基于PMF 模型的青城子鎮農田土壤重金屬源解析

王星蒙

（遼寧省生態環境監測中心，遼寧沈陽 110161）

1 引言

青城子鎮位于遼寧省鳳城市，境內有大型鉛鋅礦床，因此鉛鋅采冶選企業眾多，周圍農田土壤重金屬污染較重。以青城子鎮農田土壤作為研究對象，通過監測土壤重金屬的含量，運用PMF5.0 作為受體模型對重金屬來源進行解析，為當地的土壤污染防治及修復提供相關依據。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

研究區位于遼寧省鳳城市青城子鎮，地理位置123.560 1°—123.584 2°E，40.722 7°—40.715 1°N。該區域屬溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫5.5 ℃，年平均降水量1 100 mm。土壤類型主要為棕壤，農作物以玉米、蔬菜為主。

2.2 樣品采集與分析

布點、采集、制備、測試及質量控制參照HJ/T 166—2004《土壤環境監測技術規范》［1］。本次研究區面積為1 074 畝，利用網格布點法在研究區內布設了20 個采樣點。每個監測點位采集表層0～20 cm的土樣。土壤pH 值、金屬元素均由取得資質認定的實驗室檢測。

2.3 PMF 模型

PMF 模型是根據受體模型對污染源使用矩陣分析的定量方法，其不受單一的污染源成分所約束，可將采集的多個樣品與多種類重金屬元素組成一個矩陣，通過矩陣運算分解為污染源的貢獻率矩陣以及污染源成分譜矩陣，再通過最小二乘法進行迭代運算，最終盡可能達到化學質量平衡，即污染源組成成分與采集樣品化學質量平衡［2-4］。

在PMF 中，樣品濃度矩陣用X 表示，污染源貢獻因子矩陣用G 表示，污染源因子含量矩陣用F 表示，殘差矩陣用e 表示。計算公式如下［4］：

PMF 是利用多次迭代運算，不斷使樣品的原始矩陣分解，最終得出最優化的污染源貢獻因子矩陣G 和污染源因子含量矩陣F，使得目標函數Q 最小化。目標函數Q 定義如下［5］：

式中，uij表示Xa×b的不確定性，即第i 個樣品中第j個元素濃度的不確定性。本研究中不確定性采用uij＝0.1xij＋MDL/3（MDL 為方法檢出限）來進行計算［6］。

3 結論與分析

3.1 土壤重金屬含量分析

研究區域土壤中8 種重金屬含量見表1。由表1可知，土壤中Cd，Hg，Pb，Cr，Cu，Zn，Ni，As 的平均值范圍為0.11～696.15 mg/kg，分別是遼寧省土壤背景值的16.7，2.9，33.0，1.4，3.0，4.9，1.3，31.6 倍，其中，Ni，Cr 的含量很接近土壤背景值。說明除Ni，Cr 以外，土壤中Cd，Hg 等其他6 種元素呈現較明顯的污染與富集趨勢。

表1 測量值統計

另外，Pb 和As 含量的變異系數均很大，分別是108%和141%。根據變異系數范圍［7-8］，8 種土壤重金屬中，Cr 和Ni 為輕度變異，Cd，Hg，Cu 和Zn 為高度變異，Pb 和As 為極高度變異。通過變異系數的比對，說明Cr 和Ni 變化幅度較小，連續性相對較強，空間變異性小；Pb 和As 變化幅度較大，連續性相對較弱，空間變異性大。

3.2 相關性分析

根據皮爾森相關性檢驗，Cd－Pb，Cd－Cu，Cd－Zn，Cd－As，Pb－Cu，Pb－Zn，Pb－As，Cu－Zn，Cu－As，Zn－As的相關系數均大于0.8，彼此的相關性在0.01 水平上顯著相關，表明Cd，Pb，Cu，Zn 和As 5 種土壤重金屬有很大的可能性來源于同一污染源；Hg－Zn 具有0.05 水平上的顯著相關，說明這2 種元素很大可能具有同一來源；Ni－Cr 相關系數為0.729，存在顯著的正相關關系，表明這2 種元素的來源具有一致性。

