全 文 ：中国生态农业学报 2009年 11月 第 17卷 第 6期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Nov. 2009, 17(6): 1234−1239


* 国家自然科学基金项目(40471119, 40571154)和陕西省自然基金项目(2006D01)资助
** 通讯作者: 庞奖励(1963~), 男, 博士, 教授, 主要从事土地利用与土壤演变研究。E-mail: jlpang@snnu.edu.cn
朱美玲(1983~), 女, 硕士, 研究方向为土地利用与土壤演变。E-mail: zhufly@stu.snnu.edu.cn
收稿日期: 2008-10-16 接受日期: 2009-01-20
DOI: 10. 3724/SP.J.1011.2009.01234
洛川苹果林地重金属分布特征和污染评价*
朱美玲 1 庞奖励 1** 李晓刚 1,2
(1. 陕西师范大学旅游与环境学院 西安 710062; 2. 商洛学院城乡发展与管理工程系 商洛 726000)
摘 要 通过取样调查和试验分析, 选用 As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Mn、Co、V 等 9 种重金属元素研究了
洛川苹果林地典型剖面(LC 剖面)的重金属分布特征, 并利用地累积指数法、重金属富集指数法、重金属潜在
生态危害指数法, 对洛川苹果林地重金属的污染状况和金属元素富集规律进行了初步研究。结果表明: As、Cr、
Ni、Mn、V含量变化走势基本相同, 总体上由表层向下波动递增, Cu、Pb、Zn、Co 4元素含量垂向变化特征
基本相似, 由表层向下总体呈先减少后增多趋势; 除 Pb和 Zn外, As、Cr、Cu、Ni、Mn、Co和 V均有一定程
度的富集。As的生态危害指数( irE )较高, 在 9种重金属元素中最大, 潜在生态危害指数(RI)为 39.9, 但小于轻
微生态危害的阈值 150, 表明该区苹果林地重金属尚未构成污染危害。
关键词 重金属 污染评价 垂向分布 苹果林地 洛川
中图分类号: S153.1 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2009)06-1234-06
Distribution features and environmental risk assessment of heavy metals
in apple tree plantations in Luochuan tableland
ZHU Mei-Ling1, PANG Jiang-Li1, LI Xiao-Gang1,2
(1. College of Tourism and Environmental Sciences, Shaanxi Normal University, Xi’an 710062, China; 2. Department of
Urban-Rural Development and Management Engineering Sciences, Shangluo College, Shangluo 726000, China)
Abstract Based on systematic sampling and experimental analysis, the distribution features and environmental risk assessment of
heavy metals in a typical profile, LC profile, of apple tree plantation in Luochuan tableland were investigated. The heavy metals in-
vestigated in the study included As, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn, Mn, Co and V. Geoaccumulation index, element accumulation index and po-
tential ecological risk index were used in the assessment. Based on the assessment, As, Cr, Ni, Mn and V have similar vertical distri-
bution trends, generally increasing from top to bottom. However, Cu, Pb, Zn and Co almost exhibits the same distribution trend in the
soil profile, generally initially decreasing and then increasing from top to bottom. There is some degree of As, Cr, Cu, Ni, Mn, Co and
V accumulation, the phenomenon not observed for Pb and Zn. Ecological risk index for As is the highest among the 9 heavy metals
investigated. As has potential ecological risk index of 39.9, though far less than slight ecological risk threshold.
Key words Heavy metal, Pollution assessment, Vertical distribution, Apple tree plantation, Luochuan tableland
(Received Oct. 16, 2008; accepted Jan. 20, 2009)
重金属是一类具有潜在危害的化学污染物, 通
过工农业生产以及大气沉降等途径进入土壤, 导致
土壤环境质量恶化, 农业生态系统遭到破坏[1]。近年
来, 国内外许多学者对农田、城市以及矿区等地土
壤重金属的分布特征与污染评价进行了大量研
究[2−11], 但重金属在果园土壤中的研究甚少。果园土
壤重金属含量是无公害食品产地环境要求监测的一
项重要指标。果园土壤中的重金属元素累积到一定
程度, 不仅会对果园土壤环境产生危害, 影响果树
的生长发育, 而且可以通过食物链对人体健康造成
危害[12−14]。
洛川从 1986年开始大规模种植苹果, 目前苹果
产业已成为陕西省的特色经济支柱产业。20多年来,
随着苹果林的快速发展, 使得果业产量与土壤环境
第 6期 朱美玲等: 洛川苹果林地重金属分布特征和污染评价 1235


