伊寧市土壤中重金屬污染評價及來源解析研究*

鄧 霞 孫慧蘭 楊余輝 周永超 吳珊珊

(新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054)

土壤是生態(tài)系統(tǒng)中各種污染物的最終歸屬，重金屬主要通過大氣降塵、地表徑流滲透等方式進(jìn)入土壤環(huán)境，又通過食物鏈積累到人體中，給人們的身體健康帶來潛在危害[1-3]。目前，眾多學(xué)者對城市重金屬的污染特征、來源等方面進(jìn)行了大量的研究[4-8]。ASLAM等[9]對迪拜紅綠燈路口處土壤重金屬環(huán)境進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)汽車的尾氣排放是路邊土壤重金屬污染的主要來源；崔邢濤等[10]基于大量土樣數(shù)據(jù)分析石家莊市土壤重金屬空間分布特征并進(jìn)行源解析。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及“一帶一路”的興起，中國西部地區(qū)土壤環(huán)境現(xiàn)狀逐漸引起學(xué)者的關(guān)注。陳洪等[11]對伊犁河流域的土壤環(huán)境進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)伊寧市、伊寧縣、霍城縣等地的污染現(xiàn)象極為嚴(yán)重；楊蕊等[12]認(rèn)為，河谷城市西寧市的土壤重金屬污染嚴(yán)重，除As、Zn外，Cr、Cu、Pb等多種重金屬均超過青海土壤背景值，存在一定環(huán)境風(fēng)險。現(xiàn)有的關(guān)于西部地區(qū)土壤重金屬的研究主要針對污染現(xiàn)狀，而對土壤重金屬來源解析的研究相對較少。

本研究通過采集新疆伊寧市主城區(qū)道路主干道兩側(cè)綠化帶中的表層土(0～20 cm)，探究重金屬含量特征，再通過地積累污染指數(shù)法和污染負(fù)荷指數(shù)法對其重金屬污染程度進(jìn)行分析，同時借助因子分析與相關(guān)性分析結(jié)果，對土壤中的重金屬來源進(jìn)行解析，以期為伊寧市的土壤環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

伊寧市位于伊犁河谷中部(43°50′～44°09′N，80°04′～81°29′E)，市中心海拔約640 m，氣候溫和多雨，四季分明，年均氣溫在10 ℃左右，屬溫帶大陸性氣候。伊寧市土壤類型主要為黑鈣土、栗鈣土等，市區(qū)土壤主要為潮土和灌耕土。在城市化進(jìn)程加快和“一帶一路”的建設(shè)過程中，伊寧市交通運(yùn)輸業(yè)不斷發(fā)展，公路與汽車數(shù)目逐漸增多。目前伊寧市有主要街道8條，此外，伊墩高速和G316國道從伊寧市橫穿而過，與眾多小巷道構(gòu)成了伊寧市復(fù)雜的交通網(wǎng)絡(luò)。

1.2 樣品采集及分析

在伊寧市主城區(qū)設(shè)置51個采樣點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際情況在公路兩側(cè)的綠化帶采集表層(0～20 cm)土壤樣品。采用三點(diǎn)混合法采樣，取1 kg土壤樣品裝入密封袋中，同時用全球定位系統(tǒng)(GPS)記錄每個采樣點(diǎn)的坐標(biāo)。土壤在實(shí)驗室避光風(fēng)干，去石塊和動植物殘渣，過100目篩后裝入小密封袋備用。

分析方法：土樣通過強(qiáng)酸消解后，采用火焰原子吸收分光光度法測定Cu、Zn含量，采用原子吸收法測定Cr、Ni、Pb含量；采用原子熒光法測定Hg、As、Mn含量。

1.3 評價方法

1.3.1 地積累污染指數(shù)法

地積累污染指數(shù)法與其他污染評價法相比，考慮了人為因素和土壤母質(zhì)對重金屬的影響[13-14]，計算公式見式(1)：

(1)

式中：Igeoi為土壤樣品中重金屬i的地積累污染指數(shù)；ci為土壤樣品中重金屬i的實(shí)測質(zhì)量濃度，mg/kg； 1.5為波動系數(shù)；Bi為重金屬i在新疆土壤中的背景值，mg/kg。

