鉛鋅廠周圍土壤中重金屬空間分布特征

王成軍，孫大林，劉 勇,，劉 華，馮 濤

（1.西安建筑科技大學(xué) 管理學(xué)院，西安 710055；2.西安建筑科技大學(xué) 理學(xué)院，西安 710055)

鉛鋅廠周圍土壤中重金屬空間分布特征

王成軍1，孫大林1，劉 勇1,2，劉 華1，馮 濤1

（1.西安建筑科技大學(xué) 管理學(xué)院，西安 710055；2.西安建筑科技大學(xué) 理學(xué)院，西安 710055)

通過對某鉛鋅廠周圍土壤的地形、氣候調(diào)查分析，在該鉛鋅廠周圍縱向和橫向共設(shè)27個取樣點，進(jìn)行實地取樣和樣品分析，根據(jù)分析結(jié)果探討了該鉛鋅廠周圍土壤中重金屬空間分布特征并確定了鉛鋅廠的污染區(qū)域。重金屬的描述性統(tǒng)計分析結(jié)果表明，造成土壤重金屬污染的重金屬主要是Pb、Cd和Cr；重金屬空間分布表明，Pb和Cd主要分布在鉛鋅廠周圍，Cu和Cr的濃度由東南向西北方向漸次增加，Ⅱ級污染區(qū)域為0～6 km，復(fù)合污染區(qū)域為0.5～3 km；重金屬濃度相關(guān)分析表明，鉛鋅廠周圍土壤中的重金屬可能來自兩個污染源，Pb和Cd的污染源是鉛鋅廠，其中通過研究土壤的空間分布特征與各重金屬的同源關(guān)系,可以確定污染區(qū)域與污染源的數(shù)量，為后期確定污染源及土壤中重金屬污染的防治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 。

重金屬；空間分布特征；相關(guān)分析

隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的加快，重金屬污染日益嚴(yán)重，由于重金屬易于積累，其轉(zhuǎn)化形成的甲基化合物毒性更大，嚴(yán)重危害人類健康，因此，研究土壤中重金屬空間分布特征對于土壤環(huán)境質(zhì)量評價和土壤污染綜合防治具有十分重要的意義（胡克林等，2004）。對此，國內(nèi)外學(xué)者做了很多關(guān)于重金屬污染的研究。陳秀端等（2011）研究西安二環(huán)內(nèi)城市表層土壤中Co、Cr、Cu、Pb、Zn的空間分布特征發(fā)現(xiàn)，西安市二環(huán)內(nèi)表層土壤中Co、Cr、Cu、Pb、Zn具有明顯的高值帶和高值區(qū)；張長波和李志博（2006）采集了浙江省污染場地的174個表層土壤樣品，測定了7種重金屬含量，研究了這些重金屬含量的空間變異性。柳云龍和章立佳（2012）采用地統(tǒng)計學(xué)方法對上海郊區(qū)表層土壤樣品Cu、Zn、Pb、Cr、Mn共5種重金屬的空間變異結(jié)構(gòu)和分布格局進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，表層土壤Cu、Cr、Mn、Pb、Zn均屬中等變異，Mn、Cr呈正態(tài)分布，Cu、Pb、Zn呈對數(shù)正態(tài)分布；Facchinelli et al（2001）和Cattle et al（2002）利用多元統(tǒng)計和地統(tǒng)計相結(jié)合的方法來研究環(huán)境中污染物的來源、分布、歸趨等問題?，F(xiàn)有的關(guān)于鉛鋅冶煉廠周圍土壤中重金屬的研究主要集中在污染評價領(lǐng)域，僅有的一些研究只是對空間分布特征的分析，并沒有確定污染區(qū)域和污染源數(shù)量，而且它們一般只針對2～3種重金屬元素，元素涵蓋程度還不夠全面，有關(guān)確定鉛鋅廠周邊土壤中多種重金屬元素空間分布特征并確定污染區(qū)域和污染源數(shù)量尚未見深入研究。

