湘江涓水交匯處土壤重金屬污染特征及來源解析

魏 薇，陳新躍，徐 良

(湖南科技大學地球科學與空間信息工程學院，湖南 湘潭 411100)

隨著人類社會的發展，人們在工業等生產過程中排放出的重金屬物質不斷進入土壤，造成土壤中的重金屬含量超標，使得土壤的結構和功能惡化、質量下降，且土壤重金屬具有不可逆性、累積性，且易于富集，難降解，不僅危害生態環境，同時嚴重危害人類健康[1-3]。因此，對土壤的重金屬污染研究至關重要。

改革開放以來，湘江流域水體及沉積物、沿岸土壤遭受重金屬污染嚴重，諸多學者對此問題進行了大量研究，分析湘江流域土壤重金屬污染現狀，并解析其重金屬來源[4-7]，湘江有諸多支流，但卻少有學者研究湘潭境內湘江與其支流流域土壤的重金屬污染情況及污染關系，因此，本次特選取湘江與其支流涓水的交匯處作為研究區，分析二者土壤的重金屬污染現狀及相互關系，以期為湘江流域土壤的污染源探究提供數據依據。

1 實 驗

1.1 采樣與檢測

湘江是湖南省最大的河流，流經湖南省永州市、衡陽市、株洲市、湘潭市、長沙市，至岳陽的湘陰縣注入長江水系的洞庭湖，如果海洋為河源，湘江干流全長844(856) km，流域面積94660 km2。湘江沿途接納1300條支流，涓水為湘江一級支流，源于雙峰縣昌山，自衡山縣新橋鎮石地方村入境，流經新橋、貫塘、江東，白果、長青鄉等鄉鎮至曉嵐村港出境入湘潭縣，至河口鎮卓江村匯入湘江，全長103 km，流域面積1764 km2。

研究區位于湘潭境內湘江與涓水交匯處，此處屬于亞熱帶季風濕潤氣候，建有新型建材、塑鋼型材、農產品深精加工、機電制造4個產業。其土地類型主要為草地、林地、耕地、水域用地、建設用地以及其他用地[8]。本次研究布設5條研究剖面，共12個采樣點(如圖1所示)，遵循隨機原則，每個點用土鉆垂向采集3組樣品，采深80 cm，由深至淺，每10 cm為一組混合樣，共得96件樣品，置于尼龍袋中自然風干，去除碎石、塑料碎屑等殘渣后研磨，過200目篩以測Cd、Cu、Cr、Hg、Pb、As含量。

圖1 研究區采樣點分布

檢測Cr、Cu、Cd、Pb時使用iCAPQ型電感耦合等離子質譜分析儀，檢測Hg、As時使用BAF-2000型原子熒光光譜聯用儀，此次研究樣品送至湖南省地質調查院檢測中心檢測。

1.2 分析方法

1.2.1 地累積指數法

地累積指數法于1969年由Müller[9]提出，被廣泛應用于定量研究土壤重金屬污染程度，不僅反映了重金屬分布的自然變化特征，而且可以判斷人為活動對環境的影響，是區分人為活動影響的重要參數[10]，地累積指數計算方法如下：

式中：Igeo為元素n的地累積指數；Cn為元素n在沉積物中的實測含量，mg/kg；Bn為沉積物中所測該元素的地球化學背景值，mg/kg，本次采用湖南省土壤重金屬元素含量作為背景值[11]；1.5為考慮到成巖作用可能引起的背景值變動而設定的常數。基于Igeo將沉積物中重金屬污染程度分為7個等級：Igeo<0，為無污染；Igeo處于 0～1，為輕度污染；Igeo處于 1～2，為 偏中度污染；Igeo處于 2～3，為中度污染；Igeo處于 3～4，為偏重度污染；Igeo處于 4～5，為重度污染;Igeo>5，為嚴重污染。

1.2.2 污染負荷指數法

污染負荷指數法是Tomlinson[12]提出的能夠反映不同污染物污染等級及其對總體污染情況貢獻程度的污染評價方法，被廣泛應用于土壤重金屬的污染評價，計算公式如下：

CFi=Ci/Cn

式中：CFi表示重金屬i的污染指數；Ci表示重金屬i的實測含量，mg/kg；Cn表示重金屬i的背景值，mg/kg，本次采用湖南省土壤重金屬元素含量作為背景值[13]；PLI表示某采樣點的污染負荷指數，PLIzone表示區域總體污染負荷指數；n表示重金屬個數，m表示樣點個數；PLIzone和PLI的分級標準一致[14]。其分級標準見表1。

表1 重金屬污染負荷指數分級標準

2 結果與討論

2.1 重金屬含量特征

研究區重金屬含量特征如表2所示，土壤中Cd、Cu、Cr、Hg、Pb、As的含量范圍分別是0.22～34.52、20.24～118.12、48.75～102.47、0.06～1.39、37.20～276.10、11.42～221.00，Pb的含量最高且波動最大，其次是Cr、Cu、As、Cd、Hg。其中高含量采樣點大多分布在湘江流域周邊。從平均值來看，各元素分別是湖南省土壤元素背景值的20.84、1.29、1.40、2.69、2.73、3.01倍，其中Cd與Pb超標率為100%，其余元素超標率在95%～99%之間。

