基于地统计学的樱桃园土壤重金属污染评价及来源解析

刘 强，康 博，尤晓妮，杨 东

(1.天水师范学院 资源与环境工程学院，甘肃 天水 741000；2.西北师范大学 地理与环境科学学院，甘肃 兰州 730000)

随着经济社会的快速发展，我国土壤重金属污染问题日益严重，各种污染物通过多种途径进入土壤[1]。由于没有得到有效控制和修复，造成重金属不断富集，当土壤中的重金属含量积累到一定程度时，不仅会直接影响农产品的质量和品质，对大气和水环境造成污染，而且会通过食物链对动物和人类的生命健康构成威胁[2-3]。土壤重金属污染具有多源性、累积性、隐蔽性、严重性等特点[4]。它的来源主要有自然来源和人为来源[5-7]。

两种天水市樱桃主产区是专家公认的西北黄土高原地区适宜于建设露地生产优质樱桃园的为数不多的地区之一，所产樱桃风味独特、色泽鲜艳、品质优良，已远销全国各大城市。伴随着樱桃产业的快速发展壮大，农民在种植过程中不合理、过度施用化肥、农药，不仅直接影响果品质量，而且过量的重金属元素通过食物进入人体后会对身体健康产生极大的危害。因此，本研究以天水市秦州区樱桃主产区的6个乡镇的樱桃园为研究对象，实地采集土壤样本，对园区表层土壤中的5种重金属元素进行测定，运用多元统计分析等方法，研究樱桃园土壤中重金属的污染程度、分布特征及污染来源，以期为研究区土壤环境质量和生态健康评价、土壤重金属元素污染修复，以及天水樱桃产品质量提升和产业可持续发展提供参考。

1 研究区概况

秦州区位于甘肃省东南部，是古城天水的中心城区，属秦巴山区西秦岭北缘，地处105°13′～106°01′E、34°05′～34°40′N，地跨黄河、长江两大流域，地势西高东低，海拔1 130～2 700 m，土壤主要有黄绵土、黑垆土，是典型的半湿润半干旱温带气候区，气候温和，素有“陇上小江南”之称，凭借得天独厚的自然资源优势，成为优质的水果和蔬菜生产基地。

2 研究材料与方法

2.1 样品的采集

选择秦州区樱桃主产区的6个镇(太京镇、玉泉镇、藉口镇、关子镇、牡丹镇、杨家寺镇)作为研究点(见图1)，在2016年5月下旬对研究点进行土壤采样，根据每个镇樱桃园面积大小不同确定采样数目，在每个采样点取0～20 cm的表层土壤，同时使用GPS定位仪记录采样点的地理坐标，以及各采样田块的基本信息。将采集后的样品分别装于采集袋中，带回实验室，除去杂物，风干磨碎，过100目筛，装于广口瓶中，供测定使用。

图1 土壤采样点位置示意

2.2 测定方法

樱桃园土壤重金属含量测定采用盐酸-氢氟酸-高氯酸消解法，Cr、Cu、Zn总量测定采用火焰原子吸收分光光度法，Pb、Cd总量测定采用石墨炉原子吸收分光光度法[8]。

2.3 尼梅罗指数法

尼梅罗指数法能够较为全面地评价土壤重金属污染水平，综合反映重金属对区域的污染程度，表达出单个采样点的重金属污染程度，并能综合评价某一个区域的土壤污染状况[9-13]。尼梅罗污染指数评价标准见表1。尼梅罗单项污染指数计算公式为

Pi=Ci/Si

(1)

式中：Pi为某采样点第i种重金属元素的尼梅罗单项污染指数；Ci为某采样点第i种重金属元素的实测值，mg/kg；Si为选取的第i种重金属元素污染评价标准，mg/kg。

污染土壤的重金属元素往往不止一种，所以还需要考虑不同重金属元素对土壤的污染程度。可以用尼梅罗综合污染指数来衡量，其计算公式为

(2)

式中：P综合为某采样点各种重金属元素的尼梅罗综合污染指数，即某采样点5种重金属综合污染分值；Pimax为某采样点5种重金属元素尼梅罗单项污染指数中的最大值。

表1 尼梅罗污染指数评价标准

3 结果与分析

3.1 土壤重金属含量分析

表2为研究区樱桃园土壤重金属元素测定结果。从表2可以看出，5种土壤重金属中Pb、Cr、Cd、Zn、Cu含量的最大值分别为40.20、70.20、0.11、103.88、27.50 mg/kg；Cd的变异系数最大，离散程度较高；Cr的变异系数最小，离散程度较低。以《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)中的二级标准为衡量标准，各采样点重金属含量均在国家标准以下，没有重金属元素含量超标。但以甘肃省土壤背景值[14]为衡量标准，土壤Pb含量超标率达到了100%，污染十分普遍；Cr、Zn、Cu超标率也分别达到了77.78%、77.78%和72.22%；只有Cd元素低于甘肃省土壤背景值，没有超标。

