近十年中國(guó)土壤重金屬污染源解析研究進(jìn)展

陳雅麗1，翁莉萍1*，馬 杰1，武曉娟1，李永濤1，2

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全環(huán)境因子控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，）

摘 要：基于不同源解析方法中所采用的數(shù)據(jù)類型的差異性，歸納總結(jié)了常用于土壤中重金屬來(lái)源解析的源排放清單法以及不同受體模型，結(jié)果表明：現(xiàn)階段我國(guó)土壤中的重金屬源解析研究仍主要以定性的傳統(tǒng)多元統(tǒng)計(jì)方法為主，且不同源解析方法得到的源解析結(jié)果基本一致，能夠相互印證、互相支持?，F(xiàn)階段，我國(guó)土壤中的主要重金屬污染元素為Cd，同時(shí)也普遍存在Cu、Zn、Pb、Hg的污染。其中，Cd、Cu、Zn主要來(lái)自于施肥等農(nóng)業(yè)活動(dòng)，部分地區(qū)還來(lái)源于工業(yè)活動(dòng)，甚至以其為主；Hg則主要來(lái)源于工業(yè)活動(dòng)及其產(chǎn)生的大氣沉降，局部地區(qū)疊加高Hg農(nóng)藥的貢獻(xiàn)；Pb的來(lái)源則比較復(fù)雜多樣；As、Cr、Ni則主要受土壤母質(zhì)控制?？傮w看來(lái)，源排放清單法具有適用于不同尺度的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)加強(qiáng)源排放量數(shù)據(jù)和重金屬土壤淋濾量數(shù)據(jù)的收集，以便計(jì)算重金屬濃度在土壤中的動(dòng)態(tài)變化；先進(jìn)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法在土壤重金屬源解析中的應(yīng)用研究應(yīng)進(jìn)一步開展，以便探討這些方法的應(yīng)用前景。將上述多種源解析方法聯(lián)用并加強(qiáng)污染源貢獻(xiàn)的定量研究仍是未來(lái)開展土壤重金屬源解析工作的方向。此外，大氣沉降作為很多重金屬的重要來(lái)源，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)不同區(qū)域大氣沉降中重金屬初始來(lái)源的解析研究，為進(jìn)一步從源頭控制土壤重金屬污染提供理論支持。

關(guān)鍵詞：土壤；重金屬源解析；源排放清單法；受體模型

圖1 土壤中重金屬的來(lái)源與累積途徑
Figure 1 Sources and accumulation pathways of heavy metals in soils

土壤污染物源解析方法是基于大氣污染物源解析方法發(fā)展而來(lái)[2-3]。大氣污染物源解析的研究方法體系可以概括為污染源排放清單法、擴(kuò)散模型法和受體模型法[4]。由于我國(guó)重金屬排放源數(shù)據(jù)有限，加之重金屬由排放源到土壤的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程復(fù)雜且難以準(zhǔn)確描述其在土壤中的長(zhǎng)期積累過(guò)程，以污染物為研究對(duì)象的受體模型法在土壤重金屬的來(lái)源解析研究方面得到了廣泛應(yīng)用，而從來(lái)源出發(fā)的污染源排放清單法和從過(guò)程出發(fā)的擴(kuò)散模型法在土壤重金屬源解析研究中應(yīng)用的相對(duì)較少。

針對(duì)土壤中重金屬源解析的研究，張長(zhǎng)波等[2]和于瑞蓮等[5]總結(jié)了不同源解析方法的優(yōu)缺點(diǎn)及其在土壤重金屬污染溯源上的應(yīng)用情況。但是這兩篇綜述均發(fā)表在大概十年前，而近十年是我國(guó)土壤重金屬污染研究的高峰期，在這一階段，許多新的研究進(jìn)展尚未得以總結(jié)。近期，李嬌等[3]總結(jié)了近十年用于查明我國(guó)土壤中各類污染源貢獻(xiàn)大小的受體模型及其應(yīng)用實(shí)例，但該綜述提及的研究以有機(jī)污染物為主。同時(shí)，上述研究主要側(cè)重于對(duì)源解析方法的歸納總結(jié)，未嘗試對(duì)解析出的土壤可能的重金屬污染來(lái)源進(jìn)行匯總，而基于文獻(xiàn)調(diào)研來(lái)反映不同地區(qū)污染來(lái)源的結(jié)果，能夠彌補(bǔ)單一研究的局限，給出較大范圍的土壤重金屬污染來(lái)源的變異特征，從而提供從源頭上控制土壤重金屬污染的決策基礎(chǔ)。

因此，為了摸清土壤中重金屬污染源解析的研究方法現(xiàn)狀及結(jié)論，本文分別以“soil、heavy metal、source identification、source appointment”作為英文關(guān)鍵詞，以“土壤、重金屬、源解析”作為中文關(guān)鍵詞，通過(guò) 數(shù) 據(jù) 庫(kù) ScienceDirect、Wiley、SpringerLink、ACS、CNKI、維普搜集并統(tǒng)計(jì)了近十年（2008—2018年）的112篇主要研究成果（其中有89篇涉及農(nóng)田土壤），旨在總結(jié)常用的土壤重金屬污染源解析方法以及對(duì)不同地區(qū)土壤重金屬污染來(lái)源進(jìn)行匯總，給出目前我國(guó)土壤中重金屬的污染現(xiàn)狀和可能的污染來(lái)源，為評(píng)定土壤質(zhì)量提供有用信息，也為管理部門制定相關(guān)防控措施提供一定的依據(jù)。上述112篇文獻(xiàn)均從源識(shí)別或源解析的層面對(duì)我國(guó)土壤中的重金屬進(jìn)行了溯源研究，且涉及的省份涵蓋了我國(guó)絕大部分地區(qū)（圖2），包括東北地區(qū)（黑龍江、吉林、遼寧）、華北地區(qū)（內(nèi)蒙古、北京、天津、河北、山西）、華東地區(qū)（山東、江蘇、安徽、上海、浙江、福建）、華中地區(qū)（河南、湖北、湖南）、華南地區(qū)（廣西、廣東）、西北地區(qū)（陜西、甘肅、新疆）和西南地區(qū)（四川、重慶、貴州、云南），其中以華東地區(qū)研究文獻(xiàn)最多。雖然本文可能未檢索出近十年間所有的土壤重金屬源解析文獻(xiàn)，且目前源解析研究所覆蓋的研究區(qū)域和部分地區(qū)的研究程度仍有限（如西南、西北地區(qū)），但作者認(rèn)為所收集的文獻(xiàn)基本能代表近十年我國(guó)土壤重金屬源解析研究的主要成果，這對(duì)了解我國(guó)土壤重金屬的污染現(xiàn)狀和可能的污染來(lái)源具有一定的參考價(jià)值。

1 土壤重金屬污染源解析研究方法

圖2 近十年文獻(xiàn)中我國(guó)土壤重金屬源解析研究所涉及的研究區(qū)域圖
Figure 2 Map of study areas for source identification of heavy metals in soils in literatures in recent ten years

