劉 強(qiáng)，康 博，尤曉妮，楊 東

(1.天水師范學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院，甘肅 天水 741000；2.西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，我國(guó)土壤重金屬污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，各種污染物通過(guò)多種途徑進(jìn)入土壤[1]。由于沒(méi)有得到有效控制和修復(fù)，造成重金屬不斷富集，當(dāng)土壤中的重金屬含量積累到一定程度時(shí)，不僅會(huì)直接影響農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和品質(zhì)，對(duì)大氣和水環(huán)境造成污染，而且會(huì)通過(guò)食物鏈對(duì)動(dòng)物和人類(lèi)的生命健康構(gòu)成威脅[2-3]。土壤重金屬污染具有多源性、累積性、隱蔽性、嚴(yán)重性等特點(diǎn)[4]。它的來(lái)源主要有自然來(lái)源和人為來(lái)源[5-7]。

兩種天水市櫻桃主產(chǎn)區(qū)是專(zhuān)家公認(rèn)的西北黃土高原地區(qū)適宜于建設(shè)露地生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)櫻桃園的為數(shù)不多的地區(qū)之一，所產(chǎn)櫻桃風(fēng)味獨(dú)特、色澤鮮艷、品質(zhì)優(yōu)良，已遠(yuǎn)銷(xiāo)全國(guó)各大城市。伴隨著櫻桃產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展壯大，農(nóng)民在種植過(guò)程中不合理、過(guò)度施用化肥、農(nóng)藥，不僅直接影響果品質(zhì)量，而且過(guò)量的重金屬元素通過(guò)食物進(jìn)入人體后會(huì)對(duì)身體健康產(chǎn)生極大的危害。因此，本研究以天水市秦州區(qū)櫻桃主產(chǎn)區(qū)的6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的櫻桃園為研究對(duì)象，實(shí)地采集土壤樣本，對(duì)園區(qū)表層土壤中的5種重金屬元素進(jìn)行測(cè)定，運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)分析等方法，研究櫻桃園土壤中重金屬的污染程度、分布特征及污染來(lái)源，以期為研究區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)健康評(píng)價(jià)、土壤重金屬元素污染修復(fù)，以及天水櫻桃產(chǎn)品質(zhì)量提升和產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況

秦州區(qū)位于甘肅省東南部，是古城天水的中心城區(qū)，屬秦巴山區(qū)西秦嶺北緣，地處105°13′～106°01′E、34°05′～34°40′N(xiāo)，地跨黃河、長(zhǎng)江兩大流域，地勢(shì)西高東低，海拔1 130～2 700 m，土壤主要有黃綿土、黑壚土，是典型的半濕潤(rùn)半干旱溫帶氣候區(qū)，氣候溫和，素有“隴上小江南”之稱(chēng)，憑借得天獨(dú)厚的自然資源優(yōu)勢(shì)，成為優(yōu)質(zhì)的水果和蔬菜生產(chǎn)基地。

2 研究材料與方法

2.1 樣品的采集

選擇秦州區(qū)櫻桃主產(chǎn)區(qū)的6個(gè)鎮(zhèn)(太京鎮(zhèn)、玉泉鎮(zhèn)、藉口鎮(zhèn)、關(guān)子鎮(zhèn)、牡丹鎮(zhèn)、楊家寺鎮(zhèn))作為研究點(diǎn)(見(jiàn)圖1)，在2016年5月下旬對(duì)研究點(diǎn)進(jìn)行土壤采樣，根據(jù)每個(gè)鎮(zhèn)櫻桃園面積大小不同確定采樣數(shù)目，在每個(gè)采樣點(diǎn)取0～20 cm的表層土壤，同時(shí)使用GPS定位儀記錄采樣點(diǎn)的地理坐標(biāo)，以及各采樣田塊的基本信息。將采集后的樣品分別裝于采集袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室，除去雜物，風(fēng)干磨碎，過(guò)100目篩，裝于廣口瓶中，供測(cè)定使用。

圖1 土壤采樣點(diǎn)位置示意

2.2 測(cè)定方法

櫻桃園土壤重金屬含量測(cè)定采用鹽酸-氫氟酸-高氯酸消解法，Cr、Cu、Zn總量測(cè)定采用火焰原子吸收分光光度法，Pb、Cd總量測(cè)定采用石墨爐原子吸收分光光度法[8]。

