华北平原某地农田土壤重金属污染特征及来源分析

赵永超 龚巍峥 任岳 张孝娟

摘要 选取华北平原某地（全国重要的有色金属产业基地）作为研究区，采集377个表层土壤样品（0～20 cm），分析测定样品中Pb、Cd、Cr、As、Hg 5种重金属的含量。运用单因子指数法、内梅罗综合指数法和潜在生态风险指数法评价研究区农田土壤中重金属的污染及生态风险状况，运用因子分析的方法對研究区农田土壤中重金属元素的来源进行分析。结果表明，研究区农田土壤中Pb、Cd、As含量超过农用地土壤污染风险筛选值（GB 15168—2018）的点位占比分别为6.10%、44.30%和1.33%;基于农用地土壤污染风险筛选值，研究区农田土壤中Cd、Pb的污染等级为重度污染，As的污染等级为中度污染，Cr、Hg为安全级;基于农用地土壤污染风险筛选值，研究区农田土壤中Cd为中等生态风险，Pb、Cr、As、Hg的生态风险较低;综合潜在生态危害指数的均值为56.64，总体看研究区农田土壤处于轻微生态危害水平，其中Cd是研究区农田土壤中最主要的污染因子和生态风险因子，贡献率达80%以上;相关分析和主成分分析结果表明，研究区农田土壤中As主要来源于自然源，受成土母质的控制;Cd、Pb主要来源于人类活动中的工农业源;Hg主要来源于人类活动中工业源;Cr受成土因素和人为活动的共同影响。

关键词 土壤重金属;含量测定;污染特征;来源解析;生态风险评价

中图分类号 X53  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2022）05-0055-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.05.015

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Analysis of Characteristics and Sources of Heavy Metal Pollution in Farmland Soil in the North China Plain

ZHAO Yong-chao， GONG Wei-zheng， REN Yue et al

（Henan Institute of Geo-Environment Exploration， Zhengzhou，Henan 450000）

Abstract A certain place in the North China Plain （an important nonferrous metal industry base in the country） was selected as the research area， 377 surface soil samples （0-20 cm） were collected， and the contents of 5 heavy metals （Pb， Cd， Cr， As， and Hg） were analyzed and determined.Single factor pollution index， the Nemerov pollution index method and the potential ecological risk index method were used to evaluate the pollution and ecological risk status of heavy metals in the study area. The factor analysis method was used to analyze the sources of heavy metal elements in farmland soils in the study area.The results showed that the percentages of points where the content of Pb， Cd and As in the farmland soil of the study area exceed the soil pollution risk screening value （GB 15168—2018） of the farmland in the study area were 6.10%， 44.30% and 1.33% respectively.Based on the soil pollution risk screening value of farmland， the pollution level of Cd and Pb in the farmland soil of the study area was severe pollution， the pollution level of As was moderate pollution， and the pollution level of Cr and Hg was safety level.Based on the soil pollution risk screening value of farmland， Cd in the farmland soil of the study area was a medium ecological risk， and the ecological risk of Pb， Cr， As， and Hg was low.The average comprehensive potential ecological risk index was 56.64， indicating that the farmland soil in the study area was at a slight ecological hazard level.Among them， Cd was the most important pollution factor and ecological risk factor in the farmland soil in the study area， with a contribution rate of more than 80%.The results of correlation analysis and principal component analysis show that As in the farmland soil of the study area was mainly derived from natural sources and was controlled by soil-forming parent material;Cd and Pb were mainly derived from industrial and agricultural sources in human activities;Hg was mainly derived from industrial sources in human activities;Cr was affected by both soil-forming factors and human activities.

