甘肅省永登縣土壤重金屬污染現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

劉兵昌 胡永興 張斌 張?jiān)?/p>

(甘肅省地質(zhì)調(diào)查院，甘肅 蘭州 730000)

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量重金屬物質(zhì)進(jìn)入土壤造成了土壤重金屬污染問(wèn)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(lèi)身體健康。因此，研究土壤重金屬污染狀況對(duì)土地分類(lèi)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(dǎo)意義。

目前，單項(xiàng)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中最常用的方法。其中，Brus等通過(guò)單項(xiàng)污染指數(shù)法評(píng)價(jià)了荷蘭土壤的重金屬Cd的污染狀況[1]；郭偉等利用單項(xiàng)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(lái)源[2]。王海燕等同時(shí)采用單項(xiàng)污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法2種方法評(píng)價(jià)了北京市重點(diǎn)功能區(qū)的土壤重金屬污染狀況，并針對(duì)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(duì)銀川市不同城市功能區(qū)的表層土壤開(kāi)展了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，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(xiàng)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(fēng)險(xiǎn)，Hg存在中度的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[5]。王雄軍等基于因子分析法，對(duì)比因子分析中的6個(gè)主因子，研究了太原市土壤重金屬污染的主要來(lái)源，研究結(jié)果對(duì)太原市重金屬污染治理和進(jìn)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(lái)源于成土母質(zhì)和人類(lèi)活動(dòng)的影響，因此可以通過(guò)主成分分析法有效地判別土壤中重金屬元素的污染來(lái)源[7,8]。戴彬等采用主成分分析法對(duì)山東萊蕪市鋼城區(qū)土壤重金屬的來(lái)源進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)鎘、鉛和鋅主要來(lái)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(lái)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(guò)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(duì)象，采用多因子綜合評(píng)價(jià)法和內(nèi)梅羅污染指數(shù)評(píng)價(jià)法對(duì)大通河川帶、民樂(lè)-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(gè)區(qū)域的土壤進(jìn)行土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，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(gè)區(qū)塊，分別為大通河川帶、民樂(lè)-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(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)分類(lèi)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(diǎn)監(jiān)管企業(yè)影響區(qū)域來(lái)劃分研究單元、布設(shè)樣品。根據(jù)表層土壤樣品的不同類(lèi)別，本次研究單元的劃分主要按照3類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分，一般農(nóng)用地區(qū)域主要按照地形、景觀進(jìn)行劃分，相同景觀、相近地形，成片區(qū)域劃分為一個(gè)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(shí)際種植區(qū)域進(jìn)行研究單元?jiǎng)澐郑恢攸c(diǎn)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(lèi)型、規(guī)模及實(shí)際影響范圍進(jìn)行研究單元?jiǎng)澐帧?/p>

2 重金屬內(nèi)梅羅污染指數(shù)綜合評(píng)價(jià)

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法是相對(duì)普遍的一種綜合評(píng)價(jià)方法，計(jì)算出單項(xiàng)污染指數(shù)值，通過(guò)統(tǒng)計(jì)出研究區(qū)樣品8項(xiàng)重金屬對(duì)應(yīng)最高值，得出內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)，對(duì)研究區(qū)表層土壤污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定主要的重金屬污染物及其危害程度。

2.1 單項(xiàng)污染指數(shù)

計(jì)算土壤中重金屬含量與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值(篩選值)比值，得到單項(xiàng)指數(shù)值(Pi)，按Pi值大小劃定土壤污染程度，可分為5級(jí)，見(jiàn)表2；重金屬含量為本研究區(qū)228個(gè)樣品8項(xiàng)重金屬含量值；評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值為風(fēng)險(xiǎn)篩選值，見(jiàn)表3。

表2 土壤單項(xiàng)污染程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表3 農(nóng)用地土壤8種重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值

基于全區(qū)、大通河川帶、民樂(lè)-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(jìn)行計(jì)算和評(píng)價(jià)。如表4所示，研究區(qū)莊浪河谷下游帶有1個(gè)樣品中砷單項(xiàng)指數(shù)值Pi=1，表明該點(diǎn)達(dá)到輕微污染臨界級(jí)別。研究區(qū)全部測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)鎘、汞等8類(lèi)重金屬的單項(xiàng)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(wú)污染。其中，研究區(qū)土壤中鎘、砷的單項(xiàng)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(shí)測(cè)濃度普遍較高，需引起重視。

表4 研究區(qū)土壤點(diǎn)位單項(xiàng)污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)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(jiǎn)單反映單個(gè)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(duì)更全面地反映土壤的污染狀況，公式：

式中，平均單項(xiàng)污染指數(shù)為樣品各項(xiàng)重金屬相應(yīng)單項(xiàng)因子指數(shù)值的平均值(P均)，最大單項(xiàng)污染指數(shù)(P最)為樣品點(diǎn)8項(xiàng)重金屬單項(xiàng)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(jí)，見(jiàn)表5。

表5 土壤綜合污染程度分級(jí)表

根據(jù)以上計(jì)算方法，對(duì)研究區(qū)表層土壤中鎘、汞、砷、鉛、鎘、銅、鋅、鎳等8種重金屬進(jìn)行梅羅污染指數(shù)法綜合評(píng)價(jià)，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(gè)樣品中內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)值PN>0.7，該點(diǎn)污染等級(jí)達(dá)到Ⅱ級(jí)，即尚清潔(警戒限)；研究區(qū)莊浪河谷中游帶有1個(gè)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(jí)別。上述點(diǎn)位的最大單項(xiàng)污染指數(shù)(P均)為砷污染物。同時(shí)，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(diǎn)位內(nèi)梅羅污染指數(shù)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

