全 文 ：某农药工业园区周边土壤重金属含量与风险评价*
石宁宁摇 丁艳锋摇 赵秀峰摇 王强盛**
(南京农业大学农业部南方作物生理生态重点开放实验室, 南京 210095)
摘摇 要摇 以苏南某农药工业园区周边 30 km2 区域为研究区,采用同心圆法采集土壤样品 183
个,分析了农药工业园区周边土壤 Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Hg 和 As 8 种重金属含量、空间变异
性、来源及潜在风险.结果表明:以自然背景值为评价标准,研究区表层土壤 Hg、Cu、Cd 和 Pb
平均含量超过自然背景值,其中 Hg 和 Cu 含量最高;以国标二级标准为评价标准,土壤 Cd、
Cr、Ni、Pb、Zn、As 6 种重金属的单项污染指数平均值均小于 1,Hg 和 Cu 分别为 1郾 59 和 1郾 05.
在农药工业园区周边土壤重金属污染较重的东南方向和西北方向,随着与园区距离的增加,
土壤 Cd、Ni、Pb、Cr、As、Hg、Zn和 Cu含量先上升、后下降、再趋于平稳. 通过分析农药工业园
区周边土壤重金属综合污染指数发现,距离园区约 200 ~ 1000 m 周边土壤污染的风险较大,
而 1000 m以外逐渐达到安全范围.利用地统计学和 GIS 相结合进行分析发现,8 种重金属污
染指数有明显的空间变异.依据相关分析与主成分分析结果推测,Zn、Ni、Cr、Pb 和 As 主要来
源于成土母质,而 Hg、Cu和 Cd主要与人类活动有关.
关键词摇 农药工业园区摇 土壤重金属摇 风险评价
文章编号摇 1001-9332(2010)07-1835-09摇 中图分类号摇 X53摇 文献标识码摇 A
Heavy metals content and pollution risk assessment of cropland soils around a pesticide in鄄
dustrial park. SHI Ning鄄ning, DING Yan鄄feng, ZHAO Xiu鄄feng, WANG Qiang鄄sheng (Ministry
of Agriculture Key Laboratory of Crop Physiology & Ecology in Southern China, Nanjing Agricultural
University, Nanjing 210095, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2010,21(7): 1835-1843.
Abstract: By the method of concentric circle distribution method, a total of 183 topsoil samples
were collected from 30鄄km2 area around a pesticide industrial park in south Jiangsu Province, with
the content and pollution index of soil Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn, Hg and As analyzed. The average
contents of Hg, Cu, Cd, and Pb in the top soils were higher than those of the natural background
values, and the contents of Hg and Cu were the highest. Taking the national standard II as the as鄄
sessment criterion, the average pollution index values of Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn, and As in the
top soils were all below 1, while those of the Hg and Cu were 1郾 59 and 1郾 05, respectively. In the
southeast and northwest to the pesticide industrial park, soil heavy metals contamination was more
serious, and, with the increasing distance to the park, the contents of soil Cd, Ni, Pb, Cr, As,
Hg, Zn, and Cu increased first and then decreased to a stable level. The comprehensive pollution
index of test metals indicated that the areas 200-1000 meter around the industrial park were of high
risk in soil heavy metals contamination, while the areas 1000 meter beyond were safety. By using
geostatistics and GIS, it was found that the pollution index of the eight heavy metals had significant
spatial variability. Based on the principal component analysis and correlation analysis, it was specu鄄
lated that the Zn, Ni, Cr, Pb, and As were mainly from soil parent materials, while the Hg, Cu,
and Cd were mainly related to human activities.
Key words: pesticide industrial park; soil heavy metal; risk assessment.
*江苏省农产品质量安全产地适宜性评价研究与应用重大项目和国
家科技支撑计划项目(2006BAD02A03)资助.
**通讯作者. E鄄mail: qswang@ njau. edu. cn
2009鄄11鄄08 收稿,2010鄄04鄄20 接受.
摇 摇 近年来,随着经济的发展以及城市化、各种工业
园区的推进,越来越多的土壤受到重金属污染.就世
界范围来看,全世界每年平均排放汞 115伊104 t、锰
1500伊104 t、铜 340伊104 t、铅 500伊104 t、镍 100伊104 t,
据估计,我国因重金属污染的耕地面积已达到 2000
伊104 hm2,约占耕地面积的 1 / 5,每年因为土壤污染
而减产粮食超过 1000 伊104 t,另外还有 1200 伊104 t
应 用 生 态 学 报摇 2010 年 7 月摇 第 21 卷摇 第 7 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jul. 2010,21(7): 1835-1843
粮食重金属超标,二者的直接经济损失达 200 多亿
元[1] .土壤重金属污染会导致重金属在植物体内积
累,并通过摄取、吸入、皮肤吸收等多种途径危害人
体健康.如过量的铅对人体多种器官均有毒害作用;
长期食用镉含量高的食品会引起人体肾脏功能紊
乱,导致死亡率上升、寿命缩短;铜和锌是人体的必
需微量元素,但摄入过量的铜可影响人体的生殖系
统、影响婴儿的免疫功能[2] . 土壤受到重金属污染
后,含重金属浓度较高的污染表土容易在风力和水
力的作用下分别进入到大气和水体中,导致大气和
地表水污染.此外,由于淋洗作用,重金属还将导致
地下水污染等生态环境问题. 因此有关工业园区周
边土壤污染及其风险评价的研究受到广泛关
注[3-6] .
