云南某區典型農田土壤重金屬污染和潛在生態風險評價

阮彥楠,呂本春,王志遠,王應學,王 偉,陳檢鋒,尹 梅,陳 華,付利波*

(1.云南省農業科學院農業環境資源研究所,云南昆明 650205;2.昆明學院,云南昆明 650214)

我國首次土壤污染狀況調查結果顯示,污染土壤的重金屬超標率達到16.1%,Cd、Cu、Hg、As、Pb、Cr和Zn等重金屬元素均呈現不同程度超標[1]。隨著過量的重金屬進入土壤中,土壤的生產力和糧食安全也隨之下降[2]。重金屬通過食物鏈在生物體內富集,將不可避免地對人類和生態系統構成威脅[3]。據調查,由于采礦活動造成了150萬hm2受污染的荒地,而這些荒地正在以46 700 hm2/a的速度增加[4]。目前,隨著可耕地面積越來越少,這些污染的農田不斷被用于農業生產,農田土壤作為農業生產中不可或缺的部分,在農業生態系統中發揮物質和能量交換的重要作用,探明其重金屬污染情況、來源和潛在風險對于云南某區農田土壤重金屬污染的防治具有重要意義。

云南某區礦產資源豐富,目前探明的礦產資源主要有Cu、Fe、Pb等[5]。礦產在開采過程中會產生了大量的尾礦,其中含有一定量的Cd、Pb、Cu、Ni和Zn等重金屬,這些重金屬往往以氧化物和硫化物等有毒物質的形式存在,然后通過風化過程釋放到土壤環境中,對礦區周圍農田造成嚴重污染的同時對附近的居民造成潛在的健康風險[6]。許多研究也報告了尾礦泄漏而造成的重金屬污染事件,如梁雅雅等[7]通過對廣東省某鉛鋅尾礦庫周邊農田土壤重金屬污染狀況分析發現,部分土壤樣品的重金屬含量超過土壤環境質量標準二級標準值;Xiao等[8]對陜西省潼關礦區周邊農田土壤分析發現,谷物和蔬菜中的Hg和Pb含量超過了食品安全標準;張浩等[9]對洛陽市西南部某鉛鋅尾礦庫山林區、生活區、農田區表層土壤和農田區8種重金屬含量分析發現,農田區Pb、Zn、Cr、Cd和As平均含量均高于土壤風險篩選值。但目前來說,對于幾年前云南某區礦區廢水排放進入小江流域對沿岸農田土壤重金屬污染的研究還鮮有報道。因此,有必要對云南省某區典型農田土壤的重金屬污染程度進行評價。該研究以云南某區典型農田土壤為研究對象,采用主成分分析、相關性分析、單因子污染指數法、內梅羅綜合污染指數法和潛在生態危害指數法結合GIS插值來評價土壤重金屬Cd、As、Pb、Cu、Zn、Cr和Hg污染情況、來源和潛在風險,以期為研究區重金屬污染農田的安全利用和整治提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況研究區位于云南省東北部某區,地處云貴高原邊緣,川滇經向構造帶與華夏東北構造帶結合過渡部位,屬于亞熱帶高原季風氣候,年平均氣溫為14.9 ℃,年降水量1 000.5 mm,降雨主要集中在5—9月。目前,當地主要農作物為水稻。

1.2 樣品采集為了解農田土壤重金屬垂直分布,于2020年6月采集剖面土壤樣品,在研究區域內隨機選取18個采樣點,每個采樣點從地面向下垂直挖60 cm,并分別從0～20、20～40、40～60 cm進行采集,共54個土壤樣品,采集土壤樣品時,為了減少不均勻性和不確定性,對每個采樣點采用10 m×10 m 內“梅花形”布設5個子樣點,每個子樣點在不同層次采集土壤樣品,充分混合后利用四分法選取約1 kg土壤樣品,并挑去土壤樣品中的石子和植物殘體等異物后,裝入潔凈自封塑料袋內。采樣點分布見圖1。

圖1 研究區采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling points in the study area

