基于多元統計分析的涼鳳灌區重金屬空間變異研究

王亞賢

(首都師范大學 資源環境與旅游學院，北京 100048)

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基于多元統計分析的涼鳳灌區重金屬空間變異研究

王亞賢

(首都師范大學 資源環境與旅游學院，北京 100048)

選取北京市典型再生水灌區—涼鳳灌區為研究區，對該研究區土壤重金屬Ti、Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、Cd 、Pb、V進行了空間變異分析，結果表明：Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、Cd 、Pb均超過北京市土壤背景值，其中Cd、Cr、Zn超標嚴重。從各重金屬變異系數看灌區9種重金屬的變異系數由大到小依次為：Zn、Ni、Cr、Pb、Cu、Cd、Mn、V、Ti,其中Zn的變異系數最大為81.76，表明Zn在研究區空間分布上有明顯的差異。各重金屬與Ti含量的比值表明Zn、Cu和Pb三種元素累積強度受人為干擾活動的影響明顯高于其他元素，其次Cr在麥田中富集程度最高，Mn為林地，Ni、Pb為荒地，Cu、Zn、Cd為綠化地。相關分析和主成分分析綜合研究結果表明灌溉用水頻率、垃圾隨意堆放、施肥、大氣沉降是造成研究區不同土地利用類型重金屬含量特征差異的關鍵因素。其中Ti 、Mn、V是主要由于自然的因素引起的。Cu、Pb、Zn是主要是由于施用微量元素肥料、污泥的施用以及大氣沉降造成的。Cr、Ni是由于污水灌溉中污水的使用頻率和使用量所引起。

重金屬；富集；污水灌溉

1　引言

國內外農業上應用再生水進行灌溉是緩解水資源緊張的有效方式之一。當前北京市水資源總量為40億m3，人均擁有水資源量僅300 m3，僅農業用水缺口即達到每年10億m3。而北京市年污水排放量達12億m3，為緩解農業用水缺口，50%的再生水將用于農業灌溉[1]。但城市再生水的水源、肥源、污染源3種屬性決定了再生水灌溉在增加土壤肥力的同時,會產生許多負面效應，如重金屬累積、農產品品質變差等不良后果。土壤中的重金屬元素可以通過食物鏈，間接的向人體轉移，因此對于土壤中重金屬的污染危害的研究則是當前對土壤污染研究的重點與熱點。

陳濤等研究表明，在長期污灌區，Cd、Ni、Cu、Zn、Cr、Pb 等金屬均存在污染。污灌年限以及距離河道遠近，對重金屬的富集程度產生了重要的影響[2]。2001年Eeizi M以小麥為研究材料，使用再生水對其進行灌溉，結果顯示小麥體內重金屬含量比常規水略高，但是并未出現嚴重的重金屬富集的現象[3]。土壤重金屬含量由于關系到食物安全及人類健康，作為土壤質量的一個重要評價指標越發地受到關注[4]。2011年楊軍等以北京市東南郊涼水河灌區、北野場灌區、井水灌區為研究對象，系統分析了北京市再生水灌溉對土壤、農作物的重金屬污染風險，結果表明由再生水灌溉帶入的重金屬與地下水灌溉帶入的重金屬相當，再生水灌區土壤重金屬污染更大程度上是由于早期的污水灌溉或有機肥施用造成的，與再生水灌溉無直接關系。進一步查閱有無更新的關于再生水灌溉土壤的研究[5]。因此本文著力于本地區不同土壤利用類型以及進一步分類各重金屬之間的關系，以找出當前該地土壤重金屬累積以及空間變異的規律。