在农药工业园区中,合成农药本身含有的金属、
农药合成时金属催化剂如 Hg、Cu、Pb 的使用以及废
水中金属的溶解,都将不可避免地造成土壤、水源的
重金属污染.因此,关于农药工业园区周边地区土壤
环境质量的研究以及污染评价备受人们的关注. 至
今有关农药工业园区周边土壤重金属的研究报道较
少.本研究以苏南某农药工业园区周边地区为对象,
对周边土壤重金属的含量、分布、空间变异性、来源
及风险状况进行了相关分析,旨在明确该区周边土
壤重金属污染的状况和分布特征,为工业区周边土
壤资源的管理和利用及合理进行作物生产布局与安
全农产品供给提供科学依据.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 某农药工业园区概况
某农药工业园区,成立至今有 30 多年的历史,
占地面积 15 hm2,地处长江下游的经济发达地区;
是国家农药生产定点企业,下设 3 个分厂及农药研
究所、农药中试室和原药合成车间.主要从事农药及
农药中间体的研究、开发、推广、制造、服务,是具备
生产农药、化工两大系列产品生产能力的综合农药
化工企业.在除草剂中间体、原药合成及新剂型农药
复配加工等方面具有较强优势,是国内磺酰脲类除
草剂大型生产企业.
1郾 2摇 样区设计与样品采集
在调研并确定了本研究大致目标范围的基础
上,进行实地考察;在综合考虑研究区内地貌、 土壤
等自然因素以及农药工业园区、集约农业、交通网络
等各种人为因素的基础上,确定以农药工业园区为
中心,采用同心圆法,分 7 个方向(正北、正南、正
东、西北、东北、正西、东南)由近及远呈辐射状取
样,研究区面积约 30 km2 .共采集土壤样品 183 个,
均匀地分布在该研究区域的周围农田,主要采集耕
层土壤(0 ~ 20 cm),每个取样点以 GPS 精确定位,
等间距距离约 150 m,而实际采样距离为非等间距,
故取其平均间距 200 m 进行变异函数结构分析. 每
个取样点以 5 m对角线采集 5 个点混匀,四分法取
样约 1 kg,为防止采样过程导致样品污染,采集土壤
样品时剔除与金属采样器接触的部分,放入内衬聚
乙烯塑料袋的棉布专用样品袋,带回实验室.将土壤
样品置于阴凉通风处自然风干,剔除样品中的有机
残渣、植物根系及可见侵入体,用木质工具碾碎,分
别过 10、60 和 100 目尼龙筛.
1郾 3摇 分析方法
土样的常规理化性状分析方法参照《土壤农业
化学分析方法》 [7] . 土样 pH 值的测定采用雷兹
PXS鄄215 型离子酸度计,水土比为2郾 5 颐 1;土壤重金
属采用 CEM密闭微波系统进行消解;采用等离子体
发射光谱仪( ICP鄄AES)分析样品中镉、铬、铅、铜、
锌、镍[8];采用原子荧光法分析样品中全量汞、
砷[9] .
1郾 4摇 评价方法与标准
选用江苏省土壤自然背景值[10]和《土壤环境质
量标准》(GB 15618—1995) [11]中域级标准(主要适
于一般农田及菜地土壤) [12]作为评价标准(表 1),
对比说明此农药工业园区周边土壤重金属环境质量
现状.
1郾 4郾 1 单项污染指数法摇 土壤污染评价方法采用单
因子指数法,其算式为:
P i = C i / Si
表 1摇 土壤环境质量评价标准
Tab. 1摇 Criterion for evaluation of soil environmental qual鄄
ity(mg·kg-1)
元素
Metal
一级标准
(江苏省环境背景值)
Standard I (natural
background values in
Jiangsu Province)
国家二级标准
National standard II
pH
<6郾 5
6郾 5<
pH<7郾 5
pH
>7郾 5
Cd 臆0郾 13 0郾 3 0郾 3 0郾 6
Cr 臆77郾 80 150 200 250
Cu 臆22郾 30 50 100 100
Ni 臆30郾 80 40 50 60
Pb 臆26郾 20 250 300 350
Zn 臆62郾 60 200 250 300
Hg 臆0郾 29 0郾 3 0郾 5 1郾 0
As 臆10郾 00 40 30 25
6381 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
表 2摇 土壤重金属污染指数分级标准
Tab. 2 摇 Criterion for classification of pollution index of
heavy metals in soils
等级
Grade
土壤污染综合指数
Comprehensive pollution
index (P)
污染等级
Pollution grade
1 P臆 0郾 7 安全 Safe
2 0郾 73 14 25 P>3 重污染 Heavy pollution
式中:P i 为土壤中污染物 i的环境质量指数;C i 为污
染物 i的实测值(mg·kg -1);Si 为污染物 i的评价标
准(mg·kg -1) . P i 臆1表示土壤未受污染;P i > 1表
示土壤已受污染;P i 值越大,污染程度越严重.
1郾 4郾 2 综合污染指数法摇 为全面反映各污染物对土
壤的作用,突出高浓度污染物对环境质量的影响,目
前国内普遍采用内梅罗(Nemerow)综合污染指数
法[13],其算式为:
P =
( 1n移P i)
2 + P i2max
2
式中:P为土壤污染综合指数; 1n移P i 为土壤中各
污染指数平均值;P imax 为土壤中各污染指数最大
值.综合污染指数分级标准见表 2.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 土壤重金属含量
研究区 183 个表层土壤样品的 pH 平均值为
6郾 12,范围在 5郾 55 ~ 6郾 46,均小于 6郾 5. 全部样品的
重金属含量测定结果的描述性统计分析见表 3. 变
异系数反映了总体样本中各采样点的平均变异程
度.该区域汞的变异系数最大,达 51郾 21% ;而铅的
变异系数最小,为 11郾 33% . 8 种重金属的平均变异
程度由大到小的顺序为:汞、铜、砷、锌、镍、镉、铬、
铅.