的问题日趋突出, 再加之农药化肥的大量使用, 有
机肥的减少, 造成土壤与农作物农药残留严重, 农
作物害病减产时有发生。本文通过对洛川苹果林地
深入调查、系统采样, 选用 As、Cr、Cu、Ni、Pb、
Zn、Mn、Co、V 9个重金属元素, 研究了土壤重金
属的分布特征, 并对洛川苹果林地重金属的污染状
况和金属元素富集规律进行初步研究, 旨在为该区
苹果林地的污染防治和农业的可持续发展提供科学
依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
洛川县位于延安市南部, 是黄土高原土层最厚
的塬区之一, 也是保存最完好的古塬地貌之一。该区
属暖温带半湿润大陆性季风气候, 平均海拔 1 072 m,
年均气温 9.2 ℃, 年降水量 622 mm, 无霜期 167 d,
≥0 ℃年积温 3 729 ℃, ≥10 ℃年积温 3 099 ℃,
年辐射量在 5.28×106 kJ·m−2。土壤类型为黑垆土。
洛川塬塬面平坦, 土地宽广, 质地优良, 日照充足,
昼夜温差大 , 雨热同季 , 自然条件优越 , 发展农业
具有得天独厚的优势 , 素有“陕北粮仓”和“苹果之
乡”的誉称[15]。据实地调查了解, 当地果园无灌溉设
施, 均一年进行两次施肥, 第 1次是苹果采摘后, 即
10月后, 并对果园进行清园, 对果树进行剪枝; 第 2
次在次年 3月份追肥。施肥深度为化肥 20~30 cm左
右, 土肥或有机肥料 40 cm左右, 近 10年以化肥为
主, 化肥主要是复合肥。施肥位置在果树行间或沿
树根放射状施肥, 施肥量约 2.5 kg·棵−1。
1.2 样品采集与试验方法
对洛川塬进行实地勘察, 选择自然塬面(未经人
工平整)为样品区, 该区 1983年耕地改为苹果林地。
样品区内土壤发育程度变异性较小, 选择一个具有
代表性的剖面 LC(35°47′19.6″N, 109°30′42.2″E, 海
拔 1 179 m)进行系统采样, 采样方法见参考文献[16],
采样深度为 115 cm, 共采得 20个样品。根据野外观
察, 结合室内试验分析, 确定该剖面土壤构型为
Ap-AB-Bc-B: 0~10 cm, 旱耕层(Ap), 浊棕色, 粉沙
质地, 团粒状结构, 中等数量孔隙, 少量毛细根, 常
见侵入物; 10~30 cm, 过渡层(AB), 浊棕色, 粉沙质
地, 团粒−团块结构, 中等数量蚯蚓粪, 毛细根极其
发育 , 稍紧实 , 该层下部微显层状 , 可能为长期耕
作的犁底层; 30~50 cm, 古耕作层(Bc), 浊橙色, 粉
沙质地, 团块状结构, 少量蚯蚓粪, 中等数量孔隙;
50~115 cm, 淀积层(B), 块状结构 , 黏土粉沙质地 ,
粉霜状碳酸盐极其发育, 65 cm以下极少见根系。
在实验室内, 先将全部样品置于室内自然风干,
称取 4 g过 200目筛的样品, 用YY-60型压样机制成
圆形片状样片, 用 X-RAY 荧光光谱仪(PW2403 型,
荷兰帕纳科生产) 测定样品中各重金属含量。As、
Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Co的测定下限在 0.X mg·kg−1,
Mn和 V的测定下限在 1.X mg·kg−1。在测量过程中
采用国家标准土壤参比物质 GSS1和 GSD12标准物
质同时对测量样品进行误差控制, 9种重金属元素误
差均<5%。
2 洛川苹果林地土壤重金属分布特征
2.1 分布特征
LC剖面选取 As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Mn、
Co、V等 9个重金属元素进行分析(图 1)。其中, As、
Cr、Ni、Mn、V 5 元素含量走势基本相同, 总体上
由表层向下波动递增, 在 70 cm 处形成峰值, 在 30
cm(AB 层底部)形成谷值, B 层含量明显高于其上 3
层。Cu、Pb、Zn、Co 4元素含量垂向变化特征基本
相似, Ap层含量较高, 其中 Cu和 Pb为整个剖面最
高值, 由表层向下总体呈先减少后增多趋势, 自 50
cm以下增多, 这是由于 Cu、Pb、Zn、Co 4元素较
为活跃易溶解迁移, 特别在 pH 和 Eh 降低情况下更
易于活化迁移, 而含量降低区间(Bc 层)为潜水面上
下活动区域, 致使元素被淋溶迁移含量偏低。
2.2 重金属间的相关性分析
元素由于各自化学性质或地球化学性质的异
同, 常造成元素之间亲疏关系的差异, 元素的共生
组合不仅存在于地壳内生条件下, 也存在于表生环
境中[17]。亲和力强、赋存状态相同或相近、地球化
学行为相似的元素其相关性较好[18]。由洛川苹果林
地 LC剖面重金属元素两两间的相关分析结果(表 1)
可以看出, As、Cr、Ni、Mn、V 5元素两两间相关系
数在 0.823~0.982之间, 说明 As、Cr、Ni、Mn、V 5
元素之间存在显著相关性, 反映了这些重金属共生
共存的地球化学特征; Cu、Pb、Zn、Co 4元素两两
间相关系数在 0.315~0.896之间, 说明 Cu、Pb、Zn、
Co 4元素之间具有较显著相关性, Cu与 Pb、Zn、Co
之间的相关系数在 Cu与 As、Cr、Ni、Pb、Zn、Mn、
Co、V等 8个元素之间的相关系数中最大, 同理, Pb
与 Zn、Co 之间和 Zn 与 Co 之间的相关系数也分别
为最大, 这是因为 Pb和 Zn同为亲铜元素, 与 Cu有
相近的地球化学行为。
2.3 聚类分析
聚类分析作为一种探索性的分类方法, 可以将
一组数据按照本身的内在规律较合理地分为几类。
这就大大缩小了以往全凭主观判断所造成的误差 ,
使数据分析结果更具客观性。聚类分析法经常用来
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图 1 洛川苹果林地 LC 土壤剖面重金属元素含量变化
Fig. 1 Distribution of heavy metal in the LC profile at Luochuan apple tree plantations