土壤重金屬來源可分為自然和人為兩大類。自然因素主要是由于當地的成土母質以及土壤侵蝕所表現出不同。重金屬的人為輸入來源主要有大氣沉降、污水灌溉、固體廢棄物、農資的使用等。其中大氣沉降指大氣中的重金屬來源為以氣溶膠的形態進入大氣重金屬,并通過自然沉降和降水的方式進入土壤[6]。大氣中Pb、Cd、Cu、Zn重金屬部分來自汽車汽油、發動機、輪胎、潤滑油和鍍金部分的燃燒或磨損[7]。2011年師彥武等對北京市涼鳳灌區的研究表明Ni、Cu、Zn比北京市背景值略高，表明再生水灌溉區土壤比井灌區土壤這幾種重金屬有一定積累[8]。和莉莉等在2008年的研究發現垃圾堆放處在雨水的淋洗下會向土壤釋放重金屬有效態部分，使得重金屬元素的遷移能力增強，增加了對地下水的危害[9]?；?、有機肥和農藥是土壤中重金屬元素Cr、Ni、Cu、Cd、Zn的重要來源。施用的肥料質量和數量是影響不同利用方式中土壤重金屬含量的主要因素[10]。2002年劉潤堂等對我國污水灌溉的現狀以及問題作了詳細的總結,并提出了相應的對策[11]。

2　研究區域概況與研究方法

2.1研究區域概況

調查區域為北京涼鳳(涼水河及鳳港堿河)灌區. 該區域位于北京市西南,屬大陸性季風氣候,受季風影響,春季干旱多風,年降水量約620 mm. 主要土壤類型為褐潮土、砂姜潮土。調查范圍在39°42′0″～39°49′30″N, 116°31′30″～116°46′30″E。

研究區域從20世紀60年代初開始進行污水灌溉，主要引用涼水河及鳳港堿河的污水，其污水主要來自南郊工業區的工業及生活廢水。歷經30余年的污灌，在20世紀90年代初期開始，污水灌溉的危害開始被公眾重視，污灌面積逐漸減小，再生水多為達標排放的中水[12]。本研究區域主要使用來自小紅門污水處理廠以及黃村污水處理廠的再生水進行灌溉。

2.2取樣方法

調查于2013年1月，對涼風灌區進行按經緯度1′30″進行分割,將該灌區劃分為50個經緯格.對每個經緯格內的典型土地利用類型進行觀察記錄,并對該土地利用類型進行采樣,對于有多個典型類型的地圖進行多點采樣, 采取表層(0～20 cm)土壤約1 kg組成混合樣品,共采集土壤樣品61個。

2.3樣品測定與數據分析

將樣品在室溫下干燥并剔除其中侵入體和新生體，經研缽研磨處理,全部過200目尼龍篩，儲存備用。使用“HNO3—HF”消解法，利用電感耦合等離子發射光譜法(ICP-OES)測定Ti、Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、Cd 、Pb、V。

本文土壤重金屬的平均值、變異系數、金屬相關性、痕量金屬比值、不同土地利用類型聚類分析以及主成分分析均使用SPSS19.0版本進行數據轉換、分析成圖。

3　灌區重金屬研究

3.1灌區重金屬統計特征

將灌區重金屬測定結果與北京市土壤背景值進行比較(表1)，從表1可以得出Cr、Mn 、Ni、Cu、Zn、Cd ，均顯著的超過當地背景平均值，Pb的平均值甚至低于北京市土壤背景值， Pb雖然在平均值上小于北京市土壤背景值，但是在最大值上仍有超過平均值的采樣點，因此在涼鳳灌區當地的Cr、Mn 、Ni、Cu、Zn、Cd 、Pb，均存在累積現象。從變異系數可以看出本次測定的9種重金屬元素變異系數由大到小依次為Zn、Ni、Cr、Pb、Cu、Cd、Mn、V、Ti。其中Zn的變異系數最大為81.76，屬于強變異，表明土壤中的Zn受到外界干擾嚴重，空間分異現象較強。其次為Cr、Ni、Pb，具較高變異系數值，表明這些重金屬元素在空間上存在一定程度的分布不均勻性。究其原因主要歸結于耕作、管理措施、污染等強烈的人為活動的影響[13]。測試結果與1976年和2004年的土壤重金屬含量進行比較，結果表明Cr、Cu、Zn、Cd均有明顯富集，而Pb濃度較歷史值相呈現一定程度的降低趨勢，該變化趨勢可能由于早期使用污泥、污水造成Pb高度富集，而后期使用達標排放的再生水一定程度上對該研究區Pb遷移發揮作用，也說明該灌區后期土壤中 Pb 主要來源于大氣沉降和垃圾堆放。