如前所述，污染源解析技術(shù)是針對(duì)污染物的來(lái)源進(jìn)行定性（源識(shí)別）或定量（源解析）判斷的方法。源排放清單法需要對(duì)污染源的排放量、排放因子等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)來(lái)建立污染源清單數(shù)據(jù)庫(kù)；受體模型則避開各污染源組成信息，也不需要明確排放因子的傳輸過(guò)程，可直接測(cè)定受體環(huán)境，因此受體模型法是當(dāng)前污染物源解析研究中最主要、也最常用的技術(shù)手段[4，6]。近年來(lái)，還逐漸涌現(xiàn)出新的先進(jìn)統(tǒng)計(jì)學(xué)算法用于定量區(qū)分土壤中重金屬的自然來(lái)源與人為來(lái)源貢獻(xiàn)，如條件推斷樹、有限混合分布模型、隨機(jī)森林等[7-9]。

在土壤重金屬源識(shí)別層面，常用的源解析方法有受體模型中的因子分析法（Factor analysis，F(xiàn)A）、主成分分析法（Principal component analysis，PCA）、聚類分析法（Cluser analysis，CA）、富集因子法（Enrichment factor，EF）、空間分析法等；在源解析層面，常用的源解析方法有源排放清單法（Emission inventory method）、受體模型中的化學(xué)質(zhì)量平衡法（Chemical mass balance，CMB）、混合方法（Hybrid approach）、正定矩陣因子分解法（Positive matrix factorization，PMF）、UNMIX模型、同位素比值法以及先進(jìn)統(tǒng)計(jì)學(xué)算法中的條件推斷樹（Conditional inference tree）、有限混合分布模型（Finite mixture distribution model，F(xiàn)MDM）、隨機(jī)森林（Random forest）等（表1）。

1.1 基于污染源重金屬投入通量的解析方法——排放清單法

源排放清單法通過(guò)調(diào)查和統(tǒng)計(jì)各污染源的狀況，然后根據(jù)不同污染源的活動(dòng)水平和排放因子模型，建立污染源清單數(shù)據(jù)庫(kù)，從而對(duì)不同污染源的排放量進(jìn)行評(píng)估，確定主要污染源[4]。因此在土壤重金屬源解析中，該方法需要提前獲得不同潛在污染源（如大氣沉降、畜禽糞便、化肥、有機(jī)肥、灌溉水等）投入到土壤中的重金屬含量信息，以此計(jì)算各污染源的貢獻(xiàn)率。雖然該方法能最為直接地反映不同來(lái)源的投入情況，但采集全面可靠的數(shù)據(jù)存在困難，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，同時(shí)，不同來(lái)源的重金屬在土壤中的累積能力也有差異，因此采用此方法的研究也相對(duì)有限，在我們收集到的文獻(xiàn)中占1.2%（表1）。例如，前人匯總了我國(guó)農(nóng)田中的重金屬輸入輸出清單并分析了因地理、氣候、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等造成的不同地區(qū)間重金屬輸入輸出清單的差異性，指出大氣沉降是全國(guó)范圍內(nèi)重金屬輸入農(nóng)田的主要途徑[10]；此外，針對(duì)浙江和湖南地區(qū)進(jìn)行的農(nóng)田中重金屬輸入輸出清單的研究指出，浙江地區(qū)農(nóng)田土壤中重金屬的主要輸入途徑為大氣沉降和畜禽糞便，主要輸出途徑為作物收割和淋濾[11]，且湖南監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)Cd污染的主要來(lái)源也是大氣沉降，其次為養(yǎng)殖廢水，其輸出途徑主要為水稻籽粒和地表排水[12]。

1.2 基于污染源和土壤重金屬元素組成的解析方法——化學(xué)質(zhì)量平衡模型

化學(xué)質(zhì)量平衡模型是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的受體模型，也是美國(guó)環(huán)境保護(hù)署推薦使用的模型[6]。該模型的假設(shè)前提是：各污染源排放物的化學(xué)組成須相對(duì)穩(wěn)定，且存在明顯的差異性；各污染源排放物之間不發(fā)生反應(yīng)，且在輸送過(guò)程中不發(fā)生變化；污染源的元素組成與土壤中的元素組成呈線性擬合[13]?；瘜W(xué)質(zhì)量平衡模型基于質(zhì)量守恒定律，即土壤樣品中某污染元素的濃度等于各污染源中該污染元素的含量與各污染源對(duì)土壤的貢獻(xiàn)值乘積的線性和，并利用有效方差最小二乘法進(jìn)行求解[4]。該方法可以定量評(píng)價(jià)各污染源的貢獻(xiàn)率，但需要經(jīng)常監(jiān)測(cè)研究區(qū)的源以及受體樣品，列出排放清單，不斷更新研究區(qū)的排放源成分譜[4]。利用化學(xué)質(zhì)量平衡模型進(jìn)行的土壤重金屬源解析研究主要采用元素比值法和同位素比值法。

1.2.1 元素比值法

元素比值法根據(jù)不同來(lái)源中兩種以上重金屬元素之間或者重金屬元素與其他元素之間含量比例的差異進(jìn)行土壤中重金屬的來(lái)源解析，即如果某污染源和受體中某些元素的濃度比值相近，則認(rèn)為該污染源對(duì)受體的貢獻(xiàn)率較大[14]。元素比值法適用于多元素的污染源解析，原理簡(jiǎn)單易懂，且檢測(cè)費(fèi)用低；該方法需要較大的樣本量，同時(shí)必須明確污染源中兩種以上元素的濃度比值，且不同污染源元素濃度比值間需要存在較大差異[14]。如Liu等[15]利用重金屬元素與Al之間的比值對(duì)太湖沉積物中不同時(shí)期重金屬的來(lái)源變化和污染歷史進(jìn)行了研究，指出Pb、Cu、Zn等元素的人為污染始于20世紀(jì)70年代中末期，而As的污染始于20世紀(jì)80年代中期。

1.2.2 同位素比值法

同位素比值法基于同位素的質(zhì)量守恒原理，利用不同污染源中某重金屬元素不同同位素比值具有差異性的特點(diǎn)，通過(guò)測(cè)定受體樣品中相應(yīng)同位素的組成來(lái)對(duì)污染物的來(lái)源及貢獻(xiàn)程度進(jìn)行定量區(qū)分[16]。由于金屬同位素受后期地質(zhì)地球化學(xué)作用影響小且該方法精確度高、需要的樣品量少、具有較高的辨別能力，目前已有Pb、Cd、Cu、Zn、Hg的同位素被用于土壤中重金屬的溯源研究，作為追蹤人為重金屬污染的重要鑒別指標(biāo)，并取得了一些成果[17-21]。其中Pb同位素比值法是目前研究最多也是最成熟的方法。例如，Chen等[22]利用Pb同位素對(duì)江蘇宜興市太湖西部農(nóng)田表層土壤中的Pb進(jìn)行了污染源解析，指出大氣沉降對(duì)研究區(qū)農(nóng)田土壤中Pb的貢獻(xiàn)率為57%～93%，而灌溉水和肥料的貢獻(xiàn)率均在0～10%；李霞等[23]利用Cd和Hg同位素解析出天津某郊區(qū)農(nóng)田土壤中Cd的污染來(lái)源主要是工業(yè)廢棄物（46%）和灌溉水（29%），而Hg的污染來(lái)源以大氣降塵（37%）、有機(jī)肥（25%）及灌溉水（22%）為主。由此可見(jiàn)，同位素比值法能較準(zhǔn)確區(qū)分不同污染源的貢獻(xiàn)值，但只能針對(duì)特定的重金屬（如Pb、Cd、Cu、Zn、Hg）進(jìn)行溯源，且也需要收集各個(gè)排放源樣品的相關(guān)同位素特征值，該方法樣品處理與分析復(fù)雜、昂貴，不適于大量樣品的分析。

