基于受体模型和地统计学的海南岛农用地土壤重金属分布特征及源解析

徐诗琴 王海妹 符式锦

(海南省生态环境监测中心，海南 海口 571126)

人类对土地资源的大规模开发利用对土壤生态环境造成了巨大破坏。2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国土壤环境状况不容乐观，耕地土壤超标率高达19.4%，重金属污染问题尤其突出，工矿业、农业等人为活动是造成污染的主要原因。

海南作为我国唯一的热带岛屿省份，是南繁育种及热带作物种植的重要基地。海南岛农用地土壤环境质量将直接关系到全国农作物种苗质量、农产品安全乃至人民健康。近年，不少学者运用统计学、地统计学等方法对海南岛农用地土壤重金属污染状况做了相关研究[1-4]，但重点多集中在对土壤重金属的含量评价及分布描述上，有关源解析的研究很少；李福燕等[5]通过因子分析法分析了海南岛农田土壤重金属主要来源，但仅实现了对潜在污染源的定性识别，而未能对各源具体贡献率作定量解析。

本研究在对海南岛农用地土壤重金属污染状况作多元统计评价的基础上，结合主成分分析(PCA)/绝对主成分得分(APCS)受体模型及基于地理信息系统技术的Krging空间插值分析方法，定量解析了海南岛农用地土壤中8种重金属(As、Hg、Cd、Cr、Pb、Cu、Zn、Ni)的主要来源及其贡献量，同时分析了各重金属元素的空间分布特征，探索其空间变异性规律，以期为改善海南岛土壤生态、保障农业生产安全及促进海南岛热带高效农业可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

本研究区域为海南省主岛——海南岛。海南岛地处热带北缘(108°36′E～111°3′E、18°10′N～20°10′N)，属热带季风气候，岛上光温充足，年光照1 750～2 650 h，年均气温22～27 ℃，雨量充沛，年降水量1 000～2 600 mm。优越的光、热、水资源为海南岛土地农业开发利用提供了有利条件，海南岛土地总面积344.2万hm2，农用地面积占4/5以上，按用途可分为林地、耕地、园地等，主要土壤类型有砖红壤、赤红壤、水稻土等，成土母质主要有花岗岩、砂页岩、玄武岩及海相沉积物。

1.2 样品采集处理

共采集海南岛农用地表层土壤样品133个，分布于18个市县。采样过程使用全球定位系统定位，样品由点位半径10 m内3～5个点的土样混合而成，采样深度为0～20 cm，通过四分法采集约500 g样品，置于室内自然风干，拣去碎石、枯枝、虫尸等杂物后研磨过筛备用。

1.3 样品测定及质量控制

土壤pH采用S210酸度计测定；有机质根据《土壤检测 第6部分：土壤有机质的测定》(NY/T 1121.6-2006)测定；全氮采用K1100全自动凯氏定氮仪测定；阳离子交换量采用TU1950紫外可见分光光度计测定；称取0.5 g土壤样品加入10 mL(1+1)王水，沸水浴消解2 h，冷却后加入10 mL重铬酸钾保存液，定容取上清液采用BAF-2000原子荧光光度计测定As、Hg含量；称取0.1 g土壤样品，置于聚四氟乙烯密闭消解罐中，加入6 mL王水，按程序微波消解后过滤定容，采用NexION 300X电感耦合等离子体质谱仪测定Cd含量；取约5 g土壤样品，使用硼酸垫底镶边，压制成7 mm左右的压片，上机，采用S8 TIGER X射线荧光光谱仪测定Cr、Pb、Cu、Zn、Ni及全钾、全磷。

测定过程质量控制通过全程序空白、国家有证标准样品、平行样测定实现。全程序空白均未检出，标准样品测定误差为-3.6%～7.7%，平行双样测定标准偏差为1.5%～9.1%，pH偏差不超过0.2，均满足质控要求，测定结果可信。

1.4 评价方法与数据分析

1.4.1 单因子污染指数及内梅罗综合污染指数法

根据《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618-2018)，选取8种重金属作为评价因子。评价方法采用单因子污染指数和内梅罗综合污染指数法。计算公式如下：

Pi=Ci/Si

(1)

(2)

污染等级分为4级：Pi或P综≤1，清洁；>1～2，轻度污染；>2～3，中度污染；>3，重度污染。

1.4.2 PCA/APCS受体模型

PCA/APCS受体模型是由THURSTON等[7]于1987年创建的源解析模型。该模型基于PCA结果，通过引入零样本计算因子——APCS，再通过多元线性回归，以重金属含量为因变量，APCS为自变量进行多元线性回归，得到不同源的贡献率，即式(3)，其中Ap×bpn换算得到源p对重金属的贡献率。

Ci=b0+∑Ap×bp

(3)

