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摘 要：为了解宿州市某农业示范区内的河流沿岸土壤重金属含量特征、来源及程度，采集研究区内55个土壤样品，测定6种重金属Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Pb的含量;应用单因子指数法、地质累积指数法和Hakanson潜在生态风险指数法评价土壤的污染状况及潜在风险;结合相关性分析和主成分分析，判断土壤重金属的来源。结果表明，Cr、Co、Ni、Cu、Zn和Pb的平均含量分别为49.30、11.66、24.02、20.13、57.08和28.93mg/kg;单因子指数和地质累积指数污染评价，Pb为轻度污染，Cr、Co、Ni、Cu、Zn均为无污染;综合潜在生态风险指数在12.24～30.47，处于低潜在生态风险;土壤中的Cr、Co主要来源于土壤母质，Pb、Zn主要来源于汽车尾气和轮胎摩擦，Ni、Cu主要来源于工业生产和农药化肥施用。
关键词：重金属;污染评价;相关性分析
中图分类号 X53;X825 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2019）23-0099-04
Pollution Risk Assessment of Soil Heavy Metals along Rivers——A Case Study in an Agricultural Demonstration Area，Suzhou City
Zheng Huafeng1 et al.
（1School of Resources and Civil Engineering，Suzhou University，Suzhou 234000，China）
Abstract：In order to understand the characteristics，sources and evaluation of heavy metals in the soil along the river in an agricultural demonstration area of Suzhou City，55 soil samples were collected and the contents of six heavy metals Cr，Co，Ni，Cu，Zn and Pb were determined. Single factor index method，geological accumulation index method and Hakanson potential ecological risk index method were used to evaluate soil pollution and potential risk. Combined with correlation analysis and principal component analysis，the sources of heavy metals in soil were determined. The results show that the average contents of Cr，Co，Ni，Cu，Zn and Pb are 49.30，11.66，24.02，20.13，57.08 and 28.93 mg / kg，respectively. The pollution assessment results of single factor index and geological accumulation index show that Pb is light pollution，Cr，Co，Ni，Cu and Zn are non pollution，and the comprehensive potential ecological risk index is between 12.24 and 30.47，which is low potential ecological risk. Cr and Co are the main pollutants in the soil. To be derived from soil parent material，Pb and Zn are mainly from automobile exhaust and tire friction，while Ni and Cu are mainly from industrial production and pesticide and fertilizer application.
