大冶市土壤重金屬空間分布特征及其來源研究

楊文聰，祁士華，邢新麗

(1.中國地質大學(武漢)生物地質與環境地質國家重點實驗室，湖北 武漢 430074；2.中國地質大學(武漢)環境學院，湖北 武漢 430074)

土壤是地球生態系統重要的組成部分，重金屬進入土壤環境后，由于其具有隱蔽性、長期性、滯后性和不可逆性等特點，通常會在生物體內產生累積效應，造成包括植物形態變化及生長不良、作物產量減少以及動物群落減少、密度降低，還可以通過食物鏈富集，對其他動物造成傷害[1]等問題。這些重金屬離子可以直接通過吞食、吸入、皮膚接觸等方式進入人體，從而損害人體造血系統甚至中樞系統等，直接危害到人體健康安全[2]。礦區、冶煉區被認為是土壤重金屬污染的多發區[3-4]。在礦產資源冶煉和礦山開采過程中廢水、廢氣的直接排放會導致重金屬在礦區及其周邊地區的土壤中大量富集，造成土壤重金屬污染，從而對局部生態系統、地下水乃至人體健康等構成嚴重威脅[5-8]。

當土壤中重金屬元素的含量明顯高于原生含量或背景值時，會對生態環境造成破壞和產生不良的影響[9]。由于土壤環境的復雜多變以及重金屬元素本身所具有的特點，決定了土壤重金屬污染具有污染范圍廣和無法被生物降解的特點[10]。對土壤重金屬來源進行分析，可為后續的土壤重金屬污染修復及治理提供科學的依據和指導。目前對污染物來源的研究主要分為兩種類型，一種是對污染物來源進行定性研究的源識別，另一種是對污染物來源進行定量分析的源解析，國內外學者多將兩者統稱為源解析[11-13]。

本文選取大冶市及其周邊地區作為研究區，探究大冶市不同區域土壤重金屬的空間分布特征及其來源，以便摸清研究區不同區域土壤重金屬污染的空間分布與排放源之間的聯系。

1 研究區概況與樣品采集

1.1 研究區概況

湖北省大冶市是隸屬于黃石市的縣級市，地處鄂東南地區，位于長江中下游南岸，屬北亞熱帶季風氣候，四季分明。該地區年平均總降水量為1 554.4 mm，降水主要集中在4～8月份；年主導風向為東風，平均風速為2.3 m/s。

大冶市地形以丘陵、山地、平畈為主，地形分布特征為南山北丘東西湖，南高北低東西平。大冶市地形圖如圖1所示。

圖1 大冶市地形圖Fig.1 Topographic map of Daye City

大冶市礦山的開采和冶煉已有2 000余年歷史，是典型的礦山資源型城市[14-15]。該市以冶煉、采礦為主導產業，是大冶有色金屬公司、武漢鋼鐵集團等大型國有企業重要的礦石采選和冶煉基地，也是我國重要的原材料工業基地之一，長期的高強度開采、冶煉所帶來的土壤污染問題日益嚴峻[16-18]。

本次研究區主要位于大冶市與黃石市下陸區接壤的大冶有色金屬冶煉廠區域、大冶市羅家橋街辦的東西港及三里七湖區域和大冶市東部的大冶湖區域。

1.2 土壤樣品采集

本次研究將研究區劃分為冶煉廠區域、東西港區域和大冶湖區域進行土壤樣品采集。其中，東、西港渠為大冶市有色金屬冶煉廠的主要排污渠，匯入三里七湖，并通過三里七湖流入大冶湖。大冶湖主要在大冶市內，但西南部屬于陽新縣域。在冶煉廠區域以大冶有色金屬冶煉廠為中心，依據主風向東風，沿東南西北方向呈放射狀采集土壤樣品；在東西港區域沿大冶有色金屬冶煉廠的主要排污渠即東港渠和西港渠采集土壤樣品；在大冶湖區域沿湖濱地帶采集土壤樣品。本次研究共采集土壤樣品34件，研究區采樣點位分布圖見圖2。

