榆林市定边县农田土壤重金属评价与研究

Evaluation and study on heavy metals in farmland soil of Dingbian County in Yulin City

摘要

目的 以定边县农田土壤为研究对象，分析土壤中8种重金属Cd、Pb、Cu、Cr、As、Hg、Zn和Ni的含量，进而评价土壤质量状况。 方法 采用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法和潜在生态风险指数法进行评价，利用相关性分析和主成分分析解析重金属元素的来源。 结果 8种重金属元素空间分布不对称、不均衡，Hg和Cu集中，其余元素不集中；以背景值为评价基础时，Hg属于清洁、安全等级，Cd、As、Cu、Ni和Zn属于轻度污染，Pb和Cr属于重度污染；潜在生态危害指数介于1.074~40.677，属于轻微至中等危害水平；以国家农用地土壤污染风险筛选值为评价基础时，土壤重金属含量属于清洁、安全状态、轻微生态危害水平；通过土壤重金属相关性分析和主成分分析初步判断：Cd、As、Pb、Cu、Ni和Zn为农业、交通、燃煤等混合来源；Cr为油气开采污染源，Hg为自然来源。 结论 研究区土壤适合开展农业生产，但重金属存在累积趋势，后期还需定期监测，为高质量农产品发展提供优良的生产环境。

Abstract

Objective The study aimed to analyze the contents of eight kinds of heavy metals (i.e.，Cd，Pb，Cu，Cr，As，Hg，Zn and Ni) in farmland soil of Dingbian County. Method Single-factor pollution index method，Nemero comprehensive pollution index method and potential ecological risk index method were used to evaluate the soil，and both correlation analysis and principal component analysis were utilized to determine the sources of heavy metals. Result The spatial distribution of the eight heavy metal elements was asymmetrical and unbalanced，with Hg and Cu concentrated and the rest of the elements unconcentrated.Based on the background value，Hg was at the clean and safe level，Cd，As，Cu，Ni and Zn were at mild pollution level，and Pb and Cr were at severe pollution level.The potential ecological damage index ranged from 1.074 to 40.677，which belonged to the level of slight and moderate damage.Based on the risk screening value of soil pollution in agricultural land，the content of heavy metals in farmland soil of Dingbian County was at the clean，safe，and slightly ecological hazard level.Through correlation analysis and principal component analysis for soil heavy metals，it was preliminarily determined that Cd，As，Pb，Cu，Ni，and Zn had the mixed sources of agriculture，transportation，and coal burning.Cr had the source of pollution by oil and gas exploitation，and Hg had the natural source. Conclusion The soil in the studied area is suitable for agricultural production，but there is a trend of heavy metal accumulation; and it is therefore necessary to perform regularly monitoring in the later stage to provide an sound environment for the high-quality agricultural production.

Graphical abstract

关键词

定边县 / 农田土壤 / 重金属 / 污染评价 / 相关分析 / 主成分分析

Key words

Dingbian County / farmland soil / heavy metal / pollution assessment / correlation analysis / principal component analysis

随着农业经济的发展，人类活动对土壤环境的影响也在不断增加^［1-2］，如污水灌溉、汽车尾气、大气沉降、工业污染、农药和化肥施用等。重金属在环境中影响范围广、危害大，而且很难在短时间内被分解掉^［3-5］，因此，重金属造成的环境污染尤其是土壤环境污染引起了全社会的广泛关注^［6-10］。榆林市现有的农田受到不同种类和程度重金属的污染^［11-12］，为了了解榆林市农业大县之一的定边县现有农田土壤重金属污染情况，保障人们生命健康安全，对该县土壤中重金属进行分析研究，对土壤质量状况和生态风险综合评价，从而为该地区土壤生态环境的安全及污染的修复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

