不久前我国首次进行的全国土壤污染状况调查指出，我国土壤污染的超标点位达到了16.1%，在全部超标点位中无机污染物占了82.8%，土壤重金属在我国西南和东南地区污染较为严重，其中砷、汞、铅、镉四种重金属污染物的含量由北向南呈现逐步升高的趋势^[1]。由此可以看出，我国整体土壤环境质量不容乐观并且部分地区土壤重金属污染较为严重。所以对土壤污染，尤其是对土壤重金属污染的研究应该引起国内学者的重视。太原是中国重要的能源、重工业基地之一，许多学者对太原市的土壤重金属污染问题一直比较关注^[2]。郭翠花等^[3]、张乃明等^[4]、刘勇等^[5]对太原市土壤重金属的含量、分布特征、潜在生态风险评价、污染原因等方面做过一系列的研究和分析。但以上这些研究的采样范围小、采样点少，缺乏对太原市土壤重金属总体污染状况的分析评价以及潜在污染原因的探究。

本文选择太原市城区周边的土壤为研究区域，兼顾工农业以及交通的影响，对不同利用方式的土壤进行采样分析^[6]。在此基础上，首先对该地区土壤重金属的含量进行了统计分析，其次利用GIS技术和地统计分析方法研究了土壤重金属的空间分布特征，并采用Hankson 生态风险评价法对土壤重金属污染进行评价^{[7, 8, 9, 10]}，最后探讨了研究区土壤重金属污染与周边污染源的关系，旨在对太原市土壤质量评价和环境污染防治提供科学指导^[11]。 1 材料和方法 1.1 研究区概况

太原作为山西省的省会城市，地处山西省中部，其西、东、北三面环山，地形北高南低呈簸箕形。太原市城区由尖草坪区、万柏林区、杏花岭区、迎泽区、小店区和晋源区六个区组成。

太原市是我国重要的矿产、能源城市和重工业基地之一，矿产资源和煤炭资源储量丰富，分布有大量的工矿类、机械制造类、化工类等企业，这些企业在对经济发展起到巨大推动的同时也带来了交通拥堵、环境恶化、土壤污染等一系列的问题。此外，由于水资源匮乏，大部分农田采用污水灌溉，导致污水中的重金属等污染物在农田淤积，造成土壤污染^[7]。 1.2 样品采集

2013年4月，对太原市城区周边农用地土壤进行了采样。样点布设如图 1所示。在采样中根据土地利用类型不同，样点主要设置在农田、林地、草地和城市绿地中，并以农田土壤为主。从图 1可看出，太原市中部为建城区，北部和南部分布有大量耕地，东西两边为陡峭山地，人类活动较少，因此采样点布设主要是在沿建城区周边进行采样，其中北部和南部样点较多，东西两边样点较少，避开了特殊污染或者特殊地形的部位。共采集土壤样品140 个。

图 1 采样点设置图 Figure 1 Map of sampling points

图选项

采样深度为土壤表层0～20 cm，利用GPS确定好采样点后进行采样，每个土壤样品均由采样点附近10 个点的土壤样品均匀混合而成。利用四分法制样，贴标签登记，将样品装入聚氯乙烯塑料袋密封后运回实验室。于实验室内自然风干后磨碎、过孔径0.154 mm筛、混匀、取样备存待分析检测^[12]。 1.3 分析测试方法

土壤样品采用HNO₃-HF-HClO₄法消解后采用石墨炉原子吸收分光光度计测定Cd元素，采用原子荧光光度计测定Hg和As元素，采用原子吸收分光光度计测定Pb、Cr、Cu、Zn、Ni元素。土壤重金属的检测方法、来源和检出限见表 1。

表 1 土壤重金属元素检测方法、来源和检出限 Table 1 Sources and detection limits of measurement methods for soil heavy metals

表选项

分析质量控制措施采取空白样、平行样和标准物质控制法，在分析过程中加入国家土壤标准样品（GSS-10和GSS-15）进行分析质量控制。回收率和标准差见表 2。

表 2 分析质量控制的回收率和标准差 Table 2 Recoveries and standard deviations of quality control

表选项

目前，评价土壤重金属污染的方法较多，如内梅罗指数法、单因子指数法、富集因子法等^[13]。考虑到各重金属的毒性不同和突出污染较严重的重金属的作用，本文采用瑞典科学家Hakanson提出的潜在生态风险分级评价法（表 3）^[14]。其计算公式如下：

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表 3 潜在生态风险分级 Table 3 Grades of potential ecological risks

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对重金属污染的统计分析包括描述统计分析、相关分析和方差分析，在SPSS 13.0中完成；对重金属污染的空间分布特征采用Kriging插值法，在ArcGIS10.0的地统计分析模块中完成。 2 结果与讨论 2.1 土壤重金属元素描述统计分析

土壤重金属元素的描述统计特征见表 4。元素Zn、Cr、Hg、Pb、Cd的均值都超过了山西省土壤背景值，元素Ni、Cu和As与背景值相差不大，其中Hg和Cd的均值分别是背景值的4.5倍和2.4 倍。研究区除Hg、Cd的变异系数较大外，其他元素的变异系数在0.16~0.33之间，表明Hg和Cd的空间差异相对较大。由表 4中峰度和偏度值来看，Zn、Ni、As三种重金属元素基本服从正态分布，Cu、Cr、Pb、Cd、Hg五种重金属元素的原始数据经过对数变换后也服从正态分布。

