皖北農(nóng)業(yè)水利區(qū)土壤重金屬來源解析及污染評價

常健平 馬杰 王森森 鄭華峰 吳明鑫

摘要：為了解皖北北部農(nóng)業(yè)水利區(qū)土壤重金屬的來源及污染評價，以宿州市濉河某段為研究區(qū)，系統(tǒng)采集了50份深層土壤（±20 cm），并利用X熒光光譜儀測試了6種重金屬的含量。采用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅污染綜合指數(shù)法及多元統(tǒng)計方法（相關(guān)分析、因子分析），對6種重金屬進(jìn)行污染評價。結(jié)果表明：（1）Cr、Co、Ni、Cu、Zn和Pb元素的平均質(zhì)量濃度依次分別為47.5、10.79、26.46、29.02、60.00和26.92 mg/kg。除Pb和Cu元素的平均值要稍高于安徽省背景值外，其余四種重金屬元素的平均含量均低于安徽省土壤背景值;（2）除Cu、Pb屬于輕度污染外，Cr、Co、Ni、Zn都處于安全狀態(tài);（3）Ni和Cu可能來自于周邊公路上的交通運(yùn)輸，Cr、Co、Zn和Pb可能來自于農(nóng)業(yè)肥料以及汽車尾氣的排放。研究成果可為濉河流域內(nèi)的農(nóng)業(yè)水利區(qū)環(huán)境實施治理、修復(fù)、優(yōu)化等措施提供基礎(chǔ)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：重金屬;水利區(qū);多元統(tǒng)計;土壤污染

中圖分類號：X53;X825 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

城市河流在支撐經(jīng)濟(jì)發(fā)展、維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定、美化城市環(huán)境等方面發(fā)揮著重要作用，其沿岸土壤的質(zhì)量也與人類的身體健康密切相關(guān)。隨著城市化和工業(yè)化的高速發(fā)展，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)水利區(qū)土壤重金屬問題日益凸顯[1]。土壤重金屬污染能夠在體內(nèi)長時間潛伏并且不易察覺、難從根本上除去和能夠在食物鏈中被富集吸收，從而對人類和其他生物造成很大的健康甚至是生命威脅[2]。同時，土壤重金屬污染具有不可逆性、滯后性的特點[3]。諸多學(xué)者對國內(nèi)外的土壤重金屬開展了大量的研究工作，大氣、土壤和河流的組分是可以相互交換的，當(dāng)大氣和河流被重金屬污染時，必然會對土壤中的重金屬污染的程度起到加深作用。在諸多研究成果中，以宿州市及周邊地區(qū)為研究區(qū)的研究成果頗多，但成果多關(guān)注于河流底泥重金屬、煤礦區(qū)周邊及街塵等，對河流周邊農(nóng)業(yè)區(qū)及水利區(qū)的研究較少?；诖?，本次研究針對宿州市濉河農(nóng)業(yè)用水水利區(qū)土壤重金屬污染問題進(jìn)行研究，結(jié)合相關(guān)性分析和因子分析，對研究區(qū)內(nèi)6種土壤重金屬的污染來源解析。同時，使用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、單因子指數(shù)法定性分析出濉河農(nóng)業(yè)用水水利區(qū)土壤的重金屬污染評價[4，5]。旨在為濉河農(nóng)業(yè)用水水利區(qū)的環(huán)境實施治理、修復(fù)、優(yōu)化等措施提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

宿州市位于安徽省的北部，面積達(dá)9787平方公里。宿州市的平原以濉河為界，研究區(qū)位于南北氣候過渡區(qū)，為溫帶半濕潤氣候。四季分明，夏天炎熱，秋天少雨，冬天寒冷干燥。最大年降雨量1363.7 mm，最小年降雨量564.5 mm，6～9月降水占全年降水量的65%～70%[6]。

1.2 樣品采集和預(yù)處理

遵循系統(tǒng)采樣的原則，本次研究樣品采集工作于2019年3月在濉河沿岸開展，并采集了50組樣品，采樣深度大約為20 cm左右的深層土壤，采樣間距控制在100 m，采集時盡量保證了樣品的純潔性。采樣過程中對每個點進(jìn)行GPS定位，采樣點分布見圖1。樣品采回后，首先將樣品放入實驗室使其自然風(fēng)干，風(fēng)干后由小組成員研磨成粉并剔除掉植物、碎石等雜質(zhì)，最后經(jīng)過尼龍篩，篩出的粉末放入新的密封袋中保存?zhèn)溆谩?/p>

在完成用手動粉末壓片機(jī)對研磨后的土壤樣品進(jìn)行壓片之后，用X熒光光譜儀分析樣品中Cr、Pb、Co、Ni、Zn和Cu等6種重金屬含量，測試工作在安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心完成。

2 土壤重金屬含量分布特征

采用Excel和SPSS 24.0軟件對土壤中重金屬含量進(jìn)行描述性分析，如表1所示。Cu和Pb的平均含量高于安徽省土壤背景值，其它4種元素的平均含量均低于安徽省土壤背景值，表明Cr、Co、Ni和Zn基本未受到污染。變異系數(shù)是反映樣品變異程度的一個統(tǒng)計量，它可以在一定程度上反映樣品受人為影響的程度[7]。Pb、Cu、Ni的平均變異系數(shù)相對較大，均高于0.30，說明在研究區(qū)這3種重金屬的時空分布差異較大，局部地區(qū)的人為活動對這3種重金屬含量有一定影響[8]。Co、Cr、Zn的平均變異系數(shù)較小，表明這3種元素受人為影響較小。