Key words：Heavy metals;Pollution assessment;Relevance analysis
土壤是生态环境的重要组成部分，是人类生产生活的基础，而近年来随着我国经济的快速发展和生活水平的提高，土壤重金属污染问题愈发突出。重金属污染具有隐蔽性、来源广、难降解和易富集等特点，影响农作物的生长，并通过食物链转移到人体，从而对人类的身体健康产生不良的影响[1]。由土壤重金属污染导致的一系列生态问题和健康问题，已引起了国内外学者的广泛关注和深入研究[2-3]。目前，国内外学者对土壤重金属的研究和评价方法较多，如单因子指数法、污染负荷指数法、富集系数法、地质累积指数法、潜在生态风險指数法等。由于每种方法都有其侧重点，利用多种评价方法进行综合分析，才能使其评价结果更加客观真实[4]。为此，笔者以宿州市新汴河农业示范区为研究区域，采集河流沿岸55个土壤样品，采用单因子指数法和地质累积指数法评价沿岸土壤污染状况，运用潜在生态风险指数法评价研究区的潜在风险程度，并结合多元统计分析方法，分析重金属来源，旨在对土壤重金属污染风险进行评价，为农作物的安全生产提供参考。
1 材料与方法
1.1 研究区域概况 研究区位于安徽省宿州市新汴河农业示范区，属暖温带半湿润气候，四季分明，年均气温14.4℃，年降水量857mm。地处淮北平原东部，境内河流众多，主要河流有濉河、澥河、浍河、沱河、新汴河等，土壤肥沃，是传统的农业大区，是我国重要的商品粮、棉、油、肉、蛋生产基地。 1.2 样品采集与预处理 利用GPS进行现场定位及标号，采集地表以下10～20cm土壤，充分混合后用四分法取舍，保留1kg土壤装入密封袋中并做标记。采样点的空间分布见图1，土壤样品前处理参照《土壤环境检测技术规范》。采集的样品放入固体实验室中自然晾干，一般为7d左右。待土壤晾干后剔除样品中的杂草、杂物。使用木锤、木棍对土壤研磨，待研磨充分均匀后，倒入200目的尼龙筛对土壤筛选，把通过200目的土壤粉末放入密封袋中保存。利用手动粉磨压片机对处理后的样品压片。样品测试在安徽省教育厅矿井水资源化利用重点实验室进行，利用X-ray荧光光谱仪（XRF）检测土壤中Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Pb的含量（以GBW07430作为标准物质）。
1.3 数据处理 采用SPSS 24和Excel 2010等统计分析软件，进行数据处理和统计分析。
1.4 评价方法
1.4.1 单因子指数法 单因子指数法是一种判定超标指数来确定评价等级的方法。在针对单因子进行评价分析时，一般选用该方法。计算公式为：
Pi=Ci/Si （1）
式中：Pi为重金属i的单因子指数，Ci为重金属i的实测值，Si为重金属i的背景值。其分级标准见表1。
1.4.2 地质累积指数法 地质累积指数法是德国科学家Muller于20世纪60年代提出的一种研究土壤及沉积物中重金属污染程度的定量指标[5]。计算公式为：
Igeo=log2（Cn/1.5Bn） （2）
式中：Igeo为重金属的地积累指数;Cn为土壤中重金属的测量浓度;Bn为元素n的土壤背景值。其分级标准见表2。
1.4.3 潜在生态风险指数法 潜在生态风险指数法是瑞典科学家Hakanson于1980年建立的一种结合重金属生态效应、环境效应和毒性等多学科的综合评价方法[6]。重金属Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Pb的毒性系数分别2、5、5、5、1、5[7]。 计算公式为：
RI=[i=1mEir=i=1mTir×Cif]=[i=1mTir×CiDCiR] （3）
式中：Cif为单项污染参数，CiD为重金属的测量值，CiR为背景值;Eir为单项潜在生态风险指数，Tir为某一种金属的毒性系数;RI为综合潜在生态风险指数。分级标准见表3。
2 结果与分析
2.1 土壤重金属含量的特征 由表4可知，Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Pb平均含量分别为49.30、11.66、24.02、20.13、57.08、28.93mg/kg。与安徽省土壤背景值对比发现，Pb含量超过背景值，超标率94.5%;Ni超标率27.3%;Cu超标率40.0%;Zn超标率9.1% ;Cr和Co均不超标。变异系数能在一定程度上反映样品受人为影响的程度[8]。研究区土壤重金属的变异系数在8%～40%，其中Cu的变异系数最高（40%），说明研究区土壤中Cu的含量受人为影响较大。
