劉兵昌 胡永興 張斌 張元

(甘肅省地質(zhì)調(diào)查院，甘肅 蘭州 730000)

引言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，大量重金屬物質(zhì)進入土壤造成了土壤重金屬污染問題，使得土壤環(huán)境質(zhì)量下降、土壤結(jié)構(gòu)和功能惡化，最終危害人類身體健康。因此，研究土壤重金屬污染狀況對土地分類管理、農(nóng)業(yè)安全種植、土壤污染防治以及生態(tài)文明建設(shè)具有重要的指導意義。

目前，單項污染指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法以及主成分分析法是土壤重金屬污染風險評價中最常用的方法。其中，Brus等通過單項污染指數(shù)法評價了荷蘭土壤的重金屬Cd的污染狀況[1]；郭偉等利用單項污染指數(shù)法研究發(fā)現(xiàn)，呼和浩特市不同功能區(qū)土壤重金屬出現(xiàn)了不同程度的污染，探究了研究區(qū)土壤重金屬污染的成因和來源[2]。王海燕等同時采用單項污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法2種方法評價了北京市重點功能區(qū)的土壤重金屬污染狀況，并針對不同功能區(qū)的污染狀況提出了相應(yīng)的措施[3]。王幼奇等利用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對銀川市不同城市功能區(qū)的表層土壤開展了風險評價，發(fā)現(xiàn)城市不同功能區(qū)受重金屬污染的程度不同[4]。陳曉燕等采用了單項污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法分析了黎平縣耕地土壤中As、Pb、Cr、Cd、Hg共5種重金屬的污染程度，結(jié)果表明，部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)Cd存在較重的潛在生態(tài)風險，Hg存在中度的潛在生態(tài)風險[5]。王雄軍等基于因子分析法，對比因子分析中的6個主因子，研究了太原市土壤重金屬污染的主要來源，研究結(jié)果對太原市重金屬污染治理和進一步的城市規(guī)劃提供了一定的依據(jù)[6]。土壤中的重金屬主要來源于成土母質(zhì)和人類活動的影響，因此可以通過主成分分析法有效地判別土壤中重金屬元素的污染來源[7,8]。戴彬等采用主成分分析法對山東萊蕪市鋼城區(qū)土壤重金屬的來源進行了研究，發(fā)現(xiàn)鎘、鉛和鋅主要來源于工業(yè)“三廢”、交通的排放和農(nóng)藥化肥的使用，砷和汞均來源于鋼鐵冶煉和煤炭燃燒，而銅受自然和人為因素的共同影響[9]。張繼舟等通過主成分分析得出，鉛、銅和鉻主要受自然因素的影響，鋅、鎘、鎳、汞和砷主要受人為因素的影響，主要是化肥、農(nóng)藥的大量施用以及燃煤塵[10]。

本文以蘭州市永登縣農(nóng)用地土壤為研究對象，采用多因子綜合評價法和內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價法對大通河川帶、民樂-武勝驛低山丘陵帶、秦王川盆地、莊浪河中游河谷帶和莊浪河下游河谷帶5個區(qū)域的土壤進行土壤污染風險評價，以期為區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1 研究范圍劃分

本論文研究范圍為永登縣全縣境內(nèi)的主要農(nóng)用地區(qū)域。永登縣農(nóng)用地主要分5個區(qū)塊，分別為大通河川帶、民樂-武勝驛低山丘陵帶、秦王川盆地、莊浪河谷中游帶、莊浪河谷下游帶，其余地方多為中-低山丘陵牧區(qū)，為非農(nóng)用地區(qū)，具體見表1。

表1 研究區(qū)分類表

本次工作研究單元主要是根據(jù)地形、主要農(nóng)用地分布區(qū)域、特色農(nóng)產(chǎn)品分布區(qū)域及重點監(jiān)管企業(yè)影響區(qū)域來劃分研究單元、布設(shè)樣品。根據(jù)表層土壤樣品的不同類別，本次研究單元的劃分主要按照3類標準進行劃分，一般農(nóng)用地區(qū)域主要按照地形、景觀進行劃分，相同景觀、相近地形，成片區(qū)域劃分為一個研究單元；特色農(nóng)產(chǎn)品區(qū)域主要按照特色農(nóng)產(chǎn)品實際種植區(qū)域進行研究單元劃分；重點監(jiān)管企業(yè)影響區(qū)域主要按照周邊企業(yè)的企業(yè)類型、規(guī)模及實際影響范圍進行研究單元劃分。

2 重金屬內(nèi)梅羅污染指數(shù)綜合評價

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法是相對普遍的一種綜合評價方法，計算出單項污染指數(shù)值，通過統(tǒng)計出研究區(qū)樣品8項重金屬對應(yīng)最高值，得出內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)，對研究區(qū)表層土壤污染風險進行評價，確定主要的重金屬污染物及其危害程度。

