楊倩，魯新川，殷建國(guó)，尹常亮，吳靖宇，郭暉，張昱

1.蘭州大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與礦產(chǎn)資源學(xué)院，蘭州730000

2.甘肅省油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730000

3.中國(guó)科學(xué)院蘭州分院，蘭州730000

4.甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅天水741025

0 引言

重金屬指的是密度大于5 g/cm3的金屬或非金屬，如Cr、Cd、Cu、Pb、Zn、Ni等，它們?cè)谕寥乐芯哂袣埩魰r(shí)間長(zhǎng)、隱蔽性強(qiáng)、毒性大[1]、自凈能力差、風(fēng)險(xiǎn)積累時(shí)間長(zhǎng)[2]，不能被微生物降解[3]等特點(diǎn)。土壤中的重金屬元素容易通過(guò)大氣、水、生物等介質(zhì)進(jìn)入人體，危害人體健康，二戰(zhàn)后期日本富山縣神通川流域出現(xiàn)的痛痛病，就起因于人們長(zhǎng)期食用的“鎘米”和含鎘飲用水[4]。研究土壤中重金屬的分布對(duì)于環(huán)境保護(hù)和人體健康具有重要意義。

上世紀(jì)中葉，發(fā)達(dá)國(guó)家以重工業(yè)為主的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式引發(fā)了嚴(yán)重的土壤污染問(wèn)題，為應(yīng)對(duì)這一世界性問(wèn)題，很早便開(kāi)展了相關(guān)的調(diào)查研究和污染防治工作[2]，并取得顯著效果。發(fā)展中國(guó)家工業(yè)發(fā)展起步較晚，對(duì)土壤重金屬污染方面的關(guān)注也較晚。近年來(lái)隨著工業(yè)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，世界上許多發(fā)展中國(guó)家的土壤重金屬污染問(wèn)題也日益嚴(yán)重，國(guó)際上出現(xiàn)了大量相關(guān)報(bào)道。例如，韓國(guó)某鋅冶煉廠的粉塵經(jīng)逸散沉積在地表，使附近的農(nóng)田土壤受到了污染[5]；土耳其某河流域大多數(shù)采樣點(diǎn)的土壤已受到了中強(qiáng)度污染[6]；伊朗科曼莎省農(nóng)田土壤中的Ni 平均含量達(dá)到131.46 mg/kg，地累積指數(shù)3.5，評(píng)價(jià)為強(qiáng)富集[7]。中國(guó)是世界上最大的發(fā)展中國(guó)家，近40年土壤重金屬污染問(wèn)題日益突出，20世紀(jì)70年代中期，我國(guó)開(kāi)始調(diào)查全國(guó)土壤環(huán)境背景值[8]，目前，在我國(guó)東部和中部地區(qū)關(guān)于土壤重金屬污染問(wèn)題的研究報(bào)道較多，例如，湖北省襄陽(yáng)市電子廠周邊土壤中的Cr，Cd的平均含量分別為3 715 mg/kg，4.24 mg/kg，明顯超出中國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（Cr:200 mg/kg，Cd:0.3 mg/kg）[9]；江蘇省常熟市某鎮(zhèn)土壤中Pb、Cu、Zn、As、Cr、Cd、Ni七種重金屬元素的總致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)高于最大可接受風(fēng)險(xiǎn)[10]。但對(duì)西部，特別是西北地區(qū)的研究很少，而西北地區(qū)氣候干旱，生態(tài)環(huán)境脆弱，能源資源豐富，隨著西部大開(kāi)發(fā)政策的不斷落實(shí)和生態(tài)文明建設(shè)的需求，關(guān)注西北地區(qū)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題顯得尤為重要。嘉峪關(guān)市是我國(guó)西部關(guān)塞重鎮(zhèn)，旅游勝地，工業(yè)用地多，農(nóng)業(yè)用地少，城鎮(zhèn)化率高，生態(tài)環(huán)境脆弱[11]，隨之出現(xiàn)的環(huán)境問(wèn)題也日益顯現(xiàn)。因此，有必要對(duì)其土壤重金屬空間分布情況進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

