周洪英　單愛(ài)琴　徐林建　賈海紅

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院　江蘇徐州 221008；　2.淮海工學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院　江蘇連云港 222005)

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環(huán)境工程

城市土壤重金屬污染多元統(tǒng)計(jì)及空間評(píng)估*

周洪英1,2單愛(ài)琴1徐林建2賈海紅2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院江蘇徐州 221008；2.淮海工學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院江蘇連云港 222005)

摘要為確定徐州市城區(qū)土壤重金屬的污染情況，對(duì)167個(gè)城市土壤樣品的Mn，F(xiàn)e，Ni，Cu，Zn，Cd和Pb等7種重金屬元素進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)和空間分析。結(jié)果表明，7種重金屬元素中，Ni，Cu，Zn，Cd，Pb含量均高于背景值。聚類(lèi)分析和因子分析顯示，研究區(qū)域土壤中Pb，Cd，Cu，Zn具有相似來(lái)源，Ni，F(xiàn)e，Mn具有相似來(lái)源。Pb，Cd，Cu，Zn，Mn，Ni的塊基比在0.25～0.75之間，表明變量具有中等程度的空間相關(guān)性，其空間變異性同時(shí)受土壤母質(zhì)和人類(lèi)活動(dòng)的影響。研究區(qū)域土壤中，Zn，Cd，Pb的空間分布基本一致，同時(shí)受到交通運(yùn)輸和工業(yè)排放的影響；道路交通污染為研究區(qū)域Cu的主要來(lái)源。Fe和Ni同時(shí)受土壤母質(zhì)和人類(lèi)活動(dòng)的影響，徐州鋼鐵廠附近區(qū)域土壤Fe含量整體偏高，在市中心主要交通干道附近表土中，F(xiàn)e也表現(xiàn)出一定量的富集，Mn主要來(lái)自于土壤母質(zhì)。

關(guān)鍵詞城市土壤重金屬變異系數(shù)變差函數(shù)

0引言

城市土壤中的重金屬除了來(lái)自土壤母質(zhì)以外，主要來(lái)源于工業(yè)排放[1]、交通運(yùn)輸[2]、化石燃料燃燒[3]、生活廢棄物[4]等人類(lèi)活動(dòng)。城市土壤中的重金屬不能被降解，可以通過(guò)皮膚接觸、大氣揚(yáng)塵、水體污染等途徑進(jìn)入人體，威脅人類(lèi)健康[5]。因此，開(kāi)展城市土壤重金屬污染的調(diào)查和監(jiān)測(cè)，具有重要的實(shí)際意義。

徐州市位于江蘇省西北部，地處蘇、魯、豫、皖4省交界，交通便捷，煤炭資源豐富，重型工業(yè)發(fā)達(dá)，這些條件為徐州經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展提供了便利，同時(shí)也可能給徐州城市環(huán)境造成一定的污染壓力。本文選取徐州市區(qū)作為研究區(qū)域，運(yùn)用聚類(lèi)分析、因子分析和地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析對(duì)城市土壤重金屬污染進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)和空間評(píng)估，調(diào)查徐州城市土壤重金屬的空間分布特征和污染水平。

1材料與方法

1.1研究區(qū)域和樣品采集

徐州市位于江蘇西北部，地理位置在33°43′～34°58′N(xiāo)，116°22～118°40′E之間。表層土壤(0～20 cm)樣品采自徐州市城區(qū)，共采集樣品167個(gè)，每個(gè)采樣點(diǎn)的土壤分析試樣均由多點(diǎn)采集混合而成。研究區(qū)域及采樣點(diǎn)位置示意見(jiàn)圖1。

圖1　徐州城市土壤樣品采樣點(diǎn)位置示意

1.2重金屬元素分析

稱(chēng)取0.2 g土壤樣品，采用HNO3-HCl-HF消解，2% HNO3定容，用ICP-MS/Aurora M90(德國(guó)Bruker)分析重金屬元素濃度。為了確保測(cè)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在儀器運(yùn)行過(guò)程中每隔10個(gè)樣品插入一次監(jiān)控標(biāo)樣(ESS-3，ESS-4)。

