摘要 通過分析高陵區(qū)土壤中汞（Hg）、砷（As）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、鉛（Pb）含量，采用單因子污染指數(shù)法進(jìn)行污染等級(jí)劃分，并進(jìn)行不同元素間相關(guān)分析。結(jié)果表明：高陵區(qū)Hg、As、Cd、Pb含量正態(tài)分布呈現(xiàn)左偏，Cr含量呈現(xiàn)右偏。各元素含量排序?yàn)镃r＞Pb＞As＞Cd＞Hg。Hg元素存在分布中心，含量由中心向周邊遞減；As和Cr元素不存在分布中心。Hg分布存在安全和輕污染級(jí)，As分布存在安全和輕污染級(jí)，Cd分布存在安全、輕污染和中污染級(jí)，Cr分布存在安全和輕污染級(jí)，Pb分布存在安全、輕污染和中污染級(jí)，其中Hg、Cd、Pb的分布特征較相似，在藥惠鄉(xiāng)部分區(qū)域均存在較重污染。Hg與As存在中度負(fù)相關(guān)，與Cd、Cr存在中度正相關(guān)，與Pb存在弱正相關(guān)性；As與Cd、Cr均存在弱負(fù)相關(guān)性；Cd與Cr存在弱正相關(guān)，與Pb均存在強(qiáng)正相關(guān)性；Cr與Pb存在中度正相關(guān)。綜上，高陵區(qū)土壤存在重金屬污染，應(yīng)加強(qiáng)治理。

關(guān)鍵詞 土壤重金屬；單因子污染指數(shù)法；安全分級(jí)；空間分析；相關(guān)性；高陵區(qū)

中圖分類號(hào) X 53" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2025）04-0047-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.04.010

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

Analysis on the Current Situation of Heavy Metal Contamination in Soils in Gaoling District of Xi’an City

YIN Zong min1，YIN Zong qi2，HE Wen xi1

（1.Wuhan Geological Survey Center of China Geological Survey，Wuhan，Hubei 430205;2.School of Computer and Control Engineering，Northeast Forestry University，Harbin，Heilongjiang 150040）

Abstract By analyzing the content of mercury （Hg），arsenic （As），cadmium （Cd），chromium （Cr），and lead （Pb） in the soil of Gaoling District，the pollution level was classified using the single factor pollution index method，and the correlation analysis between different elements was conducted.The results showed that the normal distribution of Hg，As，Cd and Pb content in Gaoling District showed a left skewed pattern，while the Cr content showed a right skewed pattern.The order of element content was Crgt;Pbgt;Asgt;Cdgt;Hg.Hg element existed in the distribution center，and its content decreased from the center to the periphery;there was no distribution center for As and Cr elements.The distribution of Hg had safety and light pollution levels，the distribution of As had safety and light pollution levels，the distribution of Cd had safety，light pollution and medium pollution levels，the distribution of Cr had safety and light pollution levels，the distribution of Pb elements had safety，light pollution and medium pollution levels.Among them，the distribution characteristics of Hg，Cd and Pb were relatively similar，and there was heavy pollution in some areas of Yaohui Township.Hg had a moderate negative correlation with As，a moderate positive correlation with Cd and Cr，and a weak positive correlation with Pb.There was a weak negative correlation between As and Cd，Cr; Cd had a weak positive correlation with Cr and a strong positive correlation with Pb.There was a moderate positive correlation between Cr and Pb.In summary，there was heavy metal pollution in the soil of Gaoling District，and efforts should be made to strengthen its management.