1.3 基于土壤重金屬等元素組成的解析方法——多元統(tǒng)計(jì)模型

1.3.1 傳統(tǒng)多元統(tǒng)計(jì)方法

傳統(tǒng)的多元統(tǒng)計(jì)方法是目前土壤重金屬污染源解析研究中的常用方法。這類方法通過(guò)識(shí)別具有相似分布特征的重金屬來(lái)定性判定某些重金屬的來(lái)源，即假設(shè)來(lái)自于同一污染源的重金屬之間具有相關(guān)性。傳統(tǒng)多元統(tǒng)計(jì)方法不需要提前對(duì)污染源進(jìn)行調(diào)查分析，但是其篩選出的公共因子與污染源之間的關(guān)系常具有一定的主觀性且難以區(qū)分出相似的污染源；此外，該方法需要大量的樣品且需借助統(tǒng)計(jì)分析軟件，對(duì)于污染源數(shù)目較多的體系其計(jì)算比較繁瑣[14]。

相關(guān)性分析是用于統(tǒng)計(jì)分析不同變量之間是否具有某種共同變化關(guān)系的方法。不同重金屬元素間的相關(guān)性可用于反映這些元素的來(lái)源及遷移途徑，如果元素間沒(méi)有相關(guān)性，則表明這些元素并不是受單一因素的影響。Pearson相關(guān)系數(shù)是土壤重金屬源解析中常用的相關(guān)性分析方法。

聚類分析法（CA）是根據(jù)不同重金屬元素間的相似程度找出兩種或兩種以上能夠衡量不同元素間相似程度的變量，然后以這些變量為分類依據(jù)，對(duì)元素間的相關(guān)程度進(jìn)行分類，采用聚類樹狀圖形象地反映元素之間的遠(yuǎn)近關(guān)系。

因子分析法（FA）可以將一系列具有復(fù)雜關(guān)系的變量歸結(jié)為少數(shù)幾個(gè)綜合因子，該方法將土壤中各元素的濃度值看作是各種污染源貢獻(xiàn)的線性組合，然后根據(jù)受體樣品（n）各化學(xué)成分（i）之間的相關(guān)關(guān)系，從n×i個(gè)數(shù)據(jù)集合中歸納出公因子（又稱主因子），然后由此計(jì)算出各個(gè)因子載荷，結(jié)合因子載荷情況和污染源的特征元素定性推斷出各因子可能代表的污染源類型[2，14]。

主成分分析法（PCA）與FA既存在聯(lián)系，又不完全相同。它是將初始因子載荷矩陣通過(guò)正交旋轉(zhuǎn)變換進(jìn)行“降維”，再根據(jù)各變量載荷情況結(jié)合源特征元素來(lái)識(shí)別主因子，獲得其主因子得分[13]。這種傳統(tǒng)的PCA法不能定量解析污染源的貢獻(xiàn)，改進(jìn)后的主成分分析/絕對(duì)主成分得分（PCA/APCS）受體模型在PCA的基礎(chǔ)上，得到歸一化的重金屬濃度的因子分?jǐn)?shù)APCS，再用重金屬濃度數(shù)據(jù)對(duì)APCS做多元線性回歸得到相應(yīng)的回歸系數(shù)，該回歸系數(shù)可將APCS轉(zhuǎn)化為每個(gè)污染源對(duì)每個(gè)樣本的濃度貢獻(xiàn)[24-25]。改進(jìn)后的PCA/APCS不需要事先了解污染源的個(gè)數(shù)及其特點(diǎn)，不但可以定量確定每個(gè)變量對(duì)每個(gè)源的載荷，還可以定量確定污染源對(duì)其重金屬的平均貢獻(xiàn)量和在每個(gè)采樣點(diǎn)的貢獻(xiàn)量。如瞿明凱等[24]利用PCA/APCS模型研究了武漢市東湖高新技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)表層土壤中Cd源的貢獻(xiàn)量，按大小依次為電子工業(yè)源（67%）、土壤母質(zhì)（16%）、其他源（9%）和城市大氣沉降源（主要為汽車尾氣，8%）。

1.3.2 混合方法

如前所述，PCA和FA等傳統(tǒng)多元統(tǒng)計(jì)方法只能定性推測(cè)潛在的污染來(lái)源，若將PCA、FA歸納得出的主成分因子對(duì)土壤中重金屬的含量進(jìn)行多元線性回歸（MLR），即PCA/MLR和FA/MLR，便可估算主要污染源對(duì)土壤中重金屬含量的貢獻(xiàn)率[2]。而APCS/MLR則是在PCA/MLR的基礎(chǔ)上，根據(jù)主成分得分求得APCS，繼而進(jìn)行多元線性回歸[26-27]。PCA/MLR、FA/MLR以及APCS/MLR作為應(yīng)用最廣的混合方法，最早用于追溯大氣顆粒物中金屬元素的污染來(lái)源，近年來(lái)也被成功用于土壤中重金屬元素的源解析[28-31]。如Yang等[32]通過(guò)PCA得出工農(nóng)業(yè)以及交通是2010—2014年湖北武漢青山區(qū)某菜地中重金屬的主要來(lái)源，MLR則定量解析出工農(nóng)業(yè)貢獻(xiàn)了82.5%，其余的17.5%則來(lái)源于交通。

此外，PCA、FA等還可與化學(xué)質(zhì)量平衡模型中的同位素比值法結(jié)合，利用多元統(tǒng)計(jì)分析得到污染源的類型和數(shù)目，同位素比值法則用來(lái)定量污染源的貢獻(xiàn)率并對(duì)多元分析的結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。如Luo等[31]選取廈門市6個(gè)公園表層土壤作為研究對(duì)象，綜合運(yùn)用PCA、APCS/MLR和Pb同位素方法，指出表層土壤中Pb的主要人為來(lái)源為燃煤，且其中Pb的貢獻(xiàn)率為土壤母質(zhì)（49%）、燃煤（45%）?交通排放（6%）；孫境蔚等[33]利用FA分析出泉州市某林地垂直剖面土壤中Sr、Ni、Fe、Cr、Cu、Mn、Pb、Zn的主要來(lái)源為交通源、自然源和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，Pb同位素則進(jìn)一步得出土壤母質(zhì)對(duì)Pb的貢獻(xiàn)率為85.14%，汽車尾氣塵的貢獻(xiàn)率為14.86%。

1.3.3 正定矩陣因子分解法

正定矩陣因子分解法（PMF）是由芬蘭科學(xué)家Paatero和Tapper在FA的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，也是美國(guó)環(huán)境保護(hù)局推薦的源解析方法之一。該方法不依賴于污染源的化學(xué)成分譜分析，而是將多個(gè)（土壤）樣品、多種重金屬元素的數(shù)據(jù)集當(dāng)做是一個(gè)矩陣，然后將矩陣分解為源的貢獻(xiàn)率矩陣和源成分譜矩陣，通過(guò)非負(fù)約束因子分析，利用最小二乘法迭代計(jì)算，使目標(biāo)函數(shù)最小化，以解決所測(cè)量的重金屬濃度和污染源之間的化學(xué)質(zhì)量平衡（CMB）[3，34-35]。魏迎輝等[35]以湖南水口山鉛鋅礦周邊農(nóng)田土壤為例，探究了異常值剔除和地殼元素引入對(duì)PMF模型源解析結(jié)果的影響，結(jié)合元素濃度空間分布圖，最終確定：Pb、Zn、Cd和Sb主要來(lái)自鉛鋅礦的采選及冶煉等工業(yè)活動(dòng)源（26.81%）；As和Hg主要來(lái)自污水灌溉和農(nóng)藥化肥施用等農(nóng)業(yè)活動(dòng)源（14.68%）；Cr、Ni、Co和 Mo主要來(lái)自土壤母質(zhì)源（24.41%）。