摇 摇 由表 3 可知,8 种重金属中 Hg、Cu、Pb 和 Cd 含
量的平均值均超过了土壤环境背景值.其中,Hg、Cu
平均含量分别达 0郾 49、39郾 70 mg·kg-1,分别高于其
背景值的 0郾 29、22郾 30 mg·kg-1 . 研究区表层土壤
Hg背景含量为 0郾 06 ~ 0郾 13 mg·kg-1,说明该区表
层土壤中 Hg 含量异常是外源污染物质进入所致,
李佑国等[14]的研究也得出了相似结果.
从取样点的污染情况分析,Hg、Cu 污染样点主
要分布于研究区周围种植作物的土壤中,且集中于
种植历史较长的区域,可以推断导致土壤 Hg、Cu 污
染的主要因素可能为在该区域连年作物种植过程中
含汞农药、矿物肥料、杀虫剂及除草剂的长期施用.
经过调查,本研究区早期经常使用含汞农药(以铜
为催化剂)消毒种子(如西力生 C2H5HgCl),使 Hg、
Cu在表层土壤中积累,其残留量至今仍保持在相当
高的水平[15-17] .另外,该区域是有较长历史的农药
工业园区,长期的农药生产对周边空气质量产生严
重影响,如向大气排放大量废气及在农药合成时生
成的有害气体,并通过污染物颗粒沉降进入土壤.同
时,在高分子合成、制药等生产过程中,涉及 Cu、Hg、
Pb等金属配合物催化剂的使用,还会导致水源中重
金属含量的增加,并通过土壤渗透、农田灌溉污染土
壤,危害居民生产生活健康与安全.该研究区域的污
水排放、周围农田的灌溉水源等(本区主要灌溉水
源为滁河及其支流),对土壤 Hg、Cu 含量的影响也
不容忽视.
2郾 2摇 重金属污染指数
把该区土壤环境背景值作为一级标准、《国家
土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)二级标准值
作为二级标准,计算研究区183个样点表层土壤各
表 3摇 农药工业园区周边土壤重金属含量的描述性统计
Tab. 3摇 Descriptive statistics of heavy metal concentrations in the soils around the pesticide industrial park
重金属
Heavy metal
土壤背景值
Soil background
value
(mg·kg-1)
最小值
Minimum
(mg·kg-1)
最大值
Maximum
(mg·kg-1)
平均值
Average
(mg·kg-1)
标准差
SD
(mg·kg-1)
变异系数
CV
(% )
Hg 0郾 29 0郾 02 0郾 56 0郾 49 0郾 25 51郾 21
Cu 22郾 30 9郾 65 101郾 83 39郾 70 13郾 89 34郾 99
As 10郾 00 2郾 02 10郾 48 6郾 07 1郾 74 28郾 70
Zn 62郾 60 20郾 94 78郾 85 45郾 77 9郾 65 21郾 09
Ni 30郾 80 8郾 61 29郾 84 18郾 74 5郾 32 28郾 41
Cd 0郾 13 0郾 06 0郾 54 0郾 20 0郾 08 40郾 66
Cr 77郾 80 20郾 34 72郾 04 46郾 29 10郾 95 23郾 67
Pb 26郾 20 12郾 35 31郾 78 28郾 26 3郾 20 11郾 33
73817 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 石宁宁等: 某农药工业园区周边土壤重金属含量与风险评价摇 摇 摇 摇 摇
表 4摇 农药工业园区周边土壤重金属单因子与综合污染指数统计分析
Tab. 4摇 Descriptive statistics on single factor and index pollution indices of heavy metals in soils around the pesticide industri鄄
al park
重金属
Heavy metal
评价等级
Evaluation
grade
平均值依标准差
Mean依SD
变异系数
CV
(% )
峰 度
Kurtosis
偏 度
Skewness
超标个数
Over standard
number
超标率
Over standard
rate (% )
Hg 一级 Grade 1 2郾 18依1郾 39 63郾 84 1郾 148 1郾 034 123 67郾 0
二级 Grade 2 1郾 59依0郾 79 49郾 68 1郾 048 0郾 926 90 49郾 0
Cu 一级 Grade 1 1郾 30依0郾 55 42郾 30 0郾 046 0郾 038 113 61郾 5
二级 Grade 2 1郾 05依0郾 18 17郾 14 0郾 611 -0郾 127 62 24郾 0
As 一级 Grade 1 0郾 55依0郾 22 39郾 97 -0郾 667 -0郾 349 0 0
二级 Grade 2 0郾 21依0郾 06 29郾 32 -0郾 157 -0郾 078 0 0
Zn 一级 Grade 1 0郾 53依0郾 17 32郾 00 -0郾 635 -0郾 397 22 12郾 0
二级 Grade 2 0郾 22依0郾 05 21郾 54 0郾 194 -0郾 296 0 0
Ni 一级 Grade 1 0郾 50依0郾 14 27郾 45 -0郾 097 -0郾 003 0 0
二级 Grade 2 0郾 46依0郾 13 29郾 32 -0郾 163 0郾 029 0 0
Cd 一级 Grade 1 1郾 16依0郾 57 49郾 14 0郾 209 0郾 583 76 41郾 5
二级 Grade 2 0郾 61依0郾 24 37郾 31 -0郾 689 0郾 200 29 16郾 0
Cr 一级 Grade 1 0郾 67依0郾 26 38郾 20 -0郾 724 0郾 451 35 19郾 0
二级 Grade 2 0郾 18依0郾 04 23郾 75 -0郾 410 0郾 293 0 0
Pb 一级 Grade 1 0郾 88依0郾 35 39郾 59 1郾 071 -1郾 612 51 28郾 0
二级 Grade 2 0郾 10依0郾 01 11郾 56 1郾 355 -0郾 836 13 7
综合污染指数 一级 Grade 1 1郾 18依0郾 50 45郾 26 -0郾 042 0郾 351 - -
Comprehensive
pollution index (P)
二级 Grade 2 0郾 74依0郾 27 36郾 49 -0郾 555 0郾 259 - -
-: 无数值 No value.
