宿州市西城區(qū)靈璧石加工地周邊表層土壤重金屬污染情況分析及評價(jià)

汪 玲,馮松寶,閔 寧

(宿州學(xué)院 資源與與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000)

安徽省宿州市不僅是兩淮煤礦的重要組成部分[1]，也是靈璧石的產(chǎn)地。靈璧石具有非常高的觀賞價(jià)值和收藏價(jià)值，被譽(yù)為我國四大觀賞石之首。隨著人們生活水平的提高，藏石者也越來越多，使得靈璧石的市場需求也在不斷的增加，因此帶動著靈璧石的開采和加工產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展[2]。靈璧石主要礦物成份為方解石，靈璧石中含有鎳、鉻等微量元素[3]。在靈璧石加工的過程中會產(chǎn)生粉塵，這些粉塵顆粒不僅含有靈璧石中的微量元素，還可吸附環(huán)境中的重金屬元素，因其具有沉降速度快、影響范圍廣等特點(diǎn)，因而對周邊土壤中重金屬進(jìn)行檢測也成為評判區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

近年來，很多學(xué)者對宿州市土壤中的重金屬元素進(jìn)行了相關(guān)研究，研究的內(nèi)容為：土壤重金屬元素化學(xué)基線[1]、河流周邊土壤[4]、城區(qū)主干道兩側(cè)土壤[5]、耕地土壤[6]、煤礦區(qū)農(nóng)田土壤[7-9]、河流底泥[10]等。但是并沒有靈璧石加工對周邊土壤重金屬元素影響的相關(guān)報(bào)道。因此，本試驗(yàn)選取的采樣地點(diǎn)位于宿州市天下第一石·文博城(以下簡稱為“靈璧石文博城”)周邊，該地緊鄰宿州市陳河水源保護(hù)區(qū)，因此對其周邊土壤進(jìn)行重金屬檢測顯得十分必要。

圖1 采樣點(diǎn)分布圖

本文通過實(shí)地采樣和測試分析，評估靈璧石文博城附近土壤中重金屬元素的污染現(xiàn)狀，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)手段，對土壤中重金屬元素的來源進(jìn)行初步分析，并對重金屬污染進(jìn)行評價(jià)。以期為水源地重金屬污染的分析和修復(fù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

宿州市位于安徽省淮北平原北部(東經(jīng)116°09'-118°10'、北緯33°18'-34°38')，屬于典型的暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候。宿州市靈璧石文博城位于宿州市市中心正南方，北鄰?fù)猸h(huán)南路，西鄰陳河，東鄰淮海南路，南鄰五里莊，其中，陳河是宿州市水源保護(hù)區(qū)，外環(huán)南路和淮海南路車流量比較大，靈璧石文博城主要是以加工、出售靈璧石為主。

1.2 采樣與前處理

2019年7月在研究區(qū)域內(nèi)用GPS對采樣點(diǎn)進(jìn)行定位，共設(shè)置了22個采樣點(diǎn)(如圖1)。采樣區(qū)域位于陳河邊的靈璧石文博城周邊，每間隔100m布置一采樣點(diǎn)。由于其南邊為五里莊，道路地面已經(jīng)全部硬化，因此僅對靈璧石文博城三面和中間部分的土壤進(jìn)行了采樣，采樣的深度為0～15 cm，用四分法將采取的樣品取回后自然風(fēng)干，去除樹根等雜物并進(jìn)行研磨后過100目尼龍篩，將處理好的樣品放入已經(jīng)編號的聚乙烯樣品袋中備用。

1.3 樣品的測試與數(shù)據(jù)處理

樣品測試由安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)。采用XRF熒光光譜儀和ICP-MS，獲得重金屬的含量數(shù)據(jù)。為了控制樣品測量的準(zhǔn)確性，每測定四個樣品就要進(jìn)行一次校正并且回測一次土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品標(biāo)準(zhǔn)值(GSS-16)，最終測試的數(shù)據(jù)用Excel和Spss軟件進(jìn)行分析。

1.4 土壤重金屬評價(jià)方法

因采樣點(diǎn)分布范圍小，所以本文只采用單因子指數(shù)法來分別評價(jià)單個重金屬元素的污染狀況。單因子指數(shù)法的計(jì)算公式為：Pi=Ci/Si，其中，Pi為土壤中污染物i的污染指數(shù)，Ci為土壤中污染物的實(shí)測濃度，Si為土壤中污染物的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，本文采用的標(biāo)準(zhǔn)為安徽省土壤元素含量背景值。楊勝香[11]根據(jù)Pi的值將污染的等級劃分為5類:Pi≤0.7為安全，0.73為重污染。

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬含量結(jié)果

依據(jù)測試結(jié)果，將宿州煤礦區(qū)大氣降塵中八種重金屬元素的含量的測定值和統(tǒng)計(jì)特征值列于表1。依據(jù)表1的特征值可以看出：(1)測得的土壤中重金屬的平均含量由多到少分別為Mn、Cr、Pb、Cu、As、Co、Ni、Cd，其中測得的Co、Cr、Pb、As、和Cd的平均值分別為10.95、66.69、35.73、15.16和0.22 mg·kg-1都超過了安徽省土壤背景值，分別高出背景含量的1.03倍、1.05倍、1.35倍、1.66倍和3.27倍。Mn、Cu、Ni均未超出背景。(2)變異系數(shù)(coefficient of variation，CV)可以用來表征數(shù)據(jù)的離散程度[12]。根據(jù)變異系數(shù)的數(shù)值高低可以將變異系數(shù)分為高度變異(CV>0.36)、中等變異(0. 16

