吴明鑫 马 杰，2 王森森 郑华峰 常健平

1.宿州学院资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000

2.安徽省矿井水资源化利用重点实验室，安徽 宿州 234000

水利工程在水资源规划、利用、控制和调配等方面的作用极大，小区域生态环境（气候、水文和地质等）受其影响较为显著。农业水利工程作为农业现代化的基础工程，其功能涵盖了饮水、灌溉、抗旱排涝等，在规避自然灾害影响、实现农业可持续发展等方面有着重要作用。 随着农业水利工程流域内溶（搬）运物质的迁移、阻隔和沉淀等效应，可造成重金属、营养盐和有机污染的富集现象。

当前，国内外对重金属含量特征、污染评价等开展大量的研究工作。重金属能够以离子形态存在于植物、动物体内，以结合态附于土壤，通过雨水、地理变迁、空气尘埃等环境因素进行转移[1]。空气，土壤和水中的成分能够相互交换，空气和水资源受到重金属污染，必然会影响土壤的重金属含量，被污染的地方极难恢复，需要耗费大量的人力、物力和财力，部分被污染的地方甚至无法恢复如初[2]。 工业化的兴起，致使大量重金属及其化合物与地表颗粒反应，使得它们能够悬浮于空气中，形成细小颗粒物，造成空气污染[3]。空气中的重金属污染颗粒沉降于地表污染土壤，雨水结合细小颗粒物污染大川、河流[4]。目前，对大气、农作物、河流底泥等重金属污染研究较为丰硕，而关于水利区内农田土壤重金属污染的研究成果较少。本文选择了皖北地区宿州市内的水利功能区为例，如图1 通过野外踏勘、系统采集，利用多元统计分析、单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法和综合潜在生态危害指数法，对研究区内的重金属进行含量特征分析、污染评价及来源解析，为研究区内土壤重金属污染防治和区域的生态恢复提供基础参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域

研究区位于宿州市水利区新汴河，年平均降水量857.1 mm，冬季干旱少雨，夏季多雨。年平均气温14.4℃，最高气温38.1℃，最低气温-23.2℃，无霜期210 天。

图1 研究区域采样点图

1.2 样品采集与处理

按照系统采样的原则，选择具有一定代表性的研究范围，每隔100m 设置一个采样点，每个采样点采集土壤一份。采样时，采集5～15cm 深、表层土壤，用竹子去除石块和植物，每份土样重约1000g，共采集样品55份。室内样品处理：①将样品置于实验室晾干，手动去除植物根系等杂物，进而研磨成粉，并存放于2 号聚乙烯密封袋中。②采用四分法对样品进行分样、称重，并使用手动粉末压片机压片。③利用X-ray 荧光光谱，分析测试各样品中的Cu、Zn、Co、Ni、Cr、Pb 6 种重金属元素的含量（以GBW07430 作为标准物质）。

1.3 数据处理

利用SPSS24.0 软件对样品进行描述性统计分析（标准差、平均值和变异系数等）。利用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法和综合潜在生态危害指数法对6 种重金属进行污染评价。 结合相关性分析、因子分析和聚类分析，综合解析研究区内的土壤重金属污染来源。

1.4 土壤质量评价标准

参照国家《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）二级评价标准，本文采用的土壤污染评价方法包括单因子污染指数、内梅罗综合污染指数和综合潜在生态危害指数[5]。

目前，单因子污染指数是当前国内外进行综合污染指数计算的最常用的方法之一，但只能反映各个重金属元素的污染程度，不能全面地反映土壤的污染状况，而综合指数法兼顾了单因子指数法，可以突出污染较重的污染物[6]。内梅罗综合污染指数重点考虑了污染最严重的因子，且在加权过程中避免了权系数中主观因素的影响，是目前应用较多的一种环境质量评价方法。

综合潜在生态危害指数法不仅考虑了重金属含量污染状况等方面，而且结合重金属的性质及其特点，是一种从沉积学角度将重金属含量、生态效应、环境效应和毒理学联系在一起进行评价的方法[7]。相比较于前两种方法，综合潜在生态危害指数法结合的因素更多，考虑的情况更复杂，评价结果更可信。

2 结果与讨论

2.1 土壤重金属含量统计分析

土壤重金属含量统计结果见表1。变异系数可说明土壤元素变异性的增强与减弱及重金属元素的累计情况[8]。研究区内铬、钴、镍、铜、锌和铅的变异系数均不大，各元素受外部干扰不大，对周围农作物及环境影响有限。

