王慧敏，汪丙國(guó)，靳孟貴，焦團(tuán)理

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430074； 2.安徽省地質(zhì)調(diào)查院，安徽 合肥 230001)

文章編號(hào)：1671-1556(2018)05-0055-09

土壤是人類賴以生存的自然環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要資源。隨著人類社會(huì)對(duì)土壤需求的擴(kuò)展，人類活動(dòng)對(duì)土壤的開(kāi)發(fā)強(qiáng)度越來(lái)越大，向土壤排放的污染物也成倍增加。重金屬可以在土壤中積累，在作物體內(nèi)殘留，通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體并在體內(nèi)蓄積，從而對(duì)人體構(gòu)成潛在危害。據(jù)國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局統(tǒng)計(jì)，我國(guó)面臨嚴(yán)重的土壤重金屬污染，每年約有12 Mt谷物被重金屬污染[1]。土壤重金屬來(lái)源通?？梢苑譃樽匀粊?lái)源和人為輸入[2-3]。在自然來(lái)源中，成土母質(zhì)和成土過(guò)程對(duì)土壤重金屬含量的影響較大，不同類型的成土母質(zhì)發(fā)育的土壤重金屬元素平均含量相差很大[4]。人為來(lái)源主要包括污水灌溉、固體廢棄物(污泥、垃圾等)處置、農(nóng)業(yè)活動(dòng)(農(nóng)藥和化肥施用等)以及市政活動(dòng)等[5]。

土壤重金屬污染的環(huán)境問(wèn)題是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一，研究中常使用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析對(duì)重金屬元素的來(lái)源進(jìn)行判斷[6-7]。近年來(lái)，我國(guó)開(kāi)展的多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查結(jié)果表明，長(zhǎng)江流域安徽段沿岸沖積平原土壤中Cd等多種重金屬元素富集的現(xiàn)象十分明顯[8-10]，開(kāi)展長(zhǎng)江流域Cd等多種重金屬元素異常示蹤與追源成為眾多學(xué)者關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。由于成土母質(zhì)是土壤形成的物質(zhì)基礎(chǔ)條件和土壤元素的最初來(lái)源，因此本文選取安徽省馬鞍山市當(dāng)涂縣河流沖積母質(zhì)的江心洲和湖沼相沉積母質(zhì)的大隴鄉(xiāng)作為研究區(qū)，分析了沖積與湖積成因的表層土壤重金屬的分布特征，并利用相關(guān)性分析和主成分分析方法對(duì)土壤重金屬的來(lái)源進(jìn)行了解析。

1 研究區(qū)概況

當(dāng)涂縣位于安徽省東部、長(zhǎng)江下游東岸，東與江蘇省接壤，西以長(zhǎng)江為界與和縣隔江相望。該地區(qū)地形屬長(zhǎng)江下游東岸平原，地勢(shì)北高南低，海拔高程多低于50 m；東北部為低山丘陵崗地，南部為平坦開(kāi)闊的平原圩區(qū)，水網(wǎng)較發(fā)育，見(jiàn)圖1。當(dāng)涂縣位于下?lián)P子臺(tái)坳北部燕山晚期宣-廣斷陷盆地北東部，第四系蕪湖組廣泛分布，表層主要巖性為淺棕黃色粉砂、砂質(zhì)黏土和黏土。縣內(nèi)河流屬長(zhǎng)江水系，較大的河流有姑溪河、運(yùn)糧河、青山河，東南部石臼湖部分屬當(dāng)涂縣。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location of the study area

根據(jù)2004年安徽省江淮流域局部(當(dāng)涂縣)土壤質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)研究結(jié)果，本文選取江心洲、大隴鄉(xiāng)作為研究區(qū)(見(jiàn)圖1)。江心洲位于當(dāng)涂縣西北部長(zhǎng)江主航道東側(cè)，因長(zhǎng)江泥沙逐漸沖積形成；土壤母質(zhì)為河流沖積物，土壤類型為潮土，土壤質(zhì)地以黏質(zhì)、壤質(zhì)為主[11]，土壤發(fā)育歷史相對(duì)較短，理化性質(zhì)受母質(zhì)影響較大，很大程度上繼承了河流沖積物的特性；土地利用以水旱輪作田為主，分布一定規(guī)模的菜地，經(jīng)濟(jì)作物主要為棉花、玉米、茭白等。大隴鄉(xiāng)位于當(dāng)涂縣東南端，屬于原丹陽(yáng)湖區(qū)，現(xiàn)今均已干枯退化為農(nóng)田；土壤母質(zhì)為湖沼相沉積物，土壤類型為潛育水稻土，土壤質(zhì)地以黏質(zhì)、壤質(zhì)為主；大隴鄉(xiāng)是安徽省生態(tài)農(nóng)業(yè)示范點(diǎn)之一，盛產(chǎn)糧棉油、魚(yú)蝦蟹和芡實(shí)、茭白、菱、藕等。