Key words Soil heavy metals;Content determination;Pollution characteristic;Source apportionment;Ecological risk assessment

作者簡介 赵永超（1989—），男，河南平顶山人，助理工程师，硕士，从事重金属污染农田修复与耕地质量提升研究。*通信作者，高级工程师，硕士，从事污染土壤修复等研究。

收稿日期 2021-06-15

2014年环境保护部发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，耕地土壤点位超标率为19.4%，主要污染物为Cd、Ni、Cu、As、Hg、Pb、滴滴涕和多环芳烃。

土壤中的重金属一方面来源于土壤母质的成土过程，另一方面来源于人类活动。不同成土母质形成的土壤中重金属的含量差异较大，如成土母质为海河沉积物和花岗岩的土壤，Pb含量高于其他母质发育的土壤，花岗岩发育形成的土壤Cd含量低于其他母质发育的土壤[1];不同人类活动对重金属的贡献也存在一定的差异，如Cd主要来源于化肥、农药和电镀等行业“三废”的排放[2]，Pb主要来源于汽车尾气和煤炭的燃烧等。重金属元素在土壤中长期的积累一方面可以抑制植物和微生物的生长活动导致土壤肥力的下降，从而造成农作物产量大幅降低和品质的下降[3];另一方面重金属元素在土壤中的迁移和在食物链中的富集还会对区域内地下水质量安全、生态安全及人类的生存发展产生直接的影响[4]。因此，揭示土壤中重金属的来源和生态风险，可以为区域土壤环境质量评价、污染防治和安全防护提供借鉴。

冶炼区和矿区被认为是土壤重金属污染的多发区[5]，笔者选取华北平原某地（全国重要的有色金属产业基地）作为研究区，分析测定土壤中Pb、Cd、Cr、As、Hg 5种重金属的含量，在此基础上，对区域土壤重金属的污染程度、潜在生态风险进行评价，并运用主成分分析的方法辨识土壤重金属的来源，以期为研究区农用地的安全利用、土壤环境评价与管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于华北平原西部，地势西高东低，呈阶梯状展布，绝对高程大部分在70～100 m，西部为低山，西南部是丘陵区，中东部为冲积、洪积平原，耕地面积16 596.77 hm2。属于暖温带半湿润大陆性季风气候，夏季暖热多雨，冬季寒冷干燥，四季分明，年平均气温14.9 ℃，全年平均降雨量为606.1 mm，主要土壤类型为褐土。

1.2 样品采集与分析

于玉米收获前进行土壤样品的采集。利用ArcGIS 10软件按照500 m×500 m的规则网格进行土壤采样点的布设，同时综合考虑种植方式、土壤类型和重点行业企业（重点行业企业周围加密布点）分布状况，共布设377个采样点;在各采样点周围按照多点采样的方式，采集表层（0～20 cm）土壤，等量混合后，装入自封袋。

采集到的土壤样品经室温自然风干后，去除其中的杂质，用木棍碾碎，使其全部通过2 mm的尼龙筛后充分混合待测。Cd、Pb采用石墨炉原子吸收分光光度法（GB/T 17141—1997）测定，Cr采用火焰原子吸收分光光度法（HJ 491—2009）测定，Hg、As采用原子荧光分光光度法（GB/T 22105—2008）测定。

随机选取采集到的10个土壤样品，测定土壤pH、有机质、全氮、全磷、全钾等基本理化性质，测定方法参照鲁如坤[6]的《土壤农业化学分析方法》，具体测定结果为pH 7.51～7.80、有机质2.06～9.76 g/kg、全氮0.473～0.908 g/kg、全磷1.78～2.22 g/kg、全钾 18.4～26.5 g/kg。

1.3 土壤重金属污染评价方法

采用单因子指数法和内梅罗综合污染指数法对研究区农田土壤（表层）中重金属的污染状况进行评价。

单项污染指数可以反映不同重金属元素的污染程度，其计算公式如下：

P i=C i/S i（1）

式中，P i为土壤中重金属i的单项污染指数;

C i为土壤中重金属i的实测含量（mg/kg）;

S i为农用地土壤重金属i的风险筛选值（mg/kg），参考GB 15168—2018规定的农用地土壤污染风险筛选值，具体见表1。

单因子污染指数仅能反映土壤中单个污染物的污染程度，为综合反映不同污染物的整体污染状况，该研究采用内梅罗综合指数法。内梅罗综合污染指数可以全面反映各污染物对土壤的不同作用，并且可以突出高浓度污染物对土壤环境质量的影响，计算公式如下[7]：

PI=P max2+P ave22（2）

式中，PI为内梅罗综合指数;

P max为单因子污染指数的最大值;

P ave为单因子污染指数的平均值。单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法污染等级划分标准如表2所示。

