武昌區(qū)表層土壤重金屬污染統(tǒng)計分析和評價

李 釗, 項文霞

((湖北省地質(zhì)局 第三地質(zhì)大隊,湖北 黃岡 438000)

武昌區(qū)表層土壤重金屬污染統(tǒng)計分析和評價

李 釗, 項文霞

((湖北省地質(zhì)局 第三地質(zhì)大隊,湖北 黃岡 438000)

以武昌區(qū)表層土壤(0～20 cm)為研究對象,分別采取不同功能區(qū)的表層土壤樣品,通過室內(nèi)檢測分析,研究3個功能區(qū)表層土壤中8種重金屬的積累情況,并采用污染指數(shù)法和因子分析法對土壤污染狀況及污染來源進行分析評價。結(jié)果顯示:武昌區(qū)表層土壤總體處于清潔水平,只有重金屬Hg污染水平處于警戒水平;重金屬Cu、As、Cd、Hg主要來源于交通區(qū)和工業(yè)區(qū),Cr、 Ni、Zn主要來源于工業(yè)區(qū)和農(nóng)業(yè)區(qū),重金屬Pb在工業(yè)區(qū)含量較高。

土壤;重金屬污染;武昌區(qū)

土壤作為城市環(huán)境的重要組成部分,其中的重金屬污染不僅影響城市區(qū)域環(huán)境質(zhì)量,而且會通過食物鏈富集影響食品安全,最終危害人類健康。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè)的加快,土地用地性質(zhì)的變更越來越頻繁,土壤的重金屬積累特征以及污染現(xiàn)狀已經(jīng)成為評價城市環(huán)境質(zhì)量的一個重要方面[1-2]。土壤重金屬污染物具有移動性差、滯留時間長、不能被微生物降解等特點,研究土壤系統(tǒng)中的重金屬污染和防治一直是國際上的難點和熱點研究課題[3-7]。

本文以武漢市城區(qū)表層土壤為研究對象,檢測不同功能區(qū)土壤重金屬含量,應(yīng)用多元統(tǒng)計法研究重金屬污染來源及污染特征,同時利用內(nèi)梅羅指數(shù)對污染程度進行評價,為合理利用和保護武漢市土壤資源,改善和提高城市環(huán)境質(zhì)量,確保農(nóng)產(chǎn)品衛(wèi)生安全提供數(shù)據(jù)資料,以及為今后的污染治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗儀器與試劑

PerkinElmer series 200HPLC(美國);PerkinElmer ELAN DRC-II ICP-MS(美國);AFS-830;鹽酸;硝酸。本實驗所用試劑均為分析純及以上純度的化學(xué)試劑,所用溶液均為去離子水配制。實驗所用的各類器皿使用之前均用稀鹽酸浸泡,然后用自來水以及去離子水沖洗干凈備用。

1.2 土壤樣品的采集與處理

研究區(qū)涉及武昌區(qū)東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)不同功能區(qū)域,包括交通區(qū)、工業(yè)區(qū)以及農(nóng)業(yè)區(qū)(圖1)。采用多點混合采樣法,即在同一采樣單元取15～20個采樣點隨機采得0～20 cm表層土壤,而后用四分法取舍,混合成1個樣品。對采集的土壤樣品于室內(nèi)進行預(yù)處理。即將每個樣品置于一張錫箔紙上,壓細樣品,除去樣品中的雜物,置于避光、通風(fēng)的地方進行風(fēng)干。當(dāng)成半干狀態(tài)時把土塊壓碎,除去磚礫、磚渣、植物等雜物,鋪成薄層,經(jīng)常翻動,使其慢慢風(fēng)干。土壤樣品風(fēng)干后,再利用四分法將樣品縮小至100 g,然后用瑪瑙研磨機進行研磨,過200目的尼龍篩后備用。

圖1 采樣區(qū)位置示意圖Fig.1 Diagram of the sampling location

1.3 分析方法

1.3.1 土壤重金屬檢測方法

砷(As)和汞(Hg)采用原子熒光法(AFS-830)檢測,鎘(Cd)、鉻(Cr)、銅(Cu)、鉛(Pb)、鎳(Ni)、鋅(Zn)采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(PE Elan DRC II)檢測。具體方法是稱取0.5 g土壤樣品,加入10 mL王水(硝酸∶鹽酸=1∶1),置于100 ℃水浴中消解2 h,每隔20 min搖晃一次,使其混合均勻。消解完后消解液經(jīng)過濾后上機檢測。實驗過程采樣GSS1和GSS2標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)以及重復(fù)樣進行質(zhì)量控制。GSS1和GSS2標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中重金屬元素實測值與參考值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均<10%,重復(fù)樣的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均<5%。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理方法

