武陟農田重金屬污染特征及其與河流底泥的關聯性分析

劉文超 劉曦 溫思寒

摘要 通過對武陟研究區農田土壤和河流底泥中As、Cd、Cu、Ni含量進行測定，并采用單因子污染指數法、內梅羅綜合污染指數法、潛在生態風險指數法分析其污染特征，對農田土壤與支流1和支流2底泥重金屬含量之間的關聯性進行分析。結果表明，Cd的積累效應最明顯，As、Ni的積累效應次之，Cu的積累效應不明顯;As和Cd含量的高值區主要分布在支流1和支流2附近，Ni含量的高值區主要分布在靠近支流1的養殖場附近，Cu含量的高值區主要分布在支流1附近。Cd的單因子污染指數均值為8.70，屬于重污染程度;Cu和Ni所引起的污染處于清潔水平;As含量處于警戒水平;Cd的綜合潛在生態風險指數的貢獻率97%。農田中Cd與As之間存在同源污染，底泥中的Cd和As也有同源性;農田土壤的Cd、As與底泥中對應重金屬的關聯性最明顯;土壤重金屬Cu和Ni與支流1底泥有關聯性、Ni還受養殖場的影響。

關鍵詞 農田土壤;河流底泥;重金屬;含量特征;空間分布;污染評價;關聯性

中圖分類號 X 522? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2022）01-0079-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.01.021

Analysis of the Characteristics of Heavy Metal Pollution in Wuzhi Farmland and Its Correlation with River Sediments

LIU Wen-chao1， LIU Xi2， WEN Si-han1

（1. Henan University of Technology， Jiaozuo， Henan 454003;2. Jiaozuo City Ecological Environment Bureau， Jiaozuo， Henan 454150）

Abstract By measuring the content of As， Cd， Cu， and Ni in the farmland soil and river sediment in the Wuzhi research area，and the single-factor pollution index method， Nemero comprehensive pollution index method and potential ecological risk index method were used to analyze the pollution characteristics，the correlation between the contents of heavy metals in farmland soils and tributary 1 and tributary 2 sediments was analyzed.The results showed that the accumulation effect of Cd was the most obvious， followed by that of As and Ni， and the accumulation effect of Cu was not obvious.The high value areas of As and Cd were mainly distributed near tributary 1 and tributary 2， the high value areas of Ni were mainly distributed near the farm near tributary 1， and the high value areas of Cu were mainly distributed near tributary 1. The mean value of single factor pollution index of Cd was 8.70，which belonged to the degree of heavy pollution.The pollution caused by Cu and Ni were at a clean level;As content was at the alert level.The contribution of the combined potential ecological risk index of heavy metals for Cd was 97%. There was homologous contamination between Cd and As in agricultural fields， and Cd and As in substrates.The correlation between Cd and As in agricultural soils and the corresponding heavy metals in substrates was most obvious;soil heavy metals Cu and Ni were correlated with tributary 1 substrates， and Ni was also influenced by farms.

Key words Farmland soil;River sediment;Heavy metals;Content characteristics;Spatial distribution;Pollution evaluation;Relevance

作者簡介 劉文超（1994—），男，河南濟源人，碩士研究生，研究方向：區域環境治理與生態修復。通信作者，工程師，從事環境污染防治研究。

收稿日期 2021-03-22;修回日期 2021-05-20

進入工業時代以來，工業的發展以及城市化進程的深入都導致了土壤重金屬污染狀況的加重[1]。在農業生產活動中，污水灌溉、農藥及化肥等不合理使用，同時加上周邊工業區產生的污染，都會導致農田土壤中重金屬含量增加[2]，農田土壤重金屬污染不僅會對農作物生長過程造成影響，還會對人類健康生活產生影響[3]。已有眾多學者使用單因子污染指數法、內梅羅綜合污染指數法和潛在生態風險指數法對土壤重金屬污染現狀進行了評價[4-7]。河流底泥作為地球表層生態和地質環境系統中有機組成部分，是水體環境中重要的物質寄宿體[8]，通過分析河流底泥的污染狀況，可以判斷河流在歷史是否受到污染[9]。河流底泥重金屬的污染不僅會對河流水體造成影響，而且會通過灌溉或地表徑流的方式對周邊農田土壤造成污染，亦有許多學者針對此問題進行了研究[10-14]，但是對于河流底泥與農田土壤重金屬的關聯性研究較少。

