深圳市土壤重金屬特征分析及研究

張 靜

(吉林建筑大學城建學院基礎科學部，長春 130011)

0 引言

隨著城市經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市人口的不斷增加，人類活動對城市環(huán)境質(zhì)量的影響日顯突出。對城市土壤地質(zhì)環(huán)境異常的查證，以及通過應用查證獲得的海量數(shù)據(jù)資料開展城市環(huán)境質(zhì)量的評價，研究人類活動影響下城市地質(zhì)環(huán)境的演變模式，日益成為人們關注的焦點。

尤冬梅[1]選取北京城郊地區(qū)——大興區(qū)為研究對象，對土壤景觀異質(zhì)下土壤重金屬含量的空間分布規(guī)律、重金屬積累與景觀要素的關聯(lián)性、污染溯源的可視化表達方法及土壤重金屬含量的空間估值幾個主要問題進行了探討。陳秀端[2]以西安市三環(huán)內(nèi)的表層土壤為研究對象，通過多種實驗手段測定土壤的理化性質(zhì)、重金屬全量和存在形態(tài)，運用SPSS、GIS、Excel、Matlab等軟件，利用地統(tǒng)計學的空間變異函數(shù)和克里格插值方法，研究西安市表層土壤中重金屬的空間分布特征，采用污染負荷指數(shù)、潛在生態(tài)危害指數(shù)等模型研究西安市表層土壤中重金屬的污染特征、環(huán)境風險及綜合污染的空間差異，探究土壤重金屬來源研究的新方法，為西安城市土壤環(huán)境管理提供借鑒。成偉[3]提出了應用模糊數(shù)學的方法，先將各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的重金屬空間分布的空間變異強烈程度進行比較，然后再針對該地區(qū)所屬鄉(xiāng)鎮(zhèn)的特點選擇相應的模擬方法。宋波[4]等人采用地統(tǒng)計理論與GIS空間插值相結合的方法研究重金屬元素的空間結構和分布特征，利用潛在生態(tài)風險指數(shù)作風險評估，采用相關性分析和主成分分析等多元統(tǒng)計方法解析重金屬來源。

1 土壤重金屬元素空間分布特征

數(shù)據(jù)來源：相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)主要來自《土壤學報》《中國環(huán)境科學》《應用生態(tài)學報》等期刊。

為了更好地研究城市地質(zhì)環(huán)境的演變模式，應收集不同土壤深度的重金屬污染物質(zhì)量百分比情況的數(shù)據(jù)，收集不同土壤深度處，土壤水分中重金屬污染物含量與時間的關系情況數(shù)據(jù)。以深圳市為例，一方面，重金屬污染物通過水動力作用，經(jīng)非飽和土壤進入地下水環(huán)境，導致地下水水質(zhì)被破壞。另一方面非飽和土壤中存在的水、水蒸氣和不凝性氣體如空氣等的遷移，還有水分蒸發(fā)和水蒸氣的凝結，可能影響著重金屬污染物的質(zhì)量百分比。結合實際情況，需要收集在不同時間點或時間段內(nèi)，某區(qū)域各取樣點的土壤重金屬元素的質(zhì)量百分比。選取局地直角坐標系，采用高斯方程法，求得8種重金屬元素的質(zhì)量百分比與空間位置的函數(shù)關系。

對原始數(shù)據(jù)進行單位歸一化處理后，在Matlab中使用三維差值法編程，繪制出各種元素質(zhì)量百分比的空間分布圖。深圳市土壤中Cr、Cu、Pb、Zn幾種元素分布于該市的西南部，整體有從西向東遞減的趨勢；Ni、As、Hg幾種元素則體現(xiàn)出分散集中的分布特征；Cd元素的分布較為分散，東西部都有一定的分布。質(zhì)量百分比密集區(qū)主要位于交通道路區(qū)域和工業(yè)集中區(qū)域。