3.2相關統計分析

相關分析可以用來檢驗成對數據之間的相似性[14]。本文利用SPSS19中的相關分析對污灌區土壤中9種重金屬進行偏相關分析(表2)。從表可以看出Cr與Ni高度相關，說明Cr和Ni元素屬于復合污染，且二者具有高度同源性；其次Mn、Ti與V之間兩兩高度相關，而Cu、Zn與Pb之間兩兩高度相關，同樣說明該不同組內三元素為復合污染，且具有同源性的污染特點。

表1北京市涼鳳灌區土壤重金屬含量的統計

重金屬類型TiCrMnNiCuZnCdPbV最小值/(mg/kg)2716.042.01375.922.711.160.90.214.664.9最大值/(mg/kg)4600.0249.2820.2155.656.5694.30.9738.4116.5平均值/(mg/kg)4030.374.0597.845.227.7238.10.6821.39.1標準差/(mg/kg)295.729.579.419.57.6194.71.447.49.1變異系數/%7.339.913.343.127.481.821.234.910.0北京市背景值/(mg/kg)-29.8571.026.818.757.50.19924.6-超標率/%-148.24.6968.748.2314.1240.1-13.6-1976年n.d41.3n.dn.d25.265.50.11530.8n.d2004年n.d7.5n.dn.d20.078.90.17222.0n.d

注：土壤背景值Mn取自李廷芳等(1989)；其余元素土壤背景值引自陳同斌等(2004)

表2　各金屬相關關系

注：加粗為P<0.05：加粗以及下劃線<0.01

3.3重金屬富集情況

在自然界中，元素與重金屬之間存在一定的比例關系，這些比值主要取決于地球化學循環過程。其中，痕量金屬與穩定元素比值可以揭示由于人類活動使得痕量金屬濃度提高而引起的地球化學不平衡[15]。在本研究中，Ti的變異系數僅為7.3%，表明該元素在研究區空間差異較小，即Ti含量在研究區較為穩定，可以作為與該區痕量金屬比較的元素。表3給出了各重金屬與Ti含量的比值。從表中可以看出各個元素的與各個元素在不同土地利用類型上的富集程度，同種元素在不同土地利用類型上都表現出富集程度有所不同。其中Cu、Zn、Pb三種元素與痕量金屬相比比值較大，因此這三種元素受到的人類活動的影響最大。為進一步分析土地利用類型對該研究區土壤重金屬空間變異的影響，我們分別計算了不同土地利用類型下各重金屬與Ti含量的比值，可以看出這8種重金屬在不同土地利用類型中的富集程度是不同的。其中Cr在麥田中富集程度最高，Mn為林地，Ni、Pb為荒地，Cu、Zn、Cd為綠化地，V為水田。Cr在麥田的富集程度高，表征該元素重要來源為農田施用的有機肥以及常年的污水灌溉。而Mn、Ni、Pb所處的林下以及荒地則因為當地垃圾隨意堆放而導致生活垃圾中的大量重金屬元素隨降水沖刷而遷移至土壤，且據調查當地所采荒地樣點數年前為麥田。Cu、Zn、Cd所處的綠化用地，因其多年施用大量的化學肥料，研究表明磷肥中Cd的含量較高[16]，而Cu與Zn則常作為微量元素肥料施用。總的來看，Ni、Zn兩元素的富集程度遠大于其他幾種重金屬元素，指示Ni、Zn受人為因素的影響程度遠高于其他重金屬元素。由于近年來當地居民用地擴大，導致部分村莊外圍麥田廢棄，堆放垃圾。這也與Ni、Cr具有同源性的研究結果相吻合。

表3　不同土地利用類型重金屬與Ti的比值

3.4不同土地利用類型關系分析

由于土地利用類型為非數值型參數，在進行統計分析之前需進行賦值。進一步對原始數據進行轉置、聚類分析并形成樹狀圖(圖1)。在相似性系數為10%處進行劃分，可以將研究區土地利用類型分為4類。這4大類依據與灌溉水的接觸頻次及水質類型進行7種土地利用類型分群并類。其中，綠化用地由于使用機井中的淺層地下水而與其他土地利用類型有所不同，成為機井灌溉型。除綠化用地外，其他6種土地利用類型根據其灌溉頻次分為3類。第一類為常接觸型，由麥田以及水田組成，這兩類用地類型由于常年接受污水灌溉引起其重金屬積累顯著；第二類為過渡型，菜地由于灌溉頻率次數適中且當地近年來部分菜地改用地下水灌溉而區別于其他類型；第三類由荒地、林地、果林三種構成，這三種用地類型接受污水灌溉，但接觸時間與強度不及前兩類，其次由于近年來當地居民用地擴大，導致荒地及林地堆放垃圾和農家肥，污水灌溉和垃圾堆放綜合作用導致荒地、林地和果林三者組成一個獨立的類群。