1.3數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 22軟件進(jìn)行基本數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。采用K-S檢驗(yàn)對(duì)正態(tài)分布情況進(jìn)行檢測(cè)。在進(jìn)行多變量和地統(tǒng)計(jì)分析之前，所有數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Box-Cox變換以達(dá)到正態(tài)分布。采用聚類(lèi)分析(CA)和因子分析(FA)探討各元素間的相關(guān)性。使用Surfer 8.0軟件描述重金屬空間分布。

2結(jié)果與討論

2.1描述性統(tǒng)計(jì)分析

表1為土壤樣品重金屬質(zhì)量濃度/分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。由表1可見(jiàn)，元素Mn，F(xiàn)e的平均質(zhì)量濃度/分?jǐn)?shù)低于背景值，而元素Ni，Cu，Zn，Cd和Pb質(zhì)量濃度均高于背景值。徐州市城區(qū)的主要土壤類(lèi)型為褐土，本研究中采用我國(guó)褐土的重金屬元素背景值[6]。Cd的平均質(zhì)量濃度為0.58 mg/kg，約為背景值的5.8倍，表明研究區(qū)域土壤Cd污染較為嚴(yán)重；此外，元素Zn的平均質(zhì)量濃度為165.93 mg/kg，為背景值的2.24倍；Cu，Pb和Ni的質(zhì)量濃度分別為背景值的1.12～1.74倍左右，表明研究區(qū)域土壤也不同程度地受到了Zn，Cu，Pb和Ni的污染。

土壤中重金屬元素的累積常引起變異性增強(qiáng)，變異系數(shù)(CV)是描述土壤變異程度的重要參數(shù)，CV值在0～0.15之間為弱變異，在0.15～0.35之間為中等變異，CV值大于0.35為高度變異。由表1可見(jiàn)，幾種重金屬元素中，Mn(0.17)和Fe(0.28)屬于中等變異程度，Ni(1)，Cu(0.44)，Zn(0.64)，Cd(0.72)，Pb(0.51)等元素均達(dá)到了高度變異。

表1　城市土壤重金屬質(zhì)量濃度/分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)分析　mg/kg，F(xiàn)e: %

2.2聚類(lèi)分析(CA)

聚類(lèi)分析可以形象地反映指標(biāo)間的距離，有效揭示指標(biāo)間的相互聯(lián)系[7]。圖2為研究區(qū)域7種重金屬元素的聚類(lèi)分析樹(shù)狀圖。

圖2　城市土壤重金素的聚類(lèi)分析

由圖2可以看出，Pb和Zn聚為一類(lèi)后又與Cu，Cd聚為一類(lèi)，F(xiàn)e，Mn和Ni聚成一類(lèi)。聚為一類(lèi)的指標(biāo)間具有相似的分類(lèi)性質(zhì)，可能具有相同或相近的來(lái)源[8]。Fe和Mn主要來(lái)源于土壤母質(zhì)，Ni與Fe和Mn聚為一類(lèi)，表明研究區(qū)域土壤中的Ni可能主要來(lái)源于成土過(guò)程。同樣地，Pb和Zn，Cu，Cd聚為一類(lèi)，說(shuō)明它們可能具有相同的來(lái)源，而研究區(qū)域主要集中在徐州市區(qū)，推測(cè)可能與交通污染有關(guān)。

2.3因子分析(FA)

因子分析主要是通過(guò)降維的方法簡(jiǎn)化原始數(shù)據(jù)進(jìn)而得到綜合指標(biāo)[8]。對(duì)7種重金屬元素進(jìn)行因子分析，可以進(jìn)一步揭示重金屬元素之間的內(nèi)在聯(lián)系。表2為研究區(qū)域7種重金屬元素的因子分析結(jié)果。

