随着工业化进程的加快，未达到规定排放标准的工业“三废”的随意排放进入环境，造成了土壤中重金属浓度的增加，且工矿企业周边的农田土壤多属于重金属污染比较严重的区域。开展工矿区周围农田土壤重金属污染状况的调查与评价，了解其污染的程度、分布和来源，是开展工矿企业周边农田土壤污染管控和修复的必要基础。国内外对土壤重金属污染评价、污染来源分析等方面做了大量研究，采用的主要评价方法有：污染指数法、潜在生态危害风险法、富集因子法、灰色聚类法、层次分析法、地累积指数法、健康风险评价法等^[1-3]。其中，单项污染指数法以土壤环境质量标准为基础，目标明确；内梅罗污染指数法可全面反映各污染物对土壤的不同作用^[4]。如：王成军等^[5]采用单因子和内梅罗污染指数法发现冶炼厂周边大部分土壤重金属浓度超出国家二级标准值；曹露等^[6]采用单因子和内梅罗污染指数法得出碧流河下游农田受土壤重金属污染，且处于重污染水平。随着计算机技术和地理信息系统(GIS)的广泛应用，多种模型评价方法逐步应用到土壤重金属污染评价中，实现了土壤重金属的空间变异特征分析，可以对评价结果进行可视化表达^[7]。因此将单项污染指数和内梅罗污染指数同时用于环境各要素评价中，并结合地统计分析方法，可准确、全面、直观地反应土壤重金属污染及空间分布情况，对土壤重金属的治理和防控都有着重要的意义。

福建是我国南方重要的重金属矿区之一，分布着大量铅锌矿和锰矿等重金属矿产。长期以来，由于缺乏环保意识，开采、选矿过程中对矿区周围环境造成了不同程度的污染。由于这些尾矿中含有大量重金属，在地表生物地球化学作用下，通过释放和迁移导致了土壤和作物受到严重的重金属污染，并通过食物链进入人体，对矿区周围居民的身体健康和生存环境构成了严重威胁^[8]。不同类型的重金属企业涉及的重金属污染物不同，如集中于泉州市和漳州市的皮革鞣制加工业在生产过程中使用含铬鞣剂，因此造成了严重的Cr污染；而金属表面加工业主要污染物为Zn、Cr、Cu、Ni。这说明分析不同行业周边土壤重金属的污染对于治理当地土壤是非常重要的^[9]。因此本文选择福建省西部某典型炼钢厂周边农田重金属进行调查和研究，利用污染指数法和空间插值法对土壤重金属进行评价以及进一步的源解析，以期为由于炼钢活动造成的土壤污染的管理和修复提供更为可靠的科学依据。

调查区选在福建省西部某炼钢厂附近的污染农田。炼钢厂位于河流东侧，建于20世纪70年代初期，上游还有长期开采的铁矿。当地居民长年使用炼钢厂和上游铁矿排放的废水进行农田灌溉，因此可能使得流域两侧的农田受到比较严重的重金属污染。调查区位于河流的西侧，总面积约72.3 hm²，土壤母质以冲积物为主(图 1)。

图 1 调查区采样点分布图 Figure 1　Location of the sampling sites near the steel plant

图选项

根据炼钢厂周边的灌溉渠的分布特征，在调查区内共采集44个表层土壤(0~20 cm)样品，如图 1所示。土样风干后，研磨过2 mm尼龙筛，取适量＜2 mm土样研磨过0.149 mm尼龙筛，储存备用。

土壤全量铬、铅、镉、镍、铜和锌采用(GB/T 17137—1997)HCl-HNO₃-HF-HClO₄消解法，电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测定；全量砷采用原子荧光法^[10]。

土壤污染评价方法采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法。单因子污染指数计算方法见公式1：

(1)

式中：P_i为土壤污染物i的单项污染指数，C_i为土壤污染物i的实测全量(mg·kg^-1)，S_i为土壤污染物i的评价标准(mg·kg^-1)。评价标准采用《土壤环境质量标准》(GB 15618— 1995)中的二级标准值(pH < 6.5)为评价标准，当水田和旱地的标准值不同时，均选用其中较低的标准值作为评价标准，各重金属的评价标准分别为：Cd=0.3 mg·kg^-1，Pb=250 mg· kg^-1，Zn=200 mg·kg^-1，Cu=50 mg·kg^-1，As=30 mg·kg^-1，Cr=150 mg·kg^-1，Ni=40 mg·kg^-1。重金属污染程度分级见表 1。内梅罗综合污染指数的计算方法见公式2：