1.3.4 UNMIX模型

UNMIX是美國(guó)環(huán)境保護(hù)部開發(fā)的源解析模型，是一種基于PCA的多元受體模型；它通過(guò)自主建模曲線分辨技術(shù)的轉(zhuǎn)換方式來(lái)確保源解析結(jié)果的可靠性[36]。該模型的假設(shè)前提是：未知污染源對(duì)受體的源貢獻(xiàn)是各個(gè)源組分的線性組合；污染源中各個(gè)組分對(duì)受體點(diǎn)的貢獻(xiàn)均是正值；樣品中有一些源貢獻(xiàn)很少或是沒(méi)有貢獻(xiàn)，故可利用被選擇污染源在該受體點(diǎn)的數(shù)據(jù)，進(jìn)而估算源的數(shù)目、組成和貢獻(xiàn)率等[37]。其計(jì)算公式的表現(xiàn)形式與PMF法相似。艾建超等[37]利用該方法解析出松花江上游夾皮溝地區(qū)表層土壤的4個(gè)金屬源：采礦選礦、公路交通、居民垃圾堆放等人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)率為39.31%，土壤母質(zhì)、施用化肥、燃煤等綜合作用的貢獻(xiàn)率為23.93%，鐵礦石開采和運(yùn)輸?shù)呢暙I(xiàn)率為22.89%，巖石風(fēng)化和生物作用等自然作用的貢獻(xiàn)率為13.87%，并利用空間分析法驗(yàn)證了UNMIX模型解析的結(jié)果，且與研究區(qū)內(nèi)的土地利用和人類活動(dòng)基本吻合。

1.4 基于土壤重金屬元素組成和其他變量的解析方法——先進(jìn)統(tǒng)計(jì)學(xué)算法

近年來(lái)，隨著其他學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展，新的方法不斷應(yīng)用于土壤重金屬源解析的研究，如基于概率和統(tǒng)計(jì)分析的隨機(jī)模型、基于非監(jiān)督分類技術(shù)的有限混合分布模型、基于機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘數(shù)學(xué)方法的條件推斷樹等。這類算法也屬于受體模型的范疇，計(jì)算速度較快，在處理大量數(shù)據(jù)時(shí)具有優(yōu)勢(shì)，可以更好地解釋傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法不能解釋的復(fù)雜空間關(guān)系[38]。例如，Hu等[8]利用條件推斷樹和有限混合分布模型對(duì)珠三角地區(qū)的土壤重金屬污染進(jìn)行源解析，有效地克服了區(qū)域尺度下土壤背景及人為貢獻(xiàn)的空間變異性帶來(lái)的不確定性，并對(duì)天然來(lái)源和人為來(lái)源的貢獻(xiàn)進(jìn)行定量解析，成功識(shí)別了珠三角地區(qū)影響表層土壤中重金屬含量的主要因素和作用機(jī)制。同時(shí)，Zhong等[9]也將上述算法用于識(shí)別廣西西北部表層土壤中重金屬的來(lái)源及明確自然源和人為源對(duì)表層土壤中累積的重金屬的貢獻(xiàn)。宋志廷等[7]則利用隨機(jī)森林構(gòu)建了天津武清地區(qū)表層土壤重金屬源-匯量化關(guān)系。

1.4.1 條件推斷樹

條件推斷樹通過(guò)條件推斷框架中二元遞歸分裂來(lái)劃分并預(yù)測(cè)自變量和重金屬濃度之間的回歸關(guān)系[39]。該方法根據(jù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)來(lái)確定自變量和分裂點(diǎn)的選擇，即先假設(shè)所有自變量與因變量均獨(dú)立，再對(duì)它們進(jìn)行卡方獨(dú)立檢驗(yàn)，檢驗(yàn)P值小于閾值的自變量加入模型，相關(guān)性最強(qiáng)的自變量作為第一次分裂的自變量；自變量選擇好后，用置換檢驗(yàn)來(lái)選擇分裂點(diǎn)，當(dāng)顯著性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)自變量對(duì)重金屬含量不再顯著影響時(shí)，分裂即會(huì)自動(dòng)停止，避免出現(xiàn)過(guò)擬合[8]。土壤重金屬源解析中，影響土壤中重金屬含量的因素即為自變量，如土壤類型、土地利用類型、人口密度、土壤有機(jī)質(zhì)、道路交通狀況等；土壤中重金屬含量的分布概率即是上述自變量的條件分布函數(shù)。

1.4.2 有限混合分布模型

有限混合分布模型用于獲得背景區(qū)域和污染區(qū)域中土壤重金屬濃度混合觀測(cè)值的概率密度函數(shù)，它是將一個(gè)大群體的概率分布模型分解為若干個(gè)子群體的概率分布模型[8]。建立該模型的前提是要確定子群體的數(shù)目、權(quán)重及其概率密度函數(shù)的選擇和參數(shù)設(shè)定，并且該模型假設(shè)所觀測(cè)的土壤重金屬含量數(shù)據(jù)可隨機(jī)地從由多個(gè)子群體概率密度函數(shù)代表的混合分布模型中產(chǎn)生[8]。

1.4.3 隨機(jī)森林

隨機(jī)森林可以被看作是一個(gè)包含了多個(gè)條件推斷樹的分類器，是由Breiman基于統(tǒng)計(jì)學(xué)理論開發(fā)的一種數(shù)據(jù)挖掘方法，它的提出是基于決策樹分類器的融合算法[40]。該算法利用bootstrap重抽樣方法從原始樣本中抽取多個(gè)樣本，對(duì)每個(gè)bootstrap樣本構(gòu)建決策樹，然后將所有決策樹預(yù)測(cè)平均值作為最終預(yù)測(cè)結(jié)果[7]。隨機(jī)森林在不顯著提高運(yùn)算量的前提下提高了預(yù)測(cè)精度，可用于估算各環(huán)境變量的重要性系數(shù)，從而進(jìn)一步識(shí)別影響重金屬含量的主要因素。