Key words Soil heavy metals; Single factor pollution index method; Safety classification; Spatial analysis; Relevance; Gaoling District

作者簡介 殷宗敏（1992—），男，江西九江人，工程師，碩士，從事地形地貌、地質(zhì)遙感、滑坡監(jiān)測研究。*通信作者，高級(jí)工程師，碩士，從事礦產(chǎn)資源開發(fā)與礦山生態(tài)修復(fù)遙感監(jiān)測等相關(guān)工作。

收稿日期 2024-01-23

土壤作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的根基，對(duì)可持續(xù)發(fā)展起著極為關(guān)鍵的支撐作用。在工業(yè)化與城市化進(jìn)程持續(xù)推進(jìn)的背景下，土壤污染狀況愈發(fā)嚴(yán)峻，而農(nóng)用化學(xué)品使用量的不斷攀升，導(dǎo)致土壤重金屬污染程度持續(xù)加深^［1］。汞（Hg）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、鉛（Pb）等重金屬元素是土壤中常見的主要污染物，它們具有累積性特征，能夠在植物生長過程中被富集，并通過食物鏈進(jìn)入人體，進(jìn)而引發(fā)諸多健康與環(huán)境安全問題^［2］。

眾多學(xué)者針對(duì)土壤重金屬污染開展了大量的研究工作。例如，部分研究聚焦于不同土地利用類型下土壤重金屬的分布差異，發(fā)現(xiàn)工業(yè)用地周邊土壤重金屬含量往往顯著高于農(nóng)業(yè)用地^［3］；還有研究致力于探究土壤重金屬污染的來源，結(jié)果表明工業(yè)廢水排放、礦山開采、交通運(yùn)輸?shù)仁侵匾奈廴驹?sup>［^4］。然而，在區(qū)域尺度上針對(duì)特定農(nóng)業(yè)示范區(qū)土壤重金屬污染的精細(xì)空間分布特征及精準(zhǔn)安全等級(jí)評(píng)價(jià)方面的研究鮮見報(bào)道。

高陵區(qū)作為國家農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全示范區(qū)，深入探究其土壤重金屬含量的空間分布格局及污染態(tài)勢，對(duì)于保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全、維護(hù)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量具有不可忽視的重要性。該研究以高陵區(qū)為研究區(qū)域，借助先進(jìn)的空間分析技術(shù)與科學(xué)的安全等級(jí)評(píng)價(jià)方法，深入剖析土壤重金屬含量的空間分布規(guī)律，并進(jìn)行全面的安全等級(jí)評(píng)定，旨在為高陵區(qū)土壤重金屬污染的有效防控與精準(zhǔn)治理提供科學(xué)依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐，從而推動(dòng)區(qū)域農(nóng)業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況 高陵區(qū)地處關(guān)中平原腹地，涇渭河兩岸，土質(zhì)肥沃，水灌條件較好，位于西安市轄域北部，是陜西省重要的糧食生產(chǎn)基地和棉花、油菜、麻、蔬菜、瓜果等農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地^［5］。區(qū)域內(nèi)涇河和渭河自西向東流過，于涇渭堡鎮(zhèn)東北部交匯，并流入縣境西部^［6］。

高陵區(qū)內(nèi)以涇渭河北川平原為主，占高陵區(qū)面積的67.7%。大部分土壤為淤土，土層豐厚，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力良好，適宜廣泛的農(nóng)作物生長。涇渭河北岸和涇渭交匯處的丘陵平地上層表土疏松有助于保水保肥，適宜各類糧食作物的生長^［7］。渭河南部地區(qū)為高漫沙灘地，占高陵區(qū)面積的3.7%，大部分為低洼沙灘地，土壤疏松、氣溫適中，地下水位較高，適合種植經(jīng)濟(jì)作物^［8］。其余部分為河流兩岸的水域，占高陵區(qū)面積的5.6%。該區(qū)域土地利用現(xiàn)狀以農(nóng)業(yè)用地為主，區(qū)域內(nèi)建成“千棟日光溫室大棚”和“萬畝無公害蔬菜基地”等，形成了西北有名的無公害蔬菜生產(chǎn)批發(fā)基地。因此對(duì)該地區(qū)土壤重金屬含量進(jìn)行空間分析與污染評(píng)價(jià)，可為農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全提供有力保障^［9］。

1.2 數(shù)據(jù)采集 土壤重金屬含量通過野外實(shí)測獲取，通過GPS定位，使用不銹鋼鏟取出地表面下土壤，并且使用手持熒光分析儀在原地立刻對(duì)土壤中的重金屬成分進(jìn)行分析^［10］，該儀器帶有微型能量分散光譜儀，利用熒光光譜探測3.5 mm2的窗口在珀耳帖效應(yīng)的冷卻固體狀態(tài)，并通過硅（鋰）二極管探測器分析元素含量^［11］。