2 土樣采集與分析

2. 1 土樣采集

本次研究采樣時(shí)間為2016年4月，取樣采用GPS定位，在江心洲和大隴鄉(xiāng)共布設(shè)了24個(gè)表層土壤采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)位分布見(jiàn)圖2。表層土壤采樣點(diǎn)布設(shè)的基本原則是：平面樣點(diǎn)均勻分布、采樣位置能代表采樣單元土壤的環(huán)境特征。本次采集表層土壤樣品時(shí)，采集0～20 cm耕層土壤，采用三點(diǎn)采樣混合法，樣品重量約1 kg。土樣密封于雙層聚乙烯塑料袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室后混合均勻、風(fēng)干、磨碎、過(guò)2 mm篩后供測(cè)試分析。

2. 2 土樣測(cè)試分析

土樣測(cè)試指標(biāo)包括元素As、Cd、Co、Cr、Cu、Ge、Hg、Mn、Mo、Ni、Pb、Se、Sr、Tl、Zn、F、N的含量、有機(jī)質(zhì)含量(OM)和pH值，共計(jì)19項(xiàng)指標(biāo)。土樣分析測(cè)試工作主要由安徽省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所承擔(dān)，依據(jù)《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶250000)》(DZ/T 0258—2014)，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)測(cè)定土樣中Cd、Co、Cr、Cu、Mn、Mo、Ni、Pb、Sr、Tl、Zn的含量；采用原子熒光光譜法(AFS)測(cè)定土樣中As、Ge、Hg、Se的含量；采用離子選擇性電極法(ISE)測(cè)定土樣中F的含量和pH值；采用凱氏氮蒸餾酸堿滴定法測(cè)定土樣中N的含量；采用重鉻酸鉀氧化還原容量法測(cè)定土樣中OM的含量。土壤樣品分析過(guò)程中均加入國(guó)家地球化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)土壤參比物質(zhì)進(jìn)行質(zhì)量控制，其誤差均控制在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)。

圖2 研究區(qū)土壤采樣點(diǎn)位分布示意圖Fig.2 Distribution of sampling sites in the study area

2. 3 數(shù)據(jù)處理

本文采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件GS+7.0對(duì)土壤重金屬含量進(jìn)行半變異函數(shù)建模，并應(yīng)用ArcGIS軟件中克里金插值模塊對(duì)土壤重金屬含量進(jìn)行空間插值，探討土壤重金屬的空間分布特征。采用SPSS 19.0和Origin 8.6軟件對(duì)土壤樣品測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以確定土壤重金屬含量與土壤其他理化性質(zhì)的關(guān)系和土壤重金屬的來(lái)源。

3 結(jié)果與分析

3. 1 土壤中重金屬含量及其分布特征

3.1.1 表層土壤中重金屬含量特征

研究區(qū)表層土壤化學(xué)參數(shù)和重金屬含量的統(tǒng)計(jì)特征見(jiàn)表1和圖3，并采用研究區(qū)表層土壤背景值利用2004年“當(dāng)涂縣農(nóng)業(yè)生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查”的表層土壤數(shù)據(jù)迭代剔除平均值加減2倍標(biāo)準(zhǔn)差離群數(shù)據(jù)后的算術(shù)平均值作為研究區(qū)表層土壤的背景值[11-12]和《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995,以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》)的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值作對(duì)比分析。

表1 研究區(qū)表層土壤化學(xué)參數(shù)和重金屬含量的統(tǒng)計(jì)特征

注：表中除pH值為無(wú)量綱、OM含量的單位為%外，重金屬元素含量的單位均為mg/kg。

圖3 江心洲與大隴鄉(xiāng)表層土壤化學(xué)參數(shù)和重金屬含量年均值的對(duì)比圖Fig.3 Comparison chart of chemical properties and heavy metals mean values in the surface soils of Alluvial Islands and Dalong Township 注：圖中pH值為無(wú)量綱，OM含量的單位為%，其他重金屬含量的單位為mg/kg。

