山西省天镇县设施菜地土壤重金属污染评价及其源解析*

湛润生 胡冬梅 甄莉娜 戎婷婷

(山西大同大学生命科学学院，山西 大同 037009)

由人为因素导致的重金属元素在土壤中过量沉积是农田土壤重金属污染的主要原因。随着人类对自然资源开发利用强度的逐渐增强，通过不同途径进入土壤造成的重金属污染也日益严重。近年来农村耕地土壤重金属污染屡有报道[1-3]。土壤重金属被植物吸收后可通过食物链进入人体，当进入机体的重金属含量超出人体最大承受量时会引发各种疾病，导致人体肝、肾、肠、胃、神经组织等损伤，严重的还会致畸、致癌和致突变[4-5]。

设施菜地是一种利用强度大、投入和产出高、受人类活动影响大的土地利用方式，它常年处于封闭状态，施肥量大、温度湿度高、蒸发量大、无雨水淋洗、复种指数高。设施蔬菜在我们日常膳食中扮演着越来越重要的角色，如果其土壤重金属超标，通过食物链传递，势必会严重威胁到人类健康。

天镇县地处山西省东北边缘，是一个典型的农业县，当地设施蔬菜产业起步较晚，但发展速度较快，且仍在不断扩大，截止2020年底全县设施菜地面积约为1 000 hm2，而有关当地设施菜地土壤重金属含量变化现状还未见研究报道。本研究通过实地走访调查和土样采集，测定了天镇县设施菜地土壤中8种常见重金属元素，评价和分析了该县设施菜地土壤重金属污染情况及来源途径，从而为该县设施菜地高效健康发展的管理和技术措施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 土样采集

在天镇县设施蔬菜发展有代表性的玉泉镇、南河堡乡和卅里铺乡设置采样菜地80块，于2020年3月在每块菜地以“S”型五点采样法采集一个混合土样，采样深度0～20 cm，共采集80个土样(采样点分布见图1)。样品带回实验室风干，过100目筛备用。土壤类型属栗钙土。

图1 采样点分布

1.2 测试项目与方法

Cd、Pb采用HCl-HNO3-HF-HClO4消解，以石墨炉原子吸收分光光度法测定；Cu、Zn、Ni、Cr采用HCl-HNO3-HF-HClO4消解，以火焰原子吸收分光光度法测定；Hg采用H2SO4-HNO3-KMnO4消解，以冷原子吸收分光光度法测定；As采用H2SO4-HNO3-HClO4消解，以二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法测定，8种元素具体测试方法均参考文献[6]执行，测定过程中通过添加标准样品(购买自国家标准物质中心的各重金属标准品)和加标实际样品来进行质量控制。

1.3 土壤重金属污染评价和源解析方法

2 结果与分析

2.1 重金属元素的污染特征值

从表1可以看出，土壤Pb、Cr、Cd、Ni、Hg平均值接近或高于背景值，Cu、Zn、As平均值低于背景值。背景值反映土壤不受或者很少受人类活动影响的情况下土壤原来固有的元素含量水平。Cu、Zn属于植物必需营养元素，植物从土壤中带走的量超过补充量，导致Cu、Zn含量低于背景值；As含量低于背景值在其他文献中也有报道[9-10]。80块采样菜地中，有40块菜地Cd超过限值，超标率为50%，最高Cd达到0.96 mg/kg；有4块菜地Ni超过限值，超标率为5%；其余元素超标率均为0。所调查的8种重金属元素变异系数差异较大，其中Cr变异系数小于0.20，属于较低程度变异；Pb、Zn、Ni、As变异系数介于0.21～0.50，属于中等程度变异；Cu、Cd、Hg变异系数介于0.51～1.00，属于高度变异。除成土母质差异之外，当地设施菜地土壤中重金属元素Cu、Cd、Hg受到外源因子干扰较大。

表1 土样污染参数特征

2.2 土壤重金属元素的污染评价

天镇县设施菜地土壤Pi、PN分别见表2和表3。从Pi可以看出，Cu、Pb、Zn、Cr、Hg、As的Pi均小于1.0，污染等级为清洁；Ni污染等级为清洁的土样占95%，轻度污染占5%，总体污染等级为清洁；Cd污染等级为清洁的土样占50%，轻度污染占30%，重度污染占20%，总体污染等级为轻度污染。从Pi平均值看，8种重金属元素的污染程度表现为Cd>Ni>Pb>Cr=As>Zn>Hg>Cu。PN为0.48～2.32，其中65%的土样受到不同程度污染，35%的土样保持清洁，Cd是土壤污染的主要贡献因子，Ni其次。

表2 设施菜地土壤Pi统计结果

表3 设施菜地土壤PN统计结果

2.3 土壤重金属元素的潜在生态危害评价

表4 设施菜地土壤统计结果

表5 设施菜地土壤RI统计结果

2.4 土壤重金属源解析

由重金属元素相关分析结果可见，Cu、Pb、Ni三者之间均呈极显著正相关，而Cr与Cd之间呈显著正相关(见表6)。经KMO和Bartlett球形度检验，KMO值为0.55，Bartlett球形度检验的相伴概率<0.01(极显著水平)，进一步说明重金属元素间存在相关性。因此，采用主成分分析解析土壤重金属来源是可行的。