1 材料與方法

1.1 土壤采樣區(qū)域概況

本文以某縣的鉛鋅廠為對象，研究了此廠周圍的土壤樣本中的7種重金屬的空間分布特征。鉛鋅廠地勢總體表現(xiàn)為西北高、東南低。北部以山地丘陵為主，有綿延起伏的千山支脈老爺嶺，地形起伏，溝谷發(fā)育，水土流失嚴(yán)重；南部則主要為黃土臺源，西北高、東南低。海拔595～1678 m，氣候類型為半濕潤、半干旱的暖溫帶季風(fēng)氣候，常年盛行東南風(fēng)和西北風(fēng)，年平均氣溫11.5℃，歷史上出現(xiàn)的極端最高氣溫為40.2℃，極端最低氣溫為?19.2℃，年平均降水量610 mm，無霜期207天。該鉛鋅廠采用ISP冶煉技術(shù)，年產(chǎn)鉛鋅20萬噸，于2005年投產(chǎn)運行。

1.2 樣品的采集

2013年7月通過對鉛鋅廠進(jìn)行科學(xué)考察，根據(jù)鉛鋅廠的地形及氣候的影響，采用網(wǎng)格法布點，對局部濃度變化較大的區(qū)域加密，采樣布點如圖1。每個采樣點都用GPS定位，并記錄取樣點的環(huán)境，取樣時采用多點取樣，以梅花型方式在周邊取10個子樣品，混合后采用四分法獲得1 kg左右的樣品，共采集土樣27個。

圖1 鉛鋅廠附近土壤采樣點Fig.1 Soil sampling points of lead-zinc factory

1.3 分析方法

土壤風(fēng)干后，分別過10目、20目土篩，并取部分土樣研磨，過100目土篩，供分析使用，土壤依據(jù)JY/T 015-1996電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜方法進(jìn)行樣品消解，即Cr、Cu、Pb、Zn等稱取0.1 g干燥底泥樣品，依次加入一定量的硝酸、鹽酸、高氯酸、氫氟酸，用超純水定容到20 mL，采用PE5300DV型電感耦合等離子直讀光譜儀進(jìn)行檢測。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中重金屬的描述統(tǒng)計分析

本文應(yīng)用SPSS 20.0軟件對這些樣本進(jìn)行描述統(tǒng)計如表1，表中相對豐度表示土壤中每種重金屬元素的含量占重金屬總體含量的百分比，變異系數(shù)是反映數(shù)據(jù)離散程度的絕對值，偏度是表征概率密度分布曲線相對于平均值不對稱程度的特征數(shù)，峰度是表征概率密度分布曲線在平均值處峰值高低的特征數(shù)，簡單來說，峰度是描述分布形態(tài)的陡緩程度，二級標(biāo)準(zhǔn)值是指國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)值。

Cr、Cu、Zn、Pb、As、Cd和Hg的均值分別為129.8mg·kg?1，31.09 mg·kg?1，122.5 mg·kg?1，56.02 mg·kg?1，15.83 mg·kg?1，1.008 mg·kg?1，0.225 mg·kg?1，均已超過了當(dāng)?shù)乇尘爸?，但都沒有超過國家二級標(biāo)準(zhǔn)中的土壤環(huán)境質(zhì)量限定值，有部分樣品的Cr、Cd和Pb的含量超過了限定值，表明鉛鋅廠周圍局部地區(qū)土壤已受到重金屬Cr、Cd和Pb的污染，應(yīng)該予以重視。Cr的相對豐度為36.41%，Zn的相對豐度為34.36%，Pb的相對豐度為15.71%，這3種重金屬占土壤中重金屬總數(shù)的86.48%，表明Cr、Zn和Pb在土壤中的比重很大，而這三種重金屬也成為后期環(huán)境治理的重點。同時Cr的變異系數(shù)為97.2%，Hg的變異系數(shù)為97.5%，遠(yuǎn)高于其他元素，表明Cr和Hg的變異程度極大，分布不均勻，具有極大的離散性；Cu和As的變異系數(shù)為10.1%和13.7%，低于其他元素，表明Cu和As的分布比較均勻，具有較小的離散性。重金屬的頻度分布趨向于正偏，Cu、Zn、As和Cd的偏度很小，趨近0，說明它們基本符合正態(tài)分布，其他元素為偏態(tài)分布。Cr和Hg的峰度是9.315和11.95，遠(yuǎn)大于0，說明Cr和Hg的分布很不均勻，具有很大的離散性，驗證了上述變異系數(shù)得出的結(jié)論。通過以上的分析可以確定土壤中每種重金屬所占的比率以及每種重金屬的基本分布規(guī)律，并判斷土壤主要受何種重金屬污染。