2.3 尼梅羅指數(shù)法

尼梅羅指數(shù)法能夠較為全面地評(píng)價(jià)土壤重金屬污染水平，綜合反映重金屬對(duì)區(qū)域的污染程度，表達(dá)出單個(gè)采樣點(diǎn)的重金屬污染程度，并能綜合評(píng)價(jià)某一個(gè)區(qū)域的土壤污染狀況[9-13]。尼梅羅污染指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。尼梅羅單項(xiàng)污染指數(shù)計(jì)算公式為

Pi=Ci/Si

(1)

式中：Pi為某采樣點(diǎn)第i種重金屬元素的尼梅羅單項(xiàng)污染指數(shù)；Ci為某采樣點(diǎn)第i種重金屬元素的實(shí)測(cè)值，mg/kg；Si為選取的第i種重金屬元素污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，mg/kg。

污染土壤的重金屬元素往往不止一種，所以還需要考慮不同重金屬元素對(duì)土壤的污染程度?？梢杂媚崦妨_綜合污染指數(shù)來(lái)衡量，其計(jì)算公式為

(2)

式中：P綜合為某采樣點(diǎn)各種重金屬元素的尼梅羅綜合污染指數(shù)，即某采樣點(diǎn)5種重金屬綜合污染分值；Pimax為某采樣點(diǎn)5種重金屬元素尼梅羅單項(xiàng)污染指數(shù)中的最大值。

表1 尼梅羅污染指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤重金屬含量分析

表2為研究區(qū)櫻桃園土壤重金屬元素測(cè)定結(jié)果。從表2可以看出，5種土壤重金屬中Pb、Cr、Cd、Zn、Cu含量的最大值分別為40.20、70.20、0.11、103.88、27.50 mg/kg；Cd的變異系數(shù)最大，離散程度較高；Cr的變異系數(shù)最小，離散程度較低。以《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為衡量標(biāo)準(zhǔn)，各采樣點(diǎn)重金屬含量均在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以下，沒(méi)有重金屬元素含量超標(biāo)。但以甘肅省土壤背景值[14]為衡量標(biāo)準(zhǔn)，土壤Pb含量超標(biāo)率達(dá)到了100%，污染十分普遍；Cr、Zn、Cu超標(biāo)率也分別達(dá)到了77.78%、77.78%和72.22%；只有Cd元素低于甘肅省土壤背景值，沒(méi)有超標(biāo)。

表2 研究區(qū)櫻桃園土壤重金屬元素測(cè)定結(jié)果

注：標(biāo)準(zhǔn)參照《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，土地利用類(lèi)型為果園。

以《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采用尼梅羅指數(shù)法對(duì)研究區(qū)土壤重金屬污染水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表3：各采樣點(diǎn)土壤重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)平均值依次為 Pb>Cr>Zn>Cu>Cd，單項(xiàng)污染指數(shù)均小于0.50，屬于清潔無(wú)污染等級(jí)。從土壤重金屬綜合污染指數(shù)來(lái)看，各采樣點(diǎn)綜合污染指數(shù)均小于0.70，平均值為0.37，屬于安全等級(jí)。綜上所述，采樣點(diǎn)櫻桃園土壤未受到重金屬的嚴(yán)重污染，適合發(fā)展無(wú)公害果品。

表3 各采樣點(diǎn)土壤污染程度比較

圖2為櫻桃種植區(qū)土壤重金屬空間分布情況。從圖2可以看出，東北部土壤重金屬污染較西南部嚴(yán)重，原因可能是東北部櫻桃園的種植面積比西南部的種植面積大，農(nóng)藥的使用率高、施用量大，且這些地區(qū)靠近河流，污水灌溉使重金屬進(jìn)入到櫻桃園土壤中，造成土壤中重金屬的大量積累，導(dǎo)致土壤中重金屬污染。

3.2 重金屬來(lái)源分析

3.2.1 相關(guān)性分析

重金屬元素之間的相關(guān)性，在一定程度上反映了這些元素污染程度的相似性或污染元素具有相似的來(lái)源[15]。由表4可知，5種重金屬元素中Zn和Cu的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.667，呈極顯著相關(guān)，且極有可能來(lái)自于同一污染源。