前人對(duì)嘉峪關(guān)市的土壤重金屬分布做了一些基礎(chǔ)性的研究，但其研究覆蓋范圍較小，具有一定的局限性，采樣土壤類型單一[12-15]，樣品數(shù)量較少（<60個(gè)）[12-16]，代表性不夠，評(píng)價(jià)手段單一[12,14-15]，對(duì)重金屬來(lái)源的理論分析不足，未能系統(tǒng)全面分析重金屬的來(lái)源及其空間分布。本文通過(guò)分析嘉峪關(guān)市土壤重金屬含量，從采樣點(diǎn)和元素兩個(gè)維度出發(fā)，用內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)其綜合富集程度，再結(jié)合地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)各采樣點(diǎn)各元素的富集程度，達(dá)到整體與個(gè)體評(píng)價(jià)的互補(bǔ)。為比較不同功能區(qū)重金屬富集差異，將采樣點(diǎn)分為工業(yè)區(qū)、農(nóng)業(yè)區(qū)、生活區(qū)、戈壁，并對(duì)市區(qū)主要工廠類型進(jìn)行調(diào)查，結(jié)合主成分分析判斷可能的污染源，以期為評(píng)估檢測(cè)土壤質(zhì)量提供參考，為改善土壤質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與材料方法

1.1 研究區(qū)概況和采樣點(diǎn)

嘉峪關(guān)市是甘肅省西北部，祁連山腳下一座新興的鋼鐵工業(yè)城市（圖1），全市海拔1 412～2 722 m，面積2 935 km2，人口約25 萬(wàn)，屬溫帶大陸性荒漠氣候。市區(qū)大中企業(yè)聚集，科技實(shí)力強(qiáng)大，是河西走廊生產(chǎn)要素最富集、最活躍的地區(qū)[12]。嘉峪關(guān)市是典型的工業(yè)主導(dǎo)型城市[11]，市內(nèi)工業(yè)多分布于北部的戈壁，鋼鐵工業(yè)是嘉峪關(guān)市的經(jīng)濟(jì)引擎，占城市經(jīng)濟(jì)總量的80%以上，擁有西北最大的鋼鐵企業(yè)—酒鋼集團(tuán)[11]；市內(nèi)的嘉東工業(yè)園定位為裝備制造及高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園，嘉北工業(yè)園定位為黑色冶煉及循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園，嘉北酒鋼新區(qū)鋁產(chǎn)業(yè)園定位為有色冶金及深加工產(chǎn)業(yè)園。農(nóng)業(yè)屬城郊型，耕地面積少，只占全市面積的3.13%[11]，多分布于城市的東南、東北方向，綠洲被戈壁分割為零散的點(diǎn)、帶、塊狀。城鎮(zhèn)化率高達(dá)82.53%，遠(yuǎn)超全國(guó)平均水平（全國(guó)平均水平：43%）[11]。

134 個(gè)表層土壤樣品為2018 年4 月采自嘉峪關(guān)市區(qū)及其周邊郊區(qū)，采樣間距約1 km，避開(kāi)軍事區(qū)及工廠內(nèi)部，在市區(qū)的工廠附近和生活區(qū)適當(dāng)增加采樣密度，郊區(qū)降低采樣密度（約2 km）。采樣區(qū)域包括工廠周邊、農(nóng)田、小區(qū)、戈壁。采樣點(diǎn)土壤類型主要有綠化帶、耕地、路邊、戈壁灘、河道。用手持式定位系統(tǒng)定位，木鏟采集，分別用密封袋存放，將全部樣品編號(hào)、記錄，帶回實(shí)驗(yàn)室待測(cè)，采樣點(diǎn)具體位置見(jiàn)圖1。

