土壤作為種養農產品的重要環境要素,其質量的好壞直接決定了所獲取農產品的品質與數量。隨著工業化、城市化進程的快速推進,使得重金屬、化學農藥等污染物通過大氣煙塵沉降、污水灌溉、垃圾填埋處理等多種途徑進入土壤。重金屬污染物進入土壤后不能被土壤微生物分解,逐漸在土壤中積累,進而被作物吸收。因此,對農產品產地土壤中重金屬的來源進行調查,并對土壤環境質量進行評價,是保障農產品產地環境安全的基礎工作。
近年來,國內外對土壤中重金屬來源解析研究逐漸增多,用于判定環境重金屬來源的源解析方法也越來越受到關注。楊忠平等對長春市土壤Pb污染進行了同位素示蹤研究,發現長春市中心城區土壤Pb污染主要來源于汽車尾氣殘留污染以及工業燃煤排放,而與當前汽車尾氣排放量關系不密切。
同位素示蹤研究法能夠示蹤長時間跨度、大空間范圍的物質的運動,能夠反演或預測元素演化過程的環境,成為研究生態和環境問題的有效手段,但較為精確、穩定同位素示蹤技術僅僅適用于鉛、鋅、鍶、銅和鎘等5種重金屬元素。另外一種常用方法為統計分析法。研究者通常利用相關分析、主成分分析等方法來判斷土壤重金屬含量中受人為因素影響明顯的元素;但多數研究在運用主成分分析時,只針對研究目標元素,對反映自然和人為作用的土壤養分信息考慮較少。
本研究擬以黃河三角洲濱州市濱城區為研究區,將研究區域內表層土壤中7種重金屬\\(Pb、Hg、Cu、Cd、Cr、As和Zn\\)信息與速效磷、速效鉀等養分信息結合進行主成分分析,探討研究區土壤重金屬富集原因,同時利用主成分分析的結果對產地環境質量進行綜合評價,旨在為農產品產地認證和土地可持續利用提供借鑒。
1 材料與方法
1.1 研究區概況濱州市濱城區位于華北平原,黃河下游。地處東經117.47′~118.09′,北緯37.13′~37.36′,總面積1 040.06km2。境內有黃河和徒駭河,自西南向東北流經全境。土壤主要類型為潮土和鹽土,土壤表層 質 地 所 占 面 積 分 別 為:輕 壤56.7%、中 壤26.9%、重壤8.2%、沙壤7.9%、粘土0.3%。黃河沖積物是唯一成土母質的基礎物質,同時存在土質鹽漬化。
1.2 采樣處理與分析根據研究區土壤肥力分等圖班,在保證樣品具有代表性的前提下,于2011年4月共采集了47個土壤樣品。采樣點分布見圖1。采樣時,使用手持式GPS記錄樣點的位置坐標,每個樣點在離地塊邊界100m范圍內采集0~20cm的耕層土壤,采用四分法混合后作為該區域的混合樣本。土樣經過風干、磨碎及過篩后,按GB/T 15337—2008進行土壤重金屬含量檢測。檢測參數包括7種重金屬元素\\(As、Hg、Pb、Cd、Cr、Cu和Zn\\)以及速效磷、速效鉀,其中As和Hg采用氫化物原子熒光法測定;Pb和Cd采用石墨爐原子吸收光譜法測定;Cr、Cu和Zn采用火焰原子吸收光譜法測定;速效磷含量采用碳酸氫納浸提,分光光度法測定;速效鉀含量采用乙酸銨浸提,火焰光度法測定。
1.3主成分分析主成分分析法以降維為目標,將多個變量轉化為少數互不相關的幾個變量,通過較少的變量得到最多的信息量。對土壤重金屬進行主成分分析,再對濃度數據進行分類,以便從眾多的影響因素中找出具有最大相關性的影響因子,為追溯土壤重金屬來源提供依據。本研究運用SPSS 20.0統計軟件包進行主成分分析。為了消除變量之間在數量級和量綱上的差異,采用Z分數法\\(Z Socre\\)對重金屬數據進行標準化。采用KMO\\(Kaiser-Meyer-Olkin\\)和Bartlett\\(Bartlett test of Sphericity\\)法對標準化后的數據集進行主成分分析適宜性檢驗,其中KMO統計量取值為0~1。常用的KMO度量標準為:>0.9表示非常適合;0.8表示適合;0.7表示一般;0.6表 示 不 太 適 合;<0.5表 示 極 不 適 合。