由表1和圖3可以看出：

(1) 江心洲沖積成因的表層土壤pH值在7.64～8.38之間，平均值為8.16，為弱堿性土壤；表層土壤OM含量在0.58%～2.17%之間，平均值為1.53%；表層土壤中重金屬As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn的平均含量分別為10.61 mg/kg、0.35 mg/kg、86.73 mg/kg、42.72 mg/kg、0.08 mg/kg、40.36 mg/kg、32.65 mg/kg和104.78mg/kg，與當(dāng)?shù)乇韺油寥辣尘爸迪啾龋鼳s含量稍高外，江心洲表層土壤中重金屬含量均低于背景值，并未表現(xiàn)出富集現(xiàn)象；表層土壤中As、Cd、Cu、Hg、Pb、Zn 6種重金屬分布表現(xiàn)出較大的空間變異，變異系數(shù)介于26%～43%，表明江心洲表層土壤重金屬的自然變異性和不同來(lái)源，可能存在點(diǎn)源輸入；與《標(biāo)準(zhǔn)》中二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值相比，江心洲表層土壤中重金屬的平均含量均在二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值內(nèi)，只有1個(gè)采樣點(diǎn)(DT14)的Cd含量(0.71 mg/kg)超過(guò)了二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值。

(2) 大隴鄉(xiāng)湖積成因的表層土壤pH值在5.36～6.81之間，平均值為5.82，為酸性土壤；表層土壤OM含量在2.13%～4.25%之間，平均值為3.32%；表層土壤中重金屬As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的平均含量分別為13.26 mg/kg、0.35 mg/kg、97.30 mg/kg、45.57 mg/kg、0.10 mg/kg、44.36 mg/kg、37.26 mg/kg和125.44 mg/kg；與當(dāng)?shù)乇韺油寥辣尘爸迪啾?，大隴鄉(xiāng)表層土壤中As、Cd、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 7種重金屬元素的平均含量均高于當(dāng)?shù)乇韺油寥辣尘爸担砻鬟@7種重金屬元素在表層土壤中存在富集；此外，這7種重金屬元素的變異系數(shù)均小于20%，表明其來(lái)源較一致，且富集呈現(xiàn)出普遍性；與《標(biāo)準(zhǔn)》中二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值相比，大隴鄉(xiāng)表層土壤中重金屬As、Cr、Hg、Pb、Zn的含量均低于二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值[13-14]，但有73.33%樣品的Cd含量、60%樣品的Ni含量以及20%樣品的Cu含量超出了二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，最大超標(biāo)倍數(shù)分別為1.39、1.22和1.05倍。

(3) 大隴鄉(xiāng)表層土壤重金屬含量和OM含量的平均值均高于江心洲表層土壤，主要是因?yàn)榇箅]鄉(xiāng)的成土母質(zhì)為湖沼相沉積物，其靜水沉積環(huán)境相對(duì)比江心洲流動(dòng)環(huán)境產(chǎn)生更大的重金屬富集度[15]，大部分重金屬元素趨向于在湖沼相沉積物中沉積富集。

3.1.2 表層土壤中重金屬元素的空間分布特征

K-S檢驗(yàn)結(jié)果表明，研究區(qū)表層土壤pH值、OM含量和重金屬元素含量的數(shù)據(jù)屬于正態(tài)分布，滿足地統(tǒng)計(jì)分析對(duì)數(shù)據(jù)正態(tài)分布的要求。本文利用GS+7.0軟件在各項(xiàng)同向性條件下對(duì)研究區(qū)表層土壤pH值、OM含量和重金屬元素含量的半方差函數(shù)理論模型進(jìn)行了擬合，其擬合結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 研究區(qū)表層土壤化學(xué)參數(shù)和重金屬元素含量的半方差函數(shù)理論模型及其相關(guān)參數(shù)

由表2可知，除江心洲表層土壤pH值的擬合度(決定系統(tǒng))較小外，研究區(qū)表層土壤OM含量和重金屬含量的半方差函數(shù)理論模型擬合度均在0.3以上，說(shuō)明半方差函數(shù)理論模型的選取基本滿足要求；研究區(qū)表層土壤pH值、OM含量和重金屬含量的塊金系數(shù)均小于25%，表明這些指標(biāo)都具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性，其主要是由氣候、土壤母質(zhì)、地形、土壤類型等結(jié)構(gòu)性因素引起的。