2.1 單項污染指數(shù)

計算土壤中重金屬含量與評價標準值(篩選值)比值，得到單項指數(shù)值(Pi)，按Pi值大小劃定土壤污染程度，可分為5級，見表2；重金屬含量為本研究區(qū)228個樣品8項重金屬含量值；評價標準值為風險篩選值，見表3。

表2 土壤單項污染程度分級標準

表3 農(nóng)用地土壤8種重金屬污染風險篩選值

基于全區(qū)、大通河川帶、民樂-武勝驛低山丘陵帶、秦王川盆地、莊浪河谷中游帶、莊浪河谷下游帶，分地區(qū)進行計算和評價。如表4所示，研究區(qū)莊浪河谷下游帶有1個樣品中砷單項指數(shù)值Pi=1，表明該點達到輕微污染臨界級別。研究區(qū)全部測點對應(yīng)鎘、汞等8類重金屬的單項指數(shù)值(Pi)均<1，即研究區(qū)表層土壤中鎘、汞、砷、鉛、鉻、銅、鋅、鎳8種重金屬均無污染。其中，研究區(qū)土壤中鎘、砷的單項污染指數(shù)平均值較高，鎘以莊浪河谷下游帶、莊浪河谷中游帶較為典型，砷以莊浪河谷下游帶、秦王川盆地較為典型，表明莊浪河谷下游帶等地區(qū)土壤樣品中鎘、砷污染物的實測濃度普遍較高，需引起重視。

表4 研究區(qū)土壤點位單項污染指數(shù)評價結(jié)果統(tǒng)計表

2.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)

由于單因子污染指數(shù)法只能簡單反映單個重金屬元素的污染程度，而內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)可以突出污染較重的重金屬污染物的作用，相對更全面地反映土壤的污染狀況，公式：

式中，平均單項污染指數(shù)為樣品各項重金屬相應(yīng)單項因子指數(shù)值的平均值(P均)，最大單項污染指數(shù)(P最)為樣品點8項重金屬單項因子指數(shù)值中的最大值。按土壤綜合污染指數(shù)(PN)大小，將土壤污染程度劃分為5級，見表5。

表5 土壤綜合污染程度分級表

根據(jù)以上計算方法，對研究區(qū)表層土壤中鎘、汞、砷、鉛、鎘、銅、鋅、鎳等8種重金屬進行梅羅污染指數(shù)法綜合評價，確定主要的重金屬污染物及其危害程度。結(jié)果如表6所示，研究區(qū)莊浪河谷下游帶有1個樣品中內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)值PN>0.7，該點污染等級達到Ⅱ級，即尚清潔(警戒限)；研究區(qū)莊浪河谷中游帶有1個樣品中內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)值PN=0.69，該值接近尚清潔警戒限污染級別。上述點位的最大單項污染指數(shù)(P均)為砷污染物。同時，研究區(qū)莊浪河谷下游帶內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)平均值較高，表明莊浪河谷下游帶地區(qū)土壤樣品中砷污染物含量普遍較高，值得關(guān)注。

表6 研究區(qū)土壤點位內(nèi)梅羅污染指數(shù)綜合評價結(jié)果統(tǒng)計表

3 主成分分析法綜合評價

在研究土壤8項重金屬污染物對土壤環(huán)境質(zhì)量起到的作用大小，并探討污染物之間相互關(guān)系時，本文用主成分分析的數(shù)理統(tǒng)計方法進行評價。主成分分析綜合評價方法是指找出一組變量的方差和協(xié)方差矩陣的特征量，通過降維將多個變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)綜合變量，簡化信息，達到更明確掌握主要矛盾的目的。

研究區(qū)表層土壤樣品主要采集于農(nóng)用地中，按區(qū)域劃分為大通河川帶、民樂-武勝驛低山丘陵帶、秦王川盆地、莊浪河谷中游帶、莊浪河谷下游帶等5個地區(qū)?；诒敬?類重金屬(Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn)測點數(shù)據(jù)，利用主成分分析法提取主要的污染因子，進行土壤環(huán)境質(zhì)量評價。本次研究區(qū)樣品量為228個、分析變量為8項重金屬，滿足主成分分析使用的條件(一般要求樣本數(shù)量是變量數(shù)的5倍以上，且>100例)。同時，在SPSS軟件中可用KMO檢驗和Bartlett球形檢驗來判斷原始變量之間的相關(guān)性。從研究區(qū)樣本相關(guān)矩陣可看出，變量之間存在相關(guān)性。從表7可看出，KMO值>0.7,Bartlett球形檢驗顯著性值<0.001，綜合2個指標，說明研究區(qū)8項重金屬數(shù)據(jù)之間存在相關(guān)性，可以進行主成分及因子分析。