2.2 土壤重金属污染评价 由表5可知，Cr、Co、Ni、Cu、Zn和Pb的单因子指数均值分别为0.74、0.72、0.81、0.99、0.92、1.09，污染程度从大到小依次为Pb>Cu>Zn>Ni>Cr>Co，其中Pb属于轻度污染;其他5种金属属于无污染。新汴河周边土壤重金属Igeo均值从大到小依次为Pb>Cu>Zn>Ni>Cr>Co，均表现为无污染。单因子指数和地质累积指数均表明，Pb元素为轻微污染，可能与周围的交通运输有关。
2.3 土壤重金属潜在生态风险评价 由表6可知，Cr、Co、Ni、Cu、Zn和Pb的潜在平均生态风险指数分别为1.48、3.66、4.05、4.95、0.92和5.45，6种重金属潜在生态风险指数均小于40，说明研究区土壤重金属的生态风险较低，处于轻微水平。此外，研究区综合潜在生态风险指数介于12.24～30.47，属于低潜在生态风险。
2.4 重金属来源
2.4.1 相关性分析 采用SPSS 24软件，对重金属元素间的相关性进行分析，相关系数较高，说明重金属间具有一定的同源性[10]，其结果见表7。由表7可知，研究区土壤中Cr-Co、Co-Ni、Ni-Cu、Zn-Pb的相关性系数分别为0.656、0.586、0.613、0.674，在0.01水平上均呈显著正相关。说明上述重金属之间具有很强的相关性，表明其同源性较强。
2.4.2 主成分分析 使用主成分分析法对研究区土壤重金属进行载荷因子分析，同一主成分具有较高载荷的金属元素可能具有相同的来源[11]。表8提取了3个特征值>1的主成分，解释率占85.17%。第1主成分的方差贡献率为33.226%，在主成分1上Cr、Co具有较高载荷，分别为0.845、0.812;这两种元素往往来源于土壤母质。因此，主成分1可以被认为是“自然源因子”。第2主成分的方差贡献率为28.356%，在主成分2上Zn、Pb具有较高载荷，分别为0.756、0.948。Zn和Pb一般被認为来源于尾气排放和轮胎摩擦。因此，主成分2可代表交通运输的影响。第3主成分的方差贡献率为23.586%，在主成分3上Cu、Ni具有较高载荷，分别为0.903、0.665;这2种元素常常受人为因素影响，Cu主要来自于农药化肥的施用，Ni主要来源于工业生产[12-13]。因此，主成分3可被认为是“工、农业因子”。
基于多元统计分析，并结合采样过程中的现场踏勘，研究区内的Cr和Co主要来源于成土母质;Zn和Pb主要来源于交通运输（汽车尾气和橡胶轮胎摩擦）;Cu和Ni主要来源于农药化肥和工业生产。
3 结论
本研究以重金属含量特征分析为基础，结合土壤污染评价和潜在生态风险评价对研究区内重金属污染来源进行定量解析，主要得出以下结论： （1）宿州市新汴河农业示范区土壤中Cr、Co、Ni、Cu、Zn和Pb的平均含量分别为49.30、11.66、24.02、20.13、57.08和28.93mg/kg。与安徽省土壤背景值相比，土壤Pb的含量超过了背景值，超标率为94.5%。
（2）单因子指数和地质累积指数分析说明，污染程度依次为Pb>Cu>Zn>Ni>Cr>Co，其中Pb属于轻度污染，可能受到周边公路交通运输的影响。研究区综合潜在生态风险指数（RI）在12.24～30.47，处于低潜在生态风险。
（3）基于相关性分析和主成分分析判定重金属的污染来源，Cr和Co主要来自于成土母质，Zn和Pb主要来源于交通运输，Cu和Ni主要来源于农药化肥的施用和工业生产。
参考文献
[1]樊霆，叶文玲，陈海燕，等.农田土壤重金属污染状况及修复技术研究[J].生态环境学报，2013（10）：1727-1736.
[2]Lingli Zhou，Bing Yang，Nandong Xue，et al. Ecological risks and potential sources of heavy metals in agricultural soils from Huanghuai Plain，China[J]. Environmental Science and Pollution Research，2014，21（2）：1360-1369.
[3]Chaosheng Zhang. Using multivariate analyses and GIS to identify pollutants and their spatial patterns in urban soils in Galway，Ireland[J]. Environmental Pollution，2006，142：501-511.
[4]趙庆令，李清彩，谢江坤，等.应用富集系数法和地累积指数法研究济宁南部区域土壤重金属污染特征及生态风险评价[J].岩矿测试，2015（1）：129-137.
[5]Muller G.Index of geoaccumulation in sediments of the Rhine River[J].Geojournal，1969，2（3）：108.