种重金属的单因子污染指数值和综合污染指数值,
结果见表 4.
摇 摇 在 183 个样点的土壤表层样品中,27%的样点
土壤 Hg含量超过国家土壤二级标准,属于轻污染;
14%土壤样点 Hg 含量超过国家土壤二级标准的 2
倍,属于中度污染;8%的土壤样点 Hg 含量超过国
家土壤二级标准的 3 倍,属于重度污染. 18%的样点
土壤 Cu 含量超过国家土壤二级标准,属于轻度污
染;6%土壤样点 Cu 含量超过国家土壤二级标准的
2 倍,属于中度污染.
由表 4 可知,以该区土壤背景值为评价标准,研
究区土壤 As、Zn、Ni、Cr 和 Pb 5 种单因子污染指数
平均值分别为 0郾 55、0郾 53、0郾 50、0郾 67 和 0郾 88,它们
的单因子污染指数均低于 1,说明上述 5 种重金属
在表层土壤中的含量处于安全水平;而 Cu 和 Cd 单
因子污染指数值分别为 1郾 30 和 1郾 36,大于 1 但小于
2,说明研究区土壤已受 Cu 和 Cd 轻度污染;Hg 平
均单因子污染指数值为 2郾 18,大于 2,说明研究区土
壤 Hg污染较重,为主要的污染因子.研究区内表层
土壤重金属的平均单因子污染指数从小到大依次
为:Ni平均值为 1郾 18,变异系数为 45郾 26% ,属于轻度污
染,可以恢复到清洁状态. 从偏度和峰度值来看,8
种重金属指数值基本上都属于正态分布.
以二级标准进行评价是判断土壤是否存在污染
的警示性评价,低于此值,一般不会引起生态环境的
危害.由表 4 可知,土壤中 Ni、Zn、As、Cr、Pb 和 Cd 6
种重金属单因子污染指数平均值均小于 1,在表层
土壤中的含量处于安全水平. Hg的单因子污染指数
平均值达 1郾 59,超标率为 49% ,表明该区存在 Hg污
染,Hg是主要的污染因子. 研究区内表层土壤重金
属的平均单因子污染指数从小到大依次为:PbAs0郾 74,变异系数为 36郾 49% ,属警戒级,土壤尚清洁.
从峰度和偏度值来看,8 种重金属污染指数值基本
上都属于正态分布.
2郾 3摇 土壤重金属的空间分布
本研究分析了农药工业园区不同方向、不同距
离处的土壤重金属 Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Hg 和 As
的分布规律.研究发现,农药工业园区的正北、正南、
正东、东北和正西方向上 8 种重金属随距离变化的
趋势不是很明显,而东南和西北方向重金属含量随
距离变化的趋势较明显:Cd、Ni、Pb、Cr、As、Hg、Zn
和 Cu 含量均随着与农药工业园区距离的增加呈先
上升、后下降、最后趋于平稳的变化(图 1).
摇 摇 该区土壤已受到不同程度的重金属污染,从随
距离变化比较明显的东南和西北方向来看,距农药
工业园区200 m左右的表层土壤重金属含量较高,
8381 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
图 1摇 农药工业园区东南和西北方向土壤重金属分布
Fig. 1摇 Distribution of heavy metals in the south鄄east and north鄄
west directions of the pesticide industrial park.
受到污染,距园区 1000 m 以后,重金属含量趋于平
稳. 8 种重金属在两条方向上的总体变化为:随着距
离的增大,重金属含量大体呈先上升、后下降、最后
趋于稳定的分布状况. 该农药工业园区周边土壤重
金属富集的原因可能与农药生产过程中有害气体、
金属催化剂和废水排放以及园区周边道路的交通有
关[18-22] .
2郾 4摇 土壤重金属综合污染指数
由图 2 可以看出,在园区周边土壤重金属综合
污染指数最大的两个方向是东南和西北方向. 此两
条方向与园区距离大概在 200 ~ 1000 m 的范围内,
综合污染指数相对较大,周围土壤污染风险最大;在
1000 m以后,综合污染指数较小,土壤相对安全.
摇 摇 东南和西北方向的综合污染指数值在 0郾 7 ~ 1,
属于警戒区,土壤尚清洁;且样点重金属的综合污染
指数值与距离农药工业园区的远近有明显的关系,
基本上随着与农药工业园区距离的变化而变化. 其
余方向的综合污染指数均小于 0郾 7,属于安全范围,
土壤清洁;但各个方向也随与园区距离的变化而变
化(图 2).这说明农药工业园区周围重金属污染属
于点源污染物的大气扩散模式.经过实地考察,该园
区有一定规模的烟囱,可以推断该区域的土壤重金
属污染与该园区烟囱排放的烟尘在大气中的沉降有
关,其污染程度和污染范围与烟尘排放量、烟尘颗粒
图 2摇 农药工业园区不同方向土壤综合污染指数分布
Fig. 2 摇 Distribution of comprehensive pollution index in each
direction around the pesticide industrial park.
