山西省太谷县农田土壤重金属污染特征及评价

郭掌珍，张渊，冯两蕊

（山西农业大学 资源环境学院，山西 太谷030801）

随着现代工业、农业和城市化的发展，废水、废气、废渣和生活垃圾排放增加，容易引起土壤中重金属含量增加，进而影响农产品质量，并最终通过食物链影响人类健康［1，2］，已经受到越来越多的重视［3，4］。太谷县位于山西省晋中盆地中部，距省会太原市60公里，交通便利。该区属暖温带大陆性气候，农业基础好，盛产粮、油、果、菜等，是山西省重要的商品粮基地。近年，随着榆祁高速、太长高速、玛钢厂、化工厂、农机、建材等一批基础设施和主导产业的建成，太谷经济得到了较快发展，农田受交通运输和工业化影响的可能性也在日益增加。为评估经济发展过程中可能带来的土壤重金属污染，对太谷县部分农田土壤中重金属的污染现状进行了初步研究，以期为县域生态环境治理和食品安全提供科学依据。

1 材料与方法

1．1 土壤样品采集

2010年4～6月，从太谷县侯城乡、北汪乡、阳邑乡、范村镇、小白乡等9个乡镇20个自然村采集20个土壤样品，具体样点名称及编号见样点站位图（图1）。

为了保证样品的代表性，样品由采样中心点及周边的4～5个子样混合组成，置于布袋中运回实验室，去除较大的植物根系、石块等杂物，自然风干，研磨过筛，测定汞（Hg）、镉（Cd）、铅（Pb）、砷（As）、铜（Cu）和锌（Zn）6种金属元素含量。

1．2 土壤样品测定方法

砷、汞：原子荧光法；镉：石墨炉原子吸收法；铜、铅、锌：火焰原子吸收法。

实验中加入土壤ESS－1标准样品（GSBZ500011－87）为参考物质，各元素的分析误差均在允许范围内。

1．3 土壤累积性指数

土壤累积性指数常用于评价土壤重金属累积性污染程度［5］。其计算方法为：

式中：Pi为环境中污染物i的累积性指数；

Ci为环境中污染物i的实测浓度／mg·kg－1；

Cbi为环境背景值／mg·kg－1。

土壤累积性分级标准见表1。

本研究采用山西省七五土壤背景值［6］计算土壤累积性指数。

1．4 地积累指数（Igeo）

地积累指数常用于评价沉积物（土壤）中重金属的污染程度［7，8］，其计算公式为：

式中，Cn为元素实测质量分数／mg·kg－1；Bn为元素背景质量分数／mg·kg－1。

根据地积累指数，可对重金属污染程度进行划分。具体见表2。

1．5 多因子分析

主成分 分 析 法 （principal component analysis PCA）广泛应用于评估土壤或沉积物中污染物的来源及变化［9］。PCA法能有效降低数据维度，经过向量提取后只留下有效变量。主成分分析所得结果有助于区分数据变量中相对同源的组分［10，11］。采用统计软件SPSS 13．0（SPSS Inc，USA）进行PCA及相关性统计分析。

2 结果与分析

2．1 土壤重金属含量及累积性评价结果

由表3可见，20个采样点As、Cd、Cu、Hg、Pb、Zn含量变幅依次为（5．97～10．80）、（0．063～0．087）、（12．10～36．35）、（0．011～0．333）、（18．64～65．57）、（39．33～265．60）mg·kg－1，平均含量分别为8．50±1．28、0．072±0．005、21．87±5．46、0．156±0．111、30．98±9．65、72．64±48．40mg·kg－1。同一重金属在不同样点间的变异程度不同，其中Hg在整个研究区域变异较大，Zn、Pb、Cu变异系数次之，As、Cd最小。同一重金属在不同样点间的含量差异大，提示来源可能不同［12，13］。此外，Cd和As标准偏差和变异系数均较小，说明这两种元素在各采样点的分布较均匀［14］。Hg、Zn变异系数较大，分布不均匀，受人为扰动的可能性较大［15］。

统计发现，As含量最大值出现在4＃点位里修村，最小值位于6＃点位阳邑南；Cd最大值出现在15＃点位布袋庄村，最小值出现在5＃点位阳邑北；Cu最大值出现在14＃点位小郭村，最小值出现在1＃点位北张村；Hg最大值出现在19＃北郭村，最小值位于6＃点位阳邑南；Pb最大值出现在17＃朝阳村，最小值出现在1＃北张村；Zn最大值出现在17＃朝阳村，最小值出现在1＃北张村。从表3还可看出，20个样点As、Cd、Cu元素的平均含量与山西省七五土壤背景值相比无明显变化，均属于无累积，说明可能来源于自然背景；Pb、Zn累积程度均为轻度累积；Hg累积程度为重度累积。累积程度表现为 Hg＞Pb＞Zn＞As＞Cu＞Cd。统计发现，与土壤环境质量标准（GB15618－1995）二级标准相比，各样点金属元素含量均未见超标。环境中的汞主要来源于燃煤、钢铁等工业排放和农田灌溉［16，17］。考虑到太谷县工业主要以钢铁、煤焦化循环产业为主，兼有农机、建材等，且该县是传统的农业县，蔬菜、水果、苗木种植相对集中。因此，农田土壤汞的来源可能与工业和农业生产有关。