圖1　聚類分析

3.5主成分分析

表4　旋轉因子載荷矩陣

注：依據因子載荷值∈[0.75,1],∈[0.5，0.75],∈[0.3，0.5]判斷其作用為強烈，中等或弱， 強烈、中等因子載荷分別以下劃線和加粗表示

從表4可以看出，主成分分析與相關分析分析結果具有一致性。前三個主成分累積了73%的貢獻率，能夠反映數據的大部分信息。第一主成分包括：Ti 、Mn、V；第二主成分包括：Cr、Ni；第三主成分包括：Cu、Zn、Pb。 第一主成分被認為是由于自然的因素引起的，主要受巖石組成和流域侵蝕的影響。第二和第三主成分被認為是人為的因素引起的。結合土地利用類型分類結果解析第二主成分主要是由于灌溉頻次高和肥料等使用引起的；而第三主成分主要是由于施用微量元素肥料、污泥的施用以及大氣沉降造成的，污水灌溉頻次低。雖然如今該地區的污水多經過污水處理廠處理，但由于在污灌初期當地使用了大量含有超標重金屬的污泥、污水進行灌溉導致當地土壤重金屬含量至今仍受污灌初期的影響，富集程度極高。作為農產品產地，農藥，化肥的使用給當地帶來了眾多的外來重金屬。

4　討論與結論

(1)從各重金屬含量特征看灌區Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、Cd 均顯著的超過當地背景平均值，均存在累積。從各重金屬變異系數看灌區9種重金屬的變異系數由大到小依次為Zn、Ni、Cr、Pb、Cu、Cd、Mn、V、Ti,其中Zn的變異系數最大為81.76，屬于強變異，表明該地區Zn在空間分布上有明顯的區別。其他8種重金屬大體上在空間分布上比較均勻。與1976年和2004年同研究區土壤重金屬含量相比Cr、Cu、Zn、Cd均有明顯富集，Pb則由于污染來源的改變而未出現明顯變化。

(2)涼鳳灌區主要土地利用類型根據與污水的接觸次數以及灌溉水質可分為常接觸、不常接觸以、過渡型以及機井灌溉4大類型，由于使用的水源以及灌溉次數導致不同的土地利用類型之間存在著一定的相關性。因此當地不同的土地利用類型的重金屬的富集程度有著顯著的差異。楊軍等通過對涼鳳灌區及其灌區過渡帶的研究發現，重金屬的積累有呈涼水河樣帶大于過渡帶的現象，距離河口越遠，富集程度越低。其實質也是由于與污水的接觸頻次的不同引起，與該次研究結果相符。

(3)通過研究區重金屬與Ti的比值分析，表明該研究區主要幾種土壤重金屬均存在富集現象，不同元素受到的人為影響存在差異。灌溉用水頻率、水質、肥料施用以及大氣沉降是造成不同土地利用類型重金屬含量特征差異的關鍵因素。其中Ti 、Mn、V是由于自然的因素引起的。Cr、Ni是由于污水灌溉中污水的使用頻率和使用量引起的。Cu、Zn、Pb由于由于施用微量元素肥料、污泥的施用以及大氣沉降有關。朱先芳對于北京北部水系重金屬的研究表明Ti、V為自然因素引起的富集，本文研究結果與其相符，根據同源性污染認為本文中Mn主要因自然因素引起，對于人為因素對其富集的影響有待進一步研究。本文給出的重金屬來源辨析，主要根據研究區歷史以及當前現狀給出主要影響因素。

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2016-05-27

王亞賢(1991—)，男，首都師范大學資源環境與旅游學院碩士研究生。

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1674-9944(2016)14-0053-04