芜湖市区土壤重金属污染评价及来源分析

362010年8月城市环境与城市生态

URBANENVIRONMENT＆URBANECOLOGYVol.23No.4

Aug.2010

芜湖市区土壤重金属污染评价及来源分析

王海东,方凤满,谢宏芳,王　翔,黄春海

(安徽师范大学国土资源与旅游学院,芜湖241003)

＊

　　摘要:对芜湖市区153个土壤样品中9种重金属的含量进行测定和评价,利用多元地统计方法进行污染来源分析。结果表明:芜湖市区土壤Zn、Fe、Mn、Cu、Pb、Co、Cd、Ni、Cr的平均含量分别为96.8、30600.1、466.1、35.0、29.1、16.7、1.2、26.3、78.3mg/kg;除Fe、Mn、Ni外,其他元素均高于相应土壤背景值,Zn、Cu、Pb、Co、Cd、Cr分别是背景值的1.26、1.09、1.17、1.20、6.11、1.29倍,说明这些元素出现了一定程度的积累。单因子评价结果表明Cd污染最为严重,Zn、Cu、Pb、Co和Cr为轻度污染,Fe、Mn和Ni没有污染。综合相关性、聚类及主成分分析可知,Fe和Mn为“自然源因子”,不同功能区分布主要受成土母质控制;Zn、Cu、Pb和Cd为“交通及工业活动因子”,Cu、Cd高值区均分布在开发区,Zn和Pb的高值区分布在镜湖区;Ni、Co和Cr为“农业活动因子”,其空间变异受成土母质及农业活动等因素影响。

关键词:土壤;重金属;污染评价;统计学方法;来源分析

　　中图分类号:X53　　　文献标识码:A　　　文章编号:(K)10088(原1002-1264)(2010)04-0036-05

PollutionEvaluationandSourceAnalysisofHeavyMetalinUrbanSoilofWuhuCityWANGHai-dong,FANGFeng-man,XIEHong-fang,WANGXiang,HUANGChun-hai(CollegeofTerritorialResoursesandTourism,AnhuiNormalUniversity,Wuhu241003,China)

Abstract:Nineheavymetalsof153soilsamplesinWuhuCityweremeasuredandevaluated,theirpollutionsourceswereanalyzedbymultivariategeostatisticalmethods.TheresultsshowedthattheaveragecontentsofZn、Fe、Mn、Cu、Pb、Co、Cd、NiandCrwere96.8、30600.1、466.1、35.0、29.1、16.7、1.2、26.3、78.3mg/kg,respectively.ContentsofotherelementswerehigherthanthecorrespondingsoilbackgroundvaluesexceptforFe,Mn,Ni.Zn,Cu,Pb,Co,Cd,Crwere1.26,1.09,1.17,1.20,6.11,1.29timesofbackgroundvalues,respectively.Theseelementshadaccumulatedtoacertainextent.ThesinglefactorevaluationindicatedthatCdwasthemostseriouspollution,whileZn,Cu,Pb,CoandCrwerelightpollution,andFe,MnandNinopollution.Thecomprehensivecorrelation,clusteringandprincipalcomponentanalysisreflectedthatFeandMnfor“naturalsourcefactor”,thedistributionofdifferentfunctionwasmainlycontrolledbythesoilmaterial.Zn,Cu,PbandCdfor“trafficandindustrialactivitiesfactor”.ThehighestvalueofCuandCdweredistributedintheDevelopmentArea,andZn,PbinJinghuDistrict.Ni,CoandCrfor“agriculturalactivity”,thespacemutationwasinfluencedbythesoilmateralandagriculturalactivities.Keywords:soil;heavymetal;pollutionevaluation;statisticalmethods;sourceanalysis　　近年来,国内对土壤重金属研究较多的元素为Cu、Zn、Ni、Cr、Pb、Cd、As和Hg,研究区大都集中在大城市土壤

[1-4]

