基于PCA和ArcGIS的县域土壤重金属生态风险评估及来源解析

2022-11-19冉争艳

农业灾害研究 2022年10期

冉争艳

铜仁市生态环境局，贵州铜仁 565300

思南县作为典型的农业及矿产资源大县，目前关于农用地土壤重金属含量水平和污染状况的文献资料十分有限。因此，拟采用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法、潜在生态风险评价法、相关性分析—PCA主成分分析法和GIS技术，研究了思南县农用地土壤重金属污染特征、空间分布及污染来源，以期为思南县农用地土壤重金属污染防控和生态风险提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

思南县（107°52′E～108°28′E，27°32′N～28°10′N）位于贵州省铜仁市西部，据《思南县2021国民经济和社会发展统计公报》统计，2021年思南县总耕作面积1 434.74 km2，占总国土面积的64.32%，较2020年同比增长23.3%，属于典型的农业大县[1]。全县有出露面积达10 km2的喀斯特石林，被自然资源部命名为“国土资源科普示范基地”和“乌江喀斯特国家地质公园”。思南县境内矿产资源丰富，拥有煤矿、汞矿、砷矿、铁矿、重晶石矿等多种矿产。拟研究的土壤样品分布于思南县的28个乡镇（街道），共计65个。

1.2 样品采集与分析测试

采用随机布点法对耕作层土壤进行样品采集，在每个采样点，将各分点0～20 cm的耕作层土壤混合均匀后，采用四分法取1.0 kg土样装入样品袋。自然风干后除去砂石、植物根系等杂物，样品过20目尼龙筛粗磨后分为2份保存；并将其中一份细磨，直到全部样品过100目尼龙筛为止，保存用于土壤重金属元素全量分析[2]。

称量土壤粗磨样品10.0 g，参照HJ 962—2018土壤 pH值的测定电位法，以水为提取剂，水土比为2.5∶1测定土壤样品中的pH值；土壤样品中Cd、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn元素含量的测定；用电子天平准确称量0.1 g（精确至0.000 1 g）细磨样品于10 mL聚四氟乙烯消解罐中，加入3 mL HNO3（优级纯）和1 mL HF（优级纯），摇匀后密封置于不锈钢外套内，拧紧后置于烘箱内（185±5）℃消解36 h，冷却后将消解罐取出放置于电热板上（120±5）℃进行赶酸，待液体呈豆粒大小黏稠状，加入0.5 mL HNO3放置于电热板上溶解，冷却后转移至比色管内，加水定容至刻度线，摇匀后取上清液用于电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定。土壤样品中的Hg、As元素含量参照HJ 680—2013 土壤和沉积物汞、砷、硒、铋、锑的测定微波消解/原子荧光法测定，称量土壤细磨样品0.5 g（精确至0.000 1 g）置于聚四氟乙烯罐中，加入少量去离子水润湿后，依次加入6 mL HL、2 mL HNO3，密封后放入微波消解仪中，消解完毕后将溶液过滤收集在50 mL比色管中用去离子水定容至刻度，使用原子荧光光度计进行测定。整个实验过程中，采用空白和一级标准物质（GSS-4）进行质量控制，样品中重金属Cd、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn的加标回收率为95%～110%，As和Hg的加标回收率为90%～108%。同时每6个样品进行重复样测定，相对偏差在10%以内。

1.3 评价方法

1.3.1 土壤环境质量评价方法（1）单因子指数法。单因子指数法是土壤环境质量评价最基础的方法，单因子指数是土壤重金属污染物实际测量浓度与农用地土壤风险管控标准（GB 15618—2018）中风险筛选值的比值[3]。公式如下：

式（1）中：Pi为土壤中重金属污染物i的单因子指数；Ci为重金属污染物i的实际测量浓度，单位为mg/kg；Si为农用地土壤污染风险管控标准（GB 15618—2018）中不同pH值下的风险筛选值，单位为mg/kg。

（2）内梅罗综合污染指数法。内梅罗综合污染指数是由单因子污染指数得出的一种综合性污染指数，该方法考虑了单种重金属元素污染指数的平均值和最大值，综合表征了多种重金属污染元素对土壤的污染程度，同时也突出了高浓度污染元素对土壤环境质量的影响[4]。计算公式如下：

