尹國(guó)慶,江 宏,王 強(qiáng),聶靜茹,馬友華,胡宏祥
(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境與信息技術(shù)研究所,合肥 230036)
近年來(lái),隨著城市化、工業(yè)化、農(nóng)業(yè)集約化的飛速發(fā)展,越來(lái)越多含重金屬的污染物通過各種途徑進(jìn)入農(nóng)用地土壤中。與其他有機(jī)化合污染物不同,重金屬在土壤中具有較強(qiáng)的富集性、持久性和不可逆性,因此將在很長(zhǎng)一段時(shí)間影響著農(nóng)用地的正常生產(chǎn)與使用[1-3],而且重金屬還可能通過食物鏈轉(zhuǎn)移到動(dòng)物和人體內(nèi),嚴(yán)重危害動(dòng)物、人體健康[4]。因此,近些年農(nóng)用地土壤重金屬在污染評(píng)價(jià)、空間分布、特征分析、來(lái)源解析等方面的研究受到了廣泛關(guān)注[5-13]。
研究區(qū)位于安徽省南部山區(qū)一個(gè)農(nóng)用地土壤重金屬污染典型區(qū)域,地勢(shì)南高北低,南部高山峭拔,中北部多為丘陵,土地總面積為1 180.6 km2,農(nóng)用地面積為864.13 km2,占總面積的78.41%。研究區(qū)內(nèi)水系發(fā)達(dá),長(zhǎng)10 km以上的河流有16條,礦產(chǎn)資源蘊(yùn)藏豐富,已探明的共有7類36種。研究區(qū)內(nèi)分布著20余家礦業(yè)企業(yè),常年進(jìn)行露天開采工作,除此之外還有50余家化工、制藥等企業(yè),產(chǎn)生大量廢氣、污水、固體廢物等,且大多分布在河流旁,對(duì)周圍河流造成了一定的污染,進(jìn)而通過灌溉影響農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量。
學(xué)者們對(duì)安徽省礦區(qū)土壤重金屬污染情況已經(jīng)做了相關(guān)的研究[14-16],但對(duì)安徽省南部丘陵山地的農(nóng)用地土壤重金屬污染狀況的研究還未見報(bào)道,且傳統(tǒng)的污染成因分析方法(相關(guān)性分析、主成分分析等)不結(jié)合定量分析方法會(huì)存在一定的局限性[17]。本研究以安徽省南部山區(qū)重金屬污染典型區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象,通過研究農(nóng)用地土壤重金屬的污染成因及空間分布特征,旨在揭示研究區(qū)農(nóng)用地土壤重金屬污染現(xiàn)狀,為農(nóng)用地土壤重金屬污染成因探究、治理和修復(fù)提供參考。
1.1.1 采樣點(diǎn)布設(shè)與樣品采集
首先確定三類疑似區(qū)域,即通過查閱資料、專家論證、實(shí)地考察的方法劃定工礦企業(yè)周邊、污水灌溉區(qū)、大中城市郊區(qū)這三類區(qū)域作為疑似污染區(qū)域,在此區(qū)域密集布點(diǎn),每0.1 km2布一個(gè)點(diǎn),另劃定了無(wú)明顯污染源的一般農(nóng)區(qū),每1~10 km2布一個(gè)點(diǎn)。研究區(qū)內(nèi)農(nóng)用地的成土母質(zhì)包括坡積物、洪積物、沖積物和殘積物,土類包括水稻土、黃棕壤、黃褐土和潮土等,主要農(nóng)作物有水稻、蔬菜、油菜等,共布設(shè)314個(gè)點(diǎn)位,要求覆蓋所有成土母質(zhì)類型、所有土壤類型和主要種植作物,采樣點(diǎn)具體位置分布情況見圖1。采用梅花形采樣法對(duì)土壤樣品進(jìn)行采集,采樣深度為0~20 cm,分樣點(diǎn)為5~10個(gè),四分法后剩余約2 kg封裝帶回。
1.1.2 分析測(cè)試方法
采集的土壤樣品通過室內(nèi)風(fēng)干、研磨、過篩制成50 g樣品,采用聚四氟乙烯坩堝全消解法進(jìn)行前處理,且每批土壤樣品消解至少含1個(gè)平行樣、2個(gè)平行空白樣和2個(gè)平行質(zhì)控樣。Cd、Pb、Cr采用電感耦合等離子質(zhì)譜法,Hg、As采用原子熒光光譜法,pH采用電位法,CEC采用乙酸銨提取法。
圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布示意圖Figure 1 Distribution of sampling sites in the research area
