淮北平原农田土壤重金属污染生态风险评价

王 钦，缪春晖，张 洁，范佳民，苏 玮，詹 亚，郑刘根*

(1.安徽大学资源与环境工程学院，安徽 合肥 230601；2.安徽大学矿山生态修复工程实验室，安徽 合肥 230601；3.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，安徽 合肥 230601)

重金属是土壤中普遍存在的物质，通常由母质风化产生。长期以来，各种人类活动，如工业排放、化肥农药的施用、污水灌溉和交通运输等，导致重金属在土壤环境中大量富集[1-2]。相关研究表明，中国约1.0×105km2的农田受重金属污染，每年约12×107t粮食受到土壤重金属污染[3]。重金属元素在农业土壤中的富集不仅会影响农产品的安全，并给人类、动物、植物和整个生态系统带来潜在风险[4-5]。在整个土壤环境中，重金属污染已经成为世界上最严重的环境问题之一[6]。因此，了解重金属对农田土壤环境及生态系统的影响是一项亟待解决的重要课题[7]。

淮北平原地处黄淮海平原南侧，是中国农作物生产基地之一，在国家农作物储备和粮食安全体系中发挥着重要作用。该区域主要由淮河以北和颍河以南的蚌埠市、淮南市、淮北市、宿州市、亳州市和阜阳市组成。文献[8]963研究表明，淮南矿区周边农田Cu、Cd和As的含量分别超出背景浓度的1.03、4.17和1.81倍，但均未超过农用地(6.5

为进一步探究淮北平原典型农田重金属污染状况、空间分布、潜在风险污染及其污染来源情况，从淮北平原共采集48个代表性土壤样本，开展重金属污染特征及其风险评价研究。最终达到以下目的：①通过地理信息系统(GIS)可视化土壤污染指数的空间变化，明确影响污染水平的因素；②使用污染负荷指数(PLI)、潜在生态风险指数(RI)和生态风险预警指数(IER)评价农田土壤重金属污染与环境风险；③结合多元统计分析和主成分分析法解析重金属的污染来源。研究结果有助于全面了解淮北平原重金属含量、分布和来源状况，可为淮北平原农田土壤的环境污染防治及其生态安全提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

淮北平原地处江苏省西部，河南省东部， 山东省南部， 安徽省淮河以北(32°25′～34°35′N，114°55′～118°10′E)。该区域面积3.74×105km2，耕地面积较为集中约35×107亩。淮北平原地处暖温带的南缘，具有明显的暖温带气候向北亚热带气候过渡的特点，年平均气温14～15℃，年平均降水介于750～950mm，年平均蒸发量介于1 330～1 550mm，光热水等条件较好，适于农业的综合发展。

1.2 土壤样品采集与预处理

根据研究区土地利用类型数据，在保证样品具有代表性的前提下，尽量均匀分布，于2020a 8月采集淮北平原区域48个表层土壤样品(0～20cm)(见图1)。 每个样点上一个复合土壤样本由5个单独的土壤样本组成， 这些样本在一个正方形样地中采集， 边长为100m(4个在拐点处，1个中心，每个1kg)。 除去土壤样品的碎屑， 在室温下风干后用2mm筛网过筛。 为保证样品不受污染，样品采集、 混合、 研磨等过程中均采用木制品、 玛瑙研钵等用品。 样品预处理结束储存于棕色磨口瓶中， 于-20℃冰箱中避光保存。

图1 淮北平原采样点分布图

1.3 土壤样品分析

土壤pH采用电极法测定。土壤样品Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd和Pb利用HNO3-HCLO4-HF消解。土壤样品中的Hg和As分别使用测汞仪(DMA-80)和色谱原子荧光联用仪(LC-AFS9800)测定，其他重金属元素使用电感耦合等离子体质谱仪(Agilent7500)测定。每批土样做3次空白样和平行样，取平均值作为样品重金属的最终测定值。样品分析过程中加入国家标准土壤样品(GBW07405)进行分析控制，各重金属的回收率均在国家标准参比物质的允许范围内。