圖2 研究區采樣點位分布示意圖Fig.2 Diagram of sampling points of the research area

研究區土壤樣品選取0～20 cm的表層土，采用五點采樣法在1 m2土地中選取4角和對角線交點分別取樣后進行混合，使采集的土壤樣品具有代表性。每個點位用木鏟采集至少500 g土壤樣品裝入密實袋中保存，并去除動植物殘體及砂石。

1.3 土壤樣品測定

土壤樣品取回后用藥匙從密實袋中取適量(約500 g)攤開在鋁箔上進行自然風干，待其干燥后用鑷子挑出樹枝、碎石等，用瑪瑙研缽進行研磨，過0.15 mm孔徑(100目)尼龍篩。本次研究使用電感耦合等離子體質譜儀測定土壤樣品中重金屬元素的含量。在土壤樣品測定前，加入6個標準土樣測定其重金屬含量，以進行質量控制，標準土樣與土壤樣品等量。每10個土壤樣品進行一次重復樣，并加入空白樣品。土壤樣品測定的回收率控制在90%～110%范圍內。

2 研究結果與討論

2.1 土壤重金屬含量描述性統計

研究區不同區域土壤樣品中重金屬含量描述性統計結果，見表1。

表1 研究區土壤樣品中重金屬含量描述性統計Table 1 Descriptive statistics of heavy metal content of soil samples in the research area

由表1可以看出：

(1) 研究區采集的34件土壤樣品中重金屬元素As、Cd、Pb、Zn、Hg、Cu、Ni、Cr的平均含量分別為109.062 mg/kg、29.235 mg/kg、111.938 mg/kg、355.529 mg/kg、0.374 mg/kg、479.353 mg/kg、46.085 mg/kg、88.129 mg/kg，與《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(以下簡稱土壤環境質量標準)相比，土壤中重金屬元素As、Cd、Zn、Cu的含量均普遍超標。其中，土壤中重金屬元素As、Cd含量的超標現象尤為顯著，表明土壤中重金屬元素As、Cd含量的富集水平明顯高于其他重金屬元素；土壤中重金屬元素Zn、Cu含量的超標率也較高，均值均超過國家環境質量標準限值；而土壤中重金屬元素Hg、Ni、Cr含量的整體富集水平較低。

(2) 研究區內不同區域間土壤中重金屬含量有明顯的差異，呈現出東西港區域>冶煉廠區域>大冶湖區域的趨勢。

(3) 與湖北省土壤環境背景值[19](以下簡稱土壤環境背景值)相比，研究區采集的土壤樣品中除重金屬元素Cr含量以外，其余重金屬元素As、Cd、Pb、Zn、Hg、Cu的平均含量明顯高于土壤環境背景值，表明土壤中這6種重金屬元素的含量很可能受到人為活動的影響。特別是土壤中重金屬元素Cd的平均含量遠高于土壤環境背景值，達到295.86倍，同時土壤中重金屬元素Cu、As、Hg的平均含量也分別達到了土壤環境背景值的14.98倍、9.09倍和8.51倍。

(4) 標準差和變異系數(CV)可以反映數據的離散程度[20-22]。研究區土壤樣品中重金屬元素As、Cd、Pb、Zn、Hg、Cu、Ni、Cr的變異系數均遠超過1，屬于極高變異水平，表明該地區土壤中重金屬含量呈現出明顯的空間異質性，不同區域間土壤重金屬含量水平的差異大，說明受到不同程度的人為活動影響。

2.2 土壤重金屬含量空間分布特征

研究土壤中重金屬含量的空間分布，可以更加直觀地反映研究區土壤重金屬含量的分布情況[23-24]。本文采用ArcGIS對研究區土壤重金屬含量的空間分布特征進行了分析，得到研究區土壤樣品中不同重金屬元素的空間分布圖，見圖3、圖4和圖5。

