水利區周邊土壤重金屬含量特征及污染評價—以宿州市新汴河為例

吳明鑫 馬 杰，2 王森森 鄭華峰 常健平

1.宿州學院資源與土木工程學院，安徽 宿州 234000

2.安徽省礦井水資源化利用重點實驗室，安徽 宿州 234000

水利工程在水資源規劃、利用、控制和調配等方面的作用極大，小區域生態環境（氣候、水文和地質等）受其影響較為顯著。農業水利工程作為農業現代化的基礎工程，其功能涵蓋了飲水、灌溉、抗旱排澇等，在規避自然災害影響、實現農業可持續發展等方面有著重要作用。 隨著農業水利工程流域內溶（搬）運物質的遷移、阻隔和沉淀等效應，可造成重金屬、營養鹽和有機污染的富集現象。

當前，國內外對重金屬含量特征、污染評價等開展大量的研究工作。重金屬能夠以離子形態存在于植物、動物體內，以結合態附于土壤，通過雨水、地理變遷、空氣塵埃等環境因素進行轉移[1]。空氣，土壤和水中的成分能夠相互交換，空氣和水資源受到重金屬污染，必然會影響土壤的重金屬含量，被污染的地方極難恢復，需要耗費大量的人力、物力和財力，部分被污染的地方甚至無法恢復如初[2]。 工業化的興起，致使大量重金屬及其化合物與地表顆粒反應，使得它們能夠懸浮于空氣中，形成細小顆粒物，造成空氣污染[3]。空氣中的重金屬污染顆粒沉降于地表污染土壤，雨水結合細小顆粒物污染大川、河流[4]。目前，對大氣、農作物、河流底泥等重金屬污染研究較為豐碩，而關于水利區內農田土壤重金屬污染的研究成果較少。本文選擇了皖北地區宿州市內的水利功能區為例，如圖1 通過野外踏勘、系統采集，利用多元統計分析、單因子污染指數法、內梅羅綜合污染指數法和綜合潛在生態危害指數法，對研究區內的重金屬進行含量特征分析、污染評價及來源解析，為研究區內土壤重金屬污染防治和區域的生態恢復提供基礎參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域

研究區位于宿州市水利區新汴河，年平均降水量857.1 mm，冬季干旱少雨，夏季多雨。年平均氣溫14.4℃，最高氣溫38.1℃，最低氣溫-23.2℃，無霜期210 天。

圖1 研究區域采樣點圖

1.2 樣品采集與處理

按照系統采樣的原則，選擇具有一定代表性的研究范圍，每隔100m 設置一個采樣點，每個采樣點采集土壤一份。采樣時，采集5～15cm 深、表層土壤，用竹子去除石塊和植物，每份土樣重約1000g，共采集樣品55份。室內樣品處理：①將樣品置于實驗室晾干，手動去除植物根系等雜物，進而研磨成粉，并存放于2 號聚乙烯密封袋中。②采用四分法對樣品進行分樣、稱重，并使用手動粉末壓片機壓片。③利用X-ray 熒光光譜，分析測試各樣品中的Cu、Zn、Co、Ni、Cr、Pb 6 種重金屬元素的含量（以GBW07430 作為標準物質）。

1.3 數據處理

利用SPSS24.0 軟件對樣品進行描述性統計分析（標準差、平均值和變異系數等）。利用單因子污染指數法、內梅羅綜合污染指數法和綜合潛在生態危害指數法對6 種重金屬進行污染評價。 結合相關性分析、因子分析和聚類分析，綜合解析研究區內的土壤重金屬污染來源。

1.4 土壤質量評價標準

參照國家《土壤環境質量標準》（GB 15618—1995）二級評價標準，本文采用的土壤污染評價方法包括單因子污染指數、內梅羅綜合污染指數和綜合潛在生態危害指數[5]。

目前，單因子污染指數是當前國內外進行綜合污染指數計算的最常用的方法之一，但只能反映各個重金屬元素的污染程度，不能全面地反映土壤的污染狀況，而綜合指數法兼顧了單因子指數法，可以突出污染較重的污染物[6]。內梅羅綜合污染指數重點考慮了污染最嚴重的因子，且在加權過程中避免了權系數中主觀因素的影響，是目前應用較多的一種環境質量評價方法。

綜合潛在生態危害指數法不僅考慮了重金屬含量污染狀況等方面，而且結合重金屬的性質及其特點，是一種從沉積學角度將重金屬含量、生態效應、環境效應和毒理學聯系在一起進行評價的方法[7]。相比較于前兩種方法，綜合潛在生態危害指數法結合的因素更多，考慮的情況更復雜，評價結果更可信。

2 結果與討論

2.1 土壤重金屬含量統計分析

土壤重金屬含量統計結果見表1。變異系數可說明土壤元素變異性的增強與減弱及重金屬元素的累計情況[8]。研究區內鉻、鈷、鎳、銅、鋅和鉛的變異系數均不大，各元素受外部干擾不大，對周圍農作物及環境影響有限。