1.3.2 污染負(fù)荷指數(shù)法

污染負(fù)荷指數(shù)法可以用于評價土壤中多種重金屬的綜合污染程度，還可用于直觀判斷整個研究區(qū)的污染情況[15-16]。計算公式如下:

(2)

(3)

(4)

式中：Pi為土壤樣品中重金屬i的單因子污染指數(shù)；PLIm為第m個采樣點(diǎn)土壤重金屬污染負(fù)荷指數(shù)；n為土壤中重金屬個數(shù)；PLIzone為研究區(qū)域的土壤重金屬污染負(fù)荷指數(shù)；k為采樣點(diǎn)個數(shù)。

地積累污染指數(shù)與污染負(fù)荷指數(shù)評價等級如表1所示。

表1 重金屬污染的評價分級

注：1)PLI可以是PLIm或PLIzone。

2 結(jié)果與分析

2.1 伊寧市道路表層土壤重金屬含量特征

對51個土壤樣品中8種重金屬質(zhì)量濃度進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表2所示。可以看出，8種重金屬質(zhì)量濃度平均值排序為Hg

表2 伊寧市道路表層土壤重金屬質(zhì)量濃度統(tǒng)計

變異系數(shù)在一定程度上可以反映土壤重金屬受人為因素的干擾程度與累積程度。一般來說，變異系數(shù)≤0.15時為弱變異，>0.15～0.35時為中變異，>0.35時為強(qiáng)變異[17-19]。由表2可見，元素Ni、Cu、Mn為弱變異，受人為影響較小；元素Cr、Pb、Zn為中變異，人為因素對其具有一定的影響；而元素Hg、As為強(qiáng)變異，說明受人為影響較大。

2.2 伊寧市道路表層土壤重金屬污染評價

采用地積累污染指數(shù)法對伊寧市道路表層土壤中的各重金屬污染情況進(jìn)行評價，結(jié)果見圖1。

圖1 地積累污染指數(shù)對重金屬元素污染程度的評價結(jié)果Fig.1 Pollution degree of heavy metals evaluated by geo-accumulation pollution index

由圖1可見，51個土壤樣品均未受到Cr、Mn、As污染；對于元素Ni、Cu、Zn，分別有9.8%、5.9%、3.9%的土壤樣品存在輕中度污染，其余均未受到污染；對于元素Pb，7.8%的土壤樣品無污染，21.6%、70.6%的土壤樣品分別存在輕中度污染和中度污染；而對于元素Hg，43.1%的土壤樣品無污染，35.3%、15.7%、5.9%的土壤樣品分別存在輕中度污染、中度污染、中強(qiáng)度污染。可以看出，Hg、Pb污染程度相對較大，Pb的污染面積比較大，Hg有小部分區(qū)域受到較嚴(yán)重的污染

采用污染負(fù)荷指數(shù)法評價伊寧市重金屬綜合污染程度，51個土壤樣品中，污染負(fù)荷指數(shù)最大值為1.03，最小值為0.45說明伊寧市內(nèi)有小部分地區(qū)土壤存在輕度重金屬污染，大部分地區(qū)為無污染，伊寧市的區(qū)域污染負(fù)荷指數(shù)為0.65，表明伊寧市整體未受到重金屬污染。采用反距離權(quán)重空間插值法反映研究區(qū)重金屬污染負(fù)荷指數(shù)空間分布情況(見圖2)，可以看出雖然污染負(fù)荷指數(shù)大于0.90的區(qū)域較小，但大部分區(qū)域的污染負(fù)荷指數(shù)在0.50以上，隨著人為活動強(qiáng)度的增加將帶來土壤重金屬的持續(xù)輸入，未來研究區(qū)土壤存在重金屬污染風(fēng)險。

圖2 伊寧市污染負(fù)荷指數(shù)的空間分布Fig.2 Sptial distribution of pollution load index in Yining City

