基于地統計學的櫻桃園土壤重金屬污染評價及來源解析

劉 強，康 博，尤曉妮，楊 東

(1.天水師范學院 資源與環境工程學院，甘肅 天水 741000；2.西北師范大學 地理與環境科學學院，甘肅 蘭州 730000)

隨著經濟社會的快速發展，我國土壤重金屬污染問題日益嚴重，各種污染物通過多種途徑進入土壤[1]。由于沒有得到有效控制和修復，造成重金屬不斷富集，當土壤中的重金屬含量積累到一定程度時，不僅會直接影響農產品的質量和品質，對大氣和水環境造成污染，而且會通過食物鏈對動物和人類的生命健康構成威脅[2-3]。土壤重金屬污染具有多源性、累積性、隱蔽性、嚴重性等特點[4]。它的來源主要有自然來源和人為來源[5-7]。

兩種天水市櫻桃主產區是專家公認的西北黃土高原地區適宜于建設露地生產優質櫻桃園的為數不多的地區之一，所產櫻桃風味獨特、色澤鮮艷、品質優良，已遠銷全國各大城市。伴隨著櫻桃產業的快速發展壯大，農民在種植過程中不合理、過度施用化肥、農藥，不僅直接影響果品質量，而且過量的重金屬元素通過食物進入人體后會對身體健康產生極大的危害。因此，本研究以天水市秦州區櫻桃主產區的6個鄉鎮的櫻桃園為研究對象，實地采集土壤樣本，對園區表層土壤中的5種重金屬元素進行測定，運用多元統計分析等方法，研究櫻桃園土壤中重金屬的污染程度、分布特征及污染來源，以期為研究區土壤環境質量和生態健康評價、土壤重金屬元素污染修復，以及天水櫻桃產品質量提升和產業可持續發展提供參考。

1 研究區概況

秦州區位于甘肅省東南部，是古城天水的中心城區，屬秦巴山區西秦嶺北緣，地處105°13′～106°01′E、34°05′～34°40′N，地跨黃河、長江兩大流域，地勢西高東低，海拔1 130～2 700 m，土壤主要有黃綿土、黑壚土，是典型的半濕潤半干旱溫帶氣候區，氣候溫和，素有“隴上小江南”之稱，憑借得天獨厚的自然資源優勢，成為優質的水果和蔬菜生產基地。

2 研究材料與方法

2.1 樣品的采集

選擇秦州區櫻桃主產區的6個鎮(太京鎮、玉泉鎮、藉口鎮、關子鎮、牡丹鎮、楊家寺鎮)作為研究點(見圖1)，在2016年5月下旬對研究點進行土壤采樣，根據每個鎮櫻桃園面積大小不同確定采樣數目，在每個采樣點取0～20 cm的表層土壤，同時使用GPS定位儀記錄采樣點的地理坐標，以及各采樣田塊的基本信息。將采集后的樣品分別裝于采集袋中，帶回實驗室，除去雜物，風干磨碎，過100目篩，裝于廣口瓶中，供測定使用。

圖1 土壤采樣點位置示意

2.2 測定方法

櫻桃園土壤重金屬含量測定采用鹽酸-氫氟酸-高氯酸消解法，Cr、Cu、Zn總量測定采用火焰原子吸收分光光度法，Pb、Cd總量測定采用石墨爐原子吸收分光光度法[8]。

2.3 尼梅羅指數法

尼梅羅指數法能夠較為全面地評價土壤重金屬污染水平，綜合反映重金屬對區域的污染程度，表達出單個采樣點的重金屬污染程度，并能綜合評價某一個區域的土壤污染狀況[9-13]。尼梅羅污染指數評價標準見表1。尼梅羅單項污染指數計算公式為

Pi=Ci/Si

(1)

式中：Pi為某采樣點第i種重金屬元素的尼梅羅單項污染指數；Ci為某采樣點第i種重金屬元素的實測值，mg/kg；Si為選取的第i種重金屬元素污染評價標準，mg/kg。

污染土壤的重金屬元素往往不止一種，所以還需要考慮不同重金屬元素對土壤的污染程度。可以用尼梅羅綜合污染指數來衡量，其計算公式為

(2)