焦作市農田土壤環境質量狀況總體良好，但由于焦作市正處于新型工業化、城鎮化和農業現代化加速推進的關鍵時期，工業集聚區的建設加快、工業污水處理廠廢水排放對河道水質以及底泥的影響，均有可能對農田土壤造成影響，此外，局部地區土壤呈現新老污染并存、有機污染和無機污染交織的復雜局面，土壤環境形勢不容樂觀。眾多學者對焦作土壤的環境進行了分析評價[15-19]，但是對焦作地區河流周邊農田土壤重金屬污染現狀研究較少，且鮮有學者分析其與周邊河流底泥關聯性。因此，筆者對武陟研究區農田土壤中的As、Cd、Cu和Ni等重金屬污染特征進行分析，并分析其與周邊河流底泥中重金屬的關聯性，旨在為進一步做好農田土壤重金屬污染防治工作提供一定參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

武陟縣位于焦作市東南部、黃河北岸，地處113°11′～113°39′E、34°56′～35°10′N，全縣總面積860 km2，屬于暖溫帶大陸性季風型氣候。武陟縣年平均氣溫14.4 ℃，年平均降水量575.1 mm，年平均無霜期212 d。全縣土壤主要為潮土類，占全縣面積的84.1%。

研究區為流經武陟縣內的河流1和河流2交匯處附近的農田土壤，如圖1所示。

1.2 樣品采集與處理

在支流1上取L01～L06共6個底泥采樣點，在支流2上取Y1～Y5共5個底泥采樣點，選擇與底泥采樣點相對應的農田位置作為農田土壤采樣點，共計11個河流底泥樣品和28個農田土壤樣品，采樣點布設如圖2所示。采集農田表層土壤（0～20 cm）[20]，用四分法取約1 kg的土壤樣品;河流底泥樣品采集河流采樣斷面兩端及中心混合后的樣品約1 kg。土壤和河流底樣品在沒有陽光直射的條件下風干，依次研磨，過60和100目尼龍篩，經消解和定容后用ICP-MS測定Cd、Ni、Cu和As等重金屬含量。

1.3 農田土壤重金屬污染評價方法

1.3.1

變異系數法和富集因子法。變異系數（CV）能夠反映數據變量空間上的離散程度，是富集與貧化程度的趨勢性大小，是元素土壤空間分布的一個重要參數。當CV≤40%時，重金屬可能來自成土母質或者面源污染;當CV>40%時，重金屬可能存在工業點源污染[20]。富集因子（EF）為某一重金屬元素的均值與其背景值的比值，反映某一重金屬元素在研究區的富集程度，從而推斷該重金屬外源影響的大小。

1.3.2 單因子污染指數法。

以土壤環境質量農用地土壤污染管控標準（GB 15618—2018）中的土壤篩選值作為污染評價的參考值。單因子污染指數表達公式如下：

Pi=CiSi（1）

式中，Pi為某個重金屬的單項污染指數，Ci為重金屬的測定值，Si為土壤篩選值。各重金屬單因子污染指數評價分級標準見表1。

1.3.3 內梅羅綜合污染指數法。

內梅羅綜合污染指數法表達公式如下：

P綜=P12+P222（2）

式中，P1為各重金屬元素的最大單因子污染指數，P2為各重金屬元素單因子污染指數平均值。土壤重金屬綜合污染評價分級標準[21]如表1所示。

1.3.4 潛在生態風險指數法。潛在生態風險指數法表達公式如下：

Eir=Tir×Pi（3）

RI=ni=1Eir（4）

式中，Pi為某個重金屬的單項污染指數;Eir為單因子潛在生態風險指數;Tir為污染物毒性響應系數，分別為Cd 30、As 10、Cu 5、Ni 5;RI為綜合潛在生態風險指數。重金屬潛在生態風險分級標準見表2。