圖3 研究區土壤中重金屬元素As、Cd和Zn含量的 空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of As,Cd and Zn content in soil of the research area

圖4 研究區土壤中重金屬元素Cu、Pb和Hg含量的 空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of Cu,Pb and Hg content in soil of the research area

圖5 研究區土壤中重金屬元素Ni和Cr含量的 空間分布圖Fig.5 Spatial distribution of Ni and Cr content in soil of the research area

圖3(a)、(b)、(c)為研究區土壤中重金屬元素As、Cd、Zn含量的空間分布圖。由圖3可見，研究區土壤中重金屬元素As和Cd含量的高值區主要分布在大冶市的東西港區域，東、西港渠長久以來是大冶有色金屬冶煉廠的主要排污渠，表明冶煉廠生產過程中產生的污染廢水可能是造成該區域土壤中重金屬元素As、Cd含量高富集水平的主要原因；土壤中重金屬元素Zn含量同樣也在東西港區域呈現出高值現象，同時有別于As、Cd，其在東、西港渠沿岸呈現出多個高值區，表明除大冶有色金屬冶煉廠對該區域土壤造成的Zn污染外，東、西港渠沿岸還存在其他的人為排污現象，可能與沿岸分布有較多的金屬制品加工制造業有關；從研究區整體上來看，土壤中重金屬元素As、Cd含量的富集水平相對更高。

圖4(a)、(b)、(c)為研究區土壤中重金屬元素Cu、Pb、Hg含量的空間分布圖。由圖4可見，研究區土壤中重金屬元素Cu、Pb、Hg含量的高值區主要分布在大冶有色金屬冶煉廠區域和東西港區域；與研究區土壤中重金屬元素As、Cd、Zn相比，土壤中重金屬元素Cu、Pb、Hg含量在東西港區域的高富集水平同樣很可能來自于冶煉廠排放的污染廢水；同時，土壤中重金屬元素Cu、Pb、Hg含量在東西港區域的高值分布與Zn分布更為相似，表明除冶煉廠排放的污染廢水外，東西港區域土壤中重金屬元素Cu、Pb、Hg含量的富集可能與沿岸的金屬制品加工制造業也有密切的關系；而與土壤中重金屬元素As、Cd、Zn含量分布不同的是，土壤中重金屬元素Cu、Pb、Hg含量在大冶冶煉廠區域同樣出現了高值區，表明除冶煉廠污染廢水排放外，冶煉廠生產過程中排放的廢氣很可能對冶煉廠周邊地區土壤造成了重金屬元素Cu、Pb、Hg含量的富集；相較于冶煉廠周邊地區，東西港區域土壤中重金屬元素Cu、Pb、Hg含量的富集水平更高，但從研究區整體上來看，土壤中重金屬元素Cu、Pb含量的富集水平相對較高。

圖5(a)、(b)為研究區土壤中重金屬元素Ni、Cr含量的空間分布圖。由圖5可見，研究區土壤中重金屬元素Ni、Cr含量分布的高值區主要在東西港區域，同時在大冶湖區域也呈現出較高值區。從土壤中重金屬元素Ni、Cr含量分布的高值區主要集中在河湖及周邊地區的現象，并結合湖北省土壤環境背景值，可以發現研究區土壤中重金屬元素Ni、Cr含量的富集應該是自然源，可能來源于成土母質等；但在東西港區域表現出少數異常高值，有個別超標現象，可能來源于人為工業源，可能是冶煉廠以及東、西港渠沿岸的其他金屬制品加工制造業等工業生產排污所造成，表明研究區土壤中重金屬元素Ni、Cr累積的主要原因為土壤母質等自然因素，但在東西港區域也受到部分工業排污的人類活動影響。