1.5 基于土壤重金屬元素組成和空間關(guān)系的解析方法——空間分析法

空間分析法基于地理信息系統(tǒng)，利用地統(tǒng)計(jì)結(jié)果和采樣點(diǎn)之間的空間關(guān)系，從有限樣本對(duì)土壤重金屬含量的空間分布進(jìn)行數(shù)字制圖，從而預(yù)測(cè)未采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)；該方法不僅可以使預(yù)測(cè)的誤差方差達(dá)到最小值，同時(shí)也減少了調(diào)研采樣的工作量[24]。當(dāng)研究區(qū)受到明顯的人為影響時(shí)，土壤中某些重金屬異常高值的分布通常會(huì)與工業(yè)、城鎮(zhèn)、農(nóng)業(yè)等的分布出現(xiàn)較好的相關(guān)性。因此，重金屬在空間上的變異尺度可作為判斷各重金屬來(lái)源的重要依據(jù)：自然因素作用造成的空間變異尺度較大，而人為的貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在中小空間的尺度上[41]。該方法涉及的插值法有反距離加權(quán)插值法（IDW）、克里格插值法（Kriging）、自然鄰點(diǎn)插值法（Natural Neighbor）等，在空間分析過(guò)程中需要根據(jù)實(shí)際情況合理選擇和運(yùn)用插值法，其中以克里格插值法最為常見(jiàn)?？臻g分析法常與傳統(tǒng)的多元統(tǒng)計(jì)方法、PCA/APCS等源解析方法聯(lián)用，尤其是在污染源未知的情況下，可直觀獲得污染源對(duì)重金屬貢獻(xiàn)率的空間分布。如陳丹青等[25]先利用相關(guān)性分析和PCA/APCS定量解析了廣州市內(nèi)表層土壤中污染較重的Cd和Hg的來(lái)源，然后利用空間分析法闡明了Cd和Hg來(lái)源貢獻(xiàn)率的空間分布特征，指出Cd主要來(lái)源于土壤母質(zhì)（46.1%）和交通排放（42.8%），其中42.3%的點(diǎn)位Cd以自然源為主并主要分布在研究區(qū)域南部，57.7%的點(diǎn)位Cd以交通源為主并主要分布在研究區(qū)域中部及北部，而Hg主要來(lái)源于工業(yè)活動(dòng)（45.4%）和交通排放（36.1%），其中43.8%的點(diǎn)位Hg以工業(yè)源為主且主要分布在研究區(qū)域的西南部地區(qū)，42.8%的點(diǎn)位Hg以交通源為主且主要分布在中部和北部區(qū)域。

1.6 不同土壤重金屬源解析方法的比較

為給土壤重金屬源解析研究中源解析方法的選擇提供參考，本研究系統(tǒng)匯總了目前常用的源解析方法的優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍及其在土壤重金屬源解析中的應(yīng)用情況（表1）?？傮w來(lái)看，傳統(tǒng)多元統(tǒng)計(jì)方法中的相關(guān)性分析是基礎(chǔ)，可以完善和支持PCA、FA或CA的分析結(jié)果；PCA和FA能有效地識(shí)別重金屬來(lái)源，CA則能進(jìn)一步對(duì)不同來(lái)源的參數(shù)和變量進(jìn)行分類組合，是PCA和FA的有力補(bǔ)充[27]。由于上述方法只能對(duì)污染源進(jìn)行分類，無(wú)法直接給出各污染源的貢獻(xiàn)率，因此常配合空間分析方法、PMF、UNMIX受體模型、同位素比值法等定量解析出污染源的貢獻(xiàn)率。對(duì)于不同源解析方法在112篇文獻(xiàn)中的使用率，本研究采用各源解析方法的使用次數(shù)（若同一研究采用多種源解析方法，各源解析方法分別計(jì)數(shù)）除以所有方法的計(jì)數(shù)總和來(lái)計(jì)算。從表1可以看出，目前的研究主要以定性的土壤重金屬源解析結(jié)果為主[3]，且傳統(tǒng)的多元統(tǒng)計(jì)方法（如PCA、相關(guān)分析、CA、FA）是目前最常用的定性源解析方法，占64.4%，其次為空間分析法，占10.7%；而涉及定量計(jì)算重金屬污染來(lái)源貢獻(xiàn)率的研究還十分有限，僅占17.9%，其中源清單法占總研究的1.2%，同位素比值法占3.6%，定量的多元統(tǒng)計(jì)方法占10.2%，先進(jìn)統(tǒng)計(jì)模型算法占2.8%。另外還有定性解析的EF法和定量解析的Cubist、MCRWALS、隨機(jī)梯度提升、逐步回歸模型未納入到表1中，分別占調(diào)查總研究的5.5%和1.6%。

表1 不同的土壤重金屬源解析方法比較
Table 1 Comparison of different source identification methods for heavy metals in soils

注：*基于本研究統(tǒng)計(jì)的112篇文獻(xiàn)。
Note：*Based on the collected 112 references.

如前所述，各源解析方法都存在一定的局限性，如傳統(tǒng)的多元統(tǒng)計(jì)方法和空間分析法只能定性識(shí)別主要污染物，源排放清單法需要獲得不同潛在污染源投入信息，PMF、UNMIX等要求樣品數(shù)據(jù)量大且不能識(shí)別有相似貢獻(xiàn)的源，同位素比值法必須知道污染源的同位素比值信息等。隨著上述方法的逐步成熟，將多種方法聯(lián)合使用或運(yùn)用多種模型對(duì)同一對(duì)象進(jìn)行源解析來(lái)對(duì)比分析結(jié)果以解決運(yùn)用單一模型的局限性將成為未來(lái)源解析研究的必然趨勢(shì)。

2 近十年我國(guó)土壤中重金屬污染主要來(lái)源的研究結(jié)果

從本文收集到的文獻(xiàn)來(lái)看，現(xiàn)階段我國(guó)土壤中重金屬的溯源工作主要關(guān)注某一特定地區(qū)，針對(duì)全國(guó)范圍的土壤重金屬源解析研究很少。對(duì)農(nóng)田土壤來(lái)講，針對(duì)全國(guó)范圍的研究主要是從重金屬輸入的角度，通過(guò)輸入清單法進(jìn)行調(diào)查和計(jì)算。前人通過(guò)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，1999—2006年，大氣沉降和畜禽糞便是重金屬進(jìn)入農(nóng)田土壤的主要來(lái)源，其中大氣沉降對(duì)我國(guó)農(nóng)田土壤中As、Cr、Hg、Ni和Pb的貢獻(xiàn)率為43%～85%；畜禽糞便對(duì)Cu、Cd、Zn的貢獻(xiàn)率大約為69%、55%和51%；磷肥、污灌等雖不是主要來(lái)源，但在部分施用過(guò)量地區(qū)其貢獻(xiàn)也較大[42]。2006—2015年，大氣沉降仍是我國(guó)農(nóng)田土壤中大部分重金屬元素（除Cu以外）的主要來(lái)源，貢獻(xiàn)率占54.8%～94.5%，Cu主要受畜禽糞便影響（63.4%），Zn則同時(shí)受控于大氣沉降（54.9%）和畜禽糞便（43.8%）[43]。最新的研究結(jié)果也表明，近十年我國(guó)農(nóng)田土壤中的重金屬（除Cu外）主要來(lái)自于大氣沉降的貢獻(xiàn)（50%～93%）[44]。這些研究顯示，在全國(guó)尺度上，大氣沉降和畜禽糞便是目前我國(guó)農(nóng)田土壤中重金屬元素的主要輸入源，其中以Cd的污染風(fēng)險(xiǎn)最高，需要加以更多的重視。此外，各個(gè)地區(qū)氣候、土壤、人口密度、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、土地利用類型等方面的差異也會(huì)造成土壤重金屬主要污染來(lái)源的變異。從表2可以看到，從定量解析污染源的角度來(lái)看，不同研究區(qū)之間的主要污染源確實(shí)存在差異性。如北京潮河沿岸與順義區(qū)農(nóng)田土壤中，土壤母質(zhì)和采礦活動(dòng)分別是這兩個(gè)研究區(qū)土壤中累積重金屬的主要來(lái)源；福建省廈門市公園和泉州市林地土壤中的重金屬分別以燃煤和土壤母質(zhì)為主要來(lái)源。但是某些地區(qū)的主要污染源比較一致，如江蘇省的主要污染來(lái)源以工業(yè)活動(dòng)和/或大氣沉降為主，貢獻(xiàn)率基本占50%以上；湖南省土壤中累積的重金屬則主要來(lái)自于采礦、冶煉等活動(dòng)造成的工業(yè)排放、大氣沉降、交通運(yùn)輸?shù)龋粡V東省則以土壤母質(zhì)和工業(yè)活動(dòng)為主?？傮w來(lái)看，雖然不同的定量源解析方法給出的污染源貢獻(xiàn)率存在差異性，但基本能得出較一致的主要污染源；此外，先進(jìn)統(tǒng)計(jì)學(xué)算法還能進(jìn)一步給出基礎(chǔ)地理?xiàng)l件（如監(jiān)測(cè)點(diǎn)距主要道路、居民地位置、主要河流等的距離）、土壤基礎(chǔ)條件（如土壤類型、耕地面積等）、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件（如人口數(shù)量、工業(yè)生產(chǎn)總值、糧食平均單產(chǎn)等）等對(duì)土壤中累積重金屬的貢獻(xiàn)。由于定量的源解析研究有限，為了更好地統(tǒng)計(jì)及闡明近十年我國(guó)土壤中重金屬污染的主要來(lái)源問(wèn)題，下面將匯總定性和定量的源解析研究，將我國(guó)劃分為7個(gè)區(qū)域（東北地區(qū)、華北地區(qū)、華東地區(qū)、華中地區(qū)、華南地區(qū)、西北地區(qū)、西南地區(qū)）分別進(jìn)行討論，具體見(jiàn)表3。

