吳勁楠,龍 健*,劉靈飛,李 娟,廖洪凱,彭四清,萬洪富

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某鉛鋅礦區(qū)農(nóng)田重金屬分布特征及其風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

吳勁楠1,龍 健1*,劉靈飛1,李 娟2,廖洪凱1,彭四清3,萬洪富3

(1.貴州師范大學(xué),貴州省山地環(huán)境信息系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽 550001；2.貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,貴州 貴陽 550001；3.廣東省生態(tài)環(huán)境技術(shù)研究所, 廣東 廣州 510650)

為進(jìn)一步探討鉛鋅礦開采和冶煉地區(qū)農(nóng)田重金屬污染的分布特征和污染途徑,以會(huì)澤縣者海鎮(zhèn)鉛鋅礦區(qū)周邊農(nóng)田土壤為研究對象,共布設(shè)496個(gè)采樣點(diǎn),測定表層土壤中重金屬(Cd、Hg、Pb、Cu、Zn)的含量.利用自然鄰點(diǎn)法對表層土壤中重金屬含量進(jìn)行插值擬合,以空間三維模型研究該地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染特征,運(yùn)用單因子指數(shù)、綜合污染指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對重金屬污染程度進(jìn)行評價(jià),采用相關(guān)分析、主成分分析和聚類分析識(shí)別污染途徑.結(jié)果表明:Cd、Hg、Pb、Cu和Zn的含量平均值(mg/kg)分別是云南省背景值的33.05、5.83、12.02、4.89和16.33倍;Cd、Hg、Pb、Zn含量空間分布表現(xiàn)為西北部濃度最高,且中部高于東西兩側(cè),而Cu與此相反;單因子指數(shù)評價(jià)結(jié)果顯示99.8%的土樣達(dá)到Cd重度污染,其次是Cu(82.06%)、Zn(62.50%);綜合污染指數(shù)表明,研究區(qū)均處于重度污染程度,西北部尤為嚴(yán)重;綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)表明,中部風(fēng)險(xiǎn)高兩邊低,Cd的貢獻(xiàn)率最大占61%;相關(guān)分析結(jié)果顯示,Zn、Cd、Pb、Hg之間呈顯著正相關(guān)性(< 0.01),表明其污染途徑相近;主成分分析和聚類分析表明,Cd、Hg、Pb、Zn污染途徑主要與人類活動(dòng)有關(guān),Cu主要受自然因素影響,因此對該地區(qū)土壤重金屬的修復(fù)和治理應(yīng)綜合考慮人為因素和自然因素的影響.

鉛鋅礦區(qū)農(nóng)田；土壤重金屬污染；自然鄰點(diǎn)法；三維可視化；空間分布；風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

土壤重金屬污染是生態(tài)環(huán)境面臨的最嚴(yán)重的威脅之一,其危害直接作用于土壤生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)產(chǎn)品、地下水等,并通過食物鏈危害人體健康[1-2].礦區(qū)周邊土壤的重金屬污染問題,尤其與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有關(guān)的農(nóng)田重金屬污染更是受到重視[3-4].云南素有“有色金屬王國”之稱,會(huì)澤縣者海鎮(zhèn)境內(nèi)鉛鋅礦資源豐富,土法煉鋅規(guī)模龐大,歷史久遠(yuǎn),是國內(nèi)典型的鉛鋅礦開采冶煉區(qū).長期的開采和冶煉使土壤中重金屬污染物不斷積累,對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅,亟需摸清當(dāng)?shù)剞r(nóng)田重金屬污染的總體情況.有學(xué)者已對該地區(qū)鉛鋅礦周邊土壤重金屬污染情況進(jìn)行了研究[5-7],但調(diào)查范圍有限,缺乏關(guān)于冶煉企業(yè)對周邊農(nóng)田宏觀污染特征的研究.空間插值與地理信息系統(tǒng)(GIS)已廣泛應(yīng)用于土壤重金屬污染時(shí)空分布、預(yù)測模擬及風(fēng)險(xiǎn)評估等研究領(lǐng)域[8-12].隨著GIS技術(shù)的日益成熟,傳統(tǒng)的二維GIS會(huì)逐步被更為直觀的三維可視化模型和三維GIS所代替[13-16].有學(xué)者基于三維可視化對海洋環(huán)境、金屬礦山、數(shù)字城市等方面進(jìn)行模擬和研究[17-19],但基于空間三維模型的與土壤重金屬污染相關(guān)的應(yīng)用研究鮮有報(bào)道.為進(jìn)一步探討農(nóng)田土壤重金屬污染的分布特征,識(shí)別污染途徑,本文以者海鉛鋅礦周邊農(nóng)田土壤為研究對象,利用自然鄰點(diǎn)法插值擬合,以三維立體模型研究該地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染特征,運(yùn)用單因子指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對重金屬污染程度進(jìn)行評價(jià),利用相關(guān)分析、主成分分析和聚類分析識(shí)別污染來源,為該區(qū)土壤重金屬污染防治和修復(fù)提供科學(xué)支持.為土壤重金屬空間分布、污染評價(jià)等研究領(lǐng)域提供直觀的三維可視化應(yīng)用方法.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與樣品采集