3 污染評價方法

3.1 單因子指數(shù)法

單因子指數(shù)法是在評價污染來源時一種常見的方法，因其計算相對簡單，適用范圍較廣。該方法利用實測數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)對比分類，選取土壤重金屬最差的類別即為評價結(jié)果，是一種簡單的通過限值判別土壤重金屬環(huán)境污染的方法[9]。其中，Pi≤1、1

表2列出各重金元素計算得出的平均單因子指數(shù)，污染程度依次為Cu>Pb>Zn>Ni>Cr>Co。依據(jù)土壤單因子污染程度分級標(biāo)準(zhǔn)，Cu和Pb屬于輕度污染，其余的四種重金屬元素目前都是處于安全狀態(tài)，在未來Zn元素也有在未來受到污染的風(fēng)險。

3.2 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法兼顧了單因子污染指數(shù)的平均值和最高值，它是著重體現(xiàn)某因子污染嚴(yán)重的一種綜合評價方法[10，11]。對于多個因子的污染狀況具有較好的評價能力，因此被廣泛應(yīng)用于重金屬的評價中。內(nèi)梅羅指數(shù)（M）在0～0.8、0.8～2.5、2.5～4.25、4.25～7.2和>7.2范圍時，分別對應(yīng)的污染級別為優(yōu)良、良好、一般、較差和極差[12]。

內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法計算結(jié)果如表3所示。Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Pb的綜合污染指數(shù)分別為1.00、0.68、1.18、2.20、1.41、1.61，污染程度依次為Cu>Pb>Zn>Ni>Cr>Co。根據(jù)內(nèi)梅羅綜合指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)，其中重金屬Cr、Co處于優(yōu)良狀態(tài)，其余四種重金屬Ni、Cu、Zn、Pb均處于良好狀態(tài)。

4 來源分析

土壤重金屬來源多受土壤母質(zhì)和人為活動的影響，其來源的相似性會導(dǎo)致土壤中某些重金屬元素間表現(xiàn)出一定的相關(guān)特點[13]。為了確定重金屬來源，本文采用SPSS24.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析和因子分析。

相關(guān)性分析是研究重金屬來源分析的重要方法，重金屬元素間的相關(guān)性在一定程度上反映了重金屬元素污染程度的相似性或者是污染元素源的相似性。且其相關(guān)系數(shù)愈大其來自于同一污染源的可能性也就愈大。對濉河農(nóng)業(yè)水利區(qū)土壤中的6中重金屬元素進(jìn)行了Pearson相關(guān)分析[14]。從表4的相關(guān)性分析結(jié)果表中可以看出，Cr與Ni、Cu、Co、Zn、Pb之間存在著顯著的相關(guān)關(guān)系（P<0.01）。通過以上分析，可以得出以下結(jié)論：Cr與Zn、Co、Cu、Pb、Ni都可能來自與同一污染源。

因子分析法可以將一系列具有關(guān)系復(fù)雜的變量簡化為幾個綜合因子，該方法將各個元素在土壤中的濃度值看作是各污染源貢獻(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個數(shù)據(jù)集合中歸納出主因子，然后由此計算出各個因子載荷，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[15]。通過對6個不同變量因子分析，得到旋轉(zhuǎn)前后的因子分析載荷矩陣[16]，結(jié)果如表5所示。

通過旋轉(zhuǎn)前后因子分析可知，6種重金屬解釋了70.458%的信息，并提取出兩個主成分。第一主成分中，Cr、Co、Zn、Pb具有較高的正載荷;第二主成分中，Ni和Cu具有較高的正載荷。

在采樣踏勘過程中調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)分布有廣泛的農(nóng)業(yè)耕種區(qū)，且交通運(yùn)輸交通較為密集。結(jié)合相關(guān)性分析和因子分析可知，Cr、Co、Zn和Pb可能來自于農(nóng)業(yè)肥料以及土壤母質(zhì);Ni和Cu作為汽車輪胎的添加劑，汽車輪胎與地面摩擦的顆粒物在高溫環(huán)境以及氧化還原反應(yīng)中，可能會導(dǎo)致Ni和Cu向空氣中排放，最終導(dǎo)致Ni和Cu在土壤中發(fā)生沉積，Ni和Cu可能來自于汽車輪胎。

5 結(jié)論

（1）濉河農(nóng)業(yè)水利區(qū)的土壤中Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Pb元素的平均質(zhì)量濃度依次分別為47.5 mg/kg、10.79 mg/kg、26.46 mg/kg、29.02 mg/kg、60.00 mg/kg和26.92 mg/kg。除Pb和Cu元素的平均值要稍高于安徽省背景值外，其余四種重金屬元素的平均含量均低于安徽省土壤背景值。

（2）單因子指數(shù)法表明，研究區(qū)內(nèi)Cu和Pb屬于輕度污染，其余的四種重金屬元素目前都是處于安全狀態(tài);內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法表明Cr、Co處于優(yōu)良狀態(tài)，其余四種重金屬Ni、Cu、Zn、Pb均處于良好狀態(tài)。

（3）通過多元統(tǒng)計方法分析土壤重金屬來源，Ni和Cu元素的可能來自于交通運(yùn)輸（汽車輪胎），Cr、Co、Zn和Pb可能來自于農(nóng)業(yè)肥料以及土壤母質(zhì)。

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