極法（ISE）測(cè)定pH;采用原子熒光法（AFS）測(cè)定As、Hg含量;采用X射線熒光光譜法（XRF）測(cè)定Cr、Ni、Pb含量;采用等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）測(cè)定Cd含量。采用Excel軟件和SPSS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通過(guò)肖維納檢驗(yàn)法剔除異常值。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法。單因子指數(shù)法[12]是以土壤元素背景值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)價(jià)重金屬元素的累積污染程度。在針對(duì)單因子進(jìn)行評(píng)價(jià)分析時(shí)，一般選用該方法，計(jì)算公式為：

式中，Pi為土壤中單項(xiàng)重金屬i的污染指數(shù);Ci為污染物i的實(shí)測(cè)濃度;Si為污染物i在《GB15168—2018土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》中給出的篩選值。若Pi≤1.0，則重金屬含量在土壤背景值含量之內(nèi)，土壤沒(méi)有受到人為污染;若Pi>1.0，則重金屬含量已超過(guò)土壤背景值，土壤已受到人為污染，指數(shù)越大則表明土壤重金屬累積污染程度越高。依據(jù)《DZ/T 0295—2016土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》將單因子污染指數(shù)Pi劃分為5個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表1。

1.3.2 土壤重金屬污染源識(shí)別方法。

地質(zhì)累積指數(shù)法是德國(guó)科學(xué)家Muller于20世紀(jì)60年代提出的一種研究土壤及沉積物中重金屬污染程度的定量指標(biāo)[13]，Igeo值越大，則污染越嚴(yán)重。該方法重點(diǎn)考慮了環(huán)境地球化學(xué)背景值，以及自然活動(dòng)對(duì)背景值的影響，用它來(lái)判別自然背景和人為污染對(duì)土壤重金屬影響程度，可以為后續(xù)的污染源識(shí)別研究奠定基礎(chǔ)。其計(jì)算公式為：

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量比較

對(duì)研究區(qū)土壤樣品的重金屬含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，研究區(qū)重金屬元素Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb的平均含量分別為77.25、15.15、35.38、28.25、74.49、0.11、26.25 mg/kg，均超過(guò)背景值，其中Ni高出背景值0.32倍，Cr高出背景值0.27倍，Cu高出背景值0.25倍。元素超出背景值表明其在土壤中存在累積現(xiàn)象。而As、Hg、Se 3種元素平均值低于背景值，因此這3種元素不會(huì)對(duì)土壤環(huán)境造成危害。樣本的變異系數(shù)是衡量樣本資料中各觀測(cè)值變異程度的重要統(tǒng)計(jì)量，在一定程度上能反映出人為因素對(duì)樣本的影響程度[14]。研究區(qū)土壤重金屬的變異系數(shù)在18%～63%，按變異等級(jí)劃分，均屬于中等變異（10%≤Cv≤100%）。其中，Cd的變異系數(shù)最高，為63%，說(shuō)明研究區(qū)土壤中Cd的含量受人為影響較大。

2.2 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

對(duì)研究區(qū)土壤樣品的重金屬含量進(jìn)行單因子指數(shù)評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb、As、Hg、Se的單因子指數(shù)均值分別為1.25、1.19、1.32、1.22、0.98、1.14、0.99、0.88、0.64、0.62，污染程度從大到小依次為Ni>Cr>Cu>Co>Cd>Pb>Zn>As>Hg>Se，其中Cr、Co、Ni、Cu、Cd的單因子指數(shù)1

2.3 土壤重金屬來(lái)源分析

2.3.1 地累積指數(shù)法。

當(dāng)Igeo值大于0時(shí)表示土壤中的金屬來(lái)自人為活動(dòng)而不是來(lái)源于自然地殼的貢獻(xiàn)[11]。研究區(qū)土壤重金屬的Igeo均值從大到小依次為Ni>Cr>Cu>Co>Pb>Zn>Cd>As>Hg>Se（表4），均表現(xiàn)為無(wú)污染。其中，Ni、Cr、Cu的Igeo接近于0，可初步判斷研究區(qū)土壤中Ni、Cr、Cu 3種元素以人為污染源為主。

2.3.2 相關(guān)性分析。采用SPSS 25軟件對(duì)重金屬元素間的相關(guān)性進(jìn)行分析，結(jié)果顯示相關(guān)系數(shù)較高（表5）。元素間相關(guān)性顯著和極顯著，說(shuō)明元素間一般具有同源關(guān)系或是復(fù)合污染[16]。Cr與Co、Ni、Cu、Zn在0.01水平上均呈極顯著正相關(guān)，與Cd在0.05水平上呈極顯著正相關(guān);Co與Ni、Cu、Zn在0.01水平上呈極顯著正相關(guān)，與其他元素相關(guān)性不顯著;Ni與Cu、Zn在0.01水平上呈極顯著正相關(guān)，與其他元素相關(guān)性均不顯著;Cu與Zn在0.01水平上呈極顯著正相關(guān);Zn與Cd在0.05水平上呈極顯著正相關(guān)，與其他元素相關(guān)性不顯著;Cd與Hg、Se在0.01水平上呈極顯著正相關(guān)，與Pb、As相關(guān)性不顯著;Pb與Se在0.01水平上呈極顯著正相關(guān);As與各元素間相關(guān)性不顯著;Hg與Se在0.01水平上呈極顯著正相關(guān)。上述呈極顯著正相關(guān)的元素之間具有很強(qiáng)的相關(guān)性，同源性很強(qiáng)。

