土壤作为种养农产品的重要环境要素,其质量的好坏直接决定了所获取农产品的品质与数量。随着工业化、城市化进程的快速推进,使得重金属、化学农药等污染物通过大气烟尘沉降、污水灌溉、垃圾填埋处理等多种途径进入土壤。重金属污染物进入土壤后不能被土壤微生物分解,逐渐在土壤中积累,进而被作物吸收。因此,对农产品产地土壤中重金属的来源进行调查,并对土壤环境质量进行评价,是保障农产品产地环境安全的基础工作。
近年来,国内外对土壤中重金属来源解析研究逐渐增多,用于判定环境重金属来源的源解析方法也越来越受到关注。杨忠平等对长春市土壤Pb污染进行了同位素示踪研究,发现长春市中心城区土壤Pb污染主要来源于汽车尾气残留污染以及工业燃煤排放,而与当前汽车尾气排放量关系不密切。
同位素示踪研究法能够示踪长时间跨度、大空间范围的物质的运动,能够反演或预测元素演化过程的环境,成为研究生态和环境问题的有效手段,但较为精确、稳定同位素示踪技术仅仅适用于铅、锌、锶、铜和镉等5种重金属元素。另外一种常用方法为统计分析法。研究者通常利用相关分析、主成分分析等方法来判断土壤重金属含量中受人为因素影响明显的元素;但多数研究在运用主成分分析时,只针对研究目标元素,对反映自然和人为作用的土壤养分信息考虑较少。
本研究拟以黄河三角洲滨州市滨城区为研究区,将研究区域内表层土壤中7种重金属(Pb、Hg、Cu、Cd、Cr、As和Zn)信息与速效磷、速效钾等养分信息结合进行主成分分析,探讨研究区土壤重金属富集原因,同时利用主成分分析的结果对产地环境质量进行综合评价,旨在为农产品产地认证和土地可持续利用提供借鉴。
1 材料与方法
1.1 研究区概况滨州市滨城区位于华北平原,黄河下游。地处东经117.47′~118.09′,北纬37.13′~37.36′,总面积1 040.06km2。境内有黄河和徒骇河,自西南向东北流经全境。土壤主要类型为潮土和盐土,土壤表层 质 地 所 占 面 积 分 别 为:轻 壤56.7%、中 壤26.9%、重壤8.2%、沙壤7.9%、粘土0.3%。黄河冲积物是唯一成土母质的基础物质,同时存在土质盐渍化。
1.2 采样处理与分析根据研究区土壤肥力分等图班,在保证样品具有代表性的前提下,于2011年4月共采集了47个土壤样品。采样点分布见图1。采样时,使用手持式GPS记录样点的位置坐标,每个样点在离地块边界100m范围内采集0~20cm的耕层土壤,采用四分法混合后作为该区域的混合样本。土样经过风干、磨碎及过筛后,按GB/T 15337—2008进行土壤重金属含量检测。检测参数包括7种重金属元素(As、Hg、Pb、Cd、Cr、Cu和Zn)以及速效磷、速效钾,其中As和Hg采用氢化物原子荧光法测定;Pb和Cd采用石墨炉原子吸收光谱法测定;Cr、Cu和Zn采用火焰原子吸收光谱法测定;速效磷含量采用碳酸氢纳浸提,分光光度法测定;速效钾含量采用乙酸铵浸提,火焰光度法测定。
1.3主成分分析主成分分析法以降维为目标,将多个变量转化为少数互不相关的几个变量,通过较少的变量得到最多的信息量。对土壤重金属进行主成分分析,再对浓度数据进行分类,以便从众多的影响因素中找出具有最大相关性的影响因子,为追溯土壤重金属来源提供依据。本研究运用SPSS 20.0统计软件包进行主成分分析。为了消除变量之间在数量级和量纲上的差异,采用Z分数法(Z Socre)对重金属数据进行标准化。采用KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)和Bartlett(Bartlett test of Sphericity)法对标准化后的数据集进行主成分分析适宜性检验,其中KMO统计量取值为0~1。常用的KMO度量标准为:>0.9表示非常适合;0.8表示适合;0.7表示一般;0.6表 示 不 太 适 合;<0.5表 示 极 不 适 合。
Bartlett用来进行显着性检验,当SIG<0.05时,则认为原变量间的相关性显着,适合于作因子分析。
1.4 农产品产地环境质量评价方法