定边县（E 107°15′~108°22′、N 36°49′~37°53′）位于陕西省西北角、榆林市的最西端，是黄土高原与内蒙古鄂尔多斯荒漠草原过渡地带，属温带半干旱大陆性季风气候，年平均气温7.8 ℃，年平均降水量为395.4 mm。定边县石油、天然气、原盐等矿产资源丰富，具有独特的资源优势。全县总土地面积6 920 km²，主要是黄土性土壤，其次是风沙土、淤土、黑垆土、盐碱土等。定边县水资源严重短缺，南部丘陵沟壑区水资源匮乏，区内盛产耐旱性作物，如马铃薯、荞麦、油料、杂豆等，一年一熟，是全省重要名优小杂粮和优质薯产区之一；北部风沙滩地，以地下水井灌为主，区内盛产玉米、特色蔬菜等作物，一年一熟和间套一年两熟，是榆林市高效农业优势生产区。

1.2 样品采集与处理

本研究以定边县农田土壤为研究对象，布点以乡镇为单元，每个乡镇按农田面积大小布设2~4个点，共采集70个土样，采样深度为0~20 cm，每个采样点按照梅花形布点法采集3个点，混合均匀后用四分法取舍至2 kg，放入聚乙烯塑料袋中保存，标签一式两份，袋内放一份，外侧贴一份，带回实验室。同时记录采样点经纬度、海拔、土壤类别、作物、20 km范围内有无企业等信息。土壤样品自然风干之后，去除砂砾和植物残体，用木棒压磨揉碎，用行星式球磨机和玛瑙研钵将样品研磨后全部通过0.149 mm尼龙筛，充分搅拌均匀装瓶待测。采样点位分布示意图如图1所示。

1.3 重金属测定分析

土壤分析项目为pH、Cr、Pb、Cu、Cd、As、Hg、Zn和Ni。采用微波消解法（土壤和沉积物 金属元素总量的消解 微波消解，2017）进行消解，电极法测定pH值，原子荧光光谱法测定Hg、As元素（北京吉天AFS-9330），其他元素用原子吸收光谱法测定（北京东西AA-7020），每个土样做3次平行，取平均值作为样品的测量值。

1.4 评价标准与方法

定边县属于北方旱作地区，且测量得出农田土壤pH值介于8.30~9.22，所以本研究依据陕西省土壤元素背景值，结合《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》（GB15618-2018）中其他土地类型（pH>7.5）的筛选限值（表1），用单项污染指数法、内梅罗综合污染指数法和潜在生态危害指数法对研究区土壤重金属污染情况进行全面客观评价。

1.4.1 单因子指数法

单因子指数法^［13］是国内进行单项土壤污染评价普遍采用的方法，是将某一重金属的实测值与评价标准的风险筛选值进行对比，以反映该重金属污染物的超标程度和超标倍数（表2），计算公式为：

P_i =C_i /S_i

式中：P_i 为土壤中重金属污染物i的单项污染指数；C_i 为土壤中重金属污染物i的实测值；S_i 为土壤中重金属污染物i的标准限值。

1.4.2 综合污染指数法

综合污染指数法也称内罗梅综合污染指数法，该方法考虑了重金属污染指数的最大值和平均值^［14］。其计算公式为：

P_{\mathrm{综合}}=\sqrt[]{\frac{{\left(\frac{C_i}{S_i}\right)}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}^{\mathrm{2}}+{\left(\frac{C_i}{S_i}\right)}_{ave}^{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}}}

式中：P_综合为土壤重金属综合污染指数（表2）；C_i 为土壤重金属污染物i的实测浓度；S_i 为土壤重金属污染物i的评价标准风险筛选值。

1.4.3 潜在生态危害指数法

潜在生态危害指数法是由瑞典科学家Hakanson^［15］从沉积学角度出发，将土壤重金属含量，重金属的环境、生态效应与毒理学有效联系到一起（表3）。其计算公式为：

RI={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{E}_r^i

E_r^i=T_r^i\times C_f^i

C_f^i=C_i/C_n^i

式中：E_r^i为土壤中i元素的潜在生态危害系数，T_r^i为i元素的毒性系数（表4），C_f^i即i元素的污染系数，C_i 为i元素的实测值；C_n^i为i元素的评价标准值。RI为潜在危害指数（表3）。