Bartlett用來進行顯著性檢驗,當SIG<0.05時,則認為原變量間的相關性顯著,適合于作因子分析。
1.4 農產品產地環境質量評價方法
1.4.1評價方法1\\)單因子指數法。單因子指數法是對研究對象的某個單因子進行指數權重評定。借助于單因子指數,可以判斷研究對象單因子的污染程度,并且可以作為多因子綜合評價的基礎指標使用。通常利用量綱1進行污染物間對比,常采用實測值和標準值的比例來計算。Pi=Ci/Si\\(1\\)式中:Pi為i污染物的單因子指數,Ci為對應的實測值,Si為該污染物的評價標準,下標i分別表示土壤重金屬Pb、Hg、Cu、Cd、Cr、As和Zn。當Pi≤1時,表示清潔,處于污染等級1;1
2\\)加權綜合污染指數法。加權綜合得到的環境質量評價結果能夠有效的揭示不同評價因子間的內在聯系,其評價結果更接近環境質量的實際狀況,計算公式為【2】
式中:P綜為檢測樣點的綜合污染指數;Pi為i污染物的單因子指數;ωi為第i個污染物權重系數,本研究中通過主成分分析得到。當P綜≤0.7時,表示清潔,處于污染等級1;0.7
1.4.2評價標準土壤環境質量標準是國家為了防止土壤污染、維護人體健康、保護生態系統所制訂的土壤中污染物在一定空間和時間范圍內的容許含量值,因此本研究選擇食用農產品產地環境質量標準\\(HJ/T332—2006,6.5 2 結果與分析 2.1土壤重金屬的描述性統計分析對研究區域的47個樣品測試結果進行統計分析,結果見表1。研究區農田土壤中Pb、Hg、Cd、Cu、Cr、As和Zn含量的范圍分別為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。參照食用農產品產地環境質量標準\\(6.5 主成分分析結果見表2和表3。由表2可知,前3個主成分的累積貢獻量達到了82.782%,表明前3個主成分能夠較好地代表原數據所蘊涵的信息。由表3的主成分載荷系數可以看出,重金屬Hg、Cd、Cr、As以及速效磷在主成分1上具有較高載荷,重金屬Pb、Cu和Zn在主成分2上具有較高載荷,而速效鉀在主成分3上具有很高的載荷。主成分分析的目的不僅在于找出主成分,更重要的是明確各主成分的意義,明確每個主成分所代表的污染源。 根據土壤學和地統計學研究結果,土壤速效鉀含量具有強烈的空間相關性,空間變異主要受結構性因子\\(土壤母質、土壤類型、地形等\\)的影響;土壤速效磷含量具有中等空間相關性,空間變異受結構性因子和隨機性因子\\(施肥、耕作、點源污染等\\)共同影響。因此,速效鉀含量在很大程度上反映了土壤母質信息,而速效磷含量在一定程度上可以表征農用施肥對土壤影響的程度。 速效磷在主成分1上具有較高載荷\\(表3\\),說明主成分1反映了農用施肥作用對土壤影響的結果。由此可推斷出,同樣受主成分2決定的重金屬Hg、Cd、Cr和As主要源于化肥、農藥、有機肥的過度施用以及污水灌溉。速效鉀在主成分3上具有較高載荷,說明主成分3反映了與土壤母質相關的自然因素。而Pb、Cu和Zn共同受主成分2決定,該主成分與土壤母質相關的自然因素和影響土壤磷累積的農田施肥作用無關。大量研究表明,汽車尾氣及汽車輪胎磨損產生的有害氣體成為土壤中Pb累計的主要來源。 