1.4.1评价方法1)单因子指数法。单因子指数法是对研究对象的某个单因子进行指数权重评定。借助于单因子指数,可以判断研究对象单因子的污染程度,并且可以作为多因子综合评价的基础指标使用。通常利用量纲1进行污染物间对比,常采用实测值和标准值的比例来计算。Pi=Ci/Si(1)式中:Pi为i污染物的单因子指数,Ci为对应的实测值,Si为该污染物的评价标准,下标i分别表示土壤重金属Pb、Hg、Cu、Cd、Cr、As和Zn。当Pi≤1时,表示清洁,处于污染等级1;1<Pi≤2,表示轻度污染,处于污染等级2;2<Pi≤3,表示中度污染,处于污染等级3;Pi>3,表示重度污染,处于污染等级4。
2)加权综合污染指数法。加权综合得到的环境质量评价结果能够有效的揭示不同评价因子间的内在联系,其评价结果更接近环境质量的实际状况,计算公式为【2】
式中:P综为检测样点的综合污染指数;Pi为i污染物的单因子指数;ωi为第i个污染物权重系数,本研究中通过主成分分析得到。当P综≤0.7时,表示清洁,处于污染等级1;0.7<P综 ≤1,表示尚清洁,处于污染等级2;1<P综 ≤2,表示轻度污染,处于污染等级3;2<P综 ≤3,表示中度污染,处于污染等级4;P综>3,表示重度污染处于污染等级5。
1.4.2评价标准土壤环境质量标准是国家为了防止土壤污染、维护人体健康、保护生态系统所制订的土壤中污染物在一定空间和时间范围内的容许含量值,因此本研究选择食用农产品产地环境质量标准(HJ/T332—2006,6.5<pH<7.5)作为评价标准。
2 结果与分析
2.1土壤重金属的描述性统计分析对研究区域的47个样品测试结果进行统计分析,结果见表1。研究区农田土壤中Pb、Hg、Cd、Cu、Cr、As和Zn含量的范围分别为14.3~31.4、0.038~0.383、0.006~0.112、5.4~36.7、14.7~28.5、7.1~8.6和32.8~79.3mg/kg。参照食用农产品产地环境质量标准(6.5<pH<7.5),表明7种重金属的含量均没有超过标准值。进一步将7种重金属总量与研究区土壤重金属含量背景值相比可知,部分样点中Pb、Cd、Cu和As总量超过背景值,超出比例分别为38.3%、46.8%、42.6%和14.9%。由此可知,研究区农田土壤中Pb、Cd、Cu和As含量存在一定程度的累积趋势。从变异系数看,Hg、Cd和Cu元素的变异系数较高,达到中等变异,其中Hg元素变异程度最大,表明其受外界因子干扰尤其是人为活动影响最大。其余各元素的变异系数均在30%以下,属于弱变异。不同元素在土壤中的变异系数大小顺序为Hg>Cd>Cu>Pb>Zn>Cr>As。【表1】
2.2土壤重金属污染来源分析采用主成分分析法对研究区表层土壤中重金属污染物的主要来源进行分析。数据分析前,首先进行主成分分析适宜性检验,对标准化后的原始数据进行KMO和Bartlett检 验,得 到 的KMO值 为0.745,表明适宜进行主成分分析;Bartlett检验的显着水平小于0,因此,可认为相关系数矩阵与单位矩阵有显着差异,以上检验结果均表明原始数据集适合进行主成分分析。
主成分分析结果见表2和表3。由表2可知,前3个主成分的累积贡献量达到了82.782%,表明前3个主成分能够较好地代表原数据所蕴涵的信息。由表3的主成分载荷系数可以看出,重金属Hg、Cd、Cr、As以及速效磷在主成分1上具有较高载荷,重金属Pb、Cu和Zn在主成分2上具有较高载荷,而速效钾在主成分3上具有很高的载荷。主成分分析的目的不仅在于找出主成分,更重要的是明确各主成分的意义,明确每个主成分所代表的污染源。
根据土壤学和地统计学研究结果,土壤速效钾含量具有强烈的空间相关性,空间变异主要受结构性因子(土壤母质、土壤类型、地形等)的影响;土壤速效磷含量具有中等空间相关性,空间变异受结构性因子和随机性因子(施肥、耕作、点源污染等)共同影响。因此,速效钾含量在很大程度上反映了土壤母质信息,而速效磷含量在一定程度上可以表征农用施肥对土壤影响的程度。
速效磷在主成分1上具有较高载荷(表3),说明主成分1反映了农用施肥作用对土壤影响的结果。由此可推断出,同样受主成分2决定的重金属Hg、Cd、Cr和As主要源于化肥、农药、有机肥的过度施用以及污水灌溉。速效钾在主成分3上具有较高载荷,说明主成分3反映了与土壤母质相关的自然因素。而Pb、Cu和Zn共同受主成分2决定,该主成分与土壤母质相关的自然因素和影响土壤磷累积的农田施肥作用无关。大量研究表明,汽车尾气及汽车轮胎磨损产生的有害气体成为土壤中Pb累计的主要来源。