Cr、Co、Ni、Cu、Zn 和Pb的平均含量分别为44.60 mg/kg、10.62 mg/kg、22.65 mg/kg、20.36 mg/kg、53.59 mg/kg和23.51mg/kg。 除部分采样点中的Ni、Cu 含量高于安徽省土壤背景值外[9]，其他采样点的重金属含量均低于背景值。整体上说明，研究区的土壤重金属处于低污染状态，其余金属均未污染。

表1 土壤重金属含量统计（mg/kg）

2.2 污染评价

2.2.1 单因子指数

由表2 可知，重金属Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Pb 的单因子污染指数范围为0.53～0.83；0.59～0.89；0.24～1.38；0.35～1.12；0.40～0.66 和0.35～0.41。 依据平均值，污染程度依次为Ni＞ Co ＞ Cr ＞Cu ＞ Zn＞Pb。基于单因子污染指数的最大值进行评价，说明Ni、Cu 处于局部轻污染状态，其他重金属目前均处于安全状态。

表2 单因子污染指数实测数值

2.2.2 内梅罗综合污染指数

由表3 可知，Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Pb 的综合污染指数分别为0.75、0.84、1.13、1.28、0.60、0.40，污染程度依次为Cu＞ Ni＞ Co＞Cr＞ Zn＞Pb。其中，土壤中Ni、Cu含量局部偏高，Cr、Co 达到警戒线，Zn、Pb 处于安全状态。总体来说，Ni、Cu 含量略高，土壤受到轻度污染。

表3 内梅罗综合污染指数实测值

2.2.3 综合潜在生态危害指数

重金属Cr、Co、Ni、Cu、Zn 和Pb 的潜在生态危害指数如表4，各重金属的单项潜在生态危害指数波动范围分别为1.06～1.67、2.45～3.70、1.09～6.35、2.76～8.74、0.65～1.06、4.04～4.72。 综合潜在生态危害指数波动范围为13.10～23.70，平均为18.70。重金属Cr、Co、Ni、Cu、Zn 和Pb 均处于生态危害低风险程度。

表4 潜在生态危害指数

2.3 来源分析

2.3.1 相关性分析

相关性分析是研究重金属来源的一种重要手段。相关系数越大，说明元素之间的相关性越紧密，即污染来源可能相同或相近，污染程度也类似[10]。由表5 分析可得，Pb与Zn、Co、Cr，以及Cu 和Ni 存在显著相关性（P＜0.01），Pb 与Zn、Co、Cr 相关系数分别为0.65、0.52、0.55，Cu和Ni 相关系数为0.53。结果表明：Pb、Zn、Co 和Cr 来源于同一种污染源，而Cu 和Ni 则来源于另一种污染源。

表5 土壤重金属含量相关性分析

2.3.2 因子分析

因子分析中共提取两个特征值＞1 的主成分如表6所示[11]，总解释率达到70.458%。主成分1 表明，Cr、Co、Zn、Pb 正载荷较高，分别为0.785、0.787、0.798和0.849，说明这四种元素具有同源性。主成分2 中的Ni、Cu 具有较高的正载荷，分别为0.890 和0.848，说明这两种元素具有同源性。

表6 重金属元素主成分分析

2.3.3 聚类分析结果

聚类分析可识别元素之间的来源相似性，以及反映各元素之间的远近程度[12]。如图2 所示为本次所采土样的各重金属之间的聚类分析图，六种元素可以分为两个聚类，即Zn、Pb、Co、Cr 聚为一类，Cu、Ni聚为一类，与相关性分析和因子分析结论一致。聚类图上的标定的距离，反映了组间元素的关联程度，距离越小，关联越密切显著，距离越大，关联程度越低[13]。Zn、Pb、Co、Cr 四种元素距离较近，关联显著，Cu 和Ni距离较近，关联显著。

图2 土壤重金属元素的聚类分析图

经现场实地踏勘，结合相关性分析、因子分析和聚类分析结果表明，主成分1 的污染源可能来自于工厂和交通运输[14]，而主成分2 的污染源可能与农业活动和土壤母质有关[15]。

3 结论

通过对55 个水利区土壤样品中的六种重金属元素的含量特征分析、风险评价和来源分析，得出如下结论。

（1）宿州市水利区表层土壤重金属Cr、Co、Ni、Cu、Zn 和Pb 的平均含量分别为44.60 mg / kg、10.62 mg / kg、22.65 mg / kg、20.36 mg / kg、53.59 mg / kg 和23.51 mg / kg。

（2）结合单因子污染评价、内梅罗综合污染评价和综合潜在生态危害指数评价研究区内的Ni、Cu 为局部轻污染，Cr、Co 接近警戒线，Zn、Pb 仍处于安全状态。

（3）通过相关性分析、因子分析和聚类分综合分析表明，Cu、Ni 来源于农业活动和土壤母质，Zn、Pb、Co、Cr 来源于工业和交通运输。