土壤中重金屬污染源分析研究

劉高杰，胡立琴，何兆容

(1.成都理工大學 管理科學學院，四川 成都 610059;2.成都理工大學 數學地質四川省重點實驗室，四川 成都 610059)

0 引 言

隨著工業發展和城市化進程的加劇，由交通運輸、工業排放與生活垃圾等造成的城市土壤重金屬污染日益嚴重.隨著城市經濟的快速發展和土地利用形式的多樣化而形成的不同城市功能區在人居環境質量、城市生態功能等方面有著重要的作用［1］.分析不同功能區表層土壤重金屬的污染，通常采用單因子污染指數法、綜合污染指數法、模糊數學法、普通概率統計法等評價方法，但這些方法存在一定的局限性［2］.對此，本研究采用3 種綜合性的方法對某市重金屬污染源評價進行對比分析，旨在更準確找出土壤的重金屬污染來源，為城市污染的控制和管理提供更為行之有效的措施與思路.

1 元素間的相關關系

由于城市土壤重金屬來源于成土母質和人類活動，同一來源的重金屬之間存在著相關性，通過對原始數據(2011年全國大學生數學建模競賽數據)進行處理，得到某市重金屬的R 型聚類分析譜系圖，如圖1 所示.通過聚類分析將重金屬元素分為2 類:As、Pb、Cd 與Cr、Cu、Hg、Ni、Zn，其中與主要重金屬Hg 相關度較高的元素有As、Pb、Cd、Ni，這說明它們具有相同的污染源;而Hg 與Zn、Cr、Cu 之間相關性較差，表明這些重金屬來源相對復雜，其污染源難以確認.

圖1 8 種重金屬R 型聚類分析譜系圖

為進一步明確該市土壤中重金屬的污染來源，對上述8 種重金屬元素進行主成分分析［3－4］，其處理結果見表1、圖2.

表1 主成分分析表

圖2 8 種元素在3 個主成分上的載荷量和污染貢獻程度

從表1、圖2 可知，3 個主成分中，第一主成分PCA1 的貢獻率為44.5%，且因子變量在各元素具有相似的載荷量，雖不能確定主要污染元素，但反映了工業污染可能是其主要的污染來源之一.由第二主成分PCA2 得出Hg、Cu、Pb 具有較大載荷量.而在第三主成分PCA3 中，可以明確看出，As 、Pb、Cd占有較大比重，其對城市污染具有較高貢獻率.由于As、Hg、Cd、Cu 主要是由工廠冶煉過程中產生，Pb 主要來源于工廠污水排放和汽車尾氣排放，Hg 主要來源于廢水排放和垃圾燃燒.據此可知，該城市的污染主要來源于工廠金屬冶煉、污水排放、汽車尾氣及生活垃圾.

2 不同功能區重金屬的富集系數

為了更好地描述各種金屬的分布特征，本研究采用等勢線圖和富集系數這一表示污染程度的指標，其計算方法為，

富集系數= Cij/Di

其中，Cij為各重金屬元素在城市各功能區采樣點的均值，Di為各重金屬的背景值.

8 種重金屬元素的富集系數計算結果如圖3 所示.

圖3 8 種重金屬元素的富集系數柱狀圖

由圖3 可知，該城市不同功能區土壤中重金屬含量差別較大，其中Hg 的含量從工業區、主干道路區和公園綠地區依次減少，Cu 的含量從高到低順序依次為工業區、主干道路區和生活區，Zn 在工業區含量最高，在其他功能區相差不大，其他金屬在城市各功能區含量較低，差異不明顯.

3 不同功能區重金屬的污染特征

3.1 重金屬的污染程度

目前，重金屬污染程度的評價方法，大致包括生態危害指數法、地積累指數法、單因子指數法和內梅羅綜合污染指數法等［5－6］.本研究采用單因子指數法和內梅羅綜合污染指數法來評價不同功能區的土壤受到重金屬污染的程度，其計算公式為，

式中，Pi為土壤中i 元素的污染指數，P綜為土壤中重金屬元素的綜合污染指數，i 為重金屬的種類，Ci為重金屬元素的實測濃度，Si為重金屬元素i 的環境背景值;n 為參與評價的重金屬種類總數［7］.土壤污染程度評價標準如表2、3 所示.

表2 土壤中各元素污染程度分級標準

表3 土壤綜合污染程度分級標準

根據單因子指數法和內梅羅綜合污染指數法以及表2、3 中的數據，得出該城市生活區、工業區、山區、主干道路區及公園綠地區的土壤重金屬單因子污染指數和內梅羅綜合污染指數如表4 所示.