[6]Hakanson L. An ecological risk index for aquatic pollution control，a sedimentological approach[J]. Water Research，1980，14（8）：975-1001.
[7]陈景辉，卢新卫，翟萌.西安城市路边土壤重金属来源与潜在风险[J].应用生态学报，2011（7）：1810-1816.
[8]方晓波，史坚，廖欣峰，等.临安市雷竹林土壤重金属污染特征及生态风险评价[J].应用生态学报，2015（6）：1883-1891.
[9]中国环境监测总站.中国土壤元素背景值[M].北京：中国环境科学出版社，1990.
[10]柴世伟，温琰茂，张云霓，等.广州市郊区农业土壤重金属含量特征[J].中国环境科学，2003（6）.
[11]李苹，黄勇，林赟，等.北京市怀柔区土壤重金属的分布特征、来源分析及风险评价[J].现代地质，2018（1）：86-94.
[12]赵彦锋，郭恒亮，孙志英，等.基于土壤学知识的主成分分析判断土壤重金属来源[J].地理科学，2008（1）：45-50.
[13]王济，王世杰.土壤中重金属环境污染元素的来源及作物效应[J].贵州师范大学学报：自然科学版，2005（2）：113-120.
（责编：张宏民）
关键词：重金属;污染评价;相关性分析
中图分类号 X53;X825 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2019）23-0099-04
Pollution Risk Assessment of Soil Heavy Metals along Rivers——A Case Study in an Agricultural Demonstration Area，Suzhou City
Zheng Huafeng1 et al.
（1School of Resources and Civil Engineering，Suzhou University，Suzhou 234000，China）
Abstract：In order to understand the characteristics，sources and evaluation of heavy metals in the soil along the river in an agricultural demonstration area of Suzhou City，55 soil samples were collected and the contents of six heavy metals Cr，Co，Ni，Cu，Zn and Pb were determined. Single factor index method，geological accumulation index method and Hakanson potential ecological risk index method were used to evaluate soil pollution and potential risk. Combined with correlation analysis and principal component analysis，the sources of heavy metals in soil were determined. The results show that the average contents of Cr，Co，Ni，Cu，Zn and Pb are 49.30，11.66，24.02，20.13，57.08 and 28.93 mg / kg，respectively. The pollution assessment results of single factor index and geological accumulation index show that Pb is light pollution，Cr，Co，Ni，Cu and Zn are non pollution，and the comprehensive potential ecological risk index is between 12.24 and 30.47，which is low potential ecological risk. Cr and Co are the main pollutants in the soil. To be derived from soil parent material，Pb and Zn are mainly from automobile exhaust and tire friction，while Ni and Cu are mainly from industrial production and pesticide and fertilizer application.
