王志杰，柳書俊，鄭杰，喻理飛,

1. 貴州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2. 貴州大學(xué)茶學(xué)院，貴州 貴陽 550025；3. 山地植物資源保護(hù)與種質(zhì)創(chuàng)新省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025；4. 山地生態(tài)與農(nóng)業(yè)生物工程協(xié)同創(chuàng)新中心，貴州 貴陽 550025

土壤是人類賴以生存的基礎(chǔ)，也是農(nóng)產(chǎn)品安全的根本保障，土壤污染對農(nóng)產(chǎn)品與地下水質(zhì)量安全、生態(tài)安全、人類生存發(fā)育有著直接影響（Wen et al.，2015）。隨著工業(yè)化的快速發(fā)展和人類對土地資源開發(fā)利用程度的加劇，土壤環(huán)境安全問題日趨嚴(yán)峻，其中重金屬污染是影響土地環(huán)境的主要因素之一（王美娥等，2016）。重金屬具有潛伏性強(qiáng)、遷移速率慢、污染后果嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)復(fù)雜等特點(diǎn)，不僅通過積累影響土壤環(huán)境質(zhì)量，阻礙植物生長，而且還通過食物鏈進(jìn)入人體，威脅人類健康（Gray et al.，1990；楊洋等，2016；李孝剛等，2014；徐琪等，2019）。近年來針對土壤重金屬的污染程度評價(jià)和由此帶來的土壤安全、作物健康等問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量深入的研究，提出了一系列土壤重金屬污染評價(jià)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、手段和方法（Markus at al.，2001；朱青等，2004；Xiao et al.，2017；Shi et al.，2019）。

草海是中國三大高原淡水湖之一，也是貴州最大的高原天然淡水湖泊，是中國最重要的生物多樣性保護(hù)區(qū)域之一，也是國際國內(nèi)公認(rèn)的“黑頸鶴自然種群密度最高的重要越冬地”。近年來草海周邊污水常年無序排放，周圍居民產(chǎn)生的生活垃圾隨意堆放，以及農(nóng)藥、化肥的大量使用，長期以來的土法煉鋅等，導(dǎo)致草海周邊土壤環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，進(jìn)而會導(dǎo)致草海流域生態(tài)環(huán)境的破壞和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的加?。ㄚw斌等，2018）。張清海等（2013）對草海典型高原濕地表層沉積層重金屬的積累、分布及污染進(jìn)行評價(jià)研究，研究表明Zn和Hg為主要污染物，達(dá)到極強(qiáng)度污染水平，且 Zn、Hg、Cd和 Pb這4種元素污染源相似；宋以龍等（2016）對貴州草海沉積物重金屬時(shí)空分布特征與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)研究，研究表明草海沉積物中Cd和Sb污染最嚴(yán)重，主要受以往礦產(chǎn)資源開采及冶煉和城鎮(zhèn)生產(chǎn)生活污水排放的影響；趙斌等（2018）對貴州草海菜地表層土壤重金屬污染特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)研究，研究發(fā)現(xiàn)草海周邊菜地表層土壤Zn、As、Cr、Pb、Ni的來源可能與農(nóng)業(yè)、工業(yè)、礦業(yè)和生活垃圾有關(guān)，Cu的來源可能與土壤母質(zhì)有關(guān)。目前針對草海流域土壤重金屬污染及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究鮮見報(bào)道，因此開展草海流域土壤重金屬污染及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究顯得極為重要。

基于此，本研究以草海流域地表土壤為研究對象，選取草海流域內(nèi) 75個(gè)土壤采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，測定其 Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn 和 Ni等 8 種重金屬元素的含量，采用內(nèi)梅羅指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法，對草海流域土壤重金屬污染及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估，采用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)法分析生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警趨勢，全面揭示草海流域土壤重金屬污染特征和空間分布格局，為草海流域土壤重金屬污染的控制與治理提供理論支撐，對控制水體重金屬污染具有重要的實(shí)踐意義，結(jié)果可為草海流域的土壤環(huán)境安全和生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

