趙永超 龔巍崢 任岳 張孝娟

摘要 選取華北平原某地（全國(guó)重要的有色金屬產(chǎn)業(yè)基地）作為研究區(qū)，采集377個(gè)表層土壤樣品（0～20 cm），分析測(cè)定樣品中Pb、Cd、Cr、As、Hg 5種重金屬的含量。運(yùn)用單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)研究區(qū)農(nóng)田土壤中重金屬的污染及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀況，運(yùn)用因子分析的方法對(duì)研究區(qū)農(nóng)田土壤中重金屬元素的來源進(jìn)行分析。結(jié)果表明，研究區(qū)農(nóng)田土壤中Pb、Cd、As含量超過農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值（GB 15168—2018）的點(diǎn)位占比分別為6.10%、44.30%和1.33%;基于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，研究區(qū)農(nóng)田土壤中Cd、Pb的污染等級(jí)為重度污染，As的污染等級(jí)為中度污染，Cr、Hg為安全級(jí);基于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，研究區(qū)農(nóng)田土壤中Cd為中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，Pb、Cr、As、Hg的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低;綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)的均值為56.64，總體看研究區(qū)農(nóng)田土壤處于輕微生態(tài)危害水平，其中Cd是研究區(qū)農(nóng)田土壤中最主要的污染因子和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子，貢獻(xiàn)率達(dá)80%以上;相關(guān)分析和主成分分析結(jié)果表明，研究區(qū)農(nóng)田土壤中As主要來源于自然源，受成土母質(zhì)的控制;Cd、Pb主要來源于人類活動(dòng)中的工農(nóng)業(yè)源;Hg主要來源于人類活動(dòng)中工業(yè)源;Cr受成土因素和人為活動(dòng)的共同影響。

關(guān)鍵詞 土壤重金屬;含量測(cè)定;污染特征;來源解析;生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào) X53? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 0517-6611（2022）05-0055-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.05.015

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Analysis of Characteristics and Sources of Heavy Metal Pollution in Farmland Soil in the North China Plain

ZHAO Yong-chao， GONG Wei-zheng， REN Yue et al

（Henan Institute of Geo-Environment Exploration， Zhengzhou，Henan 450000）

Abstract A certain place in the North China Plain （an important nonferrous metal industry base in the country） was selected as the research area， 377 surface soil samples （0-20 cm） were collected， and the contents of 5 heavy metals （Pb， Cd， Cr， As， and Hg） were analyzed and determined.Single factor pollution index， the Nemerov pollution index method and the potential ecological risk index method were used to evaluate the pollution and ecological risk status of heavy metals in the study area. The factor analysis method was used to analyze the sources of heavy metal elements in farmland soils in the study area.The results showed that the percentages of points where the content of Pb， Cd and As in the farmland soil of the study area exceed the soil pollution risk screening value （GB 15168—2018） of the farmland in the study area were 6.10%， 44.30% and 1.33% respectively.Based on the soil pollution risk screening value of farmland， the pollution level of Cd and Pb in the farmland soil of the study area was severe pollution， the pollution level of As was moderate pollution， and the pollution level of Cr and Hg was safety level.Based on the soil pollution risk screening value of farmland， Cd in the farmland soil of the study area was a medium ecological risk， and the ecological risk of Pb， Cr， As， and Hg was low.The average comprehensive potential ecological risk index was 56.64， indicating that the farmland soil in the study area was at a slight ecological hazard level.Among them， Cd was the most important pollution factor and ecological risk factor in the farmland soil in the study area， with a contribution rate of more than 80%.The results of correlation analysis and principal component analysis show that As in the farmland soil of the study area was mainly derived from natural sources and was controlled by soil-forming parent material;Cd and Pb were mainly derived from industrial and agricultural sources in human activities;Hg was mainly derived from industrial sources in human activities;Cr was affected by both soil-forming factors and human activities.

