土壤鉛污染溯源方法研究

1、土壤鉛污染溯源方法研究趙世君, 揚(yáng)柳, 郭偉, 李旭祥（西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院，710049 西安）摘要：針對鉛污染溯源復(fù)雜性特點(diǎn)，以某地鉛鋅冶煉廠和電廠為研究對象。采用地統(tǒng)計學(xué)軟件GIS和地理數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的方法，研究重金屬含量的空間變異性。結(jié)果表明，在研究區(qū)內(nèi)土壤鉛含量明顯高于區(qū)域背景值。金屬鉛與鋅有較高的相關(guān)性，具有相似的空間分布特征，鉛污染出現(xiàn)了明顯的兩個區(qū)域分布。冶煉廠高爐粉塵排放是研究區(qū)重金屬的主要來源。關(guān)鍵詞：鉛污染; 地統(tǒng)計學(xué); 空間變異性Research on the method of Soil lead pollution sourceZHAO Shi-jun;

2、 YANG Liu; GUO Wei; LI Xun-xiang(School of Human Settlement and Civil Engineering, Xi an jiao tong university，Xi an 710049，China)Abstract: According to the complexity characteristics of lead pollution source, we take one place of lead and zinc smelting plant and power plant as the research object. T

3、he statistical software GIS and geographical data statistics analysis method to study the spatial variation of heavy metal content. The results indicate that lead value of the soil in the research areas significantly is higher than lead value of the background. Metal lead and zinc have high correlat

4、ion, has the same spatial distribution characteristics, lead pollution has noticeably two area distribution. The blast furnace dust of heavy metal smelter is the main source of heavy metals in the study area.Key word：lead pollution; Geostatistics; spatial variability 目前，鉛污染事件頻繁發(fā)生，已引起社會關(guān)注，環(huán)境中鉛的主要來源包括

5、礦山開采、金屬冶煉、汽車尾氣【13】，對污染物來源進(jìn)行判別較難。我們選擇具有鉛鋅冶煉廠和電廠的區(qū)域作為研究對象。利用多元統(tǒng)計與地理統(tǒng)計相結(jié)合的方法對環(huán)境中污染物的分布規(guī)律、來源進(jìn)行分析【47】，為污染溯源及空間遷移規(guī)律研究提供依據(jù)。1 材料與方法1.1 土壤樣品采集研究區(qū)域見圖1，A、B分別為鉛鋅冶煉長與電廠，在A點(diǎn)正東，東南，正南，西南，正西，西北，正北，東北八個方向延伸500米設(shè)置8個監(jiān)測點(diǎn)位，延伸1500米設(shè)置8個監(jiān)測點(diǎn)位，延伸2000米設(shè)置8個監(jiān)測點(diǎn)位。同時在A點(diǎn)與B點(diǎn)之間以直線延伸500米、800米、1000米、1500米、2000米各布設(shè)一個土壤監(jiān)測點(diǎn)位。采樣地點(diǎn)遠(yuǎn)離耕地和居民區(qū)，

6、采樣深度10CM。圖1 土壤監(jiān)測點(diǎn)位BA*代表500米 代表1500米 代表 2000米 代表直線 A代表鉛鋅冶煉廠 B代表電廠1.2 樣品的前處理 采集的樣品在室內(nèi)自然風(fēng)干后，用木質(zhì)小錘敲碎后過20目尼龍篩，用“四分法”分取50g樣品置于聚乙烯塑料帶中備用。用“四分法”取20g樣品過100目置于聚乙烯塑料帶中備用，用“四分法”取10g樣品過200目置于聚乙烯塑料帶中備用。袋內(nèi)及袋上皆置標(biāo)簽。1.3 土壤重金屬元素含量分析土壤重金屬元素含量用Axios advanced型（荷蘭帕納科X射線分析儀器）測試分析。采用國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GSS系列)進(jìn)行準(zhǔn)確度和精密度監(jiān)控。監(jiān)控結(jié)果表明，測試精密度小于

7、5，重復(fù)性檢驗(yàn)雙差小于10，合格率達(dá)到100。1.4數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)描述統(tǒng)計量可以初步的對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析，在數(shù)據(jù)處理之前要剔除特異值，由于特異值的存在會對變異函數(shù)具有顯著的影響，因此計算變異函數(shù)前剔除這些特異值是十分有必要【8】。在對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行插值時，需要半方差函數(shù)的模型，而半方差函數(shù)的模型要求數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布，否則會存在比例效應(yīng)【8】分析采用SPSS19.0軟件完成,半變異函數(shù)擬合、樣點(diǎn)分布圖和重金屬含量插值圖用AcrGIS910軟件完成。2 結(jié)果與討論2.1 土壤微量元素含量土壤微量元素含量統(tǒng)計分析. 其中重金屬元素Fe、Mn、Cu、Zn、As、Pb（見表2）的平均值分別為3.39、724