草海流域（26°47′32″—26°52′52″N，104°10′16″—104°20′40″E）地處貴州省西北威寧縣彝族回族苗族自治縣縣城南側(cè)（圖1），流域面積96 km2，海拔2200 m左右，氣候?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年均氣溫10.6 ℃，年均降雨量約為 950.9 mm，降水年分布不均，主要集中于夏季，干濕季節(jié)明顯，相對濕度79%（徐婷等，2015；鄭杰等，2019），土壤類型以黃壤、黃棕壤為主，土地利用類型主要為耕地、林地、灌草地、建筑用地和水域（鄭杰等，2019）。草海是貴州省內(nèi)最大的天然巖溶堰塞湖泊，棲息著國內(nèi)許多珍貴物種，素有“鳥的王國”之稱，是國家一級保護(hù)珍稀鳥類——黑頸鶴（Grus nigricollis）的保護(hù)區(qū)及越冬地，具有極其重要的生態(tài)價(jià)值，屬國家級自然保護(hù)區(qū)（夏品華等，2015）。

1.2 樣品采集與測試

根據(jù)研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)，以4種土地利用方式（耕地、林地、灌草地和建筑用地）覆蓋面積為權(quán)重，遵循最小樣本數(shù)準(zhǔn)則設(shè)置采樣點(diǎn)，對于坐落在道路、建筑等不適合采樣的點(diǎn)，調(diào)整到臨近樣地進(jìn)行取樣，并用GPS記錄采樣點(diǎn)的坐標(biāo)位置，用土鉆垂直采集表層（0—20 cm）土壤樣品75個(gè)（圖1）。各采樣點(diǎn)采用梅花取樣法采集5個(gè)樣品，混合均勻后用四分法保留1 kg，除去石塊、植物根系和凋落物后，晾干后充分混勻，按對角線四分法取一半樣品研磨，另一半作為備用樣品于-20 ℃冰箱中保存。為避免人為干擾及與其他金屬接觸，樣品采集、混合、研磨等過程均采用瑪瑙研缽等用具（鄭杰，2019；張珍明等，2014；吳洋等，2015；張?jiān)剖|等，2019）。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點(diǎn)分布Fig. 1 Map showing study area and sampling sites

測定土壤樣品中 Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn和Ni含量，測定方法參考《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ/T166—2004）（國家環(huán)境保護(hù)總局，2004），采用 HNO3-HCL-HF-HCLO4法電熱板加熱消解并處理后，采用原子熒光譜法測定 As和 Hg含量，采用火焰原子吸收分光光度法測定Cd、Cu、Pb、Cr、Zn和Ni含量。每批土樣做3次空白樣和平行樣，取平均值作為樣品重金屬元素的最終含量。測試過程中加入國家標(biāo)準(zhǔn)土壤參比物質(zhì)進(jìn)行質(zhì)量控制，各重金屬的回收率均在95%以上，符合國家標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)的允許范圍。土壤重金屬含量委托譜尼測試中心測定。

1.3 研究方法

1.3.1 內(nèi)梅羅指數(shù)法

內(nèi)梅羅指數(shù)法可以綜合地反映出不同污染物在土壤中的污染程度，并可以計(jì)算得到各單個(gè)污染物的污染指數(shù)，適合對土壤重金屬這類綜合污染進(jìn)行綜合評價(jià)。其計(jì)算公式如下：

式中，Pi為重金屬i的污染指數(shù)；Ci為重金屬i的測試含量；Cn為重金屬i的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，由于本研究區(qū)域隸屬貴州省，以貴州省土壤重金屬背景值（中國環(huán)境監(jiān)測總站，1990）為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，能準(zhǔn)確反映土壤重金屬的實(shí)際情況，更具參考性；P為內(nèi)梅羅指數(shù)；Piave為所有重金屬污染指數(shù)的平均值；Pimax為所有重金屬污染指數(shù)中的最大值。Pi和P的污染分級標(biāo)準(zhǔn)參考《土壤環(huán)境檢測技術(shù)規(guī)范》（國家環(huán)境保護(hù)總局，2004），分級標(biāo)準(zhǔn)為：Pi≤0.7屬于無污染，0.7＜Pi≤1 屬于輕微污染，1＜Pi≤2 屬于輕度污染，2＜Pi≤3屬于中度污染，Pi≥3屬于重度污染。P為重金屬內(nèi)梅羅指數(shù)，n為參加評選的重金屬元素個(gè)數(shù)；P的污染分級標(biāo)準(zhǔn)為：P≤0.7屬于無污染，0.7＜P≤1屬于輕微污染，1＜P≤2屬于輕度污染，2＜P≤3屬于中度污染，P≥3屬于重度污染。