采用SPSS17.0和Origin8.0軟件進行數(shù)據(jù)分析和處理。將采樣區(qū)的As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 8種重金屬元素作為評價指標(biāo)進行因子分析,可以為武昌區(qū)重金屬污染成因的解釋提供一定的理論依據(jù)。

1.3.3 評價方法

土壤重金屬的積累情況采用土壤背景值[8]為參照標(biāo)準(zhǔn)。土壤重金屬污染評價采用單項污染指數(shù)法和綜合指數(shù)法[9-10]。評價標(biāo)準(zhǔn)采用土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618—1995)中的二級標(biāo)準(zhǔn),研究區(qū)土壤pH范圍在6.5～7.5。

單項污染指數(shù)評價計算公式:

Pi=Ci/Si

式中:Pi為土壤中污染物i的污染指數(shù);Ci為土壤中污染物i的實測濃度;Si為評價標(biāo)準(zhǔn)。

單因子指數(shù)只能反映各重金屬元素的污染程度,不能全面反映土壤的污染狀況,而綜合污染指數(shù)兼顧了單因子污染指數(shù)平均值和最高值,可以突出污染較重的重金屬污染物的作用。其計算方法如下:

參照國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)Pi≤0.7時,定義為清潔無污染土壤;當(dāng)0.73定義為重度污染。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量水平

研究區(qū)土壤重金屬含量水平見表1。

由表 1 可以看出,土壤中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Hg 的平均含量分別為 55.76 mg/kg、39.07 mg/kg、33.67 mg/kg、66.71mg/kg、11.92 mg/kg、0.11 mg/kg、28.84 mg/kg、0.22mg/kg,其中Ni、Cu、Pb、Hg等四種金屬含量均超過研究區(qū)相應(yīng)的背景值,說明研究區(qū)土壤已表現(xiàn)出不同程度的重金屬累積。不同重金屬累積特征不同,Ni、Cu、Pb的平均值分別超過背景值的5%、10%、8%,與背景值相當(dāng),富集程度較低,整體外源輸入少;Hg 富集程度最大,為其背景值的 1.78 倍,人為活動造成的外源輸入對 Hg 的富集影響較大,各重金屬富集程度具有 Hg>Cu>Pb>Ni>Cr>Cd>Zn>As的特征。

變異系數(shù)作為反映統(tǒng)計數(shù)據(jù)波動特征的參數(shù),系數(shù)越大,說明重金屬含量間的差異和離散程度越大,重金屬受人類活動的影響也越大,反之則說明重金屬含量的差異越小,受人為活動的影響也越小。

表1 武昌區(qū)表層土壤重金屬含量水平

表1表明,土壤中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Hg含量的變異系數(shù)分別為:10%、37%、39%、14%、32%、53%、18%、63%,其大小表現(xiàn)為 Hg>Cd>Cu> Ni>As> Pb>Zn>Cr的特征。8種元素含量變異程度大致呈現(xiàn)二個層次,Hg、Cd的變異系數(shù)在 50%以上,達 63%和53%,表明在不同地點的Hg和Cd含量差異較大,具有較大的離散性,其可能受人為活動影響也較大;Pb、As、Cr、Cu的變異系數(shù)介于10%～39%,各采樣點含量水平較為接近,離散性明顯較小,Pb的變異系數(shù)雖然小,為18%,但其平均含量超過其背景值,說明Pb在大部分研究區(qū)土壤中累積較為普遍。

2.2 土壤重金屬含量分布特征

利用Origin8.0對武漢市土壤樣品中8種重金屬含量數(shù)據(jù)進行描述性統(tǒng)計分析,并做出各元素含量的頻數(shù)分布直方圖,結(jié)果見圖2-圖9。

圖2 Cr含量頻率分布圖Fig.2 Frequency distribution of Cr

圖3 Ni含量頻率分布圖Fig.3 Frequency distribution of Ni

圖4 Cu含量頻率分布圖Fig.4 Frequency distribution of Cu

圖5 Zn含量頻率分布圖Fig.5 Frequency distribution of Zn

圖6 As含量頻率分布圖Fig.6 Frequency distribution of As

圖7 Cd含量頻率分布圖Fig.7 Frequency distribution of Cd

圖8 Pb含量頻率分布圖Fig.8 Frequency distribution of Pb

由上圖可知,各重金屬含量分布概率最大的區(qū)間分別為:Cr 50～60 mg/kg占所有樣品的50%(圖2);Ni 20～30 mg/kg占所有樣品的60%(圖3);Cu 10～200 mg/kg占所有樣品的44%(圖4);Zn 60～80 mg/kg占所有樣品的32%(圖5);As 4～6 mg/kg占所有樣品的32%(圖6);Cd 0.04～0.06 mg/kg占所有樣品的22%(圖7);Pb 20～40 mg/kg占所有樣品的80%(圖8);Hg 0.04～0.1 mg/kg占所有樣品的60%(圖9)。其中Cu、Zn、As、Cd四種重金屬分布較密集,近似正態(tài)分布。