Key words Soil heavy metals;Content determination;Pollution characteristic;Source apportionment;Ecological risk assessment

作者簡(jiǎn)介 趙永超（1989—），男，河南平頂山人，助理工程師，碩士，從事重金屬污染農(nóng)田修復(fù)與耕地質(zhì)量提升研究。*通信作者，高級(jí)工程師，碩士，從事污染土壤修復(fù)等研究。

收稿日期 2021-06-15

2014年環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，全國(guó)土壤環(huán)境狀況總體不容樂觀，部分地區(qū)土壤污染較重，耕地土壤點(diǎn)位超標(biāo)率為19.4%，主要污染物為Cd、Ni、Cu、As、Hg、Pb、滴滴涕和多環(huán)芳烴。

土壤中的重金屬一方面來源于土壤母質(zhì)的成土過程，另一方面來源于人類活動(dòng)。不同成土母質(zhì)形成的土壤中重金屬的含量差異較大，如成土母質(zhì)為海河沉積物和花崗巖的土壤，Pb含量高于其他母質(zhì)發(fā)育的土壤，花崗巖發(fā)育形成的土壤Cd含量低于其他母質(zhì)發(fā)育的土壤[1];不同人類活動(dòng)對(duì)重金屬的貢獻(xiàn)也存在一定的差異，如Cd主要來源于化肥、農(nóng)藥和電鍍等行業(yè)“三廢”的排放[2]，Pb主要來源于汽車尾氣和煤炭的燃燒等。重金屬元素在土壤中長(zhǎng)期的積累一方面可以抑制植物和微生物的生長(zhǎng)活動(dòng)導(dǎo)致土壤肥力的下降，從而造成農(nóng)作物產(chǎn)量大幅降低和品質(zhì)的下降[3];另一方面重金屬元素在土壤中的遷移和在食物鏈中的富集還會(huì)對(duì)區(qū)域內(nèi)地下水質(zhì)量安全、生態(tài)安全及人類的生存發(fā)展產(chǎn)生直接的影響[4]。因此，揭示土壤中重金屬的來源和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，可以為區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)、污染防治和安全防護(hù)提供借鑒。

冶煉區(qū)和礦區(qū)被認(rèn)為是土壤重金屬污染的多發(fā)區(qū)[5]，筆者選取華北平原某地（全國(guó)重要的有色金屬產(chǎn)業(yè)基地）作為研究區(qū)，分析測(cè)定土壤中Pb、Cd、Cr、As、Hg 5種重金屬的含量，在此基礎(chǔ)上，對(duì)區(qū)域土壤重金屬的污染程度、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并運(yùn)用主成分分析的方法辨識(shí)土壤重金屬的來源，以期為研究區(qū)農(nóng)用地的安全利用、土壤環(huán)境評(píng)價(jià)與管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于華北平原西部，地勢(shì)西高東低，呈階梯狀展布，絕對(duì)高程大部分在70～100 m，西部為低山，西南部是丘陵區(qū)，中東部為沖積、洪積平原，耕地面積16 596.77 hm2。屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，夏季暖熱多雨，冬季寒冷干燥，四季分明，年平均氣溫14.9 ℃，全年平均降雨量為606.1 mm，主要土壤類型為褐土。

1.2 樣品采集與分析

于玉米收獲前進(jìn)行土壤樣品的采集。利用ArcGIS 10軟件按照500 m×500 m的規(guī)則網(wǎng)格進(jìn)行土壤采樣點(diǎn)的布設(shè)，同時(shí)綜合考慮種植方式、土壤類型和重點(diǎn)行業(yè)企業(yè)（重點(diǎn)行業(yè)企業(yè)周圍加密布點(diǎn)）分布狀況，共布設(shè)377個(gè)采樣點(diǎn);在各采樣點(diǎn)周圍按照多點(diǎn)采樣的方式，采集表層（0～20 cm）土壤，等量混合后，裝入自封袋。

采集到的土壤樣品經(jīng)室溫自然風(fēng)干后，去除其中的雜質(zhì)，用木棍碾碎，使其全部通過2 mm的尼龍篩后充分混合待測(cè)。Cd、Pb采用石墨爐原子吸收分光光度法（GB/T 17141—1997）測(cè)定，Cr采用火焰原子吸收分光光度法（HJ 491—2009）測(cè)定，Hg、As采用原子熒光分光光度法（GB/T 22105—2008）測(cè)定。

隨機(jī)選取采集到的10個(gè)土壤樣品，測(cè)定土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀等基本理化性質(zhì)，測(cè)定方法參照魯如坤[6]的《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》，具體測(cè)定結(jié)果為pH 7.51～7.80、有機(jī)質(zhì)2.06～9.76 g/kg、全氮0.473～0.908 g/kg、全磷1.78～2.22 g/kg、全鉀 18.4～26.5 g/kg。

