文章利用對(duì)比法和地統(tǒng)計(jì)學(xué)與地理信息系統(tǒng)結(jié)合的方法研究廣東省北部某水泥廠周邊農(nóng)田土壤中重金屬的主要來(lái)源。通過(guò)分析采樣點(diǎn)位表層土壤(0～20cm)和深層土壤(20～40cm)中鎘(Cd)、鉛(Pb)、鉻(Cr)、砷(As)、汞(Hg)的含量及空間變異特征，利用Kriging 插值分析方法對(duì)未測(cè)點(diǎn)土壤含量進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，結(jié)果表明，農(nóng)田土壤重金屬Cd 污染最為嚴(yán)重;耕作層土壤Cd、Pb、Hg 全量都大于底層;對(duì)比法和地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果表明，該區(qū)域農(nóng)田土壤重金屬含量以水泥廠和公路為中心呈輻射狀分布，可確定為該區(qū)域土壤重金屬的主要污染來(lái)源。
前 言
土壤作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，人類生存的根本，在極大限度地承載著人類的活動(dòng)。然而，工農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展給其帶來(lái)了嚴(yán)重破壞，在工礦周圍、公路和鐵路兩側(cè)、污水灌溉區(qū)、施用大量化肥的土壤中污染尤其嚴(yán)重。許多地區(qū)土壤污染問(wèn)題非常復(fù)雜，往往是多來(lái)源、多種類污染，為土壤污染的控制、治理和管理帶來(lái)了巨大的困難。如何判斷土壤污染的元素種類和數(shù)量，解析污染源已經(jīng)引起了各國(guó)科技工作者的高度重視。
近年來(lái)，污染場(chǎng)地土壤重金屬污染源解析研究逐漸成為當(dāng)前污染環(huán)境領(lǐng)域的熱點(diǎn)。目前用于土壤重金屬識(shí)別的方法主要有對(duì)比方法、地球化學(xué)法和統(tǒng)計(jì)分析方法等。了解污染場(chǎng)地土壤污染物來(lái)源和空間變異特征是污染場(chǎng)地健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)管理的基礎(chǔ)，是有效控制土壤污染、保障環(huán)境安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要前提。
本研究以廣東省英德市某鎮(zhèn)一個(gè)典型重金屬污染場(chǎng)地為對(duì)象，旨在深入了解污染場(chǎng)地周邊農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀，為污染場(chǎng)地周邊農(nóng)田土壤污染防治和風(fēng)險(xiǎn)管理提供科學(xué)依據(jù)。
一、研究方法
1污染場(chǎng)地概況
英德市是廣東省最大水泥生產(chǎn)基地，研究區(qū)域位于英德盆地中部，北江中游西岸河畔，英德市英城街道矮山坪村(東經(jīng)113.430° ，北緯24.246° )，距離臺(tái)泥水泥廠東南側(cè)約200 m，交通主干道兩側(cè)。受季風(fēng)和重型運(yùn)輸車輛長(zhǎng)期影響，易對(duì)該區(qū)域的土壤造成重金屬污染。
2點(diǎn)位布設(shè)及樣品采集
以水泥廠為中心，由近到遠(yuǎn)依次布設(shè)點(diǎn)位采樣，各點(diǎn)位均用GPS 準(zhǔn)確定位，200 hm2內(nèi)共設(shè)置50 個(gè)采樣點(diǎn)。每個(gè)采樣點(diǎn)分別采集0～20 cm 和20～40 cm 土壤樣品，采集的土壤樣品在室內(nèi)自然風(fēng)干，研磨，分別過(guò)2mm和0.149 mm尼龍篩備用。
3土壤中重金屬含量測(cè)定
樣品經(jīng)自然風(fēng)干，挑除石礫和植物殘?bào)w充分混勻，研磨過(guò)篩待用。0.2 g土加8 mL濃硝酸與高氯酸的混合酸(濃硝酸∶高氯酸=4∶1)和4mL氫氟酸于聚四氟乙烯消化管消解至淡黃色半固體狀時(shí)完成消解，轉(zhuǎn)移、定容待測(cè);土壤中總汞、總砷含量測(cè)定參照GB/T 22105-2008 《土壤質(zhì)量總汞、總砷、總鉛的測(cè)定原子熒光法》。用DTPA 提取劑浸提土壤Cd 和Pb 有效態(tài)，0.5 mol/L的NaH2PO4 浸提土壤As 有效態(tài)，0.1 mol/L 鹽酸溶液浸提土壤Hg 和Cr 有效態(tài)。以上浸提液用ICP-MS 測(cè)定Cd、Pb、Cr 含量，原子熒光法測(cè)定As 和Hg 含量。電位法測(cè)定土壤pH (土水質(zhì)量比為1∶2.5)。
4數(shù)據(jù)處理
由于特異值的存在會(huì)對(duì)變異函數(shù)具有顯著的影響，因此計(jì)算變異函數(shù)前剔除特異值。本研究采用域法識(shí)別特異值，即樣本平均值加減3 倍標(biāo)準(zhǔn)差，在此區(qū)間以外的數(shù)據(jù)均定為特異值，然后分別用正常的最大和最小值代替特異值。消除特異值后，對(duì)不符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布的5 種重金屬元素都近似符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布，連同采樣點(diǎn)的地理坐標(biāo)輸入地統(tǒng)計(jì)軟件GS+，然后把結(jié)果導(dǎo)入到ArcGIS 8.2 中，利用Kriging 插值法對(duì)未采樣區(qū)含量進(jìn)行估計(jì)，得到研究區(qū)內(nèi)土壤中各重金屬含量的空間分布圖。
二、結(jié)果與分析
1不同土層pH值差異分析