2 结果与分析

2.1 农田土壤重金属含量的总体特征分析

对定边县70个土壤样品测定重金属含量，描述性统计分析见表6，偏度系数是衡量分布是否对称，土壤中Cd、As、Pb、Cr、Ni和Zn偏度系数均为负，数据呈左偏离；Hg和Cu偏度系数均为正，数据呈右偏离；峰度系数是衡量数据在中心的聚集程度，8种重金属元素含量峰度较低，Hg和Cu属于尖峰态，空间分布比较集中，Cd、As、Pb、Cr、Ni和Zn属于低峰态，空间分布不集中；8种重金属元素的变异系数依次为：Hg（45.75%）>Cu（27.66%）>Cd（25.24%）Ni（23.03%）>As（21.61%）>Zn（20.04%）>Pb（11.78%）>Cr（10.49%），Pb、Cr为弱变异性，其余各元素为中等变异性，说明空间分布不均衡，表明人类活动对农田土壤有一定的影响。70个土样中Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni和Zn含量的陕西省土壤背景值超标率分别为：87.14%、25.71%、78.57%、100.00%、100.00%、77.14%、68.57%和71.43%，国家农用地土壤污染风险筛选值超标率均为0.0%，整体看，8种重金属含量不同程度的超过陕西省土壤背景值，但均低于国家农用地土壤污染风险筛选值。

2.2 农田土壤重金属污染评价

利用单因子指数法、内梅罗综合污染指数法、潜在生态危害指数法分别以陕西土壤环境背景值、土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准为评价标准，对定边县农田土壤重金属污染情况进行评价（表6）。

以陕西土壤环境背景值为评价标准，区域内平均单因子污染指数由高到低为：Cr>Pb>Cd>Cu>As>Zn>Ni>Hg；除Hg单因子指数平均值为0.814小于1属于清洁外，Cd、As、Pb、Cu、Ni和Zn单因子指数平均值介于1~2属于轻度污染，Cr单因子指数平均值为2.543属于中度污染。说明Cr、Cd、As、Pb、Cu、Ni和Zn累积富集情况较Hg严重。内梅罗综合污染指数介于0.378~100.100，不同重金属污染情况不尽相同，其中Hg综合污染指数小于0.7为安全等级，As、Ni和Zn综合污染指数介于0.7~1已达到警戒值，Cd和Cu属于轻污染，Pb和Cr综合污染指数分别为4.642、100.100属于重污染，尤其是Cr达到100.100；从单向潜在生态危害指数看，Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni和Zn7种重金属的平均潜在危害指数为1.074~32.573，属于轻微危害，Cd的平均潜在危害指数为40.677，属于中等危害。

以《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB15618-2018）为评价标准，定边县70个采样点8种重金属的单因子指数值介于0.008~0.510，污染等级为清洁，区域内平均单因子污染指数由高到低为：Cr>As>Cu>Cd>Zn>Ni>Pb>Hg；内梅罗综合污染指数介于0.005~0.321，污染程度均为安全，暂时没有达到需要管控的程度；从单向潜在生态危害指数看，8种重金属的平均潜在危害指数为0.169~6.278，都属于轻微危害。

2.3 土壤重金属相关性分析

通过土壤中各重金属元素的相关性分析（表7），土壤中Cd、As、Pb、Cu、Ni和Zn之间相关系数介于0.633~0.918，有显著相关性（P<0.01），当元素之间相关性显著时，同源性较高，因此推断这6种元素在来源上可能具有一致性^［16］，而Hg、Cr之间以及和其他6种元素相关系数较小，说明Hg、Cr以及其他6种元素来源途径有显著差异。

2.4 土壤重金属主成分分析

采用主成分分析法对定边县区域内农田土壤中重金属元素进行载荷因子分析，结果如表8所示，若主成分分析提取特征值>1的因子（主成分），缺失了Hg元素的信息，所以文中多选择了一个特征值为0.946的因子，取前3项作为主成分，因子l（5.293）、因子2（1.163）和因子3（0.946）累计方差贡献率为92.528%。