1.3 樣品處理與分析土壤樣品置于陰涼處自然風干后研磨,過20目、100目尼龍篩。土壤pH測定時將水、土以體積比為2.5∶1混合后用pHS-3C型酸度計測定[8]。重金屬Cd、Pb、Cu、Zn和Cr采用HCl-HNO3-HClO4-HF混合酸消解,消解后樣品采用原子吸收分光光度計(AA-6880F/AAC)測定。重金屬As、Hg采用HCl-HNO3混合酸消解,使用原子熒光分光光度計(AFS-2100)測定。消解的樣品每10個土樣做一個平行并加入空白樣和國家標準樣品(GBW07456)進行質量分析控制,質控樣測定均值和偏差都在規定要求范圍內,平行樣測定含量相對偏差均在10%以內[10]。為保證精度,試驗中所有玻璃器皿均利用10%硝酸浸泡一夜,然后用去離子水清洗干凈。試驗中所用試劑均為優級純。

1.4 耕地土壤重金屬污染評價方法

1.4.1單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法。單因子污染指數法是以污染物的環境質量標準為基準的一種評價方法,該方法針對單一重金屬污染因子進行評價,不能反映多個污染因子導致的整體污染水平[11],表達式如下:

Pi=Ci/Si

(1)

式中:Pi為i重金屬元素的污染指數;Ci為重金屬含量實測值(mg/kg);Si為污染物i的評價標準(國家風險篩選標準值),mg/kg。Pi≤1.0 時表示樣品未受污染,Pi>1.0 時表示樣品受到污染,其Pi值越大說明樣品受污染的程度越高。

當土壤同時被多種重金屬污染時,需要將單因子污染指數按一定方法綜合運用進行評價。內梅羅綜合污染指數法就是將單因子污染指數的平均值和最大值歸納到一起進行綜合污染評價的方法[12-13],表達式如下:

(2)

式中:PN為綜合污染指數;Pimax為土壤重金屬元素中污染指數Pi的最大值;Piave為土壤重金屬元素中污染指數Pi的平均值。PN≤0.7時土壤樣品為清潔,0.73.0時為重度污染。

1.4.2潛在生態危害指數法 。潛在生態危害指數法是1980年瑞典科學家Hakanson提出,評價重金屬污染程度和潛在生態危害的一種方法[14]。這種方法除了考慮重金屬的含量之外,還考慮了污染物的類型、濃度、毒性水平和環境響應[15]。采用具有可比的、等價指數分級法進行評價,表達式如下:

RI=∑Ei=∑(Ti×Pi)

(3)

式中:RI 是研究區多種重金屬綜合潛在生態危害指數;Ei是單一金屬元素i的潛在生態危害系數;Ti是金屬元素i的毒性系數,瑞典科學家Hakanson制定的標準化重金屬毒性系數從小到大依次為Zn(1)

1.4.3評價標準。研究區土壤重金屬評價標準參考《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)[16]與云南省土壤背景值[17]。

1.5 數據分析處理利用Microsoft Excel 2010和SPSS 10.0 軟件對試驗數據進行統計分析,采用GIS 插值方法分析重金屬污染狀況和空間分布定位,同時使用ArcGIS 10.1完成空間插值圖。

表1 重金屬潛在生態風險分級標準Table 1 Classification criteria for potential ecological risk of heavy metals

2 結果與分析

2.1 剖面土壤

2.1.1剖面土壤重金屬含量分析。由表2可知,研究區土壤pH隨著土壤深度的增加而增加,整體屬于堿性土壤。重金屬Cd、As、Cu含量在土壤不同深度均高于《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)中的風險篩選值。相比之下,Pb、Zn、Cr和Hg含量則均未超過風險篩選值,表明重金屬Pb、Zn、Cr和Hg在土壤中不會對食品安全構成威脅。而重金屬Cd、As、Cu、Zn和Hg含量在不同深度均顯著高于云南省土壤背景值。在0～20 cm的表層土壤中,Cd、As、Cu、Zn和Hg含量分別是土壤背景值的6.09、1.71、7.79、1.89、5.78倍;20～40 cm的中層土壤中,Cd、As、Cu、Zn和Hg含量分別是土壤背景值的4.82、1.62、8.12、1.76、3.55倍;40～60 cm的底層土壤中,Cd、As、Cu、Zn和Hg含量分別是土壤背景值的7.00、1.44、8.90、1.68、5.40倍。而只有重金屬Pb和Cr含量在不同深度均未超過土壤背景值。說明重金屬Cd、As、Cu、Zn、Hg是研究區土壤的主要污染物,而Pb和Cr在不同深度土壤中累積含量較低。