Cr、Co、Ni、Cu、Zn 和Pb的平均含量分別為44.60 mg/kg、10.62 mg/kg、22.65 mg/kg、20.36 mg/kg、53.59 mg/kg和23.51mg/kg。 除部分采樣點中的Ni、Cu 含量高于安徽省土壤背景值外[9]，其他采樣點的重金屬含量均低于背景值。整體上說明，研究區的土壤重金屬處于低污染狀態，其余金屬均未污染。

表1 土壤重金屬含量統計（mg/kg）

2.2 污染評價

2.2.1 單因子指數

由表2 可知，重金屬Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Pb 的單因子污染指數范圍為0.53～0.83；0.59～0.89；0.24～1.38；0.35～1.12；0.40～0.66 和0.35～0.41。 依據平均值，污染程度依次為Ni＞ Co ＞ Cr ＞Cu ＞ Zn＞Pb。基于單因子污染指數的最大值進行評價，說明Ni、Cu 處于局部輕污染狀態，其他重金屬目前均處于安全狀態。

表2 單因子污染指數實測數值

2.2.2 內梅羅綜合污染指數

由表3 可知，Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Pb 的綜合污染指數分別為0.75、0.84、1.13、1.28、0.60、0.40，污染程度依次為Cu＞ Ni＞ Co＞Cr＞ Zn＞Pb。其中，土壤中Ni、Cu含量局部偏高，Cr、Co 達到警戒線，Zn、Pb 處于安全狀態。總體來說，Ni、Cu 含量略高，土壤受到輕度污染。

表3 內梅羅綜合污染指數實測值

2.2.3 綜合潛在生態危害指數

重金屬Cr、Co、Ni、Cu、Zn 和Pb 的潛在生態危害指數如表4，各重金屬的單項潛在生態危害指數波動范圍分別為1.06～1.67、2.45～3.70、1.09～6.35、2.76～8.74、0.65～1.06、4.04～4.72。 綜合潛在生態危害指數波動范圍為13.10～23.70，平均為18.70。重金屬Cr、Co、Ni、Cu、Zn 和Pb 均處于生態危害低風險程度。

表4 潛在生態危害指數

2.3 來源分析

2.3.1 相關性分析

相關性分析是研究重金屬來源的一種重要手段。相關系數越大，說明元素之間的相關性越緊密，即污染來源可能相同或相近，污染程度也類似[10]。由表5 分析可得，Pb與Zn、Co、Cr，以及Cu 和Ni 存在顯著相關性（P＜0.01），Pb 與Zn、Co、Cr 相關系數分別為0.65、0.52、0.55，Cu和Ni 相關系數為0.53。結果表明：Pb、Zn、Co 和Cr 來源于同一種污染源，而Cu 和Ni 則來源于另一種污染源。

表5 土壤重金屬含量相關性分析

2.3.2 因子分析

因子分析中共提取兩個特征值＞1 的主成分如表6所示[11]，總解釋率達到70.458%。主成分1 表明，Cr、Co、Zn、Pb 正載荷較高，分別為0.785、0.787、0.798和0.849，說明這四種元素具有同源性。主成分2 中的Ni、Cu 具有較高的正載荷，分別為0.890 和0.848，說明這兩種元素具有同源性。

表6 重金屬元素主成分分析

2.3.3 聚類分析結果

聚類分析可識別元素之間的來源相似性，以及反映各元素之間的遠近程度[12]。如圖2 所示為本次所采土樣的各重金屬之間的聚類分析圖，六種元素可以分為兩個聚類，即Zn、Pb、Co、Cr 聚為一類，Cu、Ni聚為一類，與相關性分析和因子分析結論一致。聚類圖上的標定的距離，反映了組間元素的關聯程度，距離越小，關聯越密切顯著，距離越大，關聯程度越低[13]。Zn、Pb、Co、Cr 四種元素距離較近，關聯顯著，Cu 和Ni距離較近，關聯顯著。

圖2 土壤重金屬元素的聚類分析圖

經現場實地踏勘，結合相關性分析、因子分析和聚類分析結果表明，主成分1 的污染源可能來自于工廠和交通運輸[14]，而主成分2 的污染源可能與農業活動和土壤母質有關[15]。

3 結論

通過對55 個水利區土壤樣品中的六種重金屬元素的含量特征分析、風險評價和來源分析，得出如下結論。

（1）宿州市水利區表層土壤重金屬Cr、Co、Ni、Cu、Zn 和Pb 的平均含量分別為44.60 mg / kg、10.62 mg / kg、22.65 mg / kg、20.36 mg / kg、53.59 mg / kg 和23.51 mg / kg。

（2）結合單因子污染評價、內梅羅綜合污染評價和綜合潛在生態危害指數評價研究區內的Ni、Cu 為局部輕污染，Cr、Co 接近警戒線，Zn、Pb 仍處于安全狀態。

（3）通過相關性分析、因子分析和聚類分綜合分析表明，Cu、Ni 來源于農業活動和土壤母質，Zn、Pb、Co、Cr 來源于工業和交通運輸。