武陟农田重金属污染特征及其与河流底泥的关联性分析

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

作者简介 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 内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。