沧州市东部某种植区土壤重金属来源分析

摘要 通过对沧州市东部农业种植区土壤重金属As、Cd、Cr、Cu、Co、Hg、Ni、Zn、V空间分布特征、主导分布趋势、源解析分析进行研究，通过传统统计学、PMF、RDA等数据处理方法，归纳有效来源和影响因素。结果表明：相对于中国土壤背景值而言，研究区表层土壤Cr、Hg和Pb平均含量偏高，为60.440、0.058和26.340 mg/kg，其余Cd、Zn、Ni、Cu、As平均含量偏低，分别为0.167、63.490、23.340、22.330、8.230 mg/kg。经典统计学的3种方法均表明，As、Cr、Cu、Ni之间和Cd、Pb、Zn之间各自来源可能存在一致性。PMF和RDA研究结果表明，土壤重金属来源主要为3种，即大气沉降因素解释了Hg（79.8%），地质背景源分别解释As（82.2%）、Cr（72.3%）、Cu（72.1%）和Ni（76.8%），人为活动影响因素分别解释Cd（78.3%）、Pb（80.9%）和Zn（78.5%）。同时，As、Cu、Cr和Ni与环境因子中Al2O3和SiO2相关性强，证明其与地质背景相关；Cd、Pb、Zn与环境因子中N、P、MgO和CaO相关性强。厘定了沧州市该种植区表层土壤重金属的源和汇。

关键词 土壤重金属；冗余分析；经典统计学；沧州市

中图分类号 X 53  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2023）12-0069-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.12.015

Source Analysis of Heavy Metals in Soil of a Planting Area in the East of Cangzhou

ZHANG Lin

（Zhejiang Ocean University，Zhoushan，Zhejiang 316022）

Abstract The spatial distribution characteristics，dominant distribution trends，and source analysis of heavy metals As，Cd，Cr，Cu，Co，Hg，Ni，Pb，Zn，and V in soils of the eastern agricultural growing area of Cangzhou City were studied，and the effective sources and influencing factors were summarized by traditional statistical，PMF，and RDA data processing methods.The results showed that the average contents of Cr，Hg and Pb in the surface soils of the study area were high at 60.440，0.058 and 26.340 mg/kg relative to the background values of Chinese soils，and the average contents of the remaining Cd，Zn，Ni，Cu and As were low at 0.167，63.490，23.340，22.330 and 8.230 mg/kg，respecotively.kg.all three methods of classical statistics suggest that there may be consistency between the respective sources of As，Cr，Cu，and Ni and between Cd，Pb，and Zn.the results of the PMF and RDA studies indicate that the soil heavy metal sources are divided into three main categories，i.e.，atmospheric deposition factors explain Hg （79.8%），geological background sources explain As （82.2%），Cr （72.3%），Cu （72.1%） and Ni （76.8%），and anthropogenic activity influence factors explained Cd （78.3%），Pb （80.9%） and Zn （78.5%），respectively.Meanwhile，As，Cu，Cr and Ni were strongly correlated with Al2O3 and SiO2 in the environmental factors，another strong evidence of their correlation with geological background; Cd，Pb and Zn were strongly correlated with N，P，MgO and CaO in the environmental factors.The sources and sinks of heavy metals in the surface soils of this planting area in Cangzhou City are clarified，and methodological references are provided for the prevention and control of heavy metal pollution in the surface soils of suburban areas around municipalities as well as for planning.

Key words Soil heavy metals;Redundancy analysis;Classical statistics;Cangzhou

作者简介 章琳（1986—），男，浙江杭州人，助理工程师，硕士，从事农村发展资源、土地资源规划研究。

收稿日期 2022-07-27

土壤重金属是研究土壤环境一项成熟的地球化学指标，也是土壤环境污染治理中棘手的难题。因其具有难迁移、来源广、易累积的化学属性增加了土壤保护与修复工作的难度，又因其毒性高、可潜伏、易致病，引起国际社会各领域的高度重视和广泛关注［1-2］。土壤重金属可以通过呼吸、饮食、皮肤接触等途径摄入体内，造成长期体内积累，当积累量超标就会直接影响人类健康，亦称“化学定时炸弹”。

流行病学证据表明，Cd过量不仅可以导致“骨痛病”，还可以引起肾功能障碍，Cd具有众多对人体的不可逆危害，美国毒物管理委员会将其规定为第6位人体健康威胁物［3］；当孕妇血液中Pb含量大约为100 μg/L时，会使妊娠高血压风险迅速增加并且降低胎儿的神经系统发育，甚至会使孕妇自然流产；2018年国际癌症研究机构将As、Cd、Cr、Ni划定为自然界中第一组致癌物，人体长时间暴露于该环境下，易患皮炎、哮喘、肺癌等［4］；人体长期接触重金属超标的土壤会对呼吸系统和神经系统产生严重影响。近些年，我国土壤重金属环境总体状况不容乐观，Yuan等［5］在ISI Web of Knowledge website以2000—2019年为时间段，以“中国”“农田和城市土壤重金属含量”“田间监测实验”等为文献搜索关键字，对我国土壤重金属污染状况进行了总结和梳理，结果表明：我国城市土壤重金属平均污染水平高于农业土壤，且Cd是我国土壤中污染最严重的重金属之一，占农田和城市土壤重金属污染的33.54% 和44.65%；Tan等［6］在北京主城区与郊区过渡带采集220件表层土壤样品，测定了土壤中As、Cr、Cd、Hg、Pb浓度，采用模糊分类法和空间预测相结合方法对土壤污染状况进行了评价，结果表明：土壤重金属污染主要集中在研究区西北部和东部，尤其是靠近城区的东南部主要积累了Hg、Cr和Pb。