式中：P綜合為某采樣點各種重金屬元素的尼梅羅綜合污染指數，即某采樣點5種重金屬綜合污染分值；Pimax為某采樣點5種重金屬元素尼梅羅單項污染指數中的最大值。

表1 尼梅羅污染指數評價標準

3 結果與分析

3.1 土壤重金屬含量分析

表2為研究區櫻桃園土壤重金屬元素測定結果。從表2可以看出，5種土壤重金屬中Pb、Cr、Cd、Zn、Cu含量的最大值分別為40.20、70.20、0.11、103.88、27.50 mg/kg；Cd的變異系數最大，離散程度較高；Cr的變異系數最小，離散程度較低。以《土壤環境質量標準》(GB 15618—1995)中的二級標準為衡量標準，各采樣點重金屬含量均在國家標準以下，沒有重金屬元素含量超標。但以甘肅省土壤背景值[14]為衡量標準，土壤Pb含量超標率達到了100%，污染十分普遍；Cr、Zn、Cu超標率也分別達到了77.78%、77.78%和72.22%；只有Cd元素低于甘肅省土壤背景值，沒有超標。

表2 研究區櫻桃園土壤重金屬元素測定結果

注：標準參照《土壤環境質量標準》(GB 15618—1995)中的二級標準，土地利用類型為果園。

以《土壤環境質量標準》(GB 15618—1995)二級標準作為評價標準，采用尼梅羅指數法對研究區土壤重金屬污染水平進行評價，結果見表3：各采樣點土壤重金屬單項污染指數平均值依次為 Pb>Cr>Zn>Cu>Cd，單項污染指數均小于0.50，屬于清潔無污染等級。從土壤重金屬綜合污染指數來看，各采樣點綜合污染指數均小于0.70，平均值為0.37，屬于安全等級。綜上所述，采樣點櫻桃園土壤未受到重金屬的嚴重污染，適合發展無公害果品。

表3 各采樣點土壤污染程度比較

圖2為櫻桃種植區土壤重金屬空間分布情況。從圖2可以看出，東北部土壤重金屬污染較西南部嚴重，原因可能是東北部櫻桃園的種植面積比西南部的種植面積大，農藥的使用率高、施用量大，且這些地區靠近河流，污水灌溉使重金屬進入到櫻桃園土壤中，造成土壤中重金屬的大量積累，導致土壤中重金屬污染。

3.2 重金屬來源分析

3.2.1 相關性分析

重金屬元素之間的相關性，在一定程度上反映了這些元素污染程度的相似性或污染元素具有相似的來源[15]。由表4可知，5種重金屬元素中Zn和Cu的相關系數達到0.667，呈極顯著相關，且極有可能來自于同一污染源。

3.2.2 主成分分析

主成分分析是把多個指標轉化為少數幾個綜合指標來反映原始數據的信息，該方法常用于土壤和其他沉積物的分析，在土壤研究中用以區分重金屬元素來源[16-17]。由表5可知，天水市秦州區櫻桃園土壤中5種重金屬前兩個主成分累計貢獻率達65%，前兩個主成分就能夠反映全部數據的大部分原始信息，因此提取前兩個主成分對數據進行分析。

表4 土壤重金屬相關系數

注：**表示在1%水平下顯著相關(雙尾)。

表5 土壤重金屬主成分分析因子載荷值

第一主成分的貢獻率達到40.364%，其中Zn和Cu具有較高的正載荷，其相對因子載荷值分別為0.880和0.797，這說明Zn和Cu元素同源的可能性非常大，Zn和Cu元素平均值和背景值含量較接近，而且這兩種元素之間呈顯著相關，因此稱第一主成分為“母質因素”。

第二主成分的貢獻率達24.762%，其中Pb元素呈現較高的正載荷，其次是Cu和Cr，據此判斷土壤重金屬元素Pb、Cr和Cu有可能為同一來源。研究區櫻桃園長期施用農藥是造成土壤中Pb、Cu、Cr含量較高的重要因素[18]。另外，第二主成分可以歸納為受農藥施用影響源，故將第二主成分稱為“人為影響因素”。

3.2.3 重金屬聚類分析

聚類分析可以有效地揭示不同元素間的來源相似性，用來檢驗主成分分析的結果。聚類圖上的距離軸反映了組間元素的關聯程度，距離越小，關聯度越顯著，反之亦然。圖3是根據櫻桃園5種重金屬元素含量分析結果得到的聚類樹狀圖，可以發現：Cu和Zn元素的關聯度較為顯著，兩者可能來自同一污染源；在第二類中，Pb和Cr聚為一類，而Cd自成一類，Cd元素與另兩種元素之間距離較大，關聯度不太顯著，這說明這三種元素在存在不同來源的情況下，又受到同一因素的影響。這與相關性及主成分分析研究污染源的結果基本一致。

