第 37 卷第 2 期 2021 年 4 月V ol.37，No.2 Apr .，
2021
李传章
（广西壮族自治区 生态环境监测中心，南宁 530028） 摘 要：为全面了解广西金城江区水田土壤重金属污染特征和生态风险状况，通过实地调查采样及土壤重金属含量分析，对金城江区水田土壤中8种重金属Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni进行了污染程度分析和生态风险评价，采用ArcGIS克里格插值法进行了空间分析，并结合相关分析和主成分分析对水田
土壤中重金属来源进行了探讨。结果表明，金城江区水田土壤重金属总体污染严重，98.04％的水田土壤点位超标，除Cr无超标外，Cd、Hg、As、Zn、Cu、Ni、Pb的超标率依次为97.06％、40.20％、14.71％、6.86％、3.92％、3.92％、2.94％，其中Cd和Hg超标率远远超过全国和广西水平，是金城江区水田主要的污染元素。金城江区水田土壤总体呈现“中度”生态风险，其中Cd对生态风险贡献率达到69.07％；长老乡北部和河池市周边存在高生态风险。多元地统计分析表明，水田土壤中Cr、Cu、Ni主要受成土母质和成土过程控制，Cd、Hg、As、Pb、Zn含量受人类活动的影响显著，矿业活动排放的废渣废水等可能是Cd、As、Pb、Zn的主要污染来源，而工矿业废气的排放是Hg污染的主要来源。
关键词：重金属；污染；生态风险；空间分布；来源
中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：1004-9444（2021）02-0051-08
一、前言
耕地是人类赖以生存的基本资源和条件。近年来，随着工业发展、化肥农药使用、矿山开采等人类活动的增强，我国耕地土壤重金属污染问题日益突出[1-3]。据报道，中国每年因重金属污染导致的粮食减产超过1000万吨，被重金属污染的粮食多达1200万吨，合计经济损失至少200亿元[4]。根据2014年环境保护部和国土资源部发布《全国土壤污染状况调查公报》显示，耕地土壤环境质量堪忧，目前全
国近1/5耕地主要受到重金属污染[5]。许多研究表明，耕地重金属主要来源于污水灌溉、污泥施用、采矿、冶炼等人类活动[6-8]。重金属一旦进入耕地土壤，将很难自然降解[9]，不仅直接影响耕地质量、农产品安全和农业经济发展，而且通过食物链威胁着人体健康[10-12]。因此，耕地土壤污染状况详细调查对摸清土壤污染状况和实现农业安全生产显得非常重要和必要。
金城江区喀斯特地貌广布，耕地面积为231.55 km2，约占全县总面积的10％，人地矛盾突出，是生态环境较差，资源环境保护与社会经济发展矛盾比较突出的地区。金城江区位于我国有金属之乡河池市，在长期的矿山开采、冶炼、加工以及工业化进程中，导致土壤重金属污染严重[13]。虽然对该区域土壤重金属污染进行了一些调查，但这些研究仅仅局限于一个或者几个矿区周边[14-16]，至今尚未见到针对金城江全县土壤重金属污染状况调查和评价的研究。
水田是金城江区的主要土地利用类型之一，关系到当地的食品安全问题，因此，本研究对广西金城江区水田土壤8种重金属污染进行较全面的调查，通过掌握水田土壤重金属的污染状况和环境风险等级，以期为水田土壤污染的有效防控和农作物的安全生产提供科学依据。
二、材料与方法
（一）研究区概况
金城江区位于广西西北部，是河池市唯一的市辖区，经纬度范围为24°22′－24°55′N, 107°33′-108°13′E，土地总面积2340km2，耕地面积231.55 k m2。稻谷是该区域主要的粮食作物，年产量为42101t，占粮食总产量的57％[17]。金城江区属于亚热带
收稿日期：2021-04-09
基金项目：广西科学研究与技术开发计划项目（桂科转14125001-2-1）。
作者简介：李传章（1985-），男，山东泰安人，高级工程师，博士，主要从事土壤环境质量监测与评价研究。
德州学院地理科学专业2008届毕业生。
