宋 盈，陈利粉，杜惠文

（河南省安阳生态环境监测中心，河南 安阳 455000）

土壤能够为作物提供必需的生活条件，它主要是由土壤生物、氧化的腐植质、有机质、水分和空气等组成，是土壤肥力的物质基础，对人类生活、经济发展提供了重要的物质保障。重金属在进入土壤环境后，通过生物链进入动植物体内，由于其具有广泛的生物毒性、不可降解性和累积性，如果重金属含量过高，就会导致生态系统恶化，危害人类身体健康［1-2］。当土壤中重金属元素的含量明显高于原生境含量或背景值，则会对生态环境造成破坏和产生不良的影响［3］。

重金属来源较为复杂，土壤重金属主要来源于人类活动和成土母质，人类活动主要包括工业活动、交通活动、生活排污、农业活动等。王乔林等［4］认为沉积岩和火山岩中的Cr和Ni具有较高的背景值，是造成研究区该元素含量高的主要原因。但陈小敏等［5］研究认为污水灌溉、矿石冶炼、煤炭消费、钢铁生产和金属加工等工业活动造成了土壤中Cr和Ni的富集。郑江鹏等［6］认为重金属来源可能为人类工业生产及生活排污、农业污染、有机质降解的内源污染。由此可见，对重金属的来源进行分析较为复杂，但却十分重要，土壤重金属的来源解析可为研究区域的土壤环境风险评价及规划治理等提供科学依据。目前，多元统计方法是土壤重金属分析的基础性方法，相关性分析和主成分分析是确定重金属自然和人为来源的经典方法。地质统计学空间分析技术可以较为直观地体现出土壤重金属环境质量分布图，有不少国内外学者利用多元统计分析与地质统计学分析相结合的方式来分析土壤重金属的来源和分布［2，7-8］。潜在生态风危害指数法作为一种评价方法已被众多学者应用，它能够综合考虑背景值、毒性差异、生态环境效应等多种影响因子，用以反映土壤中重金属对环境的潜在危害［9］。

安阳作为京津冀一体化协同发展的城市之一，起到疏解非首都核心功能、解决北京“大城市病”，扩大城市环境容量生态空间，打造现代化新型首都圈的作用。该地区优质的环境现状尤为重要，然而周边多个钢铁、化工、采矿等企业对研究区域的环境质量尤其是土壤质量有一定的潜在风险。虽有学者对该地区的土壤环境质量做了一定的研究，徐小涛等［10］对工业区及周边社区表层土壤中重金属元素的分布特征和健康风险进行了研究，结果表明：工业区和社区表层土壤中Zn、Cu、Pb、As、Cd和Co均存在一定污染；
谢永霞等［11］分析了土壤中无机及有机污染物含量，并做了土壤环境质量评价；
但目前对该市主城区周边土壤中重金属的污染特征和空间分布的研究尚十分缺乏。本研究利用描述性统计法对研究区域的8种重金属元素含量进行分析，利用相关性和主成分分析法对其来源进行判别和相互佐证；
并采用地统计的空间分析技术绘制主成分空间分布图，对土壤重金属的来源深入进行判识，同时利用潜在生态风险法对其污染状况进行评价，旨在为豫北区域城市周边土壤环境质量的评价、重金属污染的控制和监管提供科学依据。

1.1 研究区概况

本区域位于河南某市主城区，既包含该市行政、经济、交通的主要区域，也包含城区周边农村、工业及城乡混合区。该区域人口密度大，交通布局呈中心区域和城区外围，地势西北高东南低，呈阶梯状。该区域土壤类型主要为壤土和潮土，还有少部分砂姜黑土、黏土等。属暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，气候温和。该区域西部建有多个钢铁、冶金企业，周边建有化工及垃圾回收厂，形成了电子信息、纺织服装、新能源3个优势产业和装备制造、冶金建材、食品医药、煤化工4个主导产业的工业体系。在促进当地社会经济发展的同时，也对土壤环境质量有一定的影响，该区域土壤环境质量关系着居民的生活安全和生态环境安全。

1.2 样品的采集与测试

本研究对该区域进行网格化采样点布设，利用GPS进行实地勘察，根据地形、采样条件等实际情况进行了点位筛选，共123个采样点（图1）。利用梅花采样方式对采样点进行采样，采集表层土壤（0～20 cm）并等量混合。经风干、粗筛后的土壤样品，再研磨至粒径小于100目备用。重金属元素Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni含量采用原子吸收分光光度计进行测定，Hg和As含量用原子荧光分光光度计测定［12～14］。

图1 研究区域采样点位分布示意图

1.3 数据处理与分析

1.3.1 统计学分析 利用Excel 2010软件进行数据处理，使用SPSS 17.0软件进行描述性统计、相关性分析和主成分分析，利用克里金（Kriging）插值法并通过ArcGIS 10.2软件绘制主成分空间分布图。