大小、烟囱高度、风力、风速以及地形等因素有关.
2郾 5摇 土壤重金属污染指数的空间变异性
半方差函数在原点处的数值称为块金常数
(C0),它由测定误差和小于最小采样尺度的非连续
性变异引起,属于随机变异;基台值(C0+C1)通常表
示系统内的总变异,它是结构性变异和随机性变异
之和. C0 与(C0+C1)之比是反映区域化变量空间异
质性程度的重要指标,又称为块金效应.该比值可反
映空间变异影响因素中区域因素(自然因素)和非
区域因素(人为因素)的作用[23] . 当 C0 / (C0 +C1) <
25%时,表明变量的空间变异以结构性变异为主,
变量具有很强的空间相关性;当>25%而<75%时,
变量为中等程度空间相关;当>75%时,以随机变量
为主,变量的空间相关性很弱[24] . 变程反映的是空
间自相关范围,它与观测以及取样尺度上影响土壤
性状的各种过程的相互作用有关.在变程范围内,变
量有空间自相关性,反之则不存在. 决定系数(R2)
表示拟合精度,R2 越大,则拟合效果越好[25] .
摇 摇 利用半方差分析软件 GS+拟合土壤不同重金属
单因子污染指数值的半方差函数理论模型及其相关
参数(表 5).图 3 为土壤重金属单因子污染指数值
的变异函数曲线图[26] . 由此可以看出,8 种重金属
单因子污染指数均有明显的空间变异. As、Zn 和 Pb
的变异函数理论模型用高斯模型模拟较好,拟合优
度达 95%以上;Cr的变异函数理论模型用球状模型
模拟较好,拟合优度达 95%以上;Cu 和 Cd 的变异
函数理论模型用指数模型模拟较好,拟合优度达
92%以上,说明半方差函数模型的选取基本符合
要求.
Cr、Ni、Pb、Zn和As5种金属的单因子污染指
93817 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 石宁宁等: 某农药工业园区周边土壤重金属含量与风险评价摇 摇 摇 摇 摇
表 5摇 土壤重金属污染指数值的半方差函数理论模型及其相关参数
Tab. 5摇 Oretical semi鄄variogram models of single factor pollution index of heavy metals in the studied soils and their corre鄄
sponding parameters
重金属
Heavy
metal
理论模型
Theory model
块金常数
C0
基台值
C0 +C1
块金常数 /
基台值
C0 / (C0 +C1)
变程
Range
(m)
决定系数
R2
残差
RSS
Hg 指数模型 Exponential model 0郾 0900 0郾 1090 0郾 8257 222 0郾 804 3郾 880伊10-2
Cu 指数模型 Exponential model 0郾 0243 0郾 0468 0郾 5192 244 0郾 935 7郾 413伊10-4
As 高斯模型 Gaussian model 0郾 0096 0郾 0713 0郾 1346 777 0郾 982 1郾 230伊10-4
Zn 高斯模型 Gaussian model 0郾 0037 0郾 0494 0郾 0749 866 0郾 994 2郾 214伊10-5
Ni 高斯模型 Gaussian model 0郾 0006 0郾 0204 0郾 0270 222 0郾 854 7郾 294伊10-5
Cd 指数模型 Exponential model 0郾 0300 0郾 0591 0郾 5076 799 0郾 968 3郾 371伊10-3
Cr 球状模型 Spherical model 0郾 0001 0郾 0075 0郾 0013 1443 0郾 975 1郾 608伊10-4
Pb 高斯模型 Gaussian model 0郾 0001 0郾 1382 0郾 0007 777 0郾 983 1郾 181伊10-3
图 3摇 土壤重金属污染指数半方差模型
Fig. 3摇 Fitted semi鄄variance model of heavy metals pollution in soils.
数的块金效应均小于 25% ,空间相关性很强,由随
机部分引起的空间变异均小于由空间自相关部分引
起的空间变异,说明本研究区域农田 Cr、Ni、Pb、Zn
和 As 5 种重金属含量受人为因素(工业活动、农用
0481 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
化肥、固体废弃物和污水灌溉等)影响较小,控制重
金属含量的主要因素与地质岩性、土壤类型、气候条
件等成土母质有关;Hg的单因子污染指数的块金效
应大于 75% ,空间相关性很弱,说明土壤中 Hg 的空
间变异主要受人类活动的影响. Cu、Cd 的块金值与
基台值之比分别为 51% 、52% ,表明 Cu、Cd 在总空
间变异中,分别有约 51% 、52%的空间变异由随机
因素引起,主要存在于 200 ~ 1400 m的中尺度内;而
由空间自相关部分引起的空间变异分别约占 49% 、
48% ,存在于小于 200 m的小尺度内.尽管由这两部
分引起的空间变异性所占的比例较接近,可以认为
随机部分引起的空间变异起决定作用,但由空间自
相关部分引起的空间变异不能忽视,说明土壤中
Cu、Cd受成土母质和人类活动的影响.