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季风气候，年平均气温20.4℃，年降水量为1470mm，日照充足，气候温和，雨量充沛。系云贵高原余脉地带，地势自西北向东南倾斜，一般海拔为400－600m，最高海拔为1114m，图1为金城江区高程分布情况。主要土壤类型为红壤、石灰土和水稻土。金城江区境内有大小河流32条，主要的河流有龙江、刁江、环江等。金城江区以及上游的南丹县和环江县集中了大量的有金属矿采选业、有金属冶炼及压延加工业、化学原料及化学制品制造业、电镀等重金属污染排放企业，给该地区土壤带来
重金属污染，其中南丹县占51.3％，金城江区占24.0％，环江县占14.9％，调查的金城江区及其周边涉重企业的分布情况如图1。
图1 研究区高程和涉重企业分布图
（二）样品采集与分析
根据金城江区水田的分布，兼顾样点的空间分布和交通条件等因素，在全县随机布设了102个样点，采集0-20cm表层土壤样品（图2）。所有样品点尽可能远离受人为活动直接影响地区，如公路、铁路、居民点和工业区等。每个样点用木铲按照对角线法采集10m×10m内的五个样点的混合样，并用GPS确定土壤样点的地理位置。去除石块植物根系和凋落物混匀后，用四分法保留大约1kg土样。所有土壤样品自然风干后过2mm，部分样品过100目筛后储存于样品袋待测。
土壤p H用电极法测定，水土比为2.5：1。土壤样品采用H N O3-H C l-H F消解体系进行微波消解(USEPA200.8-1994)后，用电感耦合等离子体质谱法测定重金属Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb的含量（ICP-MS：Agilent，7700e，USA）。重金属As和Hg采用HNO3-HCl 消解(GB/T 22105.2，2008)后，用原子荧光光谱法测定(Titan AFS-8330，China)。每批样品消解时添加2个土壤成分分析标准物质和空白作分析质量控制，测定偏差控制在±10％以内，选10％的样品做重复测试，相对误差在±5％以内。
图2 研究区采样点图
（三）评价方法
土壤重金属污染状况评价采用单因子指数法和内梅罗综合污染指数法[18-19]。生态风险评价采用Hakanson 潜在生态风险指数[20-22]。评价标准均采用土壤环境质量标准（GB15618-1995）中II类标准的临界值。
（1）单项污染指数法[18-19]。计算公式为：
P i=C i/S i
农业劳动生产率式中：P i为样品中污染物i的单项污染指数；C i为重金属i的实测含量，mg/kg；S i为重金属i的评价标准，mg/kg。
根据P i的大小，将土壤污染程度划分为五级：P i≤1，无污染；1＜P i≤2，轻微污染；2＜P i≤3，轻度污染；3＜P i≤5，中度污染；P i＞5，重度污染[18-19]。
（2）内梅罗综合污染指数法[18-19]。计算公式为：
式中：P N为土壤综合污染指数；(P i)mean为土壤中各污染物的指数平均值；(P i)max为土壤中单项污染物的最大污染指数。
根据P N的大小，将土壤污染程度划分为五级：P N≤0.7，清洁（安全）；0.7＜P N≤1.0，尚清洁（警戒限）；1＜P N≤2.0，轻度污染；2＜P N≤3.0，中度污染；P N＞3，重度污染[18-19]。
（3）潜在生态风险指数[20-22]。计算公式为：
南方医科大学学报式中：
橙书包公益项目
RI为土壤中多种重金属的综合生态风险指
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数；E r i为土壤中第i种重金属元素的潜在生态风险系数；C f i为重金属i的富集系数；C s i为重金属i的实测含量；C n i为重金属i的评价标准；T r i为重金属i的毒性响应系数，参照Hakanson提出的参考值，Pb=Ni=Cu=5；Cd=30；Cr=2；Zn=1；Hg=40；As=10[20]。
根据E r i的大小，将单项污染物潜在生态风险程度划分为五级：E r i<40，轻微；40≤E r i<80，中等；80≤E r i<160，强；160≤E r i<320，很强；E r i≥320，极强。根据R I的大小，将综合生态风险程度划分为四级：R I<150，轻微；150≤R I<300，中等；300≤RI<600，强；RI≥600，很强[23-24]。