表2 各深度土壤重金屬含量Table 2 Contents of heavy metals in different depths of soil

2.1.2剖面土壤重金屬垂直遷移分布特征。由表2可知,除As、Zn含量隨土壤深度增加而降低,Cu含量隨土壤深度的增加而增加,其余重金屬Cd、Pb、Cr和Hg含量隨土壤深度增加先降低后升高,說明研究區重金屬大部分不僅來源于底層土壤母質,還在表層土壤中富集。這與史銳等[18]的研究結果一致,可能是由于中層土壤通透性較好,而深層土壤密度大、保水性好的情況下,重金屬的垂直分布會出現先降低后升高的趨勢。但與竇韋強等[19]、鄭影怡等[20]、Mapanda 等[21]通過土壤垂直分布遷移發現Cd、Pb、Cu等重金屬大部分在表層土壤富集的結論不一致,這可能是由于土壤母質和土壤理化性質共同作用下,使得底層土壤重金屬含量高。研究區重金屬As主要富集在土壤表層且隨土壤深度增加而降低,在土壤中表現出高遷移能力。一般而言,重金屬在土壤中表現出高遷移率,其遷移率和到達的深度取決于其總含量和土壤理化性質,如土壤pH、黏土含量和土壤有機質含量等[8]。而該研究區域中As高遷移能力可能就是由于土壤pH較高的原因。

2.2 表層土壤

2.2.1表層土壤重金屬含量分析。由表3可知,研究區表層土壤重金屬含量存在較大差異。Cd、As、Pb、Cu、Zn、Cr和Hg含量分別為0.58～2.90、17.10～55.90、2.09～55.80、117.00～851.00、136.00～410.00、32.50～90.70、0.07～0.75 mg/kg,其平均值分別為1.34、31.52、21.96、360.61、187.00、59.15、0.35 mg/kg。部分表層土壤樣品中Cd、As、Cu、Zn含量高于風險篩選值,重金屬超標率順序為Cu(100.00%)>Cd(83.33%)>As(66.67%)>Zn(5.56%)>Pb (0.00%)=Cr(0.00%)=Hg(0.00%),表明研究區域的表層土壤存在不同程度Cd、As、Cu、Zn超標現象。而與云南省土壤背景值相比,表層土壤重金屬超標率順序為Cu(100.00%)=Cd(100.00%)=Zn(100.00%)=Hg (100.00%)> As (83.33%)>Cr(33.33%)>Pb(11.11%),表明人類活動已經導致研究區農田土壤中重金屬Cu、Cd、Zn、Hg、As、Cr和Pb的含量升高。

表3顯示,Cd、As、Pb、Cu、Zn、Cr和Hg變異系數(CV)分別為46.27%、49.11%、74.45%、57.81%、31.55%、32.76%、62.86%,根據變異系數分類,Zn、Cr具有中度變異(15%36%)[22]。這種空間異質性是人類活動(如采礦和冶煉活動以及與之相關的廢物排放)的典型指標[23]。有研究表明,受自然來源影響的重金屬變異系數相對較低,而受人為來源影響的重金屬變異系數相對較高[24]。可以看出,Zn和Cr變異系數低于其他重金屬,表明不同的采樣點Zn和Cr含量變化差異較小。說明重金屬Cr更多與自然來源有關。