表 1 洛川苹果林地 LC 剖面重金属元素含量之间的相关系数
Tab. 1 Correlation coefficients among heavy metals at LC profile of Luochuan apple tree plantations
As Cr Cu Ni Pb Zn Mn Co V
As 1.000
Cr 0.837 1.000
Cu 0.426 0.167 1.000
Ni 0.966 0.868 0.421 1.000
Pb −0.156 −0.207 0.565 −0.066 1.000
Zn 0.805 0.602 0.767 0.860 0.315 1.000
Mn 0.980 0.823 0.468 0.982 −0.050 0.856 1.000
Co 0.736 0.520 0.794 0.760 0.382 0.896 0.799 1.000
V 0.940 0.875 0.375 0.975 −0.044 0.805 0.966 0.699 1.000

分析元素的分布和赋存特征[19,20]。本文采用 R 型聚
类分析法, 即对变量进行分类, 通过对洛川 LC剖面
重金属元素进行聚类分析(图 2), 9 种重金属可分 3
类: As、Cr、Ni、Mn、V归为一类, 除 As外, 其他
4 种元素均为铁族元素, 在土壤中具有相似的来源
或相近的释放规律; Cu、Zn、Co归为一类, Zn为亲
Cu 元素, 与 Cu 具有近似的离子半径, 这决定了它
们在表生环境中具有近似的地球化学性质和行为 ;
Pb独自为一类, 这一点在相关性分析中也有所体现,
Pb与 Cu、Zn、Co的相关性系数相对于其他 3种元
素间都较低, 原因可能是由于汽车尾气中含有 Pb,
致使 Pb在 Ap层富集, 并达到剖面最大值。

图 2 洛川苹果林地 LC 剖面土壤重金属含量聚类分析
Fig. 2 Clustering tree of heavy metals at LC profile based on
correlation coefficients using furthest neighbor linkage method
第 6期 朱美玲等: 洛川苹果林地重金属分布特征和污染评价 1237


由于元素间的依存关系是元素本身的物理化学
性质、外部环境、人为干扰等多种因素综合影响的
结果 , 同时统计分析要求数据量较大 , 具有多解
性的特点 , 难免有些元素的聚类特征规律性不明
显, 聚类分析只能作为判断元素赋存特征的辅助性
手段。
LC剖面 9种重金属元素间的相关性分析、聚类
分析结果与分布特征的分类基本一致, 这是重金属
元素间地球化学行为相似性与垂直分布特征相似性
的相互印证。As、Cr、Ni、Mn、V 5元素含量走势
基本相同, 总体上由表层向下波动递增, 这 5 元素
的相关性系数很高, 聚类分析的结果也是这 5 元素
归为一类。Cu、Pb、Zn、Co 4元素含量垂向变化特
征基本相似, 由表层向下总体呈先减少后增多趋势,
这 4元素的相关性系数较高, 聚类分析除 Pb外其他
3元素归为一类。
3 洛川苹果林地土壤重金属污染评价
3.1 重金属污染评价方法
3.1.1 地累积指数法
为对研究区的重金属富集情况和污染现状作出
评价, 笔者采用了德国科学家 Muller[21]的地累积指
数法, 该方法是重金属污染定量分析的常用方法。
其计算公式为:
geo 2log ( )n nI C AB= (1)
式中, Igeo为地累积指数; Cn为 n 元素在沉积物中的
含量; Bn为 n元素当地沉积母质地球化学背景值; A
为修正造岩运动引起的背景值波动而设定的常数 ,
通常取 1.5。依据 Igeo数值的大小, 可以将沉积物中
重金属的污染程度分为 7个等级, 如表 2所示。
3.1.2 重金属富集系数法
应用沉积物富集系数法评价沉积物重金属污染
程度是 1979年由 Kemp提出的[22], 其计算公式为:
Al Al Al( ) /( )SEF E E EK S S a a a a= − (2)
式中, KSEF为沉积物中重金属富集系数; SE为沉积物
中重金属含量; SAl为沉积物中 Al含量; aE为未受污
染沉积物中重金属含量, 即重金属的背景值; aAl 为
未受污染沉积物中 Al 含量。由于 Al 在迁移过程中
具有惰性, 故选其作为参比元素。它可以反映沉积
物中重金属的污染程度。当 KSEF>0 时, 表示有重金
属富集, 富集程度可由数值大小直观地表示出来。
用富集系数法对沉积物重金属进行地球化学校正 ,
不仅剔除了粒径的影响, 而且避免了沉积物的各种
次生性质对测定值的影响。
3.1.3 重金属潜在生态危害指数法
本文采用瑞典科学家 Hakanson[23]提出的潜在
生态指数法进行重金属潜在生态危害评价。潜在生
态指数涉及到单项污染系数、重金属毒性系数以及
潜在生态危害单项系数, 其公式为:

1 1 1
n n n
i t i t i i
r r f r o n
i i i
RI E T C T C C
= = =
= = × = ×∑ ∑ ∑ (3)
式中, RI 为潜在生态危害指数; irE 为潜在生态危害
单项系数; trT 为某一重金属的毒性相应系数, 采用
Hakanson 制定的标准化重金属毒性系数为评价依
据, 并参考徐争启等[24]的研究确定各重金属元素的
毒性系数: As 10、Pb 5、Cu 5、Ni 5、Co 5、Cr 2、
V 2、Mn 1、Zn 1; ifC 为单项污染系数; ioC 为沉积
物重金属 i 含量实测值; inC 为沉积物背景参比值。
重金属污染生态危害系数和生态危害指数分级标准
见表 3。
3.2 重金属污染评价
本文用 3 种方法对洛川苹果林地 LC 剖面 9 种
重金属元素进行重金属污染评价。各种方法的计算
都涉及背景值确定, 背景值选取对各污染指数的计
算结果有很大影响。本研究在地累积指数法中用中
国典型黄土重金属含量作为背景值 (Bn)进行计算 ,
其原因是 Bn为 n元素当地沉积母质地球化学背景值,

表 2 地累积指数与污染分级
Tab. 2 Index of geoaccumulation and pollution class rating
级别 Class 0 1 2 3 4 5 6
Igeo <0 [0, 1] [1, 2] [2, 3] [3, 4] [4, 5] [5, 6]
污染程度
Pollution degree
无污染
No pollution
轻度污染
Slight
pollution
偏中污染
Partial moderate
pollution
中度污染
Moderate
pollution
偏重污染
Partial heavy
pollution
重度污染
Heavy
pollution
严重污染
Serious
pollution

表 3 irE 和 RI 的分级标准
Tab. 3 Grading standard of irE and RI
污染系数 i
rE Pollution coefficient <40 40~79 80~159 160~320 >320
污染指数 (RI) Pollution index <150 150~299 300~600 600~1 200 >1 200
污染程度 Pollution degree
轻微生态危害
Light potential
ecological risk
中等生态危害
Middle potential
ecological risk
强生态危害
Heavy potential
ecological risk
很强生态危害
Strong potential
ecological risk
极强生态危害
Greatest potential
ecological risk
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表 4 洛川苹果林地 LC 剖面重金属元素含量、背景值及污染评价计算
Tab. 4 Content, background value and pollution assessment of heavy metal by different evaluation methods at LC
soil profile of Luochuan apple tree plantations mg·kg−1
重金属元素 Heavy metal As Cr Cu Ni Pb Zn Mn Co V
LC剖面 LC soil profile 14.6 85.8 26.6 33.6 20.8 65.3 712.0 15.1 84.2
中国典型黄土背景值
Background value of Chinese
typical loess
12.7 67.3 22.5 31.0 21.0 65.4 740.0 12.4 72.7
陕西黑垆土背景值
Background value of dark loessial
soil in Shaanxi
13.2 70.1 21.8 30.1 23.3 65.8 628.0 12.9 76.9
中国土壤背景值
Background value of Chinese soil
11.2 61.0 22.6 26.9 26.0 74.2 583.0 12.7 82.4
Igeo −0.382 −0.235 −0.346 −0.468 −0.598 −0.587 −0.641 −0.302 −0.373
污染程度 Pollution degree 无污染 无污染 无污染 无污染 无污染 无污染 无污染 无污染 无污染
KSEF 0.081 0.195 0.189 0.091 −0.127 −0.030 0.107 0.146 0.069
富集程度 Enrichment degree 接近 接近 接近 接近 无富集 无富集 接近 接近 接近
i
rE 11.07 2.45 6.09 5.59 4.47 0.99 1.13 5.87 2.19
生态危害程度
Potential ecological risk degree
轻微 轻微 轻微 轻微 轻微 轻微 轻微 轻微 轻微

