李春明

（晉中學院信息技術(shù)與工程學院，山西晉中 030600）

隨著工業(yè)化、現(xiàn)代化、城市化的發(fā)展，環(huán)境污染尤其土壤的重金屬污染問題愈來愈受到人們的廣泛關(guān)注.重金屬污染范圍廣、持續(xù)時間長、容易富集、緩慢致病、污染隱蔽、危害人體健康且不易被微生物降解等特點，決定了其在污染和危害環(huán)境中的特殊性.因此，土壤重金屬污染研究便成為環(huán)境污染防治的一項最基礎(chǔ)性的工作.近年來，我國對于城市污水排放的環(huán)境影響評價、潮灘沉積物重金屬元素的空間分布特征等研究有了相當進展，研究結(jié)果表明：造成重金屬含量較高的主要因素包括：人類活動、城市工業(yè)廢水及生活污水排放、城市生活垃圾、采礦及汽車尾氣和工業(yè)粉塵干濕沉降等[1～3].人類活動尤其是燃煤、工業(yè)鍋爐、石油冶煉等排放的氣體，導致大氣中Hg含量增加，含Hg氣體通過大氣沉降等進入土壤，使土壤中Hg大量富集[4].長期用生活污水和工業(yè)污水灌溉農(nóng)田必然導致土壤中重金屬富集[5～6].城市生活垃圾（電池、油漆、塑料、電子產(chǎn)品等）也是土壤中重金屬的主要來源.本文以某城市城區(qū)土壤重金屬為例，采用相關(guān)分析、聚類分析、主成分分析和地統(tǒng)計分析等方法，研究土壤中重金屬的污染空間變異規(guī)律，分析重金屬空間分布特性及影響因素，從而為該地區(qū)土壤重金屬污染防治和土壤環(huán)境質(zhì)量評價提供科學依據(jù).

1 材料與方法

1.1 城區(qū)的劃分

按照功能劃分，城區(qū)一般可分為生活區(qū)、工業(yè)區(qū)、山區(qū)、主干道路區(qū)及公園綠地區(qū)等，分別記為功能區(qū)1、功能區(qū)2……功能區(qū)5，不同區(qū)域的環(huán)境受人類活動影響的程度不同.

1.2 采樣與分析

根據(jù)城區(qū)分布情況采集土壤樣點.土壤采樣方案為規(guī)則分層抽樣法，共采集土壤樣品319個.將該城區(qū)劃分為間距1 km左右的網(wǎng)格子區(qū)域，每1 km2設(shè)為1個采樣點，并用GPS記錄采樣點的位置.根據(jù)采樣點的位置、海拔高度及其所屬功能區(qū)，先對數(shù)據(jù)進行預處理，把單位由m化為km并把坐標值取整近似處理，然后用MATLAB對數(shù)據(jù)插值擬合并繪制出城區(qū)的平面分布圖（圖1）.在每個采樣點對表層土0～10 cm深度進行取樣編號.為防止樣品污染，在采樣、樣品保存和樣品處理過程中，避免與金屬器皿直接接觸.土樣在室內(nèi)風干、磨碎，過100目尼龍網(wǎng)篩.應(yīng)用專門儀器測試分析，獲得了每個樣本所含的8種重金屬Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb和Hg化學元素的濃度數(shù)據(jù).同時按照2 km的間距在那些遠離人群及工業(yè)活動的自然區(qū)取樣，將其作為該城區(qū)表層土壤中元素的背景值.

圖1 各功能區(qū)分布的平面圖

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和半方差函數(shù)計算與理論模型的選擇采用GS+軟件.

2 結(jié)果與分析

2.1 基本統(tǒng)計分析

從表1可以看出,研究區(qū)土壤重金屬含量的最大值遠遠超出該地區(qū)的土壤環(huán)境背景值,其中As的最大含量為其背景值的7.5倍，Cd為10.1倍,Cr為23倍，Cu為150.5倍，Hg為372.1倍.Ni為8.9倍,Pb為12.8倍，Zn為45.3倍.從研究區(qū)土壤重金屬含量的變異系數(shù)來看,研究區(qū)土壤Hg、Cu、Zn、Cr含量的變異系數(shù)較大,其值大于1,Pb、Cd的變異系數(shù)次之,Ni、As的變異系數(shù)較小,說明研究區(qū)土壤重金屬含量的區(qū)域差異較大.比較各重金屬的平均值和中值結(jié)果可以看出,重金屬元素的平均值均大于中值,說明它們的分布都是正偏的,分析偏度值也同樣得到此結(jié)論.峰度值是用來衡量分布是屬于尖峰態(tài)還是低峰態(tài)的,當峰度值為3時屬于正態(tài)分布,大于3為低峰態(tài),小于3為尖峰態(tài).從表1可以看出所有重金屬均為低峰態(tài).所以，對重金屬含量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學空間結(jié)構(gòu)分析.

