随着农业经济的高速发展，人类各种活动对土壤 环境的影响也在不断增加。重金属在环境中影响范围 广、危害大，而且很难在短时间内被分解掉，因此，重 金属造成的环境污染尤其是土壤环境污染引起了全 社会的广泛关注^[1]。陕北地区多为丘陵沟壑区和风沙 滩区，耕地面积在土地总面积中所占比例较小。近几 年来，随着城市的扩张和城镇化的发展，农业用地不 断减少，现有的耕地大多受到不同重金属的污染。对 于以农业为主要经济来源的陕北地区来说，耕地土壤 环境质量显得尤为重要。因此，为了了解陕北地区现 有耕地土壤重金属污染情况，保障人们生命健康安 全，文章以陕西省靖边县为例，运用统计学方法和潜 在生态危害指数法对靖边县内土壤重金属元素进行 分析，研究重金属在土壤中的变异性、相关性，综合评 价土壤质量状况和生态风险，从而为该地区土壤生态 环境的安全及污染的修复提供科学依据。 1 材料与方法 1.1 研究区概况

靖边县位于陕西省榆林市西南部，地处东经108°17′15″~109°20′l5″，北纬36°58′45″~38°03′15″，东 西宽91.3 km，南北长116.2 km，总面积5 088 km²。全 县海拔介于1 123~1 823 m之间，地势南高北低。靖边 县属半干旱大陆性季风气候，光照充足、温差大、气候 干燥、通风条件好、雨热同季、四季明显。年平均降雨 量395.4 mm，年平均气温7.8 益，年平均无霜期为130 d。靖边县境内土壤多为壤质性黄绵土和绵沙土，土层 深厚，土质疏松，农作物主要有蔬菜、马铃薯、玉米和 小杂粮。 1.2 样品采集

按照《农田土壤环境质量监测技术规范》^[2]的规定 在研究区均匀布点，共选择26 个调查点位，分别位于 乔沟湾、薛家畔、张兴渠、小河乡等地。确定采样地点 后先用GPS 准确定位，然后去除土壤表层的小石块 和动植物残体等，用铁锹采集0~20 cm 的表层土壤2 kg，装进可封闭的塑料袋中。 1.3 样品处理与分析

土壤样品自然风干后去除土壤中的杂质，用玻 璃研磨器研磨，然后过100 目尼龙筛。土壤中As 分析采用原子荧光法（AFS-230 原子荧光光度计）， Cd、Cr、Hg 和Pb 分析采用X 射线法（Axios X 射线 光谱仪），Zn 和Cu 用电感耦合等离子体质谱方法分 析（XSERIES2 型ICP-MS）。数据的分析处理采用 Excel 2010 和SPSS 19.0 完成。 1.4 评价标准及方法

土壤污染评价标准以国家《土壤环境质量标准》^[3] 和陕西省土壤背景值为参照。相关标准见表 1、表 2。

表 1 土壤重金属含量评价标准（mg·kg^-1）[ 3]

表选项

表 2 土壤综合污染指数评价标准^[4]

表选项

土壤重金属潜在生态风险评价采用潜在生态危 害指数法^[5]。该方法考虑全面，将重金属含量、重金属 生态效益环境效应等联系在一起，并定量划分各种重 金属元素的潜在生态危害程度^[5]。其公式如下：

通过研究区表层土壤中重金属浓度和陕西省土 壤重金属背景值计算出研究区土壤中各种重金属的 单项污染系数，最后根据各重金属元素的响应情况得 到其潜在生态风险因子^{[6, 7, 8]}。依据E_rⁱ值的大小能够判 断某一环境下每一种污染物的潜在生态风险，而且在 实际应用中，也可用于确定污染程度严重的重金属元 素，从而为重金属污染治理提供科学依据^[9]。 2 结果与讨论 2.1 土壤重金属含量分析

研究区土壤重金属含量的描述性统计结果见 表 3。由表 3可知，研究区土壤样品中Cr、Cu、Hg、Zn、 As 和Pb 的平均值均低于我国《土壤环境质量标准》 （GB 15618—1995）一级标准，Cd 的平均含量高于一 级标准，但低于二级标准。与陕西省土壤重金属元素 背景值相比，研究区土壤样品中Cd 的富集程度较 高，其平均含量是陕西省土壤重金属元素背景值的 2.79倍。其他重金属元素平均含量均低于陕西省土壤 重金属元素背景值，富集程度较低。从单项污染指数可以看出，研究区土壤重金属Cd 的污染最为严重，单 项污染指数达到2.788，属于中度污染；其他重金属元 素基本处于污染警戒限值附近，属于尚清洁状态。总 体而言，研究区土壤重金属含量较低，污染相对较小。

表 3 土壤中重金属含量描述性统计分析（mg·kg^-1）

表选项

变异系数（Cv）表示土壤特性空间变异性的大小， Cv≤0.1 时为弱变异性，0.1<Cv< 1时为中等变异性， Cv≥1时为强变异性^[9]。由表 3 可知，研究区土壤重金 属中各元素的变异系数由大到小顺序为Hg>Cd>Cu> Zn>Pb>Cr>As。其中Hg 的变异系数相对较大，表明 Hg在土壤中的波动性较大，根据研究区的地理位置 和土地利用情况推断出，这种波动可能是由于当地居 民生产生活活动引起的。 2.2 土壤重金属潜在生态风险评价

研究区土壤中重金属的潜在生态危害单项系数 见表 4。由表 4 可知，研究区土壤中Cr、Cu、Zn、As、 Pb、Hg等6种重金属潜在生态风险为低危害水平，估 计在近几年内应该不会对农产品造成危害；潜在生态 风险较高的重金属是Cd，在26个样点中，大约有3.9% 样品的Cd 潜在生态危害达到严重水平，有11.5 %样 品的Cd 潜在生态危害为重度水平。因此，研究区土 壤样品中Cd 对总的潜在生态风险指数贡献率最大， 其生态危害最严重^[10]。

