川西北某乡镇农用地土壤重金属污染评价

李静文 高程 贺玉龙 王亚婷

摘要 基于2017年四川西北某乡镇农用地土壤环境质量评价报告，对土壤8种重金属进行了相关性分析和主成分分析，采用目前应用广泛的内梅罗综合指数法和潜在生态指数风险指数法进行了农用地土壤重金属污染评价。结果表明：土壤中Ni、Cu、Zn、Cd、As这5种元素具有同源关系，Pb、Cr、Hg这3种元素也具有同源关系;8种重金属元素单因子污染指数依次为Cd>Cu>Cr>Zn>As>Ni>Pb>Hg，Cd污染最为严重，为中度污染，整个调查区内梅罗综合污染指数平均值为1.99，属轻度污染;潜在生态危害指数法依次为Cd>Hg>As>Cu>Ni>Pb>Cr>Zn，Cd存在极高等潜在风险，Hg也存在中高等潜在风险，其他重金属元素为低潜在生态风险，综合潜在生态危害指数均值596.98，存在中高等潜在风险。

关键词 农田土壤;重金属;污染评价

中图分类号 X 825  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2021）23-0097-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.23.026

Evaluation of Heavy Metal Pollution in Agricultural Land of a Township in Northwest Sichuan

LI Jing-wen1，GAO Cheng2，HE Yu-long3 et al

（1.Chengdu Research Institute of Environmental Protection， Chengdu，Sichuan  610072;2.Science and Technology Consulting Co.， Ltd. of Sichuan Academy of Environmental Sciences， Chengdu，Sichuan 610041;3. Faculty of Geoscience and Environmental Engineering， Southwest Jiaotong University，Chengdu，Sichuan 611756）

Abstract Based on the evaluation report of soil environmental quality of agricultural land in a town of northwestern Sichuan in 2017， the correlation analysis and principal component analysis of eight heavy metals in the soil were carried out. The Nemero comprehensive index method and the potential ecological index risk index were widely used. The law carried out the evaluation of heavy metal pollution in agricultural land. The results showed that the five elements Ni， Cu， Zn， Cd and As had homology， and the three elements Pb， Cr and Hg also had homology. The single factor pollution index of eight heavy metal elements was Cd>Cu>Cr>Zn>As>Ni>Pb>Hg， and Cd pollution was the most serious to moderate pollution. The average Mero comprehensive pollution index in the survey area was 1.99 mild pollution. The potential ecological hazard index method was： Cd>Hg>As>Cu>Ni>Pb>Cr>Zn， Cd has extremely high potential risks， Hg also has medium and high potential risks， other heavy metal elements are low potential ecological risks. The comprehensive potential average ecological risk index is 596.98， and there is a potential risk in the medium and high.

Key words Agricultural land soil;Heavy metal;Pollution assessment

作者簡介 李静文（1993—），女，四川南充人，助理工程师，硕士，从事土壤污染及防治研究。通信作者，高级工程师，博士，从事土壤污染防治研究。

收稿日期 2021-03-11

土壤是生态系统中重要组成部分[1]，土壤重金属状况会直接影响农作物的质量。土壤中有两种主要的重金属来源：一是来自地质背景，主要是由于成土母质本身重金属含量高，导致土壤中重金属富集;二是来源于人为活动，主要是农业生产、工业和城市生活造成的污染[2]。近年来石油开采、金属冶炼、交通运输等行业越来越多涉及重金属和有机物，农业生产中的化肥、农膜以及农药使用率高，回收率低也造成农用地土壤污染，尤其Cd、Hg、Pb等有毒有害重金属可能被农作物吸收，难以被生物降解，通过生物累积效应在人体中累积，严重危害人体健康[3]，是国内外学者研究的热点。《土壤污染防治行动计划》以及土壤污染详查等相关标准和规范中更是明确指出要重点监测土壤中的Cd、Hg、Pb、Cr、As等重金属污染。此次调查区日常土壤环境监测重金属含量偏高，对该地区农用地重金属进行污染调查及评价，可摸清区域重金属污染特征、主要来源及生态风险等级，对保障农业生产和维护人体健康具有重要意义[4]。

1 调查区概况

调查区位于四川盆地西北部，分布于R河周围，周边农用地主要以地表水R河灌溉为主，距离R河较远的区域以地下水灌溉为主。调查区周边的工矿企业也主要沿R河分布，大多为化工企业，少数为化肥厂、饲料厂、制革厂等。根据周边环境特点初步分析调查区潜在的污染源可能有灌溉水、大气沉降物、肥料等。

2 材料与方法

2.1 样品采集与分析

调查区面积共29.307 131 km2，运用Google Earth、ArcGIS等软件采用200 m×200 m网格法布点，采样深度为土壤表层0～20 cm，共计布设351个点位在采样单元格内根据五点梅花法进行取样。土壤全量铜、铅、锌、镉、铬、镍测量采用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）;全量砷和汞测量采用微波消解/原子荧光法[5]。

2.2 评价方法

2.2.1 内梅罗污染综合指数法。

内梅罗污染综合指数法根据土壤环境质量评价和污染评价，评价土壤受多种污染物污染综合效应的环境质量指数，常以土壤中各污染物的污染指数的叠加作为土壤污染综合指数。该研究采用综合指数法对土壤进行环境质量评价，该评价方法不仅可以全面反映各种污染物对土壤环境质量产生的影响，还特别考虑了对土壤环境影响最严重的因子，另外在加权过程中尽量客观，避免主观因素对评价结果造成影响，所以在单因子指数评价基础上采用内梅罗综合指数法。依据GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》中的农用地土壤污染风险筛选值，可得出超标元素种类及其超标程度。