研究區(qū)位于云南省會(huì)澤縣者海鎮(zhèn)(103°34￠E~ 103°40￠E,26°30￠N~26°33￠N).會(huì)澤縣是我國重要的有色金屬礦區(qū)之一,有色金屬冶煉歷史悠久,已探明礦產(chǎn)資源多達(dá)29種,尤以鉛鋅礦石、銅礦石等金屬資源最為豐富.境內(nèi)平均海拔2120m,主要土壤類型為紅壤、棕壤等[20].者海鎮(zhèn)位于會(huì)澤南部多雨區(qū)向北部少雨區(qū)的過渡地帶,屬亞熱帶季風(fēng)性氣候,干濕季節(jié)明顯,雨量夏季多冬季少,年平均氣溫12.6℃,年平均降水量847.1mm[21-22].

為了全面調(diào)查者海鎮(zhèn)農(nóng)田重金屬污染情況,選取者海鎮(zhèn)南部的旱地作為研究區(qū)域,利用ArcGIS 9.3對研究區(qū)G213國道西邊(200×200m網(wǎng)格)和東邊(300×300m網(wǎng)格)約2000hm2的農(nóng)田進(jìn)行網(wǎng)格布點(diǎn),在格網(wǎng)內(nèi)部生成中心點(diǎn).再與者海鎮(zhèn)遙感影像進(jìn)行比對,剔除或適當(dāng)移動(dòng)落在耕地之外的點(diǎn),保證點(diǎn)位具有代表性,最終研究區(qū)西半部共設(shè)346個(gè)采樣點(diǎn),東半部共150個(gè)采樣點(diǎn),合計(jì)共采集496個(gè)土壤樣品.土壤樣品為采集深度0~20cm的表層土壤.用手持GPS儀對采樣點(diǎn)進(jìn)行定位,土壤樣品按照《農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(NY/T395-2000)[23]要求,均以梅花法布點(diǎn),用木鏟均勻隨機(jī)采取5個(gè)以上土壤樣本點(diǎn),經(jīng)充分混合后,四分法采集約1.5kg土樣裝入密封袋帶回實(shí)驗(yàn)室.經(jīng)室內(nèi)自然風(fēng)干,去除異物,取一部分過8目尼龍篩;另一部分經(jīng)瑪瑙研缽研磨,過100目尼龍篩,裝入自封袋備用.研究區(qū)地理位置及采樣點(diǎn)分布見圖1.