1.4 污染评价方法

1)污染负荷指数法 以安徽省土壤环境背景值为参比值，采用文献[11]提出的污染负荷(PLI)法对淮北平原农田土壤重金属进行污染评价，其计算公式为

CFi=ci/cn

(1)

(2)

式中：CFi为重金属i的污染指数；ci为重金属i质量分数；cn为重金属i的评价标准。PLI为重金属污染负荷指数，n为参加评估的重金属元素数。CFi和PLI的污染分级标准如表1所示。

2)潜在生态风险指数法 文献[12]提出的潜在生态风险指数法(RI)是基于不同重金属生态环境效应与生物毒性差异，定量划分重金属的潜在生态危害程度，重金属元素的复合影响由单一重金属潜在生态危害程度之和决定。潜在生态风险指数计算公式如下

(3)

3)生态风险预警指数法 测定研究区土壤pH平均值为7.36，因此以农用地土壤污染风险筛选值为(6.5

(4)

式中：IER为生态风险预警指数；IERi为重金属i的生态风险指数；CAi为重金属i的实际测定值；CRi为重金属i的参比值。 IER的生态风险预警级别如表1所示。

表1 污染评价方法分级标准

1.5 统计分析

数据的所有统计分析均使用SPSS Statistics 18.0完成，Origin 2021用于文章作图。利用ArcGIS的克里金插值法来可视化土壤污染指数值的空间分布。

2 结果与讨论

2.1 土壤重金属含量特征

表2显示了样品土壤中8种重金属的含量，土壤Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb和Hg含量范围分别为35.21～152.80、16.79～80.83、 12.68～37.14、 73.63～405.20、5.22～19.48、0.23～0.94、10.21～47.21、0.018～0.163mg·kg-1，平均含量分别为72.24、33.23、23.73、131.79、12.10、0.48、24.65、0.046mg·kg-1。土壤Cr、Ni、Cu、Zn、As、Hg和Pb的平均浓度未超过农用地土壤污染风险筛选值(GB15618—2018)(6.5

变异系数(CV)表明土壤中每种重金属元素含量的变化程度。通常CV值较低时，重金属污染与天然来源有关；CV值较高时，重金属污染与强烈的人类活动有关[15]。表2显示研究区域农田土壤中Cr、Ni、Cu、As、Cd和Hg的CV值低于0.35，属于中等变异，而Zn和Pb各自在空间分布方面表现出高度变异。分析结果表明，淮北平原区域土壤重金属元素是容易受农业活动、工业活动和交通运输的外部因素影响的元素。

表2 淮北平原典型农田重金属质量分数描述性统计

2.2 土壤重金属污染特征

表3显示研究区土壤重金属污染水平评价结果，Cr、Ni、As、Cu和Pb以轻微污染和较轻污染为主，占86%～97%；Hg的污染分布不均匀，轻微污染和较轻污染占比68%，无污染、中等及重度污染分别占比19%和12%；Zn较轻污染和中等及重度污染分别占比65%和35%；其中Cd以重度污染为主，占比达到92%。图2(a)为8种重金属CF值的箱线图，显示研究区农田重金属污染指数(CF)均值表现为Cd(4.91)>Zn(2.13)>Hg(1.39)>Ni(1.24)>As(1.21)>Cu(1.16)>Cr(1.09)>Pb(0.93)。Pb属于轻微污染，Cr、Cu、As、Ni和Hg属于轻度污染，Zn属于中度污染，Cd属于重度污染。许多学者对淮北平原局部区域的研究印证了淮北平原农田重金属的污染情况。文献[8]959的研究表明淮南潘集矿区周边农田土壤处于轻度或中度污染等级，主要贡献元素是Cd。文献[10]1 456对淮北浅层塌陷区农田的研究表明，研究区农田土壤中主要污染物是Pb、Cd和Zn，3种元素含量超标率分别是96.7%、23.3%和10%。文献[9]373研究显示宿州主要矿区土壤Cr和Cd的平均质量分数分别超过宿州市非矿区土壤重金属含量背景值的2.94～4.04和2.57～3.05倍，是矿区污染的主要贡献元素。研究区土壤重金属综合污染指数(PLI)变化范围介于0.92～2.04，平均值为1.5，呈轻度污染。其中主要为轻度污染，占样点总数的95.83%，无污染和轻微污染占比均为2.08%。