空间变异是尺度的函数,变程是空间变异自相
关范围的度量.从表 5 可以看出,各重金属元素自相
关的空间变异主要分布在 200 ~ 1400 m,Cr 的空间
相关距离最大(1443 m),Hg 和 Ni 的空间相关距离
最小(222 m).张朝生等[27]在研究长江水系沉积物
重金属含量空间分布特征时,多数元素的空间相关
变程在 1000 m左右,本研究结果与其相差很大,原
因在于研究尺度的不同.因此,比较同一种重金属含
量的空间相关变程时,要与所研究的区域范围联系
起来.这种空间距离的变化(200 ~ 1400 m),与前面
所研究土壤重金属含量、综合污染指数与水平距离
的变化(200 ~ 1000 m)大致相符.
研究区春、秋、冬季以偏北风为主,夏季以东南
风为主.从本研究的结果来看,以农药工业园区为中
心,土壤中 Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、As 和 Hg 8 种重金
属污染带的分布特征呈西北至东南方向分布,西北
与东南方向土壤污染较严重. 其原因可能与研究区
的主导风向有关,从而使重金属污染物随气流以下
风向扩散为主,呈现明显的空间分布差异.
2郾 6摇 土壤重金属相关分析
从表 6 可以看出,各重金属含量之间多呈正相
关关系,而且大都达到了显著或极显著水平,其中
Cr 与 Ni、As,Ni与 Pb、As,Pb与 Zn,Cd与 Cu、Hg,Cu
与 Hg之间存在显著正相关. 由此可初步推断,Zn、
Ni、Cr、As和 Pb 5 种元素可能存在同源性,表明这些
元素可能源于成土母质. 而元素 Hg、Cu 和 Cd 之间
均具有极显著的相关性,说明了以上 3 种元素具有
同源性.
表 6摇 农药工业园区周边土壤重金属元素间的相关系数
Tab. 6摇 Correlation coefficients of heavy metals in soils around the pesticide industrial park
Cd Cr Ni Cu Pb Zn Hg As
Cd 1
Cr 0郾 364* 1
Ni 0郾 543* 0郾 621** 1
Cu 0郾 741** 0郾 445* 0郾 242 1
Pb 0郾 469 0郾 154 0郾 738** 0郾 317 1
Zn 0郾 345 0郾 517* 0郾 684** 0郾 701* 0郾 757** 1
Hg 0郾 901** 0郾 497* 0郾 158 0郾 598** 0郾 533* 0郾 523* 1
As 0郾 242 0郾 639** 0郾 736** 0郾 175 0郾 376* 0郾 185 0郾 468* 1
*P<0郾 05; **P<0郾 01.
2郾 7摇 土壤重金属主成分分析
主成分分析作为一种用来辅助数据分析的统计
方法,可进一步对数据进行详细解释,如污染来源的
确定以及自然和人为因素对土壤元素含量的贡献
等[28-29] .对 8 种元素进行了因子分析(表 7 和表 8)
的结果表明,因子 F1 主要包括 Cr、Ni、Pb、Zn 和 As
等元素,对照表 1 结果,这些元素平均含量与对应元
素背景值相当;一般认为 Cr 和 Ni 主要受地球化学
成因影响,Boruvka 等[30]的研究也认为土壤中 Zn、
Ni、Cr 和 As 等元素主要为地质来源. 故因子 F1 所
包括的 5 种元素可能主要源于成土母质. 元素 Cu、
Cd在因子 F2 中占有较大的因子载荷.因子 F3 主要
包括 Hg元素.
表 7摇 因子分析总方差解释
Tab. 7摇 Total variance explanation of factor analysis
因子
Factor
初始特征值
Initial eigenvalue
玉 域 芋
提取值(旋转后)
Extraction value (rotated)
玉 域 芋
1 4郾 263 66郾 14 66郾 14 2郾 44 41郾 85 41郾 85
2 1郾 062 16郾 27 82郾 40 2郾 35 39郾 30 81郾 16
3 0郾 537 8郾 04 90郾 44 1郾 08 9郾 28 90郾 44
4 0郾 253 4郾 31 94郾 49
5 0郾 179 2郾 44 96郾 93
6 0郾 114 1郾 95 98郾 88
7 0郾 044 0郾 93 99郾 81
8 0郾 018 0郾 19 100
玉:特征值 Eigenvalue; 域:方差 Variance(% ); 芋:累积方差 Cumula鄄
tive variance (% ).
14817 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 石宁宁等: 某农药工业园区周边土壤重金属含量与风险评价摇 摇 摇 摇 摇
表 8摇 方差最大正交旋转法得到的因子和全部解释变量
Tab. 8 摇 Factors obtained by varimax orthogonal rotation
and total explained varimax
重金属
Heavy metal
旋转前 Initial
F1 F2 F3
旋转后 Rotated
F1 F2 F3
Cd 0郾 214 0郾 704 0郾 226 0郾 168 0郾 741 0郾 194
Cr 0郾 795 -0郾 147 0郾 046 0郾 784 -0郾 085 0郾 012
Ni 0郾 865 -0郾 028 -0郾 287 0郾 832 0郾 018 -0郾 138
Cu 0郾 252 0郾 762 0郾 243 0郾 214 0郾 659 0郾 226
Pb 0郾 884 0郾 041 0郾 048 0郾 782 0郾 103 0郾 212
Zn 0郾 763 0郾 027 -0郾 016 0郾 808 0郾 082 0郾 031
Hg 0郾 207 0郾 433 0郾 875 0郾 114 0郾 389 0郾 813
As 0郾 837 -0郾 110 0郾 035 0郾 846 -0郾 137 0郾 056
摇 摇 利用表 8 中因子系列矩阵第一、第二主成分所
对应的特征向量的 8 个分量,以 F1 作为横坐标,F2
作为纵坐标得到 8 种重金属的直观分类图(图 4),
其中 Cr、Zn、As、Pb和 Ni归为一类,Hg、Cu 和 Cd 归
为一类.因子间距离的远近可以反映元素间的相关
性,Cr、Zn、As、Pb 和 Ni 之间距离较近,说明它们之
间相关性较强,具有相同的来源. Hg、Cu 和 Cd 与其
他重金属的距离较远,表明 Hg、Cu 和 Cd 与其他重
金属的相关性较弱,两者有不同的来源.综合主成分
分析和相关分析的结果可以得出,影响农药工业园
区周边土壤重金属的因素较多,其来源可能受多种
因素影响,人类活动起最主要作用.