表 4 土壤重金属元素的描述统计特征 Table 4 Descriptive statistics of soil heavy metals

表选项

为了进一步探究近年来太原市的土壤重金属含量变化情况，本文将近些年一些学者对太原市土壤重金属研究的结果进行了对比（表 5）。可以看出，从1992 年到2013 年，太原市土壤重金属含量在一定范围内波动，变化不大。2006 年前的各种元素含量与2006 年后相比，土壤重金属Zn、Ni、Pb、Hg的含量变化不大，Cu、Cr、Cd的含量略有提升但增长幅度较小。因为采样位置、个数、分析方法等都不尽相同，所以本文的结果也仅代表大致趋势。

表 5 不同年代太原市土壤重金属含量（mg·kg^-1） Table 5 Content of soil heavy metals in different years（mg·kg^-1）

表选项

相关分析（Correlation Analysis）是研究现象之间是否存在某种依存关系及其依存程度的一种统计方法。因为Zn、Ni、As 3种重金属元素的数据服从正态分布，Cu、Cr、Pb、Cd、Hg 5种重金属元素的原始数据经过对数变换后也服从正态分布，所以运用Pearson相关系数分析了8种土壤重金属元素之间的相关关系（表 6）。由表 6可看出，大多数土壤重金属元素之间相关性显著。Cu、Zn、Ni、Cr、Pb、Cd、Hg 7种元素之间，除Hg与Ni元素之间相关不显著外（P>0.05），其余均呈极显著的正相关（P<0.01）；研究也表明，As元素与其他元素之间的相关性不同，As与Cu、Ni、Cr有显著的相关性（P<0.01），As与Zn之间有正相关但不显著，而As与Pb、Cd、Hg之间有负相关但也不显著。

表 6 土壤重金属元素间的相关分析结果 Table 6 Correlationship between soil heavy metal elements

表选项

根据各个样点重金属的含量，利用ArcGIS10.0软件中的地统计模块，对服从正态分布的重金属Zn、Ni、As进行普通克里格插值，对重金属Hg、Cr、Pb、Cd和Cu的原始数据进行对数转换后进行普通克里格插值。分析结果见图 2。

图 2 重金属元素的空间分布特征 Figure 2 Spatial variation of soil heavy metals

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由图 2可以看出，重金属Cu含量较高的区域分布于研究区的南部，北部和东部含量较低；Zn含量较高的区域分布于研究区的东南部，西南部和东部含量较低；Ni含量较高的区域分布较广，在研究区的北部和南部都有涉及尤其以东南部污染较为严重；Cr含量较高的区域分布于研究区的中部和南部，北部含量较低；Hg含量较高的区域主要集中在研究区的中南部，含量较低的区域分布于北部；Cd污染含量较高的区域主要位于研究区的东南部，东北部的含量较小；Pb含量较高的区域主要分布于研究区的南部，北部含量较低；As含量较高的区域主要集中在研究区的东北部，含量较低的区域位于西南部。

综上所述，在研究区的南部土壤重金属元素Pb、Hg、Cd、Cu、Zn、Ni和Cr的含量较高，As含量较高的区域集中分布于东北部。 2.4 土壤潜在生态风险评价

按照Hakanson潜在风险评价法计算得到8 种土壤重金属Hg、Zn、Ni、Cr、Pb、Cd、Hg和As的生态风险指数值及其对应的生态风险等级^{[18, 19]}，在表 7中可以看出，8种重金属的潜在生态风险指数Eir由强到弱为Hg＞Cd＞As＞Pb＞Cu＞Ni＞Cr＞Zn。从不同生态风险程度的样本数比例来看，对于Zn、Ni、Cr、Pb、Cu和As元素，所有土壤样点都属于轻度生态风险。而对Cd和Hg元素来看，大多数样点的生态风险程度达到中度以上：Cd元素达到中度生态风险等级的样点有30.7%，达到强度及强度以上生态风险的样点有7.13%；对于Hg元素来说，有16.4%样点达到了强度生态风险等级，有4.34%样点的生态风险程度达到了很强，甚至有2.1%的样点生态风险程度达到了极强。从单元素的生态风险来看，Cd和Hg的生态风险水平较为严重，需要引起重视。

表 7 研究区重金属潜在生态风险指数 Table 7 Index of heavy metal potential ecological risk in soils of studied area

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进一步分析太原市土壤重金属潜在生态风险的空间分布特征，对研究区土壤样点的综合生态风险评价值（RI）进行普通克里格插值，结果见图 3。可以看出，研究区南部的土壤重金属潜在生态风险程度最高，西部生态风险程度次之，研究区北部和东部的生态风险程度相对较轻，通过计算得到研究区的综合生态风险指数RI的平均值为293.55，表明研究区的土壤状况整体达到中等程度的生态风险。