圖3 土壤表層重金屬聚類分析結果

4 結 論

(1)以國家《土壤環境質量標準》(GB 15618—1995)中的二級標準為衡量標準，各采樣點重金屬含量均在國家標準以下，沒有重金屬元素超標。但以甘肅省土壤背景值為衡量標準，土壤Pb含量超標率達到了100%，污染十分普遍；Cr、Zn、Cu的超標率也分別達到了77.78%、77.78%和72.22%；只有Cd含量低于甘肅省土壤背景值，沒有超標。

(2)造成櫻桃園土壤重金屬污染最主要的因素為成土母質、農藥施用。對不同重金屬含量之間相關性分析表明，Zn和Cu之間呈極顯著相關，說明櫻桃園土壤中Zn和Cu兩種元素可能來自同一污染源。

(3)研究區各種重金屬元素來自不同的污染源，即污染來源并不單一，屬于混合來源污染。根據實地調查研究，研究區周圍并不存在大型工礦業活動，且遠離主城區，因此可以推斷農藥施用是造成土壤重金屬污染的主要來源。基于農產品安全的考慮，在當地發展櫻桃產業的同時，應該合理施用農藥，科學種植。

[參考文獻]

[1] 呂建樹,張祖陸,劉洋,等.日照市土壤重金屬來源解析及環境風險評價[J].地理學報,2012,67(7):109-122.

[2] 王幼奇,白一茹,王建宇.基于GIS的銀川市不同功能區土壤重金屬污染評價及分布特征[J].環境科學,2016(2):710-716.

[3] 何玉生.海口城市土壤重金屬污染特征與生態風險評估[J].生態學雜志,2014,33(2):421-428.

[4] 鄭冬梅,孫麗娜,劉志彥,等.沈陽細河水中多環芳烴的分布、來源及生態風險評價[J].生態學雜志,2010,29(10):2010-2015.

[5] ADRIANO D C.Trace elements in the terrestrial environments[M].2nd ed.[S.l.]Springer-Verlag,2001:867.

[6] 羅永清,陳銀萍,陶玲,等.蘭州市農田土壤重金屬污染評價與研究[J].甘肅農業大學學報,2011,46(1):98-104.

[7] 張海珍,唐宇力,陸駿,等.西湖景區土壤典型重金屬污染物的來源及空間分布特征[J].環境科學,2014,35(4):1516-1522.

[8] 郝麗虹,張冬明,吳鵬飛,等.海南島農用地土壤重金屬含量的空間分布[J].中國生態農業學報,2009,17(2):230-234.

[9] 林燕萍,趙陽,胡恭任,等.多元統計在土壤重金屬污染源解析中的應用[J].地球與環境,2011,39(4):536-542.

[10] 楊東,劉強.基于GIS和地統計學的張掖市甘州區土壤全氮、有機質的空間變異特征分析[J].土壤通報,2011,42 (3):593-597.

[11] 朱愛萍,陳建耀,江濤,等.北江流域橫石河—翁江沿岸土壤重金屬污染特征分析[J].中國環境科學,2015,35(2):506-515.

[12] 陳峰,尹春芹,蔣新,等.基于GIS的南京市典型蔬菜基地土壤重金屬污染現狀與評價[J].中國環境監測,2008,24(2):40-44.

[13] 范拴喜,甘卓亭,李美娟,等.土壤重金屬污染評價方法進展[J].中國農學通報,2010,26(17):310-315.

[14] 李健,鄭春江.環境背景值數據手冊[M].北京：中國環境科學出版社,1989:18.

[15] 蔡立梅,馬瑾,周永章,等.東莞市農業土壤重金屬的空間分布特征及來源解析[J].環境科學,2008,29(12):3496-3502.

[16] 李玉,俞志明,宋秀賢.運用主成分分析(PCA)評價海洋沉積物中重金屬污染來源[J].環境科學,2006,27(1):137-141.

[17] 史靜,夏運生,張乃明.主成分分析在大棚土壤重金屬元素區域分異特征的應用[J].中國土壤與肥料,2016(4):65-69.

[18] 陳學民,朱陽春,董會平,等.天水蘋果園土壤重金屬污染調查與評價[J].蘭州交通大學學報,2011,30(3):132-135.