四川某工業區周邊農業土壤重金屬污染評價和來源分析

關鍵詞農業土壤；土壤重金屬;單因子污染指數;地累積指數;潛在生態風險指數;重金屬來源

中圖分類號X825文獻標識碼A

文章編號 0517-6611（2025）13-0037-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025. 13.009

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Evaluation and Source Analysis of Heavy Metal Polution in Agricultural Soil Around an Industrial Area in Sichuan Province XUEJia-hao，CHEN Xiao-ming，TANGYun-lai etal（CollgeofLifeScienceandEngineering，SouthwestUniverstyofScience： Technology ，Mianyang，Sichuan 621010）

AbstractObetie]TunderstadtheaetapltiotusofagriculturalsoiloudadustrialareaiSuaegioadalyzeitssourc.ethdrtyightsolmpesnd34compeselteddpasoncoeloaalssndpialo nent analysis were used to explore the sources of major heavy metals （Cr，Mn，Cu，Zn，Cd，Pb，Hg，As） in soil，combined with the single-factor polutionidextod，tmeroompreesiveltiondexmetod，oclatieindexetdndotetialologicalsde method，tocarryoutthecontainationofheavymetalsinpddfeldsilsintesudyareaaracteatioandiskeauationndaalye theerichmentcharacteristisofro.esulthelsinesudeaeredyeavyetalomposistfrentdesih theoveralevelfaalslygnafustalivialtid The results of single-factor pollution showed that the element Cd belonged to heavy pollution， Pb was medium pollution，Mn，Cr and Zn were potentialpolltiondAs，CudHgereltioulsofouedeowdtattevaufCdasinlelf heavy-very heavypollution，the mean value of Pb was in the level of medium-heavy pollution，and the mean value of Hg and Cr was in the level of medium pollution. Zn，Cu，Mn were in the levelofno pollution-slight pollution，and As was in the level ofno pollution.Individual indices of potentialolocaladoaetalsodatosoatoicalsctadoeoalsaea very strong， Hg wasatverystrongecologicalrisk；Pbwasatmoderateecologicalrisk，whiletheriskvaluesofotherelementswereslightlypolluted；theCdcontentofhavymetalsincopsinthesudyareahadteriskofexedingtestandard.Coclusion]eagiculturalsoilsin theinvestigatedreaaveologcalisnddtontroldndtreatedfomedatio；hocusseacdbyftal uationmethodsareslightlydiffrent，andappopriatemethodsshouldbeselecedwhen evaluatingsoilsofdifferenttextures.

KeywordsAgialsil;Soiletalsigctorltiodex;eoalatioindex;Pottialolalsid;a metal sources

隨著我國工業化進程的加快，農業土壤中的重金屬污染問題日益凸顯，已經到了不容忽視的地步[]。重金屬污染是難以從土壤中分離和去除的物質，一旦進人土壤環境，就無法通過自然降解，導致它們在土壤中大量積累，嚴重影響到土壤健康[2]。重金屬污染是全球環境威脅，由于重金屬本質上是無機的，如果不加以注意，它們在環境中的濃度不斷積累[3]。根據《全國土壤污染狀況調查公報》和《中國耕地地球化學調查報告》，工礦業、農業高度集約化生產等人類活動是導致耕地土壤、工業園區及周邊土壤重金屬含量增加和污染風險加劇的主要原因[4]

四川農業土壤重金屬污染現狀總體比較嚴重，重金屬超標點位較多，復合型污染比例雖小卻難以治理[5]。川渝境內主產稻米和小麥，同時也是消耗糧食大省，農業土壤重金屬污染是影響糧食作物生產安全所考慮的重要因素[6。該地區同時擁有豐富的植被資源和礦產資源，其資源的開發和利用促進了經濟的發展，但礦產資源的開發會導致其有害元素和工業廢水流入植被資源中，造成重金屬污染[7]。土壤中的重金屬具有強移動性、高毒性、生物累積性等特點，容易通過食物鏈累積在人體內，對肝、腎臟等造成不可逆的毒害作用，甚至產生致癌風險[8-9]。因此，為掌握農田的環境質量，減少重金屬對糧食作物的污染，加強對工業集中區周邊土壤的重金屬污染調查與生態風險評估具有重要的現實意義。