式（2）中：P综合为内梅罗综合污染指数；Pmax为最大单因子污染指数；Pave为单因子污染指数的均值。

1.3.2 潜在生态风险指数法土壤环境潜在生态风险的评估中，其计算公式为：式（3）中，RI为重金属综合潜在生态风险指数为单个重金属潜在生态危害指数；i为第i种金属为重金属污染物实际测量浓度，单位为mg/kg；为参考值，以贵州省A层土壤背景值为参考，单位为mg/kg为毒性响应系数，Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni和Zn的毒性响应系数分别为 30、40、10、5、2、5、5和1。

1.4 数据处理

数据用Excel 2003软件进行整理，PCA主成分分析用SPSS软件完成，相关性分析热图和柱状图用Origin 2021软件绘制，采样图及重金属含量空间分布图用ArcGIS 10.4软件绘制。

2 结果与分析

2.1 土壤pH值及重金属含量分析

65个土壤样品中，pH值范围为4.939～8.305，平均值为6.82，整体偏弱酸性。Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni和Zn的平均含量分别为0.67、0.26、24.98、50.68、102.77、32.86、39.68和108.01 mg/kg。对比贵州省A层土壤背景值可知，Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni和Zn的平均含量分别是贵州省A层土壤背景值的1.02、2.36、1.25、1.44、1.07、1.03、1.01和1.09倍，超背景值的幅度分别为36.92%、89.23%、56.92%、83.07%、56.92%、29.23%、41.53%和60.00%，说明土壤中重金属含量已经受到了人类活动的影响，出现了不同程度的累积，其中Hg元素的累积程度最高，是背景值的2.36倍。

2.2 土壤重金属生态风险评价

根据单因子指数评价结果显示，思南县土壤重金属元素Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn的平均污染指数分别为1.89、0.12、0.83、0.45、0.54、0.39、0.40、0.50，其中Cd、As、Pb、Cu、Ni均有超标，超标率分别为87.69%、33.85%、7.69%、3.07%、1.54%。Cd的轻微污染、轻度污染、中度污染、重度污染点位分别有36、15、5、1个，是思南县农用地土壤的主要污染元素；As的轻微污染、轻度污染点位分别有19、3；Pb、Cu和Ni只有轻微污染，分别有5、2、1个；Hg、Cr、Zn为无污染。土壤中重金属的内梅罗综合污染指数范围为0.44～5.07，平均值为1.45，其中安全、警戒线、轻度污染、中度污染和重度污染的点位分别有4、7、46、5、3个，分别占6.15%、10.77%、70.77%、7.69%、4.62%，大部分点位处于轻度污染程度。

应用潜在生态危害指数法对思南县农用地土壤重金属进行潜在生态风险评价，结果显示，Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn的潜在生态风险指数均值都低于40，属于轻度风险等级；但Cd的潜在生态的风险指数范围为11.55～212.3，平均值为56.56，其中有87.69%的点位潜在生态风险指数低于40，属于轻度风险等级；10.77%的点位潜在生态风险指数在80～160，属于较强风险等级；1.54%的点位潜在生态风险指数在160～320之间，属于较强生态风险等级；Cd是思南县土壤重金属中潜在生态风险程度最高的元素。土壤中重金属综合生态风险指数范围为21.93～231.94，平均值为77.3，其中95.48%的点位处于轻度风险等级，但仍有4.52%点位综合生态风险值属于中度风险等级；分布在思南县东北部，西部局部地区及东南局部地区，仍需做好土壤重金属污染防治措施。

2.3 土壤中重金属元素指标来源分析

2.3.1 相关性分析重金属元素之间的相关性程度可以反映出重金属的来源或者元素污染程度的相似性[5]。研究利用Origin软件对土壤重金属含量进行相关性分析并作图（图1），土壤中的pH值与As呈正相关，说明土壤酸性越强，土壤对As的吸附作用就越强。Hg与As、Hg与Pb、As与Pb之间在0.001级别（双尾）上两两之间呈显著正相关关系，Pb与Zn之间呈显著正相关关系，Cr与Cu、Cr与Ni、Cu与Ni在0.001级别（双尾）上两两之间呈显著正相关关系，Cr与Cd在0.001级别（双尾）之间呈正相关关系，这表明它们具有相似的来源或者释放模式。

图1 研究区土壤各指标相关性图

2.3.2 基于ArcGIS的PCA主成分分析主成分分析（PCA）是基于主变量和次变量之间的相互关系进行矢量估计，可以用于判定土壤中元素的来源。利用ArcGIS软件中的空间插值手段能够更好地表征重金属元素之间以及重金属与经济社会发展之间的联系性。由表1可知，主成分分析结果表明：8种重金属的来源信息基本可以由3个主成分表示，3个主成分因子解释了总变量的76.21%，说明前3个因子能够反映全部数据的大部分信息。