(2)

式中：P_综为土壤综合污染指数；P为土壤中各染污物指数的平均值；P_imax为土壤单项污染物的最大污染指数，按表 1的指标进行污染程度分级。

表 1　土壤重金属污染指数划分标准 Table 1　Threshold values for grading the pollution index of the heavy metals in the soils

表选项

使用Excel 2010进行数据处理；采用SPSS 19.0进行主成分分析和因子分析；采用克里格插值法并通过ArcGIS 10.2软件绘制污染指数综合评价图。

调查区土壤Cd、Pb、Zn、Cu、As、Cr、Ni的全量列于表 2。由表 2可知，该区土壤中除Ni外，Cd、Zn、Pb、Cu、As、Cr全量的平均值均超过福建省土壤背景值^[11]。调查区土壤44个点位中Cd、Pb、Zn和As四个元素的点位超标率(与背景值比)达到100%，Cu的点位超标率(与背景值比)为81.8%，Cr的点位超标率(与背景值比)为56.8%，Ni的点位超标率(与背景值比)最小为20.5%。上述的结果表明该调查区无论流域上游和下游的土壤都受到了Cd、Pb、Zn和As的污染，超过一半的土壤也受到了Cu和Cr污染。调查区虽只有不到1/5的土壤受到Ni的污染，然而Ni的最大值约是福建省土壤背景值的4.4倍，所以个别点位Ni的污染也不容忽视。

表 2　土壤各重金属含量(mg·kg^-1) Table 2　Contents of the heavy metals in the soils (mg·kg^-1)

表选项

采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法对调查区土壤的污染情况进行评价，计算得到的污染指数如表 3所示。从表 3可知，土壤Cd的单因子污染指数均值为5.47，点位超标率(二级标准)为100%，平均污染程度属于重度污染。土壤Zn的单因子污染指数均值为3.31，点位超标率(二级标准)为95.5%，平均污染程度属于中度污染。土壤Pb的污染指数均值为0.94，点位超标率(二级标准)为29.6%，且最大单因子污染指数为2.26，这表明调查区局部土壤的Pb污染也比较严重。土壤Cu和As的点位超标率(二级标准)分别为15.9%和6.8%，最大单因子污染指数分别为1.94和1.42，表明调查区土壤中有小部分受到了Cu和As的污染，但污染程度相对较轻。调查区44个点位中Cr和Ni均未超过二级标准，这说明调查区土壤Cr和Ni的外源输入量有限，Cr和Ni在土壤中处于清洁状态。土壤的内梅罗污染指数均值为4.00，根据表 1土壤重金属污染指数划分标准可知调查区土壤重金属整体上处于重度污染状态。

表 3　土壤重金属污染指数和污染程度 Table 3　The pollution index and the pollution degree of the heavy metals in the soils

表选项

同一来源的元素之间存在相关性，因此，可以利用元素之间的相关性来反映各个元素之间的同源关系或关联情况^[12]。表 4表示了调查的7种重金属之间的相关系数。由表 4可知，Cd、Pb、Cu、Zn、As五个元素之间具有极显著的正相关关系，这可能说明Cd、Pb、Cu、Zn、As具有同源关系或者它们的污染源之间具有一定的关联性。Cr与Ni之间相关性极显著，这也暗示这两个元素可能来自同一个污染源或者这两个元素的污染源之间有很强的关联性，这个结果与单因子污染指数法得出的结论一致。

表 4　土壤重金属之间的相关系数(r) Table 4　Correlation coefficients (r)between the contents of the heavy metals in the soils

