兰州市设施菜地土壤重金属污染程度及污染源

秦丽娟，赵有益，黎虹

(甘肃农业大学理学院数量生物学研究中心，甘肃 兰州 730070)

重金属污染是全球环境污染的突出问题，随着城市化、工业化的加剧和农业化学用品种类、数量以及生活废弃垃圾的增加，土壤重金属污染日益严重.重金属在土壤中移动性差、滞留时间长、不能被微生物降解，在土壤表面的污染物会对土壤性质和植被等产生严重危害，还会通过食物链、地下水、植物以及地面扬尘等途径输入人体，并在人体中长期积累，引起过敏和中素，对人体健康产生危害[1-4].重金属的污染来源主要有以下几个方面：工业生产、矿产资源的开发与利用、交通运输、肥料、农药和地膜等农作物资的使用和污水灌溉等[5-8].

近几年，国内外学者针对不同地区已进行了很多有关土壤重金属污染评价方面的工作.如周文鳞等[9]研究了南京江北地区土壤有效态重金属的含量及空间分布特征，表明菜地土壤有效态重金属的平均含量以交通干线沿线最低，工业区最高，运用主成分分析法将菜地有效态重金属大致分为农业源、工业源、生活源.江伟等[10]运用因子分析法对城市表层土壤重金属污染状况进行研究，结果表明主要污染因子为“交通因子”和“燃煤因子”，污染源头分别位于主干道区和工业区.王雄军等[11]运用因子分析法研究太原市土壤重金属污染的主要来源，研究结果充分反映出太原市作为一个典型的重化工基地和燃煤城市的污染特点.李瑞平等[12]研究了泰安市农田土壤重金属污染特征及来源，表明泰安市农田土壤重金属的积累现象比较明显，尤其是Hg、Ni、Cu的最大值均超过了国家土壤环境质量二级标准；农业活动和居民生活对Cd和Hg的影响较大，商业活动对Pb的污染贡献最大.

兰州市是我国污染比较严重的城市，而兰州市居民所食用的蔬菜大多数来自本市三县五区的蔬菜生产基地[13].目前，对兰州市重金属土壤污染和蔬菜重金属污染的检测和评价已有较多研究，主要集中在重金属污染现状、污染评价及健康风险评估等方面[4,13-16]，而运用多元统计方法对兰州市设施菜地土壤重金属污染程度及污染来源的研究较少.随着城市功能的进一步完善和提升，以及工农业的快速发展，研究和评价城市土壤重金属的污染特征及污染来源，对治理城市环境污染和土壤重金属修复提出科学建议，有利于人类社会健康和城市可持续发展[17-18].

随着多元统计方法的普及和应用，主成分分析和因子分析已成为较普遍的评价方法[9-12,19].本文通过对兰州市三县(永登县、榆中县、皋兰县)五区(城关区、七里河区、西固区、红古区、安宁区)设施菜地土壤中Cr(铬)、Pb(铅)、Cd(镉)、Hg(汞)和As(砷)5种重金属含量数据进行统计分析，利用主成分分析和因子分析评价和研究了设施菜地土壤重金属污染程度以及可能污染来源，旨为兰州市设施菜地土壤污染治理和城市发展规划提供基础数据[20-23].

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

兰州市位于黄河上游，是中国陆域的几何中心，有着“西部黄河之都，丝路山水名城”的美誉.兰州现辖永登、榆中、皋兰3个县和城关、七里河、西固、安宁、红古5个区以及国家级兰州新区、高新技术开发区和经济技术开发区，市域总面积1.31万km2.兰州深居大陆腹地，市区南北群山对峙，东西黄河穿域而过，城市依山傍水而建，地理坐标N 35°34′20″～37°07′07″，E 102°35′58″～104°34′29″，属于温带大陆性气候，冬无严寒，夏无酷暑，市区海拔平均高度1 518 m，平均气温9.8 ℃，年均降水量327 mm，全年日照时数2 424 h，无霜期182 d以上.

1.2 样品的采集与处理

用不锈钢土钻随机采取0～20 cm菜地表层的土壤样品，按五点采集法采集5～7个点混合.共采集土壤样品258个，其中永登县42个、榆中县42个、皋兰县29个、城关区34个、七里河区31个、西固区32个、红古区28个、安宁区20个.将土壤样品带回实验室风干、研磨，先经过20目尼龙筛，再经过100目尼龙筛，最后将样品装入样品袋中，密封后保存于干燥处待测.