8、.90、26.00、101.67、13.69、38.18 mgkg-1均已超過中國土壤環(huán)境背景值【9】2.94、583、22.6、74.2、11.2、26.0 mgkg-1，但都屬于輕度污染的范圍內(nèi)。土壤主要元素Ca、Mg、K、Ti、P、Si（見表3）的平均值分別為5.17、1.40、2.10、3939.02、1097.13、27.00 mgkg-1均已超過中國土壤環(huán)境背景值1.54、0.78、1.86、0.38 mgkg-1。變異系數(shù)是反映樣品變異程度的一個統(tǒng)計量,能在一定程度反映樣品受人為影響的程度【10】, 從變異系數(shù)來看, Zn、Pb變異系數(shù)明顯高于其它元素,分別為0.33、0.49屬

9、于中度變異,其它元素變異系數(shù)介于0.060.17之間,屬輕等變異程度, Fe、Cu、Zn、As服從正態(tài)分布，Mn服從偏態(tài)分布，Pb服從對數(shù)正態(tài)分布。Pb、Zn受到人為干擾較其他金屬元素要強(qiáng)，其他金屬元素主要來源與母質(zhì)的影響。表2 重金屬元素統(tǒng)計分析重金屬元素平均值/mgkg-1標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù)最小值/mgkg-1最大值/mgkg-1峰度偏度分布類型中國土壤背景值/mgkg-1超標(biāo)率Fe3.390.310.09 2.063.8912.40-2.98正態(tài)2.940.15 Mn724.9040.070.06 634.27801.530.76-0.80偏態(tài)5830.24 Cu26.004.160.16

10、9.5832.137.62-2.02正態(tài)22.60.15 Zn101.6734.050.33 50.20201.972.231.48正態(tài)74.20.37 As13.692.140.16 6.9116.962.78-1.40正態(tài)11.20.22 Pb38.1818.600.49 17.92100.133.801.97對數(shù)正態(tài)26.00.47 表3土壤主要元素統(tǒng)計分析土壤主要元素最小值最大值平均值/mgkg-1標(biāo)準(zhǔn)差偏度峰度中國土壤背景值/mgkg-1超標(biāo)率Ca3.6312.685.171.514.46322.5981.543.354366Mg0.971.581.400.10-2.62211.69

11、60.781.793826K1.872.252.100.08-0.6941.461.861.126754P762.942272.401097.13319.882.2855.869Si22.47 28.58 27.00 1.06 -2.74511.5162.2 土壤重金屬元素相關(guān)性 重金屬元素之間的相關(guān)性,可反映有關(guān)元素之間的關(guān)聯(lián)情況或污染來源【11】。通過SPSS軟件計算各元素間的相關(guān)系數(shù),并對計算結(jié)果進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)(見表4)，除Pb與Fe、Pb與Mn、Zn與Fe、Zn與Mn相關(guān)性不顯著外，其他元素之間顯著相關(guān)，其中除Pb與Cu外，其他相關(guān)系數(shù)均大于0.5，Pb與Zn為0.973、Cu、As

12、、Fe、Mn兩輛之間相關(guān)系數(shù)在0.640.85之間，由此可以初步推斷，Pb與Zn可能為同一來源，Cu、As、Fe、Mn有相同的來源。表4 土壤重金屬相關(guān)分析PbZnCuAsFeMnPb1Zn0.973*1Cu0.436*0.588*1As0.545*0.686*0.834*1Fe0.1590.320.803*0.818*1Mn0.20.3310.645*0.781*0.806*1*表示99%置信區(qū)間顯著,*表示95%置信區(qū)間顯著2.3土壤重金屬空間分布利用GS+軟件對土壤重金屬數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)化模擬，擬出各金屬元素的半變異函數(shù)見表5。表5 金屬元素半變異函數(shù)重金屬元素擬合模型塊金值（C0）基臺值（

13、C0+ C1）C0/C0+ C1變程/Km決定系數(shù)R2標(biāo)準(zhǔn)均方根預(yù)測誤差RSSPb高斯模型205.0474.50.430.821.00.0916Fe高斯模型0.01550.180.0861.770.7687.786E-04Zn高斯模型34627460.1261.230.95523083As高斯模型0.363.70.0970.571.05.572E-04Mn指數(shù)模型19123210.0821.120.98319387Cu高斯模型3.4926.620.1311.340.9941.16*塊金值（C0）它反映最鄰近樣點(diǎn)間的非連續(xù)程度,代表隨機(jī)變異基臺值（C0+ C1）它反應(yīng)了空間相關(guān)性的距離范圍，代表

