黔西北紅托竹蓀種植區土壤重金屬含量及污染特征分析

摘要：通過研究貴州省西北部紅托竹蓀（Ｄｉｃｔｙｏｐｈｏｒａ ｒｕｂｒｏｖａｌｖａｔａ Ｍ．Ｚａｎｇ．Ｊｉ．ｅｔ Ｌｉｕ．）種植區土壤中５種重金屬元素的含量，并采用單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法相結合的方法對土壤進行了污染特征評價。結果表明，１號、２號采樣點土壤的污染較輕，屬于尚清潔；其他采樣點污染比較嚴重，屬于中度污染和重度污染。Ｃｄ、Ｃｕ的單因子污染指數偏高，是重金屬污染的主要元素之一；Ｃｄ、Ｃｕ、Ｈｇ、Ａｓ ４種元素之間的相關性非常顯著，因此這４種元素有可能存在相同的重金屬污染來源，或者是這４種元素之間存在復合污染。主成分分析結果表明，土壤重金屬污染可能主要來自外源性污染。

關鍵詞：土壤；重金屬；污染評價；貴州省

中圖分類號：Ｘ１３１．３；Ｘ８２５（２７３）文獻標識碼：Ａ 文章編號：0439－８114（２０11）18－3739-04

Research on the Content and Pollution Evaluation of Heavy Metals in

Dictyophora rubrovalvata Growing Areas of Northwestern Guizhou Province

ＬＩ Ｃｕｎ－ｘｉｏｎｇ，ＷＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｌｉ，ＷＵ Ｄｉ，ＹＡＮＧ Ｊｉａｎｇ－ｊｉａｎｇ

（Ｋｅｙ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｅｃｏ－Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，

Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｇｕｉｙａｎｇ ５５０００１， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｆｉｖｅ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌｓ ｉｎ ｓｏｉｌｓ ｃｕｌｔｉｖａｔing Ｄｉｃｔｙｏｐｈｏｒａ ｒｕｂｒｏｖａｌｖａｔａ Ｍ． Ｚａｎｇ． Ｊｉ． ｅｔ Ｌｉｕ． ｆｒｏｍ Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｇｕｉｚｈｏｕ ｐｒｏｖｉｎｃｅ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｗａｓ ｍａｄｅ ｂｙ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ ａｎｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ （Ｎｅｍｅｒｏ ｉｎｄｅｘ）． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｏｉｌｓ Ｎｏ．１ ａｎｄ Ｎｏ．２ was ｐｏｌｌｕｔｅｄ ｌｅｓｓ at ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｌｅｖｅｌ Ⅱ． Ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｒｅｇｉｏｎｓ belonged to ｍｏｄｅｒａｔｅ or ｈｅａｖｙ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ level． Ｃｄ ａｎｄ Ｃｕ ｗｅｒｅ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ as ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ－ｆａｃｔｏｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ ｗａｓ ｈｉｇｈ． Ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｆｏｕｒ ｅｌｅｍｅｎｔｓ （Ｃｄ， Ｃｕ， Ｈｇ， Ａｓ） ｗａｓ ｖｅｒｙ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ， indicating that ｔｈｅｓｅ ｆｏｕｒ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｍｉｇｈｔ ｈａｖｅ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌｓ ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｒ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ． Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｍｉｇｈｔ ｃｏｍｅ ｆｒｏｍ ｏｕｔｓｉｄｅ ｆａｃｔｏｒｓ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｓｏｉｌ； ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌ； ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ； Ｇｕｉｚｈｏｕ ｐｒｏｖｉｎｃｅ

貴州省地處云貴高原，由于特定的地理位置和復雜的地形地貌，使貴州省的氣候和生態條件復雜多樣。土壤重金屬污染是全球面臨的一個亟待解決的環境問題，對重金屬污染土壤進行治理已經成為環境科學研究的熱點和難點問題。重金屬污染是影響生態系統的重要污染類型，作物對重金屬元素具有富集作用，重金屬必將會通過食物鏈進入人體，進而危害人體健康。因此，重金屬在土壤中的積累及其對農產品安全性的影響一直備受人們的關注［１］。試驗通過研究黔西北土壤重金屬之間的相關性并進行污染特征分析，旨在為改善土壤生態環境和保障人類健康提供科學依據。

１材料與方法

１．１樣品采集

土壤樣品分別來自貴州省西北部紅托竹蓀（Ｄｉｃｔｙｏｐｈｏｒａ ｒｕｂｒｏｖａｌｖａｔａ Ｍ．Ｚａｎｇ．Ｊｉ．ｅｔ Ｌｉｕ．）種植區的９個采樣點。土壤樣品采集按照文獻［２］的要求，在實地選擇具有代表性的土壤，采集深度為０～２０ ｃｍ土層，用四分法舍至１．０ ｋｇ左右，裝入塑料袋，貼上標簽，共采集９個有代表性的土壤樣品，送至實驗室。土樣經室內自然風干后除雜，然后用瑪瑙研磨機研磨至通過１００目（孔徑０．１４９ ｍｍ）尼龍篩，保存在密封塑料袋中，備用。