2 不同重金屬的污染程度分析

多項污染綜合指數(shù)為

P=[0.5*[(I平均值)2+(I最大值)2]]0.5，

(1)

式中：P為綜合指數(shù)；I平均值為元素污染指數(shù)平均值；I最大值為各元素污染指數(shù)中的最大值。根據(jù)式(1)，借助Matlab軟件對各金屬質(zhì)量百分比值進行處理，得出各功能區(qū)的污染情況。污染程度由重到輕分別是：工業(yè)區(qū)→交通區(qū)→生活區(qū)→公園綠地→山區(qū)。對照上述污染等級劃分標準可看出：工業(yè)區(qū)屬于等級Ⅳ——輕度污染；交通區(qū)和生活區(qū)屬于等級Ⅲ——警戒級；山區(qū)和公園綠地區(qū)屬于等級Ⅱ——清潔級。

由于山區(qū)人類社會活動貧乏，開發(fā)度低，其環(huán)境質(zhì)量相對較好；相反，對于繁重工業(yè)區(qū)來說，情況就顯得不容樂觀了。由于工業(yè)區(qū)往往重負荷作業(yè)，這些過程中不可避免地會產(chǎn)生有害物質(zhì)，像令人頭疼的“工業(yè)三廢”問題，使得環(huán)境質(zhì)量狀況面臨嚴峻形勢，污染程度相對于其他區(qū)自然較高。本模型的評價結果與生活實際基本一致，所以本模型具有一定的合理的科學性。

表1 多項污染綜合指數(shù)

利用SPSS軟件導入數(shù)據(jù)，對土壤樣品重金屬元素含量進行描述性統(tǒng)計(見表2)。

表2 某城市城區(qū)土壤重金屬元素的統(tǒng)計性描述

可見As、Cd、Cr、Hg、Ni、Pb和Zn元素的平均值均沒有超過國家二級標準中的土壤環(huán)境質(zhì)量限定值[5]，但有部分樣品的Zn、Cu、Hg元素遠遠超過了限定值，應特別重視。此外，所有元素總量平均值都超過了該市土壤的背景值，說明該市土壤重金屬呈明顯積聚趨勢。從變異系數(shù)看Zn、Cu、Hg元素的變異系數(shù)相對較大，其余元素變異程度一般。

對8種重金屬元素質(zhì)量百分比進行聚類分析和因子分析。土壤元素聚類結果如圖1所示，Cr與Cu、Pb、Ni、Zn元素存在顯著正相關，Cu與Ni、Pb、Zn元素存在顯著正相關，Ni與Pb、Zn，Pb與Zn元素存在顯著正相關，由此可以推斷Cr、Cu、Pb、Ni、Zn 5種元素可能同一來源，元素As、Cd、Hg為其他來源。該市土壤重金屬元素可分為兩類，元素Ni、Cr、Cu、Pb、Zn屬于第1類，元素Cd、As、Hg屬于第2類。此分析結果與該市土壤重金屬的相關分析結果相吻合。

運用因子分析法確定土壤中重金屬來源[6]。從表3可以看出，通過主成分分析，重金屬中8種重金屬元素的全部信息可由2個主成分反應55.6%，即對前2個主成分進行分析能夠反應全部信息的一半以上。

圖1 土壤重金屬元素聚類分析

從表4可以看出，第一主成分的貢獻率為36.8%，特點表現(xiàn)為因子變量在Ni、Cr、Cu、Pb、Zn元素的濃度上有較高的正載荷。同一類元素在化學性質(zhì)上具有相似性，他們可能有相同的來源[7]。通過前面的相關性分析、聚類分析和此次主成分分析得到Ni、Cr、Cu、Pb、Zn 5種元素可劃為一類。此類元素在城市城區(qū)土壤的含量明顯高于背景值，并且變異系數(shù)較大，在土壤中的分布具有較大的波動性。由第一類元素污染來源的空間分布特征圖與采樣點分布圖對比分析，得出第一類元素主要存在工業(yè)區(qū)、交通區(qū)、生活區(qū)。因此第一主成分為工業(yè)污染、交通污染和生活垃圾污染。