2.3 土壤重金屬源解析

主成分分析是將線性相關的一組變量通過正交變換轉化為一組新的線性不相關的變量的多元統計分析方法，已廣泛應用于環境領域的研究中[25-27]。在進行主成分分析前，通常需采用KMO檢驗和Barttlet球形度檢驗來判別研究數據是否適合做主成分分析。

將研究區土壤中重金屬含量數據通過SPSS軟件包進行了主成分分析，數據通過了KMO檢驗和顯著性水平p<0.001的Barttlet球形度檢驗，共提取出3個主成分因子，其累計方差貢獻率為98.049%。研究區土壤中重金屬主成分旋轉成分矩陣結果，見表2。

由表2可以看出：

表2 研究區土壤中重金屬主成分旋轉成分矩陣Table 2 Rotation component matrix of heavy metals in soil of the research area

(1) 主成分因子1的方差貢獻率為43.898%，

As、Cd、Zn、Hg 4種重金屬元素的因子載荷較高，分別為0.849、0.834、0.755和0.725，表明這4種重金屬元素可能源自同一污染源，而重金屬元素Pb、Cu、Ni、Cr在第一主成分中也表現出一定的因子載荷，說明這4種重金屬元素也有一部分與第一主成分來源相關;結合研究區土壤中重金屬含量的空間分布狀況，土壤中重金屬元素As、Cd、Zn、Hg含量的高值區主要分布在東西港區域，分布情況高度相似，說明第一主成分的來源可能是冶煉廠以及分布在東、西港渠沿岸的工業在東、西港渠排放的污染廢水，屬于受人類活動影響的人為來源。

(2) 主成分因子2的方差貢獻率為32.116%，重金屬元素Pb和Cu的因子載荷較高，分別為0.870和0.829，說明這兩種重金屬元素可能有相同的來源，而重金屬元素As、Cd、Zn、Hg、Ni、Cr也在第二主成分中有一定的因子載荷，說明這6種重金屬元素也有一部分與重金屬元素Cu和Pb也有相同的來源;結合研究區土壤中重金屬含量的空間分布狀況，土壤中重金屬元素Pb和Cu含量的高值區同時分布在冶煉廠區域和東西港區域，說明除了與第一主成分排入東、西港渠污染廢水相同的可能來源外，重金屬元素Pb和Cu還有部分來源可能為大冶有色金屬冶煉廠生產過程中排放的燃燒廢氣，即第二主成分來源可能是冶煉廠排放的污染廢氣對周邊土壤造成的以Pb、Cu為主的重金屬污染，屬于受人類活動影響的人為來源。

(3) 主成分因子3的方差貢獻率為22.035%，重金屬元素Ni和Cr的因子載荷較高，分別為0.772和0.624，說明這兩種重金屬元素可能有相同的來源，而重金屬元素As、Cd、Pb、Zn、Hg、Cu也在第三主成分中有一定的因子載荷，說明這6種重金屬元素也有一部分與重金屬元素Ni和Cr有相同的來源；結合研究區土壤中重金屬含量的空間分布狀況，土壤中重金屬元素Ni和Cr含量的高值區主要分布在東西港和大冶湖區域，說明除了與第一主成分排入東、西港渠污染廢水相同的可能來源外，重金屬元素Ni和Cr含量在大冶湖的湖畔區域也出現了較高值。重金屬Ni和Cr常被認為是自然源的標識性元素，且在本文研究中表現出從沿河湖區域向陸地區域逐漸降低的趨勢，其高值區主要集中在東西港、三里七湖、大冶湖的河湖區域，兩者高值區分布高度相似，表明第三主成分可能來源是包括成土母質等的自然來源。

在主成分分析的基礎上，本文采用主成分分析-多元線性回歸(PCA-MLR)的受體模型量化分析了不同污染源對研究區土壤中重金屬含量的貢獻率，見圖6。

圖6 不同污染源對研究區土壤中重金屬含量的貢獻率Fig.6 Contribution rate of different pollution sources to heavy metal content in soil of the research area