不同功能区中9种重金属含量及污染进行评价,并通过多种统计分析方法对其来源进行分析,为芜湖市区土壤重金属环境治理提供科学依据。

,而对新兴中小城市土壤重金属的研究

较少。芜湖市是皖江开发开放的新兴中小城市,将要发展成为长江的重要港口城市,随着城市化进程的加快,芜湖市土壤已经受到一定程度污染。目前,已有一些研究者对芜湖市土壤重金属进行了研究,但都主要集中在郊区农业土壤重金属

[7]

[5]

1　材料与方法

1.1　研究区概况

芜湖市区辖镜湖、弋江、鸠江、三山4个区。为更好地研究人类活动与土壤重金属分布特征的关系,本研究将鸠江区内的国家级经济技术开发区(以下简称开发区)单独列出来,人为地分为5个区。镜湖区为

、工业区

[6]

和边缘区土壤中

含量的分析,而对整个芜湖市区以及土壤重

金属来源的多元解析鲜见。基于此,本文对芜湖市区

＊基金项目:国家自然科学基金项目(40901258);安徽高校省级自然科学研究重点项目(KJ2009A137)　收稿日期:2010-05-29;修订日期:2010-07-07　　通信作者:方凤满,博士,教授　王海东,等　芜湖市区土壤重金属污染评价及来源分析

37

3次重复测定。结果显示平行样中重金属相对标准偏差达到国家规定的精密度要求,标准物质的回收率在80%～110%之间。本实验所用试剂均为优级纯,水为二次去离子水,器皿均在10%的硝酸中浸泡24h以上。

1.4　污染评价方法

本研究采用单项污染指数评价土壤重金属的污染状况,其计算公式:

PCi=i/Si

(1)

式中,P为第i种因子单项污染指数,C为第i种污染ii实测值,S种污染物的背景值。参照国家土壤i为第i环境质量标准,本文将P≤0.7的土壤样点定义为清i洁无污染,0.73为重污染。

市中心区,人口密集,是芜湖市的政治、经济、文化、旅游中心和中心商务区;鸠江区以工业为主,形成了金属压延、汽车及其零部件制造、电子电器、生物医药四大支柱产业;而汽车及其零部件、电子电器主要分布在开发区;弋江区近年经济、城市建设加快,主要以高科技产业与生态型住宅为特征;三山区2006年新划入芜湖市区,主要是绿色食品生产基地。1.2　样品采集与处理

为使样点具有较好的代表性,采用近似网格法(1km×1km)布点,具体根据污染源的位置、交通干道的分布以及区域内土地利用方式等不同加密或稀疏采样。在镜湖区布25个点,鸠江区27个点,弋江区42个点,三山区36个点,开发区23个点,共采集土样153个,样点分布如图1。土样采集时,每个样以取样点为中心的10m范围内按照梅花形取4～5个0～15cm的土壤混合而成,每个样约重500g,并用GPS同步记录采样点的坐标。土样经自然风干后,用不锈钢镊子剔除其中的动植物残体、石子等杂质,经玛瑙研钵碾磨过20目尼龙网筛,以备测定pH,过60目尼龙网筛测定有机质含量,过100目尼龙网筛测定重金属含量,所有过筛后的样品放入自封袋中密封保存。

2　结果与讨论

2.1　芜湖市区土壤重金属含量水平

芜湖市区土壤pH范围为4.84～8.75,平均值为7.29,略呈碱性;有机质平均值为3.52%。芜湖市土壤Zn、Fe、Mn、Cu、Pb、Co、Cd、Ni、Cr的平均含量分别为96.75、30600.11、466.06、34.96、29.07、16.73、1.16、26.26、76.27mg/kg;除Fe、Mn、Ni外,其他元素均高于背景值;Zn、Cu、Pb、Co、Cd、Cr分别是背景值的1.26、1.09、1.17、1.20、6.11、1.29倍,说明出现了一定程度的积累,其中Cd最为严重,应引起重视。依据变异系数大小粗略分级规律

[8]

,芜湖市土壤中Co、Fe

为中等变异,其余元素为强变异;变异系数范围为11%～89%,变异性很大,可见土壤重金属的来源受外界影响很大,可能受人为活动的不合理布局及企业和道路交通的影响。与《土壤环境质量标准GB-15618-1995》中的2级标准(6.5图1　芜湖市样点图