圖1 研究區(qū)的地理位置及采樣點(diǎn)空間分布

1.2 樣品測定

土壤樣品pH值采用固液比1:2.5玻璃電極法(GB7859-87)[24]進(jìn)行測定.稱取0.2000g土壤樣品經(jīng)過HNO3-HF-HClO4消解后,Cd采用石墨爐原子吸收分光光度法(GB/T17141-1997)[25]進(jìn)行測定;Pb、Cu和Zn采用火焰原子吸收分光光度法(GB/T17138-1997)[26]進(jìn)行測定;稱取0.2000g土壤樣品經(jīng)王水水浴消解后,Hg采用原子熒光分光光度法進(jìn)行測定.測定全程采用空白樣、10%平行樣和國家土壤樣品標(biāo)準(zhǔn)(GBW07401)進(jìn)行質(zhì)量控制,質(zhì)量控制及最終實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由廣東省生態(tài)環(huán)境技術(shù)研究所提供.

1.3 重金屬污染評價(jià)方法

1.3.1 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 對研究區(qū)土壤中重金屬Cd、Hg、Pb、Cu、Zn進(jìn)行污染評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)參考云南省土壤背景值[27]和《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-1995)Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn),Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)主要適用于農(nóng)田、蔬菜地、茶園、果園、牧場等土壤,是保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、維護(hù)人體健康的土壤限制值[28],見表1.

1.3.2 單因子指數(shù)法 對研究區(qū)土壤重金屬污染評價(jià)采用單因子指數(shù)法(PI).計(jì)算公式如下:

式中:P為污染物的污染指數(shù);C為污染物的實(shí)測值;S為污染物的環(huán)境質(zhì)量Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)值(根據(jù)污染物所在土壤樣品的pH值確定).

表1 土壤質(zhì)量Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)和云南省土壤背景值(mg/kg)

1.3.3 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法(NPI)能全面反映各污染物對土壤污染的不同程度,同時(shí)又突出高濃度對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響,可反映多種污染物的綜合污染水平[29].其公式如下:

式中:P為綜合污染指數(shù);Pmax為各單項(xiàng)污染指數(shù)(P)中的最大值;Pave為各單因子污染指數(shù)(P)的平均值.根據(jù)單因子指數(shù)(P)和綜合污染指數(shù)(P)的大小可將土壤污染程度劃分為5級[30],見表2.

表2 單因子(Pi)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)(Pn)分級原則

1.3.4 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià) 重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法(PER)是瑞典學(xué)者Hakanson[31]提出的,該指數(shù)在評價(jià)重金屬污染時(shí)考慮了生物毒性,可反映多種污染物的綜合作用,并定量地劃分出潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度[32].其計(jì)算公式為:

式中:RI為綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù);E為第種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù);T為第種元素的毒性系數(shù);C為第種元素的污染系數(shù);C為第種元素的實(shí)測值;C為第種元素的背景值.潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)具體分級標(biāo)準(zhǔn)和風(fēng)險(xiǎn)程度劃分[33]見表3.5種重金屬的毒性系數(shù)T分別為Cd=30、Hg=40、Pb=30、Cu=5、Zn=1[31].

表3 重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)程度分級標(biāo)準(zhǔn)

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 22進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)分析,并用Origin 9.0繪制圖表,運(yùn)用Pearson相關(guān)性分析、主成分分析和分層聚類分析探討研究區(qū)重金屬污染途徑.利用自然鄰點(diǎn)插值法對土壤重金屬進(jìn)行空間插值擬合[34].自然鄰點(diǎn)法是一種基于泰森多邊形理論的局部插值方法,該方法對于高離散度的數(shù)據(jù)具有良好的插值效果[35].利用Surfer 13繪制重金屬空間分布圖.本文使用了分辨率為30m的G-DEM數(shù)字高程模型,數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn).