1.2 樣品處理及數(shù)據(jù)分析

圖1 嘉峪關(guān)市地理位置及采樣點(diǎn)Fig.1 Study area and sampling points in Jiayuguan city

樣品烘干后，研磨至200 目以下，稱取20～30 mg置于干燥密閉的Teflon（聚四氟乙烯）容器中，加入少量超純水潤(rùn)濕，后加入1 mL HF，1 mL HNO3，超聲振蕩20 min后置于190 ℃烘箱消解24 h（本文采用高壓罐消解法消解樣品[17]）。取出后再置于150 ℃電熱板上蒸至近干，加入1 mL HNO3蒸至近干趕走多余的HF，后加入2 mL HNO3及3 mL 超純水于烘箱中150 ℃保溫24 h，轉(zhuǎn)移至PET 瓶中，用超純水定容至40～50 mL。元素含量在中國(guó)科學(xué)院蘭州油氣資源研究中心公共測(cè)試中心電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）上測(cè)試。通過(guò)SPSS、Excel、Suffer 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 重金屬元素的平面分布

嘉峪關(guān)市是一個(gè)工業(yè)主導(dǎo)型城市，城鎮(zhèn)化率高，戈壁面積廣布，綠洲零散分布，形成了特征明顯不同的幾個(gè)區(qū)域。本文將采樣點(diǎn)分為工業(yè)區(qū)（n=26），農(nóng)業(yè)區(qū)（n=43），生活區(qū)（n=44）和戈壁（n=21）四個(gè)功能區(qū)進(jìn)行分析。表層土壤樣品重金屬含量的基本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1 所示。重金屬元素Cr、Cd、Cu、Pb、Ni、Zn的平均含量分別為281.6 mg/kg，0.35 mg/kg，60.68 mg/kg，51.39 mg/kg，108.65 mg/kg和161.0 mg/kg，分別是甘肅省土壤元素背景值（70.2 mg/kg，0.116 mg/kg，24.1 mg/kg，18.8 mg/kg，35.2 mg/kg 和68.5 mg/kg）的401%，302%，252%，273%，309%，235%，各元素（特別是Cr）平均含量超出了甘肅省土壤元素背景值；變異系數(shù)反映了各樣品含量差值與平均含量的變化程度[18]，Cr、Zn 和Ni 的變異系數(shù)較高，說(shuō)明其含量的空間分布很不均勻，這與相關(guān)工廠的布局密切相關(guān)。各功能區(qū)六種重金屬平均含量之和（∑metals）排序依次為：工業(yè)區(qū)>戈壁>生活區(qū)>農(nóng)業(yè)區(qū)。

工業(yè)區(qū)除Cu 外，其余各元素的平均含量均高于其他三區(qū)，特別是Cr 元素平均含量達(dá)507.6 mg/kg。Cr 元素最高值出現(xiàn)在嘉北工業(yè)區(qū)A 采樣點(diǎn)，該采樣點(diǎn)樣品為綠化帶內(nèi)的植被表土，其各元素含量（mg/kg）分別為：Cr（1 938.6）、Cd（0.8）、Cu（93.9）、Pb（106.4）、Ni（156.1）、Zn（404.6）（表1、圖2，3）。經(jīng)調(diào)查，該采樣點(diǎn)周邊有冶金化工企業(yè)、輪胎廠和廢品收購(gòu)站，推測(cè)A 采樣點(diǎn)土壤重金屬含量與這些企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)有關(guān)。