壤中Cd严重超标,超标率为77.12%,其它元素未超标。与同类研究相比,芜湖市区土壤Cu、Cr含量比香港、广州高,比上海低(见表1);芜湖市区土壤中Pb和Zn含量低于其他城市;Cd比香港高,是香港的1.87倍,这可能受城市性质、城市化水平等因素的影响。芜湖市相对于上海、广州和香港属于欠发达城市,选取其进行类比,对城市未来土壤质量控制有参考价值,同时可反映芜湖市土壤重金属污染水平。总体上,芜湖市区土壤已受到不同程度的重金属污染,其中Cd污染最为严重。

1.3　样品测定与质量控制

在2010年2、3月进行实验分析与测定,土壤pH值用pHs-29B型的pH计测定,水土比例为2.5:1。土壤有机质测定采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法。土壤重金属样品经HF-HNOHCIO3-4三酸消解,电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)测定。为保证分析结果的可靠性,样品分析过程中加入国家土壤标准物质GSS-1和GSS-3进行质量控制,每批样品均做相应的试剂空白,并随机选取10%的样品进行38

　　　　　　　　　　　　　　　　　　城市环境与城市生态　23卷4期　2010年

表1　芜湖市区土壤中重金属、pH和有机质含量统计

项目最小值最大值平均值标准差

变异系数(%)超标率(%)上海[9]广州

[10]

Cu6.9774.3934.9612.68

36061.610.323.3

Pb4.97115.9929.0720.04

68096.658.394.6

Cr0.81176.2676.2740.88

520726.442.023.1

Zn13.39573.6796.7558.39

602.61284.9112.8125.0

Fe10000.7550719.3630600.117200.54

24

/23110//

Mn62.88890.42466.06174.9838/557.8//511.0/

Co0.4332.0016.734.42

26////14.0/

Cd0.017.331.161.04

8986.27//0.620.190.6

Ni0.0875.4126.269.82

372.61/23.112.435.050

pH4.848.757.290.83

11//////

SOM(%)0.1410.903.521.67

47//////

香港[11]

[12]

32.224.859.076.8033300.0背景值

国家2级标准@100300300250/注:/表示无数据,@以《土壤环境质量标准》Ⅱ级标准作为参考依据.

2.2　芜湖市区土壤重金属的分区分布特征

利用LSD(最小显著差数)法检验同一因素下各水平间差异的显著性。由表2可知,镜湖区Zn与其他区,Pb与鸠江、弋江、三山区,Cr与弋江区、开发区有统计显著性,而土壤中Pb、Zn、Cr在镜湖区达到最高,是由于镜湖区人口密度大,交通频繁,轮胎与地面的磨损以及汽车尾气的排放等原因造成。Zn在三山区平均值仅次于镜湖区,可能是农业生产活动中使用

[13]

的化肥、农药及饲料添加剂中含有Zn导致。开发区,三山区和鸠江区Cd分别与其他各区有统计显著性,在开发区达到最大值,高值点位于发电厂和冶炼厂附近,主要是由于生产过程中产生的废水、废气及废渣排入环境并通过径流、大气沉降等方式进入土壤

区域镜湖区鸠江区弋江区三山区

Zn137.52a72.02b87.75b100.89b

Fe28126.52b27884.98b28462.75b37536.70a

Mn475.44bc306.57d412.57c619.23a

Cu35.70ab28.91c31.51bc41.73a

中。三山区明显高于弋江和鸠江区,可能是三山区是

绿色食品生产基地,农业中含Cd地膜的使用是其主要原因,另外污水灌溉也可能导致土壤中Cd含量的

[14]

增加。镜湖区Cd高于鸠江区可能是由于镜湖区交通相对密集,轮胎与地面的磨损产生颗粒通过大气的干湿沉降沉积在土壤中。土壤中Fe、Mn、Cu、Ni、Co高值均在三山区,且三山区Fe、Mn、Cu、Co与其他区有统计显著性,Ni与弋江、开发、鸠江区有统计显著

[15]

性,一般认为Ni主要受地球化学成因影响,Fe和

[16]