１．２儀器與試劑

儀器主要有ＡＡ ８００原子吸收光譜儀（美國ＰｅｒｋｉｎＥｌｍｅｒ公司）、ＡＦ－６４０原子熒光光譜儀（北京瑞利分析儀器公司）、pＨＳ－３Ｃ型精密酸度計（上海大普儀器有限公司）、ＸＰＭ－（Φ１００×４）星系四筒研磨機 （武漢探礦機械廠）。試劑主要有ＨＣｌ、ＨＮＯ３、ＨＣｌＯ４，均為優級純，其余試劑皆為分析純。

１．３分析方法

根據文獻［３］對重金屬規定的項目，確定土壤中的Ｐｂ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ｈｇ、Ａｓ ５種重金屬元素的總含量及土壤ｐＨ值為本研究的測定項目。將土壤樣品采用混酸消解，Ｐｂ、Ｃｄ元素用石墨爐原子吸收光譜法測定［４］，Ｃｕ元素用火焰原子吸收光譜法測定［５］，Ａｓ元素用原子熒光光譜法測定，Ｈｇ元素用冷原子原子熒光光譜法測定［６］。土壤的ｐＨ用精密酸度計測定，水和土壤的質量比為２．５∶１．０［７］。

１．４評價標準

土壤環境重金屬含量污染評價能精確而定量地反映土壤環境質量的真實狀況，可為環境規劃和土壤環境污染綜合整治提供科學依據［８］。依據國家土壤環境質量標準（ＧＢ １５６１８－１９９５）［３］中的二級標準作為本研究土壤評價的標準（表１）。

１．５評價方法

研究采用單因子污染指數法［９］和內梅羅綜合污染指數法［１０，１１］相結合的方法對土壤環境質量進行評價。單因子污染指數法能夠比較直觀地反映土壤環境中各項重金屬污染指標的實際情況，單因子評價計算公式為：

Pi=Ci/Si （１）

式中，Pi為i污染因子的質量分指數；Ci為i污染因子的實測濃度；Si為i污染因子的評價標準。當Pi＜１，表示土壤未受污染物的污染；Pi＞１，表示土壤受到污染；Pi越大則土壤受污染程度越重。

綜合污染指數的計算公式為：

Ki=（Si-Coi）/Coi （２）

Wi=（1/Ki）/∑（1/Ki） （３）

ISQJ=WiPi（４）

式中，ISQJ為土壤的環境質量總指數；Wi為i污染因子的權重值，∑Wi=1；Pi為i污染因子的質量分指數；Ki為i污染因子的環境可容納量；Coi為i污染因子的背景值。當土壤環境質量總指數為ISQJ≤０．５，則土壤環境等級為一級，定為清潔；０．５＜ISQJ≤１．０，則土壤環境等級為二級，表示有影響；１．０＜ISQJ≤１．５，則土壤環境等級為三級，有輕度污染存在；１．５＜ISQJ≤２．０，則土壤環境等級為四級，達到中度污染；ISQJ＞２．０，則土壤環境等級為五級，達到重度污染。

內梅羅綜合污染指數法能反映出土壤環境中各項污染指標綜合后總的土壤環境質量狀況，可以為環境規劃和土壤環境污染綜合整治提供科學的依據［１２］。內梅羅綜合污染指數計算公式為：

PN= （５）

式中，PN是內梅羅污染指數；Pi均為單項污染指數平均值；Pi最大為最大單項污染指數。綜合評價分級標準見表２。

1.6數據分析

對試驗所得數據，利用SPSS 11.0統計軟件包，進行5種重金屬元素含量的Pearson相關分析，以確認土壤重金屬元素之間的相互關系與污染源頭；并應用主成分分析的方法對5種重金屬元素含量和pH的同源性進行關聯比較。

２結果與分析

２．１土壤中５種重金屬元素的含量及污染狀況

將試驗測定得到的黔西北紅托竹蓀種植區９個取樣點土壤中總汞（Ｈｇ）、總砷（Ａｓ）、總鉛（Ｐｂ）、總鎘（Ｃｄ）、總銅（Ｃｕ）５種重金屬元素含量原始數據的的平均值及ｐＨ列于表３，并利用Ｅｘｃｅｌ ２００３和ＳＰＳＳ １１．０軟件對數據進行處理，結果也列入表３。由表３可知，黔西北紅托竹蓀種植區土壤中重金屬元素的含量差異不太大，變異系數在３４．３％～５５．７％之間。１號、２號采樣點重金屬元素的含量大部分（除鉛外）比其他采樣點的含量低，５種重金屬元素含量的高低順序為Ｃｕ＞Ａｓ＞Ｐｂ＞Ｃｄ＞Ｈｇ。土壤的ｐＨ在４．６７～６．３６之間，均小于６．５０；１號、２號采樣點的ｐＨ比其他采樣點的小，表明其酸性更強一些。

