葛 楊，方鳳滿，2，汪劍飛，林躍勝，2

(1.安徽師范大學 地理與旅游學院，安徽 蕪湖 241003；2.江淮流域地表過程與區(qū)域響應安徽省重點實驗室，安徽 蕪湖 241003；3.常州市戚墅堰高級中學，江蘇 常州 213025)

土壤與人類的生產生活息息相關，直接或間接影響食品安全[1]。土壤系統已經或正在受到不同程度的重金屬污染。土壤重金屬具有富集性、持久性與不可逆性，對生態(tài)環(huán)境以及通過食物鏈對人類健康造成危害[2-4]。目前對土壤中重金屬空間分布、污染特征、形態(tài)研究[5]、來源解析[6]以及生態(tài)風險評價等方面的研究較為廣泛[7-9]，但大多傾向于工農業(yè)設施先進、交通密集的大城市以及礦區(qū)、流域等典型地區(qū)[10-11]，而對于中小城鎮(zhèn)的農村土壤尤其是菜地土壤重金屬的相關研究較少。蔬菜質量安全一直受到廣泛關注，菜地重金屬富集累積規(guī)律及其污染近年來成為研究熱點之一[12-16]。零星菜地[17]是指空間規(guī)模較小，當地居民以自種自食蔬菜為主，在自家房前屋后自己開墾的菜地。皖北地區(qū)地勢平坦、人口眾多，自種蔬菜食用比例大，零星菜地土壤污染狀況嚴重影響人體健康。本文通過對安徽省淮河以北地區(qū)農村零星菜地土壤重金屬進行分析和評價，旨在為安徽省北部城鎮(zhèn)乃至整個皖北地區(qū)土地合理利用、農業(yè)生產和發(fā)展、菜地土壤重金屬污染防治、保障人類健康提供有效參考和科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

皖北地區(qū)指安徽省淮河以北區(qū)域，包括宿州、淮北、亳州、阜陽、蚌埠、淮南6個省轄地級市，總面積約3.92萬km2，經濟轉型和發(fā)展較為快速。皖北地區(qū)地勢整體較為平坦，以淮北平原為主；該區(qū)屬暖溫帶半濕潤季風氣候，光熱條件好；區(qū)內土壤類型主要有黃潮土、砂姜黑土等。區(qū)域內農村人口眾多且較為集中，農民自種自食的零星菜地具有一定的規(guī)模?；茨?、淮北為安徽省兩大主要煤礦城市，工業(yè)生產中產生的廢水、廢氣、廢渣等有害物質，在一定程度上會污染水源并通過污水灌溉等方式影響農用菜地土壤環(huán)境質量。

1.2 樣品采集與處理

于2018年8月底至10月，在安徽省皖北地區(qū)6個地級市選取11個縣的29個鎮(zhèn)，每個鎮(zhèn)根據實際情況采集2～8個傳統小型零星菜地土壤樣品，共采集樣品126個。樣點均位于遠離城區(qū)的農村地區(qū)，采樣時避開工業(yè)活動、礦區(qū)等典型污染源，根據樣地的實際情況，在內部選取一個點位，用木鏟去除土壤上方覆蓋的雜物和枯枝，并以這個點為圓心，在半徑為2m的圓周上選取4個采樣點，所采集土樣均為表層土，采樣深度0～15cm，各采樣點土壤樣品均勻混合后，現場手工剔除較大植物根莖等多余雜物，按照四分法原則進行取舍，每份保留約500g，并儲存在自封袋備用。采樣點分布如圖1。

圖1 皖北地區(qū)土壤樣點分布圖Fig.1 Distribution map of soil samples in northern Anhui

土壤樣品帶回實驗室后，置于室內自然風干，人工剔除土樣中植物殘體、石塊、較大沙粒和夾帶的根系等，先用橡皮錘將小土塊砸碎，再用木輥將土碾細，過2mm孔徑的篩子，用瑪瑙研磨棒精磨至粉末狀，過100目網篩，用于測定重金屬含量。