表3 淮北平原农田土壤污染情况统计

为了直观表达淮北平原整体农田土壤重金属的富集情况，本研究采用ArcGIS 10.7软件里的克里金插值工具绘制淮北平原8种重金属CF值的地理分布图(见图3)。如图3所示，淮北平原土壤中Cd、Hg和Zn的CF值较高。其中，Cd和Hg的CF高值区主要集中在淮南市、淮北市和亳州市，Zn的CF高值区主要集中在亳州市。这可能是因为这三市是工业城市，土壤重金属主要是由人类采矿和制药等活动富集。文献[16]35-36在对亳州市典型中药材产地土壤环境质量评价的研究中表明，土壤Zn的平均含量为500mg/kg，单因子污染评价显示Zn的单因子污染指数(PI)均值是1.32，土壤重金属污染内梅罗污染指数为1.45，属于轻度污染水平。淮北平原土壤中Cr、Ni和Cu含量与土壤背景值基本一致，推测它们基本是自然活动造成的。其中Zn、Pb、As和Cr含量分布较为广泛，这些重金属在农田土壤的积累可能是由于长期使用劣质磷肥、复合肥和农药等所致[17]。

(a) CF值的箱线图 (b) PLI值的地理分布图

图3 不同重金属的CF值地理分布图

从图2(b)可以看出整个淮北平原的PLI取值范围为1.212～1.711，平均值为1.461。其中淮南市、蚌埠市和亳州市PLI值较高，宿州市、淮北市和阜阳市颍河以南的地区PLI值相对较低。从整体看出，淮北平原部分农田土壤受到重金属污染。

2.3 潜在生态风险评价

表4为土壤重金属污染的潜在生态风险特征， 淮北平原土壤重金属单项潜在生态风险指数(E)的平均值大小顺序为： Cd(147.4)>Hg(55.66)>As(12.11)>Ni(6.18)>Cu(5.82)>Pb(4.63)>Cr (2.17)>Zn(2.13)。As、Ni、Cu、Pb、Cr和Zn的E值在各点位均小于40，属于轻微污染。Hg以中等风险和较强风险为主，占所有样点的56%。Cd的E值最高，最大值达到290.6，属于很强风险水平。因此Cd是淮北平原典型农田土壤污染的主要贡献因子。 文献[18]对中国农田土壤重金属的研究表明安徽省范围内农田土壤Cd和Hg存在富集现象。文献[19]对淮北临涣采煤塌陷区的农业土壤重金属的潜在生态风险评价表明，Cd是该区域主要的污染物，它的平均浓度高达淮北市背景值的3.21倍。图4分别为淮北平原RI和IER的空间分布图，RI值的范围为191.7～304.9，平均值为248.3。其中淮南市、蚌埠市和亳州市RI值较高，宿州市、淮北市和阜阳市颍河以南的地区RI值相对较低，与污染负荷指数(PLI)的评价一致，整体区域具有很强潜在生态风险。 IER值的范围为1.955～0.957，平均值为1.456。其中亳州市和阜阳市IER值较高，淮北平原其他区域相对较低，整体区域属于轻微预警水平。

表4 淮北平原土壤重金属潜在生态风险评价

图4 RI、IER的地理分布图

2.4 土壤重金属来源解析

图5显示淮北平原土壤重金属元素相关性结果：Cr与Ni、Cu相关系数分别为0.72、0.52，呈正相关关系。Cd、Zn和Pb两两具有较好的正相关关系，Cu与Cd、Zn和Pb相关系数分别为0.45、0.66和0.55，相关性较好，推断Cu与Cd、Zn和Pb具有相同来源。Hg和As这两种元素与其他元素均不相关，推断这两种元素与其他重金属元素来源不同。结合淮北平原土壤含量特征可知，Cd、Cu和Zn明显受人类活动影响，Cu、Ni和Cr总体上处于自然背景值范围，受人为活动影响相对较小。

