城市表层土壤重金属空间分布特性及影响因素

李春明

（晋中学院信息技术与工程学院，山西晋中 030600）

随着工业化、现代化、城市化的发展，环境污染尤其土壤的重金属污染问题愈来愈受到人们的广泛关注.重金属污染范围广、持续时间长、容易富集、缓慢致病、污染隐蔽、危害人体健康且不易被微生物降解等特点，决定了其在污染和危害环境中的特殊性.因此，土壤重金属污染研究便成为环境污染防治的一项最基础性的工作.近年来，我国对于城市污水排放的环境影响评价、潮滩沉积物重金属元素的空间分布特征等研究有了相当进展，研究结果表明：造成重金属含量较高的主要因素包括：人类活动、城市工业废水及生活污水排放、城市生活垃圾、采矿及汽车尾气和工业粉尘干湿沉降等[1～3].人类活动尤其是燃煤、工业锅炉、石油冶炼等排放的气体，导致大气中Hg含量增加，含Hg气体通过大气沉降等进入土壤，使土壤中Hg大量富集[4].长期用生活污水和工业污水灌溉农田必然导致土壤中重金属富集[5～6].城市生活垃圾（电池、油漆、塑料、电子产品等）也是土壤中重金属的主要来源.本文以某城市城区土壤重金属为例，采用相关分析、聚类分析、主成分分析和地统计分析等方法，研究土壤中重金属的污染空间变异规律，分析重金属空间分布特性及影响因素，从而为该地区土壤重金属污染防治和土壤环境质量评价提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 城区的划分

按照功能划分，城区一般可分为生活区、工业区、山区、主干道路区及公园绿地区等，分别记为功能区1、功能区2……功能区5，不同区域的环境受人类活动影响的程度不同.

1.2 采样与分析

根据城区分布情况采集土壤样点.土壤采样方案为规则分层抽样法，共采集土壤样品319个.将该城区划分为间距1 km左右的网格子区域，每1 km2设为1个采样点，并用GPS记录采样点的位置.根据采样点的位置、海拔高度及其所属功能区，先对数据进行预处理，把单位由m化为km并把坐标值取整近似处理，然后用MATLAB对数据插值拟合并绘制出城区的平面分布图（图1）.在每个采样点对表层土0～10 cm深度进行取样编号.为防止样品污染，在采样、样品保存和样品处理过程中，避免与金属器皿直接接触.土样在室内风干、磨碎，过100目尼龙网筛.应用专门仪器测试分析，获得了每个样本所含的8种重金属Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb和Hg化学元素的浓度数据.同时按照2 km的间距在那些远离人群及工业活动的自然区取样，将其作为该城区表层土壤中元素的背景值.

图1 各功能区分布的平面图

1.3 数据处理

数据统计分析和半方差函数计算与理论模型的选择采用GS+软件.

2 结果与分析

2.1 基本统计分析

从表1可以看出,研究区土壤重金属含量的最大值远远超出该地区的土壤环境背景值,其中As的最大含量为其背景值的7.5倍，Cd为10.1倍,Cr为23倍，Cu为150.5倍，Hg为372.1倍.Ni为8.9倍,Pb为12.8倍，Zn为45.3倍.从研究区土壤重金属含量的变异系数来看,研究区土壤Hg、Cu、Zn、Cr含量的变异系数较大,其值大于1,Pb、Cd的变异系数次之,Ni、As的变异系数较小,说明研究区土壤重金属含量的区域差异较大.比较各重金属的平均值和中值结果可以看出,重金属元素的平均值均大于中值,说明它们的分布都是正偏的,分析偏度值也同样得到此结论.峰度值是用来衡量分布是属于尖峰态还是低峰态的,当峰度值为3时属于正态分布,大于3为低峰态,小于3为尖峰态.从表1可以看出所有重金属均为低峰态.所以，对重金属含量数据进行统计学空间结构分析.