統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，上層土壤(0～20cm)pH 值在5.3～7.7 之間波動(dòng)，均值為6.50，下層土壤(20～40 cm)pH 值在6.14～7.65 之間波動(dòng)，均值為6.81。整體情況看，上層土壤pH 值整體低于下層，表層土壤變幅在1～2 個(gè)單位，下層土壤降幅為0.3 個(gè)單位左右。空間變異結(jié)果表明(見(jiàn)圖1)，水泥廠附近的農(nóng)田土壤pH 值整體在7 左右，距離水泥廠越遠(yuǎn)農(nóng)田土壤pH 值越低，但該區(qū)域靠近公路，公路對(duì)該區(qū)域農(nóng)田土壤pH 值降低影響較大，而且隨著影響時(shí)間的延長(zhǎng)，底層土壤也受到了影響。
2土壤環(huán)境質(zhì)量狀況
為研究污染場(chǎng)地對(duì)周邊農(nóng)田土壤重金屬的影響程度，選取國(guó)家GB 15618-1995 《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的2 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作為閾值。采用單因子指數(shù)法對(duì)水泥廠周邊農(nóng)田表層土壤總體環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如表1 所示。水泥廠周邊農(nóng)田土壤Pb和Cr 沒(méi)有呈現(xiàn)污染特征，但土壤As 和Hg 已呈輕度污染，分別有1 個(gè)樣點(diǎn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超標(biāo)，超標(biāo)率為2%;而土壤Cd的污染已較為嚴(yán)重，超標(biāo)樣點(diǎn)數(shù)達(dá)42 個(gè)，超標(biāo)率高達(dá)84%。同時(shí)又采用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以綜合指數(shù)大于1 為臨界值。結(jié)果表明，石灰廠周邊農(nóng)田耕作層土壤共有33 個(gè)樣點(diǎn)超標(biāo)，超標(biāo)率達(dá)66%，最大值達(dá)到1.90;底層土壤共有6 個(gè)樣點(diǎn)超標(biāo)，超標(biāo)率達(dá)12%，最大值達(dá)到1.72。根據(jù)《農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》土壤污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)域?yàn)檩p度污染等級(jí)。
3不同土層重金屬含量特征分析
土壤重金屬全量含量描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2 所示。該區(qū)域土壤中Cd 超標(biāo)最為嚴(yán)重，耕層土壤中Cd 含量是底層的1.6 倍，表明造成該區(qū)域Cd 超標(biāo)主要來(lái)自外源污染。所有樣點(diǎn)土壤Pb 都沒(méi)有超標(biāo)，但是耕作層土壤Pb 含量大于底層，如耕作層土壤最高含量達(dá)91.8 mg/kg，表明有外來(lái)污染源造成Pb 含量超標(biāo)。耕作層土壤中Hg 含量也高于底層，表明Hg污染也存在很大的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。
4土壤重金屬空間分布特征及污染源識(shí)別
外源重金屬大都富集在土壤表層而較難向下遷移。用Kriging 空間插值分析方法對(duì)未采樣點(diǎn)的含量進(jìn)行最優(yōu)內(nèi)插值估值。從土壤重金屬含量空間分布(見(jiàn)圖2)來(lái)看，在工廠附近及主干道兩側(cè)，耕作層土壤中Cd 和Pb 含量明顯高于其他區(qū)域，且主干道兩側(cè)Pb 含量要明顯高于工廠附近，表明除土壤本底外，耕作層土壤Pb 的首要來(lái)源為汽車尾氣和粉塵，其次為工廠。耕作層Cd、Hg在工廠附近及主干道兩側(cè)含量要高于其他區(qū)域，因此初步得出，工廠、汽車尾氣和粉塵是耕作層Cd、Hg的主要來(lái)源。
5土壤重金屬有效性系數(shù)分析
分析土壤重金屬有效性系數(shù)(有效態(tài)含量占全量百分比)(見(jiàn)表3)，得出耕作層土壤中5 種重金屬的有效性系數(shù)平均值都大于底層，也表明耕作層Pb、Cd、Cr、As、Hg 受外源污染風(fēng)險(xiǎn)較大。而且由于大氣酸沉降等原因造成的表層土壤酸化，也是導(dǎo)致重金屬活性升高的原因之一。
三、主要結(jié)論
從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，水泥廠周邊農(nóng)田土壤重金屬Cd 污染最為嚴(yán)重，且耕作層Cd 全量和有效態(tài)含量均高于底層土壤含量，表明該區(qū)域Cd來(lái)源為外源污染。
所有樣點(diǎn)耕作層土壤Pb、Cd、As 都大于底層有增加趨勢(shì)，表明該區(qū)域農(nóng)田Pb、Cd、As 受外源污染的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)也很大。
統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，該區(qū)域5 種重金屬有較強(qiáng)的變異性，但地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果也表明5 種重金屬具有很強(qiáng)的空間相關(guān)性。
插值結(jié)果表明，該區(qū)域農(nóng)田土壤重金屬含量以水泥廠和公路為中心呈輻射狀分布。地統(tǒng)計(jì)學(xué)研究方法可以對(duì)區(qū)域土壤污染源的識(shí)別加以指導(dǎo)和檢驗(yàn)。由于污染場(chǎng)地周邊農(nóng)田土壤重金屬含量的超標(biāo)與周邊污染源的影響密切相關(guān)，因此要密切關(guān)注污染源對(duì)周邊農(nóng)田土壤重金屬的污染問(wèn)題。
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