Key words：Heavy metals;Pollution assessment;Relevance analysis
土壤是生态环境的重要组成部分，是人类生产生活的基础，而近年来随着我国经济的快速发展和生活水平的提高，土壤重金属污染问题愈发突出。重金属污染具有隐蔽性、来源广、难降解和易富集等特点，影响农作物的生长，并通过食物链转移到人体，从而对人类的身体健康产生不良的影响[1]。由土壤重金属污染导致的一系列生态问题和健康问题，已引起了国内外学者的广泛关注和深入研究[2-3]。目前，国内外学者对土壤重金属的研究和评价方法较多，如单因子指数法、污染负荷指数法、富集系数法、地质累积指数法、潜在生态风險指数法等。由于每种方法都有其侧重点，利用多种评价方法进行综合分析，才能使其评价结果更加客观真实[4]。为此，笔者以宿州市新汴河农业示范区为研究区域，采集河流沿岸55个土壤样品，采用单因子指数法和地质累积指数法评价沿岸土壤污染状况，运用潜在生态风险指数法评价研究区的潜在风险程度，并结合多元统计分析方法，分析重金属来源，旨在对土壤重金属污染风险进行评价，为农作物的安全生产提供参考。
1 材料与方法
1.1 研究区域概况 研究区位于安徽省宿州市新汴河农业示范区，属暖温带半湿润气候，四季分明，年均气温14.4℃，年降水量857mm。地处淮北平原东部，境内河流众多，主要河流有濉河、澥河、浍河、沱河、新汴河等，土壤肥沃，是传统的农业大区，是我国重要的商品粮、棉、油、肉、蛋生产基地。 1.2 样品采集与预处理 利用GPS进行现场定位及标号，采集地表以下10～20cm土壤，充分混合后用四分法取舍，保留1kg土壤装入密封袋中并做标记。采样点的空间分布见图1，土壤样品前处理参照《土壤环境检测技术规范》。采集的样品放入固体实验室中自然晾干，一般为7d左右。待土壤晾干后剔除样品中的杂草、杂物。使用木锤、木棍对土壤研磨，待研磨充分均匀后，倒入200目的尼龙筛对土壤筛选，把通过200目的土壤粉末放入密封袋中保存。利用手动粉磨压片机对处理后的样品压片。样品测试在安徽省教育厅矿井水资源化利用重点实验室进行，利用X-ray荧光光谱仪（XRF）检测土壤中Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Pb的含量（以GBW07430作为标准物质）。
1.3 数据处理 采用SPSS 24和Excel 2010等统计分析软件，进行数据处理和统计分析。
1.4 评价方法
1.4.1 单因子指数法 单因子指数法是一种判定超标指数来确定评价等级的方法。在针对单因子进行评价分析时，一般选用该方法。计算公式为：
Pi=Ci/Si （1）
式中：Pi为重金属i的单因子指数，Ci为重金属i的实测值，Si为重金属i的背景值。其分级标准见表1。
1.4.2 地质累积指数法 地质累积指数法是德国科学家Muller于20世纪60年代提出的一种研究土壤及沉积物中重金属污染程度的定量指标[5]。计算公式为：
Igeo=log2（Cn/1.5Bn） （2）
式中：Igeo为重金属的地积累指数;Cn为土壤中重金属的测量浓度;Bn为元素n的土壤背景值。其分级标准见表2。
1.4.3 潜在生态风险指数法 潜在生态风险指数法是瑞典科学家Hakanson于1980年建立的一种结合重金属生态效应、环境效应和毒性等多学科的综合评价方法[6]。重金属Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Pb的毒性系数分别2、5、5、5、1、5[7]。 计算公式为：
RI=[i=1mEir=i=1mTir×Cif]=[i=1mTir×CiDCiR] （3）
式中：Cif为单项污染参数，CiD为重金属的测量值，CiR为背景值;Eir为单项潜在生态风险指数，Tir为某一种金属的毒性系数;RI为综合潜在生态风险指数。分级标准见表3。
2 结果与分析
2.1 土壤重金属含量的特征 由表4可知，Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Pb平均含量分别为49.30、11.66、24.02、20.13、57.08、28.93mg/kg。与安徽省土壤背景值对比发现，Pb含量超过背景值，超标率94.5%;Ni超标率27.3%;Cu超标率40.0%;Zn超标率9.1% ;Cr和Co均不超标。变异系数能在一定程度上反映样品受人为影响的程度[8]。研究区土壤重金属的变异系数在8%～40%，其中Cu的变异系数最高（40%），说明研究区土壤中Cu的含量受人为影响较大。