3 主成分分析法綜合評(píng)價(jià)

在研究土壤8項(xiàng)重金屬污染物對(duì)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(shí)，本文用主成分分析的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。主成分分析綜合評(píng)價(jià)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(guò)降維將多個(gè)變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)綜合變量，簡(jiǎn)化信息，達(dá)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(lè)-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(gè)地區(qū)。基于本次8類(lèi)重金屬(Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用主成分分析法提取主要的污染因子，進(jìn)行土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)。本次研究區(qū)樣品量為228個(gè)、分析變量為8項(xiàng)重金屬，滿(mǎn)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(shí)，在SPSS軟件中可用KMO檢驗(yàn)和Bartlett球形檢驗(yàn)來(lái)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(yàn)顯著性值<0.001，綜合2個(gè)指標(biāo)，說(shuō)明研究區(qū)8項(xiàng)重金屬數(shù)據(jù)之間存在相關(guān)性，可以進(jìn)行主成分及因子分析。

表7 KMO和巴特利特檢驗(yàn)表

3.1 主成分識(shí)別

主成分識(shí)別是以土壤污染物含量作為原始變量，通過(guò)計(jì)算8個(gè)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(jìn)行了集中和提取，對(duì)8個(gè)重金屬變量通過(guò)降維轉(zhuǎn)化為2個(gè)綜合變量，進(jìn)而從8個(gè)土壤污染物中識(shí)別出起主導(dǎo)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(gè)主成分特征累計(jì)方差占總方差的分比大于70%，也就是說(shuō)，前2個(gè)主要組成部分總結(jié)了8個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)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(dá)到50%以上。第3和第4主成分對(duì)總方差的貢獻(xiàn)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(jiàn)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(biāo)來(lái)反映盡可能多的信息，選取第1個(gè)和第2個(gè)因子作為主成分，代表主要的農(nóng)用地土壤污染物指標(biāo)[11]。

表8 觀測(cè)指標(biāo)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(shí)別分析

通過(guò)計(jì)算主成分載荷值，分析土壤污染物對(duì)主成分的貢獻(xiàn)率，進(jìn)行主要污染物的識(shí)別。主成分載荷越大，貢獻(xiàn)率越大，對(duì)土壤的污染作用越大，即可認(rèn)為是重要污染因子。表9中主成分載荷矩陣是8項(xiàng)重金屬各變量對(duì)應(yīng)于2個(gè)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(duì)值越大，說(shuō)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(fù)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(guò)主成分的旋轉(zhuǎn)來(lái)獲得更好的解釋。即利用方差值的大小差異，對(duì)因子荷載矩陣進(jìn)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(duì)2個(gè)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(xiàn)最大，第2主成分中重金屬汞、鉻、鉛的貢獻(xiàn)最大。第1主成分對(duì)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(fù)數(shù)且數(shù)值較小，表現(xiàn)為貢獻(xiàn)值較低。第2主成分也有類(lèi)似的規(guī)律性。因此，經(jīng)過(guò)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(xiàng)重金屬主成分載荷的正負(fù)值可以反映出污染物的復(fù)合性，可通過(guò)旋轉(zhuǎn)后因子載荷散點(diǎn)圖，直觀地看出決定因子的變量，并發(fā)現(xiàn)8項(xiàng)重金屬之間的相互關(guān)系，見(jiàn)圖2。圖2中橫坐標(biāo)代表提取出的第1主成分，縱坐標(biāo)代表第2主成分，變量與原點(diǎn)的距離反映其因子載荷值，位于坐標(biāo)軸原點(diǎn)遠(yuǎn)端的變量具有較大的因子載荷，位于原點(diǎn)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(duì)應(yīng)8項(xiàng)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(duì)應(yīng)汞元素為負(fù)值；其余7項(xiàng)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(fù)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(diǎn)圖

對(duì)變量進(jìn)行的相關(guān)關(guān)系檢驗(yàn)，可以進(jìn)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(qiáng)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(méi)有內(nèi)在的聯(lián)系，汞與絕大多數(shù)重金屬呈負(fù)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(shí)近年來(lái)，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(duì)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(jí)

研究區(qū)8項(xiàng)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(duì)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(guò)計(jì)算研究區(qū)5個(gè)地區(qū)主成分得分，對(duì)5個(gè)地區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)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(jì)算每個(gè)觀測(cè)值在各個(gè)污染指標(biāo)上的得分，據(jù)此進(jìn)一步分析。主成分得分(FAC)的表達(dá)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(gè)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(gè)地區(qū)土壤污染物總得分排序結(jié)果為，民樂(lè)-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(duì)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(duì)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(duì)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(píng)價(jià)結(jié)果顯示，研究區(qū)莊浪河谷下游帶有1個(gè)樣品中內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)值PN>0.7，該點(diǎn)污染等級(jí)達(dá)到Ⅱ級(jí)，即尚清潔(警戒限)；研究區(qū)莊浪河谷中游帶有1個(gè)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(jí)別。這2個(gè)點(diǎn)位的最大單項(xiàng)污染指數(shù)(P均)為砷污染物。

主成分綜合評(píng)價(jià)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(qiáng)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(gè)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(lè)-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(duì)一般。