趙欣運 程勝高 師 懿 郭 莉

(中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074)

自1978改革開放以來，我國工業(yè)廢氣、廢水和固體廢棄物排放量持續(xù)增加[1]，使得土壤污染問題日益凸顯。土壤中的污染物可通過空氣、水、攝食等途徑，對人體健康造成一定的潛在危害[2]。因此，確定各種污染物的分布特征及其成因?qū)ν寥牢廴局卫砑邦A(yù)防具有重要意義[3]。

目前，土壤污染物的溯源方法主要包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型法[4]、偏微分方程法[5]、濃度梯度模型法[6]及多元統(tǒng)計方法等。其中，多元統(tǒng)計方法既可對獲得的大量污染物數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化處理，亦可建立污染物指標(biāo)和采樣點之間的聯(lián)系。常用的多元統(tǒng)計方法主要包括因子分析、聚類分析和對應(yīng)分析[7-9]。朱恒亮等[10]對貴州省典型污染區(qū)的土壤重金屬污染物進(jìn)行因子分析，結(jié)果表明，該地區(qū)重金屬來源主要為地質(zhì)背景、開礦和綜合污染。瞿明凱等[11]運用因子分析對武漢東湖高新技術(shù)開發(fā)區(qū)土壤鎘的污染源進(jìn)行分析，認(rèn)為其主要污染源為工業(yè)源、大氣沉降和土母質(zhì)。王曉輝等[12]根據(jù)因子分析結(jié)果，將安徽省淮南礦區(qū)土壤重金屬污染源分為自然風(fēng)化源和人為活動源。對應(yīng)分析最早由法國數(shù)學(xué)家BEOZECRI在1970年提出，在1974年HILL將其進(jìn)一步推廣[13]。在環(huán)境研究方面，對應(yīng)分析可被用來建立污染物指標(biāo)與采樣點之間的對應(yīng)關(guān)系[14-15]。孫濤等[16]利用對應(yīng)分析對錦溪上游宏渡村段河流水質(zhì)進(jìn)行分析，得到了不同季節(jié)各采樣點主要污染物變化情況。王肖肖等[17]根據(jù)對應(yīng)分析結(jié)果，識別了青山湖流域不同采樣點的主要污染因子。李發(fā)榮等[18]通過對應(yīng)分析對牛欄江流域不同地點的主要污染物進(jìn)行了識別，分析了污染物質(zhì)的空間差異。REIS等[19]對馬拉諾的土壤沉積物進(jìn)行對應(yīng)分析，指出金、砷、銻、碲和鉍主要來源于含金礦物，而鋅、鉛、鈷、錳、鐵和銀主要來源于含銀礦物。

本研究以典型煉油化工企業(yè)廠區(qū)內(nèi)不同裝置周邊土壤為研究對象，在確定其9種污染物(鎘、鉻、汞、砷、鉛、鎳、氰化物、石油類和揮發(fā)酚)含量的基礎(chǔ)上，分別采用因子-聚類分析和對應(yīng)分析等方法對其進(jìn)行統(tǒng)計分析，以確定該廠區(qū)不同污染物分布成因，為此類行業(yè)土壤污染物管理及預(yù)防控制提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究中的煉油化工企業(yè)原油加工年產(chǎn)量約為550萬t，產(chǎn)品主要包括汽油、煤油、柴油等石油制品、聚丙烯和硫酸、硫磺、液氨等副產(chǎn)品。廠區(qū)土壤主要為粉質(zhì)黏土，滲透性較差，滲透系數(shù)為10-5～10-4cm/s。研究區(qū)風(fēng)向以北風(fēng)為主，春、秋、冬季盛行北西北—北東北風(fēng)，夏季仍以北風(fēng)居多。該企業(yè)在生產(chǎn)運行的過程中，可能存在有毒物料跑、冒、滴、漏情況，污染物無組織排放情況，清洗廠房和地面致使有毒物質(zhì)進(jìn)入土壤，對土壤造成一定污染。由于研究區(qū)范圍較小，且中部及南部邊界附近為山地，受人類活動影響較小，為此本研究在與人類活動關(guān)系密切、可能產(chǎn)生污染的裝置周邊選取了10個土壤采樣點(編號為1#～10#，見圖1)，并對9種污染物進(jìn)行分析測定。