宋娜[19]曾對(duì)甘肅酒泉市表層土壤中的Cr、Cu、Zn、Ni、V的元素含量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)戈壁中各重金屬含量低于農(nóng)田，而嘉峪關(guān)戈壁采樣點(diǎn)除Ni外，其余五種重金屬含量均高于農(nóng)田，嘉峪關(guān)農(nóng)業(yè)區(qū)和戈壁采樣點(diǎn)與工業(yè)中心的距離并無(wú)明顯差異，排除距離因素，市區(qū)地勢(shì)平坦，排除地形阻隔因素，考慮可能是嘉峪關(guān)的工業(yè)活動(dòng)導(dǎo)致植被稀少的戈壁區(qū)接受了大量重金屬污染物沉積。嘉峪關(guān)地處西風(fēng)帶，同時(shí)春冬季節(jié)受西北季風(fēng)的影響，在樣品采集期間城市低空盛行西風(fēng)；將戈壁區(qū)的采樣點(diǎn)分為工業(yè)區(qū)以西/西南（A組）和工業(yè)區(qū)以東/東南（B組）兩組，分別計(jì)算其六種重金屬元素平均含量之和，結(jié)果顯示A 組為576.5 mg/kg，B 組為722.2 mg/kg，處于盛行風(fēng)下風(fēng)向的B組平均含量高于A組，推斷戈壁區(qū)重金屬來(lái)自工業(yè)區(qū)的大氣沉降。

六種重金屬元素含量平面分布情況（圖3）顯示，Cd、Pb、Zn 的分布極為相似，說(shuō)明它們可能有相同的來(lái)源，它們的高值區(qū)主要出現(xiàn)在嘉北工業(yè)區(qū)北部、鋼鐵廠（酒鋼）周邊、鋼鐵廠南部的生活區(qū)和嘉東工業(yè)區(qū)的部分采樣點(diǎn)；Cr和Ni的分布有一定的相似性，他們的高值區(qū)都出現(xiàn)在嘉北工業(yè)區(qū)南部和嘉東工業(yè)區(qū)的部分采樣點(diǎn)；Cu 與其余五種重金屬的分布都不相似，空間分布較為均勻，高值區(qū)零星出現(xiàn)在鋼鐵廠南部的生活區(qū)及嘉東工業(yè)區(qū)的個(gè)別采樣點(diǎn)。

表1 嘉峪關(guān)市表層土壤重金屬含量（mg/kg）統(tǒng)計(jì)表Table 1 Summary of heavy metal concentrations (mg/kg) in surface soil samples from Jiayuguan city

圖2 各功能區(qū)表層土壤重金屬元素平均含量圖Fig.2 Average concentrations of heavy metals in surface soil in functional areas

2.2 重金屬元素富集規(guī)律

主成分分析是一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法，可用于分析各變量之間的內(nèi)在聯(lián)系和結(jié)構(gòu)，本文用SPSS24，通過(guò)主成分分析法（PCA）辨別嘉峪關(guān)市土壤重金屬來(lái)源。抽取經(jīng)最大方差法旋轉(zhuǎn)后累積方差貢獻(xiàn)率超過(guò)89%的3個(gè)主因子進(jìn)行分析（圖4）。

第一主因子（PC1）貢獻(xiàn)率達(dá)45%，與Cr、Zn、Pb、Cd 顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.90、0.81、0.78、0.75，這四種重金屬元素之間也呈強(qiáng)相關(guān)性（表2），因此它們可能有相似的富集原因。根據(jù)前人的研究，工廠生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的重金屬污染物可通過(guò)大氣沉降或隨雨水形成地表徑流沉積在附近區(qū)域[20-21]；鉻及其化合物是常用的工業(yè)原料，主要用于冶金、金屬加工、電鍍、制革、顏料等部門(mén)，這些部門(mén)產(chǎn)生的“三廢”，對(duì)土壤安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[22-23]。鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中的轉(zhuǎn)爐工序和電爐工序?qū)b、Cd、Cr 等重金屬的排放有相當(dāng)大的貢獻(xiàn)率[24]，汽修廠排放的油漆涂料等污染物中含有Cr、Cd、Pb 等重金屬[21]，六價(jià)鉻是電鍍行業(yè)產(chǎn)生的典型污染物[25]，生產(chǎn)彩鋼、管材過(guò)程中的鍍鋅工藝會(huì)導(dǎo)致Zn的排放。調(diào)查得知嘉峪關(guān)市內(nèi)重工業(yè)有以煉鋼為主的冶金部門(mén)，以生產(chǎn)鉻化合物、氣體為主的化工部門(mén)，以生產(chǎn)鋼材、石料為主的建材部門(mén)，還有汽修輪胎等重工業(yè)部門(mén)（圖5）。而嘉峪關(guān)是一個(gè)典型的鋼鐵工業(yè)城市，市內(nèi)鋼鐵企業(yè)遍布，僅酒鋼廠區(qū)面積就占嘉峪關(guān)市區(qū)面積的近1/3[11]。因此推斷主因子一反映以鋼鐵工業(yè)部門(mén)為主的工業(yè)生產(chǎn)污染源。

