王成軍，孫大林，劉 勇,，劉 華，馮 濤

（1.西安建筑科技大學 管理學院，西安 710055；2.西安建筑科技大學 理學院，西安 710055)

鉛鋅廠周圍土壤中重金屬空間分布特征

王成軍1，孫大林1，劉 勇1,2，劉 華1，馮 濤1

（1.西安建筑科技大學 管理學院，西安 710055；2.西安建筑科技大學 理學院，西安 710055)

通過對某鉛鋅廠周圍土壤的地形、氣候調查分析，在該鉛鋅廠周圍縱向和橫向共設27個取樣點，進行實地取樣和樣品分析，根據(jù)分析結果探討了該鉛鋅廠周圍土壤中重金屬空間分布特征并確定了鉛鋅廠的污染區(qū)域。重金屬的描述性統(tǒng)計分析結果表明，造成土壤重金屬污染的重金屬主要是Pb、Cd和Cr；重金屬空間分布表明，Pb和Cd主要分布在鉛鋅廠周圍，Cu和Cr的濃度由東南向西北方向漸次增加，Ⅱ級污染區(qū)域為0～6 km，復合污染區(qū)域為0.5～3 km；重金屬濃度相關分析表明，鉛鋅廠周圍土壤中的重金屬可能來自兩個污染源，Pb和Cd的污染源是鉛鋅廠，其中通過研究土壤的空間分布特征與各重金屬的同源關系,可以確定污染區(qū)域與污染源的數(shù)量，為后期確定污染源及土壤中重金屬污染的防治提供基礎數(shù)據(jù) 。

重金屬；空間分布特征；相關分析

隨著我國工業(yè)化進程的加快，重金屬污染日益嚴重，由于重金屬易于積累，其轉化形成的甲基化合物毒性更大，嚴重危害人類健康，因此，研究土壤中重金屬空間分布特征對于土壤環(huán)境質量評價和土壤污染綜合防治具有十分重要的意義（胡克林等，2004）。對此，國內外學者做了很多關于重金屬污染的研究。陳秀端等（2011）研究西安二環(huán)內城市表層土壤中Co、Cr、Cu、Pb、Zn的空間分布特征發(fā)現(xiàn)，西安市二環(huán)內表層土壤中Co、Cr、Cu、Pb、Zn具有明顯的高值帶和高值區(qū)；張長波和李志博（2006）采集了浙江省污染場地的174個表層土壤樣品，測定了7種重金屬含量，研究了這些重金屬含量的空間變異性。柳云龍和章立佳（2012）采用地統(tǒng)計學方法對上海郊區(qū)表層土壤樣品Cu、Zn、Pb、Cr、Mn共5種重金屬的空間變異結構和分布格局進行分析發(fā)現(xiàn)，表層土壤Cu、Cr、Mn、Pb、Zn均屬中等變異，Mn、Cr呈正態(tài)分布，Cu、Pb、Zn呈對數(shù)正態(tài)分布；Facchinelli et al（2001）和Cattle et al（2002）利用多元統(tǒng)計和地統(tǒng)計相結合的方法來研究環(huán)境中污染物的來源、分布、歸趨等問題。現(xiàn)有的關于鉛鋅冶煉廠周圍土壤中重金屬的研究主要集中在污染評價領域，僅有的一些研究只是對空間分布特征的分析，并沒有確定污染區(qū)域和污染源數(shù)量，而且它們一般只針對2～3種重金屬元素，元素涵蓋程度還不夠全面，有關確定鉛鋅廠周邊土壤中多種重金屬元素空間分布特征并確定污染區(qū)域和污染源數(shù)量尚未見深入研究。

