铅锌厂周围土壤中重金属空间分布特征

王成军，孙大林，刘 勇,，刘 华，冯 涛

（1.西安建筑科技大学 管理学院，西安 710055；2.西安建筑科技大学 理学院，西安 710055)

铅锌厂周围土壤中重金属空间分布特征

王成军1，孙大林1，刘 勇1,2，刘 华1，冯 涛1

（1.西安建筑科技大学 管理学院，西安 710055；2.西安建筑科技大学 理学院，西安 710055)

通过对某铅锌厂周围土壤的地形、气候调查分析，在该铅锌厂周围纵向和横向共设27个取样点，进行实地取样和样品分析，根据分析结果探讨了该铅锌厂周围土壤中重金属空间分布特征并确定了铅锌厂的污染区域。重金属的描述性统计分析结果表明，造成土壤重金属污染的重金属主要是Pb、Cd和Cr；重金属空间分布表明，Pb和Cd主要分布在铅锌厂周围，Cu和Cr的浓度由东南向西北方向渐次增加，Ⅱ级污染区域为0～6 km，复合污染区域为0.5～3 km；重金属浓度相关分析表明，铅锌厂周围土壤中的重金属可能来自两个污染源，Pb和Cd的污染源是铅锌厂，其中通过研究土壤的空间分布特征与各重金属的同源关系,可以确定污染区域与污染源的数量，为后期确定污染源及土壤中重金属污染的防治提供基础数据 。

重金属；空间分布特征；相关分析

随着我国工业化进程的加快，重金属污染日益严重，由于重金属易于积累，其转化形成的甲基化合物毒性更大，严重危害人类健康，因此，研究土壤中重金属空间分布特征对于土壤环境质量评价和土壤污染综合防治具有十分重要的意义（胡克林等，2004）。对此，国内外学者做了很多关于重金属污染的研究。陈秀端等（2011）研究西安二环内城市表层土壤中Co、Cr、Cu、Pb、Zn的空间分布特征发现，西安市二环内表层土壤中Co、Cr、Cu、Pb、Zn具有明显的高值带和高值区；张长波和李志博（2006）采集了浙江省污染场地的174个表层土壤样品，测定了7种重金属含量，研究了这些重金属含量的空间变异性。柳云龙和章立佳（2012）采用地统计学方法对上海郊区表层土壤样品Cu、Zn、Pb、Cr、Mn共5种重金属的空间变异结构和分布格局进行分析发现，表层土壤Cu、Cr、Mn、Pb、Zn均属中等变异，Mn、Cr呈正态分布，Cu、Pb、Zn呈对数正态分布；Facchinelli et al（2001）和Cattle et al（2002）利用多元统计和地统计相结合的方法来研究环境中污染物的来源、分布、归趋等问题。现有的关于铅锌冶炼厂周围土壤中重金属的研究主要集中在污染评价领域，仅有的一些研究只是对空间分布特征的分析，并没有确定污染区域和污染源数量，而且它们一般只针对2～3种重金属元素，元素涵盖程度还不够全面，有关确定铅锌厂周边土壤中多种重金属元素空间分布特征并确定污染区域和污染源数量尚未见深入研究。

1 材料与方法

1.1 土壤采样区域概况

本文以某县的铅锌厂为对象，研究了此厂周围的土壤样本中的7种重金属的空间分布特征。铅锌厂地势总体表现为西北高、东南低。北部以山地丘陵为主，有绵延起伏的千山支脉老爷岭，地形起伏，沟谷发育，水土流失严重；南部则主要为黄土台源，西北高、东南低。海拔595～1678 m，气候类型为半湿润、半干旱的暖温带季风气候，常年盛行东南风和西北风，年平均气温11.5℃，历史上出现的极端最高气温为40.2℃，极端最低气温为−19.2℃，年平均降水量610 mm，无霜期207天。该铅锌厂采用ISP冶炼技术，年产铅锌20万吨，于2005年投产运行。