（四）数据统计分析
运用SPSS17.0和Excel2010进行统计分析处理．采用ArcGIS10.0软件进行克里格插值和空间分析。
三、结果与分析
（一）水田土壤重金属污染评价
对金城江区102个水田土壤样品分析表明（表1）：金城江区水田土壤pH在4.47-8.00之间，在102个土壤样品中，只有13个点位呈现微碱性，其余点位pH 均呈中性或酸性，变异系数为15.04％，平均值为6.17，总体呈微酸性。8种重金属含量的大小顺序为：Zn>Pb>Cr>Cu>Ni>As> Cd>Hg。与当地背景值相比，Cd、Pb、Hg、Zn、Cu、As这6种元素的平均含量均高于自然背景水平，分别是广西土壤背景值[25]的5.81、3.10、2.30、2.05、1.10和1.09倍，呈现高累积状况；同时Cd、Pb、Hg、Zn、As这5种重金属的数学统计结果中变异系数、偏度和峰度均偏大，表示变化幅度大，表明这些元素可能受人类活动强烈干预的影响，导致局部微量元素含量增高，增大含量分布的空间差异。
经上述统计，发现Cd、Hg、Pb、Zn、As和Cu已在表层土壤中有不同程度富集。为合理规划农业生产结构，保障土壤资源可持续利用，以国家《土壤环境质量标准》（GB15618-1995）二级标准作为耕地土壤质量参比值，采用单因子污染指数和内梅罗综合污染指数法，对8种重金属污染现状进行评价，结果见表2和表3。
由表2可知，单因子指数法得到8种重金属元素污染程度大小为：Cd>Hg>As>Zn>Ni>Cu>Pb>Cr。其中Cd超标最为严重，有97.06％的土壤样本超标，平均超标4.50倍，达到中度污染，是金城江区水田土壤的主要污染元素；其次是Hg，有40.20％的土壤样本超标，平均超标1.17倍，达到轻微污染水平；其他5种重金属As、Zn、Ni、Cu、Pb的超标率依次为14.71％、6.86％、3.92％、3.92％、2.94％。
表1 土壤重金属含量统计特征（mg/kg）
元素含量Concentration
标准差S.D.变异系数偏度
Skewness
峰度
Kurtosis
K-S检验
P K-S
背景值[25]
Elemen极小值Min极大值Max均值Mean C.V. (％)Background value pH 4.47 8.00 6.17 0.9315.040.598-0.7050.064
Cr12.22 176.48 67.40 29.1243.21 1.351 2.3370.032 82.1
Ni7.67 56.39 24.91 9.7639.190.7720.8010.526 30.3
Cu10.83 60.81 30.70 10.8435.310.414-0.0950.961 27.8
Zn35.15 1832.13 155.26 239.57154.31 5.63533.7230.000 75.6
As0.15 425.56 22.52 47.72211.92 6.80253.2250.000 20.5
Cd0.29 11.37 1.55 1.73111.69 3.89117.8070.000 0.267
Pb0.39 1669.73 74.28 173.37233.428.10372.8730.000 24
Hg0.05 3.00 0.35 0.38109.63 4.51225.8180.000 0.152
表2 水田土壤单项污染指数和评价等级
元素Elements
单项污染指数（P i）样品污染指数的分级(％)
极小值极大值均值P i≤11< P i≤22< P i≤33< P i≤5P i>5 Minimum Maximum Mean无污染轻微污染轻度污染中度污染重度污染