1.2.1 箱線圖
箱線圖即用一個(gè)簡(jiǎn)單的組合圖形直觀地表現(xiàn)出數(shù)據(jù)的形狀,利用數(shù)據(jù)中的5個(gè)統(tǒng)計(jì)量:最小值、上四分位數(shù)、中位數(shù)、下四分位數(shù)與最大值來(lái)反映一組或多組連續(xù)型定量數(shù)據(jù)分布的中心位置和散布范圍等信息[18]。將采樣點(diǎn)位按照不同成土母質(zhì)進(jìn)行分類,見表1。
1.2.2 單因子污染指數(shù)法與內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法
單因子污染指數(shù)法[19-20]主要是運(yùn)用單一因子對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行污染評(píng)價(jià),如公式(1)所示。
式中:Pi表示每個(gè)采樣點(diǎn)i重金屬元素的單污染指數(shù);Ci為每個(gè)采樣點(diǎn)i重金屬元素的實(shí)測(cè)值,mg·kg-1;Si為i重金屬元素的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),mg·kg-1,本研究采用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是1995年頒布的《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)中的土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[21]。
表1 研究區(qū)內(nèi)不同成土母質(zhì)的土壤樣品數(shù)Table 1 Soil samples of different soil parent materials in study area
內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[22-23]主要是從綜合角度考慮研究區(qū)內(nèi)土壤重金屬的污染狀況,并突出高含量污染元素對(duì)環(huán)境的影響。公式如下:
式中:Pi為i采樣點(diǎn)的綜合污染指數(shù);Pimax為i采樣點(diǎn)中所有重金屬元素單因子污染指數(shù)中的最大值;Piave為i采樣點(diǎn)所有重金屬元素單因子污染指數(shù)的平均值,上述計(jì)算過程中各參數(shù)均為無(wú)量綱。
1.2.3 正定矩陣因子分解模型
正定矩陣因子分解(PMF)模型是一種有效的因子分析類模型[24]。其通過權(quán)重計(jì)算出污染物中各化學(xué)組分的誤差,然后利用最小二乘法來(lái)確定出污染物的主要污染源及其貢獻(xiàn)率。PMF模型無(wú)需像化學(xué)質(zhì)量平衡受體模型(CMB)那樣輸入詳細(xì)的污染源成分譜[25],它通過對(duì)大量受體數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,提取出一定量的因子,再通過分析各因子的化學(xué)組分,根據(jù)污染源的標(biāo)識(shí)組分將模型提取出的因子識(shí)別為污染源類。
PMF模型基本原理是將原始矩陣X(n×m)因子化[26],分解為兩個(gè)因子矩陣,F(xiàn)(p×m)和 G(n×p),以及一個(gè)殘差矩陣E(n×m),如下式表示:
式中:Xnm表示n個(gè)樣品中的m個(gè)化學(xué)成分;p是解析出來(lái)的源的數(shù)目;Gnp是源貢獻(xiàn)矩陣;Fpm是源成分譜矩陣。矩陣Gnp和Fpm中的元素都是正值,即都是非負(fù)限制的,上述計(jì)算過程中各參數(shù)均為無(wú)量綱。PMF定義了一個(gè)目標(biāo)函數(shù)Q,并使這個(gè)目標(biāo)函數(shù)的值最?。?/p>
PMF模型的診斷指標(biāo)Q值是PMF模型的診斷指標(biāo)之一,即模型結(jié)果必須滿足模型計(jì)算的Q值接近理論Q值[27]。
式中:Eij表示第j個(gè)樣品中第i個(gè)化學(xué)成分的殘差,σij是第j個(gè)樣品中第i個(gè)化學(xué)成分的不確定度,上述計(jì)算過程中各參數(shù)均為無(wú)量綱。不確定度計(jì)算方法如下:
當(dāng)濃度值小于或等于相應(yīng)的MDL(濃度檢測(cè)限)時(shí):
當(dāng)濃度值大于相應(yīng)的MDL時(shí):
式中:U為不確定度,s為誤差百分?jǐn)?shù);c為指標(biāo)濃度值,mg·kg-1;MDL 為濃度檢測(cè)限,mg·kg-1。
污染程度評(píng)價(jià)采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法;5種重金屬含量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、相關(guān)性分析、主成分分析由SPSS 20.0完成;PMF模型由美國(guó)EPA的PMF 5.0完成;點(diǎn)位布設(shè)、空間特征分析、采樣點(diǎn)分布圖、含量圖由ArcGIS 10.2完成;箱線圖由Origin 8.0完成;數(shù)據(jù)記錄由Excel 2013完成。
研究區(qū)土壤中5種重金屬含量描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表 2。研究區(qū)內(nèi)農(nóng)用地土壤中 Cd、Hg、As、Pb、Cr含量的平均值分別為 0.32、0.1、14.38、49.44、87.42 mg·kg-1;pH范圍在4.6~8.7之間,平均值為5.88,呈弱酸性;變異系數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)差與平均值之比,反映組間數(shù)據(jù)的波動(dòng)情況,研究區(qū)5種重金屬的變異系數(shù)由大到小為Pb(1.58)>Hg(1.23)>Cd(0.81)=As(0.81)>Cr(0.42)。
通過單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對(duì)研究區(qū)內(nèi)土壤重金屬污染狀況進(jìn)行等級(jí)劃分與評(píng)價(jià),結(jié)果見表3。研究區(qū)內(nèi)農(nóng)用地土壤Cd、Hg、As、Pb、Cr點(diǎn)位總污染率分別為26.93%、3.81%、23.47%、3.35%、2.23%,污染程度依次為Cd>As>Hg>Pb>Cr。從內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)來(lái)看,所有點(diǎn)位中清潔的占36.73%,處于警戒限的占24.81%,受污染的占38.46%,其中輕度污染的占30.36%,中度污染的占4.23%,重度污染的占3.87%。
表2 研究區(qū)域農(nóng)用地土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)分析Table 2 Statistical analysis of heavy metals in agricultural land in study area
表3 研究區(qū)各重金屬不同等級(jí)污染點(diǎn)位占比Table 3 The proportion of different levels of heavy metals in the study area
圖2 研究區(qū)不同成土母質(zhì)土壤重金屬含量箱線圖Figure 2 The boxplot of heavy metal concentrations from different soil parent materials in study area
通過箱線圖分析方法對(duì)研究區(qū)5種重金屬在不同成土母質(zhì)下的差異性進(jìn)行分析,結(jié)果見圖2。從圖2中可以看出,Cd、As在洪積物和沖積物的中位數(shù)和平均值均高于其他成土母質(zhì),其余類型差別不大,說(shuō)明Cd、As在洪積物和沖積物這兩種成土母質(zhì)下含量較高;Hg、Cr在洪積物的中位數(shù)、平均值和上四分位數(shù)均高于其他成土母質(zhì),其余類型差別不大,說(shuō)明Hg、Cr在洪積物這種成土母質(zhì)下含量較高;Pb在幾種成土母質(zhì)下無(wú)明顯含量差別。每種成土母質(zhì)下的樣品重金屬含量均存在不等量的異常值,說(shuō)明不同成土母質(zhì)區(qū)域內(nèi)重金屬污染均受到了人為因素的影響。
2.3.1 相關(guān)性分析和主成分分析
