华北平原某地农田土壤重金属污染特征及来源分析

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对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

作者简介 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;