1.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

以貴州省土壤重金屬背景值（中國環(huán)境監(jiān)測總站，1990）為參比值，采用Hakanson（1980）提出的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）對草海流域土壤重金屬進(jìn)行潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。單一重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)和多項(xiàng)重金屬元素綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RIj的計(jì)算公式如下：

式中，RIj為j樣點(diǎn)多種重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；為j樣點(diǎn)重金屬i項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；為j樣點(diǎn)多種重金屬i的污染指數(shù)；為j樣點(diǎn)土壤重金屬i的實(shí)測濃度；為重金屬i的參比值，采用貴州省土壤背景值（中國環(huán)境監(jiān)測總站，1990）；Ti金屬i的毒性系數(shù)（見表 1），反映重金屬在水相、固相和生物相之間的響應(yīng)關(guān)系，可以綜合反映重金屬的毒性、污染水平和污染敏感程度。根據(jù) Hkanson（1980）和 Fernández（2001）的研究，E值的分級標(biāo)準(zhǔn)的第一級（輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)）上限值由非污染的污染系數(shù)（C=1）與所研究的污染物中最大毒性系數(shù)（見表 1）相乘而得到，其他生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)級別的上限值分別用上一級的分級值乘2得到，所以，本研究的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度分級標(biāo)準(zhǔn)為：≤40屬于輕微風(fēng)險(xiǎn)，40＜≤80屬于中等風(fēng)險(xiǎn)，80＜≤160屬于較強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)，160＜≤320屬于很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)，＞320屬于極強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)；RIj的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度分級標(biāo)準(zhǔn)為：RIj≤150屬于輕微風(fēng)險(xiǎn)，150＜RIj≤300屬于 中 等 風(fēng) 險(xiǎn) ， 300＜RIj≤600 屬 于 較 強(qiáng) 風(fēng) 險(xiǎn)600＜RIj≤1200 屬于很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)，RIj＞1200 屬于極強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)（Hakanson，1980；Fernández，2001）。

1.3.3 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)法

以貴州省土壤重金屬背景值（中國環(huán)境監(jiān)測總站，1990）為參比值，采用Rapant et al.（2003）提出的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)（IER）對草海流域土壤污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)可能出現(xiàn)的危機(jī)而建立了預(yù)警。IER計(jì)算公式為：

表1 草海流域土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of heavy metals content in soil of Caohai watershed

式中，IER為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)；IERi為超過臨界限量的第i種重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)；CAi為第i種重金屬的實(shí)測含量；CRi第i種重金屬的參比值，采用貴州省土壤背景值。IER的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警級別分級標(biāo)準(zhǔn)為：IER≤0屬于無警，0＜IER≤1屬于預(yù)警，1＜IER≤3 屬于輕警，3＜IER≤5 屬于中警，IER＞5 屬于重警（Rapant et al.，2003）。

1.3.4 主成分分析法

主成分分析（PCA）是一種對高維數(shù)據(jù)進(jìn)行降維從而更好了解各變量之間關(guān)系的方法，其在區(qū)分土壤元素主要來源方面優(yōu)勢明顯，既不需要對元素形態(tài)進(jìn)行細(xì)致分析，對數(shù)據(jù)量沒有特別的要求，也無需與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，即可判斷出那些土壤元素含量受到人為因素的明顯影響，可將多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)來反映原始數(shù)據(jù)信息，以更好地辨別土壤重金屬污染來源（趙彥峰等，2008；吳洋等，2015；張?jiān)剖|等，2019），相關(guān)性極顯著的元素之間可能具有相似的來源途徑（許萌萌等，2018）。