2.2.2表層土壤重金屬空間分布特征。通過利用ArcGIS 10.1中的反距離權重法(IDW)對表層土壤中不同重金屬含量空間分布進行研究,IDW是一種地理空間插值技術,可以預測樣本點周圍位置的變量值。由圖2可知,重金屬Cd、Pb和Cr在研究區表層土壤中分布相似,其含量空間分布均表現為研究區域從東向西逐漸下降。這與位于研究區域東部小江流域有關,由于河流在流經研究區域周圍時,水流會從沿岸慢慢向四周土壤滲透。在滲透的過程中,水中可溶性重金屬通過與土壤基質的吸附-解吸反應遷移到土壤中。此外,含有重金屬的礦石也會以顆粒或懸浮物的形式直接隨著水流進入土壤[25],使得水流所攜帶的重金屬等污染物會在土壤中不斷沉積,因此靠近河流的采樣點重金屬元素含量偏高,其中Pb和Cr均未超過國家標準。As、Zn高值區主要分布在研究區的西南部,而低值區則處于東北部;這與當地主導風向為西南風有關,由于B村工廠中工業廢氣的無組織排放,隨著大氣擴散在農田土壤中沉降,從而增加土壤中重金屬含量,隨著距離越遠,土壤中重金屬含量越低,因此靠近B村的采樣點As、Zn含量較高。參照于國家土壤環境質量二級標準,研究區中Cu含量整體較高,所有區域采樣點Cu含量均處于受污染狀態,且部分區域污染狀態較為嚴重,Cu含量空間分布呈西北高、東南低;這是由于A村中養殖場中養殖廢水大多被用于污水灌溉,動物糞便被用于有機肥施入農田[26],因此靠近A村的采樣點Cu含量較高。而Hg在土壤中分布不均勻,與其他重金屬分布不相同,呈明顯的點狀分布;這與位于研究區域中心高速路段有關,由于該高速路段南北橫貫研究區,研究區域采樣點容易受到汽車尾氣和粉塵所攜帶的重金屬污染,且所有采樣點與高速路段的距離相近,因此采樣點中重金屬Hg呈不均勻的點狀分布。

表3 表層土壤重金屬含量統計描述Table 3 Descriptive statistics of heavy metal content in the soil

圖2 研究區重金屬空間分布Fig.2 Spatial distribution of heavy metals in the study area

2.3 表層土壤重金屬污染評價由圖3可知,從7種重金屬單因子污染指數(Pi)來看,Cd、As和Cu污染指數Pi范圍較大,而Pb、Zn、Cr 和Hg污染指數Pi范圍相對較小。7種重金屬Pi平均值從大到小依次為Cu(3.61)> Cd(1.67)> As(1.58)>Zn(0.62)>Hg(0.35)> Cr(0.17)> Pb(0.09),其中Cu、Cd、As的Pi均大于1.00,其他4種重金屬Pi均小于1.00,且土壤中Cu的Pi超過3.00,表明研究區的土壤在受到Cd和As不同程度污染的同時也受到Cu的嚴重污染。從綜合污染指數(PN)結果來看,PN為1.85～6.14,平均值為2.95,達到重度污染(PN>3.0)的比例占38.89%;表明研究區污染較為嚴重,總體污染水平處于中度污染等級。

從7種重金屬潛在生態危害系數(Ei)平均值來看,從大到小依次為Cd(50.15)>Cu(18.03)>As(15.76)> Hg(13.88)>Zn (0.62)>Pb(0.46)>Cr(0.34),且Cd潛在生態風險程度輕度、中等、較強分別占總樣品數的16.66%、55.56%、27.78%,以中等生態風險危害為主, 故Cd是最主要的生態風險因子。這一方面與Cd的毒性系數較大有關,另一方面因為所調查的土壤樣品中Cd的濃度普遍較高。其次是Cu,其潛在生態風險程度輕度、中等占總樣品數的94.44%、5.56%,以輕度生態風險危害為主。而As、Pb、Zn、Cr、Hg皆以輕度生態風險危害為主,且均占總樣品數的100.00%。由表2可知,As的各土壤深度含量(26.49～31.52 mg/kg)已經超過GB 15618—2018受污染的臨界值,但其生態危害程度較輕(Ei=15.76),其原因可能是由于有些重金屬元素雖然在表層土壤富集程度較高,但由于其具有親顆粒性,容易被其他顆粒物遷移進入土壤中礦化埋藏使他們對生物的毒性降低[27]。從潛在生態風險指數(RI)來看,RI平均值為99.2,屬于輕度生態風險污染。總體來說,研究區土壤生態危害程度雖然較輕,但單一重金屬的污染仍需引起重視。