依據國家土壤環境質量標準（ＧＢ１５６１８－１９９５）中的二級標準作為本研究的土壤評價標準，則黔西北紅托竹蓀種植區土壤中重金屬元素的含量為背景值水平［１３］（Ｐｂ為３５．２０ ｍｇ／ｋｇ；Ｃｄ為０．２１ ｍｇ／ｋｇ；Ｃｕ為３２．００ ｍｇ／ｋｇ；Ｈｇ為０．１１ ｍｇ／ｋｇ；Ａｓ為２０．００ ｍｇ／ｋｇ），由此利用單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法相結合的方法，對黔西北紅托竹蓀種植區土壤重金屬污染水平和污染等級進行評價的結果見表４，從表４可以看出，１號、２號采樣點的土壤比其他采樣點土壤的污染程度輕，綜合污染指數小于１．０，為尚清潔，屬于二級污染。其他采樣點的重金屬污染比較嚴重，為中度污染和重度污染，屬于四級和五級污染。這提示我們要采取相應的措施進行治理與修復。

２．２土壤重金屬元素間的相關性分析

黔西北紅托竹蓀種植區的所有土壤樣品的５種重金屬元素含量Ｐｅａｒｓｏｎ相關分析結果（表５）表明，重金屬元素含量的相關性除Ｃｄ與Ｐｂ之間存在負相關之外，其他相關性均為正相關，其中Ｃｕ與Ｃｄ、Ａｓ與Ｃｄ、Ａｓ與Ｃｕ之間的相關系數分別為０．９３１、０．８８８、０．９８２，呈現出極顯著差異水平。說明這３種元素可能存在相同的來源或元素之間存在復合污染。Ｈｇ與Ｃｄ、Ｈｇ與Ｃｕ、Ｈｇ與Ａｓ之間的相關系數分別在０．７左右，呈現出比較好的正相關。說明這４種元素有可能存在相同的來源或元素之間存在復合污染。造成這種現象的原因可能和這個地區的人類活動有關，并且此地也有礦產資源的開發以及大型的重工業企業，這些都和土壤重金屬的污染有密不可分的聯系。

２．３土壤重金屬的主成分分析

黔西北紅托竹蓀種植區所有土壤樣品的５種重金屬元素含量和ｐＨ主成分分析結果表明，前２個主成分包含了原有全部信息的８５．１６％，即前兩個因子已經基本保留了原來５種重金屬元素和ｐＨ的相關信息，涵蓋了分析數據中的大部分信息，所以確定主成分的個數為２個。由旋轉后的正交因子載荷矩陣結果（表６）可知，第一主成分中Ｃｄ、Ｃｕ、Ａｓ的載荷指標很高，因子載荷值分別為０．９６２、０．９８８、０．９６０，說明Ｃｄ、Ｃｕ、Ａｓ這３種重金屬元素的同源性很好；而ｐＨ的載荷值不是很高，說明重金屬元素與土壤ｐＨ有一定的相關性，但不是很大。第二主成分中高載荷的指標只有Ｐｂ，因子載荷值為０．８８８；而ｐＨ呈現負的載荷值，重金屬元素與ｐＨ沒有關聯，體現了重金屬元素與土壤的自然本質關系不大，而與外源污染因素關系密切。

３小結

研究結果表明，黔西北紅托竹蓀種植區的土壤中，Ｐｂ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ｈｇ、Ａｓ ５種重金屬元素含量水平差異不太大，變異系數在３４．３％～５５．７％之間。就變異系數而言，Ｐｂ的差異最大，Ｃｕ的差異最小。５種重金屬元素含量的高低順序為Ｃｕ＞Ａｓ＞Ｐｂ＞Ｃｄ＞Ｈｇ。

以國家土壤環境質量標準（ＧＢ １５６１８－１９９５）為評價標準進行分析，結果紅托竹蓀種植區土壤重金屬的單因子污染指數和內梅羅綜合污染指數都很高，只有１號、２號采樣點的土壤為尚清潔，屬于二級污染，其他采樣點的土壤重金屬污染比較嚴重。其中Ｃｄ、Ｃｕ的單因子污染指數偏高，是污染土壤的主要重金屬元素之一。

由重金屬元素含量的相關性分析結果可以看出，Ｃｄ、Ｃｕ、Ｈｇ、Ａｓ這４種重金屬元素之間存在非常顯著的正相關關系，因此推測這４種重金屬元素有可能存在相同的來源，或者是這４種重金屬元素之間存在復合污染。因此，由于污染的復雜性，想要準確地判定污染來源是有一定難度的。我們的分析結果認為，貴州省西北部紅托竹蓀種植區的土壤重金屬污染可能主要由外源污染因素引起。

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