1.3 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法

采用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對(duì)研究區(qū)農(nóng)田土壤（表層）中重金屬的污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

單項(xiàng)污染指數(shù)可以反映不同重金屬元素的污染程度，其計(jì)算公式如下：

P i=C i/S i（1）

式中，P i為土壤中重金屬i的單項(xiàng)污染指數(shù);

C i為土壤中重金屬i的實(shí)測(cè)含量（mg/kg）;

S i為農(nóng)用地土壤重金屬i的風(fēng)險(xiǎn)篩選值（mg/kg），參考GB 15168—2018規(guī)定的農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，具體見表1。

單因子污染指數(shù)僅能反映土壤中單個(gè)污染物的污染程度，為綜合反映不同污染物的整體污染狀況，該研究采用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)可以全面反映各污染物對(duì)土壤的不同作用，并且可以突出高濃度污染物對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響，計(jì)算公式如下[7]：

PI=P max2+P ave22（2）

式中，PI為內(nèi)梅羅綜合指數(shù);

P max為單因子污染指數(shù)的最大值;

P ave為單因子污染指數(shù)的平均值。單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法污染等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

1.4 土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)研究區(qū)農(nóng)田土壤（表層）中重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。該方法由瑞典科學(xué)家Hakanson[8]創(chuàng)建，該方法綜合考慮了環(huán)境中重金屬的生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)和毒理學(xué)效應(yīng)，定量計(jì)算環(huán)境中重金屬的潛在危害程度，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，其計(jì)算公式如下：

Ei r=Ti r×Ci f（3）

RI=Ei r=（Ti r×Ci f）（4）

Ci f=Ci/Ci n（5）

式中，Ei r為土壤或沉積物中元素i的潛在生態(tài)危害指數(shù);

RI為土壤或沉積物中多種重金屬元素潛在生態(tài)危害指數(shù);

Ci f為重金屬元素i的富集系數(shù);Ci為重金屬元素i的實(shí)測(cè)含量;

Ci n為重金屬元素i的風(fēng)險(xiǎn)篩選值，參考GB 15618—2018規(guī)定的農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值;

Ti r為元素i的毒性響應(yīng)系數(shù)，參考已有文獻(xiàn)資料Pb、Cd、Cr、As、Hg分別為5、30、2、10、40[9]。Ei r和RI的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

運(yùn)用SPSS 19.0軟件對(duì)研究區(qū)農(nóng)田土壤中5種重金屬的含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，以分析研究區(qū)不同重金屬的含量特征;采用相關(guān)分析和主成分分析法對(duì)研究區(qū)土壤中重金屬的來源進(jìn)行解析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量特征

運(yùn)用SPSS軟件對(duì)研究區(qū)農(nóng)田土壤中Pb、Cd、Cr、As、Hg的含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，研究區(qū)農(nóng)田土壤中Pb、Cd、Cr、As、Hg含量的平均值分別為63.52、0.97、61.48、11.40、0.08 mg/kg，Pb、Cd、As、Hg含量的平均值超過河南省土壤背景值[10]，超標(biāo)倍數(shù)依次為1.85、13.92、0.16、2.20。土壤中Cr含量的平均值低于河南省土壤背景值[10]，說明土壤中Cr沒有明顯的積累。Pb、Cd含量的平均值大于其中位數(shù)，說明研究區(qū)農(nóng)田土壤中Pb、Cd的含量整體偏向最大值方向;Cr、As、Hg含量的平均值與中位數(shù)接近，說明研究區(qū)農(nóng)田土壤中Cr、As、Hg的含量整體偏向最小值方向。偏度和峰度的數(shù)值可大致反映數(shù)據(jù)偏離正態(tài)分布的程度，研究區(qū)農(nóng)田土壤中Pb、Cd、Cr、As、Hg的偏度和峰度絕對(duì)值均大于0，說明研究區(qū)農(nóng)田土壤中重金屬濃度的分布為非標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。研究區(qū)農(nóng)田土壤中Pb、Cr、As、Hg含量的平均值低于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值（GB 15168—2018），Cd含量的平均值高于風(fēng)險(xiǎn)篩選值，說明研究區(qū)農(nóng)田土壤中Cd受人類活動(dòng)的影響較明顯。土壤中Cd的最大值是農(nóng)用地土壤風(fēng)險(xiǎn)篩選值的20倍，說明Cd在部分點(diǎn)位發(fā)生了明顯的積累，這可能與研究區(qū)內(nèi)存在重點(diǎn)污染源密切相關(guān)。