表选项

除元素相关性判断污染源情况，因子分析法也是一种有效判别土壤重金属污染来源的方法^[13]。7种重金属的KMO和Bartlett分析结果如表 5所示。KMO和Bartlett检验表明各重金属之间具有较强的相关性，KMO值>0.6，Bartlett球形度检验，P < 0.001，这说明本研究的数据可以进行因子分析。由表 6可知，前2个主成分因子可以解释总变量的75.22%，因子1解释总方差的47.70%，因子2解释总方差的27.52%，符合因子分析要求。表 7因子载荷矩阵显示，7种重金属被分为两组，Cd、Zn、Pb、Cu和As主要受因子1的影响，而Ni和Cr主要受因子2的影响。这个结果也进一步显示Cd、Zn、As、Cu和Pb这五个元素的污染源具有同源性，而Cr和Ni的污染源具有同源性。

表 5　KMO和Bartlett检验 Table 5　Test of KMO and Bartlett

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表 6　因子分析总方差解释 Table 6　Explanation of the total variance of factor analysis

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表 7　因子载荷矩阵 Table 7　The factor load matrix

表选项

图 2也表明，Cd、Zn、Pb、Cu和As是受同一影响因子的影响，根据调查区概况可以判断出主要是受钢铁厂排放的废水以及废气的影响；而Cr和Ni受外源添加影响较小，主要应是来自于土壤本底含量。不同钢铁厂会导致不同类型的土壤重金属污染，如Cd-Pb-Ni-Cr-Mn-Zn污染^[14]、Hg-Cd-Zn污染^[15]，Ni-Cu-Cd-Cr污染^[16]。本研究结果表明，调查区土壤以Cd、Zn污染为主，Pb、Cu、As污染较轻，Cr和Ni没有明显污染。综合上述结果可以推断周边农田土壤中的Pb、Cd、Cu、Zn、As污染主要由钢铁厂引起，而土壤中的Ni和Cr则主要来自于土壤本底，与钢铁厂排放没有明显的联系。

图 2 土壤重金属因子载荷分布图 Figure 2　Distribution of the factors of heavy metals in the soils

图选项

此外，来自同一污染源的重金属进入土壤后，在土壤中的迁移过程不同，如Cd进入土壤易于被土壤吸附，因此主要集中在土壤表层，且有机质含量越高，质地越细的土壤中表层土壤中Cd含量越高。而As则容易随着水分下渗而向下迁移而使得表层土壤中As的含量较低^[17]。因此在对土壤中重金属的污染程度以及污染源解析的过程中，不同重金属在土壤中的迁移形式需要考虑，采集土壤样品时不仅需要考虑表层土壤中重金属的含量，亚耕层土壤中重金属的含量也需要考虑。

对各点位土壤的内梅罗指数进行Kriging插值分析得出评价图(图 3)。从图 3中可以看出，该区域的综合污染指数总体呈现东南向西北逐渐递减的趋势。在河流西岸的农田土壤区出现3个污染较严重的区域，分别位于调查区西北侧以及靠近炼钢厂的西面，这种污染分布受河流流向(从东南流向西北)的影响，下游比上游更容易接受炼钢厂的污水灌溉。3个较严重污染的土壤呈斑块状分布，而不是成片分布，这可能与污水进入农田的主要进水口的分布有关。除了排水口呈现斑块污染状况外，炼钢厂周围的土壤重金属污染最严重，总体呈从东南向西北随着距离的增加，污染逐渐减弱。

图 3 土壤重金属综合污染指数插值分布图 Figure 3　Distribution of Nemero comprehensive pollution index of the heavy metals in the soils

图选项

(1) 根据单因子污染指数分析调查区土壤Cd点位超标率为100%，属于重度污染；Zn点位超标率为95.5%，属于中度污染；局部土壤受到了Pb、Cu和As的污染，但污染程度较轻；土壤中未见明显Cr与Ni污染。

(2) 土壤Cd、Pb、Cu、Zn和As含量之间具有显著相关性，显示其具有同源关系；土壤Cr与Ni含量之间亦具有显著相关性，也具有同源关系。主成分分析和因子分析表明，土壤Cr和Ni受外来因素干扰较小，主要受土壤本底含量的影响，而Pb、Cd、Cu、Zn和As的污染主要由外源引起，可推断主要受炼钢厂污染物排放的影响，而污水灌溉是主因。

(3) 调查区土壤重金属的综合污染程度空间分析表明，炼钢厂周围的土壤最严重，总体呈从东南向西北随着距离的增加，污染程度逐渐减弱；但调查区土壤出现了3个斑块状的比较严重的污染区，这与炼钢厂污水进入农田的入水口位置有关。