表1 土壤中重金屬的描述性統(tǒng)計分析結(jié)果 （mg·kg?1）Table 1 Results of heavy metal in soil for descriptive statistics （mg·kg?1）

2.2 土壤中重金屬空間分布特征

通過以上分析，我們得到土壤中重金屬的一些基本分布特征，為進(jìn)一步獲取土壤中重金屬的具體空間分布特征，我們在鉛鋅廠周圍縱向和橫向共設(shè)27個取樣點進(jìn)行實地取樣，并經(jīng)過實驗測定分析出土壤樣本中7種重金屬的含量，然后運用matlab軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在充分考慮地理環(huán)境因素、氣象條件等因素的情況下，利用插值法繪制重金屬Cr、Cu、Zn、Pb、As、Cd和Hg廠區(qū)周圍重金屬濃度分布圖（圖2）。

圖中顏色由淺到深表示重金屬元素濃度值的增大，圓圈是根據(jù)各種重金屬濃度相同的點描繪而成的等值線，圖中的小點代表取樣檢測點，黑色的正方形表示鉛鋅廠的位置。

Zn的濃度分布圖表明Zn在東南和西北方向濃度最高，在東北方向濃度很低；Cu在西北方向濃度最高，在東南方向濃度最低；Cr與Cu類似，濃度最高的地方出現(xiàn)在西北方向，在東南方向濃度最低，沿西北—東南方向濃度漸次降低；Pb在東南方向濃度最高，沿東南—西北方向濃度漸次降低；Cd在東南方向濃度高，其余的地方濃度都比較低；As整體濃度比較小，濃度最高的地方出現(xiàn)在西南方向；Hg整體濃度不高，濃度最高的地方出現(xiàn)在東南和西北方向。

圖2表明各種重金屬的空間分布存在顯著差異，且每種重金屬都是非均勻分布，因此圍繞鉛鋅廠形成一個“污染區(qū)域”。根據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB15618-2008的規(guī)定，Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)主要適用于一般農(nóng)田、蔬菜的土壤，土壤質(zhì)量基本對植物和環(huán)境不造成危害，所以我們將各重金屬大于土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)值（旱地，pH＞7.5）的地區(qū)稱為Ⅱ級污染區(qū)域，將Ⅱ級污染區(qū)域中各種重金屬交叉污染的區(qū)域稱為復(fù)合污染區(qū)域。根據(jù)表1我們可以得出造成土壤重金屬污染的主要元素為Pb、Cr和Cd，據(jù)此我們劃出鉛鋅廠周圍土壤重金屬污染區(qū)域如圖3。