Mn则是成土母质的重要物质,三山区城市化进程慢,对土地的扰动强度小,从而元素流失较少,而芜湖市区地势总体上呈现东北高西南低的特点,西南部分地势低洼,有利于重金属元素的沉积。

mg/kg

Cd1.00bc0.57c0.97bc1.23b2.25a

Ni28.55a26.86ab24.74ab28.93a22.68b

Cr87.42a80.24a76.34ab85.92a57.58b

Pb42.45a20.90b26.54b24.56b36.13a

Co16.28b15.75b17.51ab18.62a13.69c

表2　芜湖市不同功能区土壤重金属平均含量特征

开发区91.43b29403.81b501.05b36.93ab

注:每组同一列中不同字母表示平均值在p<0.05水平下有显著差异。

2.3　芜湖市区土壤重金属污染评价

从表3可以看出,重金属污染程度依次为Cd>Cr>Zn>Co>Pb>Cu>Fe>Mn>Ni。Fe、Mn污染相对较轻,分别有34.6%、41.2%的样点处于轻度污染。Zn、Cu、Co、Cr污染已超过警戒级,分别有60.8%、51.6%、78.4%和59.4%的样点处于轻度污染水平,有2.6%、2.6%、3.2%、8.4%处于中度污染水平,Cr和Zn的个别样点处于重度污染水平。Pb和Ni属于尚清洁状态,仍有37.9%和47.7%的样点处于警戒状态,Pb有32%的样点为轻度污染,说明已经引起污染。所有元素中Cd污染最为严重,78.4%的样点达到重度污染水平,已经处于严重污染水平。总体上,芜湖市土壤中Fe、Mn和Ni没有污染,Zn、Cu、Pb、Co和Cr为轻度污染,Cd为重度污染。

表3　芜湖市土壤重金属污染评价结果

重金属Pi

Zn1.23

Fe0.89

Mn0.88

Cu1.06

Pb1.14

Co1.15

Cd5.94

Ni0.73

Cr1.29

2.4　土壤中重金属的来源分析2.4.1　土壤中重金属之间的相关性分析

从土壤pH值、有机质和重金属元素间的相关系数可以看出(表4),在0.01置信水平上,Pb、Zn、Cu、Cd两两之间有显著相关性,同时Pb、Co、Cr、Ni两两之间也有较好的显著性,但前者的相关性水平高于后者,其相关性水平分别为0.557、0.420、0.678,但Pb、

　王海东,等　芜湖市区土壤重金属污染评价及来源分析

39

高,其值为0.667,说明来源极为相近。Mn、Pb与pH,Zn与pH分别在0.05、0.01置信水平上有显著正相关性,说明碱性条件有利于Mn、Pb、Zn在土壤中的积累。Pb、Zn、Cu和Cr、Cd与有机质分别在0.05、0.01水平呈强正相关,可知Pb、Zn、Cu、Cr、Cd受有机质含量影响较大。

Co

Cd

Ni

Cr

pH

SOM

Zn、Cu、Cd在不同功能区中取得最大值,因此,Pb、Zn、Cu、Cd没有产生复合污染,可能具有相同的来源。Co、Cr、Ni两两之间也有较好的显著相关性,说明来源大致相同,并且Co和Ni相关系数最高,达到了

0.819,说明土壤中Co和Ni的关系最为密切,它们的含量受彼此影响较大。Fe和Mn的相关性水平也较

因素ZnFeMnCuPbCoCdNiCrpH

Zn10.218＊＊0.323＊＊

0.587＊＊0.5570.230

＊＊

表4　芜湖市土壤重金属、pH以及有机质含量的Pearson相关系数

Fe10.667＊＊

0.514＊＊0.0280.318＊＊0.2100.166

＊

MnCuPb

10.477＊＊0.1560.213＊＊0.262

＊＊

10.420＊＊0.0780.366

＊＊

10.256＊＊0.6780.337

＊＊

-0.027

＊＊

10.251＊＊0.819＊＊0.404

＊＊

10.264＊＊0.0390.1630.166

＊

0.0870.1590.187＊

＊＊

0.419＊＊

＊

0.212＊＊0.0910.313＊＊

0.172＊0.1340.098

＊＊

0.344＊＊

＊＊

10.427＊＊0.141-0.055

10.0460.206

＊

0.002

0.238＊＊

＊＊

0.085-0.041

1-0.001

1

SOM0.3350.007-0.0100.2380.290

注:＊＊相关系数在0.01水平上显著,＊相关系数在0.05水平上显著

2.4.2　土壤中重金属的主成分分析

采用KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)和Bartlett(Bart-letttestofSphericity)法对原始数据集进行适宜性检验,各统计量均达到要求,因此认为适合对原始数据进行主成分分析,结果见表5。