圖3 嘉峪關(guān)市表層土壤重金屬元素含量平面展布圖Fig.3 Spatial distribution of heavy metal concentrations in surface soil，Jiayuguan city

圖4 重金屬元素因子載荷圖Fig.4 PCA loading plot of heavy metals

表2 各重金屬皮爾森相關(guān)矩陣Table 2 Pearson correlation matrix for heavy metals

第二主因子（PC2）貢獻(xiàn)率達(dá)27%，與Cu 顯著相關(guān)，與Cd、Pb、Zn 有較強(qiáng)的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.92、0.52、0.48、0.47。根據(jù)前人的研究，Cd、Cu、Pb等是常見(jiàn)的交通源重金屬污染物，Cd 主要來(lái)源于汽車輪胎磨損及尾氣排放，Cu 主要來(lái)源于柴油燃燒及剎車片磨損，Pb主要來(lái)源于含鉛汽油燃燒及輪胎磨損[26-27]。工廠通常用重型貨車運(yùn)輸?shù)V石、鋼材、機(jī)械設(shè)備等，運(yùn)輸過(guò)程中汽車輪胎磨損嚴(yán)重；此外，南部的生活區(qū)路網(wǎng)密集（圖5），車流量大，汽車尾氣排放量大，因此主因子二假定為反映交通污染源。

第三主因子（PC3）貢獻(xiàn)率達(dá)18%，與Ni 顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.99，與Cr 也有一定的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.21，結(jié)合表2，Ni除與Cr有一定的正相關(guān)外，與其余四種重金屬元素都呈微弱的負(fù)相關(guān)，因此推斷第三主因子（PC3）反映當(dāng)?shù)乇尘爸怠?/p>

圖5 嘉峪關(guān)市路網(wǎng)及主要工廠分布圖Fig.5 Road network and locations of main factories，Jiayuguan city

2.3 重金屬元素富集評(píng)價(jià)

通過(guò)內(nèi)梅羅指數(shù)法可以評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)各采樣點(diǎn)全部重金屬的綜合富集狀況，也可評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)每種重金屬元素在全部采樣點(diǎn)的綜合富集狀況，但不能詳細(xì)反映每個(gè)采樣點(diǎn)每種元素的富集狀況，而地累積指數(shù)法可以很好地做到這一點(diǎn)。將這兩種評(píng)價(jià)方法結(jié)合可從整體和個(gè)體出發(fā)，全面系統(tǒng)地反映一個(gè)地區(qū)的土壤重金屬富集狀況。

2.3.1 內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)

內(nèi)梅羅指數(shù)法由美國(guó)學(xué)者內(nèi)梅羅在《河流污染科學(xué)分析》一書(shū)中提出，是綜合評(píng)價(jià)重金屬污染程度最常用的方法之一。該方法可以有效地估計(jì)各種重金屬對(duì)土壤環(huán)境和質(zhì)量的影響，可以全面反映各重金屬對(duì)土壤的不同作用，突出高含量重金屬對(duì)環(huán)境質(zhì)量的影響[28-30]。此種方法需先確定單因子指數(shù)，單因子指數(shù)和內(nèi)梅羅指數(shù)的計(jì)算公式分別為：