因子1与Cd（0.934）、As（0.956）、Pb（0.958）、Cu（0.785）、Ni（0.928）和Zn（0.952）高度相关，方差贡献率为66.162%，Cd一般作为农业污染源标识元素^［17］，本研究采集定边县农田土壤，当地农民以畜禽粪便作为底肥，作物生长过程中以化肥追肥，金属元素作为饲料添加剂广泛应用于畜禽养殖中，为促进动物成长提高饲料报酬、提高增重并改善胴体品质，在畜禽饲料中添加Cd元素，同时化肥中含有大量的Cd元素，长期施用畜禽粪便和化肥会造成重金属元素在土壤中的累积。Pb、Zn、Cu视为机动车污染的指示性元素^［18］，采样区农业种植以机械化为主，机动车尾气、轮胎、刹车片磨损造成土壤中Pb、Zn和Cu含量增加。As是燃煤污染的标识元素^［19］，榆林市煤炭资源丰富，研究区农户取暖以煤炭为主，Ni是我国土壤污染程度最低的重金属之一^［20］，二者平均值接近土壤背景值，属于轻微富集，即受外源污染影响较小。综上分析，可将因子1初步判断为农业、交通、燃煤等混合来源。

因子2与Cr（0.878）高度相关，方差贡献率为14.541%；定边县是陕北地区主要的油田开采区，油气田开采时地层中的CO₂会对油管、套管以及管线等设备造成严重腐蚀，高Cr不锈钢管被认为是降低CO₂腐蚀速率的理想材料^［21-22］，长期开采油气过程中容易造成油套管表面有严重的局部破坏，腐蚀产物经轻微受力后就出现龟裂脱落^［23］，采样区内有大量的油气井，开采过程中导致Cr进入土壤中，造成土壤中Cr元素的累积。因此，可将因子2初步判断为油气开采污染源。

因子3与Hg（0.910）高度相关，方差贡献率为11.825%；汞元素平均值低于陕西省土壤背景值，受当地人为活动影响不明显，汞元素可归于土壤母质的来源。因此，可将因子3初步判断为自然来源。该结论与李志涛等^［16］的研究结果一致。

3 结论

1） 定边县土壤中8种重金属元素空间分布不对称、不均衡，Hg和Cu集中，其余元素不集中，波动可能是由于当地居民生产生活引起。

2） 以背景值为基础评价得出，①单因子指数法：Hg属于清洁，Cd、As、Pb、Cu、Ni和Zn为轻度污染，Cr为中度污染；②内梅罗综合污染指数法：Hg为安全等级，As、Ni和Zn已达到警戒值，Cd和Cu为轻污染，Pb和Cr为重污染，③潜在生态危害指数法：Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni和Zn为轻微危害，Cd为中等危害。3种评价方法出现不一致现象，是因为单因子指数反应单一重金属的超标情况，内梅罗综合污染指数考虑测量值的平均值和最大值，潜在生态危害指数考虑重金属背景值、毒性系数等因素。

3） 以《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB15618-2018）筛选值为基础评价得出，所有土壤重金属元素含量均处于清洁和安全状态，暂时没有达到需要管控的程度；重金属潜在生态风险均为轻微风险危害水平，预计近几年不会对农产品造成危害。

4） 通过土壤重金属相关性分析和主成分分析，初步判断：Cd、As、Pb、Cu、Ni和Zn为农业、交通、燃煤等混合来源；Cr为油气开采污染源。Hg为自然来源。

综上所述，定边县农田土壤适合开展农业生产，由于人类活动影响，重金属存在累积恶化趋势。需要相关部门进行定期监测土壤重金属，并建立污染监测预警制度，从源头严格控制，避免农田土壤受到污染，为高质量农产品发展提供优良的生产环境。

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基金资助

榆林市科技计划项目(2019-117-01)

榆林职业技术学院校级科研项目(K202121)