先按照调查区土壤环境中的各污染物的实测数据分别算出各因子的分指数，再通过分指数计算调查区土壤各因子污染指数的平均值和最大污染指数，最后计算内梅罗污染综合指数，根据土壤综合污染分级标准可得出土壤污染等级。

2.2.2 潜在生态风险指数法。

Hakanson在20世纪90年代发表了潜在生态风险指数法，该方法能够有效反映不同区域多种因素对生态风险的影响包括土壤重金属对生态环境可能造成的潜在风险应用较为广泛[6-7]。其计算公式为：

Eir=Tir×CiCoi（1）

RI=Eri（2）

式中，Eir代表元素r的单项潜在生态危害指数;RI为多种重金属综合潜在生态危害指数;Tir为单一重金属元素的毒性响应系数。该研究涉及的重金属毒性系数[8]如表1所示。Ci为土壤重金属i的实测含量（mg/kg）;Coi为重金属i的参比值（mg/kg），采用四川省土壤背景值。

3 结果与讨论

3.1 研究区农用地土壤重金属污染分布特征

研究区土壤重金属含量见表2，变异系数（%）是标准差与平均值的比值，可以用来表征数据的离散程度，小于10%时为弱变异，10%～90%为中等程度变异，大于90%为高程度变异[9]。从表2可看出，所有元素都有不同程度变异，Hg和Cd的变异系数相对较高，说明Hg和Cd分布不均匀，存在人类活动产生的异常值[10]。

3.2 重金属含量相关性分析和主成分分析

同一来源的元素之间存在相关性，因此，可以利用元素之间的相关性来反映各个元素之间的同源关系或关联情况[11]，相关性分析结果见表3。

由表3可知，土壤中Ni、Cu、Zn、Cd、As含量之间呈极显著正相关，表明这5种元素具有同源关系或者它们的污染源之间具有一定的关联性;Pb、Cr、Hg含量之间也存在极显著正相关，表明它们具有相似的污染途径和来源[12]。

因子分析法中，KMO和Bartlett检验表明各重金属之间具有较强的相关性，该研究取样的KMO值为0.794，Bartlett球形度检验P值<0.001，说明这8种重金属的数据十分适合做因子分析[13]。

由表4因子分析的总方差解释，该研究的总变量适合由2个主成分因子来解释，2个主成分因子可解释总变量的66.570%，因子1解释总方差的46.089%，因子2 解释总方差的20.481%。

因子载荷矩阵见表5，可看出Ni、Cu、Zn、Cd、As主要受因子1影响;Hg、Pb、Cr主要受因子2影响。这再次解释了元素含量之间具有相关性，来源可能相似。

3.3 内梅罗污染综合指数法评价结果

调查区8种重金属含量的单因子污染指数如表6所示。

按照单因子污染指数平均值大小排序，8种重金属依次为Cd>Cu>Cr>Zn>As>Ni>Pb>Hg，可观察出区域内Cd污染最为严重，为中度污染。

调查区内梅罗综合污染指数评价结果如表7所示[14]。

由表7可知，仅10.56%的点位不存在重金属污染，48.71%的点位轻度污染，28.77%的点位中度污染，11.96%的点位重度污染;整个调查区P综平均值为1.99，属轻度污染，造成污染的主要元素为Cd与Cu。利用ArcGIS克里金插值法得到土壤重金属内梅罗综合污染指数空间分布图，由图2可看出污染严重的点位主要集中于R河的北侧，需要对此区域污染源进行详细调查。

3.4 潜在生态风险指数法评价结果

由公式（3）算出调查区土壤8种重金属潜在生态风险指数，平均潜在生态风险指数大小排序为Cd>Hg>As>Cu>Ni>Pb>Cr>Zn。潜在生态危害指数法引入了毒性因子，使评价更侧重于污染物的潜在毒害效应，根据评价结果（表8、9）[12]，Cd存在极高等潜在风险，Hg也存在中高等潜在风险，其他重金属元素为低潜在生态风险。

调查区综合潜在生態危害指数（RI）范围为176.63～1 282.47，均值596.98，根据潜在生态风险程度分级标准，调查区土壤环境存在中高等潜在风险。

利用ArcGIS对调查区土壤的潜在生态风险进行插值分区，由图3可看出R河的南部土壤潜在生态风险严重，需要对此区域污染源进行详细调查。

4 结论

（1）调查区农用地土壤主成分1中Ni、Cu、Zn、Cd、As的载荷系数较大，具有同源关系，Cd元素外部来源主要来自大气沉降和化肥;主成分2中Hg、Pb、Cr的载荷系数较大，这3种元素有相同自然源输入。

（2）调查区农用地土壤中各重金属的单因子污染指数平均值排序为Cd>Cu>Cr>Zn>As>Ni>Pb>Hg，其中Cd污染最為严重，其他均为轻度污染。整个调查区90%的点位存在土壤重金属综合污染。整个调查区P综平均值为1.99，属轻度污染，这是基于多种重金属浓度综合考量的结果其中某些污染较重的金属可能被平均，从而削弱了其实际的污染水平。

（3）调查区重金属对土壤的潜在危害程度依次为Cd>Hg>As>Cu>Ni>Pb>Cr>Zn。Cd存在极高等潜在风险，Hg存在中高等潜在风险。整个调查区RI值为596.98，存在中高等潜在风险。

（4）综合两种评价方法，调查区农用地土壤中Cd的污染程度和潜在危害程度相对都比较高; Hg虽然污染程度较低但其毒性带来的潜在危害比较严重。且两种评价方法得出污染分布区域与潜在污染区域有差异，说明污染现状不明显的区域极有可能存在污染风险，需同时加强调查区北部农用地土壤污染治理和南部土壤污染风险管控。

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