1.4 土壤重金属生态风险评价方法

采用潜在生态风险指数法对研究区农田土壤（表层）中重金属的潜在生态风险进行评价。该方法由瑞典科学家Hakanson[8]创建，该方法综合考虑了环境中重金属的生态效应、环境效应和毒理学效应，定量计算环境中重金属的潜在危害程度，被广泛应用于环境风险评价中，其计算公式如下：

Ei r=Ti r×Ci f（3）

RI=Ei r=（Ti r×Ci f）（4）

Ci f=Ci/Ci n（5）

式中，Ei r为土壤或沉积物中元素i的潜在生态危害指数;

RI为土壤或沉积物中多种重金属元素潜在生态危害指数;

Ci f为重金属元素i的富集系数;Ci为重金属元素i的实测含量;

Ci n为重金属元素i的风险筛选值，参考GB 15618—2018规定的农用地土壤污染风险筛选值;

Ti r为元素i的毒性响应系数，参考已有文献资料Pb、Cd、Cr、As、Hg分别为5、30、2、10、40[9]。Ei r和RI的分级标准见表3。

1.5 数据统计分析

运用SPSS 19.0软件对研究区农田土壤中5种重金属的含量进行描述性统计分析，以分析研究区不同重金属的含量特征;采用相关分析和主成分分析法对研究区土壤中重金属的来源进行解析。

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量特征

运用SPSS软件对研究区农田土壤中Pb、Cd、Cr、As、Hg的含量进行统计分析，分析结果如表4所示。从表4可以看出，研究区农田土壤中Pb、Cd、Cr、As、Hg含量的平均值分别为63.52、0.97、61.48、11.40、0.08 mg/kg，Pb、Cd、As、Hg含量的平均值超过河南省土壤背景值[10]，超标倍数依次为1.85、13.92、0.16、2.20。土壤中Cr含量的平均值低于河南省土壤背景值[10]，说明土壤中Cr没有明显的积累。Pb、Cd含量的平均值大于其中位数，说明研究区农田土壤中Pb、Cd的含量整体偏向最大值方向;Cr、As、Hg含量的平均值与中位数接近，说明研究区农田土壤中Cr、As、Hg的含量整体偏向最小值方向。偏度和峰度的数值可大致反映数据偏离正态分布的程度，研究区农田土壤中Pb、Cd、Cr、As、Hg的偏度和峰度绝对值均大于0，说明研究区农田土壤中重金属浓度的分布为非标准正态分布。研究区农田土壤中Pb、Cr、As、Hg含量的平均值低于农用地土壤污染风险筛选值（GB 15168—2018），Cd含量的平均值高于风险筛选值，说明研究区农田土壤中Cd受人类活动的影响较明显。土壤中Cd的最大值是农用地土壤风险筛选值的20倍，说明Cd在部分点位发生了明显的积累，这可能与研究区内存在重点污染源密切相关。

土壤重金属元素的变异系数可以代表重金属元素分布的均匀程度和受人类活动影响的程度。研究区农田土壤中Pb、Cd和Hg的变异系数大于1，属于强变异水平;Cr、As的变异系数介于0.1～1.0，属于中等变异水平;上述结果表明研究区农田土壤中Pb、Cd和Hg的分布不均匀，可能受人类活动的影响较大。

2.2 土壤重金屬污染状况评价

基于《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》（GB 15618—2018）中规定的各项污染物的风险筛选值，计算各点位5种重金属的单项污染指数，依据表2的划分标准对计算结果进行统计分析，结果如表5所示。从表5可以看出，研究区农田土壤中Cr、Hg的单项污染指数的最大值分别为0.470、0.590，均小于1，依据划分标准Cr、Hg属于非污染等级。Pb、Cd、As的单因子污染指数分别为0.070～4.430、0.100～20.000、0.070～3.240，总体看Pb、Cd、As这3种重金属的污染程度高于Cr、Hg。统计结果表明研究区农田土壤中Pb、Cd、As达到轻度及以上污染等级的点位数占比分别为6.10%、44.30%、1.33%，其中Cd达到中度及重度污染等级的点位数占比较大，达到21.75%，说明研究区农田土壤中Cd的污染程度已经远高于其他重金属，需要引起高度重视。