圖9 Hg含量頻率分布圖Fig.9 Frequency distribution of Hg

2.3 污染指數(shù)法評價結(jié)果

單項污染指數(shù)法計算結(jié)果如表2所示。

由表2可知:研究區(qū)8種重金屬單項污染指數(shù)平均值均<0.7,表明武昌區(qū)表層土壤總體處于清潔水平;綜合污染指數(shù)表明重金屬Ni和Hg污染水平處于警戒水平,其他6種重金屬綜合污染指數(shù)均<0.7,表明城區(qū)土壤均處于清潔狀態(tài)。總體來看,8種重金屬綜合污染指數(shù)均>0.3,說明人類活動已造成重金屬在武漢市土壤中有一定程度的積累[11],且重金屬Ni和Hg受人類活動影響最大,已處于警戒線水平。

表2 武昌區(qū)表層土壤重金屬污染評價結(jié)果

2.4 因子分析評價結(jié)果

經(jīng)過KMO值(0.744)以及Bartlett’s球形檢驗可知,本研究區(qū)土壤樣品監(jiān)測數(shù)據(jù)特征符合因子分析的要求,即以8種重金屬元素指標(biāo)作因子分析,可以為武漢市土壤重金屬污染成因的解釋提供一定的理論依據(jù)。經(jīng)SPSS17.0統(tǒng)計軟件進行因子分析可以得出以下結(jié)果,其8種重金屬原始數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)矩陣如表3所示。

表3 變量相關(guān)矩陣

由相關(guān)系數(shù)矩陣可知,Ni和Cr、Cu、Cd相關(guān)性好,Cu與Cd相關(guān)性較好,從成因上來分析,相關(guān)性較好的元素可能在成因和來源上有一定的關(guān)聯(lián),故考慮其來源相同。

因子分析的主要目的是將具有相近的因子載荷的各個變量綜合成一個公共因子,以便對因子的意義作出更合理地解釋。利用相關(guān)系數(shù)矩陣求出相應(yīng)的特征值和累計貢獻率,結(jié)果顯示,提取的3個公共因子代表了8個因子的綜合信息。為使因子載荷值向兩極端趨近,以明確各因子代表的含義,故采用Varimax因子旋轉(zhuǎn)法對初始因子載荷矩陣施以正交旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)后可看出因子分類極其明確。旋轉(zhuǎn)后綜合因子代表的信息量約為80%,可認為信息量沒有損失,所提取的綜合因子的相關(guān)性極小,即獨立性很強。

由旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣表4可以看出,旋轉(zhuǎn)使因子載荷值向兩極端趨近更為明顯,利于綜合因子的命名。公共因子F1代表Cu、As、Cd、Hg這四種指標(biāo),占原始方差的32.995%;公共因子F2在Cr、Ni、Zn上的載荷值比較大,占原始方差的30.874%;公共因子F3代表Pb,占原始方差的15.725%。由以上分析可考慮Cu、As、Cd、Hg具有相同的來源,Cr、Ni、Zn具有相同的來源。結(jié)合表2分析可知,Cu、As、Cd、Hg主要來源于交通區(qū)和工業(yè)區(qū)土壤,例如交通運輸化石燃料時Hg蒸發(fā),機動車輛用油燃燒以及含Cd的輪胎與道路摩擦產(chǎn)生的粉塵,都會導(dǎo)致Cd在土壤中的積累。而氯堿工廠、農(nóng)藥、造紙工業(yè)、殺菌劑、金屬冶煉廠、藥品工業(yè)、涂料工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、 電器生產(chǎn)、軍火工業(yè)、儀表工業(yè)等都會導(dǎo)致重金屬Cu、As、Cd和Hg在土壤中的富集。Cr、 Ni、Zn主要來源于工業(yè)區(qū)和農(nóng)業(yè)用地,例如機器制造業(yè)、金屬加工業(yè)、采礦業(yè)等產(chǎn)生的廢水中常含有重金屬Cr、 Ni和Zn,廢水灌溉、污泥農(nóng)用以及肥料的大量施用也是土壤中Cr、 Ni和Zn富集的原因。重金屬Pb在工業(yè)區(qū)含量較高,可能與工業(yè)生產(chǎn)含Pb廢物的排放有關(guān)。