從表4 可以看出，該城市5 類區域土壤中均有重金屬污染，各重金屬污染存在一定的差異.重金屬Cu、Hg、Cd、Pb、Zn 在工業區的污染指數均超過了重度污染的界限值，屬于重度污染;Cu 和Zn 在生活區為重度污染，Cd、Cr、Hg 和Pb 在該區為中度污染;在主干道路區，Cu、Hg 和Zn 的污染指數為重度污染，Cd 和Pb 造成中度污染;在公園綠地區，Hg 污染指數為重度污染;Cd、Cu 和Zn 的污染指數為中度污染.綜合所有數據可以得出，工業區、主干道路區、生活區、公園綠地區和山區的重金屬的污染程度依次遞減.

表4 土壤重金屬單因子污染指數和內梅羅綜合污染指數

3.2 8 種重金屬空間分布特征

該城市8 種重金屬的空間分布特征等高線圖如圖4 所示.

圖4 8 種重金屬空間分布圖

由圖4 可知，該城市8 種重金屬的濃度最高點所在區域為:Cu、Pb、Zn 的濃度較高點主要在生活區和工業區，As 、Cd 、Hg 濃度較高點在工業區和主干道路區，且各金屬元素在工業區的濃度相對較大，而Ni 和Cr 的濃度較高點在主干道道路區和生活區，Cr 在生活區濃度相對較大.

4 結 論

1)由單因子指數分析和圖3 可知，金屬Cu、Hg、Cd、Pb 在工業區的污染指數屬于重度污染;As、Cu、Cd、Hg 和Pb 在生活區的污染指數為重度污染;在主干道路區，Hg、Cd 和Pb 的污染指數為中、重度污染;在公園綠地區，Hg 的污染指數為重度污染，Cd 的污染指數為中度污染.

2)由卡梅羅綜合污染指數結論可知，該城市內不同功能區重金屬的污染程度從大到小依次為工業區、主干道路區、生活區、公園綠地區、山區.而該方法并不能得出城市各重金屬污染程度，只是對該市各區的污染狀況做出粗略的評價.

3)由重金屬金屬空間分布圖可知元素的濃度較高點均集中在工業區、主干道路區和生活區，可知工業區、主干道路區和生活區污染較為嚴重.由R型聚類分析知Pb、As、Hg 具有較大的相關性，而Hg與Cu 的相關性極差，雖然Hg 污染較強的地方分布與Cu 類似，但結合相關性分析結果，發現這2 種元素在整個城區的數據沒有明顯相關性，所以只從空間分布圖不能判斷元素相關性，類似地，相關性較差的元素污染源未必不同.由主成分分析可知，Hg、Cu、Pb、As 、Cd 在主成分中占較大比重.由此可知，該城市土壤的污染源主要來源于工業污水排放、生活垃圾以及汽車尾氣的排放.

4)主成分分析法結合元素空間分布不僅能夠描述各元素在各區和城市的污染貢獻比重，又能得出主要污染功能區的污染程度，相對于單因子指數和卡梅羅綜合污染指數分析法在污染評價方面更全面、更合理.

［1］劉煒，馬文秀.庶坊市土壤重金屬現狀研究［J］.北方環境，2011，23(1):125－126.

［2］鄭海龍，陳杰，鄧文靖，等.城市邊緣帶土壤重金屬空間變異及其污染評價［J］.土壤學報，2006，43(1):39－45.

［3］Buccianti A.Is compositional data analysis a way to see beyond the illusion?［J］.Comp Geosci，2013，50(1):165－173.

［4］Cheng Q M，Bonham－Carter G，Wang W L，et al.Aspatially weighted principal component analysis for multi-element geochemical data for mapping locations of felsic intrusions in the Gejiu mineral district of Yunnan，China［J］.Comp Geosci，2011，37(5):662－669.

［5］段雪梅，蔡煥興，巢文軍.南京市表層土壤重金屬污染特征及污染來源［J］.環境科學與管理，2010，35(10):31－33.

［6］左一鳴，崔廣柏，顧令宇，等.太湖水質指標因子分析［J］.遼寧工程技術大學學報，2006，25(2):312－314.

［7］尹駿，柳云龍.上海市城郊土壤重金屬空間分布及其污染評價［J］.現代農業科技，2010，10(3):251－255.

［8］Pen-mouratov S，Shukurov N，Steinberger Y.Influence of industrial heavy metal pollution on soil free-living nematode population［J］.Env Poll，2008，152(1):172－183.

［9］鄧秋靜，宋春然，何錦林，等.貴陽市耕地土壤重金屬分布特征及評價［J］.土壤，2006，38(1):53－60.

［10］Geagea M L，Stille P，Gauthier-lafaye F，et al.Tracing of industrial aerosol sources in an urban environment using Pb，Sr，and Nd isotopes［J］.Env Sci Technol，2008，42(3):692－698.

［11］魯斐，李磊.主成分分析法在遼河水質評價中的應用［J］.水利科技與經濟，2006，10(10):660－662.