研究区的沉积母质为典型黄土[25]; 陕西黑垆土重金
属元素背景值作为重金属富集系数法的背景值(aE)
和重金属潜在生态危害指数法的参比值( inC )[25]。
洛川苹果林地 LC 剖面 9 种重金属含量与陕西
黑垆土背景值相比, 除 Pb 和 Zn 外, 土壤剖面中的
As、Cr、Cu、Ni、Mn、Co和 V平均含量(几何均值)
均大于陕西黑垆土相应土壤重金属含量背景值。与
中国土壤背景值相比, 同样除 Pb和Zn外, 均大于中
国土壤背景值且较为显著。与中国典型黄土背景值
相比, 只有Mn出现相反结果, 是因为黄土存在较多
铁锰结核。
地累积指数法考虑到自然成岩作用可能会引起
背景值变动的因素(即常数 k), 且简单易行; 重金属
富集系数法采用 Al实测值作参比, 对区域条件差异
进行了校正, 因此可消除不同区域条件的影响; 重
金属潜在生态危害指数法结合环境化学、生物毒理
学和生态学等方面的内容, 考虑了重金属的毒性、
在沉积物中的普遍迁移转化规律和评价区域对重金
属污染的敏感性, 可以综合反映沉积物中重金属对
生态环境的影响[26,27]。从表 4可以看出, 3种方法对
洛川 LC 剖面 9 种重金属污染评价结果基本一致。
从 Igeo值看, 洛川 LC剖面 9种重金属均未出现污染。
从 KSEF值看, As、Cr、Cu、Ni、Mn、Co和 V的 KSEF
均大于零 , 有一定程度的富集 , 富集程度较低 , Pb
和 Zn的 KSEF小于零, 无富集。从 irE 值看, 9种重金
属均处于轻微生态危害, 其中 As 的生态危害指数
( irE )较高, 是由于 As的毒性相应系数( trT )为 9种重
金属元素中最大, 洛川苹果林地曾使用含 As农药、
化肥也是一个原因。潜在生态危害指数(RI)为 39.9,
远小于轻微生态危害的阈值 150, 说明虽然研究
区存在一定的重金属富集和污染, 但尚未产生生态
危害。
4 结论
洛川苹果林地 LC剖面 As、Cr、Cu、Ni、Pb、
Zn、Mn、Co、V 9种重金属元素垂向分布存在两种
态势。As、Cr、Ni、Mn、V含量变化走势基本相同,
总体上由表层向下波动递增, 在 70 cm处形成峰值,
在 30 cm(AB层底部)形成谷值, B层含量明显高于其
上 3层。Cu、Pb、Zn、Co 4元素含量垂向变化特征
基本相似, Ap层含量较高, 其中 Cu和 Pb为整个剖
面最高值, 由表层向下总体呈先减少后增多趋势。
对洛川苹果林地 LC 剖面 9 种重金属元素的相
关性分析和聚类分析表明, 重金属元素内在联系越
紧密, 相关系数越高, 重金属元素在土壤中按其自
身的物理化学性质表现出相近或相似的地球化学特
征。相关性分析和聚类分析的结果与 LC 剖面重金
属元素垂向分布特征的分类基本一致。
洛川苹果林地 LC剖面 9种重金属元素除 Pb和
Zn外, As、Cr、Cu、Ni、Mn、Co和 V均有一定程
度的富集。As 的生态危害指数( irE )较高, 在 9 种重
金属元素中最大, 洛川苹果林地 LC 剖面潜在生态
危害指数(RI)为 39.9, 远小于轻微生态危害的阈值
150, 说明虽然研究区存在一定的重金属富集和
污染, 但尚未产生生态危害, 重金属整体环境质量
优良。
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第 6期 朱美玲等: 洛川苹果林地重金属分布特征和污染评价 1239


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