3.3 PMF 模型分析

通過主成分因子分析，選取累積方差達到85%以上的因子數（3～8），將其帶入PMF 模型驗證。經調試，因子數為5 時，Qrobust/Qtrue處于快速下降處且殘差大小在－3～3 之間，選取Fpeak＝－0.5 時旋轉運行后得到指紋圖譜，見圖1。

圖1 污染因子指紋圖譜

污染因子成分圖譜可以更加直觀地看出各個污染因子對8 種土壤重金屬的貢獻率，方便進一步確定污染來源的類型。

由受體模型PMF 解析出污染源貢獻率，見表2。

表2 PMF 解析出的污染源貢獻率 %

因子1 的載荷元素僅有Pb，其貢獻率僅為1.71%，表明因子1 在整個污染源解析中的貢獻率很小。研究表明，汽車尾氣中含有Pb［5］，同時在運輸中鉛礦石顛落會導致道路兩旁土壤中Pb 含量增高。研究區內交通網較發達，有地區內主要公路穿過，因此，判定因子1 為交通源。

因子2 的主要載荷元素是Hg，其貢獻率為68.05%。研究發現，燃煤與有色金屬冶煉是大氣Hg污染的主要來源［9］。研究區四面環山，不宜大氣擴散，同時居民燃煤及火車運輸燃煤等非常頻繁，因此，判定因子2 為化石燃燒源。

因子3 的主要載荷元素是As，其貢獻率為48.49%，遠大于其他元素。As 與Au 常共生于礦石，金礦開采中的含As 廢石、尾砂等堆積在地表經風化和淋濾，As 會得到釋放，另外，金礦在冶煉時As 必然進入環境中［10］。研究區附近有多處金礦采選企業，因此，判定因子3 為金礦污染源。

因子4 主要載荷元素包括Cd，Pb 和Zn，其貢獻率分別為79.90%，78.29%和66.87%。研究表明，鉛鋅礦區的采選冶過程中產生的工業“三廢”含有大量的Zn，Pb［11］，排放后通過各種途徑進入土壤，致使土壤污染。由皮爾森相關性檢驗可知，Cd，Pb，Cu，Zn 和As 5 種土壤重金屬之間存在顯著的正相關關系，5種土壤重金屬有較大的可能性來源于同一污染源，因此，判定因子4 為鉛鋅礦污染源。

因子5 的主要載荷元素為Cr 和Ni，其貢獻率均為100.00%。由重金屬含量分析可知，Cr，Ni 的平均值與遼寧省土壤元素背景值基本相同，且均為輕度變異，反應為基本不受人為活動的影響，由皮爾森相關性檢驗可知，Ni 和Cr 存在顯著的正相關關系，因此，判定因子5 為自然源。

4 結語

（1）研究區土壤中Cd，Hg，Pb，Cr，Cu，Zn，Ni 和As 的均值分別是遼寧省土壤背景值的16.7，2.9，33.0，1.4，3.0，4.9，1.3，31.6 倍，8 種土壤重金屬中，Cr 和Ni 為輕度變異，Cd，Hg，Cu 和Zn 為高度變異，Pb 和As 為極高度變異。

（2）根據PMF 模型初步得出污染來源，再通過污染因子成分圖譜以及污染源貢獻率分析得知，因子1 的主要載荷元素為Pb，將因子1 判定為交通源；因子2 的主要載荷元素為Hg，判定因子2 為化石燃燒源；因子3 的主要載荷元素為As，判定因子3為金礦污染源；因子4 的主要載荷元素為Cd，Pb 和Zn，判定因子4 為鉛鋅礦污染源；因子5 的主要載荷元素為Cr 和Ni，判定因子5 為自然源。