土壤重金屬元素的變異系數(shù)可以代表重金屬元素分布的均勻程度和受人類活動(dòng)影響的程度。研究區(qū)農(nóng)田土壤中Pb、Cd和Hg的變異系數(shù)大于1，屬于強(qiáng)變異水平;Cr、As的變異系數(shù)介于0.1～1.0，屬于中等變異水平;上述結(jié)果表明研究區(qū)農(nóng)田土壤中Pb、Cd和Hg的分布不均勻，可能受人類活動(dòng)的影響較大。

2.2 土壤重金屬污染狀況評(píng)價(jià)

基于《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—2018）中規(guī)定的各項(xiàng)污染物的風(fēng)險(xiǎn)篩選值，計(jì)算各點(diǎn)位5種重金屬的單項(xiàng)污染指數(shù)，依據(jù)表2的劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表5所示。從表5可以看出，研究區(qū)農(nóng)田土壤中Cr、Hg的單項(xiàng)污染指數(shù)的最大值分別為0.470、0.590，均小于1，依據(jù)劃分標(biāo)準(zhǔn)Cr、Hg屬于非污染等級(jí)。Pb、Cd、As的單因子污染指數(shù)分別為0.070～4.430、0.100～20.000、0.070～3.240，總體看Pb、Cd、As這3種重金屬的污染程度高于Cr、Hg。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明研究區(qū)農(nóng)田土壤中Pb、Cd、As達(dá)到輕度及以上污染等級(jí)的點(diǎn)位數(shù)占比分別為6.10%、44.30%、1.33%，其中Cd達(dá)到中度及重度污染等級(jí)的點(diǎn)位數(shù)占比較大，達(dá)到21.75%，說明研究區(qū)農(nóng)田土壤中Cd的污染程度已經(jīng)遠(yuǎn)高于其他重金屬，需要引起高度重視。

基于《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—2018）中規(guī)定的各項(xiàng)污染物的風(fēng)險(xiǎn)篩選值，以綜合污染指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明（表6），研究區(qū)農(nóng)田土壤中Pb、Cd、Cr、As、Hg的綜合污染指數(shù)（PI）分別為3.14、14.19、0.38、2.31、0.42，結(jié)合表2的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)農(nóng)田土壤中Cd、Pb的污染等級(jí)為重度污染，As的污染等級(jí)為中度污染，Cr、Hg為安全級(jí)，上述結(jié)果說明研究區(qū)農(nóng)田土壤已受到一定程度的重金屬污染。其中Cd的綜合污染指數(shù)最大，說明研究區(qū)農(nóng)田土壤中Cd的污染最為突出，這與單項(xiàng)污染指數(shù)推斷的結(jié)果一致。

對(duì)各點(diǎn)位的綜合污染指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，依據(jù)表2的分類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各點(diǎn)位的污染程度進(jìn)行劃分，并對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)有51.20%的點(diǎn)位受到污染，其中有14.33%的點(diǎn)位呈中度至重度污染。研究區(qū)所有調(diào)查點(diǎn)位PI的平均值為1.24，依據(jù)綜合污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)農(nóng)田土壤污染等級(jí)為輕度污染，說明研究區(qū)農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量已經(jīng)開始惡化，應(yīng)引起高度重視。

2.3 土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

以《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—2018）中規(guī)定的各項(xiàng)污染物的風(fēng)險(xiǎn)篩選值作為評(píng)價(jià)參比值，采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)研究區(qū)農(nóng)田土壤中重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如表7所示。從表7可以看出，研究區(qū)農(nóng)田土壤中Pb、Cd、Cr、As、Hg這5種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)（Ei r）分別為1.87、48.75、049、4.56、0.97，依據(jù)表3的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)農(nóng)田土壤中Pb、Cr、As、Hg的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低，均處于輕微生態(tài)危害水平;Cd為中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。研究區(qū)農(nóng)田土壤中Cd各危害水平的點(diǎn)位占比分別為60.75%（輕微生態(tài)危害水平）、24.93%（中等生態(tài)危害水平）、9.55%（強(qiáng)生態(tài)危害水平）、3.18%（很強(qiáng)生態(tài)危害水平）、1.59%（極強(qiáng)生態(tài)危害水平）。