14、系統(tǒng)總變異【12】塊金值(C0 )與基臺值(C0+ C1 )之比表示隨機(jī)性變異在系統(tǒng)總變異中占的比例,可反映土壤重金屬元素在一定范圍內(nèi)樣點(diǎn)的空間自相關(guān)程度【13】.當(dāng)C0/ C0 + C1 75% 時,變量的空間自相關(guān)性很弱,以隨機(jī)變異為主導(dǎo)【14】。通過表四可以看出除Fe以外，其他4個金屬的決定系數(shù)都大于0.95，。檢驗(yàn)結(jié)果表明，4種重金屬的擬合模型都達(dá)到了極顯著水平，模擬效果比較接近于實(shí)際。由于Fe值得偏離度過大模擬效果較差。金屬元素Pb、Zn、Mn塊金值較大，其中ZnPbMn，表明在較小的尺度范圍內(nèi)某種過程不能忽略，而金屬As、Cu較小，表明該元素在較小的范圍內(nèi)某種過程可以進(jìn)行忽略。金屬

15、元素Fe、Zn、As、Mn、Cu的塊金值/基臺值均小于25%，屬于強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，說明這些元素受到人為影響較小。金屬Pb的塊金值/基臺值在25%75%之間，屬于中等的空間相關(guān)性。夏學(xué)齊等【15】認(rèn)為如果該比值50，說明盡管數(shù)據(jù)受到人為影響的干擾，但是數(shù)據(jù)小尺度的隨機(jī)性并沒有掩蓋數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)性。金屬Pb的的塊金值/基臺值接近于50%，說明該元素受到一定的人為影響，但不是很嚴(yán)重。由于金屬Fe的模擬效果較差，可能是土壤母質(zhì)決定的。 2.3 土壤重金屬的空間分布圖克里格插值是對離散變量進(jìn)行連續(xù)無偏插值的可靠方法,插值結(jié)果可以直觀地呈現(xiàn)出重金屬元素的空間分布特征【16】，根據(jù)上述擬合的最佳模型及其參數(shù)，

16、對土壤重金屬進(jìn)行Block Kriging進(jìn)行空間內(nèi)插值，參與估值的樣點(diǎn)數(shù)為29，最大搜索半徑為每種元素相應(yīng)的變程。將數(shù)據(jù)及其參數(shù)輸入到GIS10軟件中，到了研究區(qū)域的重金屬空間分布圖（圖6）。其中圖上數(shù)值單位mg/kg。我國環(huán)境空氣質(zhì)量評價中大氣污染物擴(kuò)散模型普遍應(yīng)用高斯系列模式。如上述擬合結(jié)果所述，可以得出大氣干濕沉降是Pb、Zn、As、Cu這4種重金屬進(jìn)入土壤的重要傳播途徑。由高斯模型的公式可以得出【17】，污染物的排放濃度變化受到單位時間的排放量、污染物的水平和垂直的擴(kuò)散、排放口處的平均風(fēng)速。這里缺少相關(guān)數(shù)據(jù)不能進(jìn)行影響因素的分析。從下圖的土壤空間分布可以看出，土壤重金屬Pb、Zn、A

17、s、Cu污染的分布呈現(xiàn)從污染源到周圍呈現(xiàn)出輻射狀。在污染源附近，受到影響較嚴(yán)重。，每一輻射狀分布區(qū)域的中心具有一個重要的污染源，圖中下方中心的地理位置與研究區(qū)冶煉廠位置大致相同，上方中心區(qū)域大致是污染物的最大落地點(diǎn)，具有很好的相關(guān)性，因此，冶煉廠是該區(qū)域主要的污染源。其中土壤重金屬Pb、Zn污染的分布相似，污染來源大致相同。土壤重金屬Fe、Mn主要受到土壤母質(zhì)等內(nèi)在因素。圖6 土壤重金屬空間分布圖Cu空間分布圖As空間分布圖Zn空間分布圖Pb空間分布圖Mn空間分布圖Fe空間分布圖3 結(jié)語（1） 研究區(qū)域已經(jīng)受到一定程度重金的污染，其中Pb和Zn較其他重金屬污染較嚴(yán)重。（2） 由土壤重金屬的相關(guān)

18、性研究表明，土壤重金屬Pb和Zn來源同一。Cu、As、Fe、Mn有相同的來源。地統(tǒng)計學(xué)分析結(jié)果證明金屬元素Fe、Mn、Cu、As受到人為影響較小，金屬Pb受到一定的人為影響，但不是很嚴(yán)重。（3） 污染區(qū)域的土壤重金屬As、Pb、Zn、Cu分布主要收到污染源的影響，影響因素主要為單位時間的排放量、污染物的水平和垂直的擴(kuò)散、排放口處的平均風(fēng)速。土壤重金屬Fe、Mn主要受到土壤母質(zhì)等內(nèi)在因素。（4） 重金屬的相關(guān)性和空間分布在一定程度上反應(yīng)了重金屬的污染規(guī)律，通過相關(guān)性可以判斷來源是否相同，通過地理統(tǒng)計的方法可以判斷來源是否受到人為源影響，在通過對比污染分布圖可以判斷出污染源。參考文獻(xiàn)【1】 陳懷滿

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