Cr0.05 0.71 0.25 100.00 0.00 0.00 0.00 0.00 Ni0.19 1.41 0.56 96.08 3.92 0.00 0.00 0.00 Cu0.11 1.22 0.52 96.08 3.92 0.00 0.00 0.00 Zn0.15 9.16 0.70 93.14 2.94 0.98 0.98 1.96 As0.01 14.19 0.84 85.29 7.84 2.94 1.96 1.96 Cd0.92 35.51 4.50 2.94 18.63 21.57 31.37 25.49 Pb0.00 6.68 0.28 97.06 0.98 0.98 0.00 0.98 Hg0.18 10.00 1.17 59.80 29.41 3.92 4.90 1.96 李传章：广西金城江区水田土壤重金属污染及空间分布特征研究
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从表3的内梅罗综合污染指数可见，91.18％的样品的内梅罗综合污染指数大于1，其中28.43％属于轻度污染，26.47％属于中度污染，36.28％属于重污染。金城江区水田土壤重金属的平均内梅罗综合污染指数为3.35，达到重度污染水平。
表3 土壤内梅罗综合污染指数和评价等级
内梅罗污染指数（P N）样品内梅罗污染指数的分级(％)
极小值极大值均值P N≤0.70.7<P N≤11<P N≤22<P N≤3P N>3 Minimum Maximum Mean安全警戒线轻污染中污染重污染0.7125.64 3.350.008.8228.4326.4736.28
（二）土壤重金属污染空间分布
由于土壤是一个不均匀、具有高度空间变异性的混合体，因此采集的土壤样本不能代表整个区域土壤，只能代表样本点本身的土壤质量状况。而利用ArcGIS软件结合Kriging插值法可以直观地了解研究区重金属污染和生态风险的空间分布。
如图3所示，Cd是金城江区水田土壤污染最严重和污染面积最广的元素。金城江区全境受到了Cd不同程度的污染，在长老乡和河池市周边出现了重度污染，特别是在长老乡水田土壤Cd含量出现最大值(11.37mg/kg)；此外，除在宝平乡、侧岭乡、白土乡的少部分区域表现为轻微污染和轻度污染外，其
余大部分区域呈现中度污染。Hg是金城江区水田土壤重金属污染面积第二大的元素，表现出区域性污染特征，从侧岭乡到五圩镇一线东侧呈现出一条明显的污染带，大部分表现为轻微污染，在五圩镇东侧出现轻度和中度污染；此外，在长老乡和九圩镇部分地区出现轻微污染。土壤As的污染主要分布在长老乡、五圩镇和侧岭乡等乡镇部分地区，其中长老乡北部呈现中度、重度污染。土壤Zn和Pb只有在金城江区长老乡等局部地区呈现不同程度污染。Cr、Ni和Cu元素没有出现区域污染情况，总体属于清洁水平。
图3 土壤不同重金属污染分布
图4为金城江区水田土壤重金属综合污染空间分布。全县水田土壤基本上都被重金属污染，只是在不同区域的污染程度不同。除宝平乡呈现轻度污染外，其余地区均呈现中度、重度污染。其中，重度污染出现在长老乡和河池市及周边乡镇。不过，由于内梅罗综合指数过分突出污染指数最大的污染物对环境质量的影响和作用，即突出以污染程度最为严重的重金属，使其对环境质量评价的灵敏性不够高，造成Cd在综合污染指数中占据了很大的比重，并没有完全反映污染特征，在一定程度上增加了重度污染范围。
图4 土壤重金属综合污染分布图
（三）土壤重金属生态风险评价
由表4结果所示，金城江区水田土壤C d属于“强”风险等级，Hg属于“中等”生态风险，其余元素均呈现“轻微”风险。按照各元素平均E r i大小排序为Cd>Hg>As>Ni>Cu>Pb>Zn>Cr。在102个点位中，Cd仅有9.80％的土样生态风险处于轻微水平，而27.45％的土样处于中等生态风险，39.22％的土样处于强生态风险，18.63％的土样处于很强生态风险，5.88％的土样处于极强生态风险；Hg有60.78％土样处于轻微生态风险，29.41％的土样处于中等生态风险，7.84％的土样处于强生态风险，1.96％的土样处于很强生态风险，0.98％的土样处于极强生态风险；As有96.08％的土样处于轻微生态风险，仅有2.94％的土样处于中等生态风险；而Cr、Ni、Cu、Zn和Pb这5种元素的环境风险指数E r i
均低于40，呈轻微生态风险。