為了直觀地顯示重金屬元素在空間上的分布特征，本文利用擬合得到的半方差函數(shù)模型及其相關(guān)參數(shù)，對(duì)土壤pH值、OM含量和重金屬含量進(jìn)行最優(yōu)無(wú)偏插值，得到研究區(qū)表層土壤pH值、OM含量和重金屬元素含量的空間分布圖，見(jiàn)圖4。

由圖4可以看出：

(1) 江心洲表層土壤中8種重金屬元素含量的空間分布特征基本相似，大致表現(xiàn)為從東北向西南方向逐漸遞減的變化趨勢(shì)，這與OM含量由高到低的分布規(guī)律基本一致，反映了表層土壤OM含量對(duì)重金屬元素的累積有明顯的控制作用[16]。據(jù)資料顯示，江心洲的發(fā)育演變表現(xiàn)為左汊裁穿取直，右汊逐漸變窄[17]，江心洲左緣土壤中重金屬含量偏低，反映了水動(dòng)力作用對(duì)土壤重金屬空間分布格局的控制，即在水動(dòng)力條件弱的淤長(zhǎng)部位堆積大量細(xì)顆粒泥沙，重金屬顯著富集[9,18]。根據(jù)其空間分布圖可知，江心洲南部土壤中Cd、Cu和Hg含量較高，可能與江心洲東南側(cè)約2.5 km的熱電廠有關(guān)[19]，燃煤過(guò)程排放的Cd、Cu、Hg等重金屬通過(guò)大氣沉降輸入到江心洲土壤之中。

圖4 研究區(qū)表層土壤pH值、OM含量和重金屬元素含量的空間分布圖Fig.4 Spatial distributions of pH,organic matter and heavy metals in surface soils of the study area

(2) 大隴鄉(xiāng)表層土壤中重金屬Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的含量分布規(guī)律比較相似，土壤中重金屬含量高的地方主要集中在大隴鄉(xiāng)中部和北部，這與土壤中OM含量分布相似，但與pH值的變化趨勢(shì)正好相反，反映了土壤中這5種重金屬元素的含量在很大程度上取決于成土母質(zhì)的性質(zhì)；土壤中As含量表現(xiàn)為從東北向西南方向逐漸遞減的變化趨勢(shì)；土壤中Cd含量表現(xiàn)為從東向西方向逐漸遞減的變化趨勢(shì)，并在整個(gè)區(qū)域中含量偏高，大部分高于0.3mg/kg，土壤中Hg含量高的區(qū)域主要分布在大隴鄉(xiāng)南部，反映了As、Cd、Hg的含量在一定程度上受到施肥、燃煤等人類活動(dòng)的影響。

3. 2 土壤重金屬的來(lái)源分析

3.2.1 相關(guān)性分析

自然環(huán)境中的重金屬元素多具有伴生性或綜合存在性，元素總量之間的相關(guān)程度有助于發(fā)現(xiàn)重金屬元素的一些共生規(guī)律和富集聯(lián)系，可以為區(qū)域重金屬污染狀況分析提供參考。相關(guān)性分析已廣泛運(yùn)用于分析水土的化學(xué)數(shù)據(jù)，主要用于分析具有相同或相似來(lái)源的各個(gè)元素之間的相關(guān)性，由此可以確定重金屬元素是否具有相同的來(lái)源[20-21]。研究區(qū)表層土壤中重金屬含量與土壤化學(xué)參數(shù)之間的Pearson相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表3和表4。

表3 江心洲表層土壤中重金屬含量與土壤化學(xué)參數(shù)之間的Pearson相關(guān)系數(shù)

注：“**”表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，“*”表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。下表同。

表4 大隴鄉(xiāng)表層土壤中重金屬含量與土壤化學(xué)參數(shù)之間的Pearson相關(guān)系數(shù)

由表3可知，江心洲表層土壤中重金屬元素As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的含量與OM的含量呈顯著性正相關(guān)(p<0.01)，與pH值相關(guān)性較差，這主要是因?yàn)閜H值在相對(duì)較窄的范圍(7.64～8.38)內(nèi)波動(dòng)；土壤中重金屬元素含量之間具有顯著相關(guān)關(guān)系，特別是As、Cd、Cu、Pb、Zn之間的相關(guān)系數(shù)均大于0.9，表明其具有相同的地球化學(xué)特征，或者具有相同的來(lái)源[22]。由圖4也可知，土壤中各重金屬元素含量之間大體呈顯著性相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)出一定的空間一致性。