图 4摇 土壤重金属因子得分分布
Fig. 4摇 Factor score distributions for soil heavy metal factors.
3摇 结摇 摇 论
农药工业园区周边土壤中 Hg、Cu、Cd 和 Pb 含
量存在一定的积累现象,Hg和 Cu污染较明显,最终
表现为以 Hg、Cu 为主的多种重金属共同污染的特
征.
重金属含量在园区东南和西北方向土壤农田中
的分布表明,随着采样点距园区距离的增加,Cd、
Ni、Pb、Cr、As、Hg、Zn和 Cu 含量呈先上升、后下降、
最后趋于平稳的变化. 研究区春、秋、冬季以偏北风
为主,夏季以东南风为主. 8 种重金属污染带的分布
特征呈西北至东南方向分布,西北与东南方向土壤
污染较严重.其原因可能与研究区的主导风向有关.
园区周边土壤重金属综合污染指数最大的两个
方向是东南和西北方向. 与园区距离 200 ~ 1000 m
的范围内,综合污染指数相对较大,土壤存在污染风
险;在 1000 m以外,综合污染指数较小,土壤相对安
全.
园区周边土壤中 8 种重金属污染指数有明显空
间变异;结合相关分析与主成分分析结果,推测 Zn、
Ni、Cr、Pb 和 As 元素主要源于成土母质,Hg、Cu 和
Cd元素主要与人类活动有关.
致谢摇 本文在写作过程中得到中国农业科学院张卫建教授
和南京农业大学李恋卿教授的审阅和帮助,特此感谢!
参考文献
[1]摇 Oliver MA. Soil and human health: A review. European
Journal of Soil Science, 1997, 48: 573-592
[2]摇 Yan H (闫摇 红),Gao H鄄X (高红霞), Liu Y鄄L (刘英
莉), et al. Analysis and evaluation of heavy metal level
in irrigation polluted soil. Modern Preventive Medicine
(现代预防医学), 2009, 36(6): 1041-1045 (in Chi鄄
nese)
[3]摇 Shao X鄄X (邵学新), Huang B (黄 摇 标), Zhao Y鄄C
(赵永存), et al. Effect of industrial distribution on soil
heavy metal accumulation in a typical area of the Yan鄄
gtze River delta. Acta Pedologica Sinica (土壤学报),
2006, 43(3): 397-404 (in Chinese)
[4]摇 Xu L鄄C (徐理超), Li Y鄄X (李艳霞), Su Q鄄H (苏秋
红), et al. Contents and spatial distribution patterns of
heavy metals in farmland soils of Fuxin City. Chinese
Journal of Applied Ecology (应用生态学报), 2007, 18
(7): 1510-1517 (in Chinese)
[5]摇 Xie Z鄄M (谢正苗), Li J (李摇 静), Wang B鄄L (王碧
玲), et al. Evaluation on environmental quality of heavy
metals in soils and vegetables based on geostatistics and
GIS. Environmental Science (环境科学), 2006, 27
(10): 2110-2116 (in Chinese)
[6]摇 Zheng H鄄L (郑海龙), Chen J (陈 摇 杰), Deng W鄄J
2481 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
(邓文靖), et al. Assessment of soil heavy metals pol鄄
lution in the chemical industrial areas of Nanjing peri鄄
urban zone. Acta Scientiae Circumstantiae (环境科学学
报), 2005, 25(9): 1182-1188 (in Chinese)
[7]摇 Lu R鄄K (鲁如坤). Analytical Methods of Soil and Ag鄄
ricultural Chemistry. Beijing: China Agricultural Sci鄄
ence and Technology Press, 2000 (in Chinese)
[8]摇 Leivuori M. Heavy metal contamination in surface sedi鄄
ments in the gulf of Finland and comparison with the gulf
of Bothnia. Chemosphere, 1998, 36: 43-59
[9]摇 Qiao Y鄄M (乔永民), Huang C鄄J (黄长江), Lin C鄄P
(林潮平), et al. A study on mercury and arsenic in
surface sediment of Zhelin Bay, eastern Guangdong
Province. Journal of Tropical Oceanography (热带海洋
学报), 2004, 23(3): 28-35 (in Chinese)
[10]摇 China National Environmental Monitoring Center (中国
环境监测总站). The Background Concentrations of
Soil Elements in China. Beijing: China Environmental
Science Press, 1990 (in Chinese)
[11]摇 State Environmental Protection Bureau of China (国家
环境保护总局). Environmental Quality Standard for
Soils (GB 15618-1995). Beijing: China Standards
Press, 1995 (in Chinese)
[12]摇 Xu X鄄H (许学宏), Ji C鄄L (纪从亮). Heavy metal
pollution survey of vegetable soil in Jiangsu Province and
the countermeasures. Rural Eco鄄environment (农村生态
环境), 2005, 21(1): 35-37 (in Chinese)
[13]摇 Li T鄄J (李天杰). Soil Environmental Science. Beijing:
Higher Education Press, 1995 (in Chinese)
[14]摇 Li Y鄄G (李佑国), Fang S鄄B (房世波), Pan J鄄J (潘
建军), et al. Investigation and assessment on pollution
of soil heavy metals during urbanization process of Nan鄄
jing City. Journal of Sichuan Normal University (四川
师范大学学报), 2004, 27(1): 93-96 (in Chinese)
[15]摇 Wu Y鄄G (吴友根), Guo Q鄄S (郭巧生), Zheng H鄄Q
