豫北某市土壤重金屬來源解析及生態風險評價

宋 盈，陳利粉，杜惠文

（河南省安陽生態環境監測中心，河南 安陽 455000）

0 引言

土壤能夠為作物提供必需的生活條件，它主要是由土壤生物、氧化的腐植質、有機質、水分和空氣等組成，是土壤肥力的物質基礎，對人類生活、經濟發展提供了重要的物質保障。重金屬在進入土壤環境后，通過生物鏈進入動植物體內，由于其具有廣泛的生物毒性、不可降解性和累積性，如果重金屬含量過高，就會導致生態系統惡化，危害人類身體健康［1-2］。當土壤中重金屬元素的含量明顯高于原生境含量或背景值，則會對生態環境造成破壞和產生不良的影響［3］。

重金屬來源較為復雜，土壤重金屬主要來源于人類活動和成土母質，人類活動主要包括工業活動、交通活動、生活排污、農業活動等。王喬林等［4］認為沉積巖和火山巖中的Cr和Ni具有較高的背景值，是造成研究區該元素含量高的主要原因。但陳小敏等［5］研究認為污水灌溉、礦石冶煉、煤炭消費、鋼鐵生產和金屬加工等工業活動造成了土壤中Cr和Ni的富集。鄭江鵬等［6］認為重金屬來源可能為人類工業生產及生活排污、農業污染、有機質降解的內源污染。由此可見，對重金屬的來源進行分析較為復雜，但卻十分重要，土壤重金屬的來源解析可為研究區域的土壤環境風險評價及規劃治理等提供科學依據。目前，多元統計方法是土壤重金屬分析的基礎性方法，相關性分析和主成分分析是確定重金屬自然和人為來源的經典方法。地質統計學空間分析技術可以較為直觀地體現出土壤重金屬環境質量分布圖，有不少國內外學者利用多元統計分析與地質統計學分析相結合的方式來分析土壤重金屬的來源和分布［2，7-8］。潛在生態風危害指數法作為一種評價方法已被眾多學者應用，它能夠綜合考慮背景值、毒性差異、生態環境效應等多種影響因子，用以反映土壤中重金屬對環境的潛在危害［9］。

安陽作為京津冀一體化協同發展的城市之一，起到疏解非首都核心功能、解決北京“大城市病”，擴大城市環境容量生態空間，打造現代化新型首都圈的作用。該地區優質的環境現狀尤為重要，然而周邊多個鋼鐵、化工、采礦等企業對研究區域的環境質量尤其是土壤質量有一定的潛在風險。雖有學者對該地區的土壤環境質量做了一定的研究，徐小濤等［10］對工業區及周邊社區表層土壤中重金屬元素的分布特征和健康風險進行了研究，結果表明：工業區和社區表層土壤中Zn、Cu、Pb、As、Cd和Co均存在一定污染；謝永霞等［11］分析了土壤中無機及有機污染物含量，并做了土壤環境質量評價；但目前對該市主城區周邊土壤中重金屬的污染特征和空間分布的研究尚十分缺乏。本研究利用描述性統計法對研究區域的8種重金屬元素含量進行分析，利用相關性和主成分分析法對其來源進行判別和相互佐證；并采用地統計的空間分析技術繪制主成分空間分布圖，對土壤重金屬的來源深入進行判識，同時利用潛在生態風險法對其污染狀況進行評價，旨在為豫北區域城市周邊土壤環境質量的評價、重金屬污染的控制和監管提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本區域位于河南某市主城區，既包含該市行政、經濟、交通的主要區域，也包含城區周邊農村、工業及城鄉混合區。該區域人口密度大，交通布局呈中心區域和城區外圍，地勢西北高東南低，呈階梯狀。該區域土壤類型主要為壤土和潮土，還有少部分砂姜黑土、黏土等。屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季分明，氣候溫和。該區域西部建有多個鋼鐵、冶金企業，周邊建有化工及垃圾回收廠，形成了電子信息、紡織服裝、新能源3個優勢產業和裝備制造、冶金建材、食品醫藥、煤化工4個主導產業的工業體系。在促進當地社會經濟發展的同時，也對土壤環境質量有一定的影響，該區域土壤環境質量關系著居民的生活安全和生態環境安全。

1.2 樣品的采集與測試

本研究對該區域進行網格化采樣點布設，利用GPS進行實地勘察，根據地形、采樣條件等實際情況進行了點位篩選，共123個采樣點（圖1）。利用梅花采樣方式對采樣點進行采樣，采集表層土壤（0～20 cm）并等量混合。經風干、粗篩后的土壤樣品，再研磨至粒徑小于100目備用。重金屬元素Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni含量采用原子吸收分光光度計進行測定，Hg和As含量用原子熒光分光光度計測定［12～14］。

圖1 研究區域采樣點位分布示意圖

1.3 數據處理與分析

1.3.1 統計學分析 利用Excel 2010軟件進行數據處理，使用SPSS 17.0軟件進行描述性統計、相關性分析和主成分分析，利用克里金（Kriging）插值法并通過ArcGIS 10.2軟件繪制主成分空間分布圖。