图5 土壤重金属元素相关性系数图

对所得样品数据进行KMO和Bartlett检验，得到KMO值为0.598，P≤0.05。因此，本研究数据可进行因子分析。表5为土壤重金属元素因子载荷，结果显示前3个主成分特征值均大于1，累计方差贡献率达到65.32%，符合分析要求。由主成分分析结果可知，第一主成分的贡献率为30.85%，Ni、Cr和Cu在该成分上具有较高的正载荷，分别为0.882、0.864和0.757。文献[20]研究表明农药、化肥等化学肥料的使用对土壤中Cr和Ni的影响比土壤本底影响要小， 这两种元素主要来源还是由成土母质影响。文献[21]研究表明Cr、Ni和Cu受土壤地球化学作用影响较小， 推断这3种元素主要来源于土壤母质。因此第一主成分主要归因与土壤母质。

表5 土壤重金属元素因子载荷

第二主成分的贡献率为21.29%，Cd、Hg和Pb在该成分上具有较高的载荷，分别为0.790、0.593和0.583。由Cd的CF空间分布图可以得出Cd主要富集地区在煤炭能源主导的城市淮南市和淮北市地区。在有色金属矿区农业土壤中，靠近矿山金属和金属冶炼厂的农业土壤重金属含量较高，Cd和Cu是主要污染物[22]。 西班牙某铅锌矿周围耕地土壤中Pb、 Zn、Cd的平均浓度高达393.05、186.09和2.47mg/kg[23]。文献[24]研究表明工业生产的“三废”排放是土壤中Cd的主要来源途径。文献[25]研究表明农田土壤重金属与各种化学肥料的施用有着密切联系，其中磷肥能够显著增加Cd的含量。Hg主要是通过燃煤、电厂向大气中排放，淮南是中国东部煤炭能源主导城市和主要电力供应城市[26]。文献[27]的研究表明，平圩电厂燃煤产生的飞灰汞浓度范围为0.034～0.704mg/kg。Pb的平均含量低于安徽省土壤背景值，但其表现为高度变异表明Pb部分区域累计明显。文献[28]研究表明，淮南某矿区沉积物中Pb主要来源于土壤、汽车尾气和煤矸石，贡献率分别为51.70%、30.90%和17.40%。因此第二主成分主要归因于人类工农业活动和交通源。

第三主成分的贡献率为13.16%，Zn在该成分上具有较高的载荷为0.83。前文分析表明Zn的变异程度较高，含量分布不均匀主要富集在亳州市北部区域。有研究显示亳州市中药材和农田土壤Zn含量分别在193.4～591.5、360.0～638.0mg/kg之间，均值分别为370和500mg/kg，重金属污染评价结果属于轻污染水平[16]33。文献[29]研究表明，土壤重金属Zn与有机肥的施用量和多年施用具有较好的相关性。由此推测，第三主成分主要来源于人类农业施肥活动。

3 结论

(1)淮北平原农田土壤Cr、 Ni和Cu的平均含量与安徽省土壤环境背景值基本一致， As、 Hg、 Zn、 Cd的平均含量分别是安徽省土壤环境背景值1.21、1.39、2.12和4.94倍，其中Cd的平均质量分数超出农用地土壤污染风险管控筛选值(GB15618—2018)表明Cd的富集效应最为严重。其他7种元素虽有一定程度的富集但尚未达到污染程度。

(2)从各重金属CF空间分布图来看Cd和Hg具有较为相似的分布情况，主要集中在淮北平原中部区域，呈现由中部地区向东北和西部逐渐减少的趋势。其中Hg在区域东南部有小范围富集。Zn、Pb和Ni整体上呈现由西北向东南逐渐减小的趋势。其他较低浓度的测试重金属在研究区域呈现不规则分布。基于污染负荷指数法显示，Pb属于轻微污染，Cr、Cu、As、Ni和Hg属于轻度污染，Zn属于中度污染，Cd属于重度污染。根据潜在生态危害评价和生态风险预警指数得到的结果，大部分样点属于中等风险和轻微预警程度。

(3)土壤中Cr、Ni的富集主要来源与土壤母质，Cd、Hg和Pb主要来自人类工农业活动和交通运输产生的污染，Zn和Cu主要受人类的过度农业施肥活动影响。