1.3 土壤重金屬的測定

稱取土壤0.25g(精確到0.0001g)，放在聚四氟乙烯坩堝內用HNO3-HClO4-HF高溫消解，待消解液冷卻后，將其定容至25mL，用等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測定樣品中重金屬含量。為保證實驗結果的可靠性，分析過程中采用國家標準土壤樣品(GSS-3)進行質量控制，其中每5個土壤樣品做一個平行樣(重復3次)，同時進行空白樣以及相關試劑的校正試驗，結果均符合質控要求。整個實驗所用玻璃器皿均在10%濃度的HNO3中浸泡24h以上，試劑均為優(yōu)級純，水為去離子水。

1.4 重金屬污染評價方法

運用常規(guī)的單因子污染指數與內梅羅綜合污染指數進行評價，分級標準[18]見表1。

表1 土壤重金屬污染評價分級標準

2 結果與討論

2.1 重金屬含量整體描述性統計

皖北地區(qū)農村零星菜地土壤Cr、Co、Cu、Fe、Zn、Mn和Ni平均含量分別為68.10、14.31、28.09、28580.98、71.50、601.68、23.53mg·kg-1；除Fe與Ni外，其余重金屬平均含量均高于安徽省土壤背景值[19]。Co和Cu含量超標率分別為71.43%和87.30%，Cu超標狀況最嚴重。Fe和Ni超標率在10%以下，其余重金屬超標率均在40%～65%之間。由此說明，研究區(qū)菜地土壤存在一定程度的重金屬累積。Co與Cu的平均含量分別為背景值的1.20與1.38倍，其余元素平均含量為背景值的0.79～1.15倍。

變異系數能反映總樣本中各樣點的平均變異程度，變異系數越大，表明受人為活動干擾程度越強烈，空間分布差異越大；變異系數(CV)按大小分級[20]：CV<10%為弱變異，10%≤CV≤30%為中等變異，CV>30%為強變異。各重金屬的變異系數從大到小排序為：Cu>Zn>Co>Cr>Mn>Ni>Fe(表2)；Fe與Ni元素變異系數均在20%以下，為中等變異性；表明這兩種重金屬元素所受外界人為因素影響狀況大體一致，在空間分布上差異相對較小。其余元素除Cu外變異系數均在20%～40%之間；Cu的變異系數最大，達到了84.62%，顯著高于其他各重金屬，表明該元素受到較大的外界因素干擾，空間分布差異大。

表2 研究區(qū)土壤重金屬含量描述性統計

2.2 土壤重金屬分布特征

皖北各區(qū)域零星菜地土壤重金屬含量相差較大(表3)，宿州市整體上土壤污染較輕；Co和Mn累積表現為蚌埠>阜陽>淮南>亳州>宿州>淮北；土壤中Cr累積表現為淮南>亳州>阜陽>蚌埠>淮北>宿州；Cu在土壤中累積表現為亳州>淮北>淮南>蚌埠>宿州>阜陽；Fe的累積表現為阜陽>淮南>亳州>蚌埠>淮北>宿州；Zn的累積表現為淮北>亳州>阜陽>宿州>淮南>蚌埠；Ni的累積表現為阜陽>淮南>蚌埠>亳州>宿州>淮北。

表3 研究區(qū)不同城市土壤重金屬含量分布特征

元素阜陽(n=28)蚌埠(n=11)淮南(n=9)含量/(mg·kg-1)超標率/%含量/(mg·kg-1)超標率/%含量/(mg·kg-1)超標率/%Cr68.57±11.7950.0066.55±11.0727.2773.09±21.3555.56Co16.96±5.2282.1420.67±4.02100.0016.75±3.5488.89Cu24.12±4.3978.5725.36±2.14100.0028.35±4.73100.00Fe30664.24±4075.0242.8628134.44±3394.1318.1829000.46±2596.2511.11Zn74.87±16.0078.5756.56±6.7318.1859.66±9.6722.22Mn646.85±144.4082.14701.75±229.2172.73613.60±87.9277.78Ni25.12±3.8414.2923.94±4.4518.1824.58±2.940