1.3 土壤样品的测定

设施菜地土壤重金属元素Cd、Cr、Pb全量测定采用HCl-HNO3-HF-HClO4方法消化，原子吸收光谱仪测定.土壤中As和Hg用1∶1王水水浴消解，原子荧光光谱仪测定[4].分析过程中采用GSS-2、GSS-4和GSS-8土壤国家一级标准物质进行质量控制，同时进行空白和试剂的校正试验.以上分析试验所用试剂均为优级纯，所用的水均为超纯水.原子吸收光谱仪型号PE700(美国PE公司生产)，原子荧光光谱仪型号AFS-830(北京吉天公司生产)[9].

1.4 土壤重金属含量分析与评价方法

本文采用单因子污染指数法及综合污染指数法对兰州市设施菜地土壤重金属污染情况进行评价.其公式如下：

Pi=Ci/Si

试验数据采用Excel 2007和SPSS 17.0软件处理，运用主成分分析和因子分析方法分析兰州市设施菜地土壤重金属污染程度和重金属来源的可能途径.

2 结果与分析

2.1 研究区土壤重金属含量

兰州市三县五区8个研究样地设施菜地土壤重金属含量基本统计特征及土壤元素背景值见表1.设施菜地土壤中元素Pb的平均含量最高的是榆中县，高达50.347 mg/kg，最低是红古区，为31.993 mg/kg，其他样地元素Pb的平均含量介于两者之间；元素Cd的平均含量最高的是皋兰县，高达0.932 mg/kg，最低是安宁区，为0.389 mg/kg；元素Cr、Hg、As的平均含量均为西固区最高，元素Cr和As的平均含量均为永登县最低，分别为50.252 mg/kg和12.632 mg/kg，元素Hg的平均含量在安宁区最低，为0.06 mg/kg.

由表1可以看出，兰州市设施菜地土壤重金属含量有较大的差异.除Cr元素在所有县区的变异系数较小外(最大25.3%)，其他重金属元素在一些县区都有较大的变异系数，其中Pb在榆中县和安宁区的变异系数为49.7%和53.8%，Cd在除城关区和西固区外其他县区的变异系数均在79.8%以上，Hg在所有县区的变异系数均在47.6%以上，As在七里河区和西固区的变异系数较大，分别为74.3%和108.5%.Pb、Cd、Hg、As在某些县区土壤之间较大的差异性，反映了这些元素的分布具有较大的波动性，这种波动性很大程度上是由人类活动引起的[12，24].Cr相对较小的变异性反映了这种元素分布相对比较均匀.另外，设施菜地土壤重金属元素含量与土壤的地理条件存在一定的关系，各个县区菜地土壤重金属元素有差异[14].

2.2 设施菜地土壤重金属污染评价

将表1的数据代入单因子污染指数和综合污染指数公式，可得8个研究区的设施菜地重金属污染评价结果(表2).根据各种重金属单项污染指数大小可以区分各重金属污染物的污染程度，比较设施菜地土壤重金属单项污染指数可以得到，西固区和红古区Cr元素的单因子污染指数大于1，表明该重金属元素在西固区和红古区超标.各个地区的其他4种重金属元素的单因子污染指数均大于1，表明Pb、Cd、Hg、As重金属元素均超标.七里河区和西固区的Hg元素污染最严重，其他地区Cd元素污染最严重.为了更客观地反应8个研究区设施菜地土壤受人类活动影响的程度，综合评价各地区重金属的污染程度，比较综合污染指数可以得到，设施菜地土壤重金属污染从重到轻依次为皋兰县、榆中县、永登县、西固区、城关区、红古区、七里河区、安宁区，安宁区菜地土壤重金属污染程度最轻.因此，兰州市在进行农业生产时，优先要控制的污染元素是Cd，其次为Hg、Pb和As.应增强设施菜地土壤的安全性，严格控制土壤污染，推行标准化农业生产，对重金属污染较严重的设施菜地，应对其进行限制生产，并采取一定的措施进行修复.