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤pH值、重金屬含量及污染程度

研究區(qū)農(nóng)田表層土壤重金屬含量見表4,表層土壤pH值在4.17~7.77之間,平均值為5.73,變異系數(shù)為0.13,這表明表層土壤總體呈酸性.同時(shí)表層土壤的5種重金屬含量表現(xiàn)出較大的差異,Cd、Hg、Pb、Cu、Zn的含量(mg/kg)變化分別為0.213~108.83、0.01~3.36、59.00~10058.73、56.10~615.50、135.50~22676.32;平均含量(mg/kg)分別為7.27、0.35、488.14、226.24、1465.00;5種重金屬元素的變異系數(shù)(CV)順序?yàn)镃d(1.56)> Pb(1.53)>Zn(1.3)>Hg(0.8)>Cu(0.2).不同于pH值(0.13)較小的變異系數(shù),Cd、Pb、Zn和Hg極高變異系數(shù)表明不同的采樣點(diǎn)4種重金屬含量變化差異明顯,離散性較大.這說明4種重金屬受到外緣因素的影響較大,空間分布差異明顯[36];而Cu的低變異系數(shù)表明Cu在表層土壤中的含量分布較為均勻,說明Cu受外界干擾的影響較小.對5種重金屬和pH值的變異性特征進(jìn)行了K-S正態(tài)性檢驗(yàn),除Cu服從正態(tài)分布外,其余重金屬和pH值分布呈現(xiàn)右偏態(tài).

與云南省土壤背景值相比,Cd、Hg、Pb、Cu、Zn含量平均值(mg/kg)分別是云南省背景值的33.05、5.83、12.02、4.89和16.33倍,表明5種重金屬元素在土壤中已有不同程度的積累,Cd積累最為明顯,其次是Zn和Pb.根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-1995)二級標(biāo)準(zhǔn),5種重金屬的含量超標(biāo)率為Cd(99.80%) > Cu(99.4%) > Zn(98.59%)>Pb(64.92%)>Hg(37.50%).本研究中土壤pH值的研究結(jié)果與鄒小冷等[5]和陸泗進(jìn)等[6]的研究一致,表明研究區(qū)所處環(huán)境土壤普遍為酸性土壤,這使得土壤顆粒表面負(fù)電荷減少,降低土壤對重金屬的吸附作用,增加重金屬在土壤中的遷移性和生物活性[37].研究區(qū)5種重金屬的平均含量(mg/kg)與劉曉燕[7]等研究結(jié)果(Cd(11.16)、Hg(0.47)、Pb(394.66)、Cu(226.81)、Zn(1451.63))相近.鄧琴等[38]對貴州黔東某鉛鋅礦區(qū)旱地重金屬污染研究表明,土壤中Cd、Zn、Pb等重金屬超標(biāo)嚴(yán)重.陸泗進(jìn)等[39]對湖南桂陽某鉛鋅礦區(qū)污染研究表明重金屬超標(biāo)率Cd(91%)最嚴(yán)重,與本研究結(jié)果相近.

表4 研究區(qū)農(nóng)田土壤pH值和重金屬含量 (mg/kg)

2.2 重金屬污染評價(jià)

對研究區(qū)重金屬污染程度的評價(jià)結(jié)果見圖2.PI評價(jià)結(jié)果表明,5種重金屬P指數(shù)平均值分別為Cd(24.09)>Zn(7.04)>Cu(4.17)>Pb(1.88)> Hg(1.06).Cd、Pb、Hg和Zn污染指數(shù)P的變化范圍更大,Cu的變化范圍相對較小.P指數(shù)大于3,屬重度污染比例Cd(99.80%)>Cu(82.06%)>Zn (62.50%)>Pb(9.07%)>Hg(3.23%),各重金屬均有相當(dāng)程度的累積,尤其Cd最為嚴(yán)重.NPI結(jié)果顯示,P指數(shù)平均值為18.10,超過重度污染分級標(biāo)準(zhǔn)的6倍,范圍在2.59~265.47之間,采樣點(diǎn)P指數(shù)>3,達(dá)到重度污染水平的比例占總點(diǎn)位的99.80%,這表明研究區(qū)內(nèi)已普遍受到重金屬污染,污染形勢嚴(yán)峻.