2 結(jié)果

2.1 草海流域土壤重金屬含量特征

統(tǒng)計(jì)分析草海流域8種土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可以看出（表1）：土壤Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn和 Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)變幅分別為 0.16—9.78、0.05—2.15、3.29—63.60、17.00—88.00、8.10—457.00、49.00—162.00、41.00—5460.00、14.00—87.00 mg·kg-1，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 2.71、0.13、19.39、39.87、62.71、91.67、234.75、45.16 mg·kg-1。除Zn超出國家《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》（GB15618—2018）農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值（5.5＜pH＜6.5）的1.17倍之外，其他元素均未超標(biāo)；但Cd、Hg、Cu、Pb、Zn和Ni的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別超出貴州土壤元素背景值的4.11、1.18、1.25、1.78、2.36、1.15 倍。

偏度系數(shù)是表達(dá)數(shù)據(jù)分布形態(tài)的統(tǒng)計(jì)量，偏度的絕對值越大表示其分布形態(tài)的偏斜程度越大。峰度系數(shù)是表達(dá)總體中所有取值分布形態(tài)陡緩程度的統(tǒng)計(jì)量，峰度的絕對值越大表示其分布形態(tài)的陡緩程度與正態(tài)分布的差異程度越大（麥麥提吐爾遜·艾則孜等，2018）。土壤中Hg和Zn的偏度系數(shù)（分別是 8.02和 8.36）和峰度系數(shù)（分別是 67.23和71.50）較大，表明部分土壤樣品中Hg和Zn呈現(xiàn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高值區(qū)，處于高積累狀態(tài)。變異系數(shù)（CV）能反映各樣點(diǎn)重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均變異程度，變異系數(shù)越大，表明重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)空間分布越不均勻，存在點(diǎn)源污染的可能性越大，能在一定程度上反映樣品受人為影響的程度（陳志凡等，2016；謝小進(jìn)等，2010）。草海流域土壤中重金屬Cd、Hg、Pb和Zn的變異系數(shù)分別為0.51、1.88、1.18和2.64，呈現(xiàn)強(qiáng)變異（CV＞0.50），表明 Cd、Hg、Pb和 Zn可能受某些局部污染源的影響比較明顯。As、Cu、Cr和Ni的變異系數(shù)分別為0.42、0.33、0.27和0.33，呈現(xiàn)中等變異（0.25＜CV＜0.5），表明人為因素可能對As、Cu、Cr和Ni的積累有一定影響。

2.2 草海流域土壤重金屬污染特征

以貴州省土壤重金屬背景值為參比值，根據(jù)污染劃分標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行草海流域土壤重金屬污染水平評價(jià)。結(jié)果表明：草海流域土壤各重金屬元素單項(xiàng)污染指數(shù)（CF）平均值大小順序?yàn)椋篊d (4.12)＞Zn(2.36)＞Pb (1.78)＞Ni (1.59)＞Cu (1.25)＞Hg (1.17)＞As(0.97)＞Cr (0.96)。Cd屬于重度污染，Zn屬于中度污染，Pb、Ni、Cu和Hg屬于輕度污染，As和Cr屬于輕微污染。不同重金屬元素不同污染級別樣點(diǎn)數(shù)占樣點(diǎn)總數(shù)的比例表現(xiàn)出不同的差異（表2），其中，Cd以重度污染為主，占樣點(diǎn)數(shù)的近75%，Cu和Pb以輕度污染為主，占 57%—70%，As、Cr、Zn和Ni以輕微污染和輕度污染為主，占62%—90%，而Hg以無污染和輕微污染為主，約占 70%。不同污染等級的內(nèi)梅羅指數(shù)（P）變化范圍在0.95—39.58之間，平均值3.79，以重度污染和中度污染為主，占80%以上，總體表現(xiàn)出重度污染特征。

從草海流域8種土壤重金屬綜合污染分布圖可以看出（圖2）：流域內(nèi)所有土壤均表現(xiàn)出不同程度的重金屬污染特征，且以重度污染和中度污染為主。其中，重度污染分布面積最廣，約6241.98 hm2，占流域總面積的64.37%，主要分布在銀龍村、草海村、富民村、前進(jìn)村、紅光村和石龍村全域；東山村、呂家河村、白馬村、大馬城村和陳橋村以重度和中度污染為主，孔山村全域呈中度污染；民族村、海邊村、西海村、塔山村、鴨子塘村和鄭家營村局部區(qū)域出現(xiàn)輕度污染，但仍以中度污染為主。