式中：Pi為單項(xiàng)污染指數(shù);Ci為污染物實(shí)測(cè)值;Si為根據(jù)需要選取的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（本文內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)選取的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為中國(guó)土壤元素質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[31]）;PN為內(nèi)梅羅指數(shù);Pˉi 為各重金屬元素單因子指數(shù)的平均值，Pimax為各重金屬元素單因子指數(shù)的最大值[28]。若PN<0.7為無(wú)富集，0.7≤PN<1.0為處于警戒線，1≤PN<2為輕度富集，2≤PN<3 為中度富集，PN≥3 為 重度富集[32]。

各采樣點(diǎn)全部重金屬的綜合富集狀況：根據(jù)表3，全部采樣點(diǎn)中有81%評(píng)價(jià)為無(wú)富集，8%處于警戒線，8%評(píng)價(jià)為輕度富集，1%評(píng)價(jià)為中度富集，2%評(píng)價(jià)為重度富集（表3）。分區(qū)來(lái)看，各功能區(qū)采樣點(diǎn)內(nèi)梅羅綜合指數(shù)（PN）平均值排序?yàn)楣I(yè)區(qū)>戈壁>生活區(qū)>農(nóng)業(yè)區(qū)（表4）,重度富集區(qū)域全部出現(xiàn)在工業(yè)區(qū)，輕度富集在工業(yè)區(qū)、戈壁、生活區(qū)均有出現(xiàn)，農(nóng)業(yè)區(qū)采樣點(diǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果全部為無(wú)富集，富集程度明顯低于其余三區(qū)。

表3 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評(píng)價(jià)Table 3 Nemero comprehensive index evaluation

表4 各功能區(qū)內(nèi)梅羅指數(shù)Table 4 Nemero index of functional areas

每種重金屬元素在全部采樣點(diǎn)的綜合富集狀況：根據(jù)表5，全部采樣點(diǎn)中有富集的重金屬元素為Cr（重度富集）、Zn和Ni（中度富集），各元素富集程度排序依次為：Cr>Zn>Ni>Cd>Pb>Cu。分功能區(qū)評(píng)價(jià)，工業(yè)區(qū)Cr 為重度富集，這里分布有大量重工業(yè)（圖5），工廠廢氣排放、廢渣堆積均可影響土壤重金屬含量。Cr、Ni 在生活區(qū)分別被評(píng)價(jià)為輕度富集和警戒線；戈壁地區(qū)僅Cr 為輕度富集，這里植被稀少，更易通過(guò)風(fēng)力搬運(yùn)接受顆粒物的沉積，根據(jù)前面的主成分分析，Cr主要是工業(yè)來(lái)源，鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中釋放的重金屬顆?？梢宰鳛槟Y(jié)核吸附水汽，并通過(guò)大氣擴(kuò)散和沉降積累在土壤表面[15]；由此考慮可以通過(guò)增強(qiáng)戈壁地區(qū)的植被覆蓋率控制其重金屬富集；生活區(qū)除來(lái)自工業(yè)區(qū)的沉降外，居民樓分布密集，人口密度大，公路遍布（圖5），車流量大，由此產(chǎn)生的生活垃圾和交通排放也有可能造成重金屬的富集。農(nóng)業(yè)區(qū)沒(méi)有被評(píng)價(jià)為富集的重金屬元素。曹春等人也曾用內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)嘉峪關(guān)市表土重金屬的富集程度分功能區(qū)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果為各功能區(qū)各重金屬元素的內(nèi)梅羅指數(shù)均<0.7（無(wú)富集）[12]，這與本文存在很大差異?？紤]一方面是時(shí)間因素，即隨著時(shí)間的推移，嘉峪關(guān)市重金屬富集有加重的趨勢(shì)；另一方面可能是采樣點(diǎn)布置因素，本文在嘉北重工業(yè)區(qū)，嘉東工業(yè)區(qū)周邊及郊區(qū)均設(shè)置了采樣點(diǎn)，而曹春等人采樣點(diǎn)主要為嘉東工業(yè)區(qū)周邊及南部生活區(qū)，嘉北重工業(yè)區(qū)采樣點(diǎn)布置較少。