圖中污染區(qū)域顏色由淺到深代表重金屬濃度增大，污染逐漸增加，其中污染最嚴(yán)重的為黑色區(qū)域，代表各種重金屬的交叉污染區(qū)域，即復(fù)合污染區(qū)域。復(fù)合污染區(qū)域共有兩處，標(biāo)號為A的黑色橢圓形區(qū)域是指Cd和Cr雙重污染區(qū)域，標(biāo)號為B的黑色三角區(qū)域是指Pb和Cd雙重污染區(qū)域，上圖表明鉛鋅廠附近的重金屬污染區(qū)域是沿東南—西北方向呈條狀分布；因為在緯度34°的區(qū)域1經(jīng)度等于92公里，1緯度等于111公里，我們將X軸換成每刻度0.92 km，Y軸換成每刻度1.11 km，根據(jù)坐標(biāo)軸求出鉛鋅廠與污染區(qū)的距離。運用直線掃描法得出Ⅱ級污染區(qū)域為0～6 km，復(fù)合污染區(qū)域為0.5～3 km。確定鉛鋅廠周圍土壤中重金屬的污染區(qū)域并確定污染區(qū)域與鉛鋅廠的距離，對今后有的放矢治理鉛鋅企業(yè)重金屬污染和鉛鋅廠周圍防控體系的建立都具有重要的意義。

圖2 廠區(qū)周圍7種重金屬的濃度分布圖Fig.2 The concentration distribution figure of the 7 kinds of heavy metal around the plant

圖3 廠區(qū)周圍重金屬復(fù)合污染區(qū)域Fig.3 The heavy metal contamination pollution area around the plant area

3 討論

通過以上重金屬元素空間分布的分析結(jié)果，我們確定土壤中重金屬的污染區(qū)域主要分布在東南方和西北方，由于此地盛行東南風(fēng)和西北風(fēng)，所以風(fēng)向可能是導(dǎo)致污染區(qū)域這樣分布的一個因素，但若只是風(fēng)向的原因，污染區(qū)域應(yīng)該以鉛鋅廠為界，東南方和西北方都應(yīng)該有同種重金屬元素的污染區(qū)域，這與實際不符，因此風(fēng)向不是導(dǎo)致污染區(qū)域不規(guī)則的唯一因素，一定還存在其他的污染源。為了確定污染源的種類和數(shù)量，進(jìn)一步探索重金屬元素的空間分布特征，我們還需要進(jìn)行相關(guān)性分析。根據(jù)27個取樣點的取樣數(shù)據(jù)，我們應(yīng)用SPSS 20.0軟件對鉛鋅廠周圍土壤中重金屬濃度進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，分析結(jié)果如下表2。

表2 重金屬濃度Pearson相關(guān)矩陣Table 2 Pearson's correlation matrix for the metal concentrations

上述矩陣中，土壤中重金屬的相關(guān)系數(shù)即土壤中各重金屬的相關(guān)程度的大小，數(shù)值越大，表明兩種重金屬的相關(guān)程度越大，正數(shù)表示正相關(guān)，負(fù)數(shù)表示負(fù)相關(guān)。相關(guān)系數(shù)大于等于0.8時，兩變量間高度相關(guān)，大于等于0.5小于0.8時，兩變量中度相關(guān)，大于等于0.3小于0.5時，兩變量低度相關(guān)，小于0.3說明相關(guān)程度弱，基本不相關(guān)。

表2表明，土壤中各重金屬的相關(guān)性存在顯著差異，Pb和Cd的相關(guān)系數(shù)為0.694，大于0.5小于0.8，為中度相關(guān)，表明Pb和Cd來自同一污染源。再結(jié)合圖3可以看出，Pb和Cd的復(fù)合污染區(qū)域都在鉛鋅廠附近，Pb的污染區(qū)距離鉛鋅廠大約500 m的復(fù)合污染區(qū)域，Cd的污染區(qū)包含鉛鋅廠，再加上鉛鋅廠每年排放大量的Pb和Cd，使得鉛鋅廠附近的土壤中Pb和Cd的濃度明顯比別的地區(qū)濃度高，由此我們推斷Pb和Cd的污染源是鉛鋅廠。Cr和Pb的相關(guān)系數(shù)為0.048，和Cd的相關(guān)系數(shù)為0.066，小于0.3，表明Cr與Cd、Pb相關(guān)性較小，由此我們認(rèn)為Cr與Cd、Pb不是來自同一污染源，即Cr的污染源不是鉛鋅廠。