3 結(jié)論與討論

該研究以重金屬含量特征分析為基礎(chǔ)，結(jié)合土壤污染評(píng)價(jià)和相關(guān)性分析對(duì)研究區(qū)內(nèi)重金屬污染來(lái)源進(jìn)行初步判定，得出以下主要結(jié)論：

（1）安徽省東南部江淮平原區(qū)農(nóng)業(yè)土壤中Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb的平均含量分別為77.25、15.15、35.38、28.25、74.49、0.11、26.25 mg/kg，均超過(guò)背景值，在土壤中有一定的積累。而As、Hg、Se 3種元素平均值低于背景值，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害。

（2）單因子指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示研究區(qū)土壤重金屬元素污染程度從大到小依次為Ni>Cr>Cu>Co>Cd>Pb>Zn>As>Hg>Se，其中Cr、Co、Ni、Cu、Cd的單因子指數(shù)1

（3）基于地累積指數(shù)法和相關(guān)性分析初步判定重金屬的污染來(lái)源，結(jié)果表明Ni、Cr、Cu 3種元素以人為污染源為主，Cr與Co、Ni、Cu、Zn之間，Co與Ni、Cu、Zn之間，Ni與Cu、Zn之間，Cu與Zn之間，Zn與Cd之間，Cd與Hg、Se之間，Pb與Se之間，Hg與Se之間具有很強(qiáng)的相關(guān)性和同源性。

參考文獻(xiàn)

[1] ZHOU C C， LIU G J， FANG T， et al. Partitioning and transformation behavior of toxic elements during circulated fluidized bed combustion of coal gangue[J].Fuel， 2014，135：1-8.

[2] NIU L L， YANG F X， XU C， et al. Status of metal accumulation in farmland soils across China：From distribution to risk assessment[J].Environmental pollution， 2013， 176：55-62.

[3] MA L， WANG L， TANG J， et al. Arsenic speciation and heavy metal distribution in polished rice grown in Guangdong Province， Southern China[J].Food chemistry， 2017， 233：110-116.

[4] FACCHINELLI A， SACCHI E， MALLEN L. Multivariate statistical and GIS-based approach to identify heavy metal sources in soils[J].Environmental pollution， 2001， 114（3）：313-324.

[5] 柴育紅，王明新，趙興青.化工工業(yè)園區(qū)地表灰塵重金屬污染及健康風(fēng)險(xiǎn)：以常州市為例[J].環(huán)境工程，2019，37（8）：190-194，172.

[6] 方月梅，張曉玲，劉娟，等.工業(yè)園區(qū)農(nóng)用土壤中重金屬Cu和Pb的形態(tài)研究[J].湖北理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，34（2）：14-18.

[7] 吳紅璇，史常青，張艷，等.烏海市煤礦區(qū)及周邊春季降塵污染特征及來(lái)源分析[J].環(huán)境科學(xué)，2020，41（3）：1167-1175.

[8] 孫浩，周春財(cái)，徐仲雨，等.淮北礦區(qū)土壤重金屬空間分布與環(huán)境評(píng)價(jià)[J].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，48（7）：560-566.

[9] 陳毛華，劉明廣，郭斌，等.阜陽(yáng)市城郊菜地重金屬污染調(diào)查與評(píng)價(jià)[J].地球與環(huán)境，2017，45（3）：322-328.

[10] 張慧峰，錢(qián)楓，宋洋，等.城市交通對(duì)道路周邊土壤重金屬污染影響的研究[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，31（1）：57-61.

[11] 尚二萍，許爾琪，張紅旗，等.中國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)耕地土壤重金屬時(shí)空變化與污染源分析[J].環(huán)境科學(xué)，2018，39（10）：4670-4683.

[12] 范拴喜，甘卓亭，李美娟，等.土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法進(jìn)展[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2010，26（17）：310-315.

[13] MLLER G. Index of geoaccumulation in sediments of the Rhine River[J].Geology journal，1969，2（3）：109-118.

[14] 方曉波，史堅(jiān)，廖欣峰，等.臨安市雷竹林土壤重金屬污染特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2015，26（6）：1883-1891.

[15] 魏復(fù)盛，楊國(guó)治，蔣德珍，等.中國(guó)土壤元素背景值基本統(tǒng)計(jì)量及其特征[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，1991，7（1）：1-6.

[16] 柴世偉，溫琰茂，韋獻(xiàn)革，等.珠江三角洲主要城市郊區(qū)農(nóng)業(yè)土壤的重金屬含量特征[J].中山大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，43（4）：90-94.