目前，針對工業場地土壤污染物的評價方法有很多，其中以指數法為代表的污染評價法應用較為廣泛，如單因子污染指數、內梅羅綜合污染指數、地累積指數等[10]。這些方法幫助學者們更科學地揭示了工業廢棄地土壤中重金屬等污染物的污染情況，為工業場地土壤污染管理提供了大量有效的理論依據。比如通過這些方法可以確定污染物的種類、濃度、分布情況等，從而為制定合理的污染治理方案提供科學依據。同時，這些方法還可以幫助評估治理效果，為后續的環境監測和管理提供參考。基于此，該研究以四川某工業區周邊農業土壤和植物為研究對象，分析土壤中 Cd，Cu，Hg 、As .cr.Zn.Mn.Pb 共8種元素的含量特征，評價作物中重金屬的含量，通過單因子污染指數法、內梅羅綜合污染指數法、地累積指數法和潛在生態風險指數法來科學評價土壤重金屬的污染程度及風險水平，基于數理統計分析對土壤中重金屬進行源解析，以期為土壤重金屬污染防治、農業重金屬復合污染土壤修復和治理提供科學依據。

1材料與方法

1.1取樣區域概況研究區域為四川平原地區，屬亞熱帶濕潤季風，溫暖濕潤，干濕季節分明。全年氣候溫和，雨量充沛，日照較足，無霜期長。平均氣溫 17.9^°C ，年降水量在1000mm 左右。土壤取樣點分布如圖1所示，該區域總面積為 76.2km² ，圍繞河流周邊含有多個工業廠區，包括化工工廠、肥料工廠、砂廠、礦業工廠和建材公司等，并且有多個垃圾堆放地，導致研究區域重金屬來源廣泛，生態環境遭到嚴重破壞。這些工廠對環境造成的重金屬污染途徑主要包括大氣污染、污水排放污染和固體廢物污染，這些污染方式最終會導致重金屬沉降或者吸附在土壤中，難以清除。目前區域內有許多居民長年進行農業生產活動，樣地被黑色土壤覆蓋，主要種植小麥、辣椒、番茄、茄子、油菜等作物。由此可見，對工業園區周邊農業土壤的重金屬污染評價是有必要的。

1.2樣品采集與處理樣品采樣時間為2023年3月，圍繞著工廠和河流周邊進行采樣，包括土壤樣品38個，植物樣品34個（生長中期的小麥和油菜）。按照五點法采集土壤混合樣品 （0～20cm） ，每份土壤樣品采樣量至少為 1kg ，并記錄采樣點位坐標。采樣全程中采取質量保證措施和質量控制手段以確保數據的準確。收集的土壤樣品在室溫下風干，用研缽研磨并過100 目篩，測定其理化性質[11-13]。在采集農作物時，應輕輕撥開植株周圍的土壤，并保持根部完整，然后將植物分為地上部和地下部，測定其干重和重金屬的含量。土壤和植物樣本均需使用 HF-HClO₄-HNO₃ 消解體系進行完全消解，然后采用火焰原子吸收分光光度法和原子熒光光度法測定重金屬的含量。

1.3 評價方法

1.3.1多元統計分析。利用SPSS25.0進行相關性分析和主成分分析，利用origin2021軟件進行繪圖。

1.3.2單因子污染指數法與內梅羅綜合污染指數法。單因子污染指數法針對單項因子進行分析評價[14]，其計算公式如下：

P_i=C_i/S_i

式中： C_i 為污染物 i 的實測含量（ |mg/kg? ） S_i 為污染物 i 的風險篩選值。污染指數分級標準如表1所示。

內梅羅綜合污染指數法也稱為綜合指數法。與反映各個重金屬污染程度的單因子污染指數不同，內梅羅綜合污染指數法能夠更全面地反映土壤的污染狀況，它同時考慮了單一因子污染指數的平均值和最大值，從而突出了污染較重的重金屬污染物的作用[15]。該方法計算公式如下：