以3個主因子為自變量進行多元線性回歸分析，得到的回歸方程如下：

C=0.464F1+0.412F2+0.194F3

(1)

PCA-MLR受體模型計算結果表明：擬合優度R2為0.990，顯著性水平α=0.000，說明模擬結果具有較高的可信度，可認為擬合成功。研究區主要污染源中工業廢水排放污染源、工業廢氣排放污染源、自然源對土壤中重金屬含量的貢獻率分別為43.37%、38.50%和18.13%，表明工業企業排放的廢水和廢氣是研究區土壤中重金屬污染的主要來源，研究區土壤中重金屬含量的高富集水平主要是受工業排污的人類活動影響的人為來源。

研究區土壤中重金屬含量的富集水平較高，土壤中重金屬元素As、Cd、Cu含量的超標現象較為明顯，來源主要是該地區工業生產排放的廢水和廢氣造成的水型污染和氣型污染。研究區不同區域土壤中重金屬有各自的污染特點，受工業廢水排放的水型污染影響的東西港區域土壤中重金屬污染狀況最為嚴重，受工業廢氣排放的氣型污染的冶煉廠區域土壤中重金屬污染也較為嚴重，而距離工業分布相對較遠的大冶湖區域土壤中重金屬污染狀況則相對較好。在冶煉廠區域可以明顯看到土壤中重金屬含量呈現出隨著距冶煉廠距離的增加，土壤中重金屬含量呈現出明顯下降的趨勢，表明大冶有色金屬冶煉廠是該地區重金屬污染的主要來源，其主要通過廢氣排放造成重金屬進入土壤環境中。總體而言，研究區土壤中重金屬含量主要受到的是人類活動造成的水型污染和氣型污染的影響，且水型污染地區較氣型污染地區更為嚴重，而受自然來源的影響相對較小。

3 結 論

通過對大冶市及其周邊地區土壤中重金屬元素As、Cd、Pb、Zn、Hg、Cu、Ni、Cr含量進行了分析測定，并利用統計分析、空間分布分析、來源分析、污染狀況評價等方法,研究了研究區不同區域土壤重金屬的空間分布特征及其來源，得到的結論如下：

(1) 研究區土壤樣品中重金屬元素As、Cd、Pb、Zn、Hg、Cu、Ni、Cr的平均含量分別為109.062 mg/kg、29.235 mg/kg、111.938 mg/kg、355.529 mg/kg、0.374 mg/kg、479.353 mg/kg、46.085 mg/kg、88.129 mg/kg，土壤中重金屬元素As、Cd、Zn、Cu的含量均超出《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》，土壤中重金屬元素As、Cd、Pb、Zn、Hg、Cu的平均含量均明顯高于湖北省土壤環境背景值。受人為活動的影響，研究區土壤重金屬含量升高并存在污染情況，且土壤中重金屬含量均屬于極高變異水平，呈現出明顯的空間異質性，不同區域間土壤中重金屬含量水平差異大，呈現出東西港區域>冶煉廠區域>大冶湖區域的趨勢。

(2) 研究區土壤重金屬含量。空間分布特征分析結果顯示，重金屬元素As和Cd含量的高值區主要分布在大冶市的東西港區域；重金屬元素Cu、Pb、Hg含量的高值區主要分布在大冶有色冶煉廠區域和東西港區域；重金屬元素Ni、Cr含量的高值區主要分布在東西港區域，同時在大冶湖區域也呈現出較高值區。

(3) 研究區土壤重金屬的來源主要是該地區工業生產排放的廢水和廢氣造成的水型污染和氣型污染，但不同區域土壤中重金屬有各自的污染特點，受工業廢水排放的水型污染影響的東西港區域土壤中重金屬污染狀況最為嚴重，受工業廢氣排放的氣型污染影響的冶煉廠區域土壤中重金屬污染也較為嚴重，而距離工業分布相對較遠的大冶湖區域土壤中重金屬污染狀況則相對較好。