進(jìn)行采樣時(shí)，主要采集距表層0～20 cm的耕作層土壤^［12］。按照“土壤采樣記錄卡”要求的內(nèi)容詳細(xì)記錄。具體采樣原則：①樣點(diǎn)位置受現(xiàn)場情況干擾時(shí)，可以適當(dāng)調(diào)整；②采樣點(diǎn)距離主干道300 m以上；③不能在住宅、公路、溝渠、糞堆、廢物堆及墳堆附近進(jìn)行采樣；④不能在坡地、洼地等區(qū)域進(jìn)行采樣；⑤應(yīng)在土壤自然狀態(tài)良好、地面平坦、各種因素均相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域進(jìn)行采樣；⑥采樣點(diǎn)應(yīng)使用GPS定位，并建立樣點(diǎn)檔案^［13］。該研究采樣點(diǎn)如圖1所示。

1.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與方法

1.3.1 安全等級(jí)評(píng)價(jià)。該研究使用陜西省土壤環(huán)境背景值（Hg含量為0.089 mg/kg，As含量為12.20 mg/kg，Cd含量為0.11 mg/kg，Cr含量為62.38 mg/kg，Pb含量為21.40 mg/kg）作為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，同時(shí)參照《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)（試行）》（GB 15618—2018）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值，使用單因子污染指數(shù)法對(duì)該區(qū)域的土壤污染進(jìn)行評(píng)價(jià)^［14］。

單因子污染指數(shù)法是一種用于評(píng)估環(huán)境污染程度的方法，通常用于監(jiān)測大氣、水體、土壤等環(huán)境中的污染情況^［15］。該方法是將多個(gè)不同污染物的含量或含量等級(jí)轉(zhuǎn)化為單一的綜合指數(shù)，以便更容易比較不同地點(diǎn)或時(shí)間的污染水平，其計(jì)算公式如下：

P i=C iS i

式中：P i為土壤中i污染物的污染指數(shù)；C i為i污染物的實(shí)測含量（mg/kg）；S i為i污染物的背景值或平均值（mg/kg）。P i＜1，表示未污染；P i＞1，表示污染。P i越大，污染越嚴(yán)重^［16］。結(jié)合污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，單因子污染指數(shù)法土壤污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

結(jié)合土壤背景值，制作基于陜西省土壤背景值的重金屬含量污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表，如表2所示。

1.3.2 相關(guān)性及主成分分析。該研究采用SPSS軟件進(jìn)行土壤污染指標(biāo)含量相關(guān)性分析，相關(guān)性元素選用Hg、As、Cd、Cr、Pb等。當(dāng)相關(guān)性系數(shù)的絕對(duì)值在0～﹤0.3時(shí)，一般認(rèn)為變量間存在弱相關(guān)；當(dāng)相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值在0.3～﹤0.5時(shí)，一般認(rèn)為變量間存在中度相關(guān)；當(dāng)相關(guān)性系數(shù)的絕對(duì)值≥0.5時(shí)，一般認(rèn)為變量間存在強(qiáng)相關(guān)^［17］。

通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，可分析各污染元素之間的關(guān)系，先對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以確保每個(gè)特征在主成分分析中具有相同的權(quán)重，并將數(shù)據(jù)特征減少到2個(gè)主要成分，從而獲得新的正交特征集^［18］。計(jì)算各要素間的主成分，主成分圖中散點(diǎn)圖表示樣本分布，用來揭示樣本群體之間的關(guān)系，密集區(qū)域表明樣本具有相似的特征組合；主成分圖中箭頭方向和長度表示各特征在主成分分析中的重要性和方向，箭頭方向相同表示正相關(guān)，相反方向則表示負(fù)相關(guān)^［19］。