表1 兰州市设施菜地土壤重金属的含量

表2 兰州市设施菜地土壤重金属污染指数

2.3 土壤重金属元素的相关性分析

重金属元素的相关性在一定程度上可以反映重金属元素污染程度的相似性或污染元素来源上的相似性[24].通过兰州市设施菜地土壤Cr、Pb、Cd、Hg、As 5种重金属元素平均含量，用SPSS17.0统计软件可求出相关系数矩阵(表3).由表3可知，Pb和Cd的相关系数为0.399，表明它们的污染来源相似.其次Cd和Hg的相关系数为0.311，Pb和Hg的相关系数为0.298.其他元素之间的相关系数较小，相关性并不是很好.从成因上来分析，相关性较好的元素可能在成因和来源上有一定的关联[11].

表3 兰州市设施菜地土壤重金属元素的相关系数

2.4 土壤重金属元素的主成分分析

从相关系数矩阵出发用SPSS 17.0统计软件求出特征值、方差贡献率和累计方差贡献率，见表4.如果根据主成分的提取原则，仅提取特征值大于1的主成分，只能选取2个主成分它们只能解释原始数据57.156%的信息，损失的信息较多.可以看出，前三个主成分可以反映原始数据提供信息总量的75.248%，其他次要主成分仅解释了原始数据的24.752%.因此，通过对3个主成分的分析，基本上能够实现对数据所代表的大部分信息的分析.

设施菜地土壤重金属污染主成分得分见表5.第一主成分的贡献率为33.834%，在Pb、Cd、Hg的含量上均有较高的正载荷，而元素Pb、Cd、Hg主要来源于工业部门排放的“三废”.所以第一主成分代表着工业排污和生活污水对土壤的重金属污染.研究表明，大量未经处理或处理未达标的工业污水、城市生活用水直接排放到菜地，可导致菜地土壤Pb、Cd、Hg含量超标[25].另外，农用薄膜中的热稳定剂中往往含有Cd 和Pb，在大量使用塑料薄膜的设施菜地中，如果不及时清除残留在土壤中的薄膜(或农膜)，亦可能会使其中的重金属进入土壤并形成累积[25].第二主成分的贡献率为23.322%，第三主成分的贡献率为18.092%，在As和Cr的含量上第二主成分和第三主成分均有较高的载荷，而农业中的As主要来源于农药和化肥的使用，Cr来源于污水灌溉、肥料的施用[11-12,25]等，所以第二、三主成分代表着农药和化肥施用对土壤重金属的污染.

表4 主成分分析的特征值和累积贡献率

表5 兰州市设施菜地土壤重金属污染主成分分析结果

通常为了分析各研究样地在主成分上反映的土壤重金属污染程度，将标准化后的原始数据代入主成分表达式，计算出各样地的主成分综合得分，得分越高代表土壤重金属污染越严重.从表6中不同县(区)的设施菜地土壤重金属污染得分排名可以看出，永登县得分最低，设施菜地土壤重金属污染程度最轻，西固区得分最高，设施菜地土壤重金属污染较严重.重金属污染程度由重到轻排序为西固区、榆中县、城关区、红古区、皋兰县、七里河区、安宁区、永登县.因此，兰州市不同区域设施菜地土壤重金属含量和污染程度存在差异.

表6 主成分因子得分及综合得分

2.5 土壤重金属元素的因子分析

在进行污染来源分析时，来自同一污染源的重金属元素之间一般存在一定的相关性，反应的信息具有一定的重叠[6].因子分析可以通过降维的方式将变量归结为较少的几种综合因子，这些综合因子既不相关，又能反应原有变量的所有信息[10-11].由表3的相关系数矩阵出发用SPSS 17.0统计软件计算出相应因子的特征值和累计方差贡献率，见表7.根据累计贡献率大于70%的原则，分析得到3个主因子，可以看出3个主因子解释了原始数据75.248%的信息，从表中还可以看出旋转前和旋转后的累计方差贡献率没有发生变化.旋转后，主因子1的方差贡献率为33.136%，主因子2和主因子3的方差贡献率均为20%左右.表明因子1是兰州市设施菜地土壤重金属污染最重要的污染源，对兰州市设施菜地土壤重金属污染的贡献最大，因子2和因子3对兰州市设施菜地土壤重金属污染的有重要作用.