表6 各重金属元素之间的相关性分析1)

由表7可知，前4个主成分的累计方差贡献率达82.19%，表明前4个主成分在一定程度上能反映数据的大部分信息。重金属元素Cu、Pb、Ni在主成分1上有较高载荷绝对值；Cr、Cd在主成分2上有较高载荷绝对值；Zn、Hg在主成分3上有较高载荷绝对值；As在主成分4上有较高载荷绝对值。

表7 重金属元素主成分的特征值、方差贡献率、累计贡献率和成分矩阵1)

3 讨 论

通过采样分析对天镇县设施菜地土壤重金属进行了污染现状评价和潜在生态危害评价，从单项污染评价结果来看，Cd属于轻度污染，Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、Hg、As均属于清洁；综合污染评价结果为轻度污染，其中Cd是首要贡献因子，Ni其次。在潜在生态危害评价中，Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、As属于轻微生态危害，Hg属于中等生态危害，Cd属于强生态危害，多元素潜在生态危害结果为中等生态危害。研究中两类评价方法结果不一致，造成这一结果的原因有以下两方面：首先，Pi、PN采用指标限值较高的HJ 333—2006为评价标准，而潜在生态危害评价标准采用指标限值较低的背景值为评价标准；其次，潜在生态危害评价中引入数值各异的重金属毒性响应系数，将重金属的环境生态效应与毒理学联系起来，反映出不同重金属元素对环境的潜在生态危害。关于土壤重金属污染评价研究众多，罗松英等[11]和崔邢涛等[12]的研究结果也表明，PN和RI评价结果之间有一定差异。

主成分分析结果表明，Cu与Pb、Ni在主成分1上有较大的载荷绝对值，成土母质释放、矿山开采、交通运输和农业活动是土壤Cu、Pb和Ni的主要来源。其中Pb、Cu来源于矿山开采，天镇县金属矿产资源丰富，矿床多为富含Pb和Cu的金属矿石[13]，前些年当地矿山开采猖獗，重金属颗粒以大气沉降等方式进入土壤，导致设施菜地土壤重金属含量升高。作为山西省东北出口，天镇县内交通网络密集，汽车尾气排放及轮胎磨损会产生大量含Pb、Cu等的有害气体和粉尘，通过大气沉降进入土壤，增加土壤重金属含量。含Pb的磷肥、复合肥施用也是天镇县设施菜地土壤Pb积累的重要原因。除此之外，Cu和Zn作为猪饲料添加剂，能够防治疾病，提高饲料利用率，促进猪生长和增加出栏率，故猪粪便中含有大量Cu和Zn，而养猪业又是当地村民脱贫致富支柱性产业，猪粪尿作为有机肥施入设施菜地，也会导致土壤Cu、Zn含量升高。农用塑料薄膜生产中使用的热稳定剂含有Pb，当地设施栽培中塑料大棚修建以及覆盖地膜使用都会造成土壤重金属污染。另有研究表明，土壤Ni来源于成土母质释放，采矿、冶金行业排放的废气，电镀工艺产生的残渣及废液等[14]，结合当地重金属元素的污染特征，可认为天镇县设施菜地土壤Ni受成土母质释放、矿冶行业排放大气污染物的双重影响。

Cr、Cd在主成分2上有较高的载荷绝对值，一般认为Cr代表自然来源，土壤Cr主要受成土母质影响[15-16]，另外，化肥、有机肥施用也是土壤Cr污染的重要来源。化肥包括磷肥、复合肥，畜禽粪便有机肥施用也是天镇县设施菜地土壤Cd积累的主要原因[17]，另外，农用薄膜残留也会导致土壤Cd含量升高。主成分2代表了成土母质释放以及农业活动对土壤重金属含量的影响。

Zn、Hg在主成分3上有较大的载荷绝对值，Zn来源于当地矿山开采中重金属颗粒大气沉降，以及畜禽粪便有机肥重金属释放。有研究表明，原煤燃烧是我国大气Hg最主要的污染源之一[18]，天镇县冬季长、气温低，农户均以原煤作为能源取暖，煤炭燃烧过程中释放的Hg经过沉降后进入土壤，造成土壤Hg含量升高。含Hg化肥、有机肥施用也是天镇县设施菜地土壤Hg积累的重要原因。所以，因子3代表了矿山开采、农业活动以及原煤燃烧对土壤重金属含量的影响。

As在主成分4上有较大的载荷绝对值，代表了成土母质释放、大气沉降、设施栽培中含As化肥施用对环境造成的影响[19]。

4 结 论

天镇县设施菜地部分土壤重金属有累积趋势，综合污染评价结果为轻度污染，多元素潜在生态危害评价结果为中等生态危害，其中Cd属于轻度污染、强生态危害，Hg属于中等生态危害，Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、As均属于轻微生态危害。源解析结果表明，当地设施菜地Cu、Pb和Ni来源于成土母质释放、矿山开采、交通运输和农业活动；Cr、Cd含量主要受成土母质和农业活动影响；矿山开采、农业活动以及原煤燃烧是土壤Zn、Hg累积的重要原因；As代表了成土母质释放、大气沉降、化肥施用对土壤环境造成的影响。总体上，当地设施菜地土壤污染较轻，但Cd和Hg存在生态环境风险，应该引起重视。