1.3.2 潜在生态风险评价 潜在生态风危害指数法是Hakanson从沉积学角度，根据重金属性质及环境行为特点，建立一套评价重金属潜在生态危害的方法。单个重金属潜在生态风险因子的计算公式为：

式（1）中，Ci为重金属含量；
为参考值，即本研究中采用的河南省土壤背景值［15］；
为某重金属的毒性相应系数，反映了重金属的毒性水平及土壤对重金属污染的敏感性。参考相关研究［7］，As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的毒性响应系数分别为10、30、2、5、40、5、5、1。

潜在生态风险评价标准如表1所示。

表1 潜在生态风险程度评价指标［16］

2.1 土壤重金属含量统计分析

利用SPSS 17.0软件计算出研究区土壤重金属元素的统计特征值，结果见表2。该研究区域采样点位的土壤pH值大多为中性偏碱性，其中有24个点位土壤pH值为6.5～7.5，99个点位土壤pH值＞7.5。结果显示，Cu、Pb、Zn、Cd、Ni和Hg含量的平均 值 分 别 为24.73、30.07、86.21、0.19、31.52、0.10mg/kg，均超过了河南省土壤背景值，呈强富集和富集状态；
Cr和As含量的平均值分别为61.53和9.18 mg/kg，低于河南省土壤背景值，但其极大值超过了河南省土壤背景值；
Pb、Zn、Hg和As的中位值明显低于平均值，这4个元素的高浓度值数量不多但数值较高，说明受人为因素的影响较大。但监测点位均未超过《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）中相应土壤pH值的风险筛选值［17］。变异系数是标准差与均值的比值，它能够反映数据的离散程度，变异系数越大，则数据空间分布越不均匀，可能受到的人类活动干扰越大［5］。

由表2可知，重金属的变异系数从大到小分别为Hg、Cd、Pb、As、Zn、Cr、Ni、Cu，Hg的变异系数较高为1.01（＞0.8）；
Cd、Pb和As次之，介于0.4～0.7；
Zn、Cr、Ni和Cu较低，介于0.2～0.4，这表明Zn、Cr、Ni和Cu在研究区域土壤中重金属含量相对较为均匀。偏度从大到小分别为Hg、Pb、Zn、As、Cd、Cr、Ni、Cu，其中Hg和Pb的偏度较高，它们可能受人类活动影响较多而产生了较大的正偏度［18］。由于Hg和As的中位数与其平均值差别较大，这可能受数据中异常值的影响，从而使其呈非标准正态分布，而Cr、Ni和Cu的原始数据经K-S检验呈正态分布（即P＞0.05），Pb、Zn和Cd经对数转换后呈正态分布。

表2 土壤重金属的描述性统计

2.2 土壤重金属的相关分析

从表3可知，Cu-Zn在0.01水平上的相关系数为0.507，有较强的相关性，说明Cu和Zn可能具有同源性；
Cu-Ni、Cu-Cr、Ni-Cr的相关性为中等程度相关，在0.01水平上的相关系数分别为0.487、0.401、0.366，这说明Cu、Ni和Cr可能具有同一来源，其中Cr和Ni为铁族元素，与成土母质岩相关性较大。

表3 土壤重金属的相关性分析

Pb-Hg、As-Hg、As-Pb在0.01水 平 上 的 相 关系数分别为0.388、0.409、0.344，为中等程度相关，说明Pb、Hg和As可能来自同一来源。

Cd和Cu、Zn、Ni在一定程度上存在相关性，相关系数在0.202～0.327之间，大体为弱相关关系，说明Cd的来源可能与其他重金属的来源关系不大。

2.3 土壤重金属主成分分析

土壤重金属的主要来源是自然和人为因素，主成分分析法是利用降维的方式，将多个相关联的数据转变为少数类综合性指标，是解析重金属元素污染来源的有效方法［19］。利用SPSS 17.0软件对这8种金属元素的原始数据进行了KMO和Bartlett检验。KMO值为0.73，Bartlett球形度检验为0，这说明各个元素之间的相关性较强，可以做主成分分析［20］。

基于主成分方法，采用Kaiser标准化的正价旋转法，并采用最大方差法对因子载荷矩阵进行了正交旋转。由表4和图2可知，根据特征值大于1的原则，从研究区土壤重金属元素中共提取3个主成分，累积贡献率为65.008%，这在一定程度上可反映该区域重金属元素的来源情况。第一主成分的贡献率为35.795%，Cu、Zn、Cr和Ni具有较高的正载荷，通过统计特征分析发现：研究区土壤中Cu、Ni、Cr和Zn的平均值未超过或接近河南省土壤背景值，且这4个重金属元素的变异系数相对较小（＜0.4），空间分布较为均匀。还有研究表明，Cr和Ni与地质背景有密切联系［21］。资料显示，我国城市土壤污染程度最低的重金属为Cr和Ni［22］，且Cu、Ni、Cr和Zn的相关性较强，同源性较强，但是Zn、Ni和Cu三者的平均值只略高于河南省土壤背景值，这与其成土母质有关，该研究区土壤类型主要为褐土和潮土，其背景值均较高。因此，可以判断第一主成分为自然因子，受成土母质的影响。Zn在第一主成分和第三主成分均有一定程度载荷，说明Zn受这2个方面因素的影响。