1.3.2 潛在生態風險評價 潛在生態風危害指數法是Hakanson從沉積學角度，根據重金屬性質及環境行為特點，建立一套評價重金屬潛在生態危害的方法。單個重金屬潛在生態風險因子的計算公式為：

式（1）中，Ci為重金屬含量；為參考值，即本研究中采用的河南省土壤背景值［15］；為某重金屬的毒性相應系數，反映了重金屬的毒性水平及土壤對重金屬污染的敏感性。參考相關研究［7］，As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的毒性響應系數分別為10、30、2、5、40、5、5、1。

潛在生態風險評價標準如表1所示。

表1 潛在生態風險程度評價指標［16］

2 結果與分析

2.1 土壤重金屬含量統計分析

利用SPSS 17.0軟件計算出研究區土壤重金屬元素的統計特征值，結果見表2。該研究區域采樣點位的土壤pH值大多為中性偏堿性，其中有24個點位土壤pH值為6.5～7.5，99個點位土壤pH值＞7.5。結果顯示，Cu、Pb、Zn、Cd、Ni和Hg含量的平均 值 分 別 為24.73、30.07、86.21、0.19、31.52、0.10mg/kg，均超過了河南省土壤背景值，呈強富集和富集狀態；Cr和As含量的平均值分別為61.53和9.18 mg/kg，低于河南省土壤背景值，但其極大值超過了河南省土壤背景值；Pb、Zn、Hg和As的中位值明顯低于平均值，這4個元素的高濃度值數量不多但數值較高，說明受人為因素的影響較大。但監測點位均未超過《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）中相應土壤pH值的風險篩選值［17］。變異系數是標準差與均值的比值，它能夠反映數據的離散程度，變異系數越大，則數據空間分布越不均勻，可能受到的人類活動干擾越大［5］。

由表2可知，重金屬的變異系數從大到小分別為Hg、Cd、Pb、As、Zn、Cr、Ni、Cu，Hg的變異系數較高為1.01（＞0.8）；Cd、Pb和As次之，介于0.4～0.7；Zn、Cr、Ni和Cu較低，介于0.2～0.4，這表明Zn、Cr、Ni和Cu在研究區域土壤中重金屬含量相對較為均勻。偏度從大到小分別為Hg、Pb、Zn、As、Cd、Cr、Ni、Cu，其中Hg和Pb的偏度較高，它們可能受人類活動影響較多而產生了較大的正偏度［18］。由于Hg和As的中位數與其平均值差別較大，這可能受數據中異常值的影響，從而使其呈非標準正態分布，而Cr、Ni和Cu的原始數據經K-S檢驗呈正態分布（即P＞0.05），Pb、Zn和Cd經對數轉換后呈正態分布。

表2 土壤重金屬的描述性統計

2.2 土壤重金屬的相關分析

從表3可知，Cu-Zn在0.01水平上的相關系數為0.507，有較強的相關性，說明Cu和Zn可能具有同源性；Cu-Ni、Cu-Cr、Ni-Cr的相關性為中等程度相關，在0.01水平上的相關系數分別為0.487、0.401、0.366，這說明Cu、Ni和Cr可能具有同一來源，其中Cr和Ni為鐵族元素，與成土母質巖相關性較大。

表3 土壤重金屬的相關性分析

Pb-Hg、As-Hg、As-Pb在0.01水 平 上 的 相 關系數分別為0.388、0.409、0.344，為中等程度相關，說明Pb、Hg和As可能來自同一來源。

Cd和Cu、Zn、Ni在一定程度上存在相關性，相關系數在0.202～0.327之間，大體為弱相關關系，說明Cd的來源可能與其他重金屬的來源關系不大。

2.3 土壤重金屬主成分分析

土壤重金屬的主要來源是自然和人為因素，主成分分析法是利用降維的方式，將多個相關聯的數據轉變為少數類綜合性指標，是解析重金屬元素污染來源的有效方法［19］。利用SPSS 17.0軟件對這8種金屬元素的原始數據進行了KMO和Bartlett檢驗。KMO值為0.73，Bartlett球形度檢驗為0，這說明各個元素之間的相關性較強，可以做主成分分析［20］。

基于主成分方法，采用Kaiser標準化的正價旋轉法，并采用最大方差法對因子載荷矩陣進行了正交旋轉。由表4和圖2可知，根據特征值大于1的原則，從研究區土壤重金屬元素中共提取3個主成分，累積貢獻率為65.008%，這在一定程度上可反映該區域重金屬元素的來源情況。第一主成分的貢獻率為35.795%，Cu、Zn、Cr和Ni具有較高的正載荷，通過統計特征分析發現：研究區土壤中Cu、Ni、Cr和Zn的平均值未超過或接近河南省土壤背景值，且這4個重金屬元素的變異系數相對較小（＜0.4），空間分布較為均勻。還有研究表明，Cr和Ni與地質背景有密切聯系［21］。資料顯示，我國城市土壤污染程度最低的重金屬為Cr和Ni［22］，且Cu、Ni、Cr和Zn的相關性較強，同源性較強，但是Zn、Ni和Cu三者的平均值只略高于河南省土壤背景值，這與其成土母質有關，該研究區土壤類型主要為褐土和潮土，其背景值均較高。因此，可以判斷第一主成分為自然因子，受成土母質的影響。Zn在第一主成分和第三主成分均有一定程度載荷，說明Zn受這2個方面因素的影響。