(郑焕强), et al. Studies on residuals of organochlorine
pesticides and heavy metals in soil of planting base and
Pogostemon cablin. China Journal of Chinese Materia
Medica(中国中药杂志), 2008, 33(13): 1528-1531
(in Chinese)
[16]摇 Taylor MD. Accumulation of cadmium derived from fer鄄
tilizers in New Zealand soil. Science of the Total Envi鄄
ronment, 1997, 208: 123-126
[17]摇 Chen T鄄B (陈同斌), Zeng X鄄B (曾希柏), Hu Q鄄X
(胡清秀), et al. Utilization efficiency of chemical fer鄄
tilizers among different counties of China. Acta Geo鄄
graphica Sinica (地理学报), 2002, 57(5):531-538
(in Chinese)
[18]摇 Liu F鄄Z (刘凤枝), Shi R鄄G (师荣光), Xu Y鄄P (徐
亚平), et al. The study of assessment technology for
farmland soil heavy metal pollutions. Journal of Agro鄄
Environmental Science (农业环境科学学报), 2006,
25(2): 422-426 (in Chinese)
[19]摇 Liao G鄄L (廖国礼), Wu C (吴摇 超). Polluted char鄄
acteristics of Zn, Pb, Cd, Cu and As in soil of different
mining activity zones. Environmental Science (环境科
学), 2005, 26(3): 157-161 (in Chinese)
[20]摇 Lu Y (卢摇 瑛), Gong Z鄄T (龚子同), Zhang G鄄L (张
甘霖), et al. Heavy metal concentration in Nanjing ur鄄
ban soils and their affecting factors. Chinese Journal of
Applied Ecology (应用生态学报), 2004, 15(1): 123
-126 (in Chinese)
[21]摇 Li B (李摇 波), Li Y鄄S (林玉锁), Zhang X鄄F (张孝
飞), et al. Pollution of heavy metals in soil and agricul鄄
tural products on sides of Ning鄄Lian superhighway. Jour鄄
nal of Agro鄄Environmental Science (农业环境科学学
报), 2005, 24(2): 266-269 (in Chinese)
[22] 摇 Hanesch M, Scholger R, Dekkers MJ. The application
of fuzzy cluster analysis and non鄄linear mapping to a soil
data set for detection of polluted sites. Physical, Chemi鄄
cal, and Earth Sciences, 2001, 26: 885-891
[23]摇 Cambardella CA, Moorman TB, Novak JM. Field鄄scale
variability of soil properties in central Iowa soils. Soil
Science Society of America Journal, 1994, 58: 1501 -
1511
[24]摇 Jiang Y (姜 摇 勇), Liang W鄄J (梁文举), Wen D鄄Z
(闻大中). Microelement of Agriculture Soil in Sheny鄄
ang Suburb. Beijing: China Agricultural Science and
Technology Press, 2003 (in Chinese)
[25]摇 Hu K鄄L (胡克林), Zhang F鄄R (张凤荣), L俟 Y鄄Z
(吕贻忠), et al. Spatial distribution of concentrations
of soil heavy metals in Daxing County, Beijing. Acta
Scientiae Circumstantiae (环境科学学报), 2004, 24
(3): 463-468 (in Chinese)
[26] 摇 Wang B (王 摇 波), Wang Y鄄Z (王元仲), Li D鄄M
(李冬梅), et al. Spatial variability of farmland heavy
metals contents in Qianan City. Chinese Journal of Ap鄄
plied Ecology (应用生态学报), 2006, 17(8): 1495-
1500 (in Chinese)
[27] 摇 Zhang C鄄S (张朝生), Zhang S (章 摇 申), He J鄄B
(何建邦). Spatial distribution characteristics of heavy
metals in the sediments of Changjiang River system -
Geostatistics methods. Acta Geographica Sinica (地理学
报), 1997, 52(2): 184-192 (in Chinese)
[28] 摇 Loska L, Wiechula D. Application of principal compo鄄
nent analysis for the estimation of source of heavy metal
contamination in surface sediments from the Rybnik Res鄄
ervoir. Chemosphere, 2003, 51: 723-733
[29]摇 Martin JAR, Arias ML, Corbi JMG. Heavy metals con鄄
tents in agricultural topsoils in the Ebro basin (Spain).
Environmental Pollution, 2006, 144: 1001-1021
[30]摇 Boruvka L, Vacek O, Jehlicka J. Principal component
analysis as a tool to indicate the origin of potentially tox鄄
ic elements in soils. Geoderma, 2005, 128: 289-300
作者简介摇 石宁宁,男,1985 年生,硕士研究生.主要从事作
物生理与生态研究,发表论文 2 篇. E鄄mail: 2007101072@
njau. edu. cn
责任编辑摇 肖摇 红
34817 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 石宁宁等: 某农药工业园区周边土壤重金属含量与风险评价摇 摇 摇 摇 摇