表7 KMO和巴特利特檢驗表

3.1 主成分識別

主成分識別是以土壤污染物含量作為原始變量，通過計算8個重金屬的方差和協(xié)方差矩陣的特征量，將土壤污染物的信息進行了集中和提取，對8個重金屬變量通過降維轉(zhuǎn)化為2個綜合變量，進而從8個土壤污染物中識別出起主導作用的成分。

從表8可看出，第1和第2主成分特征值>1，且這2個主成分特征累計方差占總方差的分比大于70%，也就是說，前2個主要組成部分總結(jié)了8個監(jiān)測指標所涵蓋的大部分污染物信息，其中第1主成分包含的信息最多，達到50%以上。第3和第4主成分對總方差的貢獻很小，代表的信息較少。以特征值為縱軸，主成分為橫軸，形成碎石圖見圖1，該圖靠近縱軸陡峭的部分特征值大，包含的信息多，后面平坦的部分特征值小，包含的信息也小。由圖1可直觀看出，成分1和2包含了大部分信息，從成分3之后包含信息量較少。為了用盡可能少的指標來反映盡可能多的信息，選取第1個和第2個因子作為主成分，代表主要的農(nóng)用地土壤污染物指標[11]。

表8 觀測指標總方差分解表

圖1 主成分變量特征值曲線圖(碎石圖)

3.2 主要污染物識別分析

通過計算主成分載荷值，分析土壤污染物對主成分的貢獻率，進行主要污染物的識別。主成分載荷越大，貢獻率越大，對土壤的污染作用越大，即可認為是重要污染因子。表9中主成分載荷矩陣是8項重金屬各變量對應(yīng)于2個主成分的荷載值，反映的是主成分與變量的相關(guān)系數(shù)，絕對值越大，說明關(guān)系越密切。主成分1與8種重金屬皆呈正相關(guān)；主成分2與鎘、汞、鉛元素呈正相關(guān)，與砷、鉻、鎳元素呈負相關(guān)，與銅、鋅元素關(guān)系微弱。

由于以上主成分1、2與各污染物的相關(guān)系數(shù)差別及規(guī)律較不明顯，可通過主成分的旋轉(zhuǎn)來獲得更好的解釋。即利用方差值的大小差異，對因子荷載矩陣進行旋轉(zhuǎn)。由旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣結(jié)果看出，如表9右列所示，旋轉(zhuǎn)后矩陣中各變量對2個主成分的荷載系數(shù)差別比較明顯。第1主成分以鉻、鎳、銅、鋅、砷為主的重金屬貢獻最大，第2主成分中重金屬汞、鉻、鉛的貢獻最大。第1主成分對應(yīng)相關(guān)性值可分為5組，鉻、鎳相關(guān)值在1～0.8，銅、鋅在0.8～0.7，砷在0.7～0.6，鎘、鉛在0.6～0.4，汞為負數(shù)且數(shù)值較小，表現(xiàn)為貢獻值較低。第2主成分也有類似的規(guī)律性。因此，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)，可以看出主成分因子有了更合理的解釋。

表9 主成分載荷矩陣及旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣表

研究區(qū)8項重金屬主成分載荷的正負值可以反映出污染物的復合性，可通過旋轉(zhuǎn)后因子載荷散點圖，直觀地看出決定因子的變量，并發(fā)現(xiàn)8項重金屬之間的相互關(guān)系，見圖2。圖2中橫坐標代表提取出的第1主成分，縱坐標代表第2主成分，變量與原點的距離反映其因子載荷值，位于坐標軸原點遠端的變量具有較大的因子載荷，位于原點近端的變量具有較小的因子載荷。由圖2可知，第1主成分對應(yīng)8項重金屬皆為正值，鉻、鎳元素具有較大的載荷值；第2主成分對應(yīng)汞元素為負值；其余7項重金屬皆為正值，鎘、鉛元素具有較大的載荷值。圖2反映了汞元素的富集環(huán)境與其它重金屬存在明顯的差異性，鎘-鉛、鋅-銅、鉻-鎳3組富集成因具有相似性，砷元素富集情況較復雜，可能由農(nóng)藥、化肥和工廠排污等多源渠道形成。