式中：b0为常数项，mg/kg；Ap为源p的APCS；bp为源p的回归系数，mg/kg。

1.4.3 数据分析

土壤重金属含量的多元统计、PCA和多元线性回归分析通过SPSS 22.0及Excel 2007软件实现；地统计学及空间分布图的制作使用ArcGIS 10.5软件完成。

2 结果与讨论

2.1 土壤理化性质及重金属含量特征

本次采集的样品以水稻土为主。海南岛农用地土壤总体呈酸性，pH平均值为6.16(见表1)，酸性土壤占比87.3%；有机质、全氮、全磷、全钾均处于中等水平，土壤肥力一般；阳离子交换量小，保肥能力较弱。酸性条件不利于土壤养分的保持，因此海南岛农用地土壤总体偏于贫瘠。同时，土壤酸化还会促进重金属迁移释放，增加环境风险。

表1 土壤理化性质

海南岛农用地土壤中，8种重金属平均值均在海南背景值以下，并远低于风险筛选值(见表2)，总体处于较低浓度水平；各元素的变异系数高，其中As、Cr、Ni、Cu超过100%，数据离散程度大，说明各元素空间分布很不均匀，存在局部区域富集情况；Cd超标最多，污染风险最大，Ni、Cr、Cu、Zn次之，As、Hg、Pb污染风险较低。

表2 重金属质量浓度统计结果

2.2 污染指数评价

根据单因子污染指数，Cd污染最重，污染点位占比高达33.8%；Ni、Cr、Cu、Zn局部污染严重，中重度污染占比为4.5%～9.0%，且点位重合度高，呈污染同发特征，可能同源；Pb污染面广但程度较轻，23.3%的点位几乎全部为轻度污染；Hg、As污染最少，95%以上点位为清洁水平。

根据内梅罗综合污染指数，66.9%的点位处于清洁水平，22.6%处于轻度污染，3.0%处于中度污染，7.5%处于重度污染。可见，海南岛约1/3的农用地土壤受到重金属污染威胁，有必要开展源解析研究。

2.3 PCA

重金属含量原始数据标准化后进行KMO检验及Bartlett球形检验，结果显示，KMO值为0.768，P=0，不同元素含量相关性强，PCA效果好。因此，基于PCA原理对因子载荷矩阵进行方差最大化旋转，提取得到3个主成分因子，其累计方差贡献率达到82.4%，能解释大部分重金属来源。

因子1方差贡献率为42.2%，Ni、Cr、Cu、Zn占主要载荷，Cr和Ni常在超基性-基性岩中相伴出现，可作为成土母质的标识性元素。海南岛第一大母岩类型是火成岩，广泛分布于海南岛东北部的玄武岩属于典型的基性火成岩，研究显示，海南玄武岩风化区土壤中Cr、Ni、Cu严重超标[8]。因此，因子1极可能指示了玄武岩母质的影响，归类为自然源。因子2方差贡献率为20.1%，Pb、Hg、Zn占主要载荷，这3种元素通常为工矿业开采或交通运输活动副产物[9-10]，海南岛工业较少，工业源总体贡献不大，但西部矿藏丰富，矿山开采易产生严重的重金属污染。此外，海南岛乃旅游胜地，交通往来密集，Pb、Hg长期随汽车尾气排放沉降，Zn则是轮胎制造重要添加剂，随轮胎磨损累积至道路两侧土壤中。因此，因子2可归类为工业交通源。Zn在因子1、2的载荷分别为0.736和0.564，载荷相当，故具有双重来源。因子3方差贡献率为19.1%，主要载荷元素为Cd和As。Cd天然伴生于磷肥的生产原料磷矿石中[11]，而As则被广泛用作农药、杀虫剂、除草剂[12]，常作为农业活动标识元素。海南岛农业耕作模式粗放，化肥农药过度施用问题突出。据统计，2018年海南省单位播种面积化肥施用量为679 kg/hm2，约为全国平均用量的2倍[13]，化肥农药用量大、利用率低造成Cd、As在土壤中的大量富集。因此，因子3归类为农业源。

2.4 PCA/APCS受体模型分析

PCA仅能实现对污染源的定性识别，为分析不同源的贡献率，利用PCA/APCS受体模型进一步开展定量源解析，得到各元素的多元线性回归方程。方程的R2代表回归关系中因变量的全部变异能被自变量解释的比例，R2越高代表模型越好。结果显示，除Hg的回归方程的R2为0.537外，其余各元素的R2为0.806～0.933，即回归模型能解释大多数元素80%以上的变异，拟合效果较好。