表2 研究区樱桃园土壤重金属元素测定结果

注：标准参照《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)中的二级标准，土地利用类型为果园。

以《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)二级标准作为评价标准，采用尼梅罗指数法对研究区土壤重金属污染水平进行评价，结果见表3：各采样点土壤重金属单项污染指数平均值依次为 Pb>Cr>Zn>Cu>Cd，单项污染指数均小于0.50，属于清洁无污染等级。从土壤重金属综合污染指数来看，各采样点综合污染指数均小于0.70，平均值为0.37，属于安全等级。综上所述，采样点樱桃园土壤未受到重金属的严重污染，适合发展无公害果品。

表3 各采样点土壤污染程度比较

图2为樱桃种植区土壤重金属空间分布情况。从图2可以看出，东北部土壤重金属污染较西南部严重，原因可能是东北部樱桃园的种植面积比西南部的种植面积大，农药的使用率高、施用量大，且这些地区靠近河流，污水灌溉使重金属进入到樱桃园土壤中，造成土壤中重金属的大量积累，导致土壤中重金属污染。

3.2 重金属来源分析

3.2.1 相关性分析

重金属元素之间的相关性，在一定程度上反映了这些元素污染程度的相似性或污染元素具有相似的来源[15]。由表4可知，5种重金属元素中Zn和Cu的相关系数达到0.667，呈极显著相关，且极有可能来自于同一污染源。

3.2.2 主成分分析

主成分分析是把多个指标转化为少数几个综合指标来反映原始数据的信息，该方法常用于土壤和其他沉积物的分析，在土壤研究中用以区分重金属元素来源[16-17]。由表5可知，天水市秦州区樱桃园土壤中5种重金属前两个主成分累计贡献率达65%，前两个主成分就能够反映全部数据的大部分原始信息，因此提取前两个主成分对数据进行分析。

表4 土壤重金属相关系数

注：**表示在1%水平下显著相关(双尾)。

表5 土壤重金属主成分分析因子载荷值

第一主成分的贡献率达到40.364%，其中Zn和Cu具有较高的正载荷，其相对因子载荷值分别为0.880和0.797，这说明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较接近，而且这两种元素之间呈显著相关，因此称第一主成分为“母质因素”。

第二主成分的贡献率达24.762%，其中Pb元素呈现较高的正载荷，其次是Cu和Cr，据此判断土壤重金属元素Pb、Cr和Cu有可能为同一来源。研究区樱桃园长期施用农药是造成土壤中Pb、Cu、Cr含量较高的重要因素[18]。另外，第二主成分可以归纳为受农药施用影响源，故将第二主成分称为“人为影响因素”。

3.2.3 重金属聚类分析

聚类分析可以有效地揭示不同元素间的来源相似性，用来检验主成分分析的结果。聚类图上的距离轴反映了组间元素的关联程度，距离越小，关联度越显著，反之亦然。图3是根据樱桃园5种重金属元素含量分析结果得到的聚类树状图，可以发现：Cu和Zn元素的关联度较为显著，两者可能来自同一污染源；在第二类中，Pb和Cr聚为一类，而Cd自成一类，Cd元素与另两种元素之间距离较大，关联度不太显著，这说明这三种元素在存在不同来源的情况下，又受到同一因素的影响。这与相关性及主成分分析研究污染源的结果基本一致。

图3 土壤表层重金属聚类分析结果

4 结 论

(1)以国家《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)中的二级标准为衡量标准，各采样点重金属含量均在国家标准以下，没有重金属元素超标。但以甘肃省土壤背景值为衡量标准，土壤Pb含量超标率达到了100%，污染十分普遍；Cr、Zn、Cu的超标率也分别达到了77.78%、77.78%和72.22%；只有Cd含量低于甘肃省土壤背景值，没有超标。

(2)造成樱桃园土壤重金属污染最主要的因素为成土母质、农药施用。对不同重金属含量之间相关性分析表明，Zn和Cu之间呈极显著相关，说明樱桃园土壤中Zn和Cu两种元素可能来自同一污染源。

(3)研究区各种重金属元素来自不同的污染源，即污染来源并不单一，属于混合来源污染。根据实地调查研究，研究区周围并不存在大型工矿业活动，且远离主城区，因此可以推断农药施用是造成土壤重金属污染的主要来源。基于农产品安全的考虑，在当地发展樱桃产业的同时，应该合理施用农药，科学种植。

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