由表4可知，大隴鄉(xiāng)表層土壤中重金屬元素Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的含量與OM、Se含量呈顯著性正相關(guān)，同時(shí)這5種重金屬元素含量之間均呈現(xiàn)顯著性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.841～0.975，可以推測(cè)土壤中這5種重金屬元素具有相似的富集途徑和相同的來(lái)源；土壤中As含量與OM、Se含量以及Cu、Hg、Ni含量呈負(fù)相關(guān)(p<0.05)，反映了As與Cu、Hg、Ni有著部分相似的來(lái)源，也反映了人為來(lái)源對(duì)As的貢獻(xiàn)；土壤中Cd、Hg含量與OM含量之間無(wú)顯著相關(guān)性，說(shuō)明這兩種重金屬元素與土壤性質(zhì)之間缺乏相關(guān)性，主要是因?yàn)榇嬖谶@兩種重金屬的連續(xù)輸入或污染源[23]：土壤中Cd含量并沒(méi)有與其他任何重金屬元素的含量表現(xiàn)出相關(guān)性，僅與F含量呈現(xiàn)顯著相關(guān)性，說(shuō)明Cd與其他重金屬的污染來(lái)源不同；土壤中Hg含量?jī)H與As含量呈負(fù)相關(guān)，表明土壤中Hg可能受人為因素的影響[24]。

3.2.2 主成分分析

為了進(jìn)一步探討研究區(qū)表層土壤中重金屬元素的來(lái)源和控制其分布的主要因素，分別對(duì)江心洲和大隴鄉(xiāng)表層土壤化學(xué)參數(shù)和重金屬含量等指標(biāo)進(jìn)行了主成分分析，Kaisere-Meyere-Olkin和Bartlett的球形度檢驗(yàn)表明標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)適宜做主成分分析。其中，江心洲表層土壤得到特征值大于1的2個(gè)主因子，且這2個(gè)主因子累計(jì)貢獻(xiàn)率為94.24%；大隴鄉(xiāng)表層土壤得到特征值大于1的3個(gè)主因子，且這3個(gè)因子累計(jì)貢獻(xiàn)率為90.72%。為了使各公共因子的典型代表變量更加突出，便于解釋其實(shí)際意義，本文采用方差最大旋轉(zhuǎn)法對(duì)主成分矩陣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，經(jīng)旋轉(zhuǎn)得到因子荷載矩陣見(jiàn)表5。

表5 研究區(qū)表層土壤化學(xué)參數(shù)和重金屬含量指標(biāo)的主成分分析結(jié)果

分析表5可以看出：

(1) 對(duì)于江心洲表層土壤：

第一主因子PC1的方差貢獻(xiàn)率為55.56%，因子荷載較高的指標(biāo)為Mn、As、Cd、Cu、Hg、Pb和Zn的含量(>0.75)，中等因子荷載的指標(biāo)為OM、Se、Cr和Ni的含量，與相關(guān)性分析中土壤重金屬來(lái)源一致的結(jié)果相同。江心洲土壤發(fā)育歷史較短，很大程度上繼承了河流沖積物的特性，由土壤重金屬含量空間分布(見(jiàn)圖4)可知，土壤中重金屬含量在江心洲的右緣較高，主要是因?yàn)榇颂幩畡?dòng)力條件弱，大量堆積細(xì)顆粒泥沙，As、Cd、Cu、Pb和Zn等重金屬明顯趨于富集。根據(jù)魏曉等[19,25]在2017年有關(guān)長(zhǎng)江安徽段土壤重金屬來(lái)源分析得出，PC1反映了土壤粒度的差異對(duì)重金屬的影響，說(shuō)明土壤粒徑效應(yīng)對(duì)重金屬元素富集的影響[26-27]。

第二主因子PC2的方差貢獻(xiàn)率為38.68%，因子荷載較高的指標(biāo)為pH值、OM、F和Se的含量，中等因子荷載的指標(biāo)為Cr、Ni和Zn的含量。其中，Cr、Ni、Se、Zn與OM的含量是正荷載，反映了帶正電荷離子與存在于有機(jī)物質(zhì)中的帶負(fù)電荷位點(diǎn)結(jié)合的趨勢(shì)[28]，與相關(guān)性分析中土壤重金屬Cr、Ni、Se、Zn與OM的含量呈顯著性正相關(guān)的結(jié)果一致。土壤中OM含量較高(>1.6%，見(jiàn)圖4)，Cr、Ni和Zn等重金屬元素趨于富集，可見(jiàn)主因子PC2主要代表成土過(guò)程中OM的積累。