表1 表層土壤重金屬含量的統(tǒng)計分析（n=319）

2.2 重金屬分布的影響因素的分析

影響土壤中重金屬分布的因素復雜多樣.研究重金屬之間的相關(guān)性有助于了解重金屬空間分布的差異性,判斷重金屬分布規(guī)律的影響因素.根據(jù)對數(shù)據(jù)的分析，對城區(qū)的不同元素進行相關(guān)分析（表2），結(jié)果表明：Cr-Ni、Cd-Pb、Cr-Cu、Cu-Pb、Pb-Zn在土壤中存在顯著的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.715784、0.66033、0.53156、0.52007、0.49365，并在大部分樣品中存在這些重金屬元素，且含量增加，表現(xiàn)出一定程度的復合污染特征.這也說明這些重金屬元素污染時存在相似性，來自相同污染源的概率相當大.

表2 城區(qū)中重金屬的相關(guān)系數(shù)

由表2中的相關(guān)系數(shù)，再結(jié)合聚類分析方法對各種重金屬元素進行分類（圖2），結(jié)果表明，可將金屬元素分為四類：Cr、Cu、Ni聚為一類，Pb、Cd、Zn聚為一類，As、Hg各為一類.其中Hg、As元素污染最為嚴重.Hg常溫下為液態(tài)、具有揮發(fā)性的特性決定了其主要由大氣傳播；根據(jù)高斯擴散模型，Hg在土壤中的濃度距污染源的位置大致成正態(tài)分布；工廠廢氣與汽車尾氣中都含有Hg，所以其污染最嚴重.As污染主要來源于煤炭燃燒排放含砷氣體以及工業(yè)生產(chǎn)中含砷的廢水、廢渣和廢氣.區(qū)土壤元素質(zhì)量分數(shù)較高與地球化學成因影響有關(guān).其次，第二類元素污染最為嚴重，可初步判定為是由工礦企業(yè)在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中排放的金屬廢棄物所引起，另外機動車排放的尾氣、輪胎與地面磨擦也是Zn污染的一個重要途徑.第一類元素的污染則主要是由于生活垃圾的堆積、機械制造業(yè)和金屬加工業(yè)等廢料、汽車尾氣夾雜的重金屬所引起.

通過對主成分分析，可以進一步確定污染源以及自然和人為因素對土壤重金屬含量的影響.特征值的大小反映了主因子的影響力度.按特征值和特征向量累積貢獻率大于85%的原則，選取2個主因子.表3的結(jié)果表明,第一和第二主因子的貢獻率分別為44.50%、14.38%,說明第一主因子是影響土壤重金屬來源的主要因素,其對重金屬來源的貢獻達到44.50%；第二主因子次之,它對重金屬來源的貢獻達到14.38%.由此推斷第一主成分為人為因素,主要包括冶煉廠排放的廢氣、廢水以及污水灌溉等,第二主成分為母質(zhì)、地形等自然因素.表4的結(jié)果表明，As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn在主成分1上有較高的載荷，說明冶煉廠排放的廢氣、廢水以及污水灌溉等人為因素是重金屬的主要來源，而Hg在主成分2上有較高的載荷，主要受成土母質(zhì)、地形等自然因素影響，這與聚類分析的結(jié)果一致.

圖2 整個城區(qū)的聚類分析圖

表3 土壤重金屬含量的主成分分析

表4 重金屬主成分因子載荷

3 討論

重金屬在土壤中的傳播具有它們各自的特性：Hg可以從被污染的水中轉(zhuǎn)移到土壤固相，借助腐殖質(zhì)對汞的螯合及吸附作用，在土壤上層形成累積.Cd在土壤中存在的形式有水溶性和非水溶性兩種.Cd容易被植物吸收，因此與Pb、Cu、Zn、As及Cr等相比較，土壤中的Cd環(huán)境容量要小得多，這是土壤Cd污染的一個重要特點.土壤中Pb的污染主要是通過空氣、水等介質(zhì)形成的二次污染，其在土壤中以難容化合物形式存在，因此其移動性被大大降低.土壤中的Cr多為難溶性化合物，其遷移能力一般較弱,故其殘留主要積累于土壤表層.As在土壤中以水溶態(tài)、吸附態(tài)和難溶態(tài)三種形式存在且多存在于土壤表層，難以向下移動.土壤中的Cu、Zn、Ni大多以離子形式出現(xiàn)，且擴散現(xiàn)象明顯，可認為土壤表面的Cu、Zn、Ni含量處于一個補給和輸出的動態(tài)平衡狀態(tài).

4 結(jié)論

本研究基于統(tǒng)計分析與地統(tǒng)計分析結(jié)果表明，城區(qū)表層土壤重金屬Hg污染嚴重,最大含量為其背景值的372.1倍.聚類分析及主成分分析的結(jié)果表明,人為因素對As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn貢獻較大,冶煉廠排放的廢氣、廢水以及污水灌溉是主要來源；Hg主要受母質(zhì)、地形等結(jié)構(gòu)性因素的影響.

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