PER評價(jià)結(jié)果表明,5種重金屬E指數(shù)平均值為Cd(991.39)>Pb(360.70)>Hg(232.84)>Cu (24.43)>Zn (16.33).表明Cd和Pb達(dá)到極強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)等級,其中Cd生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最為嚴(yán)重,其均值超過了極強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)分級標(biāo)準(zhǔn)的3倍.其次Hg生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)也很嚴(yán)重,處于很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)水平.Cu和Zn生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較輕,屬于輕微風(fēng)險(xiǎn)水平.綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果顯示,RI均值為1625.69,屬極強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).最大值為16923.12,最小值為156.87.其中屬強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的比例占99.60%,極強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)占42.14%.Cd對綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)最大,平均貢獻(xiàn)率占61%.

圖2 研究區(qū)土壤重金屬單因子污染指數(shù)(PI)、綜合污染指數(shù)(NPI)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(PER)評價(jià)結(jié)果箱式圖

2.3 土壤重金屬及污染程度空間分布特征

分析重金屬污染物的空間分布特征是一種鑒別污染物來源和高污染熱點(diǎn)地區(qū)非常有效的方法[40-41].利用自然鄰點(diǎn)插值法,繪制出5種重金屬含量和pH值的空間三維分布圖及污染程度的三維熱圖(圖3).研究區(qū)農(nóng)田表層土壤重金屬污染的總體趨勢表現(xiàn)為西北部最嚴(yán)重,且污染程度從中部向東西兩側(cè)遞減.研究區(qū)表層土壤的酸堿度呈現(xiàn)出西半部酸性強(qiáng),東半部酸性較弱的情況.

對于Cd,含量較高的區(qū)域集中在研究區(qū)的西北部和中部偏西地區(qū),其含量分布趨勢由北向南、由中部向東西方向遞減.研究區(qū)西北部靠近多個(gè)污染企業(yè)的下游,冶煉時(shí)直接排放的廢氣廢水和露天堆積礦渣經(jīng)雨水沖刷產(chǎn)生的滲濾液不僅流入河道污染周邊的農(nóng)田,而且滲入地下,污染地下水.周邊農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)長期使用被重金屬污染的河水和地下水更加劇了此地農(nóng)田受污染程度[42].PI顯示,整個(gè)研究區(qū)范圍均為重度污染,其中北部和西部存在一些極重度污染的熱點(diǎn)地區(qū),P達(dá)到了100以上.PER表明整個(gè)研究區(qū)范圍內(nèi)均處于Cd很強(qiáng)或極強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平,其中研究區(qū)的北部和西部風(fēng)險(xiǎn)更高,一些區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)出現(xiàn)極端值,而東部風(fēng)險(xiǎn)相對低,但也處于很高風(fēng)險(xiǎn)水平.

圖3 研究區(qū)土壤Cd、Hg、Pb、Cu、Zn含量和pH值三維空間分布圖及重金屬污染評價(jià)三維熱圖

對于Pb和Zn,除西北部之外,高污染區(qū)域也出現(xiàn)在研究區(qū)中部靠近G213國道附近,其含量由中部向周圍遞減,這說明Zn和Pb污染途徑除了受到污染企業(yè)三廢的污染外,還可能與交通運(yùn)輸造成的污染有關(guān),尤其是與汽車尾氣、輪胎磨損、運(yùn)送礦石和廢渣產(chǎn)生的散落和揚(yáng)塵有關(guān)[43].這與鄒小冷等[5]的研究結(jié)果一致.Pb的PI評價(jià)結(jié)果沿中部國道兩側(cè)積累較其他區(qū)域更嚴(yán)重,均呈現(xiàn)出中度和重度污染水平.PER在研究區(qū)中部偏西和北部地區(qū)處于強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)及更嚴(yán)重的水平,極端值也出現(xiàn)在國道的兩側(cè),污染程度沿中部國道附近向兩邊逐漸遞減.Zn的PI評價(jià)結(jié)果顯示,其重度、極重度污染地區(qū)主要集中在北部和中部片區(qū),而Zn的PER顯示其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平較低,高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)僅零星分布在北部和中部.