從圖4可以看出,Cd和Cu的生態危害分布與研究區表層土壤重金屬空間分布特征相似,RI的生態危害分布與Cd生態危害分布相似。說明重金屬在空間上分布特征直接影響了其生態危害分布,而Cd的生態危害直接影響RI的生態危害分布。證實上文中Cd是最主要的生態風險因子,其潛在生態危害系數Ei平均值最大(Ei=50.15)。綜上所述,重金屬Cu污染程度最為嚴重(Pi=3.61),且Cd危害程度最大(Ei=50.15)。

圖3 研究區土壤重金屬單因子污染指數(Pi)、綜合污染指數(PN)和潛在生態危害指數(RI)評價結果箱式圖Fig.3 Box plots of single pollution index (Pi),Nemerow synthesis pollution index (PN),and potential ecological hazard index (RI) for heavy metals of soil in the study area

圖4 土壤重金屬污染的潛在生態危害分布Fig.4 Potential ecological hazard distribution of heavy metal pollution in soil

2.4 表層土壤重金屬元素相關性和主成分分析相關性分析常用于識別多個變量之間的關系,從而有助于理解影響因素以及化學成分的來源[28],該研究利用Pearson相關分析得出7種重金屬相關系數。由表4可知,Cd與Pb、Cd與Cr、Pb與Cr、As與Zn含量之間均呈顯著正相關(P<0.05)。Zhao等[29]研究表明,土壤中重金屬之間的強正相關可能反映了這些重金屬具有相似的污染水平和相似的污染源。所以Cd與Pb、Cr之間可能來自同一污染源,As與Zn來自另一相同的污染源。而Hg與Cd、As、Pb、Cu、Zn、Cr無顯著相關性,說明Hg可能有與其他重金屬不同的污染源。這與Cai等[30]和Liu等[31]的試驗結果相似,因為與其他重金屬不同,土壤表面積累的Hg可以釋放到空氣中,并在土壤和空氣之間廣泛交換,遠距離遷移[32]。因此,表層土壤中Hg的來源可能會不同于研究區的其他元素。

表4 表層土壤重金屬的相關性分析Table 4 Correlation analysis of heavy metals in topsoil

主成分分析作為最有效的多元分析方法之一,被廣泛用于減少數據和提取少量獨立因素(主成分)來分析變量之間的關系。它的結果很容易解釋為最終得分和加載圖,以便進行目視檢查[33-34]。有研究發現,同一主成分上負荷較高的金屬可能具有相同的來源[35]。從表5～6可以看出,7種重金屬主成分分析發現前2個主成分(PC1、PC2)的累計方差貢獻率達66.670%。PC1的主要成分載荷包括As、Zn和Hg,累計方差貢獻率為45.294%;As(0.895)、Zn(0.672)在PC1有較高的載荷,而Hg(0.515)在PC1有中等載荷。PC2的主要成分載荷包括Cd、Pb、Cr,累計方差貢獻率為21.376%; Cd(0.847)、Pb(0.848)和Cr(0.688)均在PC2有較高的載荷。

表5 重金屬主成分分析的總方差解釋Table 5 Interpretation of total variance for principal component analysis of heavy metals

表6 重金屬主成分分析的成分矩陣Table 6 Composition matrix for principal component analysis of heavy metals