表 4 土壤重金属元素潜在生态危害系数频数分布

表选项

对于农田土壤而言，重金属的潜在生态风险达到 中度以上（包括中度）水平时都会在一定程度上影响 到农产品的产量和质量^[10]。因此，靖边县在农业生产时， 土壤重金属中的主要污染控制对象为Cd，应采取物 理、化学或生物技术对受到污染的土壤进行修复治 理，减少土壤中Cd 的含量，保证土壤的安全性。 2.3 土壤重金属相关性分析

利用土壤中各重金属元素的相关性可以推断其 重金属是否同源，若相关性较大，则来源有可能相同， 若相关性较小，则说明其来源可能不同^[11]。利用 SPSS 19.0 软件对研究区土壤7 种重金属进行相关性 分析，其结果见表 5。

表 5 土壤重金属元素的相关系数

表选项

由表 5相关系数可知，研究区土壤重金属元素中 Cu、Zn、As、Pb 元素两两之间呈极显著的正相关关系， Cr 和Cu 呈极显著正相关关系，Cr 和Cd、Pb 和Cr 呈 显著相关关系。从以上结果可以看出，研究区土壤重 金属Cu、Zn、As、Pb、Cr 的来源有可能相同。 2.4 土壤重金属因子分析

相关研究表明，来自同一个污染源的污染物之间 一般有一定的相关性，其反映的信息具有一定的重叠^[10]。 因子分析法可以将相关性比较密切的几种元素归为 一类，每一类变量就成为1 个因子，可以通过各因子 中的特征元素，判断该因子中的元素来源。因此，本文 采用因子分析法来判别土壤重金属的来源^[10]。因子分 析结果见表 6。

表 6 土壤重金属元素因子分析

表选项

由表 6可以看出，研究区农田土壤中前3 个因子 反映了7种重金属全部信息的85.17%。因此，前3 个 因子即可反映所有数据的基本情况。旋转前后因子载 荷的差别较大，变量与一个因子的联系系数绝对值 （载荷）越大，则该因子与变量关系越近，因此采用旋 转后的正交因子载荷矩阵进行分析^[10]。

因子1 的贡献率是49.071%，其中，Cu、Zn、As 和Pb 的浓度在该因子上具有较高的正载荷，其因子载 荷值分别为0.944、0.954、0.933、0.893。由相关性分析 可知，研究区土壤重金属元素中Cu、Zn、As、Pb 元素 两两之间呈极显著的正相关关系。因此，这4 种元素 很有可能来自同一个污染源。根据靖边县经济发展现 状可知，靖边县石油资源丰富，2012 年生产原油达 354万t，此次选择的研究区域在石油矿井附近。另外， 相关研究表明^{[5, 10, 12, 13, 14]}，Cu、Zn 和As 的富集可能是矿 产开发所致，Pb 一般被认为是机动车辆的标识元素。 因此，研究区周围土壤中Cu、Zn、As、Pb 等金属元素 积累可能是由于附近石油开采活动和运输石油车辆 的影响。

因子2 的贡献率为20.681%，高载荷指标为Cd， 因子载荷值为0.900。由表 3和表 4可以看出，研究区 土壤重金属元素中Cd 的含量较多，污染较为严重。 由榆林市统计年鉴可知，2005 年靖边县化肥使用 量达29 384 t（实物量），农用薄膜498 819 kg，农药 13 196 kg，一般情况下，Cd 可作为农药和化肥等农业 活动的标识元素^[10]。结合靖边县实际情况可以推断 出，引起土壤中Cd 含量较多的主要原因是农药、化 肥和地膜的大量使用。

因子3 的贡献率为15.419%，高载荷指标是Hg， 因子载荷值为0.979。Hg 为气迁移元素，主要通过大 气中迁移污染物的干沉降和湿沉降散落到土壤中^[10]。 2012 年，延长石油股份有限公司靖边采油厂燃煤约 28 000 t，居民采暖用煤量也在不断增加，煤烟在排放 过程中产生的污染物较多。相关研究表明^[10]，土壤中 Hg可能是由于附近工业和居民燃煤造成的。污染物 中的Hg 随着烟尘在附近沉降，造成了土壤中Hg 的 积累。同时，由因子2 的分析可知，靖边县农药使用量 较大，而农药中含有一定量的Hg。因此，土壤中Hg 的 主要来源是当地工业和居民燃煤以及农药的使用。 3 结论

（1）靖边县土壤中重金属元素除Cd 外，均达到 国家《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）一级标 准，Cd 元素虽然超过一级标准，但低于二级标准，土 壤环境整体良好。空间变异分析结果显示土壤中Hg 的变异系数相对较大，表明这种元素在土壤中含量分 布不平衡，具有较大波动性。

（2）通过土壤重金属潜在生态风险评价可知，研 究区土壤中Cr、Cu、Zn、As、Pb、Hg 6种元素的潜在生 态风险均处于低危害水平，而Cd 元素则存在潜在生 态风险。大约有3.9%样品Cd 的潜在生态危害达到严 重水平，11.5%样品达到重度水平，50%样品达到较 重水平，34.6%样品达到中度水平。应采取一些物理、 化学、生物以及农业等措施对已经受到污染的土壤进 行修复治理，确保生态环境及人类健康安全。

（3）由重金属相关性和因子分析可知，研究区土 壤重金属可能来自多种污染源。通过分析认为土壤中 重金属的主要来源包括研究区附近石油开采活动、运 输车辆、农药和化肥的施用、工业和居民燃煤等。