表2 近十年定量源解析方法應(yīng)用匯總
Table 2 Application of source apportionment in soils in recent ten years

續(xù)表2近十年定量源解析方法應(yīng)用匯總

Continued table 2 Application of source apportionment in soils in recent ten years

2.1 東北地區(qū)

該地區(qū)近十年土壤重金屬源解析的文獻(xiàn)共收集15篇，涵蓋了分布于黑龍江、吉林和遼寧3省的不同地區(qū)，涉及1338個(gè)表層土壤樣品，所采用的定性源解析方法主要為PCA、相關(guān)性分析、空間分析等，定量源解析方法有PMF、同位素比值法等（表3）?？傮w來(lái)看，東北地區(qū)土壤污染的主要重金屬元素為Cd，其次也出現(xiàn)Pb、Cu、Zn、Hg等的富集。農(nóng)田土壤中，Cd、Cu、Zn主要的污染來(lái)源為有機(jī)肥、化肥、農(nóng)藥施用等農(nóng)業(yè)活動(dòng)，部分地區(qū)土壤母質(zhì)成為Cu和Zn的主要來(lái)源，但在靠近城區(qū)或者工業(yè)區(qū)附近，交通排放、采礦活動(dòng)則占據(jù)主導(dǎo)地位；As和Hg受工業(yè)排放及煤燃燒的影響較大，同時(shí)農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)As也有貢獻(xiàn)；Pb的來(lái)源比較復(fù)雜，主要來(lái)源于工業(yè)（冶煉、燃煤等）、交通排放和居民的生活垃圾；Cr和Ni則主要受土壤母質(zhì)控制，部分地區(qū)也有農(nóng)業(yè)活動(dòng)影響；對(duì)于非農(nóng)田土壤，重金屬的來(lái)源則與當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境有關(guān)，如遼寧省作為我國(guó)重要的重工業(yè)基地，該地區(qū)城市土壤中的重金屬元素基本都與工業(yè)及交通源有關(guān)，雖然Cr和Ni主要與土壤母質(zhì)有關(guān)，但Cr仍受到工業(yè)的影響。

續(xù)表3近十年我國(guó)土壤重金屬源解析統(tǒng)計(jì)結(jié)果
Continued table 3 Statistical results of source apportionment of heavy metals in soils in China in recent ten years

注：（1）a僅列出了表層土的樣品數(shù)量；（2）b“農(nóng)田”“部分農(nóng)田”“其他”分別指文獻(xiàn)中“土壤類型僅為農(nóng)田土壤”“一部分土壤類型為農(nóng)田土壤”“土壤類型不包括農(nóng)田土壤”；（3）表中括號(hào)內(nèi)的數(shù)字代表涉及該條目的文獻(xiàn)數(shù)量。
Note：（1）aonly surface soil samples are listed；（2）b"farmland""some farmland"and"others"respectively mean that the soil type is"only argicultural soil""some argicultural soil"and"no argicultural soil"in the references；（3）The number in parenthese represent the number of references related to this item.

2.2 華北地區(qū)

關(guān)于華北地區(qū)土壤重金屬源解析的近期文章共發(fā)現(xiàn)了13篇，涉及北京、天津、河北、山西和內(nèi)蒙古地區(qū)的2831個(gè)表層土壤樣品，所采用的定性源解析方法主要為PCA、相關(guān)性分析、空間分析等，定量源解析方法有PMF、PCA-MLR、同位素比值法等（表3）?？傮w上，華北地區(qū)農(nóng)田土壤中的主要污染重金屬元素是Cd，其次有Cu、Hg、Zn、Pb等。該地區(qū)農(nóng)田土壤中的As、Cr、Ni主要受土壤母質(zhì)的控制，個(gè)別地方的As還有采礦活動(dòng)和大氣沉降的貢獻(xiàn)；除此以外，其余重金屬元素都受到一定程度的外源污染。Cd、Cu和Zn的污染來(lái)源仍以農(nóng)業(yè)活動(dòng)（肥料、農(nóng)藥、灌溉水）為主，部分地區(qū)Cd還受到工業(yè)活動(dòng)的影響。對(duì)于Pb的來(lái)源，土壤母質(zhì)、采礦活動(dòng)、大氣沉降、污水灌溉等都有一定程度的貢獻(xiàn)。Hg主要受大氣沉降和灌溉水控制，局部地區(qū)有工業(yè)活動(dòng)的影響。對(duì)于工業(yè)區(qū)周邊的非農(nóng)田土壤來(lái)說(shuō)，重金屬的累積明顯與工業(yè)活動(dòng)、燃煤、交通排放緊密相關(guān)。

2.3 華東地區(qū)

