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焦作市城區(qū)土壤重金屬空間變異特征及污染評價

2014-01-26 08:43李艷利肖春燕王守全劉坤朋
水土保持通報 2014年3期
關(guān)鍵詞:解放區(qū)焦作市城區(qū)

李艷利,肖春燕,王守全,劉坤朋

(1.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,河南 焦作454000;2.河海大學(xué) 環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京210098;3.蘇州科技學(xué)院 環(huán)境與科學(xué)工程學(xué)院,江蘇 蘇州215009)

城市土壤是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,其環(huán)境質(zhì)量狀況直接關(guān)系到人類的健康安全[1-2]。伴隨著工業(yè)化和城市化的發(fā)展,來自工業(yè)排放、大氣沉降、生活垃圾和汽車尾氣排放等方式造成的重金屬在土壤中累積。且城市土壤重金屬污染問題也引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[3-10],東南沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市和中西部等大城市紛紛開展了對土壤重金屬的研究[11-17]。目前國內(nèi)關(guān)于土壤重金屬的研究主要集中在兩個方面,一是對土壤重金屬的污染分布及來源進(jìn)行分析[18-21],另一方面是對土壤重金屬進(jìn)行污染評價和修復(fù)[14-15]。土地利用方式、人類干擾方式和距離污染源遠(yuǎn)近等的不同均會使城市土壤重金屬含量存在顯著的空間差異。

本文采用GIS空間分析技術(shù)和SPSS技術(shù),與綜合污染指數(shù)評價法相結(jié)合的方法,在焦作市開展表層土壤重金屬污染程度、空間變異特征以及分布規(guī)律的研究。為焦作市土壤重金屬防治提供一定理論基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

焦作市北依太行與山西省接壤,東臨新鄉(xiāng)市,西臨濟(jì)源市,南臨黃河與鄭州、洛陽相望,地跨北緯35°10′—35°21′,東 經(jīng) 113°4′—113°26′,東 西 長 約32.5km,南北寬約19.7km。焦作市城區(qū)地轄解放區(qū)、中站區(qū)、馬村區(qū)、山陽區(qū)4個區(qū),面積4.24×105km2,市區(qū)人口約88萬人。焦作市屬暖溫帶大陸性季風(fēng)型氣候,春旱多風(fēng)、夏熱多雨、秋高氣爽、冬寒少雪。平原地區(qū)年平均氣溫14.9℃,山區(qū)比平原低2~3℃,年均降雨量603.5mm,無霜期231d,年日照時數(shù)2 422.7h。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與測定 2012年4月在焦作市3個城區(qū)(解放區(qū)、山陽區(qū)、中站區(qū))采集0—20cm表層土壤。按照網(wǎng)格法(2km×2km)均勻布點(diǎn),采樣點(diǎn)的選取兼顧了各種土地類型,具有空間代表性、經(jīng)濟(jì)性和可操作性,使用GPS定位,并準(zhǔn)確記錄經(jīng)緯度。樣品采用五分法采集,混合均勻后留下1kg土樣裝入塑料袋,共采集了44個樣品,其中山陽區(qū)23個,解放區(qū)12個,中站區(qū)9個。將采集的樣品放置于通風(fēng)處在室溫下自然風(fēng)干,避免陽光直接曝曬和其他污染。用研缽反復(fù)研磨,過20目篩子得到粗樣,再次研磨,過100目篩子得到細(xì)樣,然后低溫保存、備用。所有樣品經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行消化處理后,Cr,Cu的測定采用火焰原子吸收分光光度法,Cd,Pb的測定采用石墨爐原子吸收分光光度法進(jìn)行測定。

1.2.2 土壤污染評價方法 土壤污染評價采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法。單因子污染指數(shù)法適合單一因子污染的評價,內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法能全面、綜合地反映土壤的污染程度。

(1)單因子指數(shù)法:

式中:Pi——土壤中污染物i的環(huán)境質(zhì)量指數(shù);ci——污染物i的實(shí)測濃度(mg/kg);Si——污染物i的評價標(biāo)準(zhǔn)(mg/kg),采用河南省土壤重金屬環(huán)境背景值[22]。下同。

(2)內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法:

式中:P綜——土壤中重金屬元素的綜合污染指數(shù);n——參與評價的重金屬的種類總數(shù)。根據(jù)P值變幅,結(jié)合作物受害程度和污染物積累狀況劃分土壤質(zhì)量分級:Pi≤1為非污染,1<Pi≤2為輕度污染,2<Pi≤3為中度污染,Pi≥3為重度污染;PN≤0.7為安全等級,0.7<PN≤1為警戒線,1<PN≤2為輕度污染,2<PN≤3為中度污染,PN≥3為重度污染。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析方法 數(shù)據(jù)分析采用SPSS 16.0軟件完成,半變異函數(shù)擬合、樣點(diǎn)重金屬濃度分布圖以及重金屬的插值圖用ArcGIS 9.3軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量的統(tǒng)計分析

土壤表層樣品重金屬含量測定結(jié)果如表1所示。土壤中Cr,Cu,Cd和Pb的濃度范圍分別為:133.13~783.13,20.88~72.13,0.007~1.773和7.45~45.49mg/kg,土壤樣品中 Cr,Cu,Cd和 Pb這4種重金屬平均含量分別為:378.86,36.26,0.33和20.23mg/kg。變異系數(shù)反映了所有采樣點(diǎn)的平均變異程度,研究區(qū)域Cr,Cu,Cd和Pb的變異系數(shù)分別為:63.23%,28.21%,107.21%和32.97%,這4種重金屬元素的平均變異程度由大到小依次為:Cd,Cr,Pb和Cu。說明Cr和Cd受人類活動的強(qiáng)烈干預(yù),Cu和Pb受人類干擾相對較小。相應(yīng)研究采用單樣本的Kolmogorov—Smirnov檢驗,Cd和Pb符合正態(tài)分布,Cr和Cu表現(xiàn)出偏態(tài)分布特征。按照地統(tǒng)計學(xué)空間變異分析的要求,對Cr和Cu進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換,使其符合正態(tài)分布,用于空間變異分析。

2.2 土壤重金屬污染狀況

對所有土壤樣品重金屬分析數(shù)據(jù)取其平均值并通過單因子污染指數(shù)進(jìn)行評價,計算結(jié)果如表2所示。Cr污染指數(shù)大于1,其他元素均小于1。Cr,Cu,Cd和 Pb的污染指數(shù)分別為:1.52,0.18,0.56和0.06。土壤中Cr和Cd的最大值分別為土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的3.13和2.96倍。而Cu和Pb的最大值分別為環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的0.36和0.13倍。這也說明Cr和Cd在空間分布上具有較為強(qiáng)烈的空間變異性。

表1 焦作市城區(qū)表層土壤重金屬含量的統(tǒng)計特征(n=44)

表2 焦作市城區(qū)土壤重金屬單因子污染指數(shù)

44個采樣點(diǎn)中,Cr的污染指數(shù)超過1的有21個,超標(biāo)率為47.73%,其中大多數(shù)為中度污染。Cr污染較重的區(qū)域主要集中在山陽區(qū)。土壤中Cu的單項污染指數(shù)均小于1,說明焦作市土壤中Cu濃度未超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)值。土壤中Cd的污染指數(shù)超過1的有10個,超標(biāo)率為22.73%,焦作市污水處理廠附近、焦作師范??茖W(xué)校、萬方小區(qū)等采樣點(diǎn)的土壤單因子污染指數(shù)均大于1,說明這些地區(qū)已受到不同程度的輕度污染。土壤Pb的污染指數(shù)均小于1,濃度值接近河南省土壤背景值22.3mg/kg,表明焦作市土壤中Pb污染程度很低。

焦作市城區(qū)土壤重金屬的綜合污染指數(shù)超過1的有23個,占52.7%,表明焦作市城區(qū)土壤重金屬污染整體較為嚴(yán)重。其中44個樣點(diǎn)中6.82%的樣點(diǎn)綜合污染指數(shù)在1~2,屬于輕度污染。40.18%的樣點(diǎn)綜合污染指數(shù)在2~3,屬于中度污染。2.27%的樣點(diǎn)綜合污染指數(shù)≥3,屬于重度污染。說明不同地區(qū)污染積累程度差異明顯。