表2 草海流域不同污染級別樣點(diǎn)數(shù)占總樣點(diǎn)數(shù)的百分比Table 2 Percentage of sample points of different pollution levels in the total sample points of Caohai watershed %

圖2 草海流域土壤重金屬綜合污染圖Fig. 2 Comprehensive pollution map pf heavy metals in soil of Caohai watershed

疊加草海流域土地利用類型圖（圖 3）和土壤重金屬綜合污染空間分布圖，可以發(fā)現(xiàn)（表3）：輕微污染主要分布在耕地內(nèi)，占該污染等級的98.18%；輕度污染主要分布在建筑用地和灌草地內(nèi)，占輕度污染面積的57.51%；中度污染主要分布在灌草地和林地內(nèi)，占中度污染面積的56.65%；而重度污染在耕地和沼澤地中的分布（約占重度污染面積的50%）略高于林地和建筑用地（約占38%），灌草地最?。▋H占 10%左右）。總體而言，草海流域土壤重金屬呈現(xiàn)重度污染，其中，中度和重度污染主要分布在除過塔山村東北部、海邊村與西海村交界處、西海村中部偏北和民族村中部偏北區(qū)域外的其他區(qū)域。

圖3 草海流域土地利用類型圖Fig. 3 Land use type map of Caohai watershed

表3 不同景觀類型不同污染等級面積與占比Table 3 Area and proportion of different landscape types and pollution levels %

2.3 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)與預(yù)警特征

以貴州省土壤重金屬背景值為參比值，根據(jù)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）劃分標(biāo)準(zhǔn)，分析草海流域土壤重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)特征，可以看出（表4）：草海流域土壤重金屬單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（E）的平均值大小順序?yàn)椋篊d (123.51)＞Hg(46.86)＞As (9.69)＞Pb (8.91)＞Cu (6.23)＞Ni (5.77)＞Zn(2.36)＞Cr (1.91)。除Cd和Hg分別處于較強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)水平和中等風(fēng)險(xiǎn)水平外，其他重金屬元素均處于輕微風(fēng)險(xiǎn)水平。并且，Cd的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最高，說明Cd是研究區(qū)最主要的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子。土壤重金屬綜合污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)以中等風(fēng)險(xiǎn)為主（圖 4），約8083.51 hm2，約占流域總面積的83.37%，主要分布在富民村、前進(jìn)村、石龍村的絕大部分區(qū)域和草海村、大馬城村、巴馬村、呂家河村的局部區(qū)域。

如圖5所示，草海流域土壤重金屬綜合污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價(jià)結(jié)果也很類似，整體以中警和重警為主，分別占流域面積的30.57%和47.55%，主要分布在銀龍村、富民村、前進(jìn)村、鴨子塘村、民族村、鄭家營村、東山村、白馬村、草海村、大馬城村、紅光村、呂家河村和石龍村；而預(yù)警和輕警分布面積較小，僅為 2107.44 hm2，主要分布在海邊村、西海村、塔山村、孔山村和陜橋村。

表4 草海流域土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)Table 4 Potential ecological risk assessment of heavy metals in soil of Caohai watershed

圖4 草海流域土壤重金屬綜合污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)圖Fig. 4 Ecological risk map of soil heavy metal comprehensive pollution in Caohai watershed

圖5 草海流域土壤重金屬綜合污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警圖Fig. 5 Early warning map of ecological risk of soil heavy metal comprehensive pollution in Caohai watershed

2.4 土壤重金屬來源及污染源分析

草海流域8種土壤重金屬元素含量的相關(guān)分析結(jié)果表明（表 5）：Cu-Hg、Pb-Cd、Pb-Cu、Zn-Cr、Zn-Pb、Ni-Cd、Ni-Cu、Ni-Pb和Ni-Cr之間具有極顯著相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），而 Pb-Hg之間具有顯著相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），這表明草海流域土壤中Cd-Pb-Zn-Ni、Hg-Cu-Pb、Cu-Pb-Ni、Pb-Zn-Ni 和Cr-Ni等元素可能具有相同的來源。