式中： P_z 為內梅羅綜合污染指數； 為單因子污染指數平均值： P_imax 為單因子污染指數最大值。內梅羅綜合污染指數評價的污染等級劃分參照表2。

1.3.3地累積指數法。國內外學者廣泛使用地累積指數法評價人為活動對土壤污染的影響[。該方法計算公式如下：

I_geo=log₂[C_n/（kB_n）]

式中： C_n 是土壤中的元素含量； B_n 為該元素的地球化學背景值[17]； k 為巖石差異系數，通常取 1.5_oI_geo 值共包含7級，見表3。

表3地累積指數分級與污染程度之間的相互關系

Table3 Therelationship between soil accumulation index classification and pollution degree

1.3.4潛在生態風險指數法。潛在生態風險指數法考慮了不同重金屬對土壤的環境效應[18]，單項潛在生態風險指數和綜合潛在生態風險指數計算公式如下：

式中： C_fⁱ 為單一重金屬污染指數； C_sⁱ 為土壤重金屬的實測值； C_nⁱ 為 i 元素在當地的土壤背景值； T_rⁱ 為 i 元素的毒性響應系數， Cu，Pb，Zn，Cd，Mn，Hg，As 和 Cr 的毒性響應系數分別為 5、5、1、30、1、40、10 和 2;E_rⁱ 為單一重金屬 i 的潛在生態風險指數;RI為土壤重金屬污染的綜合潛在生態風險指數。潛在生態風險指數分級關系如表4所示。

1.4植株富集系數（BCF）和轉運系數（TF）富集系數指植物中某種元素與土壤中該元素質量分數的比值，它反映了植物對重金屬吸收和富集的能力。轉運系數是用來評價植物將重金屬從地下部向地上部的運輸和富集能力的一種指標[19]。計算公式為：

BCF=M_#H#/M_±f#

TF=M_HLE/M_HEF

式中： M_#H# 為整株農作物重金屬含量； M_±? 為土壤重金屬含量； M_HLE 為農作物地上部分重金屬含量； M_☉F 為農作物根部重金屬含量。

2 結果與分析

2.1土壤基本性質和重金屬含量土壤的基本性質包括土壤酸堿度、土壤肥力等，這些性質會影響土壤對重金屬的吸附、固定和遷移能力[20]。從表5可以看出，該研究區域的土壤 ΔpH 在6.50＼～7.80，平均值為7.03，變異系數為0.05，說明離散程度較小，有18個樣點的土壤呈弱堿性。 ΔpH 是確定土壤重金屬風險值和區域管控的關鍵因素之一。當土壤中氫氧根離子較多時，重金屬會與其形成難以溶解的絡合物，導致土壤重金屬遷移性降低[21]。該地區土壤的陽離子交換量（CEC）在 13.22～25.13cmol/kg ，平均值為 18.41cmol/kg ，變異系數為0.19。土壤有機質（OM）含量在 17.39～ 29.19g/kg ，平均值為 24.17g/kg ，說明該地區有機質含量較高，變異系數為 0.15 。由此可見，該研究區域的土壤較為肥沃，適合糧食種植。

土壤中重金屬 的含量平均值分別為 3.30，78.35，0.24，9.50，260.27，282.01，1 056.79. 283.45mg/kg 。除As外，其他重金屬明顯高于該地區土壤背景值，表明多種重金屬在該地區土壤中富集。變異系數分別為0.22、0.20、0.15、0.27、0.22、0.22、0.27、0.34，說明這8種重金屬在該地區分布比較均勻，污染源可能屬同種類型。根據農用地土壤污染風險管控標準[22]， Cd，Cr，Zn，Pb 均值超過了風險篩選值，因此該地區可能存在農用土壤污染風險，應該加強土壤環境和農產品協同監測。