2.3 焦作市不同城區(qū)土壤重金屬分布特征及累積狀況

2.3.1 焦作市不同城區(qū)土壤重金屬空間分布特征焦作市3個城區(qū)土壤重金屬空間分布如表3所示。元素Cr和Cd的最大值均出現(xiàn)在山陽區(qū),元素Pb和Cu的最大值均出現(xiàn)在解放區(qū),Pb的最小值出現(xiàn)在山陽區(qū),Cu的最小值出現(xiàn)在中站區(qū)。

Cr和Pb均在解放區(qū)呈最大變異程度,說明解放區(qū)Cr和Pb受人類活動的干擾程度最強(qiáng)。Cd在山陽區(qū)和解放區(qū)均呈極強(qiáng)變異程度,這說明Cd在山陽區(qū)和解放區(qū)受人類干擾程度均很強(qiáng)。而Cu在3個城區(qū)的變異程度均較低,說明Cu受人類活動干擾程度相對較低。

表3 焦作市不同城區(qū)土壤重金屬含量描述性統(tǒng)計分析

解放區(qū)土壤中Pb和Cu的平均值在3個城區(qū)中最高。其中Pb(20.89mg/kg)分別是山陽區(qū)的1.04和1.07倍。Cu(37.88mg/kg)分別是山陽區(qū)的1.06和1.07倍。Pb低于環(huán)境背景值,其他元素均超過環(huán)境背景值,山陽區(qū)土壤Cr含量是背景值的7.75倍,解放區(qū)土壤Cr含量是背景值的3.59倍,中站區(qū)土壤Cr含量是背景值的4.71倍。山陽區(qū)土壤Cd含量是背景值的6.91倍,解放區(qū)土壤Cd含量是背景值的2.91倍,中站區(qū)土壤Cd含量是背景值的3.25倍。3個城區(qū)Cr和Cd的分布特征總體上存在山陽區(qū)>中站區(qū)>解放區(qū)的趨勢,Pb和Cu的分布特征總體上存在解放區(qū)>山陽區(qū)>中站區(qū)的趨勢。

2.3.2 焦作市不同城區(qū)土壤重金屬累積狀況 表4是不同城區(qū)土壤的重金屬污染指數(shù)。其中山陽區(qū)、解放區(qū)和中站區(qū)土壤Cd,Cu和Pb的污染指數(shù)均小于1,說明焦作市城區(qū)土壤Cu,Cd和Pb處于非污染狀態(tài)。解放區(qū)Cr污染指數(shù)小于1,說明解放區(qū)Cr處于非污染狀態(tài),山陽區(qū)和中站區(qū)Cr污染指數(shù)均大于1,達(dá)到污染等級,屬于輕污染狀態(tài)。從4種重金屬元素綜合污染指數(shù)來看,山陽區(qū)土壤重金屬達(dá)到中度污染,中站區(qū)土壤重金屬屬輕度污染,解放區(qū)的處于尚清潔狀態(tài)。

表4 焦作市不同城區(qū)土壤重金屬污染指數(shù)

山陽區(qū)工業(yè)相對較集中,商業(yè)發(fā)達(dá)以及公路網(wǎng)密集、車流量大等,導(dǎo)致大量重金屬的排放,累積于土壤中,這可能是造成其中度污染的原因。解放區(qū)建區(qū)較早,但其屬于尚清潔狀態(tài),主要?dú)w功于其工業(yè)相對較少,僅電廠和火車站周圍的采樣點(diǎn)污染指數(shù)大于2。中站區(qū)農(nóng)田以土壤中重金屬污染指數(shù)均大于2,可能是造成中站區(qū)達(dá)到輕度污染的原因,且該區(qū)分布著礦務(wù)局電廠、多氟多化工廠等,也可能導(dǎo)致附近土壤中重金屬的累積。

2.4 焦作市城區(qū)土壤重金屬來源分析

統(tǒng)計分析中的相關(guān)分析可有效揭示土壤重金屬之間的關(guān)系和來源。相關(guān)性分析表明(表5),土壤中Cd與Cr,Pb具有顯著的空間相關(guān)性,Pb和Cu具有極顯著的相關(guān)性,表明土壤重金屬之間表現(xiàn)為同源性或復(fù)合污染。Pb,Cu主要來源于汽車輪胎磨損及油的泄漏[23-24],因此Pb和Cu可能主要來源于交通排放污染物和鋼鐵廠等。一般認(rèn)為Cr主要來源于成土母質(zhì)[25],但Cr和Cd也有相同來源,因此可推斷Cr和Cd具有復(fù)合污染的特征,其來源包括交通排放污染物、工業(yè)和成土母質(zhì)等。