利用SPSS 21.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行KMO檢驗(yàn)，得到的統(tǒng)計(jì)量值為0.628，Bartlett球度檢驗(yàn)相伴概率為 0.000，因此，本研究數(shù)據(jù)可進(jìn)行因子分析。因子分析結(jié)果表明（表6），前3個(gè)主成分特征值均大于1，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到70.14%，符合分析要求，對分析的指標(biāo)能給出比較充分的概括。第一主成分的貢獻(xiàn)率為 35.13%，Cd、Cu、Pb、Zn和 Ni在該成分上具有較高的正載荷，分別為0.72、0.63、0.86、0.73和0.65。第二主成分的貢獻(xiàn)率為18.42%，As和Cr在該成分上具有較高的載荷，分別為0.38和0.72。第三主成分的貢獻(xiàn)率為16.59，Hg在該成分上具有較高的載荷，為0.82。

表5 草海流域土壤重金屬元素之間的相關(guān)系數(shù)Table 5 Correlation coefficients among heavy metal elements in soil of Caohai watershed

由主成分分析結(jié)果可知，第一主成分中的Cd、Cu、Pb、Zn和Ni有較高的正載荷。綜合分析區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)分布特征發(fā)現(xiàn)，草海西部及南部發(fā)育有重要的黔西北鉛鋅礦，由于技術(shù)的限制，礦產(chǎn)的不完全開采導(dǎo)致 Cd、Cu、Pb、Zn和 Ni等重金屬在地表積累，土法煉鋅也是Cd、Cu、Pb、Zn和 Ni等重金屬增加的主要原因，煉 Zn時(shí)產(chǎn)生的大量黑色煙塵，含有Cd、Cu、Pb、Zn和Ni等重金屬元素，電焊廠、化肥和鋼鐵加工廠是Cu污染的主要來源，金屬加工、電鍍、制革等行業(yè)產(chǎn)生的廢水、廢氣是Ni污染的主要來源。第一主成分主要代表了礦產(chǎn)開采和工業(yè)污染。

第二主成分中As和Cr具有較高的正載荷，重金屬元素 As在自然環(huán)境中的含量極少，是化肥和農(nóng)藥的重要成分，也是煤渣傾倒區(qū)的主要污染物，其可能來自縣城醫(yī)院、學(xué)校、集貿(mào)市場的垃圾、廢水排放，Cr可能來源于水泥廠、化肥廠和鋼鐵加工廠等。第二主成分主要代表了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中農(nóng)藥化肥的殘留與工業(yè)活動的污染。

第三主成分Hg具有較高的正載荷，相關(guān)研究認(rèn)為草海流域處于Hg礦化帶以及流域內(nèi)豐富的礦產(chǎn)伴生 Hg。第三主成分主要代表了土壤地球化學(xué)作用。

表6 草海流域土壤重金屬元素因子載荷Table 6 Factor load of heavy meatal element in soil of Caohai watershed

3 討論

土壤中的重金屬由于具有難降解、易生物富集和放大等作用而對生存于其中的動植物體產(chǎn)生較大的生態(tài)危害性（董萌等，2010）。本研究采集并測定貴州省草海流域75個(gè)土壤樣品中Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn和Ni等重金屬含量，采用污染負(fù)荷指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法，對草海流域土壤重金屬污染及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估，采用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)法，分析生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警趨勢，研究表明：除過Zn超出國家《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》（GB15618—2018）農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值（5.5＜pH＜6.5）的1.17倍之外，其他元素均未超標(biāo)；除過As和Cr，其它各元素均高于貴州省土壤元素背景值，存在一定程度的重金屬積累；各重金屬元素含量超過背景值的程度為：Cd＞Zn＞Pb＞Cu＞Hg＞Ni，其中 Cd 和 Zn 的超標(biāo)程度明顯高于其他元素，Cd污染范圍最廣。張家春等（2014）對草海濕地周邊耕地土壤與農(nóng)作物重金屬污染特征研究也表明：土壤重金屬元素Zn、As和Cr平均含量未超過貴州省土壤元素背景值，Pb、Cd和Hg分別是背景值的1.24、1.44、7.5倍。