1.2 樣品采集與處理

根據(jù)實際情況，每個采樣點采集1～2個土壤樣品，采樣深度為0～20 cm。采集后的土壤樣品用四分法取1～2 kg后裝袋編號，經(jīng)自然風(fēng)干后用研缽研磨后過200目尼龍篩，充分混勻供分析測試用。

1.3 樣品分析

分析土壤中重金屬元素時，根據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)檢驗方法》(GB/T 5750—2006)測定。其中，鉻、鎳和鉛先采用HCl+HNO3+HClO4消解，鉻使用可見光光度法測定，鎳使用原子吸收分光光度法測定，鉛使用原子吸收法測定；鎘、砷和汞采用HNO3+KMO4消解后，均使用原子熒光光度法測定。

圖1 采樣點分布Fig.1 Distribution of sample points

分析土壤中揮發(fā)酚時，先用蒸餾水提取后再進(jìn)行蒸餾前處理，后根據(jù)《水質(zhì) 揮發(fā)酚的測定4-氨基安替比林分光光度法》(HJ 503—2009)測定；石油類污染物先由四氯化碳萃取后再用硅酸鎂萃取雜質(zhì)，然后根據(jù)《水質(zhì) 石油類和動植物油類的測定 紅外分光光度法》(HJ 637—2012)測定；氰化物先經(jīng)氫氧化鈉溶液吸收后進(jìn)行蒸餾處理，餾出液根據(jù)《水質(zhì) 氰化物的測定 容量法和分光光度法》(HJ 484—2009)中異煙酸-吡唑啉酮分光光度法測定。

pH根據(jù)《水質(zhì) pH值的測定 玻璃電極法》(GB 6920—86)測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤污染物含量

不同采樣點土壤中各污染物見表1，其中背景值數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[20]。由表1可知，該廠區(qū)不同采樣點均檢測出鎘、鉻、砷、鉛、鎳、氰化物、石油類，汞和揮發(fā)酚含量較低。各污染指標(biāo)變異系數(shù)依次為石油類(135.29%)>氰化物(82.07%)>揮發(fā)酚(74.04%)>汞(68.64%)>鎘(42.31%)>鉛(27.88%)>砷(22.64%)>鎳(16.03%)>鉻(10.15%)。據(jù)此可知，該研究區(qū)石油類、氰化物及揮發(fā)酚等含量隨采樣位置不同差異較大，而鎘、鉛、砷、鎳、鉻在研究區(qū)內(nèi)分布較均勻，空間分布差異不明顯。

2.2 土壤污染物分布及其成因分析

2.2.1 土壤污染物因子-聚類分析

土壤中污染物分布的影響因素主要分自然和人為因素[21-22]。自然因素影響主要是指地殼物理化學(xué)反應(yīng)的影響，自然因素影響使得土壤污染物分布在一定區(qū)域內(nèi)具有相似性；人為因素影響是指人類生產(chǎn)生活中產(chǎn)生的污染物直接或間接進(jìn)入到環(huán)境中而造成的影響，這種影響使得土壤污染物的分布在一定范圍內(nèi)具有差異性。為了確定各污染物分布成因，利用SPSS軟件對采樣點土壤的污染物含量做因子分析，并對因子分析獲得的因子載荷進(jìn)行聚類，結(jié)果見表2和圖2[23]。

表1 不同采樣點土壤中各污染物

表2 旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣及采樣點因子得分矩陣

由表2可知，本研究區(qū)土壤中9種污染物可劃分為3類：第1類包括揮發(fā)酚、石油類、汞和鎘，這4種污染物變異系數(shù)均較高，即其含量隨著采樣點位置不同差異較大；第2類包括砷、鎳和鉻，這3種污染物在研究區(qū)土壤中變異系數(shù)較低，但其背景值均較高，其分布形態(tài)主要由于該區(qū)域的土壤本底導(dǎo)致；第3類包含鉛和氰化物，這兩種污染物在土壤中遷移均受pH影響，其中外源鉛隨pH降低趨向于游離態(tài)[24]，氰化物在偏酸的環(huán)境中可生成氰酸而揮發(fā)。結(jié)合圖2，因子分析結(jié)果的第1類污染物可進(jìn)一步劃分為2類，第Ⅰ類主要包括石油類和揮發(fā)酚，這兩種污染物為該研究區(qū)特征污染物，并且在土壤中具有相似的遷移規(guī)律；第Ⅱ類主要包括汞和鎘，這兩種污染物雖然具有較高的變異系數(shù)，但在本研究區(qū)土壤中的含量均較低，并低于其背景值，表明這兩種物質(zhì)在土壤中的富集亦主要源于其本底值。因此，因子-聚類分析結(jié)果顯示，研究區(qū)土壤中的石油類、揮發(fā)酚、氰化物和鉛的分布形態(tài)主要受到人類活動的影響；砷、鎳、鉻、汞和鎘的分布形態(tài)以自然成因為主。