在主成分分析中，判斷2個(gè)方向是否相同或相反通常是通過考慮主成分的方向向量的夾角，當(dāng)2個(gè)要素的方向向量夾角為0，表示這2個(gè)主成分之間是線性正相關(guān)；當(dāng)2個(gè)要素的方向向量夾角為180°，表示這2個(gè)主成分之間是線性負(fù)相關(guān)；當(dāng)2個(gè)方向的方向向量的夾角為90°，表示這2個(gè)主成分之間是線性無關(guān)的^［20］。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤污染統(tǒng)計(jì)分析 從高陵區(qū)土壤污染物含量（表3）可以看出，Hg含量為0.01～0.31 mg/kg，平均值為0.08 mg/kg，變異系數(shù)高達(dá)87.65%，樣本間含量存在顯著差異，標(biāo)準(zhǔn)差相對(duì)較高；As含量為10.70～20.20 mg/kg，平均值為15.61 mg/kg，變異系數(shù)為12.31%，樣本間含量差異較?。籆d含量為0.05～0.35 mg/kg，平均值為0.14 mg/kg，變異系數(shù)為43.96%，樣本間含量存在中等程度的差異性，標(biāo)準(zhǔn)差適中；Cr含量為47.10～85.30 mg/kg，平均值為63.77 mg/kg，變異系數(shù)為16.00%，變異系數(shù)相對(duì)較低，但含量平均值較高，樣本中可能存在一些高含量的異常值；Pb含量為16.30～77.80 mg/kg，平均值為36.85 mg/kg，變異系數(shù)為20.77%，樣本間含量存在中等程度的差異性，含量平均值相對(duì)較高。綜上，不同元素含量排序?yàn)镃rgt;Pbgt;Asgt;Cdgt;Hg，其中Hg含量在樣本間存在顯著差異，As含量樣本間差異較小，Cd、Pb含量樣本間存在中等程度差異，Cr樣本中存在一些高含量的異常值。

從土壤重金屬含量分布（圖2）可以看出，Hg、As、Cd、Cr、Pb這5種土壤重金屬含量分布均符合正態(tài)分布，其中Hg、As、Cd、Pb含量呈現(xiàn)左偏分布，集中在對(duì)稱軸左側(cè)的含量范圍，這表明大多數(shù)樣本中Hg、As、Cd、Pb含量集中在區(qū)間內(nèi)的較小值，但也存在一些較大的值；Cr含量呈現(xiàn)右偏分布，說明大多數(shù)樣本中Cr含量較高。

2.2 土壤污染空間分析 利用surfer軟件繪制Hg、As、Cd、Cr、Pb含量等值線圖，如圖3所示，Hg在高陵區(qū)北部、中部含量較高，在東部和南部含量相對(duì)較低；As在高陵區(qū)東部和南部含量較高，在北部含量相對(duì)較低；Cd在高陵區(qū)西部和北部含量較高，在南部含量相對(duì)較低；Cr在高陵區(qū)東南部含量較高；Pb在高陵區(qū)北部含量較高。其中Hg分布在該區(qū)域存在明顯的中心區(qū)域，含量由中心向周邊遞減，說明污染源在中心區(qū)域，As和Cr分布在該區(qū)域不存在中心分布特征。

2.3 土壤污染等級(jí)分析 從圖4可以看出，高陵區(qū)Hg元素分布存在安全和輕污染2個(gè)等級(jí)，其中藥惠鄉(xiāng)大部分區(qū)域和張卜鎮(zhèn)小部分區(qū)域存在輕污染，其余區(qū)域?yàn)榘踩珷顟B(tài)；As元素分布存在安全和輕污染2個(gè)等級(jí)，其中除藥惠鄉(xiāng)部分區(qū)域和張卜鎮(zhèn)大部分區(qū)域?yàn)榘踩珷顟B(tài)，其余區(qū)域?yàn)檩p污染；Cd元素分布存在安全、輕污染和中污染3個(gè)等級(jí)，其中除耿鎮(zhèn)全域、張卜鎮(zhèn)和榆楚鎮(zhèn)部分區(qū)域?yàn)榘踩珷顟B(tài)外，其余均為污染狀態(tài)，其中藥惠鄉(xiāng)、鹿苑鎮(zhèn)部分地區(qū)為中污染；Cr元素分布存在安全和輕污染2個(gè)等級(jí)，其中除張卜鎮(zhèn)為安全狀態(tài)外，其他地區(qū)均為輕污染；Pb元素分布存在安全、輕污染和中污染3個(gè)等級(jí)，其中除藥惠鄉(xiāng)、鹿苑鎮(zhèn)部分地區(qū)為中污染，張卜鎮(zhèn)西部為安全狀態(tài)外，其他地區(qū)均為輕污染。同時(shí)發(fā)現(xiàn)安全等級(jí)分布特征中，Hg、Cd、Pb的分布特征較相似，都是藥惠鄉(xiāng)部分區(qū)域存在較重的污染。