表4 旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

由因子轉(zhuǎn)換矩陣可以看出,公共因子1和公共因子2具有相關(guān)性,公共因子2和公共因子3具有相關(guān)性,說明Cu、As、Cd、Hg的來源與Cr、Ni、Zn的來源有關(guān)系,Cr、Ni、Zn與Pb的來源有關(guān)系,即都可能來源于工業(yè)區(qū),各功能區(qū)互相有影響。

3 結(jié)論

對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行污染評價可知,重金屬Hg的分布最不均勻,受人為活動的干擾作用比其他7種重金屬強烈得多。各重金屬富集程度表現(xiàn)出Hg>Cu>Pb>Ni>Cr>Cd>Zn>As的特征,其變異系數(shù)大小表現(xiàn)為Hg>Cd>Cu>Ni>As>Pb>Zn>Cr的特征。通過綜合污染指數(shù)評價可知,武昌區(qū)表層土壤總體處于清潔或未受重金屬污染的狀態(tài),只有重金屬Ni和Hg污染水平處于警戒水平,其他6種重金屬綜合污染指數(shù)均<0.7,表明城區(qū)土壤處于清潔狀態(tài)。

由表2并結(jié)合因子分析可知,Cu、As、Cd、Hg主要來源于交通區(qū)和工業(yè)區(qū),Cr、Ni、Zn主要來源于工業(yè)區(qū)和農(nóng)業(yè)用地,重金屬Pb在工業(yè)區(qū)含量較高。總體來說,武昌區(qū)東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)8種重金屬含量相對較高,應(yīng)重視工業(yè)用地的重金屬污染情況。

[1] 張甘霖,朱永官,傅伯杰.城市土壤質(zhì)量演變及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)報,2003,23(3):539-546.

[2] 楚純潔,朱玉濤.城市土壤重金屬污染研究現(xiàn)狀及問題[J].環(huán)境研究與監(jiān)測,2008,21(3):7-11.

[3] 鄭袁明,陳煌,陳同斌,等.北京市土壤中Cr,Ni含量的空間結(jié)構(gòu)與分布特征[J].第四紀研究,2003,23(4):248-249.

[4] 蔡立梅,馬謹,周永章,等.東莞市農(nóng)業(yè)土壤重金屬的空間結(jié)構(gòu)與分布特征及來源解析[J].環(huán)境科學(xué),2008,29(12):3497-3499.

[5] 于法展,尤海梅,李保杰,等.徐州市不同功能區(qū)城區(qū)綠地土壤的理化性質(zhì)分析[J].水土保持研究,2007(3):85-88.

[6] Manta D S,Angelone M,Bellanca A,et al.Heavy metals in urban soils:a case study from the city of Palermo(Sicily),Italy[J].The Science of Total Environment,2002,300:229-243.

[7] Banerjee A D.Heavy metal levels and solid phase speciation in street dusts of Delhi.India[J].Environmental pollution,2003(1):95-105.

[8] 中國環(huán)境監(jiān)測總站.中國土壤元素背景值[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,1990.

[9] 劉文勇,滿秀玲.雞西礦區(qū)廢棄地重金屬含量及其污染評價[J].水土保持學(xué)報,2007,21(6):70-74.

[10] 劉慶,王靜,史衍璽,等.綠色食品產(chǎn)地土壤重金屬空間分布與污染評價[J].水土保持學(xué)報,2007,21(3):90-94.

[11] 卓文珊,唐建鋒,管東生.廣州市城區(qū)土壤重金屬空間分布特征及其污染評價[J].中山大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,48(4):47-51.

(責(zé)任編輯：于繼紅)

Statistical Analysis and Evaluation of Heavy Metal Pollution in the SurfaceSoils ofWuchang District

LI Zhao, XIANG Wenxia

(ThirdGeologicalBrigadeofHubeiGeologicalBureau，Huanggang，Hubei438000)

The authors take the surface soils(0～20 cm)of WuChang district as the research object. The accumulation characteristics of eight kinds of heavy metals in three types of different functional areas of surface soil were studied by means of area sampling and laboratory detection. And the soil pollution status and sources were analyzed and evaluated through the pollution index method and factor analysis method. The result shows that the surface soil of Wuchang district totally kept in clean condition，only the content of Hg stayed at the alert level. Cu，As，Cd and Hg mainly came from traffic area and industrial area；Cr，Ni，Zn mainly came from the industrial and agricultural areas，and the content of Pb was at a high accumulation level in the industrial area.

soil； heavy metal pollution； assessment； Wuchang district

2016-01-06;改回日期:2016-03-11

李釗(1987-),男,助理工程師,碩士,地質(zhì)工程專業(yè),從事地質(zhì)環(huán)境防治與修復(fù)工作。E-mail:783392317@qq.com

X53

A

1671-1211(2016)05-0704-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.05.008

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160810.1439.008.html 數(shù)字出版日期:2016-08-10 14:39