武陟农田重金属污染特征及其与河流底泥的关联性分析

刘文超 刘曦 温思寒

摘要 通过对武陟研究区农田土壤和河流底泥中As、Cd、Cu、Ni含量进行测定，并采用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法、潜在生态风险指数法分析其污染特征，对农田土壤与支流1和支流2底泥重金属含量之间的关联性进行分析。结果表明，Cd的积累效应最明显，As、Ni的积累效应次之，Cu的积累效应不明显;As和Cd含量的高值区主要分布在支流1和支流2附近，Ni含量的高值区主要分布在靠近支流1的养殖场附近，Cu含量的高值区主要分布在支流1附近。Cd的单因子污染指数均值为8.70，属于重污染程度;Cu和Ni所引起的污染处于清洁水平;As含量处于警戒水平;Cd的综合潜在生态风险指数的贡献率97%。农田中Cd与As之间存在同源污染，底泥中的Cd和As也有同源性;农田土壤的Cd、As与底泥中对应重金属的关联性最明显;土壤重金属Cu和Ni与支流1底泥有关联性、Ni还受养殖场的影响。

关键词 农田土壤;河流底泥;重金属;含量特征;空间分布;污染评价;关联性

中图分类号 X 522  文献标识码 A  文章编号 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 刘文超（1994—），男，河南济源人，硕士研究生，研究方向：区域环境治理与生态修复。通信作者，工程师，从事环境污染防治研究。

收稿日期 2021-03-22;修回日期 2021-05-20

进入工业时代以来，工业的发展以及城市化进程的深入都导致了土壤重金属污染状况的加重[1]。在农业生产活动中，污水灌溉、农药及化肥等不合理使用，同时加上周边工业区产生的污染，都会导致农田土壤中重金属含量增加[2]，农田土壤重金属污染不仅会对农作物生长过程造成影响，还会对人类健康生活产生影响[3]。已有众多学者使用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法和潜在生态风险指数法对土壤重金属污染现状进行了评价[4-7]。河流底泥作为地球表层生态和地质环境系统中有机组成部分，是水体环境中重要的物质寄宿体[8]，通过分析河流底泥的污染状况，可以判断河流在历史是否受到污染[9]。河流底泥重金属的污染不仅会对河流水体造成影响，而且会通过灌溉或地表径流的方式对周边农田土壤造成污染，亦有许多学者针对此问题进行了研究[10-14]，但是对于河流底泥与农田土壤重金属的关联性研究较少。

焦作市农田土壤环境质量状况总体良好，但由于焦作市正处于新型工业化、城镇化和农业现代化加速推进的关键时期，工业集聚区的建设加快、工业污水处理厂废水排放对河道水质以及底泥的影响，均有可能对农田土壤造成影响，此外，局部地区土壤呈现新老污染并存、有机污染和无机污染交织的复杂局面，土壤环境形势不容乐观。众多学者对焦作土壤的环境进行了分析评价[15-19]，但是对焦作地区河流周边农田土壤重金属污染现状研究较少，且鲜有学者分析其与周边河流底泥关联性。因此，笔者对武陟研究区农田土壤中的As、Cd、Cu和Ni等重金属污染特征进行分析，并分析其与周边河流底泥中重金属的关联性，旨在为进一步做好农田土壤重金属污染防治工作提供一定参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

武陟县位于焦作市东南部、黄河北岸，地处113°11′～113°39′E、34°56′～35°10′N，全县总面积860 km2，属于暖温带大陆性季风型气候。武陟县年平均气温14.4 ℃，年平均降水量575.1 mm，年平均无霜期212 d。全县土壤主要为潮土类，占全县面积的84.1%。

研究区为流经武陟县内的河流1和河流2交汇处附近的农田土壤，如图1所示。

1.2 样品采集与处理

在支流1上取L01～L06共6个底泥采样点，在支流2上取Y1～Y5共5个底泥采样点，选择与底泥采样点相对应的农田位置作为农田土壤采样点，共计11个河流底泥样品和28个农田土壤样品，采样点布设如图2所示。采集农田表层土壤（0～20 cm）[20]，用四分法取约1 kg的土壤样品;河流底泥样品采集河流采样断面两端及中心混合后的样品约1 kg。土壤和河流底样品在没有阳光直射的条件下风干，依次研磨，过60和100目尼龙筛，经消解和定容后用ICP-MS测定Cd、Ni、Cu和As等重金属含量。