2 結果與分析

2.1 研究區農田表層土壤重金屬含量特征

從表3可以看

出，農田土壤Cd、As、Cu和Ni平均含量表現出較大差異，其

平均含量從大到小依次為Ni>Cu>As>Cd;Cd含量為

0.25～12.97 mg/kg，28個農田點位均超過河南土壤背景值，

平均含量是河南土壤背景值的34.8倍;As、Cu含量分別為1.09～28.11、14.42～60.21 mg/kg，分別有64%和39%農田點位超過河南土壤背景值，平均含量是河南土壤背景值的1.26和1.11倍;Ni含量為18.32～150.14 mg/kg，有50%農田點位超過河南土壤背景值，平均含量是河南土壤背景值的1.22倍。綜上可知，這4種元素在土壤中有不同程度的積累，Cd的積累效應最大，As、Ni的積累效應次之，Cu的積累效應較低。

該區域農田土壤pH均大于7.5，從4種元素農用地土壤污染風險篩選值來看，只有Cd和As超過了篩選值，超標率分別為93%、7%，最大超標倍數分別為20.62和0.12倍;從農用地土壤污染風險管控值來看，Cd有61%的樣品超過風險管控值，超大超標倍數為2.24倍，其余元素均未超標。

從4種重金屬的變異系數來看，Cd、As、Cu和Ni的變異系數均大于40%，表明研究區農田土壤中這4種重金屬含量變化主要受到點源污染的影響。

2.2 研究區農田土壤重金屬含量空間分布特征

使用ArcGIS中反距離加權插值法繪制出研究區河流周邊農田土壤重金屬的空間分布圖。從圖3～6可以看出，該區域4種重金屬空間分布有一定的差異性和相似性。

重金屬Cd和As的空間分布特征具有相似性，如圖3～4所示，在支流1和支流2較近處存在高值區，高值區在西南側靠近村落和公路的地方呈明顯的西南—東北條帶狀分布。在距離河流較近的農田均有Cd的高值區，說明支流1和支流2這2條河流對周邊農田中Cd和As影響較大，且根據實地調查，發現該處農田日常灌溉取水均來自支流1和支流2。曹露[22]在對碧流河下游農田土壤重金屬污染研究中發現距河流灌溉處較近的農田土壤重金屬含量比較遠處偏高，該結論與此次研究結論一致。在西南側靠近村落和公路的地方Cd和As存在明顯的高值區，根據調查該區域的化肥使用主要是磷肥，磷肥的原料中常含有Cr、Cd、Hg、As、Pb、Zn、Cu、Ni等重金屬，其生產過程中無法完全去除，這部分重金屬會保留在肥料中，進而影響到農田重金屬含量，受影響最大的是Cd元素。莊重等[23]研究也說明了使用磷肥會使農田土壤重金屬含量升高，所以農田中Cd的超標可能與磷肥的使用有關。綜上可知，農田中Cd和As元素在距離河流較近處主要與河流灌溉有關，在西南方向可能是由于磷肥的施用。值得注意的是，因為飼料添加劑中含有大量砷的化合物，在養殖業中應用較廣，經動物排泄物的農用，含砷化合物會被釋放到農田中。王星蒙[24]在對遼寧省畜禽養殖場周邊土壤重金屬污染評價中提到養殖場會對周邊土壤造成As含量超標。而在該區域東北側As的空間分布呈較為明顯的帶狀分布，所以農田中的As還可能與附近養殖場中有機肥的施用有關。