1 材料與方法

1.1 土壤采樣區(qū)域概況

本文以某縣的鉛鋅廠為對象，研究了此廠周圍的土壤樣本中的7種重金屬的空間分布特征。鉛鋅廠地勢總體表現(xiàn)為西北高、東南低。北部以山地丘陵為主，有綿延起伏的千山支脈老爺嶺，地形起伏，溝谷發(fā)育，水土流失嚴重；南部則主要為黃土臺源，西北高、東南低。海拔595～1678 m，氣候類型為半濕潤、半干旱的暖溫帶季風氣候，常年盛行東南風和西北風，年平均氣溫11.5℃，歷史上出現(xiàn)的極端最高氣溫為40.2℃，極端最低氣溫為?19.2℃，年平均降水量610 mm，無霜期207天。該鉛鋅廠采用ISP冶煉技術，年產鉛鋅20萬噸，于2005年投產運行。

1.2 樣品的采集

2013年7月通過對鉛鋅廠進行科學考察，根據(jù)鉛鋅廠的地形及氣候的影響，采用網格法布點，對局部濃度變化較大的區(qū)域加密，采樣布點如圖1。每個采樣點都用GPS定位，并記錄取樣點的環(huán)境，取樣時采用多點取樣，以梅花型方式在周邊取10個子樣品，混合后采用四分法獲得1 kg左右的樣品，共采集土樣27個。

圖1 鉛鋅廠附近土壤采樣點Fig.1 Soil sampling points of lead-zinc factory

1.3 分析方法

土壤風干后，分別過10目、20目土篩，并取部分土樣研磨，過100目土篩，供分析使用，土壤依據(jù)JY/T 015-1996電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜方法進行樣品消解，即Cr、Cu、Pb、Zn等稱取0.1 g干燥底泥樣品，依次加入一定量的硝酸、鹽酸、高氯酸、氫氟酸，用超純水定容到20 mL，采用PE5300DV型電感耦合等離子直讀光譜儀進行檢測。

2 結果與分析

2.1 土壤中重金屬的描述統(tǒng)計分析

本文應用SPSS 20.0軟件對這些樣本進行描述統(tǒng)計如表1，表中相對豐度表示土壤中每種重金屬元素的含量占重金屬總體含量的百分比，變異系數(shù)是反映數(shù)據(jù)離散程度的絕對值，偏度是表征概率密度分布曲線相對于平均值不對稱程度的特征數(shù)，峰度是表征概率密度分布曲線在平均值處峰值高低的特征數(shù)，簡單來說，峰度是描述分布形態(tài)的陡緩程度，二級標準值是指國家土壤環(huán)境質量二級標準值。

Cr、Cu、Zn、Pb、As、Cd和Hg的均值分別為129.8mg·kg?1，31.09 mg·kg?1，122.5 mg·kg?1，56.02 mg·kg?1，15.83 mg·kg?1，1.008 mg·kg?1，0.225 mg·kg?1，均已超過了當?shù)乇尘爸?，但都沒有超過國家二級標準中的土壤環(huán)境質量限定值，有部分樣品的Cr、Cd和Pb的含量超過了限定值，表明鉛鋅廠周圍局部地區(qū)土壤已受到重金屬Cr、Cd和Pb的污染，應該予以重視。Cr的相對豐度為36.41%，Zn的相對豐度為34.36%，Pb的相對豐度為15.71%，這3種重金屬占土壤中重金屬總數(shù)的86.48%，表明Cr、Zn和Pb在土壤中的比重很大，而這三種重金屬也成為后期環(huán)境治理的重點。同時Cr的變異系數(shù)為97.2%，Hg的變異系數(shù)為97.5%，遠高于其他元素，表明Cr和Hg的變異程度極大，分布不均勻，具有極大的離散性；Cu和As的變異系數(shù)為10.1%和13.7%，低于其他元素，表明Cu和As的分布比較均勻，具有較小的離散性。重金屬的頻度分布趨向于正偏，Cu、Zn、As和Cd的偏度很小，趨近0，說明它們基本符合正態(tài)分布，其他元素為偏態(tài)分布。Cr和Hg的峰度是9.315和11.95，遠大于0，說明Cr和Hg的分布很不均勻，具有很大的離散性，驗證了上述變異系數(shù)得出的結論。通過以上的分析可以確定土壤中每種重金屬所占的比率以及每種重金屬的基本分布規(guī)律，并判斷土壤主要受何種重金屬污染。