與安徽省土壤背景值相比，宿州市Zn、Co、Cu和Mn平均含量大于背景值，淮北市Cu、Zn和Mn平均含量大于背景值，亳州市和阜陽市Cr、Co、Cu、Zn與Mn平均含量均大于背景值，蚌埠市Co、Cu和Mn平均含量大于背景值，淮南市Cr、Co、Cu和Mn平均含量大于背景值；表明這些重金屬在研究區(qū)不同區(qū)域菜地表層土壤中產生了富集。亳州、阜陽與蚌埠市土壤重金屬超標率總體上較高。具體來看，宿州市Co和Cu超標率較高，土壤受Fe、Cr和Ni污染的影響較?。换幢笔蠧u超標率最高，其次是Zn和Mn；亳州市除Ni外其他元素均高于20%，各重金屬超標率整體相差較??；阜陽市Cr、Co、Cu、Zn和Mn超標率較高，Fe元素較其他區(qū)域超標率最高；蚌埠市各重金屬超標率差異較大，其中Co和Cu超標率均達到100%，表明蚌埠市菜地這兩種土壤重金屬污染程度嚴重；淮南市Cu超標率100%，說明淮南市菜地土壤污染受Cu影響最大。

2.3 重金屬元素間相關性分析

Fe與Ni、Fe與Mn、Mn與Ni的相關系數達到了0.600以上，且相關性均在0.01水平顯著，表明這3種元素可能來源于同一污染源；Fe與各元素在0.01水平上均呈顯著正相關；Cr和Cu與除Co外的其他元素相關性均在0.01水平上顯著，表明Cr和Cu來源較為復雜。此外Co與Mn、Co與Fe、Zn與Mn兩兩相關，表明兩兩元素間污染源相似；Co與Ni、Zn與Ni的相關系數分別為0.188和0.216，相關性均在0.05水平顯著；Co與Cr、Co與Cu、Co與Zn之間相關系數均小于0.100，相關性較弱。

表4 研究區(qū)土壤重金屬元素間相關系數

2.4 土壤重金屬元素的主成分分析

利用SPSS 17.0統計軟件對相關原始數據集進行KMO和Bartlett適宜性檢驗，得到KMO的值為0.700>0.500，Bartlett檢驗值小于0.05，此結果保證了數據在內部結構上有效。前4個主成分方差累計貢獻率達到了86.388%>85.000%(表5)，基本上可以反映原始數據所有變量的大部分信息，因此，選取相對應的前4個主成分(F1、F2、F3、F4)進行分析。

表5 主成分分析的特征值與方差貢獻率

由表6可知，第一主成分，Fe、Mn和Ni所具載荷量較大，其方差貢獻率達到了40.370%，表明這3種元素在主成分1中貢獻較高；結合相關性分析，Fe、Mn和Ni之間相關性顯著，變異系數較小，研究區(qū)Fe和Ni平均含量均低于安徽省土壤背景值，且Fe和Mn是成土母質的重要物質[21]，因此Fe、Mn和Ni可能來源于自然源。第二主成分方差貢獻率達到22.363%，其中Cu和Zn占較大載荷；Cu與Zn在土壤環(huán)境介質中的富集，一般與工礦業(yè)開采以及伴隨運輸的交通活動有關，但由于采樣過程避開了典型污染工礦區(qū)，Cu與Zn受工礦業(yè)活動影響較??；此外，研究區(qū)煤炭資源較為豐富，經過實地調研，皖北地區(qū)農村家庭日常生活多使用不同類型的固體燃料(散煤、秸稈、木柴等)，固體燃料的燃燒、生活垃圾的釋放、畜禽糞便的輸入等對土壤中Cu和Zn產生影響較大；因此，第二主成分受多種因素共同控制，為混合源。Cr元素在第三主成分上具有最大載荷，Co元素在第四主成分上所占載荷值最大；Cr與Co為農業(yè)活動因子，一般受農業(yè)活動影響，主要是施肥(包括有機肥和無機肥)、噴灑農藥、污水灌溉等[22-23]，皖北地區(qū)多平原地形，降水和氣候等自然條件適宜，農業(yè)活動強度較大；因此，第三、四主成分主要來源于農業(yè)活動。