圖2 土壤重金屬元素主成分載荷

表4 研究區土壤重金屬含量主成分分析結果

第二主成分的貢獻率為15.807%，主要貢獻元素為Hg、Pb和As，Hg和Pb的含量超出了河南省土壤背景值，且Hg的變異系數和超標倍數均遠高于其他元素，說明受人為活動影響較大。在城市中，Pb的主要來源于汽車尾氣的排放［23］，也有研究［24］表明：Pb主要來自汽車尾氣和煤炭燃燒。Hg是被認為“工業源”的特征元素，As和Hg的主要來源于煤炭燃燒和鋼鐵冶煉［22，24-25］。研究區域內有多個鋼鐵廠、焦化廠和電廠，這是造成土壤中As和Hg積累的重要因素。Hg在大氣中是一種很穩定的元素，主要是通過大氣干沉降和濕沉降進入土壤中［26］，As的平均值低于河南省土壤背景值，這是受土壤類型的影響，但As的異常值較大，且與Hg、Pb相關性較強，可認為是同一來源。有研究表明，工業生產（例如冶煉、化工、燃煤和交通運輸）的過程中會產生As，并以降塵和污水的形式進入土壤環境［27］，表層土壤中的As含量主要來源于生產和生活中的含As廢物［23］。綜上所述，第二主成分為交通和工業源。

第三主成分的貢獻率為13.406%，Cd具有較高正載荷，結合表1的統計特征分析發現研究區Cd含量平均值與河南省土壤背景值的比值高達2.51，變異系數為0.65，除Hg外，大于其他元素。Cd主要來自肥料和農藥的施用，同時可能來源于電鍍、冶金等行業 “三廢”的排放［27-30］。Cd是化肥使用的標志元素，它存在于磷肥中，通過磷肥的施用進入土壤［22］。而Zn常作為畜禽飼料的添加劑，用來預防疾病和促進畜禽的生長，但不能得到完全利用，95%以上的Zn隨糞便排出體內［27］，因而施用動物糞便等有機肥可以增加土壤中Zn的含量［22］。由此可知，第三主成分為農業和工業源。

2.4 主成分空間分布

根據主成分法計算出各采樣點位的重金屬含量在這3個主成分中的貢獻率，再利用克里格插值法，采用ArcGIS 10.2軟件制作出空間分布圖。如圖3所示，主成分1的空間分布呈現西部和中間區域的數值較高，這是由于西部的土壤主要是褐土，而褐土的Cu、Zn、Cr和Ni的背景值高于潮土，與土壤分布相似。研究區西北部、中南部分布著幾家化工和冶金企業，研究區域中部及其周邊多為城鄉混居區，該地區居民取暖多用煤炭，也是造成該區域Pb、Hg、As偏高的原因，且由于該區域地勢西高東低，春、夏、秋季為南風，冬季為西北風，所以主成分2中的3種元素累積在這2片區域。主成分3的高值區主要為城市周邊農田。

圖3 研究區土壤重金屬主成分的空間分布

2.5 土壤重金屬的生態風險評價

研究區域土壤重金屬潛在生態風危害指數統計結果見表5。根據Hakanson潛在生態風險分級標準（表1），Cd的潛在生態風險因子處于40～80，屬于中等生態風險水平；Hg的潛在生態風險因子處于80～120，屬于強生態風險水平；其他均小于40，屬于低生態風險水平。研究區綜合潛在生態風險指數RI的平均值為228.6，屬于中等生態風險水平。

表5 研究區域土壤重金屬潛在生態風險危害指數統計

3 結論

（1）研究區域土壤重金屬元素除Cr和As以外，其余元素含量的平均值超過了河南省土壤背景值，呈強富集和富集狀態；但監測點位均未超過風險篩選值。Hg、Pb、Cd和As的變異系數和偏度較大，且中位數與其平均值差別較大，受異常值的影響，可能受人為活動的影響較大。

（2）通過相關性分析可知，Cu、Ni和Cr的來源相似，Pb、Hg和As的來源相似，Cd與其他重金屬的來源關系不大。主成分分析結果顯示第一主成分為Cu、Zn、Cr和Ni，屬自然因子，受成土母質的影響，其空間分布與土壤分布相似。Zn受第一主成分和第三主成分2個方面因素的影響。第二主成分為Hg、Pb和As，屬交通和工業源，受西北部、中南部的化工和冶金企業，以及地勢和季風的影響，高值區分布在中北部和中南部區域。第三主成分為Cd，屬農業和工業源，其高值區分布在主城區周邊農田。

（3）研究區域土壤Cd屬于中等生態風險水平，Hg屬于強生態風險水平，其他元素屬于低生態風險水平。研究區綜合潛在生態風險指數RI的平均值為228.6，屬于中等生態風險水平。