華東地區(qū)的土壤重金屬源解析工作研究程度比較高，收集到的相關(guān)文獻(xiàn)有40篇，區(qū)域主要集中在浙江、江蘇和山東，涉及6071個(gè)表層土壤樣品，所采用的定性源解析方法主要為PCA、相關(guān)分析、CA、空間分析等，定量源解析方法有PMF、同位素比值法及混合方法等（表3）。該地區(qū)土壤中的主要污染元素仍為Cd，其次為Cu、Hg等。山東壽光地區(qū)的大棚土中，Cd、Cu、Zn、Hg受控于施用肥料和農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)活動(dòng)，As、Pb、Cr、Ni則主要來(lái)源于土壤母質(zhì)，后三者還有工業(yè)活動(dòng)的貢獻(xiàn)。而南京地區(qū)農(nóng)田土壤中的Cd則主要來(lái)源于土壤母質(zhì)和肥料等農(nóng)業(yè)投入品這兩者的貢獻(xiàn)；Cu和Zn的來(lái)源一致，以農(nóng)業(yè)投入品（如肥料）為主，其次還有大氣沉降（交通、工業(yè)活動(dòng)）的貢獻(xiàn)；Hg的來(lái)源復(fù)雜，受土壤母質(zhì)、工業(yè)排放（如燃煤）、交通、農(nóng)業(yè)（如高Hg農(nóng)藥）等多因素影響；As則主要受控于土壤母質(zhì)及交通和工業(yè)活動(dòng)引起的大氣沉降；Pb來(lái)源于大氣沉降（交通、工業(yè)活動(dòng)）的貢獻(xiàn)；Cr和Ni除了受工業(yè)活動(dòng)的影響，部分地區(qū)使用的肥料對(duì)Cr也有貢獻(xiàn)?？傮w來(lái)看，工業(yè)活動(dòng)的貢獻(xiàn)在南京地區(qū)相對(duì)較高，與定量解析結(jié)果基本一致（表2）。對(duì)于浙江地區(qū)，其土壤中各重金屬元素的污染來(lái)源基本與南京地區(qū)一致，但Cd和Cu以及Pb和As還分別增加了工業(yè)（如鉛電池廠、電子廢料等）以及農(nóng)業(yè)活動(dòng)（如肥料施用）的貢獻(xiàn)?？傮w來(lái)看，土壤母質(zhì)，人為污染源中大氣沉降（工業(yè)和交通）、農(nóng)業(yè)活動(dòng)以及工業(yè)活動(dòng)是南京和浙江地區(qū)農(nóng)田土壤中Cd、As、Pb、Hg、Cu、Zn的主要污染來(lái)源，與安徽、上海、福建地區(qū)的污染源類型基本一致。對(duì)于華東地區(qū)非農(nóng)業(yè)土地利用類型的土壤來(lái)說(shuō)，尤其是工業(yè)區(qū)附近，除部分元素（如 As、Cu、Cr、Ni）主要受控于土壤母質(zhì)外，主要是工業(yè)活動(dòng)造成了土壤中其他重金屬元素的累積。

2.4 華中地區(qū)

關(guān)于華中地區(qū)的土壤源解析文獻(xiàn)有16篇，主要集中在湖北、湖南、河南地區(qū)，涉及7819個(gè)表層土壤樣品，所采用的定性源解析方法主要為PCA、相關(guān)分析、空間分析等，定量源解析方法有混合方法、PMF、同位素比值法等（表3）。總體來(lái)看，Cd為主要的污染元素，其次有Pb、Cu、Zn等。湖北地區(qū)的工業(yè)活動(dòng)是農(nóng)田土壤中8種重金屬元素（尤其是Cd、Cu、Zn）的主要污染來(lái)源，同時(shí)土壤母質(zhì)也影響著大部分重金屬元素（如Cd、Pb、Cu、Zn、Cr、Ni）的累積；除此之外，Pb還受到交通的影響，Cd、Cu和Zn還受到農(nóng)業(yè)活動(dòng)的影響。對(duì)湖南來(lái)說(shuō)，其研究區(qū)域主要集中在礦區(qū)附近，盡管土地利用類型不同，人為污染源中工業(yè)活動(dòng)（冶煉、燃煤）及其產(chǎn)生的大氣沉降仍是該地區(qū)土壤中重金屬累積的主要來(lái)源，與定量源解析研究結(jié)果一致（表2），而肥料的施用只在部分農(nóng)田土壤中對(duì)Cd、As、Cu、Zn有一定的貢獻(xiàn)。

2.5 華南地區(qū)

華南地區(qū)的土壤源解析文獻(xiàn)共收集了11篇，主要針對(duì)廣東，僅2篇涉及廣西，共采集3041個(gè)表層土壤樣品，所采用的定性源解析方法主要為PCA、相關(guān)分析、CA、空間分析等，定量源解析方法有條件推斷樹、有限混合分布模型、隨機(jī)森林等（表3）。該區(qū)主要的污染重金屬元素為Cd和Hg。廣東地區(qū)土壤中重金屬的主要污染來(lái)源與華中地區(qū)相似，即工業(yè)活動(dòng)（主要針對(duì)Cd、As、Pb、Hg）和土壤母質(zhì)（主要針對(duì)Cu、Zn、Cr、Ni），基本與定量源解析研究結(jié)果一致（表2）；施用化肥等農(nóng)業(yè)活動(dòng)（如Cd、As、Cu、Zn等）和交通排放（如Cd、As、Pb、Hg、Zn等）對(duì)某些重金屬元素也有貢獻(xiàn)。

2.6 西北地區(qū)

關(guān)于西北地區(qū)的相關(guān)文獻(xiàn)共收集了11篇，集中在甘肅、陜西和新疆，涉及1463個(gè)表層土壤樣品，所采用的定性源解析方法主要為PCA、相關(guān)分析、EF等，定量源解析方法有PMF及混合方法等（表3）。結(jié)果顯示，該地區(qū)土壤主要的污染元素為Hg、Pb、Cu、Zn，其次為Cd等。農(nóng)田土壤中的Hg主要來(lái)源于工業(yè)活動(dòng)和污灌；Cd、Pb、Cu、Zn主要受到了農(nóng)業(yè)活動(dòng)（如肥料、農(nóng)藥、污灌等）、工業(yè)活動(dòng)（降塵）以及交通排放的影響；As、Cr、Ni主要受土壤母質(zhì)控制，局部地區(qū)As受工業(yè)及污灌的影響。對(duì)于城市土壤而言，除了土壤母質(zhì)的貢獻(xiàn)以外，交通排放和工業(yè)活動(dòng)（如燃煤）對(duì)Pb、Cu、Zn、Cr的貢獻(xiàn)也較大。由此可見(jiàn)，農(nóng)業(yè)活動(dòng)和工業(yè)活動(dòng)共同影響該地區(qū)土壤中的重金屬累積。

2.7 西南地區(qū)

西南地區(qū)的研究程度相對(duì)較低，共收集到6篇文獻(xiàn)，研究區(qū)域分布在四川、云南和貴州省，涉及6071個(gè)表層土壤樣品，所采用的定性源解析方法主要為PCA、相關(guān)分析、CA等，定量源解析方法為混合方法（表3）。總體來(lái)看，該地區(qū)的主要污染元素為Cd和Hg，其次是Pb、Zn等。工業(yè)排放、燃煤與農(nóng)業(yè)活動(dòng)（肥料和農(nóng)藥）這3種污染源對(duì)該地區(qū)農(nóng)田土壤中8種重金屬累積的貢獻(xiàn)都很大，與針對(duì)重慶和云南地區(qū)的定量源解析方法得出的結(jié)果一致。除此之外，交通排放對(duì)As、Pb、Cu和Zn也有一定的貢獻(xiàn)。

2.8 全國(guó)重金屬污染特征與污染來(lái)源

由于土壤污染來(lái)源繁多、變異性大，因此研究者在針對(duì)特定研究區(qū)域開展土壤源解析工作時(shí)常采用多種方法以提高源解析結(jié)果的可信度?？傮w來(lái)看，上述研究利用不同源解析方法得到的源解析結(jié)果基本一致，能夠相互印證、互相支持。

本研究的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，Cd是全國(guó)范圍內(nèi)土壤中的主要污染重金屬，同時(shí)也存在Cu、Zn、Pb、Hg的污染。Niu等[137]通過(guò)分析采自全國(guó)31個(gè)省、市、自治區(qū)的131個(gè)農(nóng)田表層土壤指出，Pb、Cd、Zn、Cu的平均含量明顯高于土壤背景值（分別為23.5、0.079、68.0、20.7 mg·kg-1）[138]；此外，Cd的污染指數(shù)最高，是最主要的污染重金屬元素，主要結(jié)論與本文一致。