2.2重金屬來源分析采用pearson相關性分析研究了土壤中重金屬含量與土壤 和OM的關系，結果見圖2，土壤理化指標間呈現出不同程度的相關性。土壤pH與重金屬 Cd，Cu，Cr，Zn 呈正相關，相關系數分別為0.437、0.466、0.461，0.600 ，有機質與各重金屬表現出弱相關。Cd與 Mn ！Zn，Cu 和 Cr 含量之間有不同程度的正相關，重金屬間的相關性表明它們可能具有相似的地球化學特征、遷移規律和來源。As與其他重金屬相關程度較低，說明該地區As與其他重金屬來源不同。

表5土壤基本性質與重金屬含量

Table5 Basic soil propertiesand heavymetal content

主成分分析法（PCA）可以對重金屬來源進行評估[23]對土壤中8種重金屬進行主成分分析，KMO值為0.669，巴特利特球形度檢驗顯著性小于0.001，此結果符合主成分分析應用中對數據適用性的要求（ KMOgt;0.5 和 Plt;0.001 。表6顯示，提取的3種主因子累計方差貢獻率為 71.96% ，同一主成分元素可確認為來源相同。PC1占總方差的41. 12% ，主要負荷為 Zn（0.81） .Mn（0.85） ！ Cu（0.81） 1 Cr（0.91） 、Cd（0.38），且荷載較大，這幾種元素在主成分2和主成分3荷載較小，說明其來源基本一致。PC2占總方差的 16.76% ，主要負荷為Cd（0.65）、As（0.84） .Pb（0.35） 。PC3占總方差的14.08% ，主要負荷為Pb（0.75） .Hg（0.74） 。某一主成分中所有高負荷金屬的來源相似，PC1負荷結果表明 Cd，Zn，Mn 、Cu，Cr 可能具有相似的來源，這與pearson相關性分析的結果基本一致。

根據PCA和pearson相關分析的結果，研究區剩余的累積金屬可能是3種來源的混合污染物。 Zn，Mn，Cu，Cr 含量高的樣品出現在河流周邊，可能是化工工廠污水的排放，隨著時間積累在河流周邊的農業土壤中。因此，PC1可能是代表工業污水的排放來源。有機肥、農藥的使用和污水灌溉會對農業土壤造成嚴重污染[24]，這些農業活動對農業土壤中的Cd、As和Pb污染有重要貢獻，所以這3種元素通常被認為是農業生產中的污染元素。因此，PC2可能是代表著農業來源。工業園區常伴隨著大量用于交通運輸的貨車，而Pb通過在尾氣中釋放出來，隨著時間會大量累積在公路周邊的土壤中。工業廠房在生產過程中也會產生富含 Hg 的廢氣，導致土壤中的重金屬積累。因此，PC3可能是運輸汽車和工廠產生的廢氣排放來源。

2.3單因子污染指數法與內梅羅綜合污染指數法評價單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法是當前國內外常用的污染程度評估方法，能夠反映不同污染物對環境的影響程度。由表7可知， Cd，Cr，Cu，Zn，Mn，Pb 的 P_i 分別為5.44～16.44，1.06～2.40，0.45～1.16，0.72～1.66，1.09～ 3.30，1.02～3.72 ，說明這6種重金屬對土壤造成了不同程度的污染，其中 Cd，Cr，Mn，Pb 污染程度較大，超標率均為100% 。少數點位出現 Cu 和 Z_n 的超標，其超標率分別為13% 和 45% 。 Hg As的 P_i 分別為 0.08～0.15，0.19～0.45 未出現超標樣本。 P_i 的均值從大到小依次為 Cd（10.24）gt;Pb （2.36）gt;Mn（1.82）gt;Cr（1.42）gt;Zn（1.04）gt;Cu（0.79）gt;As （0.31）gt;Hg（0.12） ，表明Cd為重度污染， Pb 為中度污染，Mn，Cr，Zn 為輕度污染， Cu，As 和 Hg 為無污染。