表1 土壤中重金屬的描述性統(tǒng)計分析結果 （mg·kg?1）Table 1 Results of heavy metal in soil for descriptive statistics （mg·kg?1）

2.2 土壤中重金屬空間分布特征

通過以上分析，我們得到土壤中重金屬的一些基本分布特征，為進一步獲取土壤中重金屬的具體空間分布特征，我們在鉛鋅廠周圍縱向和橫向共設27個取樣點進行實地取樣，并經過實驗測定分析出土壤樣本中7種重金屬的含量，然后運用matlab軟件對數(shù)據(jù)進行處理，在充分考慮地理環(huán)境因素、氣象條件等因素的情況下，利用插值法繪制重金屬Cr、Cu、Zn、Pb、As、Cd和Hg廠區(qū)周圍重金屬濃度分布圖（圖2）。

圖中顏色由淺到深表示重金屬元素濃度值的增大，圓圈是根據(jù)各種重金屬濃度相同的點描繪而成的等值線，圖中的小點代表取樣檢測點，黑色的正方形表示鉛鋅廠的位置。

Zn的濃度分布圖表明Zn在東南和西北方向濃度最高，在東北方向濃度很低；Cu在西北方向濃度最高，在東南方向濃度最低；Cr與Cu類似，濃度最高的地方出現(xiàn)在西北方向，在東南方向濃度最低，沿西北—東南方向濃度漸次降低；Pb在東南方向濃度最高，沿東南—西北方向濃度漸次降低；Cd在東南方向濃度高，其余的地方濃度都比較低；As整體濃度比較小，濃度最高的地方出現(xiàn)在西南方向；Hg整體濃度不高，濃度最高的地方出現(xiàn)在東南和西北方向。

圖2表明各種重金屬的空間分布存在顯著差異，且每種重金屬都是非均勻分布，因此圍繞鉛鋅廠形成一個“污染區(qū)域”。根據(jù)土壤環(huán)境質量標準GB15618-2008的規(guī)定，Ⅱ級標準主要適用于一般農田、蔬菜的土壤，土壤質量基本對植物和環(huán)境不造成危害，所以我們將各重金屬大于土壤環(huán)境質量二級標準值（旱地，pH＞7.5）的地區(qū)稱為Ⅱ級污染區(qū)域，將Ⅱ級污染區(qū)域中各種重金屬交叉污染的區(qū)域稱為復合污染區(qū)域。根據(jù)表1我們可以得出造成土壤重金屬污染的主要元素為Pb、Cr和Cd，據(jù)此我們劃出鉛鋅廠周圍土壤重金屬污染區(qū)域如圖3。

圖中污染區(qū)域顏色由淺到深代表重金屬濃度增大，污染逐漸增加，其中污染最嚴重的為黑色區(qū)域，代表各種重金屬的交叉污染區(qū)域，即復合污染區(qū)域。復合污染區(qū)域共有兩處，標號為A的黑色橢圓形區(qū)域是指Cd和Cr雙重污染區(qū)域，標號為B的黑色三角區(qū)域是指Pb和Cd雙重污染區(qū)域，上圖表明鉛鋅廠附近的重金屬污染區(qū)域是沿東南—西北方向呈條狀分布；因為在緯度34°的區(qū)域1經度等于92公里，1緯度等于111公里，我們將X軸換成每刻度0.92 km，Y軸換成每刻度1.11 km，根據(jù)坐標軸求出鉛鋅廠與污染區(qū)的距離。運用直線掃描法得出Ⅱ級污染區(qū)域為0～6 km，復合污染區(qū)域為0.5～3 km。確定鉛鋅廠周圍土壤中重金屬的污染區(qū)域并確定污染區(qū)域與鉛鋅廠的距離，對今后有的放矢治理鉛鋅企業(yè)重金屬污染和鉛鋅廠周圍防控體系的建立都具有重要的意義。

圖2 廠區(qū)周圍7種重金屬的濃度分布圖Fig.2 The concentration distribution figure of the 7 kinds of heavy metal around the plant