研究區Cu含量的空間分布（圖5）顯示，在靠近支流1的D、E采樣點序列呈明顯的條狀分布，存在大范圍的高值區。距離河流越遠，Cu含量越低。Cu在該區域有39%的采樣點含量超過了河南土壤背景值，Cu含量超過背景值的采樣點主要來自D、E采樣點系列。馮啟言等[25]研究荊馬河水體對土壤的影響發現，污水灌溉下的農田土壤Cu含量是土壤背景值的13.24倍。根據前文可知，土壤中的Cu富集因子為1.11，所以Cu元素的積累可能與支流1的灌溉有關。

研究區Ni含量的空間分布（圖6）顯示，Ni含量在養殖場附近存在一定的高值區，且含量遠超過河南土壤背景值，積累效應明顯，呈現以養殖場為中心向四周呈逐漸下降的變化趨勢。在靠近支流1的農田中，只有靠近養殖場的農田Ni含量存在高值區。靠近支流1和支流2的大部分農田Ni含量分布均勻。孫文靜[26]通過對內蒙古畜禽養殖場周邊土壤重金屬污染特征進行分析及評價，結果發現養殖場周邊Ni的平均污染程度較高，高值區Ni含量污染源可能來自養殖場。

2.3 研究區農田土壤重金屬污染評價

2.3.1 研究區重金屬污染指數評價。

從研究區重金屬單因子污染指數評價結果（表4）可以看出，重金屬單因子污染指數均值從大到小依次為Cd>As>Cu>Ni。研究區農田土壤Cd的單因子污染指數均值為8.70，污染級別為IV，程度為重污染，應引起足夠的重視;其余重金屬污染級別均為I，均為清潔級別。

從研究區重金屬內梅羅綜合污染指數評價結果（表5）可以看出，研究區農田土壤處于重污染程度的采樣點占71.4%，處于輕污染程度的采樣點占17.9%，處于警戒級的采樣點占3.6%，只有7.1%的采樣點處于安全范圍內。由此可見，研究區農田土壤重金屬污染較重，應盡快找到主要污染源，采取有效的防治措施。

2.3.2 研究區重金屬潛在生態風險評價。

從表6可以看出，4種重金屬元素單項潛在生態風險指數由高到低為Cd>As>Cu>Ni，只有Cd元素的潛在生態風險指數均值大于40，而其余元素均小于40;由Cd的潛在生態風險指數計算結果（表7）可知，Cd處于極強生態風險的所占比例高達59%，有24%的處于輕微、中等級別。各重金屬元素的綜合潛在生態風險指數（RI）最大值為666.70，最小值為14.14，均值為268.22，處于中等風險級別。其中Cd元素對綜合潛在生態風險指數的貢獻率達97%，其余元素貢獻率占3%，表明Cd是主要污染因子，應引起重點關注。這與孫文賢等[27]對高青縣設施農田土壤重金屬分布特征及污染評價的結論一致。

2.4 研究區農田土壤重金屬含量之間的相關性

2.4.1 農田重金屬含量之間的相關性。

通過SPSS軟件，運用皮爾遜雙尾檢驗法對Cd、As、Ni、Cu這4種重金屬元素進行測試分析，研究他們是否具有相關性。從表8可以看出，研究區農田土壤重金屬Cd與As的相關系數為0.791，它們之間表現為顯著相關（P<0.01），Cd與As之間存在同源污染，它們的污染來源可能來自污水灌溉和噴施農藥等。

2.4.2 河流底泥重金屬含量之間的相關性。

根據SPSS分析結果（表9）可知，研究區河流底泥重金屬含量間存在一定的相關性。Cd和As的相關系數為0.754，Ni和As的相關系數為0.893，表明As與Cd、As與Ni之間均存在顯著相關性（P<0.01），可能存在同源污染。經前期調研，2條河流上游以前存在有皮革廠、冶金廠等，河流底泥中的Cd和As可能來源于歷史時期的積累;由前文可知，Ni的來源可能與養殖場有關，可以推測底泥中As含量的變化也受到養殖場的影響。