各點(diǎn)位綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)（RI）的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，研究區(qū)有93.10%的點(diǎn)位危害水平較低，有6.90%的點(diǎn)位處于中等及以上生態(tài)危害水平。研究區(qū)各點(diǎn)位RI的平均值為56.64，結(jié)合表3的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)農(nóng)田土壤的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為輕微生態(tài)危害。

為評(píng)價(jià)單個(gè)重金屬元素的潛在生態(tài)危害指數(shù)對(duì)綜合生態(tài)危害指數(shù)的貢獻(xiàn)率，取單項(xiàng)潛在生態(tài)危害指數(shù)與綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)的比值，各元素對(duì)綜合潛在生態(tài)危害的貢獻(xiàn)率如圖1所示。從圖1可以看出，Cd對(duì)綜合潛在生態(tài)危害的貢獻(xiàn)率最大，達(dá)86.07%，是研究區(qū)農(nóng)田土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的主要來源[11]。

2.4 土壤重金屬來源分析

相關(guān)性分析是指對(duì)2個(gè)或多個(gè)具備相關(guān)性的變量元素進(jìn)行分析，從而衡量2個(gè)變量因素的相關(guān)密切程度。土壤中各種元素的含量受母質(zhì)、環(huán)境條件和人為活動(dòng)的共同影響，來源的相似性會(huì)導(dǎo)致土壤中不同元素

間存在相互聯(lián)系[12]，鑒于此相關(guān)性分析就被廣泛應(yīng)用于土壤重金屬元素的來源辨識(shí)[13]，若元素間相關(guān)性顯著或極顯著，則表明這些元素間一般具有同源關(guān)系或者呈現(xiàn)復(fù)合污染的現(xiàn)象[14-17]。

2.4.1 相關(guān)性分析。

從表8可以看出，研究區(qū)農(nóng)田土壤中Pb與Cd、Pb與Cr、Pb與As、Pb與Hg、Cd與As、Cd與Hg、Cr與As在0.01水平（雙側(cè)）上呈顯著正相關(guān)，說明這些元素間可能存在著一定的同源關(guān)系。已有的研究表明，土壤中Cr主要受成土母質(zhì)的影響，因此Cr多被認(rèn)為是自然來源的元素，與其相關(guān)性較高的元素被認(rèn)為受成土母質(zhì)的影響較大[18]，研究區(qū)農(nóng)田土壤中Cr與Pb、As呈顯著正相關(guān)，說明Cr、Pb、As可能具有一定的同源性，而Cr與Pb的相關(guān)系數(shù)較小，因此研究區(qū)農(nóng)田土壤中Pb是否存在其他來源還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。土壤中Hg與Pb、Cd、Cr、As的相關(guān)系數(shù)均不高于0.30，說明Hg和Pb、Cd、Cr、As相關(guān)性不大，從而說明Hg與Pb、Cd、Cr、As的來源可能不一致[19]。為更加準(zhǔn)確地判斷土壤中各重金屬元素的來源，通過主成分分析來進(jìn)行進(jìn)一步的判斷。

2.4.2 主成分分析。

從主成分分析的結(jié)果（表9～10和圖2）可以看出，通過主成分分析共辨別出3個(gè)主成分，累計(jì)解釋了總方差的84.589%，基本可以解釋5種元素的大部分信息。

第一主成分（PC1）的方差貢獻(xiàn)率為37.219%，Pb、Cd在PC1上有較大的載荷，分別為0.906、0.894，由前述分析可知，研究區(qū)農(nóng)田土壤中Pb、Cd含量的平均值高于該地區(qū)背景值，2種元素含量的最大值分別為河南省背景值的33.77和184.62倍;且前人的研究發(fā)現(xiàn)，這2種元素常常受到人類活動(dòng)的影響，其中Pb主要來自化石燃料的燃燒和金屬冶煉行業(yè)“三廢”的排放，Cd主要來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料（化肥、農(nóng)藥等）的施用及冶煉、電鍍行業(yè)“三廢”的排放[20]。研究區(qū)作為華北平原主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大縣，近年來隨著農(nóng)業(yè)精細(xì)化程度的不斷提高，化肥和農(nóng)藥的施用量大增;另外該地區(qū)工業(yè)基礎(chǔ)較好，是全國(guó)重要的金屬冶煉區(qū)，化肥、農(nóng)藥和工業(yè)“三廢”中攜帶的Cd、Pb通過直接或間接的方式最終進(jìn)入到土壤中，造成Pb、Cd在土壤中的累積。因此PC1代表了化肥農(nóng)藥及工業(yè)生產(chǎn)等人為來源，被認(rèn)為是“工農(nóng)業(yè)源因子”。