1.2 样品的采集

2013年7月通过对铅锌厂进行科学考察，根据铅锌厂的地形及气候的影响，采用网格法布点，对局部浓度变化较大的区域加密，采样布点如图1。每个采样点都用GPS定位，并记录取样点的环境，取样时采用多点取样，以梅花型方式在周边取10个子样品，混合后采用四分法获得1 kg左右的样品，共采集土样27个。

图1 铅锌厂附近土壤采样点Fig.1 Soil sampling points of lead-zinc factory

1.3 分析方法

土壤风干后，分别过10目、20目土筛，并取部分土样研磨，过100目土筛，供分析使用，土壤依据JY/T 015-1996电感耦合等离子体原子发射光谱方法进行样品消解，即Cr、Cu、Pb、Zn等称取0.1 g干燥底泥样品，依次加入一定量的硝酸、盐酸、高氯酸、氢氟酸，用超纯水定容到20 mL，采用PE5300DV型电感耦合等离子直读光谱仪进行检测。

2 结果与分析

2.1 土壤中重金属的描述统计分析

本文应用SPSS 20.0软件对这些样本进行描述统计如表1，表中相对丰度表示土壤中每种重金属元素的含量占重金属总体含量的百分比，变异系数是反映数据离散程度的绝对值，偏度是表征概率密度分布曲线相对于平均值不对称程度的特征数，峰度是表征概率密度分布曲线在平均值处峰值高低的特征数，简单来说，峰度是描述分布形态的陡缓程度，二级标准值是指国家土壤环境质量二级标准值。

Cr、Cu、Zn、Pb、As、Cd和Hg的均值分别为129.8mg·kg−1，31.09 mg·kg−1，122.5 mg·kg−1，56.02 mg·kg−1，15.83 mg·kg−1，1.008 mg·kg−1，0.225 mg·kg−1，均已超过了当地背景值，但都没有超过国家二级标准中的土壤环境质量限定值，有部分样品的Cr、Cd和Pb的含量超过了限定值，表明铅锌厂周围局部地区土壤已受到重金属Cr、Cd和Pb的污染，应该予以重视。Cr的相对丰度为36.41%，Zn的相对丰度为34.36%，Pb的相对丰度为15.71%，这3种重金属占土壤中重金属总数的86.48%，表明Cr、Zn和Pb在土壤中的比重很大，而这三种重金属也成为后期环境治理的重点。同时Cr的变异系数为97.2%，Hg的变异系数为97.5%，远高于其他元素，表明Cr和Hg的变异程度极大，分布不均匀，具有极大的离散性；Cu和As的变异系数为10.1%和13.7%，低于其他元素，表明Cu和As的分布比较均匀，具有较小的离散性。重金属的频度分布趋向于正偏，Cu、Zn、As和Cd的偏度很小，趋近0，说明它们基本符合正态分布，其他元素为偏态分布。Cr和Hg的峰度是9.315和11.95，远大于0，说明Cr和Hg的分布很不均匀，具有很大的离散性，验证了上述变异系数得出的结论。通过以上的分析可以确定土壤中每种重金属所占的比率以及每种重金属的基本分布规律，并判断土壤主要受何种重金属污染。

表1 土壤中重金属的描述性统计分析结果 （mg·kg−1）Table 1 Results of heavy metal in soil for descriptive statistics （mg·kg−1）

2.2 土壤中重金属空间分布特征

通过以上分析，我们得到土壤中重金属的一些基本分布特征，为进一步获取土壤中重金属的具体空间分布特征，我们在铅锌厂周围纵向和横向共设27个取样点进行实地取样，并经过实验测定分析出土壤样本中7种重金属的含量，然后运用matlab软件对数据进行处理，在充分考虑地理环境因素、气象条件等因素的情况下，利用插值法绘制重金属Cr、Cu、Zn、Pb、As、Cd和Hg厂区周围重金属浓度分布图（图2）。