圖3 廠區(qū)周圍重金屬復合污染區(qū)域Fig.3 The heavy metal contamination pollution area around the plant area

3 討論

通過以上重金屬元素空間分布的分析結果，我們確定土壤中重金屬的污染區(qū)域主要分布在東南方和西北方，由于此地盛行東南風和西北風，所以風向可能是導致污染區(qū)域這樣分布的一個因素，但若只是風向的原因，污染區(qū)域應該以鉛鋅廠為界，東南方和西北方都應該有同種重金屬元素的污染區(qū)域，這與實際不符，因此風向不是導致污染區(qū)域不規(guī)則的唯一因素，一定還存在其他的污染源。為了確定污染源的種類和數(shù)量，進一步探索重金屬元素的空間分布特征，我們還需要進行相關性分析。根據(jù)27個取樣點的取樣數(shù)據(jù)，我們應用SPSS 20.0軟件對鉛鋅廠周圍土壤中重金屬濃度進行Pearson相關分析，分析結果如下表2。

表2 重金屬濃度Pearson相關矩陣Table 2 Pearson's correlation matrix for the metal concentrations

上述矩陣中，土壤中重金屬的相關系數(shù)即土壤中各重金屬的相關程度的大小，數(shù)值越大，表明兩種重金屬的相關程度越大，正數(shù)表示正相關，負數(shù)表示負相關。相關系數(shù)大于等于0.8時，兩變量間高度相關，大于等于0.5小于0.8時，兩變量中度相關，大于等于0.3小于0.5時，兩變量低度相關，小于0.3說明相關程度弱，基本不相關。

表2表明，土壤中各重金屬的相關性存在顯著差異，Pb和Cd的相關系數(shù)為0.694，大于0.5小于0.8，為中度相關，表明Pb和Cd來自同一污染源。再結合圖3可以看出，Pb和Cd的復合污染區(qū)域都在鉛鋅廠附近，Pb的污染區(qū)距離鉛鋅廠大約500 m的復合污染區(qū)域，Cd的污染區(qū)包含鉛鋅廠，再加上鉛鋅廠每年排放大量的Pb和Cd，使得鉛鋅廠附近的土壤中Pb和Cd的濃度明顯比別的地區(qū)濃度高，由此我們推斷Pb和Cd的污染源是鉛鋅廠。Cr和Pb的相關系數(shù)為0.048，和Cd的相關系數(shù)為0.066，小于0.3，表明Cr與Cd、Pb相關性較小，由此我們認為Cr與Cd、Pb不是來自同一污染源，即Cr的污染源不是鉛鋅廠。

4 結論

（1）鉛鋅廠周圍土壤中重金屬的統(tǒng)計分析結果表明，鉛鋅廠附近土壤中重金屬元素Pb、Cr和Zn占主導地位；部分土壤樣品Pb、Cd和Cr超過了國家土壤環(huán)境質量二級標準，污染嚴重；Cr和Hg屬于強變異，Cu和As屬于弱變異；Cu、Zn、As和Cd符合正態(tài)分布，其他重金屬元素為偏態(tài)分布。

（2）鉛鋅廠周圍土壤中重金屬空間分布特征表明，土壤中重金屬的空間分布存在差異，其中Pb和Cd具有極為相似的空間分布格局，表現(xiàn)為東南—西北漸次降低的趨勢，Cu和Cr的空間分布一致，呈現(xiàn)出東南—西北漸次增加的趨勢，Zn和Hg則呈現(xiàn)出塊狀分布的特點，它們的最高值和次高值發(fā)生在東南和西北方向，最低值在東北方向。

（3）廠區(qū)周圍重金屬污染區(qū)域圖表明，造成鉛鋅廠周圍土壤污染的重金屬主要是Pb、Cd和Cr，它們的污染區(qū)域是沿東南-西北方向，呈條狀分布，Ⅱ級污染區(qū)域為0～6 km，復合污染區(qū)域為0.5～3 km。