表5　芜湖市土壤重金属在前3个主成分上因子载荷元素FeMnPbZnCdCu

NiCoCr

主成分10.9350.730-0.0350.2280.1160.581

0.2070.192-0.005

主成分20.0550.2630.8810.7730.6690.632

0.0940.0210.163

主成分30.2350.0420.334-0.1210.257-0.039

0.8750.8720.658

明Pb、Zn和Cu可能主要受交通运输活动的影响。初步断定,Zn、Cu和Pb可能主要来源于交通活动,Cd可能主要来源于工业活动。因此,第2主成分主要来源于交通及工业活动。主成分3主要包括Ni、Co和Cr3种元素,3种元素在三山区有相对较高的含量,并且Co和Cr均高于背景值,三山区是芜湖市的特色农业

基地和食品加工基地,农业活动强度较大,因此该主成分可归纳为农业活动影响。2.4.3　土壤中重金属的聚类分析

聚类树状图可以形象地反映元素间的远近程度,有效地揭示元素间的联系(图2)。为了保证结果的准确性,先对数据进行标准化,以使数据有相同的权重。根据基于相关系数最远邻法聚类分析结果(图2),当距离为15～20时,主要分为3类,第1类:Fe、Mn元素;第2类:Pb、Zn、Cd和Cu元素;第3类:Ni、Co和Cr元素。聚类分析结果进一步支持了主成分分析的结论。

　　由表5可以看出Fe、Mn在主成分1上有较高的载荷,Fe、Mn平均值均低于土壤背景值,并且Fe和Mn是成土母质的重要物质

[16]

,说明成土母质对土壤

中Fe、Mn起控制作用,因此认为第一主成分主要来源于自然源。主成分2主要包括Zn、Cu、Pb、Cd元素;由

表1可知Zn、Cu、Pb、Cd的平均值均高于土壤背景值,说明其除受成土母质作用外,人为源的输入也对其产生了明显的影响,Cd在经济技术开发区达到高值,说明与该区密集的工业活动有关

[17]

。有研究表

明灰尘中Pb主要来源于汽车尾气排放,Zn主要来源于汽车轮胎的老化磨损,Cu、Zn还来源于汽油、车体的磨损等,交通活动产生的灰尘经外力扬起沉积在周围土壤中,导致土壤中Pb、Zn和Cu含量升高

[17]

,说

图2　芜湖市区土壤重金属聚类分析谱图

40

　　　　　　　　　　　　　　　　　　城市环境与城市生态　23卷4期　2010年

归纳相关性分析、主成分分析、聚类分析的结果,芜湖市区土壤中9种元素的来源可以分为3类,Fe和Mn主要来源于自然源,Zn、Cu、Pb、Cd主要来源于交通及工业活动,Ni、Co和Cr主要来源于农业活动。

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3　结论

1)芜湖市土壤中Zn、Fe、Mn、Cu、Pb、Co、Cd、Ni和

Cr的平均值均低于国家2级标准,只有Cd超过其规定值,是国家标准值的4倍,应引起重视。除Fe、Mn、Ni外,其他元素均高于背景值,存在一定积累现象,说明随着芜湖市的快速工业化,土壤中重金属有污染增加的趋势。

2)单因子污染评价表明:Fe、Mn和Ni没有污染,Zn、Cu、Pb、Co和Cr为轻度污染,Cd为重度污染。

3)芜湖市土壤中9种重金属元素有着不同的来源。主要分为3类,Fe和Mn主要来源于自然源,Zn、Cu、Pb、Cd主要来源于交通及工业活动,Ni、Co和Cr主要来源于农业活动。参考文献

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