基于相關性分析、主成分分析的結果,可以將重金屬元素的來源分為4組。第一組重金屬元素包括As和Zn,兩者之間呈顯著正相關(表4),且皆在PC1上有較高的載荷(表6),在表層土壤中空間分布相似(圖3),同時As與Zn在土壤中均值含量高于土壤背景值(表3)。分析重金屬在表層土壤中空間分布發現土壤中As和Zn受到工業廢氣無組織排放沉降的影響,如Xiao等[36]根據PC1中重金屬的分組可以推斷As與Zn富集主要是由于工業廢氣排放導致。因此有理由推斷出As和Zn為人為來源,可能與工業廢氣排放有關。

第二組重金屬元素包括Cd、Pb和Cr,三者之間具有顯著正相關(表4),在PC2上有較高的載荷(表6),表層土壤中空間分布相似(圖2)。Pb和Cr在土壤中均值含量均低于土壤背景值,且Cr變異系數較低(表3)。大多數研究表明, Cr主要來源于成土母質,如巖石風化和土壤侵蝕[15,33]。Cai等[30]根據相關系數分析發現Cr與部分的Pb主要為自然來源。也有研究表明,重金屬如Cd和Pb可能是通過風化過程從尾礦中釋放出來的[37-38]。Li等[39]提出在自然界中Cd和Pb是共生的,特別是在原生礦床中,Cd作為Zn精煉的副產品被釋放出來。考慮到研究區域土壤在歷史上受到礦區廢水排放的河流灌溉導致重金屬在農田土壤表面積累。因此可以得出重金屬Pb和Cr為自然來源和人為來源的混合來源,Pb和Cr為自然來源,主要來自成土母質;而Cd以及部分Pb和Cr為人為來源,可能來源于污灌。

第三組、四組重金屬元素分別為Hg和Cu,雖然Hg在PC1有中等載荷(表6),但Hg在相關性分析中與其他重金屬無顯著相關性(表4),Cu與其他大部分重金屬無顯著相關系,僅存在Cu和As呈顯著負相關(表4),但Cu在PC2中的載荷較低(表6),綜合兩者皆為相對孤立的元素。Cu和Hg在土壤中均值含量均高于土壤背景值(表3)。前人的研究發現,土壤中Hg富集最有可能是由于Hg揮發后通過干濕沉降進入農田土壤中[40]。Li等[41]研究發現表層土壤中Hg主要來源于人為輸入。該研究通過重金屬在表層土壤中空間分布發現土壤Cu的累積受到養殖場廢水排放和動物糞便的影響。據報道,我國市售豬飼料Cu含量平均達到200～300 mg/kg[42],動物在食用這些飼料的過程中產生的有機肥料含有高濃度的重金屬,如果將這些有機肥料反復施用到土地的限值區域,從長遠來看,會導致重金屬在土壤中大量累積。因此可說明Cu和Hg皆為人為來源,Cu可能來自有機肥料,而Hg可能是由于重金屬粉塵的大氣干濕沉降導致的。

綜上所述,Pb和Cr主要來自成土母質,Cd以及部分Pb和Cr可能來源于污灌,As和Zn可能與工業廢氣排放有關,Cu可能來自有機肥料,而Hg可能是由于重金屬粉塵的大氣沉降導致的。

3 討論

此次對云南省某區典型農田土壤調查結果顯示,在剖面土壤重金屬含量的分析發現,重金屬Cd、As、Cu是研究區剖面土壤的主要污染物,在不同深度土壤中累積含量均超過《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)中的風險篩選值,達到污染水平,且在不同土壤深度呈現出不同的垂直遷移分布特征。表層土壤重金屬含量分析發現,土壤重金屬含量存在較大差異,與云南省土壤背景值相比,表層土壤重金屬超標率從大到小依次為Cu(100.00%)=Cd(100.00%)=Zn(100.00%)=Hg (100.00%)>As (83.33%)>Cr(33.33%)>Pb(11.11%)。表層土壤垂直遷移分布特征分析發現,重金屬Cd、Pb和Cr在研究區表層土壤中分布相似,其含量空間分布均表現為研究區域從東向西逐漸下降,而且當地表層土壤重金屬的分布還受工業廢氣的沉降、養殖廢水及動物糞便施入農田和高速路段汽車尾氣和粉塵的影響。無論是剖面土壤還是表層土壤,其重金屬Cd、As、Cu都是主要污染物,對于農田生態系統而言,土壤中元素含量快速變化,主要是由各種人為活動引起,表明人類活動已經導致研究區農田土壤中重金屬Cu、Cd、Zn、Hg、As、Cr和Pb的含量升高。Cd、As、Cu會嚴重危害人體健康,能引起急性中毒、代謝綜合征和器官損傷等疾病[43-45]。