對于Hg,研究區(qū)中部偏西片區(qū)含量較高,東部和西南部含量較低.由于Hg在冶煉金屬時(shí)極易蒸發(fā),絕大部分以蒸汽態(tài)或附著于粉塵隨煙氣一起向外飄散,由地形可知,研究區(qū)西部位于山谷中,兩側(cè)的高山會(huì)使風(fēng)攜帶煙氣沿山谷方向運(yùn)動(dòng)經(jīng)過西部農(nóng)田,所以污染原因很可能是含Hg的煙氣和粉塵形成大氣沉降,對農(nóng)田造成污染[44].中部公路兩側(cè)出現(xiàn)高污染可能也與交通運(yùn)輸有關(guān).對于Cu,其含量分布較為均勻,總體呈現(xiàn)出中部含量略低,東西部含量略高的分布情況,與其它重金屬的分布截然相反.由此可以推測研究區(qū)內(nèi)土壤Cu的超標(biāo)可能是由于高背景值導(dǎo)致的.

NPI評價(jià)結(jié)果顯示,整個(gè)研究區(qū)均屬于重污染水平,北部和西部地區(qū)出現(xiàn)極端值,說明這些地區(qū)污染已相當(dāng)嚴(yán)重.PER綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)表明,整個(gè)研究區(qū)均處于高風(fēng)險(xiǎn)水平,北部、西部和中部地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)屬很高和極高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū),并有極端值.Cd的Ei值與RI值在空間分布上有很強(qiáng)的一致性,其對于綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)最大.

2.4 重金屬來源分析

利用Pearson相關(guān)分析得出5種重金屬和pH值之間的相關(guān)系數(shù)(表5),Cd、Hg、Pb、Zn彼此之間均呈極顯著正相關(guān)性(<0.01).這表明這4種重金屬地球化學(xué)性質(zhì)相似,可能具有相同的污染源,這與其他研究結(jié)果相似[5-6].Cu與其他4種重金屬的相關(guān)性較弱,說明Cu的來源與其他重金屬有顯著的差異.酸堿度與重金屬之間的相關(guān)關(guān)系不顯著.

基于相關(guān)性矩陣,對5種重金屬進(jìn)行主成分分析,探究其相同的來源[9,40-41],結(jié)果見表6.2種特征值超過1的主成分被提取出來,累積貢獻(xiàn)率超過了84%.PC1的主要成分荷載均大于0.8,包括Zn(0.929)、Cd(0.890)、Hg(0.850)和Pb(0.881),貢獻(xiàn)率為63.289%.這表明第一主成分的4種重金屬具有同源性,可能的來源主要與研究區(qū)周邊金屬礦物開采和冶煉產(chǎn)生的礦渣、廢氣和廢水等人為因素造成的污染有關(guān).而Cu(載荷為0.984)被分為PC2,貢獻(xiàn)率為20.998%,可以推測Cu的主要來源可能是非人為因素,主要與該地成土礦物相關(guān)的土壤背景值有關(guān).

表5 研究區(qū)土壤pH值和重金屬之間的相關(guān)系數(shù)

注:*表示顯著,<0.05;**表示極顯著,<0.01.

表6 研究區(qū)土壤重金屬主成分分析及相關(guān)荷載

注:加粗顯示的數(shù)據(jù)為荷載超過0.5.

利用開源統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件R語言(http://www.r- project.org),以Ward歐式距離法將研究區(qū)5種重金屬496個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分層聚類分析(CA)[9,41],并以5種重金屬(Cd、Hg、Pb、Cu、Zn)為X軸,496個(gè)樣點(diǎn)為Y軸繪制聚類分析熱圖(圖4).圖中每一條帶顏色的細(xì)矩形塊表示每個(gè)采樣點(diǎn)一種重金屬的含量,顏色從藍(lán)色到紅色表示重金屬的含量從低到高.從X軸方向的譜系圖可以看出,5種重金屬被分為A和B兩組.Hg、Cd、Pb和Zn被分為A組,表明這4種重金屬污染途徑相近.Cu被分為第B組,表明Cu與其他4種重金屬可能具有不同的來源.這與主成分分析的結(jié)果相一致.