4 結(jié)論

（1）鉛鋅廠周圍土壤中重金屬的統(tǒng)計分析結(jié)果表明，鉛鋅廠附近土壤中重金屬元素Pb、Cr和Zn占主導(dǎo)地位；部分土壤樣品Pb、Cd和Cr超過了國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)，污染嚴(yán)重；Cr和Hg屬于強變異，Cu和As屬于弱變異；Cu、Zn、As和Cd符合正態(tài)分布，其他重金屬元素為偏態(tài)分布。

（2）鉛鋅廠周圍土壤中重金屬空間分布特征表明，土壤中重金屬的空間分布存在差異，其中Pb和Cd具有極為相似的空間分布格局，表現(xiàn)為東南—西北漸次降低的趨勢，Cu和Cr的空間分布一致，呈現(xiàn)出東南—西北漸次增加的趨勢，Zn和Hg則呈現(xiàn)出塊狀分布的特點，它們的最高值和次高值發(fā)生在東南和西北方向，最低值在東北方向。

（3）廠區(qū)周圍重金屬污染區(qū)域圖表明，造成鉛鋅廠周圍土壤污染的重金屬主要是Pb、Cd和Cr，它們的污染區(qū)域是沿東南-西北方向，呈條狀分布，Ⅱ級污染區(qū)域為0～6 km，復(fù)合污染區(qū)域為0.5～3 km。

（4）重金屬濃度相關(guān)分析表明Pb和Cd中度相關(guān)，來自同一污染源，結(jié)合廠區(qū)周圍重金屬污染區(qū)域圖得出Pb和Cd的污染源是鉛鋅廠，Cr與Pb和Cd基本不相關(guān)，表明Cr來自另外的污染源，鉛鋅廠周圍土壤中重金屬污染來自兩個污染源。

（5）本文研究了鉛鋅廠周圍土壤空間分布特征，確定污染區(qū)域和污染源數(shù)量，為后期確定污染源與治理土壤中重金屬污染提供基礎(chǔ)性工作，對土壤環(huán)境質(zhì)量評價和土壤污染綜合防治具有十分重要的意義。

陳秀端, 盧新衛(wèi), 趙彩鳳, 等. 2011. 西安市二環(huán)內(nèi)表層土壤重金屬空間分布特征[J]. 地理學(xué)報, 66(9): 1281–1288. [Chen X D, Lu X W, Zhao C F, et al. 2011. The spatial distribution of heavy metals in the urban topsoil collected from the interior area of the second ring road, Xi'an [J]. Acta Geographica Sinica, 66(9): 1281–1288.]

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Spatial distribution of the soil heavy metal around the lead-zinc plant

WANG Cheng-jun1, SUN Da-lin1, LIU Yong1,2, LIU Hua1, FENG Tao1
(1. School of Management, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710055, China; 2. School of Science, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710055, China)

To investigate the spatial distribution of heavy metals in soil and determine the contaminated area around the lead-zinc plant, we set 27 sampling points around the lead-zinc plant along longitudinal and transverse direction. Descriptive statistical analysis results showed that soil heavy metal pollution mainly caused by Pb, Cd and Cr. Spatial distribution of heavy metals shows that Pb and Cd are mainly distributed around the lead-zinc plant, Cu and Cr increase gradually from southeast to northwest. The range of Level Ⅱ is 0～6 km, and the range of composite contaminated area is 0.5～3 km. The concentration correlation analysis about heavy metals shows that heavy metals in soil around the lead-zinc plant may have two sources of pollution. The sources of Pb and Cd are lead-zinc factory. By studying the spatial distribution of soil characteristics and various heavy metals in homologous relationships, we can determine the pollution area and the number of pollution sources, besides, it rovides basic data for soil heavy metals pollution and following prevention.

heavy metals; spatial distribution; correlation analysis

X53

A

1674-9901(2014)01-0036-06

10.7515/JEE201401006

2013-12-24

國家環(huán)境保護公益性行業(yè)科研專項項目（201109053)；陜西省教育廳專項科研計劃項目（12JK0861）

王成軍，E-mail: cjwangxa@126.com