表2　城市土壤重金屬旋轉(zhuǎn)后的因子載荷量

注：因子的提取方法為主成分分析法。

由表2可見(jiàn)，Pb，Cd，Cu，Zn等元素在因子1中占有較高的載荷，Ni，F(xiàn)e，Mn等元素在因子2中有相當(dāng)高的載荷。累積方差顯示，前2個(gè)因子解釋了總方差的74.8%。由此可見(jiàn)，研究區(qū)域的7種重金屬元素中，Pb，Cd，Cu，Zn可以劃歸一類(lèi)，它們之間存在明顯的共變關(guān)系或具有類(lèi)似的來(lái)源，主要由因子1控制，推測(cè)可能主要來(lái)源于城市道路交通污染；Ni，F(xiàn)e，Mn劃歸為一類(lèi)，主要由因子2控制，推測(cè)主要來(lái)源于土壤母質(zhì)。此外，Ni和Fe在因子1中載荷值分別達(dá)到0.346和0.478，表示研究區(qū)域土壤中這兩種元素并不是單一來(lái)源。

計(jì)算得到最終的因子得分方程如下：

F1=-0.130Mn+0.135Fe-0.231Ni+0.213Cu+0.252Zn+0.371Cd+0.348Pb

F2=0.565Mn+0.214Fe+0.629Ni+0.015Cu+

0.032Zn-0.305Cd-0.144Pb

由上述模型可以看出，第1公因子F1基本上支配了Pb，Zn，Cd，Cu，第2公因子F2基本上支配了Ni，F(xiàn)e，Mn，可以用2個(gè)公因子解釋土壤中這7種重金屬元素。

2.4城市土壤重金屬含量的空間分析

城市土壤中重金屬含量的空間變異性一般包括兩個(gè)部分：相關(guān)性變異(主要是指土壤母質(zhì)和成土環(huán)境引起的變異)和隨機(jī)性變異(主要是指人為因素引起的變異)[9-10]。地統(tǒng)計(jì)學(xué)中用變差函數(shù)來(lái)描述樣品的空間變異性，其模型參數(shù)塊基比C0/(C0+C)可以表示系統(tǒng)變量的變異特性，塊基比越大，說(shuō)明由人為因素引起的隨機(jī)性變異程度越大。變程(Range)常用來(lái)描述變量之間存在相關(guān)性的距離上限，在變程范圍內(nèi)，變量具有空間相關(guān)性，變程范圍之外，變量之間互不相關(guān)。表3為研究區(qū)域7種重金屬元素的變差函數(shù)模型參數(shù)。

表3　城市土壤重金屬變差函數(shù)模型參數(shù)

由表3可見(jiàn)，7種重金屬元素中，Pb，Cd，Cu，Zn，Mn和Ni等6種元素的塊基比在0.25～0.75之間，表明變量具有中等程度的空間相關(guān)性，其空間變異性除了受土壤母質(zhì)、地理和氣候因素等影響外，也受到了人類(lèi)活動(dòng)等隨機(jī)因子的影響。Fe的塊基比小于0.25，表明其空間變異以相關(guān)性變異為主，但其變程很小(1.29 km)，可以認(rèn)為研究區(qū)域中Fe的含量在一定程度上也受到了工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸?shù)热藶橐蛩氐挠绊?。為進(jìn)一步探討7種重金屬元素在城市土壤中的空間分布特點(diǎn)，繪制了研究區(qū)域土壤重金屬的空間分布圖(見(jiàn)圖3)。

由圖3可見(jiàn)，城市中心區(qū)域土壤Pb含量明顯高于市郊，主要是因?yàn)槭兄行娜丝诿芏却螅煌ǚ泵?，表土中Pb濃度的增加主要來(lái)源于道路交通運(yùn)輸。然而，Pb濃度最高點(diǎn)出現(xiàn)在城區(qū)的東北部，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域位于徐州鋼鐵廠(34.300，117.227)附近(15個(gè)采樣點(diǎn))，可以判斷這部分土壤中高濃度的Pb主要來(lái)源于鋼鐵廠的排放。研究區(qū)域土壤中Zn，Cd的空間分布與Pb基本一致。Cu的較高值全部出現(xiàn)在交通密集區(qū)域，可以判斷道路交通為研究區(qū)域Cu的主要來(lái)源。

