基于PCA和ArcGIS的縣域土壤重金屬生態風險評估及來源解析

冉爭艷

銅仁市生態環境局，貴州銅仁 565300

思南縣作為典型的農業及礦產資源大縣，目前關于農用地土壤重金屬含量水平和污染狀況的文獻資料十分有限。因此，擬采用單因子污染指數法、內梅羅綜合污染指數法、潛在生態風險評價法、相關性分析—PCA主成分分析法和GIS技術，研究了思南縣農用地土壤重金屬污染特征、空間分布及污染來源，以期為思南縣農用地土壤重金屬污染防控和生態風險提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

思 南 縣（107°52′E～108°28′E，27°32′N～28°10′N）位于貴州省銅仁市西部，據《思南縣2021國民經濟和社會發展統計公報》統計，2021年思南縣總耕作面積1 434.74 km2，占總國土面積的64.32%，較2020年同比增長23.3%，屬于典型的農業大縣[1]。全縣有出露面積達10 km2的喀斯特石林，被自然資源部命名為“國土資源科普示范基地”和“烏江喀斯特國家地質公園”。思南縣境內礦產資源豐富，擁有煤礦、汞礦、砷礦、鐵礦、重晶石礦等多種礦產。擬研究的土壤樣品分布于思南縣的28個鄉鎮（街道），共計65個。

1.2 樣品采集與分析測試

采用隨機布點法對耕作層土壤進行樣品采集，在每個采樣點，將各分點0～20 cm的耕作層土壤混合均勻后，采用四分法取1.0 kg土樣裝入樣品袋。自然風干后除去砂石、植物根系等雜物，樣品過20目尼龍篩粗磨后分為2份保存；并將其中一份細磨，直到全部樣品過100目尼龍篩為止，保存用于土壤重金屬元素全量分析[2]。

稱量土壤粗磨樣品10.0 g，參照HJ 962—2018土壤 pH值的測定電位法，以水為提取劑，水土比為2.5∶1測定土壤樣品中的pH值；土壤樣品中Cd、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn元素含量的測定；用電子天平準確稱量0.1 g（精確至0.000 1 g）細磨樣品于10 mL聚四氟乙烯消解罐中，加入3 mL HNO3（優級純）和1 mL HF（優級純），搖勻后密封置于不銹鋼外套內，擰緊后置于烘箱內（185±5）℃消解36 h，冷卻后將消解罐取出放置于電熱板上（120±5）℃進行趕酸，待液體呈豆粒大小黏稠狀，加入0.5 mL HNO3放置于電熱板上溶解，冷卻后轉移至比色管內，加水定容至刻度線，搖勻后取上清液用于電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）測定。土壤樣品中的Hg、As元素含量參照HJ 680—2013 土壤和沉積物 汞、砷、硒、鉍、銻的測定 微波消解/原子熒光法測定，稱量土壤細磨樣品0.5 g（精確至0.000 1 g）置于聚四氟乙烯罐中，加入少量去離子水潤濕后，依次加入6 mL HL、2 mL HNO3，密封后放入微波消解儀中，消解完畢后將溶液過濾收集在50 mL比色管中用去離子水定容至刻度，使用原子熒光光度計進行測定。整個實驗過程中，采用空白和一級標準物質（GSS-4）進行質量控制，樣品中重金屬Cd、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn的加標回收率為95%～110%，As和Hg的加標回收率為90%～108%。同時每6個樣品進行重復樣測定，相對偏差在10%以內。

1.3 評價方法

1.3.1 土壤環境質量評價方法（1）單因子指數法。單因子指數法是土壤環境質量評價最基礎的方法，單因子指數是土壤重金屬污染物實際測量濃度與農用地土壤風險管控標準（GB 15618—2018）中風險篩選值的比值[3]。公式如下：

式（1）中：Pi為土壤中重金屬污染物i的單因子指數；Ci為重金屬污染物i的實際測量濃度，單位為mg/kg；Si為農用地土壤污染風險管控標準（GB 15618—2018）中不同pH值下的風險篩選值，單位為mg/kg。

（2）內梅羅綜合污染指數法。內梅羅綜合污染指數是由單因子污染指數得出的一種綜合性污染指數，該方法考慮了單種重金屬元素污染指數的平均值和最大值，綜合表征了多種重金屬污染元素對土壤的污染程度，同時也突出了高濃度污染元素對土壤環境質量的影響[4]。計算公式如下：

式（2）中：P綜合為內梅羅綜合污染指數；Pmax為最大單因子污染指數；Pave為單因子污染指數的均值。

1.3.2 潛在生態風險指數法土壤環境潛在生態風險的評估中，其計算公式為：式（3）中，RI為重金屬綜合潛在生態風險指數為單個重金屬潛在生態危害指數；i為第i種金屬為重金屬污染物實際測量濃度，單位為mg/kg；為參考值，以貴州省A層土壤背景值為參考，單位為mg/kg為毒性響應系 數，Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni和Zn的毒性響應系數分別為 30、40、10、5、2、5、5和1。

1.4 數據處理

數據用Excel 2003軟件進行整理，PCA主成分分析用SPSS軟件完成，相關性分析熱圖和柱狀圖用Origin 2021軟件繪制，采樣圖及重金屬含量空間分布圖用ArcGIS 10.4軟件繪制。