江心洲土壤很大程度上繼承了河流沖積物的特性，而OM在沉積物中的分布主要受沉積物粒徑分布的控制[29]，因此土壤中重金屬含量主要受粒度控制。分析認(rèn)為：在長(zhǎng)江上游土壤侵蝕和其他地表物質(zhì)沖刷搬運(yùn)過(guò)程中，富含重金屬元素的細(xì)粒級(jí)顆粒物優(yōu)先被侵蝕，從各處匯集至河道中，在下游地區(qū)沉積[8-9]，因此沿江沖積平原區(qū)土壤重金屬元素富集是一種自然過(guò)程[30]。一方面，在長(zhǎng)江源頭，二疊系地層為出露的重要地層，該地層出露的黑色巖系具有較高的重金屬含量[8]；另一方面，沿江地區(qū)地處揚(yáng)子地臺(tái)北緣，礦產(chǎn)資源豐富，主要有Cu、Fe、Au、Ag、Pb、Zn等內(nèi)生金屬礦產(chǎn)，為土壤中重金屬提供了豐富的物源[31]。除自然地質(zhì)來(lái)源外，煤礦和有色金屬的開(kāi)采、加工和冶煉等有關(guān)的工業(yè)活動(dòng)也加劇了重金屬的釋放，通過(guò)各種途徑進(jìn)入水環(huán)境，并被吸附到懸浮顆粒物中不斷沉積在表層土壤中，導(dǎo)致重金屬進(jìn)一步富集[32]。

(2) 對(duì)于大隴鄉(xiāng)表層土壤：

第一主因子PC1的方差貢獻(xiàn)率為58.53%，因子荷載較高的指標(biāo)為OM、Se、Mn、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的含量，中等因子荷載的指標(biāo)為pH值，與相關(guān)性分析的結(jié)果相同。根據(jù)環(huán)境研究中的多元統(tǒng)計(jì)方法[33-34]，方差貢獻(xiàn)率最高的第一主因子是高背景的巖性因子，母巖及其風(fēng)化作用是影響土壤物理化學(xué)性質(zhì)的主要因素[35]。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)可知[36]，大隴鄉(xiāng)土壤是由20世紀(jì)70年代丹陽(yáng)湖圍墾形成，其物質(zhì)主要來(lái)源于江蘇省溧水縣五王山區(qū)以及安徽省郎溪縣、廣德縣皖南山區(qū)，物源區(qū)內(nèi)分布有侏羅紀(jì)火山巖、二疊紀(jì)和三疊紀(jì)Se高背景地層。由圖4可知，土壤中Cr、Cu、Ni、Pb和Zn含量高的幾個(gè)采樣點(diǎn)都分布在大隴鄉(xiāng)中部，其pH值小于5.8，OM含量大于3.0%。因此，主因子PC1主要來(lái)自巖石化學(xué)風(fēng)化成土過(guò)程的釋放。

第二主因子PC2為F和Cd的含量，其方差貢獻(xiàn)率為17.37%，與相關(guān)性分析中大隴鄉(xiāng)表層土壤中Cd含量?jī)H與F含量呈正相關(guān)(p<0.05)的結(jié)果一致。大隴鄉(xiāng)表層土壤中Cd含量大部分超出了表層土壤背景值的范圍。重金屬在農(nóng)業(yè)土壤中積累主要有三個(gè)途徑：灌溉、干濕沉積和施肥[37]。Cd一般可作為施用農(nóng)藥和化肥等農(nóng)業(yè)活動(dòng)的標(biāo)識(shí)元素[38]，磷肥的施用會(huì)導(dǎo)致土壤中Cd含量的增加。同時(shí)普通磷肥含有一定量的F，大量施用磷肥也會(huì)造成土壤中F的積累[39]。研究發(fā)現(xiàn)，20世紀(jì)60年代，石臼湖(同源于古丹陽(yáng)湖)流域化肥和農(nóng)藥的使用量急劇上升，導(dǎo)致土壤中重金屬的污染[40]。由此可以推斷，主因子PC2反映了農(nóng)藥、化肥、飼料等各種農(nóng)業(yè)污染對(duì)土壤重金屬富集的影響。