图2 土壤重金属元素主成分载荷

表4 研究区土壤重金属含量主成分分析结果

第二主成分的贡献率为15.807%，主要贡献元素为Hg、Pb和As，Hg和Pb的含量超出了河南省土壤背景值，且Hg的变异系数和超标倍数均远高于其他元素，说明受人为活动影响较大。在城市中，Pb的主要来源于汽车尾气的排放［23］，也有研究［24］表明：Pb主要来自汽车尾气和煤炭燃烧。Hg是被认为“工业源”的特征元素，As和Hg的主要来源于煤炭燃烧和钢铁冶炼［22，24-25］。研究区域内有多个钢铁厂、焦化厂和电厂，这是造成土壤中As和Hg积累的重要因素。Hg在大气中是一种很稳定的元素，主要是通过大气干沉降和湿沉降进入土壤中［26］，As的平均值低于河南省土壤背景值，这是受土壤类型的影响，但As的异常值较大，且与Hg、Pb相关性较强，可认为是同一来源。有研究表明，工业生产（例如冶炼、化工、燃煤和交通运输）的过程中会产生As，并以降尘和污水的形式进入土壤环境［27］，表层土壤中的As含量主要来源于生产和生活中的含As废物［23］。综上所述，第二主成分为交通和工业源。

第三主成分的贡献率为13.406%，Cd具有较高正载荷，结合表1的统计特征分析发现研究区Cd含量平均值与河南省土壤背景值的比值高达2.51，变异系数为0.65，除Hg外，大于其他元素。Cd主要来自肥料和农药的施用，同时可能来源于电镀、冶金等行业 “三废”的排放［27-30］。Cd是化肥使用的标志元素，它存在于磷肥中，通过磷肥的施用进入土壤［22］。而Zn常作为畜禽饲料的添加剂，用来预防疾病和促进畜禽的生长，但不能得到完全利用，95%以上的Zn随粪便排出体内［27］，因而施用动物粪便等有机肥可以增加土壤中Zn的含量［22］。由此可知，第三主成分为农业和工业源。

2.4 主成分空间分布

根据主成分法计算出各采样点位的重金属含量在这3个主成分中的贡献率，再利用克里格插值法，采用ArcGIS 10.2软件制作出空间分布图。如图3所示，主成分1的空间分布呈现西部和中间区域的数值较高，这是由于西部的土壤主要是褐土，而褐土的Cu、Zn、Cr和Ni的背景值高于潮土，与土壤分布相似。研究区西北部、中南部分布着几家化工和冶金企业，研究区域中部及其周边多为城乡混居区，该地区居民取暖多用煤炭，也是造成该区域Pb、Hg、As偏高的原因，且由于该区域地势西高东低，春、夏、秋季为南风，冬季为西北风，所以主成分2中的3种元素累积在这2片区域。主成分3的高值区主要为城市周边农田。

图3 研究区土壤重金属主成分的空间分布

2.5 土壤重金属的生态风险评价

研究区域土壤重金属潜在生态风危害指数统计结果见表5。根据Hakanson潜在生态风险分级标准（表1），Cd的潜在生态风险因子处于40～80，属于中等生态风险水平；
Hg的潜在生态风险因子处于80～120，属于强生态风险水平；
其他均小于40，属于低生态风险水平。研究区综合潜在生态风险指数RI的平均值为228.6，属于中等生态风险水平。

表5 研究区域土壤重金属潜在生态风险危害指数统计

（1）研究区域土壤重金属元素除Cr和As以外，其余元素含量的平均值超过了河南省土壤背景值，呈强富集和富集状态；
但监测点位均未超过风险筛选值。Hg、Pb、Cd和As的变异系数和偏度较大，且中位数与其平均值差别较大，受异常值的影响，可能受人为活动的影响较大。

（2）通过相关性分析可知，Cu、Ni和Cr的来源相似，Pb、Hg和As的来源相似，Cd与其他重金属的来源关系不大。主成分分析结果显示第一主成分为Cu、Zn、Cr和Ni，属自然因子，受成土母质的影响，其空间分布与土壤分布相似。Zn受第一主成分和第三主成分2个方面因素的影响。第二主成分为Hg、Pb和As，属交通和工业源，受西北部、中南部的化工和冶金企业，以及地势和季风的影响，高值区分布在中北部和中南部区域。第三主成分为Cd，属农业和工业源，其高值区分布在主城区周边农田。

（3）研究区域土壤Cd属于中等生态风险水平，Hg属于强生态风险水平，其他元素属于低生态风险水平。研究区综合潜在生态风险指数RI的平均值为228.6，属于中等生态风险水平。

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