2 結果與分析

2.1 土壤pH值及重金屬含量分析

65個土壤樣品中，pH值范圍為4.939～8.305，平均值為6.82，整體偏弱酸性。Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni和Zn的平均含 量 分 別 為0.67、0.26、24.98、50.68、102.77、32.86、39.68和108.01 mg/kg。對比貴州省A層土壤背景值可知，Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni和Zn的 平均含量分別是貴州省A層土壤背景值的1.02、2.36、1.25、1.44、1.07、1.03、1.01和1.09倍，超背景值的幅度分別為36.92%、89.23%、56.92%、83.07%、56.92%、29.23%、41.53%和60.00%，說明土壤中重金屬含量已經受到了人類活動的影響，出現了不同程度的累積，其中Hg元素的累積程度最高，是背景值的2.36倍。

2.2 土壤重金屬生態風險評價

根據單因子指數評價結果顯示，思南縣土壤重金屬元素Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn的平均污染指數分別為1.89、0.12、0.83、0.45、0.54、0.39、0.40、0.50，其中Cd、As、Pb、Cu、Ni均有超標，超標率分別為87.69%、33.85%、7.69%、3.07%、1.54%。Cd的輕微污染、輕度污染、中度污染、重度污染點位分別有36、15、5、1個，是思南縣農用地土壤的主要污染元素；As的輕微污染、輕度污染點位分別有19、3；Pb、Cu和Ni只有輕微污染，分別有5、2、1個；Hg、Cr、Zn為無污染。土壤中重金屬的內梅羅綜合污染指數范圍為0.44～5.07，平均值為1.45，其中安全、警戒線、輕度污染、中度污染和重度污染的點位分別有4、7、46、5、3個，分別占6.15%、10.77%、70.77%、7.69%、4.62%，大部分點位處于輕度污染程度。

應用潛在生態危害指數法對思南縣農用地土壤重金屬進行潛在生態風險評價，結果顯示，Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn的 潛 在 生 態 風 險 指 數均值都低于40，屬于輕度風險等級；但Cd的潛在生態的風險指數范圍為11.55～212.3，平均值為56.56，其中有87.69%的點位潛在生態風險指數低于40，屬于輕度風險等級；10.77%的點位潛在生態風險指數在80～160，屬于較強風險等級；1.54%的點位潛在生態風險指數在160～320之間，屬于較強生態風險等級；Cd是思南縣土壤重金屬中潛在生態風險程度最高的元素。土壤中重金屬綜合生態風險指數范圍為21.93～231.94，平均值為77.3，其中95.48%的點位處于輕度風險等級，但仍有4.52%點位綜合生態風險值屬于中度風險等級；分布在思南縣東北部，西部局部地區及東南局部地區，仍需做好土壤重金屬污染防治措施。

2.3 土壤中重金屬元素指標來源分析

2.3.1 相關性分析重金屬元素之間的相關性程度可以反映出重金屬的來源或者元素污染程度的相似性[5]。研究利用Origin軟件對土壤重金屬含量進行相關性分析并作圖（圖1），土壤中的pH值與As呈正相關，說明土壤酸性越強，土壤對As的吸附作用就越強。Hg與As、Hg與Pb、As與Pb之 間 在0.001級別（雙尾）上兩兩之間呈顯著正相關關系，Pb與Zn之間呈顯著正相關關系，Cr與Cu、Cr與Ni、Cu與Ni在0.001級別（雙尾）上兩兩之間呈顯著正相關關系，Cr與Cd在0.001級別（雙尾）之間呈正相關關系，這表明它們具有相似的來源或者釋放模式。

圖1 研究區土壤各指標相關性圖

2.3.2 基于ArcGIS的PCA主成分分析主成分分析（PCA）是基于主變量和次變量之間的相互關系進行矢量估計，可以用于判定土壤中元素的來源。利用ArcGIS軟件中的空間插值手段能夠更好地表征重金屬元素之間以及重金屬與經濟社會發展之間的聯系性。由表1可知，主成分分析結果表明：8種重金屬的來源信息基本可以由3個主成分表示，3個主成分因子解釋了總變量的76.21%，說明前3個因子能夠反映全部數據的大部分信息。

表1 研究區農用地土壤重金屬元素因子載荷

3 結論

（1）與貴州省A層土壤背景值對比，研究區各重金屬元素均有超出，Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni和Zn的含量分別是貴州省A層土壤背景值的1.02、2.36、1.25、1.44、1.07、1.03、1.01和1.09倍，出現了不同程度的累積。

（2）單因子評價結果顯示，Cd是研究區農用地土壤主要的污染元素，其次為As、Pb、Cu、Ni，Hg、Cr、Zn無污染；內梅羅綜合污染指數顯示，輕度污染、中度污染和重度污染點位分別占70.77%、7.69%、4.62%。

（3）研究區除Cd外，其余七種重金屬均為輕度風險等級，Cd輕度生態風險、中度生態風險和很強生態風險點位分別占87.69%、10.77%、1.54%；綜合生態風險指數結果顯示，95.48%的點位處于輕度風險等級，4.52%的點位處于中度風險等級。

（4）PCA主成分分析結合相關性分析得出研究區土壤中重金屬來源主要有3個，PC1為自然源，貢獻率為34.22%；PC2為混合源，包括礦產開發、交通排放和生活源等，貢獻率為28.31%；PC3為農業源，貢獻率為13.68%。