1.3 农田土壤重金属污染评价方法

1.3.1

变异系数法和富集因子法。变异系数（CV）能够反映数据变量空间上的离散程度，是富集与贫化程度的趋势性大小，是元素土壤空间分布的一个重要参数。当CV≤40%时，重金属可能来自成土母质或者面源污染;当CV>40%时，重金属可能存在工业点源污染[20]。富集因子（EF）为某一重金属元素的均值与其背景值的比值，反映某一重金属元素在研究区的富集程度，从而推断该重金属外源影响的大小。

1.3.2 单因子污染指数法。

以土壤环境质量农用地土壤污染管控标准（GB 15618—2018）中的土壤筛选值作为污染评价的参考值。单因子污染指数表达公式如下：

Pi=CiSi（1）

式中，Pi为某个重金属的单项污染指数，Ci为重金属的测定值，Si为土壤筛选值。各重金属单因子污染指数评价分级标准见表1。

1.3.3 內梅罗综合污染指数法。

内梅罗综合污染指数法表达公式如下：

P综=P12+P222（2）

式中，P1为各重金属元素的最大单因子污染指数，P2为各重金属元素单因子污染指数平均值。土壤重金属综合污染评价分级标准[21]如表1所示。

1.3.4 潜在生态风险指数法。潜在生态风险指数法表达公式如下：

Eir=Tir×Pi（3）

RI=ni=1Eir（4）

式中，Pi为某个重金属的单项污染指数;Eir为单因子潜在生态风险指数;Tir为污染物毒性响应系数，分别为Cd 30、As 10、Cu 5、Ni 5;RI为综合潜在生态风险指数。重金属潜在生态风险分级标准见表2。

2 结果与分析

2.1 研究区农田表层土壤重金属含量特征

从表3可以看

出，农田土壤Cd、As、Cu和Ni平均含量表现出较大差异，其

平均含量从大到小依次为Ni>Cu>As>Cd;Cd含量为

0.25～12.97 mg/kg，28个农田点位均超过河南土壤背景值，

平均含量是河南土壤背景值的34.8倍;As、Cu含量分别为1.09～28.11、14.42～60.21 mg/kg，分别有64%和39%农田点位超过河南土壤背景值，平均含量是河南土壤背景值的1.26和1.11倍;Ni含量为18.32～150.14 mg/kg，有50%农田点位超过河南土壤背景值，平均含量是河南土壤背景值的1.22倍。综上可知，这4种元素在土壤中有不同程度的积累，Cd的积累效应最大，As、Ni的积累效应次之，Cu的积累效应较低。

该区域农田土壤pH均大于7.5，从4种元素农用地土壤污染风险筛选值来看，只有Cd和As超过了筛选值，超标率分别为93%、7%，最大超标倍数分别为20.62和0.12倍;从农用地土壤污染风险管控值来看，Cd有61%的样品超过风险管控值，超大超标倍数为2.24倍，其余元素均未超标。

从4种重金属的变异系数来看，Cd、As、Cu和Ni的变异系数均大于40%，表明研究区农田土壤中这4种重金属含量变化主要受到点源污染的影响。

2.2 研究区农田土壤重金属含量空间分布特征

使用ArcGIS中反距离加权插值法绘制出研究区河流周边农田土壤重金属的空间分布图。从图3～6可以看出，该区域4种重金属空间分布有一定的差异性和相似性。

重金属Cd和As的空间分布特征具有相似性，如图3～4所示，在支流1和支流2较近处存在高值区，高值区在西南侧靠近村落和公路的地方呈明显的西南—东北条带状分布。在距离河流较近的农田均有Cd的高值区，说明支流1和支流2这2条河流对周边农田中Cd和As影响较大，且根据实地调查，发现该处农田日常灌溉取水均来自支流1和支流2。曹露[22]在对碧流河下游农田土壤重金属污染研究中发现距河流灌溉处较近的农田土壤重金属含量比较远处偏高，该结论与此次研究结论一致。在西南侧靠近村落和公路的地方Cd和As存在明显的高值区，根据调查该区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等重金属，其生产过程中无法完全去除，这部分重金属会保留在肥料中，进而影响到农田重金属含量，受影响最大的是Cd元素。庄重等[23]研究也说明了使用磷肥会使农田土壤重金属含量升高，所以农田中Cd的超标可能与磷肥的使用有关。综上可知，农田中Cd和As元素在距离河流较近处主要与河流灌溉有关，在西南方向可能是由于磷肥的施用。值得注意的是，因为饲料添加剂中含有大量砷的化合物，在养殖业中应用较广，经动物排泄物的农用，含砷化合物会被释放到农田中。王星蒙[24]在对辽宁省畜禽养殖场周边土壤重金屬污染评价中提到养殖场会对周边土壤造成As含量超标。而在该区域东北侧As的空间分布呈较为明显的带状分布，所以农田中的As还可能与附近养殖场中有机肥的施用有关。