（4）重金屬濃度相關分析表明Pb和Cd中度相關，來自同一污染源，結合廠區(qū)周圍重金屬污染區(qū)域圖得出Pb和Cd的污染源是鉛鋅廠，Cr與Pb和Cd基本不相關，表明Cr來自另外的污染源，鉛鋅廠周圍土壤中重金屬污染來自兩個污染源。

（5）本文研究了鉛鋅廠周圍土壤空間分布特征，確定污染區(qū)域和污染源數(shù)量，為后期確定污染源與治理土壤中重金屬污染提供基礎性工作，對土壤環(huán)境質量評價和土壤污染綜合防治具有十分重要的意義。

陳秀端, 盧新衛(wèi), 趙彩鳳, 等. 2011. 西安市二環(huán)內表層土壤重金屬空間分布特征[J]. 地理學報, 66(9): 1281–1288. [Chen X D, Lu X W, Zhao C F, et al. 2011. The spatial distribution of heavy metals in the urban topsoil collected from the interior area of the second ring road, Xi'an [J]. Acta Geographica Sinica, 66(9): 1281–1288.]

胡克林, 張鳳榮, 呂貽忠, 等. 2004. 北京市大興區(qū)土壤重金屬含量的空間分布特征[J]. 環(huán)境科學學報, 24(3): 463–468. [Hu K L, Zhang F R, Lv Y Z, et al. 2004. Spatial distribution of concentrations of soil heavy metals in Daxing County, Beijing [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 24(3): 463– 468.]

柳云龍, 章立佳. 2012. 上海城市樣帶土壤重金屬空間變異特征及污染評價[J]. 環(huán)境科學, 33(2): 599–605. [Liu Y L, Zhang L J. 2012. Spatial variability and evaluation of soil heavy metal contamination in the urban-transect of Shanghai [J]. Environmental Science, 33(2): 599– 605.]

張長波, 李志博. 2006. 污染場地土壤重金屬含量的空間變異特征及其污染源識別指示意義[J]. 土壤, 38(5): 525–533. [Zhang C B, Li Z B. 2006. Characteristics of spatial variability of soil heavy metal contents in contaminated sites and their implications for source identification [J]. Soils, 38(5): 525 –533.]

Cattle J A, Mcbratney A B, Minasny B. 2002. Kriging method evaluation for assessing the spatial distribution of urban soil lead contamination [J]. Journal of Environmental Quality, 31: 1576 –1588.

Facchinelli A, Sacchi E, Mallen L. 2001. Multivariate statistical and GIS based approach to identify heavy metal sources in soils [J]. Environmental Pollution, 114: 313–324.

Spatial distribution of the soil heavy metal around the lead-zinc plant

WANG Cheng-jun1, SUN Da-lin1, LIU Yong1,2, LIU Hua1, FENG Tao1
(1. School of Management, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710055, China; 2. School of Science, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710055, China)

To investigate the spatial distribution of heavy metals in soil and determine the contaminated area around the lead-zinc plant, we set 27 sampling points around the lead-zinc plant along longitudinal and transverse direction. Descriptive statistical analysis results showed that soil heavy metal pollution mainly caused by Pb, Cd and Cr. Spatial distribution of heavy metals shows that Pb and Cd are mainly distributed around the lead-zinc plant, Cu and Cr increase gradually from southeast to northwest. The range of Level Ⅱ is 0～6 km, and the range of composite contaminated area is 0.5～3 km. The concentration correlation analysis about heavy metals shows that heavy metals in soil around the lead-zinc plant may have two sources of pollution. The sources of Pb and Cd are lead-zinc factory. By studying the spatial distribution of soil characteristics and various heavy metals in homologous relationships, we can determine the pollution area and the number of pollution sources, besides, it rovides basic data for soil heavy metals pollution and following prevention.

heavy metals; spatial distribution; correlation analysis

X53

A

1674-9901(2014)01-0036-06

10.7515/JEE201401006

2013-12-24

國家環(huán)境保護公益性行業(yè)科研專項項目（201109053)；陜西省教育廳專項科研計劃項目（12JK0861）

王成軍，E-mail: cjwangxa@126.com