對(duì)研究區(qū)內(nèi)農(nóng)用地土壤5種重金屬進(jìn)行相關(guān)性分析,從表4各元素間的Pearson相關(guān)系數(shù)可知,Cd、As和Pb 3個(gè)元素之間相關(guān)系數(shù)較大,呈顯著正相關(guān),說(shuō)明這3個(gè)元素在污染源上可能存在一致性;部分元素之間存在一定的弱相關(guān)性,如Cd和Hg、Cd和Cr、Hg和Cr,這幾組元素在污染源上可能有一定的相似性。
為進(jìn)一步探究研究區(qū)土壤重金屬的污染成因,對(duì)5種元素進(jìn)行主成分分析,結(jié)果見表5。根據(jù)表5中的特征值看出,可以提取2個(gè)主成分,相應(yīng)的特征值分別為2.018和1.343,均大于1,累積方差貢獻(xiàn)率為67.214%,能較好地解釋數(shù)據(jù)信息。表6是通過旋轉(zhuǎn)后得到的因子載荷矩陣,可以明顯看出:Cd、As、Pb在PC1中有較高載荷,為第一主成分;Hg和Cr在PC2中有較高載荷,為第二主成分。土壤重金屬來(lái)源分為人為因素和自然因素兩種[28],因此認(rèn)為PC1和PC2兩個(gè)成分指的是人為因素污染源和自然因素污染源兩大類。
表4 研究區(qū)農(nóng)用地土壤重金屬元素間Pearson相關(guān)系數(shù)Table 4 Pearson′s correlation coefficient of heavy metal concentrations in soil of the study area
2.3.2 PMF受體模型的源解析結(jié)果分析
在使用PMF軟件時(shí),為了使模型計(jì)算的Q值接近理論Q值,需進(jìn)行多次運(yùn)行調(diào)試,最終實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間的擬合相關(guān)性結(jié)果如表7所示,其中Cr的擬合系數(shù)達(dá)到了0.9以上,其他元素的擬合系數(shù)也都在0.7以上,說(shuō)明解析值準(zhǔn)確,PMF模型總體擬合效果好,所選因子能夠準(zhǔn)確解釋原始數(shù)據(jù)信息。
本研究中PMF模型選取的因子數(shù)量為3,源成分譜及源貢獻(xiàn)率結(jié)果見表8。Cd在因子1中有較高的濃度值,貢獻(xiàn)率達(dá)到了78.6%。研究區(qū)分布大量化工企業(yè),排放大量廢水、廢氣、廢渣,馬濤等[29]研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)用地中Cd主要來(lái)自于工業(yè)三廢,韓仲宇等[30]在研究陜西關(guān)中地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染特征時(shí)發(fā)現(xiàn),關(guān)中地區(qū)Cd污染較為突出,主要受到周邊冶煉廠的污染。因此,因子1可解釋為工礦污染源。
表6 旋轉(zhuǎn)成分矩陣Table 6 Rotational component matrix
表7 元素測(cè)定值與PMF模型預(yù)測(cè)值之間的關(guān)系Table 7 Relationship of the measured concentrations and the predicted concentrations by PMF model
表5 研究區(qū)農(nóng)用地土壤重金屬元素含量主成分分析Table 5 Principal component analysis of soil heavy metal concentrations in study area
表8 PMF模型解析出的各源成分譜及其貢獻(xiàn)率Table 8 Source contribution for different elements by PMF model
As和Pb在因子2中有較高的濃度值,貢獻(xiàn)率分別達(dá)到了64.9%和63.4%,這與前文中相關(guān)性分析和主成分分析結(jié)果一致。研究區(qū)北部分布著大量燃煤、有色金屬、非金屬等礦區(qū),且西北部有一個(gè)大型垃圾焚燒廠,常年采礦冶金、垃圾焚燒等活動(dòng)排放的大量廢氣、煙塵隨著大氣沉降到土壤中[31]。Nicholson等[32]認(rèn)為大氣沉降是導(dǎo)致土壤中重金屬累積的重要原因,眾所周知,含鉛汽油的燃燒以及汽車尾氣的排放明顯增加了空氣中Pb濃度[33],秦先燕等[34]在對(duì)環(huán)巢湖典型農(nóng)區(qū)土壤重金屬來(lái)源進(jìn)行解析時(shí),認(rèn)為該區(qū)域As主要來(lái)自于大氣沉降,有國(guó)外研究表明,比利時(shí)每0.01 km2土壤中,每年就有約250 g Pb和15 g As來(lái)源于大氣[35]。因此,因子2可解釋為交通污染源和大氣沉降綜合污染源。