研究区Cu含量的空间分布（图5）显示，在靠近支流1的D、E采样点序列呈明显的条状分布，存在大范围的高值区。距离河流越远，Cu含量越低。Cu在该区域有39%的采样点含量超过了河南土壤背景值，Cu含量超过背景值的采样点主要来自D、E采样点系列。冯启言等[25]研究荆马河水体对土壤的影响发现，污水灌溉下的农田土壤Cu含量是土壤背景值的13.24倍。根据前文可知，土壤中的Cu富集因子为1.11，所以Cu元素的积累可能与支流1的灌溉有关。

研究区Ni含量的空间分布（图6）显示，Ni含量在养殖场附近存在一定的高值区，且含量远超过河南土壤背景值，积累效应明显，呈现以养殖场为中心向四周呈逐渐下降的变化趋势。在靠近支流1的农田中，只有靠近养殖场的农田Ni含量存在高值区。靠近支流1和支流2的大部分农田Ni含量分布均匀。孙文静[26]通过对内蒙古畜禽养殖场周边土壤重金属污染特征进行分析及评价，结果发现养殖场周边Ni的平均污染程度较高，高值区Ni含量污染源可能来自养殖场。

2.3 研究区农田土壤重金属污染评价

2.3.1 研究区重金属污染指数评价。

从研究区重金属单因子污染指数评价结果（表4）可以看出，重金属单因子污染指数均值从大到小依次为Cd>As>Cu>Ni。研究区农田土壤Cd的单因子污染指数均值为8.70，污染级别为IV，程度为重污染，应引起足够的重视;其余重金属污染级别均为I，均为清洁级别。

从研究区重金属内梅罗综合污染指数评价结果（表5）可以看出，研究区农田土壤处于重污染程度的采样点占71.4%，处于轻污染程度的采样点占17.9%，处于警戒级的采样点占3.6%，只有7.1%的采样点处于安全范围内。由此可见，研究区农田土壤重金属污染较重，应尽快找到主要污染源，采取有效的防治措施。

2.3.2 研究区重金属潜在生态风险评价。

从表6可以看出，4种重金属元素单项潜在生态风险指数由高到低为Cd>As>Cu>Ni，只有Cd元素的潜在生态风险指数均值大于40，而其余元素均小于40;由Cd的潜在生态风险指数计算结果（表7）可知，Cd处于极强生态风险的所占比例高达59%，有24%的处于轻微、中等级别。各重金属元素的综合潜在生态风险指数（RI）最大值为666.70，最小值为14.14，均值为268.22，处于中等风险级别。其中Cd元素对综合潜在生态风险指数的贡献率达97%，其余元素贡献率占3%，表明Cd是主要污染因子，应引起重点关注。这与孙文贤等[27]对高青县设施农田土壤重金属分布特征及污染评价的结论一致。

2.4 研究区农田土壤重金属含量之间的相关性

2.4.1 农田重金属含量之间的相关性。

通过SPSS软件，运用皮尔逊双尾检验法对Cd、As、Ni、Cu这4种重金属元素进行测试分析，研究他们是否具有相关性。从表8可以看出，研究区农田土壤重金属Cd与As的相关系数为0.791，它们之间表现为显著相关（P<0.01），Cd与As之间存在同源污染，它们的污染来源可能来自污水灌溉和喷施农药等。