草海流域土壤元素中Cd屬于重度污染，Zn屬于中度污染，Pb、Ni、Cu和Hg屬于輕度污染，As和Cr屬于輕微污染。土壤內(nèi)梅羅指數(shù)（P）平均值為3.79，總體呈現(xiàn)重度污染。李一兵等（2012）對草海濕地保護(hù)區(qū)土壤重金屬及其污染評價(jià)研究發(fā)現(xiàn)草海土壤主要重金屬污染元素是 Cd、Zn、Ni，其次是As、Cr、Pb，草海土壤重金屬污染等級為重度污染。袁旭等（2013）人對貴州草海農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染的生態(tài)危害評價(jià)研究也表明草海土壤重金屬平均綜合污染指數(shù)為 3.13，污染程度為嚴(yán)重污染。草海流域土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)表明：各重金屬元素單項(xiàng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度為 Cd＞Hg＞As＞Pb＞Cu＞Ni＞Zn＞Cr，除 Cd 和 Hg 分別處于較強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)水平和中等風(fēng)險(xiǎn)水平外，其他重金屬元素均處于輕微風(fēng)險(xiǎn)水平。土壤RI平均值為205.25，總體呈現(xiàn)中等風(fēng)險(xiǎn)。土壤IER平均值為5.94，總體呈現(xiàn)重警狀態(tài)。袁旭等（2013）對貴州草海農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染的生態(tài)危害評價(jià)研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)土壤重金屬單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為 Cd＞Hg＞As＞Cu＞Pb。由于草海集雨區(qū)范圍內(nèi)及周邊曾有大量的土法煉鋅爐，遺留了大量的爐渣及廢棄的煉鋅罐，這些廢棄物不僅侵占土地資源，而且廢渣中殘留的重金屬極易被隨雨水沖刷進(jìn)入土壤及水體中，嚴(yán)重影響區(qū)域環(huán)境質(zhì)量（丁玉娟等，2013），對周邊土壤及水體造成嚴(yán)重的污染，進(jìn)而增加了土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

土壤氮、磷含量越高的區(qū)域土壤重金屬污染相對也越嚴(yán)重、土壤重金屬綜合污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)也越高、土壤重金屬污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級越高。由于人口激增，糧食短缺，能源緊張，草海地區(qū)農(nóng)民為增加糧食和蔬菜產(chǎn)量而大量使用化肥、農(nóng)藥，也不同程度地毒化了生態(tài)環(huán)境（張家春等，2014）。且相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)草海集雨區(qū)污染源主要為威寧縣城居民生活污水和草海周邊農(nóng)業(yè)污染源（張珍明等，2013），說明農(nóng)藥化肥的使用和生活污染直接影響草海流域土壤重金屬的污染嚴(yán)重程度。

4 結(jié)論

（1）草海流域8種土壤重金屬元素含量存在不同程度的積累特征。除As和Cr外，其他6種重金屬元素含量高于貴州省土壤元素背景值 1.16-4.11倍，其中Cd和Zn的超標(biāo)程度明顯高于其他元素，Cd污染范圍最廣。

（2）流域內(nèi)所有土壤表現(xiàn)出不同程度的重金屬污染特征，且以重度污染和中度污染為主，重度污染面積占流域總面積的比例達(dá)64.37%，主要分布在耕地和沼澤地類型內(nèi)。Cd屬于重度污染，Zn屬于中度污染，其他6種土壤重金屬污染處于輕度或輕微污染等級。

（3）草海流域土壤重金屬綜合污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級總體以中等風(fēng)險(xiǎn)和重度預(yù)警為主，分別占流域總面積的83.37%和47.55%。不同重金屬元素的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警特征不同，Cd具有較強(qiáng)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和最高的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，是流域內(nèi)最主要的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子，Hg具有中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平，其他6種元素均處于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。

（4）8種土壤重金屬元素之間具有明顯的正相關(guān)關(guān)系且來源不同，其中 Cd、Cu、Pb、Zn和 Ni的來源主要受礦產(chǎn)開采和工業(yè)污染影響，As和 Cr受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)活動影響較大，而Hg的來源主要受土壤地球化學(xué)作用的影響。