城市表層土壤重金屬空間分布特性及影響因素

李春明

（晉中學(xué)院信息技術(shù)與工程學(xué)院，山西晉中 030600）

隨著工業(yè)化、現(xiàn)代化、城市化的發(fā)展，環(huán)境污染尤其土壤的重金屬污染問(wèn)題愈來(lái)愈受到人們的廣泛關(guān)注.重金屬污染范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、容易富集、緩慢致病、污染隱蔽、危害人體健康且不易被微生物降解等特點(diǎn)，決定了其在污染和危害環(huán)境中的特殊性.因此，土壤重金屬污染研究便成為環(huán)境污染防治的一項(xiàng)最基礎(chǔ)性的工作.近年來(lái)，我國(guó)對(duì)于城市污水排放的環(huán)境影響評(píng)價(jià)、潮灘沉積物重金屬元素的空間分布特征等研究有了相當(dāng)進(jìn)展，研究結(jié)果表明：造成重金屬含量較高的主要因素包括：人類活動(dòng)、城市工業(yè)廢水及生活污水排放、城市生活垃圾、采礦及汽車尾氣和工業(yè)粉塵干濕沉降等[1～3].人類活動(dòng)尤其是燃煤、工業(yè)鍋爐、石油冶煉等排放的氣體，導(dǎo)致大氣中Hg含量增加，含Hg氣體通過(guò)大氣沉降等進(jìn)入土壤，使土壤中Hg大量富集[4].長(zhǎng)期用生活污水和工業(yè)污水灌溉農(nóng)田必然導(dǎo)致土壤中重金屬富集[5～6].城市生活垃圾（電池、油漆、塑料、電子產(chǎn)品等）也是土壤中重金屬的主要來(lái)源.本文以某城市城區(qū)土壤重金屬為例，采用相關(guān)分析、聚類分析、主成分分析和地統(tǒng)計(jì)分析等方法，研究土壤中重金屬的污染空間變異規(guī)律，分析重金屬空間分布特性及影響因素，從而為該地區(qū)土壤重金屬污染防治和土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 城區(qū)的劃分

按照功能劃分，城區(qū)一般可分為生活區(qū)、工業(yè)區(qū)、山區(qū)、主干道路區(qū)及公園綠地區(qū)等，分別記為功能區(qū)1、功能區(qū)2……功能區(qū)5，不同區(qū)域的環(huán)境受人類活動(dòng)影響的程度不同.

1.2 采樣與分析

根據(jù)城區(qū)分布情況采集土壤樣點(diǎn).土壤采樣方案為規(guī)則分層抽樣法，共采集土壤樣品319個(gè).將該城區(qū)劃分為間距1 km左右的網(wǎng)格子區(qū)域，每1 km2設(shè)為1個(gè)采樣點(diǎn)，并用GPS記錄采樣點(diǎn)的位置.根據(jù)采樣點(diǎn)的位置、海拔高度及其所屬功能區(qū)，先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，把單位由m化為km并把坐標(biāo)值取整近似處理，然后用MATLAB對(duì)數(shù)據(jù)插值擬合并繪制出城區(qū)的平面分布圖（圖1）.在每個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)表層土0～10 cm深度進(jìn)行取樣編號(hào).為防止樣品污染，在采樣、樣品保存和樣品處理過(guò)程中，避免與金屬器皿直接接觸.土樣在室內(nèi)風(fēng)干、磨碎，過(guò)100目尼龍網(wǎng)篩.應(yīng)用專門儀器測(cè)試分析，獲得了每個(gè)樣本所含的8種重金屬Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb和Hg化學(xué)元素的濃度數(shù)據(jù).同時(shí)按照2 km的間距在那些遠(yuǎn)離人群及工業(yè)活動(dòng)的自然區(qū)取樣，將其作為該城區(qū)表層土壤中元素的背景值.

圖1 各功能區(qū)分布的平面圖

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和半方差函數(shù)計(jì)算與理論模型的選擇采用GS+軟件.

2 結(jié)果與分析

2.1 基本統(tǒng)計(jì)分析

從表1可以看出,研究區(qū)土壤重金屬含量的最大值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出該地區(qū)的土壤環(huán)境背景值,其中As的最大含量為其背景值的7.5倍，Cd為10.1倍,Cr為23倍，Cu為150.5倍，Hg為372.1倍.Ni為8.9倍,Pb為12.8倍，Zn為45.3倍.從研究區(qū)土壤重金屬含量的變異系數(shù)來(lái)看,研究區(qū)土壤Hg、Cu、Zn、Cr含量的變異系數(shù)較大,其值大于1,Pb、Cd的變異系數(shù)次之,Ni、As的變異系數(shù)較小,說(shuō)明研究區(qū)土壤重金屬含量的區(qū)域差異較大.比較各重金屬的平均值和中值結(jié)果可以看出,重金屬元素的平均值均大于中值,說(shuō)明它們的分布都是正偏的,分析偏度值也同樣得到此結(jié)論.峰度值是用來(lái)衡量分布是屬于尖峰態(tài)還是低峰態(tài)的,當(dāng)峰度值為3時(shí)屬于正態(tài)分布,大于3為低峰態(tài),小于3為尖峰態(tài).從表1可以看出所有重金屬均為低峰態(tài).所以，對(duì)重金屬含量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)空間結(jié)構(gòu)分析.