表5 焦作市城市土壤重金屬的相關(guān)分析

2.5 土壤重金屬污染空間變異結(jié)構(gòu)分析

應(yīng)用球形模型對重金屬元素的半變異函數(shù)進(jìn)行了擬合,表6是各參數(shù)半變異函數(shù)的相應(yīng)參數(shù)。塊金值表示變量在小尺度上的非連續(xù)變異,主要來源于抽樣尺度的隨機(jī)變異和測量誤差,反映了隨機(jī)效應(yīng)的程度?;仔?yīng)揭示了區(qū)域化變量的空間相關(guān)程度,如果其值小于25%,說明系統(tǒng)具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性;在25%~75%表明系統(tǒng)具有中等程度的空間相關(guān)性;大于75%表明系統(tǒng)空間相關(guān)性很弱。

表6 焦作市城區(qū)土壤重金屬半方差函數(shù)理論模型及相關(guān)參數(shù)

Cu和Cd的基底效應(yīng)值分別為100%和85.41%,空間相關(guān)性很弱,以隨機(jī)變異為主,主要受外源污染(交通運(yùn)輸、電廠以及管理措施等人為活動)的影響,反映了人類活動強(qiáng)烈影響著土壤Cu和Cd的空間變異性。Cu和Cd的空間相關(guān)性的最大距離分別為15.05和17.21km。Pb的基底效應(yīng)值為56.98%,呈中等程度的空間相關(guān)性,Cr的基底效應(yīng)值為1.4%,具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性,表明Cr主要受內(nèi)源污染(如成土母質(zhì)、氣候變化、土壤特性等)的控制。而Pb受到內(nèi)源和外源因素的綜合影響。Pb和Cr空間自相關(guān)的最大平均距離分別為6.33和2.62km。

2.6 土壤重金屬的空間分布分布格局

由圖1可看出,焦作市城市土壤Cr濃度普遍較高,由南到北,濃度逐漸遞減,東西方向上由中間向兩邊逐漸遞增,呈帶狀分布。Cu元素含量由東南往西北逐漸下降,高濃度區(qū)主要集中在高新區(qū)西南部、解放區(qū)中部以及山陽區(qū)偏東北部,低含量區(qū)主要位于焦作市西部。Cu污染高值區(qū)集中的高新區(qū)西南部是農(nóng)業(yè)區(qū),土壤中重金屬含量易受農(nóng)田施肥的影響,且由實(shí)際調(diào)查知道該地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)較多,農(nóng)田多采用企業(yè)污水灌溉,也對土壤中Cu含量做出一定的貢獻(xiàn)。位于解放區(qū)中部的焦作電廠也是高值區(qū)域,電廠會產(chǎn)生大量的粉煤灰、飄塵,大氣沉降亦造成主導(dǎo)風(fēng)向(東北方向)上重金屬含量的高值,對土壤重金屬污染也起到一定的積累作用。Cd元素含量從東向西逐漸降低,且中北部區(qū)域濃度最低。高值區(qū)域主要集中在人口比較集中、交通流量高的區(qū)域,例如焦作師范專科學(xué)校、人民廣場、萬方小區(qū)、火車站、中州鋁廠家屬院等區(qū)域附近,因此可能交通污染、商業(yè)活動對土壤中Cd的積累起到一定的作用。農(nóng)業(yè)活動如農(nóng)田施肥及污水灌溉也可能加劇重金屬污染。同時,舊城區(qū)改造前該區(qū)域建有許多化工廠、冶煉廠等,雖然均已拆除,但重金屬帶來的威脅可能仍然存在。Pb元素含量普遍較低,解放區(qū)原化工三廠附近濃度最高,呈環(huán)狀向南逐漸降低,不同區(qū)域差異性較低,Pb的變異程度較低上也從側(cè)面證明了這點(diǎn)。同時考慮到焦作市季風(fēng)風(fēng)向為東北風(fēng),解放區(qū)擁有容量為1.2×106kW的焦作電廠、焦西礦、原化工三廠這些重污染企業(yè),化工三廠的位置恰好位于Pb濃度最高值點(diǎn),可以初步推斷,Pb的污染源可能是位于解放區(qū)北部的工礦企業(yè),有較大可能性為大氣污染擴(kuò)散點(diǎn)源。因此Pb濃度分布受土壤屬性和工業(yè)污染共同影響。