圖4 研究區(qū)土壤重金屬分層聚類譜系圖

Y軸方向的譜系圖表明,496個(gè)采樣點(diǎn)被分成了Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ 3組,與空間分析的結(jié)果大體相似.Ⅰ組共134個(gè)樣點(diǎn),占樣點(diǎn)總數(shù)的27%,顯示為其矩形塊的顏色偏紅色,說明5種重金屬含量均比其他樣點(diǎn)高,屬污染最嚴(yán)重的地區(qū).Cd、Hg、Pb、Cu和Zn的平均含量(mg/kg)分別為17.73、0.59、903.48、242.93、3263.95,分別是土壤質(zhì)量Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)最大限值的35.46、0.59、2.58、2.43和10.88倍.Ⅰ組的樣點(diǎn)大部分位于研究區(qū)的西北部和西部邊界靠近污染企業(yè)地區(qū).這表明這些地區(qū)的土壤污染途徑相同,主要為污染企業(yè)排放的廢氣廢水和礦渣造成的直接污染.Ⅱ組共237個(gè)樣點(diǎn),占總樣點(diǎn)數(shù)的48%,其矩形塊的顏色顯示為Cd、Hg、Pb、Zn大部分為黃色,Cu主要為黃色和藍(lán)色,5種重金屬含量均不同程度地低于Ⅰ組.Ⅱ組樣點(diǎn)主要分布在研究區(qū)離污染企業(yè)相對較遠(yuǎn)的中部G213國道附近和中偏西的部分地區(qū),這說明這些地區(qū)在污染企業(yè)直接污染有限的情況下,其重金屬的來源還可能與運(yùn)送鉛鋅礦及礦渣的汽車和煙氣粉塵干濕沉降有關(guān).Ⅲ組共125個(gè)樣點(diǎn),占總數(shù)的25%,其矩形塊的顏色顯示為Cd、Hg、Pb、Zn總體呈藍(lán)色,Cu主要呈黃色,說明Ⅲ組除Cu外,其余4種重金屬含量均低于Ⅰ組和Ⅱ組,污染程度相對較輕.Ⅲ組主要分布在研究區(qū)東部和靠近的西南邊界地區(qū),這些地區(qū)距離污染企業(yè)最遠(yuǎn),污染途徑主要與污染企業(yè)冶煉金屬時(shí)產(chǎn)生的煙氣和粉塵擴(kuò)散有關(guān).

綜上,結(jié)合空間分析的結(jié)果,重金屬Cd、Hg、Pb和Zn污染主要由人為因素導(dǎo)致,Cu主要源自于土壤高背景值.其中研究區(qū)西北部污染最嚴(yán)重的地區(qū)是污染企業(yè)采礦和冶煉排放的廢氣廢水和礦渣直接污染造成的,中部地區(qū)的污染主要是由于大氣沉降作用和礦區(qū)交通運(yùn)輸產(chǎn)生的污染,西南部和東部距離污染企業(yè)較遠(yuǎn)污染較輕.分析表明應(yīng)及時(shí)控制當(dāng)?shù)刂亟饘俚奈廴驹?關(guān)停落后冶煉企業(yè),嚴(yán)格監(jiān)管廢氣廢水和礦渣達(dá)標(biāo)排放,同時(shí)加強(qiáng)當(dāng)?shù)亟煌ㄟ\(yùn)輸?shù)墓芾?緩解土壤重金屬污染狀況.

3 結(jié)論

3.1 研究區(qū)農(nóng)田土壤總體顯酸性,Cd、Hg、Pb、Cu和Zn的平均含量均超出云南土壤背景值, Cd、Zn、Pb均超出10倍以上.以土壤環(huán)境質(zhì)量Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)為參考,Cd、Cu和Zn超標(biāo)率達(dá)到98%以上.Cd、Hg、Pb、Zn含量空間分布表現(xiàn)為西北部最為嚴(yán)重,從中部向兩邊遞減,而Cu與此相反.