2．2 土壤污染元素的相关关系

研究表明，来源相似的元素之间往往有较好的相关性，因此，统计学上相关性较好的重金属元素之间在成因上也有相似之处［18］。从太谷县农田土壤重金属元素两两之间的相关系数看（表4），6种金属元素之间，除Pb、Zn之间存在显著相关性，其余两两之间差异不显著，说明各点位重金属元素的来源可能存在多种途径。元素地球化学研究结果表明，成因相似的元素之间常有良好的相似性［18］。Pb和Zn之间的相关性为正极显著相关，相关系数为0．816，说明土壤中这两种元素的来源相似。Pb、Zn均属亲硫金属，都能与土壤中的S结合，形成难溶的硫化物，或被铁锰氧化物或氢氧化物吸附。两者之间的高度一致反映了这两种重金属可能有共同的污染来源。环境中锌主要来源于汽车轮胎磨损，油的泄漏，以及农业含锌肥料的使用［19］；铅主要来源于工业和交通等方面的铅排放。考虑到Pb、Zn含量较高的点位主要集中在2＃、16＃、17＃、18＃点位附近，且多数靠近交通干线，因此，研究区Pb、Zn可能主要来源于交通源的排放。

2．3 土壤污染物地积累指数评价结果

由地积累指数计算结果可知（表5），Pb在多数点位受到轻度～中度污染，且部分点位受到中度污染；Hg在多数点位受到中度污染，部分点位受到强污染。根据太谷县农田土壤重金属地积累指数及污染分级结果，太谷县农田重金属的污染程度由强到弱依次为：Hg＞Pb＞Zn＞As＞Cu＞Cd，整体处于无～中度污染水平，与土壤累积性趋势（表3）相似。

2．4 土壤主要污染物主成分分析

采用主成分分析法对太谷县农田土壤全部样点的金属元素进行了载荷因子分析，通过对原始数据的归一化，得到原始数据相关矩阵，并对相关矩阵特征向量进行提取，取特征值＞1，累积方差已达75．592%的前3个成分作为主成分，得到太谷县农田土壤的主成分因子载荷（表6）。由表6可见，第一主成分占方差的36．519%，包括Pb、Zn、Cu。第二主成分则包括了元素Hg、Cd，其贡献率占到方差的20．431%。第三主成分为元素As。考虑到太谷县农田土壤重金属污染整体较轻（表3、表5），且重金属之间相关性较差（表4），因此，主成分分析中不同因子主要反映了各重金属高值区人为来源的差异［20］。

结合太谷县农田土壤重金属高值区分布可知，第一主成分包含的Pb、Zn、Cu的高值区主要分布在14＃和17＃点位的小郭村和朝阳村。一般认为，环境中的Pb、Zn、Cu均可来源于农业生产［20，21］和机动车排放，且 Pb、Zn也可来源于钢铁冶炼［22，23］。考虑到太谷县农田 Pb、Zn、Cu高值区多分布在交通主干线两侧，且17＃点位附近分布有钢铁厂。因此，其污染来源可能与交通运输、钢铁冶炼和农业生产有关。第二主成分中包含Hg、Cd。环境中的Hg主要来源于燃煤工业排放和农田灌溉［18，22］。考虑到太谷县农田 Hg高值区多分布在5＃点位阳邑北、7＃点位里美庄村、11＃点位冀村、19＃点位北郭村附近，周边无工业企业分布，因此其来源可能与灌溉有关。考虑到样点范围内Cd和第三主成分包含的As，变异均较小且均无累积（表3），因此，Cd和As受人为扰动较少，可能主要来自于成土母质。

3 结论

太谷县农田天壤20个样点As、Cd、Cu、Hg、Pb、Zn含量分别为8．50±1．28、0．072±0．005、21．87±5．46、0．156±0．111、30．98±9．65、72．64±48．40mg·kg－1。土壤累积性指数和地积累指数的计算结果显示，20个样点整体处于无～中度污染水平，但Pb、Zn为轻度累积，Hg为重度累积，说明收到人为扰动较大。太谷县农田土壤重金属Pb、Zn、Cu污染来源可能与交通运输、钢铁冶炼和农业生产有关。Hg污染来源可能与灌溉有关，其余元素主要为自然来源。

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