表6 土壤重金屬主成分分析結果

2.5 皖北不同區(qū)域菜地土壤重金屬污染評價

2.5.1 單因子污染指數評價 以安徽省土壤背景值作為評價標準計算單因子污染指數，研究區(qū)各重金屬單因子平均污染指數大小排序為：Cu>Co>Mn>Zn>Cr>Fe>Ni(表7)。具體來看，Cr在亳州、阜陽與淮南市土壤中污染指數大于1；Co在淮北市土壤中重金屬污染指數小于1，說明淮北市土壤暫未受到Co污染；Cu和Mn在不同城市單因子污染指數均大于1，表明Cu和Mn在各市土壤中均存在一定程度的污染；Zn在皖北大部分地區(qū)土壤中為輕度累積；其他元素在各區(qū)域單因子污染指數均小于1，表明皖北地區(qū)菜地土壤整體受Fe和Ni元素污染影響較小。因此，皖北地區(qū)在農業(yè)生產和活動中，Cu是首先要加以防控的元素，其次是Co、Mn、Zn和Cr。

2.5.2 內梅羅綜合污染指數評價 基于安徽省土壤背景值為評價標準的內梅羅綜合污染指數評價來看，研究區(qū)零星菜地土壤受各重金屬綜合污染較輕。研究區(qū)污染輕重程度依次為：亳州>蚌埠>阜陽>淮南>淮北>宿州。根據表7可知，皖北地區(qū)各城市農村零星菜地土壤均受到一定程度的重金屬污染，亳州市菜地土壤污染程度最大，主要是由于該市土壤中Cu污染最為顯著；此外，蚌埠市相關土壤Co和Mn污染較顯著，導致該市污染程度較高。

表7 皖北地區(qū)菜地土壤重金屬污染指數

3 結論

(1)研究區(qū)菜地土壤重金屬平均含量除Fe和Ni外，其他重金屬平均含量均高于安徽省土壤背景值，Co和Cu超標率分別為71.43%和87.30%，Fe和Ni均在10%以下，其余土壤重金屬超標率在40%～65%之間。各重金屬中Cu的變異系數最大，受人為外界因素影響最強烈。

(2)比較研究區(qū)不同區(qū)域，亳州、蚌埠和阜陽市重金屬污染程度整體上較嚴重。阜陽市Fe和蚌埠市Co的超標率顯著高于其他區(qū)域，宿州、淮北、亳州、淮南市土壤中的Cu相比其他重金屬污染程度均顯著較高。

(3)結合相關性和主成分分析，Fe、Mn和Ni來源于自然源，Cu和Zn來源于混合源，Cr與Co來源于農業(yè)活動。

(4)研究區(qū)菜地土壤綜合狀況為輕度污染。Cu在各市平均污染指數最大；Mn和Cu在研究區(qū)各市土壤中均有一定程度的污染，污染范圍較廣；對于Fe和Ni污染，研究區(qū)各市均屬尚清潔水平。從綜合污染指數來看，不同城市均存在一定程度的污染，各市土壤重金屬污染程度由重至輕依次為：亳州>蚌埠>阜陽>淮南>淮北>宿州。

(5)針對目前研究區(qū)菜地污染現狀，要加強土壤污染的監(jiān)管與防控。注意針對Cu等重金屬污染加強農業(yè)施肥的監(jiān)管以及合理選擇蔬菜種植品種，避免土壤重金屬污染進一步加劇。