表1 表層土壤重金屬含量的統(tǒng)計(jì)分析（n=319）

2.2 重金屬分布的影響因素的分析

影響土壤中重金屬分布的因素復(fù)雜多樣.研究重金屬之間的相關(guān)性有助于了解重金屬空間分布的差異性,判斷重金屬分布規(guī)律的影響因素.根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，對(duì)城區(qū)的不同元素進(jìn)行相關(guān)分析（表2），結(jié)果表明：Cr-Ni、Cd-Pb、Cr-Cu、Cu-Pb、Pb-Zn在土壤中存在顯著的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.715784、0.66033、0.53156、0.52007、0.49365，并在大部分樣品中存在這些重金屬元素，且含量增加，表現(xiàn)出一定程度的復(fù)合污染特征.這也說(shuō)明這些重金屬元素污染時(shí)存在相似性，來(lái)自相同污染源的概率相當(dāng)大.

表2 城區(qū)中重金屬的相關(guān)系數(shù)

由表2中的相關(guān)系數(shù)，再結(jié)合聚類分析方法對(duì)各種重金屬元素進(jìn)行分類（圖2），結(jié)果表明，可將金屬元素分為四類：Cr、Cu、Ni聚為一類，Pb、Cd、Zn聚為一類，As、Hg各為一類.其中Hg、As元素污染最為嚴(yán)重.Hg常溫下為液態(tài)、具有揮發(fā)性的特性決定了其主要由大氣傳播；根據(jù)高斯擴(kuò)散模型，Hg在土壤中的濃度距污染源的位置大致成正態(tài)分布；工廠廢氣與汽車尾氣中都含有Hg，所以其污染最嚴(yán)重.As污染主要來(lái)源于煤炭燃燒排放含砷氣體以及工業(yè)生產(chǎn)中含砷的廢水、廢渣和廢氣.區(qū)土壤元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高與地球化學(xué)成因影響有關(guān).其次，第二類元素污染最為嚴(yán)重，可初步判定為是由工礦企業(yè)在產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中排放的金屬?gòu)U棄物所引起，另外機(jī)動(dòng)車排放的尾氣、輪胎與地面磨擦也是Zn污染的一個(gè)重要途徑.第一類元素的污染則主要是由于生活垃圾的堆積、機(jī)械制造業(yè)和金屬加工業(yè)等廢料、汽車尾氣夾雜的重金屬所引起.

通過(guò)對(duì)主成分分析，可以進(jìn)一步確定污染源以及自然和人為因素對(duì)土壤重金屬含量的影響.特征值的大小反映了主因子的影響力度.按特征值和特征向量累積貢獻(xiàn)率大于85%的原則，選取2個(gè)主因子.表3的結(jié)果表明,第一和第二主因子的貢獻(xiàn)率分別為44.50%、14.38%,說(shuō)明第一主因子是影響土壤重金屬來(lái)源的主要因素,其對(duì)重金屬來(lái)源的貢獻(xiàn)達(dá)到44.50%；第二主因子次之,它對(duì)重金屬來(lái)源的貢獻(xiàn)達(dá)到14.38%.由此推斷第一主成分為人為因素,主要包括冶煉廠排放的廢氣、廢水以及污水灌溉等,第二主成分為母質(zhì)、地形等自然因素.表4的結(jié)果表明，As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn在主成分1上有較高的載荷，說(shuō)明冶煉廠排放的廢氣、廢水以及污水灌溉等人為因素是重金屬的主要來(lái)源，而Hg在主成分2上有較高的載荷，主要受成土母質(zhì)、地形等自然因素影響，這與聚類分析的結(jié)果一致.

圖2 整個(gè)城區(qū)的聚類分析圖

表3 土壤重金屬含量的主成分分析

表4 重金屬主成分因子載荷

3 討論

重金屬在土壤中的傳播具有它們各自的特性：Hg可以從被污染的水中轉(zhuǎn)移到土壤固相，借助腐殖質(zhì)對(duì)汞的螯合及吸附作用，在土壤上層形成累積.Cd在土壤中存在的形式有水溶性和非水溶性兩種.Cd容易被植物吸收，因此與Pb、Cu、Zn、As及Cr等相比較，土壤中的Cd環(huán)境容量要小得多，這是土壤Cd污染的一個(gè)重要特點(diǎn).土壤中Pb的污染主要是通過(guò)空氣、水等介質(zhì)形成的二次污染，其在土壤中以難容化合物形式存在，因此其移動(dòng)性被大大降低.土壤中的Cr多為難溶性化合物，其遷移能力一般較弱,故其殘留主要積累于土壤表層.As在土壤中以水溶態(tài)、吸附態(tài)和難溶態(tài)三種形式存在且多存在于土壤表層，難以向下移動(dòng).土壤中的Cu、Zn、Ni大多以離子形式出現(xiàn)，且擴(kuò)散現(xiàn)象明顯，可認(rèn)為土壤表面的Cu、Zn、Ni含量處于一個(gè)補(bǔ)給和輸出的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài).

4 結(jié)論

本研究基于統(tǒng)計(jì)分析與地統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，城區(qū)表層土壤重金屬Hg污染嚴(yán)重,最大含量為其背景值的372.1倍.聚類分析及主成分分析的結(jié)果表明,人為因素對(duì)As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn貢獻(xiàn)較大,冶煉廠排放的廢氣、廢水以及污水灌溉是主要來(lái)源；Hg主要受母質(zhì)、地形等結(jié)構(gòu)性因素的影響.

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