表1 采樣點(diǎn)表層土壤中重金屬元素的統(tǒng)計(jì)特征值

2.2 重金屬元素之間的相關(guān)性分析

對土壤重金屬元素進(jìn)行相關(guān)性分析可以衡量重金屬元素之間的密切程度以及來源辨識[7-8]，利用spss軟件分析的結(jié)果如表2。從表2可以看出Cr-Ni、Pb-Mn、Pb-Co、Pb-As、Mn-Co之間成顯著正相關(guān)，其中Pb與Mn的相關(guān)性系數(shù)最大達(dá)到0.746。Cr和Ni之間的關(guān)聯(lián)性比較強(qiáng)，說明這兩種元素具有同一來源，這也與林躍勝[15]和呂建樹[16]研究保持一致。Cr和Ni的來源可能和靈璧石加工過程產(chǎn)生的粉塵有關(guān)。而Pb和Mn這兩種重金屬元素均與Co呈現(xiàn)出很高的相關(guān)性系數(shù)，由此可以推測出Pb、Mn、Co這三種重金屬元素的污染源可能相同。

表2 采樣點(diǎn)表層土壤重金屬含量的相關(guān)性分析

2.3 主成分分析

通過主成分分析可以在多個變量中找到起主導(dǎo)作用的因素。對檢測出的八種重金屬元素進(jìn)行主成分分析，其中，KMO取樣適切性量數(shù)為0.552>0.5，巴特利特球形度檢驗(yàn)顯著性為0.001<0.05，這說明可以進(jìn)行主成分分析。通過剔除主成分中特征值小于1的因子之后可以得到4個因子如表3所示。從表3中可以看出這四種主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到了84.112%，即表示這4種主成分包含了這八種元素所能反映出大部分土壤中重金屬的特征信息。第一成分方差貢獻(xiàn)率為34.662%，其中Co在第一成分上有較大的載荷為0.909，而Mn和Pb的載荷次之。第二成分中起主導(dǎo)作用的是As；第三成分中主導(dǎo)因素有Cr和Ni；第四成分中起到主導(dǎo)作用的是Cu，因此結(jié)合表3可以得知推測出Cr和Ni的來源相似。

表3 采樣點(diǎn)表層土壤中重金屬元素旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣

2.4 重金屬污染評價(jià)

由表4可以得出這八種重金屬污染的程度是PCd(3.29)>PAs(1.61)>PPb(1.35)>PCr(1.05)>PCo(1.04)>PMn(0.9)>PCu(0.82)>PNi(0.46)。其中污染程度最高的是Cd屬于重度污染，而且超標(biāo)土樣達(dá)到采樣的土壤的100%，且Cd的污染指數(shù)的變異系數(shù)屬于低度變異。污染程度最低的是Ni屬于安全，但是其變異系數(shù)最大。另七種元素的Pi值均低于2，故無中度污染。 Cr、As、Pb和Co的Pi值在1～2之間屬于輕度污染，這4種重金屬污染指數(shù)的變異屬于低度變異，其中Pb、Cd和As超標(biāo)土樣的比率也達(dá)到了100%。Cu和Mn的Pi在0.7～1.0之間屬于警戒級，系數(shù)在0.16～0.36之間。

表4 采樣點(diǎn)表層土壤中重金屬元素單因子污染指數(shù)及污染等級

3 結(jié)論

(1)對22個采樣點(diǎn)進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)Cd的值超出安徽省土壤背景值3.27倍，通過統(tǒng)計(jì)和污染評價(jià)發(fā)現(xiàn)Cd的變異系數(shù)最小且屬于重度污染，說明外界對Cd元素含量影響比較小，可能和環(huán)境中的土壤母質(zhì)有關(guān)。

(2)通過相關(guān)性分析和主成分分析，可以得到Cr和Ni之間的關(guān)聯(lián)性比較強(qiáng)，而且污染源相似這可能和靈璧石加工過程產(chǎn)生的粉塵有關(guān)。通過單因子指數(shù)對污染進(jìn)行評價(jià)發(fā)現(xiàn)Cr和Ni的污染程度分別是輕度污染和安全級，即靈璧石加工對水源地的土壤污染影響較小。其中，Ni的變異系數(shù)達(dá)到0.91屬于高度變異，這可能是Ni受土壤侵蝕和流失量大所引起的。

(3)在進(jìn)行相關(guān)性分析是發(fā)現(xiàn)Co和Mn、Pb有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，對八種重金屬進(jìn)行主成分分析時發(fā)現(xiàn)第一成分中Co的載荷最大達(dá)到0.909，而Mn、Pb的載荷也達(dá)到了0.733和0.628，由此可以推測出Co、Mn、Pb這三種重金屬元素的污染源相同，這可能和采樣點(diǎn)位于城市主干道，受城市交通影響而產(chǎn)生的污染有關(guān)。

(4)通過主成分分析得知As在第二成分中起主導(dǎo)作用，屬于輕度污染，且樣品超標(biāo)率達(dá)到100%，其來源可能和煤礦開采等相關(guān)的礦業(yè)生產(chǎn)活動相關(guān)。