2.3农产品产地环境质量评价对滨州地区47个采样图斑的重金属含量分别进行单因子指数评价和加权综合评价,评价结果见表4。研究区土壤中重金属Pb、Hg、Cd、Cu、Cr、As和Zn单因子污染指数的平均值分别为0.45、0.65、0.19、0.24、0.10、0.01和0.22,按照土壤环境质量评价分级标准均处于安全等级。重金属元素Hg的单因子污染指数达到轻度污染水平,占总采样点个数的21.3%。
主成分分析确定污染指标权重方法见参考文献。7种 重 金 属 污 染 元 素 的 权 重 分 别 是ωi=(0.006、0.155、0.246、0.065、0.238、0.215、0.074),i分别代表重金属Pb、Hg、Cu、Cd、Cr、As和Zn。
根据式(2)计算可知,研究区土壤环境加权综合污染指数平均值为0.54,表明研究区大部分地区属于土壤环境质量评价安全等级。
47份土壤样品中,加权综合污染指数处于1级水平的占总采样点个数的83%,处于2级水平的占17%。将各采样点加权综合污染指数计算结果与位置数据相关联,利用地理信息系统软件ArcGIS进行渲染显示,得到农产品产地质量综合污染指数空间分布图(图2)。可知,加权污染指数较大(P综>0.7)的点主要分布于研究区中西部及东部,北部和南部大部分地区其加权污染指数一般较低(P综≤0.7)。滨城区的化工厂和农药厂主要集中在中部地区,农用地则主要集中在周边地区,东区是滨城区新的行政 中 心,已 新 建 城 市 道 路21条、道 路 总 长100km,车辆通行量较多。综合以上分析及污染源解析结果可知,研究区中西部及东部部分地区受工业、农业和交通等来源引起的土壤重金属污染达到了环境质量警戒线,应当引起有关部门的重视。
2.4讨论研究区Hg元素变异程度最大,表明在整个研究区域受人为干扰影响最为明显。同样,通过对研究区域进行单因子指数评价得出重金属元素Hg的单因子污染指数达到轻度污染水平,占总采样点个数的21.3%。虽然我国施用的磷肥中重金属含量远低于世界主要国家,但长期施用也将会造成土壤重金属Hg的污染。此外,以畜禽排泄物、固体废弃物及生活垃圾为原料的有机肥对土壤重金属的累积有着重要的影响,尤其对土壤中Hg含量的提高幅度相对 较 大,同 时 将 导 致 作 物 籽 粒 中 重 金 属 的富集。因此,应严格控制人为因素对土壤的污染,特别是Hg元素。在农业生产过程中应尽量施用重金属含量低的农用物资,以减少重金属在土壤中的累积,最大限度地延长土地健康使用年限。
3 结论
本研究以黄河三角洲滨州市滨城区为研究区,通过对其表层土壤中7种重金属(Pb、Hg、Cu、Cd、Cr、As、Zn)、速效磷和速效钾进行主成分分析,探讨了研究区土壤重金属形成原因,同时对产地环境质量进行了评价,研究得到以下结论:
1)研究区农田土壤中Pb、Hg、Cd、Cu、Cr、As和Zn含量的平均值均未超过食用农产品产地环境质量标准(6.5<pH<7.5)。进一步将7种重金属总量与研究区土壤重金属含量背景值相比可以看出,部分样点土壤中Pb、Cd、Cu和As总量超过背景值。可见,研究区农田土壤中Pb、Cd、Cu、As含量存在一定程度的累积趋势。
2)将土壤重金属含量和土壤养分所反映的信息综合起来进行主成分分析。结果表明:研究区表层土壤中的重金属来源存在差异,其中重金属Hg、Cd、Cr和As主要源于化肥、农药、有机肥的过度施用以及污水灌溉;Pb、Cu和Zn主要源于粉尘及汽车轮胎磨损所产生的大量含重金属的有害气体。
3)根据食用农产品产地环境质量标准,研究区域的表层土壤单项污染指数平均值均小于1,处于安全等级;重金属元素Hg的单因子污染指数达到轻度污染水平,占总采样点个数的21.3%,表明Hg在该地区表现出明显的污染特征;加权综合污染数平均值<0.7,说明绝大多数地区处于安全等级,部分地区处于警戒线水平。
参考文献
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