重金属来源十分广泛，这也成为控制和治理的公认难题，为进一步掌握重金属迁移转化机理并提高科学防治能力，准确判定有效来源已经成为必要的途径。目前，沧州市城郊区土壤重金属来源主要分为1项天然源（地质背景）和5项人为源（工矿企业污染物排放、农业生产活动、交通运输、大气沉降、城市建设）。除此之外，土壤重金属来源也包括室内吸烟的烟雾、蚊香片或不锈钢材料的燃烧等非主要来源途径。

随着人口密度逐年增加，土壤环境的优劣已经成为市民房屋选址、度假旅游甚至乘车规划等日常活动考虑因素之一。针对研究区以往研究程度和定量化源解析的实际要求，笔者设定了研究的主要目标：一是掌握沧州市某农业种植区表层土壤重金属含量分布特征，二是定量化厘定土壤重金属的有效来源，三是探明土壤重金属来源的主要影响因素，以期为市级城市周边郊区土壤表层重金属污染防治工作及规划提供方法借鉴。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

沧州市地处河北省东南部，北托京津、东靠渤海湾、南临山东，区域地理坐标为37°29′～38°57′N，115°42′～117°50′E。沧州地处冀中平原东部，地势低平，整体地势自西南向东北倾斜，其西部是太行山山前冲积扇缘之一，中部是河流冲积形成的平原，东部为滨海海积湖积平原。整体海拔2～18 m，表现为明显的暖温带大陆季风气候，四季分明，温度适中，光照充足，雨热同季，降水集中。夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，年平均气温13 ℃，年平均降水585 mm。特色产品金丝小枣和泊头鸭梨享誉国内外，研究区选取沧州市东部某一种植区，区内主要种植茄子、豆角、黄瓜和西红柿等蔬菜类作物。

笔者于2019年6—9月共采集表层土壤样品，采样深度0～20 cm，共计339件（图1）。采样密度为3～5件/km2，每个样品均由1个中心点及4个子样点等重量组合而成。在保证各分样点土壤类型基本一致的前提下，尽量避开垃圾土、水土流失严重或表层土明显已被破坏等可能对样品造成污染的地块，分样点距中心点距离不小于80 m，样品原始重量大于1 kg，采样过程中以木铲采集。样品采集完毕后经自然风干后过孔径为40目的尼龙筛，再经过球粒星磨机处理后过孔径为100目尼龙筛，测试样品制备后冷藏保存。

1.2 测试方法和质量控制

土壤样品共分析测试18项元素指标。土壤样品利用HNO3-HF-HClO4的混合溶液进行消解，采用X射线荧光光谱法（X-ray fluorescence）测定Cr、Pb、Zn和Al2O3的含量，采用电感耦合等离子质谱法（XSERIES2）测定Cd和Cu的含量，As和Hg通过使用原子荧光光谱法（AFS-9530）进行测定，采用氧化燃烧-气相色谱法测定N的含量，采用管式炉燃烧红外吸收法测定Corg的含量，采用电感耦合等离子体光谱法（ICP-AES，HK-2000）测定SiO2、Na2O、CaO、MgO、K2O、Ni和P的含量。土壤pH采用玻璃电极法测定（土液比1∶2.5），试验用水均为超纯水。

土壤测定过程采用国家有色金属及电子材料分析测试中心研制的有色金属ICP-MS标准溶液（GNM-M26193-2013）进行质量保证和质量控制，准确度（RE），其是由国家一级标准物质为密码样（7%）插入测试结果得到，测试精密度（RD）以重复样（5%）分析结果评定。每件土壤样品完成3次重复测试，加标回收率在96%～104%，相对标准偏差为±4%。分析质量要求均参照《土壤环境质量标准（GB 15618—2008）》。

1.3 数据处理与制图

采用SPSS 19.0软件对样品数据完成正态分布性检验、相关性分析、聚类分析、因子分析等，其中聚类分析方法选用最近邻元素法，度量标准选择区间Pearson相关性。因子分析选用最大四次方值法，抽取设置特征值大于1，最大收敛性迭代次数设置为25次；采用Excel 2016完成数据的基本参数统计分析，并验证数据的分布类型。采用EPA PMF 5.0软件进行定量化源解析模型的构建，完成正矩阵分解模型（PMF），其特点是能够依据所组成的数据集合进行分类并计算出源贡献率；采用Canoco 5.0软件完成冗余分析（RDA）。