變異系數能夠反映不同采樣點之間的平均變異程度，同時也可以反映該元素受人為因素的影響程度。變異系數越小，表明該重金屬以本地自然背景含量為主；變異系數越大，則表明其分布受人為因素影響程度較大[15]，由表2可知，6種重金屬元素的變異系數大小為Cd>As>Hg>Pb>Cu>Cr，其中Cd、As、Hg、Pb、Cu達到高度變異水平(0.36以上)，表明研究區重金屬空間分布不均勻，受人為活動及局部污染源的影響明顯[16]，尤其是Cd元素，變異系數高達2.27，意味著研究區人為活動造成了嚴重的Cd污染。

表2 研究區河口段土壤重金屬含量

2.2 土壤重金屬污染評價

地累積指數法不僅考慮了自然地質過程造成的背景值的影響，而且也注意到了人為活動對重金屬污染的影響，因此在重金屬污染評價中被廣泛運用[17]。地累積指數顯示，研究區總體上Cd為中度污染，污染點位為100%，Cu、Hg、Pb、As為輕度污染，污染點位在80%以上，Cr整體雖然未呈現污染狀態，但輕度污染點位也達到了67%。研究區各采樣點從輕微污染到嚴重污染皆有分布，其中1～8號點位于湘江，從空間沿程污染分布來看(圖2)，總體污染較位于涓水的9～12號點嚴重，6號、7號點各元素污染最為嚴重，分析采樣點位置，推測是由于湘鋼、密集的生活區排放三廢，以及大面積的農田施肥所致。

圖2 研究區土壤地累積污染指數

污染負荷指數如表3，各元素污染程度為Cd>As>Pb>Hg>Cu>Cr，總體上Cd為強度污染，Cu、Cr為輕度污染，Hg、Pb及As為中度污染，根據整體污染負荷指數PLIzone可知，研究區土壤總體為中等程度的重金屬污染，采樣點各重金屬元素不同等級污染占比情況如圖3，92%以上的點位Cd元素是強度污染，Cu為80%的輕度污染，Hg、Pb、As都有42%的中度污染，所有采樣點Cr元素都是輕度污染。污染負荷指數PLI結果顯示，研究區各點位都有不同程度的重金屬污染，中度污染點位主要集中在位于湘江流域周邊的1～5號點，涓水入江口的9～10號點，與地累積指數法結果大致相似，污染最為嚴重的是6號、7號點，都為強污染 (Ⅳ級)，而位于涓水的11、12號點污染最輕，為輕度污染 (Ⅱ級)。

圖3 土壤重金屬污染負荷指數

表3 研究區污染負荷指數

觀察采樣點分布位置可知，污染最為嚴重的區域位于研究區北部以及東部，而研究區北部有湘潭煉鋼廠，東部則是密集的城鎮區域，一般重金屬來源包括交通運輸以、農業施肥、工業冶煉等生產活動[18-19]，因此推測該區域重金屬污染主要是由工業活動造成。而11、12號點污染較輕的原因可能是距離工業區較遠，周邊只有少量生活區及農田分布，污染物的排放也隨之減少。

2.3 重金屬來源解析

用Pearson相關系數法分析各種元素之間的相關性，Cu、Cd、Hg、Pb、As之間在0.01水平上有顯著相關性(表4)，表明他們之間極有可能有相似的來源[20]，或者受主要相似因素的影響，結合表2數據，除Cr以外，其他元素變異系數在中等到偏高程度，也說明其可能受到了相似的人為污染源影響[21]。

表4 重金屬元素之間的相關系數

對數據進行KMO檢驗和巴特利特球度檢驗，KMO為0.770，ρ值為0，說明變量之間相關性較強，適合做因子分析[22]。利用SPSS完成主成分解析，得出一個主要因子，特征根為4.502，方差解釋率為75.038%，基本可以解釋污染來源的75%，該因子上除Cr外Cu、Cd、Pb、Hg、As元素載荷系數都大于0.85。通過地累積指數與污染負荷指數結果可知，污染較為嚴重的采樣點都分布于城鎮集中區域、農田或者工業活動區，其中6號、7號采樣點污染最嚴重，結合研究區地理位置，北部為湘鋼、東部位置分布有城鎮、農田，而6號點位于北部湘鋼附近，7號點位于東部城鎮附近，因此判斷該因子為工業廢棄物的排放污染，除此之外的部分污染源應該為農田灌溉及施肥[23-24]。

注：*p<0.05**p<0.01。

3 結 論

(1)研究區重金屬元素含量大小為Cr>Pb>Cu>As>Cd>Hg，都超過當地土壤元素含量背景值的數倍不等，尤其是Cd元素，超過背景值的20.84倍。

(2)地累積指數和污染指數顯示，研究區Cd是最主要的貢獻因子，其次為As、Pb、Hg、Cu，Cr含量雖然較高，但是危害程度較小，另一方面，污染評價方法都有不同程度的弊端與側重，對重金屬元素危害層面的考量標準也有所差異，再加上土壤背景值的選取不同，勢必引起評價結果的差異，這也是需要考慮的一點。

(3)總體來說湘江與涓水交匯處周邊土壤有著明顯的重金屬污染，其中Cd為最主要的貢獻因子，其次是As、Pb、Hg。通過主成分解析可知，除Cr之外，其余元素有著相同或者相似重金屬來源，結合研究區地理位置推斷，主要為工業源，其次應該考慮農田施肥造成的污染。