2.2 土壤重金属污染评价 由表5可知，Cr、Co、Ni、Cu、Zn和Pb的单因子指数均值分别为0.74、0.72、0.81、0.99、0.92、1.09，污染程度从大到小依次为Pb>Cu>Zn>Ni>Cr>Co，其中Pb属于轻度污染;其他5种金属属于无污染。新汴河周边土壤重金属Igeo均值从大到小依次为Pb>Cu>Zn>Ni>Cr>Co，均表现为无污染。单因子指数和地质累积指数均表明，Pb元素为轻微污染，可能与周围的交通运输有关。
2.3 土壤重金属潜在生态风险评价 由表6可知，Cr、Co、Ni、Cu、Zn和Pb的潜在平均生态风险指数分别为1.48、3.66、4.05、4.95、0.92和5.45，6种重金属潜在生态风险指数均小于40，说明研究区土壤重金属的生态风险较低，处于轻微水平。此外，研究区综合潜在生态风险指数介于12.24～30.47，属于低潜在生态风险。
2.4 重金属来源
2.4.1 相关性分析 采用SPSS 24软件，对重金属元素间的相关性进行分析，相关系数较高，说明重金属间具有一定的同源性[10]，其结果见表7。由表7可知，研究区土壤中Cr-Co、Co-Ni、Ni-Cu、Zn-Pb的相关性系数分别为0.656、0.586、0.613、0.674，在0.01水平上均呈显著正相关。说明上述重金属之间具有很强的相关性，表明其同源性较强。
2.4.2 主成分分析 使用主成分分析法对研究区土壤重金属进行载荷因子分析，同一主成分具有较高载荷的金属元素可能具有相同的来源[11]。表8提取了3个特征值>1的主成分，解释率占85.17%。第1主成分的方差贡献率为33.226%，在主成分1上Cr、Co具有较高载荷，分别为0.845、0.812;这两种元素往往来源于土壤母质。因此，主成分1可以被认为是“自然源因子”。第2主成分的方差贡献率为28.356%，在主成分2上Zn、Pb具有较高载荷，分别为0.756、0.948。Zn和Pb一般被認为来源于尾气排放和轮胎摩擦。因此，主成分2可代表交通运输的影响。第3主成分的方差贡献率为23.586%，在主成分3上Cu、Ni具有较高载荷，分别为0.903、0.665;这2种元素常常受人为因素影响，Cu主要来自于农药化肥的施用，Ni主要来源于工业生产[12-13]。因此，主成分3可被认为是“工、农业因子”。
基于多元统计分析，并结合采样过程中的现场踏勘，研究区内的Cr和Co主要来源于成土母质;Zn和Pb主要来源于交通运输（汽车尾气和橡胶轮胎摩擦）;Cu和Ni主要来源于农药化肥和工业生产。
3 结论
本研究以重金属含量特征分析为基础，结合土壤污染评价和潜在生态风险评价对研究区内重金属污染来源进行定量解析，主要得出以下结论： （1）宿州市新汴河农业示范区土壤中Cr、Co、Ni、Cu、Zn和Pb的平均含量分别为49.30、11.66、24.02、20.13、57.08和28.93mg/kg。与安徽省土壤背景值相比，土壤Pb的含量超过了背景值，超标率为94.5%。
（2）单因子指数和地质累积指数分析说明，污染程度依次为Pb>Cu>Zn>Ni>Cr>Co，其中Pb属于轻度污染，可能受到周边公路交通运输的影响。研究区综合潜在生态风险指数（RI）在12.24～30.47，处于低潜在生态风险。
（3）基于相关性分析和主成分分析判定重金属的污染来源，Cr和Co主要来自于成土母质，Zn和Pb主要来源于交通运输，Cu和Ni主要来源于农药化肥的施用和工业生产。
参考文献
[1]樊霆，叶文玲，陈海燕，等.农田土壤重金属污染状况及修复技术研究[J].生态环境学报，2013（10）：1727-1736.
[2]Lingli Zhou，Bing Yang，Nandong Xue，et al. Ecological risks and potential sources of heavy metals in agricultural soils from Huanghuai Plain，China[J]. Environmental Science and Pollution Research，2014，21（2）：1360-1369.
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[13]王济，王世杰.土壤中重金属环境污染元素的来源及作物效应[J].贵州师范大学学报：自然科学版，2005（2）：113-120.
（责编：张宏民）