2.4 土壤污染相關(guān)性分析 從土壤污染元素間的相關(guān)分析結(jié)果（表5）可以看出，Hg與As存在中度負(fù)相關(guān)，與Cd、Cr存在中度正相關(guān)，與Pb存在弱正相關(guān)性；As與Cd、Cr均存在弱負(fù)相關(guān)性；Cd與Cr存在弱正相關(guān)，與Pb存在強(qiáng)正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.761；Cr與Pb存在中度正相關(guān)。綜上所述，除As與Pb相關(guān)性不顯著外，其余元素間都存在顯著相關(guān)性，其中Cd與Pb的相關(guān)性最顯著。

從主成分分析結(jié)果（圖5）可以看出，Hg和As之間存在負(fù)相關(guān)，Hg與Cd、Pb無明顯相關(guān)性，As與Cd、Pb也無明顯相關(guān)性，Cd與Pb之間呈明顯正相關(guān)性，可能具有相近或相同的來源，Cr與其他元素間存在弱相關(guān)性。

3 結(jié)論

該研究通過分析高陵區(qū)土壤重金屬含量，采用單因子污染指數(shù)法進(jìn)行污染等級(jí)劃分，并進(jìn)行不同元素間相關(guān)分析，結(jié)果表明：①研究區(qū)不同土壤重金屬元素含量排序?yàn)镃r＞Pb＞As＞Cd＞Hg，其中Hg含量在樣本間存在顯著差異，As含量樣本間差異較小，Cd、Pb含量樣本間存在中等程度差異，Cr樣本中存在一些高含量的異常值。Hg、As、Cd、Pb含量正態(tài)分布呈現(xiàn)左偏分布，Cr含量正態(tài)分布呈現(xiàn)右偏分布。②Hg元素在該區(qū)域存在明顯的分布中心，含量由中心向周邊遞減；As和Cr元素在該區(qū)域不存在中心分布特征。③Hg元素分布存在安全和輕污染2個(gè)等級(jí)，藥惠鄉(xiāng)大部分區(qū)域和張卜鎮(zhèn)小部分區(qū)域存在輕污染；As元素分布存在安全和輕污染2個(gè)等級(jí)，藥惠鄉(xiāng)部分區(qū)域和張卜鎮(zhèn)大部分區(qū)域?yàn)榘踩珷顟B(tài)；Cd元素分布存在安全、輕污染和中污染3個(gè)等級(jí)，藥惠鄉(xiāng)、鹿苑鎮(zhèn)部分地區(qū)為中污染；Cr元素分布存在安全和輕污染2個(gè)等級(jí)，除張卜鎮(zhèn)為安全狀態(tài)；Pb元素分布存在安全、輕污染和中污染3個(gè)等級(jí)，藥惠鄉(xiāng)、鹿苑鎮(zhèn)部分地區(qū)為中污染，張卜鎮(zhèn)西部為安全狀態(tài)。同時(shí)Hg、Cd、Pb的分布特征較相似，在藥惠鄉(xiāng)部分區(qū)域均存在較重污染。④Hg與As存在中度負(fù)相關(guān)，與Cd、Cr存在中度正相關(guān)，與Pb存在弱正相關(guān)性；As與Cd、Cr均存在弱負(fù)相關(guān)性；Cd與Cr存在弱正相關(guān)，與Pb均存在強(qiáng)正相關(guān)性；Cr與Pb存在中度正相關(guān)。說明高陵區(qū)土壤存在重金屬污染且問題較為突出，應(yīng)加強(qiáng)污染治理。

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