圖2 系統(tǒng)聚類法對土壤污染指標(biāo)聚類結(jié)果Fig.2 Results of hierarchical cluster analysis for the investigated elements in the form of dendrogram

2.2.2 土壤污染物對應(yīng)分析

為進(jìn)一步確定本研究區(qū)一系列石油加工及生產(chǎn)活動對土壤產(chǎn)生的影響，本研究采用SPSS軟件建立9種污染物含量和采樣點之間的關(guān)系，對應(yīng)分析結(jié)果見表3和圖3。

由圖3可知，該研究區(qū)除采樣點2#、3#、9#外，其他采樣點主要分為兩類：第1類包括采樣點5#、7#、8#，土壤主要受石油類影響較大；第2類主要包括采樣點1#、4#、6#、10#，土壤主要受汞、鉻、鎳影響較大。結(jié)合表1和圖3，采樣點2#處土壤主要受鉛、鎘和氰化物影響較大；采樣點9#處土壤主要受鉛和石油類影響；采樣點3#處土壤則主要受石油類影響較大，故這3個采樣點既相互聯(lián)系又相互獨立。結(jié)合圖1和圖3，采樣點7#和8#土壤中石油類主要是由于該企業(yè)在運輸石油過程中存在跑、冒、滴、漏所致，采樣點5#處土壤位于油罐區(qū)水溝附近，沖洗地面及油罐等過程產(chǎn)生的含油廢水易直接滲入土壤，造成該點土壤中石油類含量增高，同時由于揮發(fā)酚易溶于水、滲透性強的特點，亦在采樣點5#處土壤中富集。第2類土壤未受到該企業(yè)生產(chǎn)加工過程的影響，其土壤中主要污染物含量均低于當(dāng)?shù)乇尘爸?。采樣點2#處土壤中鎘、鉛及氰化物主要來源于石油加工廢棄物的淋濾作用進(jìn)入周邊土壤[25-26]。采樣點3#處土壤中石油類含量較高則與事故池中少量含油廢水的滲漏有關(guān)。同理，采樣點9#處土壤中鉛和石油類含量較高亦與原油儲存過程中少量泄露有關(guān)。

表3 因子載荷一覽表

圖3 對應(yīng)分析載荷平面投影Fig.3 Correspondence analysis map

綜上所述，該研究區(qū)一系列的石油加工生產(chǎn)過程會對土壤造成不同程度的影響。其中，石油在儲存和運輸過程中由于跑、冒、滴、漏等原因直接滲入土壤是導(dǎo)致土壤中石油類含量增加的主要原因；另外，廠區(qū)定期沖洗等操作亦可通過直接滲入的方式導(dǎo)致周圍土壤中石油及揮發(fā)酚的富集；堆放的石油加工廢棄物中的鉛、鎘及氰化物則可通過淋濾的方式進(jìn)入周邊土壤。

3 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)土壤污染物分布同時受到自然和人為影響，其中石油類、揮發(fā)酚、氰化物和鉛的分布形態(tài)主要受人類活動影響，而砷、鎳、鉻、汞和鎘的分布形態(tài)則以自然成因為主。

(2) 研究區(qū)一系列的石油加工生產(chǎn)過程對其土壤污染物分布造成不同程度的影響。其中，石油在儲存和運輸過程中由于跑、冒、滴、漏等原因直接滲入土壤是導(dǎo)致土壤中石油類含量增加的主要原因；降水或人工沖洗也易造成周圍土壤中石油類及揮發(fā)酚的富集；堆放的石油加工廢棄物中的鉛、鎘及氰化物則可通過淋濾的方式進(jìn)入周邊土壤。

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