圖2 旋轉(zhuǎn)后因子載荷散點圖

對變量進行的相關(guān)關(guān)系檢驗，可以進一步反映土壤污染物間的相關(guān)關(guān)系。從表10可看出，重金屬鎘-鉛、鉻-鎳、銅-鋅之間具有很強的相關(guān)性，這在一定程度上表征了土壤重金屬的組合情況，反映了幾種土壤重金屬污染物的同源性、差異性。而土壤重金屬砷與其它重金屬相關(guān)性不顯著，即沒有內(nèi)在的聯(lián)系，汞與絕大多數(shù)重金屬呈負相關(guān)關(guān)系。土壤中汞、砷可能為農(nóng)業(yè)化肥施用造成的殘留。同時近年來，隨著研究區(qū)城鎮(zhèn)化的發(fā)展，工業(yè)廠房廢氣廢水的排放，外源重金屬污染物隨著大氣沉降、雨水、地表水等方式輸入并富集到土壤中。因此，本次研究結(jié)果可以在一定程度上反映出農(nóng)用地土壤利用及環(huán)境狀況對土壤污染物含量的影響。

表10 污染物相關(guān)系數(shù)矩陣(皮爾遜相關(guān)性)

3.3 土壤環(huán)境質(zhì)量分級

研究區(qū)8項重金屬主成分代表了主要土壤污染物的富集情況和相關(guān)關(guān)系，能反映污染物對土壤的綜合作用，可根據(jù)主成分的得分大小比較分析土壤環(huán)境質(zhì)量狀況。得分較低代表污染物含量越低，土壤環(huán)境質(zhì)量越好；得分最多代表土壤污染物含量越高，土壤環(huán)境質(zhì)量越差。通過計算研究區(qū)5個地區(qū)主成分得分，對5個地區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量進行排序，將客觀反映出研究區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量狀況。

表11為各主成分的得分系數(shù)，根據(jù)得分系數(shù)計算每個觀測值在各個污染指標上的得分，據(jù)此進一步分析。主成分得分(FAC)的表達式：

第1主成分=0.042Cd-0.269Hg+0.229As+0.020Pb+0.324Cr+0.180Cu+0.178Zn+0.341Ni

第2主成分=0.373Cd+0.570Hg-0.077As+0.296Pb-0.194Cr+0.066Cu-0.061Zn-0.185Ni

從表12可看出，研究區(qū)5個地區(qū)土壤污染物總得分皆低于50，表明總體土壤環(huán)境質(zhì)量較為良好。5個地區(qū)土壤污染物總得分排序結(jié)果為，民樂-武勝驛低山丘陵帶>秦王川盆地>大通河川帶>莊浪河谷下游帶>莊浪河谷中游帶。該結(jié)果反映出莊浪河谷下游帶、莊浪河谷中游帶農(nóng)用地土壤重金屬含量較高，土壤環(huán)境質(zhì)量相對一般。

表11 主成分得分系數(shù)矩陣

表12 研究區(qū)域土壤重金屬污染物主成分得分及土壤環(huán)境質(zhì)量排序

本次調(diào)查研究結(jié)果能在一定程度上反映永登縣農(nóng)用地利用狀況對土壤污染物含量的影響。莊浪河谷中游帶農(nóng)用地土壤污染物含量相對較高，分析可能原因是工礦企業(yè)生產(chǎn)中排出的廢氣廢水，造成土壤重金屬累積。隨著研究區(qū)城鎮(zhèn)化速度的加快，人口快速增加，生活垃圾等相應(yīng)增多，農(nóng)用地周邊工業(yè)廠房等興起，As、Cr、Ni、Cu、Zn等外源重金屬污染物隨著大氣沉降、雨水、地表水等方式輸入并富集到農(nóng)用地土壤中。

4 討論

土壤重金屬內(nèi)梅羅污染指數(shù)綜合評價結(jié)果顯示，研究區(qū)莊浪河谷下游帶有1個樣品中內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)值PN>0.7，該點污染等級達到Ⅱ級，即尚清潔(警戒限)；研究區(qū)莊浪河谷中游帶有1個樣品中內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)值PN=0.69，該值接近尚清潔警戒限污染級別。這2個點位的最大單項污染指數(shù)(P均)為砷污染物。

主成分綜合評價分析結(jié)果顯示，研究區(qū)重金屬鎘-鉛、鉻-鎳、銅-鋅之間具有很強的相關(guān)性，這能在一定程度上反映上述重金屬污染物的同源性和差異性。研究區(qū)5個地區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量整體較為良好，土壤環(huán)境質(zhì)量排序結(jié)果為，民樂-武勝驛低山丘陵帶>秦王川盆地>大通河川帶>莊浪河谷下游帶>莊浪河谷中游帶。該結(jié)果反映出莊浪河谷下游帶、莊浪河谷中游帶農(nóng)用地土壤重金屬含量較高，土壤環(huán)境質(zhì)量相對一般。