图中颜色由浅到深表示重金属元素浓度值的增大，圆圈是根据各种重金属浓度相同的点描绘而成的等值线，图中的小点代表取样检测点，黑色的正方形表示铅锌厂的位置。

Zn的浓度分布图表明Zn在东南和西北方向浓度最高，在东北方向浓度很低；Cu在西北方向浓度最高，在东南方向浓度最低；Cr与Cu类似，浓度最高的地方出现在西北方向，在东南方向浓度最低，沿西北—东南方向浓度渐次降低；Pb在东南方向浓度最高，沿东南—西北方向浓度渐次降低；Cd在东南方向浓度高，其余的地方浓度都比较低；As整体浓度比较小，浓度最高的地方出现在西南方向；Hg整体浓度不高，浓度最高的地方出现在东南和西北方向。

图2表明各种重金属的空间分布存在显著差异，且每种重金属都是非均匀分布，因此围绕铅锌厂形成一个“污染区域”。根据土壤环境质量标准GB15618-2008的规定，Ⅱ级标准主要适用于一般农田、蔬菜的土壤，土壤质量基本对植物和环境不造成危害，所以我们将各重金属大于土壤环境质量二级标准值（旱地，pH＞7.5）的地区称为Ⅱ级污染区域，将Ⅱ级污染区域中各种重金属交叉污染的区域称为复合污染区域。根据表1我们可以得出造成土壤重金属污染的主要元素为Pb、Cr和Cd，据此我们划出铅锌厂周围土壤重金属污染区域如图3。

图中污染区域颜色由浅到深代表重金属浓度增大，污染逐渐增加，其中污染最严重的为黑色区域，代表各种重金属的交叉污染区域，即复合污染区域。复合污染区域共有两处，标号为A的黑色椭圆形区域是指Cd和Cr双重污染区域，标号为B的黑色三角区域是指Pb和Cd双重污染区域，上图表明铅锌厂附近的重金属污染区域是沿东南—西北方向呈条状分布；因为在纬度34°的区域1经度等于92公里，1纬度等于111公里，我们将X轴换成每刻度0.92 km，Y轴换成每刻度1.11 km，根据坐标轴求出铅锌厂与污染区的距离。运用直线扫描法得出Ⅱ级污染区域为0～6 km，复合污染区域为0.5～3 km。确定铅锌厂周围土壤中重金属的污染区域并确定污染区域与铅锌厂的距离，对今后有的放矢治理铅锌企业重金属污染和铅锌厂周围防控体系的建立都具有重要的意义。

图2 厂区周围7种重金属的浓度分布图Fig.2 The concentration distribution figure of the 7 kinds of heavy metal around the plant

图3 厂区周围重金属复合污染区域Fig.3 The heavy metal contamination pollution area around the plant area

3 讨论

通过以上重金属元素空间分布的分析结果，我们确定土壤中重金属的污染区域主要分布在东南方和西北方，由于此地盛行东南风和西北风，所以风向可能是导致污染区域这样分布的一个因素，但若只是风向的原因，污染区域应该以铅锌厂为界，东南方和西北方都应该有同种重金属元素的污染区域，这与实际不符，因此风向不是导致污染区域不规则的唯一因素，一定还存在其他的污染源。为了确定污染源的种类和数量，进一步探索重金属元素的空间分布特征，我们还需要进行相关性分析。根据27个取样点的取样数据，我们应用SPSS 20.0软件对铅锌厂周围土壤中重金属浓度进行Pearson相关分析，分析结果如下表2。

表2 重金属浓度Pearson相关矩阵Table 2 Pearson's correlation matrix for the metal concentrations

上述矩阵中，土壤中重金属的相关系数即土壤中各重金属的相关程度的大小，数值越大，表明两种重金属的相关程度越大，正数表示正相关，负数表示负相关。相关系数大于等于0.8时，两变量间高度相关，大于等于0.5小于0.8时，两变量中度相关，大于等于0.3小于0.5时，两变量低度相关，小于0.3说明相关程度弱，基本不相关。