2.3.2 地累積指數(shù)評(píng)價(jià)

地累積指數(shù)法由德國(guó)科學(xué)家Muller于1969年提出，該方法考慮了人為污染因素、環(huán)境地球化學(xué)背景值，還特別考慮到自然成巖作用對(duì)背景值的影響，是用來(lái)反映沉積物中重金屬富集程度的常用指標(biāo)，目前在國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用于土壤重金屬污染評(píng)價(jià)[28-29]，計(jì)算公式為:

式中：Igeo為地累積指數(shù)，Cn為元素n在沉積物中的含量；Bn為沉積物中該元素的地球化學(xué)背景值（本文地累積指數(shù)評(píng)價(jià)所用背景值為甘肅土壤元素背景值[8]）；k是為考慮各地巖石差異可能會(huì)引起背景值的變動(dòng)而取的系數(shù)（一般取值為k=1.5）[28]，若Igeo≤0為無(wú)富集，05為極強(qiáng)富集[32]。

表5 各重金屬內(nèi)梅羅綜合指數(shù)值及富集程度Table 5 Nemero comprehensive index value and accumulative effect of heavy metals

各元素的地累積指數(shù)分布情況表明（表6），全部采樣點(diǎn)中Cr 的平均值偏高；各功能區(qū)中，工業(yè)區(qū)的Cr、Pb、Zn、Ni 平均值最高，戈壁的Cd、Cu 平均值最高。整體而言，六種元素地累積指數(shù)排序依次為：Cr>Cd>Pb>Cu>Zn>Ni（表6、圖6），與內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)相比，富集程度最高的元素均為Cr，但各元素排序有所不同，這是由于內(nèi)梅羅指數(shù)突出了高含量污染物對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響[29]。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，Cr 元素在41%的采樣點(diǎn)達(dá)到了中度富集以上，包括少許的高強(qiáng)富集，Cd 在37%的采樣點(diǎn)達(dá)到中度富集—中強(qiáng)富集，Cu 在25%的采樣點(diǎn)達(dá)到中度富集，Pb 在26%的采樣點(diǎn)達(dá)到中度—中強(qiáng)富集，Ni、Zn 分別在23%和16%的采樣點(diǎn)達(dá)到中度—強(qiáng)富集。

地累積指數(shù)平面分布表明（圖7），Zn、Cr 地累積指數(shù)空間分布很不均勻，分布趨勢(shì)相似，中強(qiáng)富集以上（Igeo>2）的采樣點(diǎn)集中出現(xiàn)在嘉北工業(yè)區(qū)及周邊區(qū)域。Cd、Pb富集程度相對(duì)較低，主要在工業(yè)區(qū)及其周邊的生活區(qū)較為富集，Cd 在戈壁、農(nóng)業(yè)區(qū)均有富集，而Pb 在農(nóng)業(yè)區(qū)富集程度較低。Cu 在市區(qū)普遍有輕微—中度（0≤Igeo<2）富集，郊區(qū)富集程度稍低，空間分布較均勻，這可能與當(dāng)?shù)谻u 的背景值有一定關(guān)系。Ni 的富集程度整體偏低，在嘉北工業(yè)區(qū)部分采樣點(diǎn)有中度—強(qiáng)富集。根據(jù)前人研究，車用潤(rùn)滑油、冷凍機(jī)油和液壓油等典型廢礦物油中Zn 含量較高[33]，而Zn 富集區(qū)分布有大量汽修廠（圖5），再結(jié)合主成分分析結(jié)果可知，Zn 的富集與建材廠和汽修廠的分布有關(guān)。相對(duì)Cr、Zn、Ni 的地累積指數(shù)，Cd、Cu、Pb空間分布較均勻（圖7），這是由于嘉峪關(guān)城市化水平高，市內(nèi)路網(wǎng)密集，而交通因素（汽車尾氣、燃油、剎車片及輪胎磨損）產(chǎn)生的Cd、Cu、Pb等重金屬污染物又極易擴(kuò)散[25]。