2.4地累積指數評價為進一步探究研究區重金屬積累情況，選取四川省土壤背景值作為評價標準，計算土壤中重金屬地積累指數。地積累指數不僅反映重金屬分布的自然變化特征，而且可以判別人為活動對環境的影響[25]。從土壤重金屬的地積累指數評價結果（表8）來看， Cd，Cu，Zn，Mn 、Cr，Pb，As 和 Hg 的均值分別為 4.76，0.79，0.98，0.06，1.22 、2.52，-0.79 和1.62，超標率分別為 100%，18，42%，28，95% 、0.78.94% 、81. 58% .0和 100% ，風險程度依次為 Cdgt;Pbgt;Hggt; Crgt;Zngt;Cugt;Mngt;As ，其中，Cd均值處于重污染—極重污染級別，5級污染占 7.89% ，6級污染占 71. 06% ，7級污染占21.05% Pb 均值處于中污染—重污染級別，3級污染占 18.42% ，4級污染占 63.16% ，5級污染占 18.42% Hg 均值處 于中污染級別，3級污染占 100% Cr 均值處于中污染級別，2 級污染占 21.06% ，3級污染占 76.31% ，4級污染占 2.63% 5 Zn，Cu，Mn 處于無污染—輕微污染級別，As處于無污染 級別。

2.6不同評價方法的結果對比由表10可知，不同的評價模型和評價結果均存在差異，因此選擇合適的方法至關重要。根據土壤的污染情況， P_i 表明，研究區域中土壤Cd重度污染， Pb 為中度污染，其余重金屬為輕度污染或無污染。 I_geo 表明，Cd均值處于重污染—極重污染級別， Pb 均值處于中污染—重污染級別， Hg，Cr 處于中污染級別， Cu，Zn，Mn 處于無污染一輕微污染級別，As處于無污染級別。潛在生態風險指數 （E_rⁱ） 表明， Cd，Hg 的潛在風險較高，屬于極強或很強的生態風險， Pb 屬于中等生態風險，而其他元素屬于輕微生態風險。

從3種評價方法來看，Cd都是造成土壤健康風險的主要因子。而差異主要表現在不同評價方法對土壤 Hg 污染的評估，地累積指數法考慮了自然成巖作用可能會引起的背景值變動；而潛在生態風險指數法在評價體系中加入了重金屬毒性響應系數，綜合考慮了不同重金屬對土壤環境的危害，能夠評估重金屬對生態系統可能造成的風險[27]，該方法能夠更好地反映重金屬的生態毒性，例如Cd 和 Hg 的毒性響應系數分別為30和40，遠高于 Zn，Cu，Cr 等重金屬的響應系數，所以當土壤中Cd或 Hg 等毒性較大的重金屬污染達到一定程度時，土壤的生態健康會受到嚴重影響。

長期的人類活動是造成農田土壤重金屬富集的主要原因，往往伴隨著多種重金屬的污染，導致土壤重金屬污染的問題難以解決。因此，土壤環境修復是一項極為復雜且艱巨的任務，需要綜合考慮土壤的物理、化學和生物學特性，以及重金屬的種類、濃度和空間分布等因素。該研究區域土壤Cd污染最為嚴重，建議立即啟動土壤修復工程并對污染源 進行嚴格管控，防止重金屬的再次污染