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如表5所示，在102份土样中，仅48.04％的土样处于轻微生态风险，而41.18％的土样处于中等生态风险，6.86％的土样处于强生态风险，3.92％的土样处于很强生态风险。全县土壤重金属污染潜在生态风险指数(RI)为198.25，达到“中等”风险水平，其中Cd的贡献率达到69.07％，Hg的贡献率为21.77％，是构成生态风险最主要的污染元素。
利用ArcGIS软件结合Kriging插值法做出潜在生态风险指数分布图如图5所示，与内梅罗综合污染指数评价结果类似，“强”生态风险区主要分布在长老乡北部。金城江区一半多区域呈现“中等”生态风险，除保平乡外其他乡镇基本都有分布。内梅罗综合指数法的计算公式中含有评价参数中最大的单项污染分指数，突出高污染重金属对土壤质量的影响，金城江区Cd污染最为严重，而在潜在生态风险评价中Cd的毒性系数较高，因而潜在生态风险分布和综合污染分布一致。
图5 土壤重金属生态风险分布
（四）相关分析和主成分分析
在线监测装置
相关分析和主成分分析能够很好地辨别土壤重金属污染来源[26-28]。由表6可以看出，Cu、Zn、As、
Cd、Pb和Cr、Ni、Cu两组元素均呈现两两极显著正相关关系，表明这些元素存在同源可能。而Hg是一个独立元素，与其他元素相关性较低，表明Hg的来源与累积具有特殊性。
注：**表示P<0.01；*表示P<0.05
由表7是主成分分析的结果可以看出，金城江水田重金属含量信息可以归因于三个主成分，并反映了80.8％的数据信息。第一主成分贡献率为42.0％，Zn、As、Cd、Pb元素具有很高的正载荷；第二主成分贡献率25.5％，Cr、Ni、Cu元素有很高的正载荷；第三主成分贡献率为13.3％，仅反映了Hg含量的分布特征。
表4 潜在生态危害系数及评价等级
元素Elements
潜在生态危害系数（E r i）潜在生态危害系数的分级(％)
极小值极大值均值E r i<4040≤E r i<8080≤E r i<160160≤E r i320E r i≥320 Minimum Maximum Mean轻微中等强很强极强
Cr0.10 1.41 0.50 100.00 0.00 0.00 0.00 0.00 Ni0.96 7.05 2.82 100.000.000.00 0.00 0.00 Cu0.54
6.08 2.59 100.000.000.00 0.00 0.00 Zn0.15 9.16 0.70 100.000.000.000.000.00 As0.05 141.85 8.4096.08 2.940.980.000.00 Cd27.52 1065.31 135.099.8027.4539.2218.63 5.88 Pb0.01 33.39 1.38 100.000.000.000.00 0.00 Hg7.07 400.00 46.7860.7829.41 7.84 1.960.98
别笑 我是高考零分作文表 5 潜在生态危害指数及评价等级
RI潜在生态危害指数的分级(％)
极小值极大值均值RI<150150≤RI<300300≤RI<600RI≥600 Minimum Maximum Mean轻微中等强很强
46.141240.25198.2548.0441.18 6.86
美国雨鸟
3.92
表6 土壤重金属元素相关分析
元素
Elemen Cr Ni Cu Zn As Cd Pb Hg
Cr 1.000 *****
Ni0.478** 1.000***********
Cu0.347**0.632** 1.000 ********
Zn0.0430.542**0.466** 1.000 ******
As0.0560.345**0.414**0.724** 1.000 ****
Cd0.206*0.571**0.538**0.893**0.622** 1.000 **
Pb0.0210.221*0.390**0.646**0.941**0.592** 1.000
Hg0.0510.284**0.0600.0910.1490.0830.075 1.000李传章：广西金城江区水田土壤重金属污染及空间分布特征研究
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