綜合上述近十年我國(guó)不同地區(qū)土壤中的重金屬污染特征及源解析研究，總體來(lái)看，土壤中的Cd在東北、華北、華東和西北地區(qū)以農(nóng)業(yè)投入為較重要的來(lái)源，而在采礦業(yè)比較發(fā)達(dá)的華中、華南和西南地區(qū)則受到更多工業(yè)活動(dòng)的影響。Cd在土壤中的背景濃度僅為0.074 mg·kg-1[138]，而通過(guò)不同途徑投入到土壤中的總量則相對(duì)較高，以每年0.004 mg·kg-1的速率增加[44]，導(dǎo)致了土壤中的Cd含量在人為影響下快速上升，翻倍大概僅需要近20年，也因此解釋了絕大部分研究發(fā)現(xiàn)人為來(lái)源是土壤Cd的主要來(lái)源。

土壤中Cu和Zn的全國(guó)平均背景值為20.0 mg·kg-1和67.0 mg·kg-1[138]，而外源投入每年帶來(lái)的增加量為0.281 mg·kg-1和0.967 mg·kg-1[44]，經(jīng)過(guò)大概 70年土壤中Cu和Zn的含量即可以翻倍，因此Cu和Zn是繼Cd之后具有快速增長(zhǎng)風(fēng)險(xiǎn)的重金屬元素。與Cd類似，Cu和Zn污染在東北、華北、華東和西北地區(qū)主要來(lái)源于施肥等農(nóng)業(yè)活動(dòng)，而在華中、華南和西南地區(qū)則受到更多的工業(yè)活動(dòng)的影響，甚至以工業(yè)活動(dòng)為主。

土壤中Hg和Pb的全國(guó)平均背景值為0.04 mg·kg-1和24 mg·kg-1[138]，而外源投入每年帶來(lái)的增加量為0.000 4 mg·kg-1和 0.156 mg·kg-1[44]，按此計(jì)算，分別經(jīng)過(guò)大概100年和150年土壤中Hg和Pb的含量可以翻倍，可見(jiàn)Hg對(duì)外界污染也很敏感。本文匯總的結(jié)果顯示，Hg主要受工業(yè)活動(dòng)及其產(chǎn)生的大氣沉降影響，局部地區(qū)受施用高Hg農(nóng)藥影響；Pb一方面來(lái)源于交通運(yùn)輸[139]，汽車尾氣產(chǎn)生的Pb會(huì)隨著降塵進(jìn)入表層土，此外冶煉廠的含Pb灰塵也容易進(jìn)入土壤?？傮w來(lái)看，Pb的來(lái)源比較復(fù)雜，受到工業(yè)活動(dòng)、交通和大氣沉降等來(lái)源的共同影響。

土壤中 As、Cr、Ni的全國(guó)平均背景值為 9.2、54、23 mg·kg-1[138]，而外源投入每年帶來(lái)的增加為0.027、0.128、0.054 mg·kg-1[44]，按此計(jì)算經(jīng)過(guò)大概 340、420、430年土壤中As、Cr、Ni的含量可以翻倍，對(duì)外界污染相對(duì)不敏感，這與匯總的結(jié)果相一致。匯總結(jié)果顯示As、Cr、Ni的人為源貢獻(xiàn)較小，主要受土壤母質(zhì)的控制，少數(shù)地區(qū)受工業(yè)和農(nóng)業(yè)活動(dòng)的影響。As元素常伴生于硫化物礦中，且各種煤中的As含量在3～45 mg·kg-1之間，故可作為金屬冶煉和燃煤的標(biāo)志元素[140]。土壤中的Cr和Ni通常高度相關(guān)[139]，且土壤母質(zhì)和點(diǎn)源污染（如小型工廠）均會(huì)造成土壤中Ni和Cr的累積，局部地區(qū)點(diǎn)源污染的貢獻(xiàn)更大[92]。

3 結(jié)論

（1）近十年我國(guó)土壤中的主要重金屬污染元素為Cd，同時(shí)還存在Cu、Zn、Pb、Hg的污染。土壤中Cd、Cu、Zn的主要人為污染源來(lái)自于施肥等農(nóng)業(yè)活動(dòng)，部分地區(qū)還來(lái)源于工業(yè)活動(dòng)，甚至以工業(yè)活動(dòng)為主；Hg主要來(lái)源于工業(yè)活動(dòng)及其產(chǎn)生的大氣沉降，局部地區(qū)疊加高Hg農(nóng)藥的貢獻(xiàn)；Pb的來(lái)源比較復(fù)雜多樣；As、Cr、Ni的人為污染源貢獻(xiàn)較小，主要受土壤母質(zhì)的控制，少數(shù)疊加工業(yè)和農(nóng)業(yè)活動(dòng)的貢獻(xiàn)。總體來(lái)說(shuō)，雖然不同的定量源解析方法給出的污染源貢獻(xiàn)率存在差異性，但基本能得出較一致的主要污染源信息。

（2）針對(duì)土壤環(huán)境介質(zhì)的重金屬污染源解析研究工作起步較晚，目前我國(guó)所開展的土壤重金屬污染源解析仍以定性的源識(shí)別為主，采用的源解析方法主要有PCA、相關(guān)分析、空間分析等。由于土壤污染問(wèn)題的復(fù)雜性和多變性，單一或者定性的源解析方法不能滿足現(xiàn)有對(duì)污染源貢獻(xiàn)定量解析的要求。因此，對(duì)某個(gè)區(qū)域進(jìn)行土壤源解析工作時(shí)，在考慮當(dāng)?shù)貙?shí)際情況的前提下，應(yīng)發(fā)揮不同源解析方法的特長(zhǎng)，聯(lián)合應(yīng)用多種方法（尤其是定量方法，如清單法與統(tǒng)計(jì)分析、混合方法與空間分析法、隨機(jī)模型與空間分析法、PMF與同位素方法等）是未來(lái)土壤重金屬污染源解析技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)；同時(shí)要注重建立區(qū)域上不同重金屬污染源譜數(shù)據(jù)庫(kù)，盡可能通過(guò)選擇合適的污染譜來(lái)提高源解析結(jié)果的準(zhǔn)確性，減少源解析誤差。

（3）輸入輸出清單法具有原理簡(jiǎn)單、適用尺度廣泛的優(yōu)點(diǎn)，且可用于計(jì)算土壤重金屬的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。近幾年，利用這一方法，歐洲學(xué)者對(duì)歐洲及其某些國(guó)家的土壤Cd污染來(lái)源和未來(lái)可能的變化進(jìn)行了分析和預(yù)演[141-142]，其結(jié)果對(duì)環(huán)境保護(hù)政策的制定有指導(dǎo)作用。近些年，我國(guó)對(duì)污染投入和污染狀況數(shù)據(jù)的收集取得了較大進(jìn)展，為輸入輸出清單法的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。但是，依然要注重建立不同重金屬輸入輸出通量數(shù)據(jù)的收集、匯總與共享。土壤重金屬淋濾數(shù)據(jù)，由于采集較為困難，目前還非常缺乏。從大尺度來(lái)說(shuō)，大氣沉降是許多種重金屬的主要來(lái)源，因此，需要進(jìn)一步研究大氣沉降中重金屬的最初排放來(lái)源，從而為減少大氣沉降重金屬提供科學(xué)支撐。