表3 因子特征值

表4 因子負荷

查閱書籍(環(huán)境化學)知：鉻(Cr)污染主要來源于劣質(zhì)化妝品原料、皮革制劑、金屬部件鍍鉻部分，工業(yè)顏料以及鞣革、橡膠和陶瓷原料等；鉛(Pb)污染主要來源于各種油漆、涂料、蓄電池、冶煉、五金、機械、電鍍、化妝品、染發(fā)劑、釉彩碗碟、餐具、燃煤、膨化食品、自來水管等。鋅(Zn)污染主要來源于機動車輪胎中的添加劑，輪胎磨損產(chǎn)生的含Zn粉塵。所以由第一類元素污染來源結合問題中的空間分布特征圖與采樣點分布圖對比分析得第一類元素主要存在工業(yè)區(qū)、交通區(qū)、生活區(qū)。因此，第一主成分為工業(yè)污染、交通污染和生活垃圾污染；根據(jù)8種元素空間分布特征圖，可以看出該市土壤中Ni、Pb、Zn 3種元素含量的空間分布規(guī)律比較相似，在西南部分工業(yè)區(qū)、生活區(qū)、交通區(qū)有兩個明顯的峰值，并且整體上高于東北部。這Ni、Pb、Zn 3種元素主要污染原因為：

1)工業(yè)區(qū)污染主要是化工廠、鋼鐵廠、造紙廠等工業(yè)的“三廢排放”。

2)交通區(qū)污染主要是交通密集汽車尾氣的排放和機動車輪胎磨損產(chǎn)生含Zn添加劑的塵粉。

3)生活區(qū)污染主要是一些生活垃圾的污染，如廢舊電池、破碎的照明燈、沒有用完的化妝品、上彩釉的碗碟等。

該市土壤中Cu、Gr分布規(guī)律比較相似，兩個峰值同時出現(xiàn)在西南地區(qū)工業(yè)區(qū)和生活區(qū)，且相對集中，高于其他地區(qū)。因此Cu、Gr這兩種元素主要污染原因為：

1)工業(yè)區(qū)污染主要是金屬部件鍍鉻加工，工業(yè)顏料以及鞣革、橡膠和陶瓷原料等。

2)生活區(qū)污染主要是丟棄的沒有用完的化妝品、上彩釉的碗碟、皮革品。

該市As、Cd、Hg分布規(guī)律較相似，但是Hg元素含量分別在中部、西南、南部的工業(yè)區(qū)和生活區(qū)出現(xiàn)3個明顯的峰值，在其他區(qū)域和As、Cd元素分布規(guī)律相同，分布相對均勻且接近背景值為自然土壤原因。查閱資料知：汞污染主要來源于儀表廠、食鹽電解、貴金屬冶煉、化妝品、照明用燈、齒科材料、燃煤、水生生物等。

因此，Hg元素污染原因為：1)工業(yè)區(qū)污染主要是食鹽電解、貴金屬冶煉、燃煤等；2)生活區(qū)污染主要是化妝品使用、照明用燈、燃煤等。

3 點源擴散的高斯模型

土壤中重金屬的來源是多途徑的，首先是成土母質(zhì)本身含有重金屬，不同的母質(zhì)、成土過程所形成的土壤含有重金屬量差異很大。此外，人類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動也造成重金屬對大氣、水體和土壤的污染。土壤中重金屬污染物傳播的方式主要有：干沉降—大氣沉降、濕沉降—污水排放以及固體廢棄物在土壤中的傳播等方式。例如：大氣汞通過干濕沉降進入土壤后，被土壤中的黏土礦物和有機物吸附或固定，富集于土壤表層，或為植物吸收而轉入土壤，造成土壤汞的質(zhì)量百分比的升高。