圖1 焦作市城區(qū)土壤重金屬含量空間分布

3 討論

研究結(jié)果顯示,相較于國內(nèi)外其他城市Cr,Pb,Cd和Cu的污染狀況,焦作城區(qū)土壤Cr平均含量比其他城市普遍都高,而Pb含量普遍較其他城市低。Cr平均含量較高可能是因為焦作城區(qū)土壤中Cr的基底值較高的原故;Pb含量較低的原因可能是因為汽車輪胎磨損和油的泄露是Pb的一個重要來源。焦作市作為中小城市,交通運(yùn)輸量相對較小因而Pb含量普通較低。分析中發(fā)現(xiàn),焦作城區(qū)總體樣本中各采樣點(diǎn)Cr具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性,且變異程度較高,也充分說明了Cr的分布和污染程度差異較大,其主要受內(nèi)源污染(成土母質(zhì)、成土過程、土壤特性等)的影響。而焦作城區(qū)Cu和Cd的空間相關(guān)性很弱,主要以隨機(jī)變異為主,說明Cu和Cd受外源污染的影響。焦作城區(qū)總體樣本中Cd的分布和污染程度差異極大,說明其主要受人類活動的影響,其高值區(qū)域主要集中在人口比較集中、交通流量高的區(qū)域,可能商業(yè)活動和交通流量對其污染分布貢獻(xiàn)較大。Cu的高值區(qū)主要集中在工農(nóng)業(yè)企業(yè)集中的區(qū)域,因為其農(nóng)田多采用污水灌溉,電廠產(chǎn)生大量的粉煤灰、飄塵,也對Cu的積累做出了一定貢獻(xiàn)。城市Pb呈中等程度的空間相關(guān)性,且總體樣本中所有采樣點(diǎn)Pb的分布和污染程度差異也較小。土壤Cr,Cd和Pb之間以及Cu和Pb之間呈顯著相關(guān),說明重金屬污染具有復(fù)合污染和同源污染的特征。其中外界重金屬來源,包括大氣沉降、城市垃圾,污水灌溉,工業(yè)廢渣和農(nóng)用化學(xué)品等對焦作城區(qū)土壤重金屬的含量有一定貢獻(xiàn)。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)域內(nèi)4種土壤重金屬元素含量的統(tǒng)計結(jié)果表明,Cd的變異系數(shù)最大,超過了100%,變異程度最強(qiáng),Cr,Pb和Cu均呈中等變異性。

(2)三城區(qū)Cr和Cd的分布特征總體上存在山陽區(qū)>中站區(qū)>解放區(qū)的趨勢,Pb和Cu的分布特征總體上存在解放區(qū)>山陽區(qū)>中站區(qū)的趨勢。

(3)土壤污染狀況分析表明,土壤Cr和Cd污染相對嚴(yán)重,樣點(diǎn)超標(biāo)率在47.73%和22.73%,土壤中Cd與Cr,Pb具有顯著的空間相關(guān)性,Pb和Cu具有極顯著的相關(guān)性,土壤重金屬之間表現(xiàn)為同源性或者復(fù)合污染。土壤重金屬污染程度反映了商業(yè)區(qū)分布、廢棄物排放、工業(yè)區(qū)分布、城市交通等對城市土壤重金屬分布影響的復(fù)雜性。

(4)半變異函數(shù)模型擬合結(jié)果表明,Cu和Cd存在較弱的空間自相關(guān)性,說明這兩種元素主要以隨機(jī)變異為主,受人類活動影響和干擾大。Cr存在極強(qiáng)的空間自相關(guān)性,說明其主要受內(nèi)在因素影響;Pb存在中等程度的空間自相關(guān)性,說明其濃度受內(nèi)在因素和外在因素綜合影響。

(5)采用普通克里格最優(yōu)內(nèi)插法得到了焦作市表層土壤重金屬的含量空間分布圖。Cr的空間分布呈帶狀,由東南向西北遞減;Cu的空間分布由中心向四周輻射狀遞減;Cd的空間分布呈帶狀分布,由東部向西部遞減;Pb的空間分布呈環(huán)狀分布,由北部向南部遞減。

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