2.4.2 河流底泥重金属含量之间的相关性。

根据SPSS分析结果（表9）可知，研究区河流底泥重金属含量间存在一定的相关性。Cd和As的相关系数为0.754，Ni和As的相关系数为0.893，表明As与Cd、As与Ni之间均存在显著相关性（P<0.01），可能存在同源污染。经前期调研，2条河流上游以前存在有皮革厂、冶金厂等，河流底泥中的Cd和As可能来源于历史时期的积累;由前文可知，Ni的来源可能与养殖场有关，可以推测底泥中As含量的变化也受到养殖场的影响。

2.5 研究区河流底泥与农田重金属关联性分析

历史时期河流周边工厂废水的排放造成了支流1和支流2底泥中重金属的沉积，通过河流灌溉或地表径流等方式导致了距离河流较近的农田土壤重金属的积累。研究区河流底泥重金属含量如表10～11所示。

根据前文空间分布图（图3～6）可知，Cd含量高值区主要分布在支流1底泥采样点位L02和支流2底泥采样点位Y1、Y3、Y4、Y5附近。其中L02的Cd含量为支流1中含量最高的点位，支流2中的4个采样点位Cd含量较高，这表明农田中Cd含量和底泥中Cd含量关联性明显。刘双[28]研究河流沉积物对Cd的影响表明，Cd的积累效应不易去除，结合前期调查，河流上游皮革厂中曾超标排放Cd，这是农田中Cd的主要来源。农田中As含量的高值区主要分布在支流1底泥采样点位L02、L03和L06以及支流2底泥采样点位Y3、Y4、Y5附近。与此同时，这些底泥采样点位的As含量较高，所以河水灌溉是影响农田As含量的最主要因素。王玲玲等[29]在一起河流As污染事故的处置与监测分析中发现河流上游的工厂排放的As会影响河流的水质质量，As沉积到河流底泥中不易消除，进而影响农田。Ni含量的高值区分布在支流1采样点位L05和L06附近，该点位Ni含量分别为33.61和32.75 mg/kg，根据前文可知，农田中Ni主要来源于养殖场并且养殖场位于采样点位L06附近，由此可知，养殖场可能是Ni最大的污染来源。Cu的农田高值区分布在支流1附近，且支流1底泥采样点的Cu含量高于支流2底泥采样点的Cu含量，所以研究区农田土壤中Cu含量与支流1底泥的关联性高于其与支流2底泥的关联性。

在支流1和支流2的河流底泥中，所有底泥样品的Cd含量和73%样品的As含量高于对应筛选值，最大超标倍数分别为61.82和0.96倍，且有73%采样点Cd含量超过管控值，最大超标倍数为8.42倍。

3 结论

在研究区的农田土壤重金属中，Cd的积累效应最明显，As、Ni的积累效应次之，Cu的积累效应不明显。农田土壤Cd的单因子污染指数均值为8.70，达到重污染水平，As、Ni和Cu的平均含量处于清洁级别。研究区农田土壤处于重污染程度的采样点占71.4%，处于轻污染程度的采样点占17.9%，处于警戒级的采样点占3.6%，只有7.1%的采样点重金属含量处于安全范围内。Cd元素对各重金属综合潜在生态风险指数的贡献率达97%，其余元素贡献率占3%。农田中的Cd与As之间存在同源污染，河流底泥中的Cd和As可能来源于历史时期的积累，As和Ni的相关系数为0.893，表明As与Ni有相同的来源。

由研究区河流周边农田土壤与河流底泥重金属的关联性分析结果可知，底泥与农田土壤中Cd元素的关联性最明显，从空间分布来看，分布在支流2周边的Cd高值区多于支流1，可知支流2比支流1对周边农田土壤中的Cd污染来源贡献大;Ni的高值区在养殖场附近，Ni的污染来源主要受养殖厂影响;农田土壤中Cu含量与支流1相关性较高。

总体来看，

农田和底泥中Cd含量均存在超过管控值的现象，超标率分别为61%和73%，最大超标倍数分别为2.24和8.42倍，Cd生态风险程度较高，需要引起高度重视;分别有7%土壤样品和73%底泥样品的As含量高于筛选值，超标倍数分别为0.12和0.96倍，As生态风险程度相对较低，但亦应当引起重视。

研究区农田土壤中Cd与河流底泥中Cd具有较高的关联性，且Cd与As的来源具有相似性。因此，在以后的农田生产活动中，应当对研究区河流底泥和灌溉水进行定期监测以及对河流底泥及时清淤，以确保农田能够生产出高质量的农作物产品。

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