图 3 研究区土壤综合生态危害分布 Figure 3 Distribution of integrated ecological hazard in studied area

图选项

通过对研究区的污染源进行实地调查，将可能和重金属污染相关的污染源分为6种类型，即化工业，矿业、电镀业、机械制造业、造纸厂和电力。由图 4可知，化工类的污染源分布较广主要分布在太原市的中东部和北部；矿石类的污染源大多分布在太原市的中西部及南部地区，且主要分布在万柏林区和晋源区；电镀厂零星分布于万柏林区、小店区和尖草坪区；机械制造类的污染源最多，分布较广，在各个行政区都有所分布，于中东部居多；造纸厂主要分布在太原市西南部，多在晋源区内；电力类的污染源大多分布于城市周边，除迎泽区外，各个行政区都有分布。

图 4 研究区污染源分布图 Figure 4 Distribution of pollution sources in studied area

图选项

本文通过实地考察按照就近原则对140个样点进行了分类统计，有20个样点离化工类污染源最近，有52个样点离矿业污染源最近，有47个样点离机械制造业污染源最近，分别有2、9、10个样点离电镀业、造纸业和电力3个污染源最近。

为了研究污染源与周边土壤重金属污染的情况，本文采用单因素方差分析来检验由单一因素（即污染源类别）影响的土壤重金属含量在各因素水平分组下均值之间的差异是否具有统计意义。其中，污染源各因素水平分组为6个类别（即化工业、矿业、电镀业、机械制造业、造纸厂和电力），因变量为土壤重金属含量（即Cu、Zn、Ni、Cr、Pb、Cd、Hg、As）。

在给定显著性水平为0.05的前提下，方差分析结果表明，污染源类别对土壤重金属Zn、Pb、Cd、Hg的含量影响有显著差异，对应的F值分别为3.312、3.269、3.925和3.933，相应的概率P值为0.007、0.008、0.002和0.043。由于这些概率P值小于显著性水平值，认为各类污染源对土壤重金属Zn、Pb、Cd、Hg的污染有显著影响；而对于土壤中重金属Cu、Ni、Cr、As的含量，由于这些元素的概率P值大于显著性水平值，认为各类污染源对土壤重金属Cu、Ni、Cr、As的污染没有显著差异。

为了进一步探讨哪类污染源对土壤Zn、Pb、Cd、Hg的污染有显著影响，采用Bonferroni检验法进行多重比较。结果如表 8所示。

表 8 Bonferroni检验结果 Table 8 Results of Bonferroni test

表选项

重金属Zn的Bonferroni检验结果表明，化工类污染源和矿石类污染源之间、化工类污染源和机械制造类污染源之间有显著差异，结合各样点重金属元素Zn的含量值分析，大多矿石类污染源和机械制造类污染源附近的土壤含锌量并不是很高，而大多化工类污染源附近土壤的含锌量较高。这与太原市以铁矿著称有较密切的关系，机械制造类企业也以铁、钢为主，同时与化工类企业排放硫酸锌也密不可分。这也从另一个侧面说明太原市的土壤重金属Zn污染在很大程度上可能是由化工类企业造成的。

重金属Pb的Bonferroni检验结果表明，化工类和矿石类、化工类和机械制造类的污染源之间有显著差异，结合各样点重金属元素Pb的含量值分析，土壤含铅量较高的几个样点都分布在化工厂附近。这说明太原市的化工类污染源对土壤铅污染的影响较大，而矿石类污染源的铅污染并不那么严重。

重金属Cd的Bonferroni检验结果表明，化工类企业和电镀类企业之间有较显著的差异。结合各样点重金属元素Cd的含量分析，电镀厂附近的土壤含Cd量均不高，土壤含Cd量较高的几个样点都分布在化工类企业附近，说明化工类企业也是土壤镉的一个主要排放源。

重金属Hg的Bonferroni检验结果表明，矿石类污染源和机械制造类污染源之间的差异较显著。结合所有土壤样点的含汞量分析，矿石类污染源附近的土样的含汞量明显超出机械制造类企业附近的。这也说明矿石类污染源是土壤重金属汞的一类主要污染源。

综上所述，对于研究区而言，化工类企业、矿石类企业是需要重点加强治理的两类污染源，它们对土壤重金属污染具有显著的影响，尤其是化工类企业，是多种土壤重金属的主要排放源，对人类健康和生态环境有着极大的危害。 3 结论

（1）研究区土壤重金属元素Zn、Cr、Pb、Cd的均值都超过了山西省土壤背景值，元素Ni、Hg、Cu和As与背景值相差不大。研究区除Cd、Hg的变异系数较大外，其他元素的变异系数在0.16~0.33之间，属于中等强度变异。

（2）空间分布分析表明研究区南部地区受重金属污染的程度要大于北方地区，尤其以东南部地区最为严重。生态风险评价结果显示，研究区土壤整体达到中度生态风险。从单元素的生态风险来看Cd和Hg的生态风险水平较为严重，需要引起重视。

（3）对于研究区而言，化工类企业、矿石类企业是需要重点加强治理的两类污染源，它们对土壤重金属污染具有显著的影响，尤其是化工类企业，是多种土壤重金属的主要排放源。