基于《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》（GB 15618—2018）中规定的各项污染物的风险筛选值，以综合污染指数进行评价，结果表明（表6），研究区农田土壤中Pb、Cd、Cr、As、Hg的综合污染指数（PI）分别为3.14、14.19、0.38、2.31、0.42，结合表2的分级标准，研究区农田土壤中Cd、Pb的污染等级为重度污染，As的污染等级为中度污染，Cr、Hg为安全级，上述结果说明研究区农田土壤已受到一定程度的重金属污染。其中Cd的综合污染指数最大，说明研究区农田土壤中Cd的污染最为突出，这与单项污染指数推断的结果一致。

对各点位的综合污染指数进行计算，依据表2的分类标准对各点位的污染程度进行划分，并对分类结果进行统计分析，结果发现，研究区内有51.20%的点位受到污染，其中有14.33%的点位呈中度至重度污染。研究区所有调查点位PI的平均值为1.24，依据综合污染指数分级标准，研究区农田土壤污染等级为轻度污染，说明研究区农田土壤环境质量已经开始恶化，应引起高度重视。

2.3 土壤重金属的潜在生态风险评价

以《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》（GB 15618—2018）中规定的各项污染物的风险筛选值作为评价参比值，采用潜在生态风险指数法对研究区农田土壤中重金属的潜在生态风险进行评价，结果如表7所示。从表7可以看出，研究区农田土壤中Pb、Cd、Cr、As、Hg这5种重金属的潜在生态危害指数（Ei r）分别为1.87、48.75、049、4.56、0.97，依据表3的分级标准，研究区农田土壤中Pb、Cr、As、Hg的生态风险较低，均处于轻微生态危害水平;Cd为中等生态风险。研究区农田土壤中Cd各危害水平的点位占比分别为60.75%（轻微生态危害水平）、24.93%（中等生态危害水平）、9.55%（强生态危害水平）、3.18%（很强生态危害水平）、1.59%（极强生态危害水平）。

各点位综合潜在生态危害指数（RI）的统计结果显示，研究区有93.10%的点位危害水平较低，有6.90%的点位处于中等及以上生态危害水平。研究区各点位RI的平均值为56.64，结合表3的分级标准，研究区农田土壤的生态风险为轻微生态危害。

为评价单个重金属元素的潜在生态危害指数对综合生态危害指数的贡献率，取单项潜在生态危害指数与综合潜在生态危害指数的比值，各元素对综合潜在生态危害的贡献率如图1所示。从图1可以看出，Cd对综合潜在生态危害的贡献率最大，达86.07%，是研究区农田土壤生态风险的主要来源[11]。

2.4 土壤重金属来源分析

相关性分析是指对2个或多个具备相关性的变量元素进行分析，从而衡量2个变量因素的相关密切程度。土壤中各种元素的含量受母质、环境条件和人为活动的共同影响，来源的相似性会导致土壤中不同元素

间存在相互联系[12]，鉴于此相关性分析就被广泛应用于土壤重金属元素的来源辨识[13]，若元素间相关性显著或极显著，则表明这些元素间一般具有同源关系或者呈现复合污染的现象[14-17]。

2.4.1 相关性分析。

从表8可以看出，研究区农田土壤中Pb与Cd、Pb与Cr、Pb与As、Pb与Hg、Cd与As、Cd与Hg、Cr与As在0.01水平（双侧）上呈显著正相关，说明这些元素间可能存在着一定的同源关系。已有的研究表明，土壤中Cr主要受成土母质的影响，因此Cr多被认为是自然来源的元素，与其相关性较高的元素被认为受成土母质的影响较大[18]，研究区农田土壤中Cr与Pb、As呈显著正相关，说明Cr、Pb、As可能具有一定的同源性，而Cr与Pb的相关系数较小，因此研究区农田土壤中Pb是否存在其他来源还需要进一步验证。土壤中Hg与Pb、Cd、Cr、As的相关系数均不高于0.30，说明Hg和Pb、Cd、Cr、As相关性不大，从而说明Hg与Pb、Cd、Cr、As的来源可能不一致[19]。为更加准确地判断土壤中各重金属元素的来源，通过主成分分析來进行进一步的判断。