徐州鋼鐵廠附近土壤的Fe含量明顯高于其他區(qū)域，判斷是由于徐州鋼鐵廠的含F(xiàn)e顆粒物擴(kuò)散導(dǎo)致附近區(qū)域Fe含量整體偏高。此外，在市中心主要交通干道附近表土中Fe也表現(xiàn)出一定量的富集。研究區(qū)域的Ni含量基本比較平均，只在解放北路和復(fù)興南路附近出現(xiàn)幾個(gè)異常高值，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域交通流量中等，無(wú)明顯污染源存在，值得注意的是，這4個(gè)采樣點(diǎn)均相對(duì)靠近徐州故黃河沿岸，尤其是Ni含量更高的解放北路，兩個(gè)采樣點(diǎn)就在故黃河邊上，土壤樣品中高含量的Ni是否來(lái)源于故黃河水體污染，還需要進(jìn)一步系統(tǒng)研究。研究區(qū)域中Mn含量在交通密集區(qū)和鋼鐵廠附近略有增加，但是增加幅度較小，考慮主要還是來(lái)自于土壤母質(zhì)，交通運(yùn)輸對(duì)表土中Mn含量的增加貢獻(xiàn)不大。

圖3　城市土壤重金屬的空間分布

3結(jié)論

本文研究了徐州市城市土壤中Pb，Cd,Cu,Zn,Mn,Ni和Fe等7種重金屬元素的污染富集和空間分布情況，結(jié)果表明：研究區(qū)域城市土壤存在一定的Pb，Cd，Cu，Zn污染，主要來(lái)自道路交通運(yùn)輸，同時(shí)受到工業(yè)排放的影響，其中Pb，Cd，Zn 3種元素在徐州鋼鐵廠附近產(chǎn)生比較明顯的富集。城市土壤中的Fe和Ni同時(shí)受土壤母質(zhì)和人類(lèi)活動(dòng)的影響，徐州鋼鐵廠附近區(qū)域土壤Fe含量整體偏高，在市中心主要交通干道附近表土中，F(xiàn)e也表現(xiàn)出一定量的富集；Mn主要來(lái)自土壤母質(zhì)。

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Multi-statistical and Spatial Assessment of Urban Soil Heavy Metal Contamination

ZHOU Hongying1,2SHAN Aiqin1XU Linjian2JIA Haihong2

(1.SchoolofEnvironmentScienceandSpatialInformatics，ChinaUniversityofMiningandTechnologyXuzhou，Jiangsu221008)

AbstractIn this study, 167 soil samples have been collected and multivariate statistical analysis and spatial analysis has been conducted on 7 heavy metal elements (Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Cd and Pb) to determine the soil heavy metal contamination of Xuzhou urban areas. The results indicate that the concentrations of Ni, Cu, Zn, Cd and Pb are higher than the background values. Cluster analysis and factor analysis shows that Pb, Cd, Cu and Zn have similar sources and Ni, Fe and Mn have similar sources within the study area. The block ratios [C0/(C0+C)] of Pb, Cd, Cu, Zn, Mn and Ni are all within the range of 0.25-0.75, indicating that Pb, Cd, Cu, Zn, Mn and Ni are moderately spatially dependent and their spatial variability is not only affected by soil parent materials, but also affected by stochastic factors, such as anthropogenic activities. Spatial distributions of Zn, Cd and Pb are consistent within the study area, affected by traffic and vehicles and industrial emission. Road traffic pollution is the primary source of Cu in the study area. Fe and Ni are influenced by soil parent materials and anthropogenic activities, and the levels of Fe around the near areas of Xuzhou steel works are high. Fe also manifestes a certain amount of enrichment in the topsoil around the main traffic artery in the downtown and Mn is basically induced by soil parent materials.

Key Wordsurban soilheavy metalCVvariogram model

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(20977040)，淮海工學(xué)院自然科學(xué)基金(2010150017，Z2014013)。

作者簡(jiǎn)介周洪英，女，1979年生，江蘇連云港人，工學(xué)碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事環(huán)境地球化學(xué)方面的研究。

(收稿日期：2015-12-20)