2.3 伊寧市道路表層土壤重金屬源解釋

2.3.1 相關(guān)性分析

通過對土壤中重金屬間的相關(guān)性進(jìn)行分析，可以在一定程度上反映重金屬間同源的可能性[20-21]。表3為伊寧市道路表層土壤中8種重金屬之間的Pearson相關(guān)性分析結(jié)果。由表3可知，除As元素外，Zn與其他重金屬元素均呈極顯著相關(guān)，Cr與Ni、Pb、Mn，Ni與Pb，Cu與Mn也呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，其中Cr與Ni、Zn的相關(guān)系數(shù)為0.669、0.526，Zn與Pb、Cu、Mn間的相關(guān)系數(shù)分別為0.561、0.576、0.558，均在0.5以上，表明這幾種重金屬同源的可能性較大；此外，Mn與As間呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明這兩種重金屬具有較為明顯的異源性特征。

表3 伊寧市道路表層土壤不同重金屬之間的相關(guān)性分析1)

注：1)“*”代表顯著相關(guān)；“**”代表極顯著相關(guān)。

2.3.2 因子分析

采用因子分析法對伊寧市道路表層土壤重金屬進(jìn)行源解析，因子方差分析結(jié)果見表4。由表4可知，獲取的8個因子中，前3個因子的特征值大于1，且前3個因子的方差累積貢獻(xiàn)率達(dá)71.068%，也即前3個因子可以解釋71.068%的貢獻(xiàn)源。

表4 因子方差分析

表5為前3個主因子與各重金屬元素間的旋轉(zhuǎn)載荷矩陣。可以看出，因子1在Cr、Ni、Pb、Hg上的載荷分別為0.757、0.816、0.685、0.594，其中Cr、Pb、Hg受人為活動影響明顯，Hg主要來源為大氣干沉降，Pb、Cr主要來源于工業(yè)排放和煤炭燃燒[22]，鑒于采樣點(diǎn)均在伊寧市主城區(qū)內(nèi)，周邊無工業(yè)聚集，因此因子1可以解釋為郊區(qū)工業(yè)源的傳輸；因子2在Cu、Mn、Zn上的載荷分別為0.907、0.660、0.663，3種重金屬間均呈極顯著相關(guān)，Cu主要來自于汽車制動過程中剎車片的摩擦，Zn主要來自于橡膠輪胎的磨損，Mn是土壤中的基本元素，可能來自于車輛運(yùn)行過程中帶起的道路揚(yáng)塵[23-26]，因此因子2可以解釋為交通排放源；因子3在Mn、As上的載荷分別為-0.619、0.921，兩者對因子3的影響相反，而Mn與As間極顯著負(fù)相關(guān)，存在明顯的異源性，一般認(rèn)為Mn主要來自土壤的母質(zhì)，受人為影響較小，推測As來自人為活動源，即因子3代表人為活動與自然的混合源。

表5 因子旋轉(zhuǎn)載荷矩陣

3 總 結(jié)

通過對伊寧市土壤重金屬的描述性統(tǒng)計分析可知，研究區(qū)表層土壤重金屬Ni、Pb、Cu、Hg的含量超過新疆土壤背景值。地積累污染指數(shù)評價結(jié)果表明，研究區(qū)未受重金屬 Cr、Mn、As的污染，小部分地區(qū)存在Ni、Cu和Zn的輕中度污染，大部分地區(qū)存在中度Pb、Hg污染，其中Pb的污染面積較大，但主要為輕中度和中度污染，而Hg的污染面積雖然沒有Pb大，但有5.8%的區(qū)域存在Hg的中強(qiáng)度污染。污染負(fù)荷指數(shù)法評價結(jié)果表明伊寧市土壤整體未受重金屬污染。因子分析表明研究區(qū)土壤中重金屬有3種主要來源，一是周邊工業(yè)源的傳輸，二是交通排放源，三是人為活動與自然的混合源。

僅探究土壤中重金屬全量的分布特征、風(fēng)險程度以及來源，并不能解釋土壤中重金屬的遷移規(guī)律及潛在的風(fēng)險，因此在后續(xù)研究中應(yīng)關(guān)注重金屬形態(tài)的研究，以期獲取重金屬在土壤中遷移規(guī)律的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為土壤治理與修復(fù)提供可靠的理論依據(jù)。