2.5 研究區河流底泥與農田重金屬關聯性分析

歷史時期河流周邊工廠廢水的排放造成了支流1和支流2底泥中重金屬的沉積，通過河流灌溉或地表徑流等方式導致了距離河流較近的農田土壤重金屬的積累。研究區河流底泥重金屬含量如表10～11所示。

根據前文空間分布圖（圖3～6）可知，Cd含量高值區主要分布在支流1底泥采樣點位L02和支流2底泥采樣點位Y1、Y3、Y4、Y5附近。其中L02的Cd含量為支流1中含量最高的點位，支流2中的4個采樣點位Cd含量較高，這表明農田中Cd含量和底泥中Cd含量關聯性明顯。劉雙[28]研究河流沉積物對Cd的影響表明，Cd的積累效應不易去除，結合前期調查，河流上游皮革廠中曾超標排放Cd，這是農田中Cd的主要來源。農田中As含量的高值區主要分布在支流1底泥采樣點位L02、L03和L06以及支流2底泥采樣點位Y3、Y4、Y5附近。與此同時，這些底泥采樣點位的As含量較高，所以河水灌溉是影響農田As含量的最主要因素。王玲玲等[29]在一起河流As污染事故的處置與監測分析中發現河流上游的工廠排放的As會影響河流的水質質量，As沉積到河流底泥中不易消除，進而影響農田。Ni含量的高值區分布在支流1采樣點位L05和L06附近，該點位Ni含量分別為33.61和32.75 mg/kg，根據前文可知，農田中Ni主要來源于養殖場并且養殖場位于采樣點位L06附近，由此可知，養殖場可能是Ni最大的污染來源。Cu的農田高值區分布在支流1附近，且支流1底泥采樣點的Cu含量高于支流2底泥采樣點的Cu含量，所以研究區農田土壤中Cu含量與支流1底泥的關聯性高于其與支流2底泥的關聯性。

在支流1和支流2的河流底泥中，所有底泥樣品的Cd含量和73%樣品的As含量高于對應篩選值，最大超標倍數分別為61.82和0.96倍，且有73%采樣點Cd含量超過管控值，最大超標倍數為8.42倍。

3 結論

在研究區的農田土壤重金屬中，Cd的積累效應最明顯，As、Ni的積累效應次之，Cu的積累效應不明顯。農田土壤Cd的單因子污染指數均值為8.70，達到重污染水平，As、Ni和Cu的平均含量處于清潔級別。研究區農田土壤處于重污染程度的采樣點占71.4%，處于輕污染程度的采樣點占17.9%，處于警戒級的采樣點占3.6%，只有7.1%的采樣點重金屬含量處于安全范圍內。Cd元素對各重金屬綜合潛在生態風險指數的貢獻率達97%，其余元素貢獻率占3%。農田中的Cd與As之間存在同源污染，河流底泥中的Cd和As可能來源于歷史時期的積累，As和Ni的相關系數為0.893，表明As與Ni有相同的來源。

由研究區河流周邊農田土壤與河流底泥重金屬的關聯性分析結果可知，底泥與農田土壤中Cd元素的關聯性最明顯，從空間分布來看，分布在支流2周邊的Cd高值區多于支流1，可知支流2比支流1對周邊農田土壤中的Cd污染來源貢獻大;Ni的高值區在養殖場附近，Ni的污染來源主要受養殖廠影響;農田土壤中Cu含量與支流1相關性較高。

總體來看，

農田和底泥中Cd含量均存在超過管控值的現象，超標率分別為61%和73%，最大超標倍數分別為2.24和8.42倍，Cd生態風險程度較高，需要引起高度重視;分別有7%土壤樣品和73%底泥樣品的As含量高于篩選值，超標倍數分別為0.12和0.96倍，As生態風險程度相對較低，但亦應當引起重視。

研究區農田土壤中Cd與河流底泥中Cd具有較高的關聯性，且Cd與As的來源具有相似性。因此，在以后的農田生產活動中，應當對研究區河流底泥和灌溉水進行定期監測以及對河流底泥及時清淤，以確保農田能夠生產出高質量的農作物產品。

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