Hg和Cr在因子3中有較高的濃度值,貢獻(xiàn)率分別達(dá)到了89.1%和75.4%,這與前文中相關(guān)性分析和主成分分析結(jié)果一致。由前文分析可知研究區(qū)內(nèi)Hg、Cr含量平均值較低為 0.1、87.42 mg·kg-1,均與當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸迪嘟?,且在洪積物這種成土母質(zhì)下含量較為突出。有研究指出Cr由巖石風(fēng)化進(jìn)入成土母質(zhì)中[36],董騄睿等[37]用PMF模型分析得出南京城郊農(nóng)田中Hg主要來(lái)自于成土母質(zhì)源,因此因子3可解釋為成土母質(zhì)源。
綜上所述,研究區(qū)農(nóng)用地土壤重金屬累積主要受工礦污染源、交通污染源和大氣沉降綜合污染源以及成土母質(zhì)源的綜合影響。由PMF軟件計(jì)算可得出,工礦污染源貢獻(xiàn)率為39.6%,交通污染源和大氣沉降綜合污染源貢獻(xiàn)率為42.3%,成土母質(zhì)源貢獻(xiàn)率為18.1%??梢钥闯?,研究區(qū)重金屬污染主要受人為因素的影響。
運(yùn)用ArcGIS中地統(tǒng)計(jì)學(xué)模塊的克里格插值法對(duì)研究區(qū)內(nèi)農(nóng)用地土壤各重金屬元素含量進(jìn)行插值,并制作出含量空間分布圖。從圖3中可以看出,研究區(qū)內(nèi) Cd、Hg、As、Pb、Cr含量空間分布無(wú)明顯遞增遞減趨勢(shì),均存在明顯的高值區(qū)。其中Cd和As的含量在研究區(qū)北部普遍偏高,究其原因,研究區(qū)北部分布眾多工業(yè)園區(qū)和礦區(qū),導(dǎo)致“三廢”的長(zhǎng)期大量排放,且研究區(qū)地勢(shì)南高北低、水系發(fā)達(dá),大氣沉降和污水灌溉情況較為嚴(yán)重。Pb作為汽車尾氣污染源的最主要元素,在研究區(qū)內(nèi)交通較為發(fā)達(dá)的城區(qū)出現(xiàn)了相對(duì)高值區(qū)。Hg含量在研究區(qū)內(nèi)普遍較低,只有在研究區(qū)西北部有一個(gè)較小范圍的高值區(qū),該區(qū)域分布著一個(gè)輕紡工業(yè)園,可能是導(dǎo)致高值的原因。Cr含量在研究區(qū)內(nèi)普遍不高,可能受中西部礦區(qū)的影響,出現(xiàn)了相對(duì)高值區(qū)域。從含量的空間特征分析結(jié)果來(lái)看,與PMF模型解析結(jié)果相符。
(1)研究區(qū)農(nóng)用地土壤重金屬元素有不同程度的富集,Cd、Hg、As、Pb、Cr含量平均值分別為 0.32、0.1、14.38、49.44、87.42 mg·kg-1,根據(jù)單因子污染指數(shù)結(jié)果得出污染程度為Cd>As>Hg>Pb>Cr,研究區(qū)內(nèi)38.46%點(diǎn)位的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)超過了1。
(2)不同成土母質(zhì)的土壤重金屬含量有所不同,Cd、As在洪積物和沖積物成土母質(zhì)下的含量較高,Hg、Cr在洪積物成土母質(zhì)下的含量較高,Pb在幾種成土母質(zhì)下無(wú)明顯含量差別。
(3)Cd含量主要來(lái)自于工礦污染源;Pb、As含量主要來(lái)自于交通污染源和大氣沉降綜合污染源;Hg、Cr含量主要來(lái)自于成土母質(zhì)源,但在個(gè)別小范圍區(qū)域已受到外源污染物的影響。
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圖3 研究區(qū)農(nóng)用地土壤重金屬含量空間分布Figure 3 The spatial concentrations distribution of farmland soil heavy metal in the study area
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