2.4.2 主成分分析。

从主成分分析的结果（表9～10和图2）可以看出，通过主成分分析共辨别出3个主成分，累计解释了总方差的84.589%，基本可以解释5种元素的大部分信息。

第一主成分（PC1）的方差贡献率为37.219%，Pb、Cd在PC1上有较大的载荷，分别为0.906、0.894，由前述分析可知，研究区农田土壤中Pb、Cd含量的平均值高于该地区背景值，2种元素含量的最大值分别为河南省背景值的33.77和184.62倍;且前人的研究发现，这2种元素常常受到人类活动的影响，其中Pb主要来自化石燃料的燃烧和金属冶炼行业“三废”的排放，Cd主要来自农业生产资料（化肥、农药等）的施用及冶炼、电镀行业“三废”的排放[20]。研究区作为华北平原主要的农业生产大县，近年来随着农业精细化程度的不断提高，化肥和农药的施用量大增;另外该地区工业基础较好，是全国重要的金属冶炼区，化肥、农药和工业“三废”中携带的Cd、Pb通过直接或间接的方式最终进入到土壤中，造成Pb、Cd在土壤中的累积。因此PC1代表了化肥农药及工业生产等人为来源，被认为是“工农业源因子”。

第二主成分（PC2）的方差贡献率为27.268%，Cr、As在PC2上有较大的载荷，分别为0.700、0.907，前述分析结果显示研究区Cr、As的平均值与河南省背景值相当。已有的研究发现Cr、As受地质背景的影响较大[21]，因此把PC2认为是“自然源因子”。

第三主成分（PC3）的方差贡献率为20.102%，PC3上有较大载荷的仅有Hg。研究区农田土壤中Hg的平均值为008 mg/kg，远高于河南省背景值，其最大值是河南省背景值的80.4倍。相关分析的结果显示Hg与Cr、As呈正相关，但是Hg与Cr、As的相关系数较低，说明研究区农田土壤中Hg与Cr、As的同源性较低。已有的研究表明，土壤是各种化学离子的最终归宿[22]，Hg在土壤中累积的主要途径是大气干湿沉降[23]，其来源主要包括人类活动中的化石燃料燃烧、冶炼、化工、垃圾焚烧等，研究区的工业基础较好，金属冶炼企业在生产过程中产生的大量粉尘等最终都汇聚到土壤中造成了研究区农田土壤中Hg的积累。因此PC3代表了人类活动中的工业源，被认为是“工业源因子”。

Cr在PC1和PC2上均有相当的荷载，说明研究区农田土壤中Cr是混合来源，被认为是受到自然源和人为源（工农业源因子）的共同影响。于元赫等[24]对黄河下游典型区域土壤重金属来源的研究也表明Cr受工农业活动和成土母质的综合影响。

3 结论

（1）研究区农田土壤中Pb、Cr、As、Hg的平均含量高于河南省土壤背景值，Cr含量的平均值低于河南省土壤背景值。研究区内Pb、Cd、As含量达到轻度及以上污染等级的点位数占比分别为6.10%、44.30%和133%。

（2）研究区农田土壤中Pb、Cd、Cr、As、Hg的内梅罗综合污染指数分别为3.14、14.19、0.38、2.31、0.42，依据分级标准，Cd、Pb的污染等级为重度污染，As的污染等级为中度污染，Cr、Hg的污染等级为安全级。

（3）单项潜在生态风险指数（Ei r）的结果表明，研究区农田土壤中Cd为中等生态风险，Pb、Cr、As、Hg的生态风险较低。综合潜在生态危害指数（RI）的结果表明，研究区9310%的调查点位的生态风险较低，6.90%的调查点位为中等及以上危害水平;整个研究区农田土壤综合潜在生态危害等级为轻微生态危害水平。Cd是影响研究区农田土壤综合潜在生态风险的主要元素。

（4）相关分析和主成分分析结果表明，研究区农田土壤中5种元素的来源可以分为3类：PC1为工农业源因子，PC1包括Pb、Cd;PC2为自然源因子，PC2包括Cr、As;PC3为工业源因子，仅包括Hg;Cr在PC1和PC2上均有相当的荷载，Cr受成土因素及人为活动的共同控制。

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