3.2 Cd重度污染和強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間范圍遍布整個(gè)研究區(qū),污染程度最為嚴(yán)重;Hg、Pb、Zn表現(xiàn)為中部高,東西部低,而Cu卻相反.研究區(qū)綜合污染程度呈重度污染水平,綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)表明中部風(fēng)險(xiǎn)高兩邊低,Cd的貢獻(xiàn)率最大.

3.3 研究區(qū)Zn、Cd、Pb、Hg之間呈顯著正相關(guān)(<0.01),主成分分析和聚類分析均表明,Zn、Cd、Hg和Pb污染具有同源性,主要受采礦和冶煉等人為因素影響,Cu污染主要源自當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸?樣點(diǎn)分為3類,西北部污染程度最嚴(yán)重,中部次之,西南和東部相對較輕.

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Spatial distribution and risk assessment of heavy metal pollution in farmland soil of a lead-zinc mining area.

WU Jin-nan1, LONG Jian1*, LIU Ling-fei1, LI Juan2, LIAO Hong-kai1, PENG Si-qing3, WAN Hong-fu3

(1.Guizhou Provincial Key Laboratory for Information System of Mountainous Areas and Protection of Ecological Environment, Guizhou Normal University, Guiyang 550001, China；2.Department of Geography and Environmental Science, Guizhou Normal University, Guiyang 550001, China；3.Guangdong Institute of Eco-Environmental Technology, Guangzhou 510650, China)., 2018,38(3)：1054~1063

The purpose of this study was to further investigate the general distribution of heavy metal in farmland soils and to identify the possible sources of heavy metals pollution from a lead-zinc mining and smelting area in Zhehai, a town of Huize County. A total of 496topsoil samples were collected and the concentrations of Cd, Hg, Pb, Cu and Zn were determined in all the soil samples. The concentrations of heavy metals in surface soil were interpolated using the Natural Neighbor Interpolation method and three-dimensional models were created to study spatial characteristics of heavy metal pollution in the cropland soils. The degrees of heavy metals pollution were evaluated by using Single Pollution index (PI), Nemero Synthesis Pollution index (NPI) and Potential Ecological Risk index (PER). Principle Component Analysis and Cluster Analysis were used to identify pollution sources. The results showed that the concentrations (mg/kg) of Cd, Hg, Pb, Cu and Zn were 33.05, 5.83, 12.02, 4.89 and 16.33times as compared to soil background values of Yunnan Province, respectively. Spatial distribution of Cd, Hg, Pb and Zn in the cropland soils illustrated that the most seriously polluted region was in the northwest, meanwhile the center was more severe than the other two sides. The concentration of Cu, however, was showed a contrast trend. The results of PI showed that 99.8% of the amount of the soil samples was contaminated by Cd, which reached the heavy pollution level, and was followed by Cu (82.06%) and Zn (62.50%). NPI indicated that the whole study area belonged to heavy pollution degree, and especially in the northwest was the most severe region. PER demonstrated that high risk appeared in the middle while low risk could be found on both sides, which Cd made the greatest contribution to with a ratio of 61%. Correlation analysis revealed that Zn, Cd, Pb and Hg were positively correlated with each other (<0.01), indicating that these four pollutants might come from the same source. The results of Principal Component Analysis and Cluster Analysis showed that Cd, Hg, Pb and Zn were mainly affected by the mining activities, while Cu was mostly affected by natural factors. Therefore, in order to recover the soil from heavy metal pollution, the impact of both anthropogenic and natural sources should be taken into accounts.

cropland in lead-zinc mining and melting area；soil heavy metal pollution；natural neighbor interpolation；three-dimensional visualization；spatial distribution；risk assessment

X131.3

A

1000-6923(2018)03-1054-10

吳勁楠(1993-),男,河北唐山人,碩士研究生,研究方向?yàn)榭λ固厣降丨h(huán)境污染與防治.

2017-08-10

國家自然科學(xué)基金委員會(huì)-貴州省人民政府喀斯特科學(xué)研究中心資助項(xiàng)目(U1612442);貴州省科技廳聯(lián)合資金資助項(xiàng)目(黔科合LH字[2015]7781號)

* 責(zé)任作者, 教授, longjian22@163.com