圖6 各重金屬地累積指數(shù)箱型圖Fig.6 Box-plots of geoaccumulation index（Igeo）for heavy metals

綜合前面的分析，工業(yè)城市中，工廠周邊的土壤重金屬富集程度最高，其次為城市周邊植被覆蓋率低的地區(qū)，比如戈壁地區(qū)，以及交通繁忙的生活區(qū)，而農(nóng)業(yè)區(qū)重金屬富集程度最低。人為因素，特別是工業(yè)活動(dòng)對(duì)土壤重金屬的富集有相當(dāng)大的貢獻(xiàn)率，地表植被的缺失會(huì)加劇重金屬的富集，因此在土壤重金屬污染防治中不僅要考慮工業(yè)活動(dòng)因素，也要考慮增加地表植被覆蓋率。

3 結(jié)論

（1）嘉峪關(guān)市六種重金屬元素Cr、Cd、Cu、Pb、Ni、Zn 平 均 含 量 依 次 為281.6 mg/kg、0.35 mg/kg、60.68 mg/kg、51.39 mg/kg、108.65 mg/kg、161.0 mg/kg。分別是甘肅土壤元素背景值的401%、302%、252%、273%、309%、235%。

（2）結(jié)合內(nèi)梅羅指數(shù)與地累積指數(shù)評(píng)價(jià)，重金屬元素在各功能區(qū)綜合富集程度排序依次為：工業(yè)區(qū)＞戈壁>生活區(qū)＞農(nóng)業(yè)區(qū)。六種元素的地累積指數(shù)排序依次為：Cr>Cd>Pb>Cu>Zn>Ni。工業(yè)區(qū)采樣點(diǎn)重金屬元素富集程度最高，與工業(yè)活動(dòng)密切相關(guān)；戈壁區(qū)和農(nóng)業(yè)區(qū)的重金屬元素可能來(lái)自工業(yè)區(qū)的污染擴(kuò)散，生活區(qū)主要來(lái)自交通排放、生活垃圾；兩種評(píng)價(jià)結(jié)果均顯示Cr 的富集程度高于其余五類重金屬元素。

表6 地累積指數(shù)值（Igeo）分布情況Table 6 Distribution of geoaccumulation index（Igeo）

圖7 嘉峪關(guān)市表層土壤地累積指數(shù)空間展布圖Fig.7 Spatial distribution of the geoaccumulation index（Igeo) in surface soil, Jiayuguan city

（3）結(jié)合重金屬元素平面展布、主成分分析和元素富集程度評(píng)價(jià)，分析各元素的污染源，Cr、Zn 是以鋼鐵生產(chǎn)加工為主的工業(yè)源，Cd、Cu、Pb 為交通源，Cu 也可能與當(dāng)?shù)乇尘爸涤嘘P(guān)，Ni 可能與鋼鐵生產(chǎn)或當(dāng)?shù)乇尘爸涤嘘P(guān)。

（4）嘉峪關(guān)市戈壁采樣點(diǎn)各重金屬元素含量（除Ni 外）高于農(nóng)業(yè)區(qū)，與前人在其它地區(qū)的研究結(jié)果（農(nóng)業(yè)區(qū)高于戈壁）相反，推斷在工業(yè)城市中，地表植被的缺失會(huì)加劇重金屬的富集。

致謝 編輯老師和審稿專家提出的寶貴意見(jiàn)對(duì)論文的修改提供了很大幫助，在此表示感謝！