考慮到固體廢棄物在土壤中的傳播速度比較緩慢，所以在考慮此問題時，做合理的假設，假設金屬在土壤廢棄物中的傳播擴散效果不明顯，在此暫不考慮這種方式的影響。而對比土壤中固體廢棄物的弱傳播來說，河流對廢水中的金屬污染化合物的攜帶傳播作用和大氣沉降對污染物的傳播作用就顯得明顯得多，由于大氣這種傳播媒介與外界環(huán)境污染交互更為頻繁，傳播速度更為自由，因此，大氣沉降的傳播效果更為明顯。限于問題中的原始信息，所以在此問題中，我們主要分析研究大氣沉降的污染傳播模型。

大量的試驗和理論研究證明，特別是對于連續(xù)點源的平均煙流，其質(zhì)量百分比分布是符合正態(tài)分布的。一般情況下，固體顆粒物在空氣中的傳播和擴散與此模型基本相同，在此借助于煙流點源擴散的高斯模型[8]確定污染點源。在對該市城區(qū)土壤地質(zhì)環(huán)境進行調(diào)查時，按照1個采樣點/km2對表層土(0～10 cm深度)進行取樣、編號，即可確定對應于該位置的地表區(qū)域。設風向任意一點(x，y)污染物平均質(zhì)量百分比的分布函數(shù)為關于距離d的一維函數(shù)：

(2)

(3)

將該函數(shù)模型轉化為線性函數(shù)。本文借助SPSS軟件，利用多元線性回歸法，擬合出線性函數(shù)的系數(shù)。選取局地直角坐標系，采用高斯方程法，求得8種重金屬元素的質(zhì)量百分比含量與空間位置的函數(shù)關系。

ln(ρ)=a(x2+y2)-2a(x0+y0)+H，

(4)

(5)

在選定擬合數(shù)據(jù)的時候，本文充分考慮了高斯模型分布的特點，并考慮到各種重金屬的集中分布區(qū)，在進行擬合時，靈活地選取了基本滿足正態(tài)分布特點周圍的點集進行系數(shù)擬合。由于各種金屬元素的聚集區(qū)域有所差異，首先本文用SPSS22.0軟件[9]分別對各種金屬元素的匯集區(qū)進行多元線性回歸分析，擬合出各種金屬分別對應的污染點源。然后再對各點源利用三維插值擬合進行統(tǒng)一綜合分析，找出取樣點，即污染源(圖2)。

圖2 該市重金屬污染狀況空間分布圖

該市土壤中Ni、Pb、Zn 3種重金屬元素含量的空間分布規(guī)律比較相似，在西南部分工業(yè)區(qū)、生活區(qū)、交通區(qū)有兩個明顯的峰值，并且整體上高于東北部分。該市土壤中Cu、Gr元素分布規(guī)律比較相似，兩個峰值同時出現(xiàn)在西南部工業(yè)區(qū)和生活區(qū)，且相對集中高于其他區(qū)城。該市As、Cd、Hg元素分布規(guī)律較相似，但是Hg元素含量分別在中部、西南、南部的工業(yè)區(qū)和生活區(qū)出現(xiàn)3個明顯的峰值，在其他區(qū)域和As、Cd元素分布規(guī)律相同，分布相對均勻且接近背景值。

4 結語

為了更好地研究人類活動對城市地質(zhì)環(huán)境的影響，本文選取深圳市各功能區(qū)為研究對象，開展表層土壤重金屬污染情況質(zhì)量評價。首先使用Matlab 7.0用二維插值做出各功能區(qū)在深圳市的分布圖。其次建立多因子污染綜合評價模型，對該市各功能區(qū)的污染程度進行等級劃分，采用相關性分析和主成分分析等多元統(tǒng)計方法解析重金屬來源。最后建立高斯擴散模型，運用SPSS、GIS、Excel等軟件，確定土壤重金屬含量的空間估值以及污染源的位置坐標。鑒于評價模型的多樣性，后續(xù)將進一步研究其他的評價模型以及應用。