3.2.2 主成分分析

主成分分析是把多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)來(lái)反映原始數(shù)據(jù)的信息，該方法常用于土壤和其他沉積物的分析，在土壤研究中用以區(qū)分重金屬元素來(lái)源[16-17]。由表5可知，天水市秦州區(qū)櫻桃園土壤中5種重金屬前兩個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)65%，前兩個(gè)主成分就能夠反映全部數(shù)據(jù)的大部分原始信息，因此提取前兩個(gè)主成分對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

表4 土壤重金屬相關(guān)系數(shù)

注：**表示在1%水平下顯著相關(guān)(雙尾)。

表5 土壤重金屬主成分分析因子載荷值

第一主成分的貢獻(xiàn)率達(dá)到40.364%，其中Zn和Cu具有較高的正載荷，其相對(duì)因子載荷值分別為0.880和0.797，這說(shuō)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較接近，而且這兩種元素之間呈顯著相關(guān)，因此稱(chēng)第一主成分為“母質(zhì)因素”。

第二主成分的貢獻(xiàn)率達(dá)24.762%，其中Pb元素呈現(xiàn)較高的正載荷，其次是Cu和Cr，據(jù)此判斷土壤重金屬元素Pb、Cr和Cu有可能為同一來(lái)源。研究區(qū)櫻桃園長(zhǎng)期施用農(nóng)藥是造成土壤中Pb、Cu、Cr含量較高的重要因素[18]。另外，第二主成分可以歸納為受農(nóng)藥施用影響源，故將第二主成分稱(chēng)為“人為影響因素”。

3.2.3 重金屬聚類(lèi)分析

聚類(lèi)分析可以有效地揭示不同元素間的來(lái)源相似性，用來(lái)檢驗(yàn)主成分分析的結(jié)果。聚類(lèi)圖上的距離軸反映了組間元素的關(guān)聯(lián)程度，距離越小，關(guān)聯(lián)度越顯著，反之亦然。圖3是根據(jù)櫻桃園5種重金屬元素含量分析結(jié)果得到的聚類(lèi)樹(shù)狀圖，可以發(fā)現(xiàn)：Cu和Zn元素的關(guān)聯(lián)度較為顯著，兩者可能來(lái)自同一污染源；在第二類(lèi)中，Pb和Cr聚為一類(lèi)，而Cd自成一類(lèi)，Cd元素與另兩種元素之間距離較大，關(guān)聯(lián)度不太顯著，這說(shuō)明這三種元素在存在不同來(lái)源的情況下，又受到同一因素的影響。這與相關(guān)性及主成分分析研究污染源的結(jié)果基本一致。

圖3 土壤表層重金屬聚類(lèi)分析結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)以國(guó)家《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為衡量標(biāo)準(zhǔn)，各采樣點(diǎn)重金屬含量均在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以下，沒(méi)有重金屬元素超標(biāo)。但以甘肅省土壤背景值為衡量標(biāo)準(zhǔn)，土壤Pb含量超標(biāo)率達(dá)到了100%，污染十分普遍；Cr、Zn、Cu的超標(biāo)率也分別達(dá)到了77.78%、77.78%和72.22%；只有Cd含量低于甘肅省土壤背景值，沒(méi)有超標(biāo)。

(2)造成櫻桃園土壤重金屬污染最主要的因素為成土母質(zhì)、農(nóng)藥施用。對(duì)不同重金屬含量之間相關(guān)性分析表明，Zn和Cu之間呈極顯著相關(guān)，說(shuō)明櫻桃園土壤中Zn和Cu兩種元素可能來(lái)自同一污染源。

(3)研究區(qū)各種重金屬元素來(lái)自不同的污染源，即污染來(lái)源并不單一，屬于混合來(lái)源污染。根據(jù)實(shí)地調(diào)查研究，研究區(qū)周?chē)⒉淮嬖诖笮凸さV業(yè)活動(dòng)，且遠(yuǎn)離主城區(qū)，因此可以推斷農(nóng)藥施用是造成土壤重金屬污染的主要來(lái)源?；谵r(nóng)產(chǎn)品安全的考慮，在當(dāng)?shù)匕l(fā)展櫻桃產(chǎn)業(yè)的同時(shí)，應(yīng)該合理施用農(nóng)藥，科學(xué)種植。

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