第二主成分（PC2）的方差貢獻(xiàn)率為27.268%，Cr、As在PC2上有較大的載荷，分別為0.700、0.907，前述分析結(jié)果顯示研究區(qū)Cr、As的平均值與河南省背景值相當(dāng)。已有的研究發(fā)現(xiàn)Cr、As受地質(zhì)背景的影響較大[21]，因此把PC2認(rèn)為是“自然源因子”。

第三主成分（PC3）的方差貢獻(xiàn)率為20.102%，PC3上有較大載荷的僅有Hg。研究區(qū)農(nóng)田土壤中Hg的平均值為008 mg/kg，遠(yuǎn)高于河南省背景值，其最大值是河南省背景值的80.4倍。相關(guān)分析的結(jié)果顯示Hg與Cr、As呈正相關(guān)，但是Hg與Cr、As的相關(guān)系數(shù)較低，說明研究區(qū)農(nóng)田土壤中Hg與Cr、As的同源性較低。已有的研究表明，土壤是各種化學(xué)離子的最終歸宿[22]，Hg在土壤中累積的主要途徑是大氣干濕沉降[23]，其來源主要包括人類活動(dòng)中的化石燃料燃燒、冶煉、化工、垃圾焚燒等，研究區(qū)的工業(yè)基礎(chǔ)較好，金屬冶煉企業(yè)在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量粉塵等最終都匯聚到土壤中造成了研究區(qū)農(nóng)田土壤中Hg的積累。因此PC3代表了人類活動(dòng)中的工業(yè)源，被認(rèn)為是“工業(yè)源因子”。

Cr在PC1和PC2上均有相當(dāng)?shù)暮奢d，說明研究區(qū)農(nóng)田土壤中Cr是混合來源，被認(rèn)為是受到自然源和人為源（工農(nóng)業(yè)源因子）的共同影響。于元赫等[24]對(duì)黃河下游典型區(qū)域土壤重金屬來源的研究也表明Cr受工農(nóng)業(yè)活動(dòng)和成土母質(zhì)的綜合影響。

3 結(jié)論

（1）研究區(qū)農(nóng)田土壤中Pb、Cr、As、Hg的平均含量高于河南省土壤背景值，Cr含量的平均值低于河南省土壤背景值。研究區(qū)內(nèi)Pb、Cd、As含量達(dá)到輕度及以上污染等級(jí)的點(diǎn)位數(shù)占比分別為6.10%、44.30%和133%。

（2）研究區(qū)農(nóng)田土壤中Pb、Cd、Cr、As、Hg的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分別為3.14、14.19、0.38、2.31、0.42，依據(jù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，Cd、Pb的污染等級(jí)為重度污染，As的污染等級(jí)為中度污染，Cr、Hg的污染等級(jí)為安全級(jí)。

（3）單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（Ei r）的結(jié)果表明，研究區(qū)農(nóng)田土壤中Cd為中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，Pb、Cr、As、Hg的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低。綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)（RI）的結(jié)果表明，研究區(qū)9310%的調(diào)查點(diǎn)位的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低，6.90%的調(diào)查點(diǎn)位為中等及以上危害水平;整個(gè)研究區(qū)農(nóng)田土壤綜合潛在生態(tài)危害等級(jí)為輕微生態(tài)危害水平。Cd是影響研究區(qū)農(nóng)田土壤綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的主要元素。

（4）相關(guān)分析和主成分分析結(jié)果表明，研究區(qū)農(nóng)田土壤中5種元素的來源可以分為3類：PC1為工農(nóng)業(yè)源因子，PC1包括Pb、Cd;PC2為自然源因子，PC2包括Cr、As;PC3為工業(yè)源因子，僅包括Hg;Cr在PC1和PC2上均有相當(dāng)?shù)暮奢d，Cr受成土因素及人為活動(dòng)的共同控制。

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