從表層土壤重金屬單因子污染指數(Pi)來看,Cd、As和Cu污染指數Pi范圍較大,而Pb、Zn、Cr 和Hg污染指數Pi范圍相對較小,表明研究區的土壤受到Cd、As和Cu的污染較為突出。綜合污染指數PN結果來看,總體污染水平處于中度污染等級。潛在生態風險指數考慮了重金屬的生物毒性水平,對人類健康生活更具指導意義[46]。從7種重金屬潛在生態危害系數(Ei)和潛在生態危害指數(RI)來看, Cd是最主要的生態風險因子,危害程度最大,這可能與Cd的毒性系數較大和所調查的土壤樣品中Cd的濃度普遍較高有關。而Cu以輕度生態風險危害為主,且Cu污染程度最為嚴重。綜合潛在生態危害指數(RI)平均值為99.2,說明研究區土壤屬于輕度生態風險污染,土壤環境整體較為清潔,但單一重金屬(Cd和Cu)的污染仍需引起重視。表層土壤重金屬元素相關性和主成分分析得出,7種重金屬元素中,因子1中As與Zn元素富集主要是由于工業廢氣排放導致[36],王越等[47]研究發現As與Zn元素主要受鉛鋅礦選冶和有色金屬冶煉等工業活動影響;因子2中重金屬Pb和Cr為自然來源和人為來源的混合來源,Pb和Cr為自然來源,主要來自成土母質,而Cd以及部分Pb和Cr為人為來源,可能來源于污灌[15,39];因子3中Cu和Hg元素皆為人為來源,Cu可能來自有機肥料,而Hg可能是由于重金屬粉塵的大氣干濕沉降導致[40-42]。

4 結論

(1)從剖面土壤重金屬含量分析來看,重金屬Cd、As、Cu、Zn和Hg含量在不同深度平均值均顯著高于云南省土壤背景值,且Cd、As、Cu均高于風險篩選值。從重金屬垂直分布來看,除As、Zn含量隨土壤深度增加而降低,Cu隨土壤深度的增加而增加,其余重金屬Cd、Pb、Cr、Hg含量隨土壤深度增加先降低后升高。

(2)從表層土壤重金屬含量分析來看,研究區域除Pb和Cr,其他重金屬超背景值率均在80%以上。部分表層土壤樣品中重金屬Cd、As、Cu、Zn平均含量高于風險篩選值,重金屬超標率順序為Cu>Cd>As>Zn> Pb=Cr=Hg。從重金屬的空間分布上看,重金屬Cd、Pb和Cr在研究區表層土壤中分布相似,其含量空間分布均表現為在研究區域從東向西逐漸下降;As與Zn高值區主要分布在研究區的西南部,Cu含量空間分布呈西北高、東南低、Hg在土壤中分布不均勻。

(3)單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法評價結果表明,重金屬Cu、Cd、As單因子污染指數(Pi)均大于1.00,且采樣點土壤中Cu的Pi超過3.00,綜合所有采樣點,研究區域重金屬總體水平處于中度污染等級。潛在生態危害指數法評價結果表明,Cd是最主要的生態風險因子,以中等生態風險危害為主,研究區污染程度為輕度生態風險污染。總體來說,云南省某區周圍農田土壤潛在生態危害狀況不是很嚴重,但單一重金屬的污染仍需引起重視。

(4)相關性分析和主成分分析結果表明,Pb和Cr主要來自成土母質,Cd以及部分Pb和Cr可能來源于污灌,As和Zn可能與工業廢氣排放有關,Cu可能來自有機肥料,而Hg可能是由于重金屬粉塵的大氣沉降導致的。