由表7可见，旋转后第一个主因子F1主要由3个元素决定，这3个元素在主因子F1上的载荷系数较大，因此Pb、Cd、Hg同源性的可能性非常大.工业排污和生活污水灌溉会导致土壤的重金属Pb、Cd、Hg等含量的增加，大量重复使用塑料地膜也会加重农田土壤中Cd、Hg、Pb 的污染[12,26].和主成分分析得出相同结果，土壤中的Pb、Cd和Hg主要来源为工业活动.As和Cr分别在因子2和因子3上有较大的载荷系数，因此As和Cr同源性的可能性较大.化肥和农药的使用也会导致土壤重金属As和Cr的污[27-28]，因此因子2和因子3表征了农业生产活动对兰州市设施菜地重金属污染的影响，在一定程度上可以解释为农业活动污染因子.

表7 兰州市设施菜地土壤重金属元素的因子载荷矩阵

3 讨论

近年来，设施蔬菜产业发展迅速，为促进农业增效、农民增收，设施菜地的生产已打破了蔬菜生产的季节性限制和区域性限制，在取得高效益并改善人民生活的同时，因设施菜地常年高温、高湿、无降水淋洗、高施肥、高产出且超强度利用，使得重金属累积问题日益突出[16,29].随着种植年限的增加，菜地土壤重金属含量有增加趋势，而设施菜地土壤重金属含量增加的趋势更显著[29-31].

土壤中的Cr主要来自地膜、化肥、污泥和金属冶炼中的工业废水、废气和废渣，Pb主要来自于工业三废及汽车尾气排放，Cd主要来自城市垃圾、矿山开发、农业生产中肥料和农药的使用、工业“三废”等，Hg主要来自含汞废水排放、施肥、农药、燃煤及生活废弃物堆积等，As主要来自肥料、农药、大气降尘、尾矿及燃煤等[13,25,32-34].8个研究区重金属Pb、Cd、Hg同源的可能性非常大，这3种重金属都可能来自工业“三废”和污水灌溉，因此工业生产活动对土壤Pb、Cd、Hg污染的贡献较大；重金属As和Cr具有同源性，在农业生产中大量使用化肥、地膜和农药，导致土壤中这两种元素含量积累明显，因此农业生产活动对土壤As和Cr污染的贡献较大.

对于不同研究区域及重金属综合污染而言，污染源贡献和污染程度差别较大.根据土壤重金属污染主成分综合得分排名，污染最严重的是西固区，这与西固区是兰州市的核心工业区、中国西部最大的石油化工基地有很大关系，也充分证实了工业化程度越高的地区污染越严重；榆中县污染排名第二，榆中县作为兰州市重要的蔬菜生产基地，设施蔬菜种植年限较长，由于大量使用农药、化肥和地膜，重金属存在明显的积累；污染排名第三的城关区，农田土壤受到工农业生产和城市生活影响较多，设施菜地土壤污染具有很强的叠加性.对于设施菜地土壤而言，重金属的潜在生态风险达到中度及以上水平时都会或多或少地影响到农产品的产量和质量.因此，在进行农业生产时，优先要控制污染指数明显超标的元素，对于生态风险较高的农田，应对其进行限制生产，并采取一定的措施进行修复.

4 结论

1) 用单因子污染指数法对兰州市三县五区的设施菜地土壤中5种重金属元素(Cr、Pb、Cd、Hg、As)污染状况进行分析.由于西固区工业活动污染较严重，因此Cr、Hg和As的污染程度在西固区最为严重.Pb和Cd分别在榆中县和皋兰县污染程度最严重.从综合污染指数看，设施菜地土壤重金属污染最严重的是皋兰县，其次土壤重金属污染由重到轻依次是榆中县、永登县、西固区、城关区、红古区、七里河区和安宁区.

2) 主成分分析将兰州市设施菜地土壤重金属的污染源分为工业源和农业源.从菜地重金属污染的综合得分由重到轻排名为：西固区、榆中县、城关区、红古区、皋兰县、七里河区、安宁区、永登县，西固区得分排名第一，设施菜地污染最严重，永登县的设施菜地污染程度最轻.

3) 综合污染指数法和主成分分析法得到8个研究样地的污染程度排名有差异,这是因为综合污染指数法采用的是内梅罗综合指数法，突出了最大的污染物对菜地土壤重金属污染的影响.

4) 因子分析法同样将兰州市设施菜地土壤重金属的污染源分为工业源和农业源.正交旋转使得新的因子载荷系数两级分化，更容易解释公共因子的实际意义.