表2表明，土壤中各重金属的相关性存在显著差异，Pb和Cd的相关系数为0.694，大于0.5小于0.8，为中度相关，表明Pb和Cd来自同一污染源。再结合图3可以看出，Pb和Cd的复合污染区域都在铅锌厂附近，Pb的污染区距离铅锌厂大约500 m的复合污染区域，Cd的污染区包含铅锌厂，再加上铅锌厂每年排放大量的Pb和Cd，使得铅锌厂附近的土壤中Pb和Cd的浓度明显比别的地区浓度高，由此我们推断Pb和Cd的污染源是铅锌厂。Cr和Pb的相关系数为0.048，和Cd的相关系数为0.066，小于0.3，表明Cr与Cd、Pb相关性较小，由此我们认为Cr与Cd、Pb不是来自同一污染源，即Cr的污染源不是铅锌厂。

4 结论

（1）铅锌厂周围土壤中重金属的统计分析结果表明，铅锌厂附近土壤中重金属元素Pb、Cr和Zn占主导地位；部分土壤样品Pb、Cd和Cr超过了国家土壤环境质量二级标准，污染严重；Cr和Hg属于强变异，Cu和As属于弱变异；Cu、Zn、As和Cd符合正态分布，其他重金属元素为偏态分布。

（2）铅锌厂周围土壤中重金属空间分布特征表明，土壤中重金属的空间分布存在差异，其中Pb和Cd具有极为相似的空间分布格局，表现为东南—西北渐次降低的趋势，Cu和Cr的空间分布一致，呈现出东南—西北渐次增加的趋势，Zn和Hg则呈现出块状分布的特点，它们的最高值和次高值发生在东南和西北方向，最低值在东北方向。

（3）厂区周围重金属污染区域图表明，造成铅锌厂周围土壤污染的重金属主要是Pb、Cd和Cr，它们的污染区域是沿东南-西北方向，呈条状分布，Ⅱ级污染区域为0～6 km，复合污染区域为0.5～3 km。

（4）重金属浓度相关分析表明Pb和Cd中度相关，来自同一污染源，结合厂区周围重金属污染区域图得出Pb和Cd的污染源是铅锌厂，Cr与Pb和Cd基本不相关，表明Cr来自另外的污染源，铅锌厂周围土壤中重金属污染来自两个污染源。

（5）本文研究了铅锌厂周围土壤空间分布特征，确定污染区域和污染源数量，为后期确定污染源与治理土壤中重金属污染提供基础性工作，对土壤环境质量评价和土壤污染综合防治具有十分重要的意义。

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Spatial distribution of the soil heavy metal around the lead-zinc plant

WANG Cheng-jun1, SUN Da-lin1, LIU Yong1,2, LIU Hua1, FENG Tao1
(1. School of Management, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710055, China; 2. School of Science, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710055, China)

To investigate the spatial distribution of heavy metals in soil and determine the contaminated area around the lead-zinc plant, we set 27 sampling points around the lead-zinc plant along longitudinal and transverse direction. Descriptive statistical analysis results showed that soil heavy metal pollution mainly caused by Pb, Cd and Cr. Spatial distribution of heavy metals shows that Pb and Cd are mainly distributed around the lead-zinc plant, Cu and Cr increase gradually from southeast to northwest. The range of Level Ⅱ is 0～6 km, and the range of composite contaminated area is 0.5～3 km. The concentration correlation analysis about heavy metals shows that heavy metals in soil around the lead-zinc plant may have two sources of pollution. The sources of Pb and Cd are lead-zinc factory. By studying the spatial distribution of soil characteristics and various heavy metals in homologous relationships, we can determine the pollution area and the number of pollution sources, besides, it rovides basic data for soil heavy metals pollution and following prevention.

heavy metals; spatial distribution; correlation analysis

X53

A

1674-9901(2014)01-0036-06

10.7515/JEE201401006

2013-12-24

国家环境保护公益性行业科研专项项目（201109053)；陕西省教育厅专项科研计划项目（12JK0861）

王成军，E-mail: cjwangxa@126.com