第三主因子PC3的方差貢獻(xiàn)率為14.82%，因子荷載值較高的指標(biāo)為Hg含量，中等因子荷載的指標(biāo)為As含量。根據(jù)相關(guān)性分析可知，土壤中As含量與Cu、Hg、Ni的含量呈負(fù)相關(guān)，土壤中Hg含量與除As以外的其他重金屬無(wú)顯著相關(guān)性，說(shuō)明As、Hg可能受地球化學(xué)和人為因素的綜合影響[22]。第三主因子主要支配著土壤中重金屬As和Hg的來(lái)源，一些研究指出，農(nóng)田中As主要來(lái)源于農(nóng)藥和化肥等人類活動(dòng)[41]，煤炭燃燒是Hg污染的主要來(lái)源。因此，PC3可能主要來(lái)源于施肥、煤炭燃燒等人為活動(dòng)的污染，同時(shí)少部分為自然地質(zhì)源。

4 結(jié) 論

通過(guò)調(diào)查采樣研究了當(dāng)涂縣江心洲沖積成因和大隴鄉(xiāng)湖積成因的表層土壤中重金屬元素的空間分布特征，并利用相關(guān)性分析和主成分分析方法探討了研究區(qū)表層土壤重金屬元素的可能來(lái)源，得到如下結(jié)論：

(1) 當(dāng)涂縣江心洲沖積成因的表層土壤呈堿性(pH值介于7.64～8.38)，OM含量低(1.53%)，重金屬元素As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的平均含量分別為10.61 mg/kg、0.35 mg/kg、86.73 mg/kg、42.72 mg/kg、0.08 mg/kg、40.36 mg/kg、32.65 mg/kg和104.78mg/kg，除As以外其他重金屬元素含量的平均值均低于當(dāng)?shù)乇韺油寥赖谋尘爸?。大隴鄉(xiāng)湖積成因的表層土壤呈酸性(pH值介于5.36～6.81)，OM含量高(3.32%)，As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的平均含量分別為13.26 mg/kg、0.35 mg/kg、97.30 mg/kg、45.57 mg/kg、0.10 mg/kg、44.36 mg/kg、37.26 mg/kg和125.44 mg/kg，重金屬元素含量的平均值均高于當(dāng)?shù)乇韺油寥赖谋尘爸怠?/p>

(2) 江心洲沖積成因的表層土壤中8種重金屬元素含量的空間分布特征基本相似，與OM含量的分布規(guī)律基本相同，大致表現(xiàn)為從東北向西南方向逐漸遞減的變化趨勢(shì)，并在水動(dòng)力條件弱的江心洲右緣含量較高。大隴鄉(xiāng)湖積成因的表層土壤中Cr、Cu、Ni、Pb、Zn含量高的地方主要集中在大隴鄉(xiāng)中部和北部，與OM含量、pH值的分布特征相似；土壤中As、Hg含量高的區(qū)域分別分布在大隴鄉(xiāng)北部和南部；土壤中Cd含量在整個(gè)區(qū)域內(nèi)偏高，大部分Cd含量高于0.3 mg/kg。

(3) 相關(guān)性分析和主成分分析結(jié)果表明：江心洲沖積成因的表層土壤中重金屬來(lái)源的絕大部分信息可由2個(gè)主因子反映，土壤中重金屬主要來(lái)自細(xì)粒級(jí)顆粒物的表面吸附效應(yīng)和OM對(duì)重金屬的富集作用，即中上游富含重金屬元素的細(xì)粒級(jí)顆粒物在下游地區(qū)沉積；大隴鄉(xiāng)湖積成因的表層土壤中重金屬來(lái)源的絕大部分信息可由3個(gè)主因子反映：①土壤中Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Se和Zn來(lái)源于巖石化學(xué)風(fēng)化成土過(guò)程的釋放，②土壤中Cd來(lái)源于農(nóng)藥、化肥、飼料等各種農(nóng)業(yè)污染，③土壤中As、Hg由自然源和施肥、煤炭燃燒等人為活動(dòng)共同貢獻(xiàn)。

致謝:感謝安徽省地質(zhì)調(diào)查院和安徽省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所在野外工作、土樣分析測(cè)試等方面給予的大力支持;感謝匿名審稿專家的意見(jiàn)與建議。