2.7作物重金屬富集特征及重金屬風險評價小麥和油菜是我國重要的糧食作物和產油作物，占四川地區全年播種面積的 25% ，且來年將會持續增長[28]。從小麥和油菜中重金屬 Cd，Cr，Zn，Mn 含量（表11）可以看出，2種農作物不同重金屬的含量差異明顯。總體上看，小麥和油菜對重金屬元素的富集含量依次為 Mngt;Zngt;Crgt;Cd，Mn 和 Z_n 作為農作物生長營養元素，且土壤中含量較其他重金屬更為豐富，更容易被植物吸收。而Cd和Cr為生物非必要元素，主要是在根部富集。參照《食品安全國家標準食品中污染物限量》（GB2762—2022）[29]，谷物食品中Cd的限量指標為 0.1mg/kg ，所以研究區農作物中重金屬Cd含量有超標風險，而其他重金屬未達到超標風險。

表11農作物重金屬含量特征統計

Table11 Characteristicstatisticsof heavymetal content in crops

單位： mg/kg

Cd，Mn，Zn，Cr 元素的富集在土壤-農作物系統中受土壤礦物質、養分和酸堿度等的影響，使其富集轉運機制復雜，且其他二價重金屬也會影響農作物對其的富集能力[30]。小麥和油菜對不同重金屬的富集能力差異明顯（圖3），從富集系數來看，作物對不同重金屬的富集能力不同，且不同作物對同一重金屬的富集能力也有所差異。小麥和油菜對重金屬元素富集能力依次為 Cdgt;Zngt;Mngt;Cr 。

小麥對土壤中單一重金屬的富集系數差異不明顯，這可能歸因于該片區域重金屬污染比較均勻。研究區域的土壤處于在復合污染條件，使得植物對各種重金屬的富集存在拮抗作用，相較于單一重金屬污染更加難以處理，植物的生長也因為土壤中不同重金屬含量而存在差異。小麥和油菜的轉運系數順序分別為 Zngt;Cdgt;Mngt;Cr 和 Cdgt;Crgt;Zngt;Mn ，油菜中重金屬Cd和Cr轉運系數明顯高于 Z_n 和 Mn ，表明油菜對根部Cd和Cr向地上部轉運的能力更強。

3結論

（1）該地區土壤重金屬中除As外， $＼begin{array} { r } { ＼mathrm { . C d ＼ 、 C u ＼ 、 H g ＼ 、 C r ＼ 、 Z n . } } ＼end{array}$ Mn，Pb 明顯高于土壤背景值，存在富集現象。這8種重金屬變異系數表明其分布較均勻，污染源可能屬同種類型。其中Cd .cr.Zn.Pb 均值超過風險篩選值，該地區可能存在農用土壤污染風險，需加強土壤環境和農產品協同監測。

（2）利用pearson分析和主成分分析對農業土壤重金屬進行了來源分析，結果表明重金屬主要來源于工業活動、農業活動和廢氣排放，其方差貢獻率分別為41. 12% 、16. 76% 、14.08% 。其中 Zn，Mn，Cu，Cr 主要來自工業污水排放，Cd、As和少量的 Pb 來源于農業活動， Pb 和 Hg 主要來源于廢氣排放。

（3）基于單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法、地累積指數法、潛在生態風險指數法評價，均顯示重金屬Cd為主要風險因子。其中，地累積指數法評價Cd為重污染—極重污染級別，Pb均值處于中污染一重污染級別， Hg 為中污染級別。潛在生態風險指數法評價Cd屬于極強生態風險， Hg 處于很強生態風險，Pb處于中等生態風險。不同評價方法得出的結論稍有不同，在對不同質地土壤進行評價時，應選擇合適的方法。

（4）對研究區域當季農產品進行重金屬含量特征統計，發現小麥和油菜對重金屬的富集含量依次為 Mngt;Zngt;Crgt; Cd，重金屬Cd含量有超標風險。小麥和油菜重金屬富集系數依次 Cdgt;Zngt;Mngt;Cr ，轉運系數順序分別為 Zngt;Cdgt;Mngt;Cr 和 Cdgt;Crgt;Zngt;Mn ，油菜中Cd和Cr轉運系數明顯高于其他重金屬。

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