表1 表层土壤重金属含量的统计分析（n=319）

2.2 重金属分布的影响因素的分析

影响土壤中重金属分布的因素复杂多样.研究重金属之间的相关性有助于了解重金属空间分布的差异性,判断重金属分布规律的影响因素.根据对数据的分析，对城区的不同元素进行相关分析（表2），结果表明：Cr-Ni、Cd-Pb、Cr-Cu、Cu-Pb、Pb-Zn在土壤中存在显著的正相关，相关系数分别为0.715784、0.66033、0.53156、0.52007、0.49365，并在大部分样品中存在这些重金属元素，且含量增加，表现出一定程度的复合污染特征.这也说明这些重金属元素污染时存在相似性，来自相同污染源的概率相当大.

表2 城区中重金属的相关系数

由表2中的相关系数，再结合聚类分析方法对各种重金属元素进行分类（图2），结果表明，可将金属元素分为四类：Cr、Cu、Ni聚为一类，Pb、Cd、Zn聚为一类，As、Hg各为一类.其中Hg、As元素污染最为严重.Hg常温下为液态、具有挥发性的特性决定了其主要由大气传播；根据高斯扩散模型，Hg在土壤中的浓度距污染源的位置大致成正态分布；工厂废气与汽车尾气中都含有Hg，所以其污染最严重.As污染主要来源于煤炭燃烧排放含砷气体以及工业生产中含砷的废水、废渣和废气.区土壤元素质量分数较高与地球化学成因影响有关.其次，第二类元素污染最为严重，可初步判定为是由工矿企业在产品生产过程中排放的金属废弃物所引起，另外机动车排放的尾气、轮胎与地面磨擦也是Zn污染的一个重要途径.第一类元素的污染则主要是由于生活垃圾的堆积、机械制造业和金属加工业等废料、汽车尾气夹杂的重金属所引起.

通过对主成分分析，可以进一步确定污染源以及自然和人为因素对土壤重金属含量的影响.特征值的大小反映了主因子的影响力度.按特征值和特征向量累积贡献率大于85%的原则，选取2个主因子.表3的结果表明,第一和第二主因子的贡献率分别为44.50%、14.38%,说明第一主因子是影响土壤重金属来源的主要因素,其对重金属来源的贡献达到44.50%；第二主因子次之,它对重金属来源的贡献达到14.38%.由此推断第一主成分为人为因素,主要包括冶炼厂排放的废气、废水以及污水灌溉等,第二主成分为母质、地形等自然因素.表4的结果表明，As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn在主成分1上有较高的载荷，说明冶炼厂排放的废气、废水以及污水灌溉等人为因素是重金属的主要来源，而Hg在主成分2上有较高的载荷，主要受成土母质、地形等自然因素影响，这与聚类分析的结果一致.

图2 整个城区的聚类分析图

表3 土壤重金属含量的主成分分析

表4 重金属主成分因子载荷

3 讨论

重金属在土壤中的传播具有它们各自的特性：Hg可以从被污染的水中转移到土壤固相，借助腐殖质对汞的螯合及吸附作用，在土壤上层形成累积.Cd在土壤中存在的形式有水溶性和非水溶性两种.Cd容易被植物吸收，因此与Pb、Cu、Zn、As及Cr等相比较，土壤中的Cd环境容量要小得多，这是土壤Cd污染的一个重要特点.土壤中Pb的污染主要是通过空气、水等介质形成的二次污染，其在土壤中以难容化合物形式存在，因此其移动性被大大降低.土壤中的Cr多为难溶性化合物，其迁移能力一般较弱,故其残留主要积累于土壤表层.As在土壤中以水溶态、吸附态和难溶态三种形式存在且多存在于土壤表层，难以向下移动.土壤中的Cu、Zn、Ni大多以离子形式出现，且扩散现象明显，可认为土壤表面的Cu、Zn、Ni含量处于一个补给和输出的动态平衡状态.

4 结论

本研究基于统计分析与地统计分析结果表明，城区表层土壤重金属Hg污染严重,最大含量为其背景值的372.1倍.聚类分析及主成分分析的结果表明,人为因素对As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn贡献较大,冶炼厂排放的废气、废水以及污水灌溉是主要来源；Hg主要受母质、地形等结构性因素的影响.

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