根据回归方程计算得到各元素不同源平均贡献率，结果见图1。自然源是Ni的最主要来源，其贡献率高达79.1%；Cr和Cu主要来自自然源，贡献率分别为60.5%和45.5%，其次为工业交通源，贡献率分别为23.5%和36.2%；Hg、Pb、Zn主要来自工业交通源，贡献率分别为73.6%、73.5%和59.4%，Zn、Hg还分别受到19.6%、12.0%自然源影响；Cd和As主要来自农业源，贡献率分别为62.9%和54.9%，工业交通源次之，分别为26.9%和24.9%。定量源解析结果与PCA结论基本一致，这也验证了PCA的合理性。

图1 不同源贡献率Fig.1 Contribution ratios from different sources

2.5 空间分布特征

采用半变异函数理论模型进行普通Kriging插值，绘制海南岛农用地土壤重金属元素空间分布图，结合各源的实际分布情况，进一步验证重金属污染来源。

由图2可见，Ni、Cr、Cu的分布格局基本一致，均呈东北部高、西南部低的趋势，高值集中于儋州以东、琼海以北地区，在定安、琼海一带含量达到最高。海南岛北部地区晚新生代玄武岩广泛分布，覆盖面积超过4 000 km2，自西向东横跨儋州、临高、澄迈、海口、定安、琼海、文昌等市县。Ni、Cr、Cu高值分布与玄武岩覆盖区域基本吻合，验证了3者主要来源于玄武岩母质的推论。

图2 海南岛Ni、Cr、Cu空间分布Fig.2 Spatial distribution maps of Ni，Cr，Cu of Hainan Island

由图3可见，Cd和As的分布格局相近，高值主要分布在海南岛沿海平原地区，并向中南部山区递减，低值位于五指山、琼中、乐东、保亭等地。海南岛地势呈中间高、四周低的特点，从中部偏南到四周沿海由山地、丘陵、台地、平原逐级递降，构成环形层状地貌。沿海平原地区农业密集，化肥农药施用量大，土壤中Cd、As含量高；中南部山区农业开发利用难，农田分布少，Cd、As含量低。

图3 海南岛Cd、As空间分布Fig.3 Spatial distribution maps of Cd，As of Hainan Island

由图4可见，Hg、Pb、Zn含量分布呈斑块状，高值散落于不同区域。由于影响因素复杂，3者分布集明显；Zn、Hg最高值均落在琼海及定安，这与Ni、Cr、Cu一致，同属成土母质影响。

图4 海南岛Hg、Pb、Zn空间分布Fig.4 Spatial distribution maps of Hg，Pb，Zn of Hainan Island

格局各有异同：Hg的高值主要分布在沿海环岛高速沿线及大型港口附近，主要是由于沿海高湿、高盐环境更有利于Hg的大气沉降；Pb、Zn高值分散落于海口、三亚、昌江、琼中等地，程度不一，海口、三亚为海南主要城市，人流密集，琼中为海南横纵交通枢纽所在，交通源贡献量大；昌江矿产开采多，Pb的富

2.6 讨 论

土壤重金属源解析对于保护区域生态环境安全及制定可持续发展政策具有重要参考价值。根据源解析结果，Cd是海南岛农用地土壤中最主要污染元素，而化肥农药的过度施用是导致Cd污染的主要原因。因此，海南在大力发展热带高效农业的同时务必要考虑土壤环境风险的防控。加大化肥农药减施力度并推进测土配方施肥，将是保障海南农业生产和生态环境安全的必要措施。As虽同样来源于农业活动，但由于As更易淋溶流失或被作物吸收利用，故在土壤中并未呈现显著污染，但更应关注农产品中As安全问题。Ni、Cr、Cu超标主要是由环境本底值高造成，并非外源污染，加之其较难被植物吸收，环境风险相对较小。以工业交通源为主的Pb、Zn、Hg含量总体不高，当前环境风险不大，但随着未来工业化、城市化进程的加快，防患于未然，制定具有前瞻性的污染防治目标及政策，是值得管理部门探究的一个问题。

3 结 论

(1) 海南岛农用地土壤8种重金属含量总体处于较低浓度水平，但存在局部区域富集情况。根据内梅罗综合污染指数，66.9%的点位处于清洁水平，22.6%处于轻度污染，3.0%处于中度污染，7.5%处于重度污染。

(2) PCA/APCS结果表明，Ni、Cr、Cu主要来源于自然源，贡献率分别为79.1%、60.5%、45.5%；Hg、Pb、Zn主要来自工业交通源，贡献率分别为73.6%、73.5%和59.4%；Cd和As主要来自农业源，贡献率分别为62.9%、54.9%。

(3) 各重金属元素空间分布特征进一步验证了土壤重金属污染来源：海南岛东北部玄武岩覆盖区域Ni、Cr、Cu含量最高；Cd、As含量分布与海南岛农业开发利用情况一致，沿海平原农业密集区Cd、As含量高；Hg、Pb、Zn含量呈斑块状分布，高值散落于沿海环岛高速及港口区域、主要城市、交通枢纽所在及矿产开采区。