2.3農產品產地環境質量評價對濱州地區47個采樣圖斑的重金屬含量分別進行單因子指數評價和加權綜合評價,評價結果見表4。研究區土壤中重金屬Pb、Hg、Cd、Cu、Cr、As和Zn單因子污染指數的平均值分別為0.45、0.65、0.19、0.24、0.10、0.01和0.22,按照土壤環境質量評價分級標準均處于安全等級。重金屬元素Hg的單因子污染指數達到輕度污染水平,占總采樣點個數的21.3%。 主成分分析確定污染指標權重方法見參考文獻。7種 重 金 屬 污 染 元 素 的 權 重 分 別 是ωi=\\(0.006、0.155、0.246、0.065、0.238、0.215、0.074\\),i分別代表重金屬Pb、Hg、Cu、Cd、Cr、As和Zn。 根據式\\(2\\)計算可知,研究區土壤環境加權綜合污染指數平均值為0.54,表明研究區大部分地區屬于土壤環境質量評價安全等級。 47份土壤樣品中,加權綜合污染指數處于1級水平的占總采樣點個數的83%,處于2級水平的占17%。將各采樣點加權綜合污染指數計算結果與位置數據相關聯,利用地理信息系統軟件ArcGIS進行渲染顯示,得到農產品產地質量綜合污染指數空間分布圖\\(圖2\\)?？芍?加權污染指數較大\\(P綜>0.7\\)的點主要分布于研究區中西部及東部,北部和南部大部分地區其加權污染指數一般較低\\(P綜≤0.7\\)。濱城區的化工廠和農藥廠主要集中在中部地區,農用地則主要集中在周邊地區,東區是濱城區新的行政 中 心,已 新 建 城 市 道 路21條、道 路 總 長100km,車輛通行量較多。綜合以上分析及污染源解析結果可知,研究區中西部及東部部分地區受工業、農業和交通等來源引起的土壤重金屬污染達到了環境質量警戒線,應當引起有關部門的重視。 2.4討論研究區Hg元素變異程度最大,表明在整個研究區域受人為干擾影響最為明顯。同樣,通過對研究區域進行單因子指數評價得出重金屬元素Hg的單因子污染指數達到輕度污染水平,占總采樣點個數的21.3%。雖然我國施用的磷肥中重金屬含量遠低于世界主要國家,但長期施用也將會造成土壤重金屬Hg的污染。此外,以畜禽排泄物、固體廢棄物及生活垃圾為原料的有機肥對土壤重金屬的累積有著重要的影響,尤其對土壤中Hg含量的提高幅度相對 較 大,同 時 將 導 致 作 物 籽 粒 中 重 金 屬 的富集。因此,應嚴格控制人為因素對土壤的污染,特別是Hg元素。在農業生產過程中應盡量施用重金屬含量低的農用物資,以減少重金屬在土壤中的累積,最大限度地延長土地健康使用年限。 3 結論 1\\)研究區農田土壤中Pb、Hg、Cd、Cu、Cr、As和Zn含量的平均值均未超過食用農產品產地環境質量標準\\(6.5 2\\)將土壤重金屬含量和土壤養分所反映的信息綜合起來進行主成分分析。結果表明:研究區表層土壤中的重金屬來源存在差異,其中重金屬Hg、Cd、Cr和As主要源于化肥、農藥、有機肥的過度施用以及污水灌溉;Pb、Cu和Zn主要源于粉塵及汽車輪胎磨損所產生的大量含重金屬的有害氣體。 3\\)根據食用農產品產地環境質量標準,研究區域的表層土壤單項污染指數平均值均小于1,處于安全等級;重金屬元素Hg的單因子污染指數達到輕度污染水平,占總采樣點個數的21.3%,表明Hg在該地區表現出明顯的污染特征;加權綜合污染數平均值<0.7,說明絕大多數地區處于安全等級,部分地區處于警戒線水平。 參考文獻
2.2土壤重金屬污染來源分析采用主成分分析法對研究區表層土壤中重金屬污染物的主要來源進行分析。數據分析前,首先進行主成分分析適宜性檢驗,對標準化后的原始數據進行KMO和Bartlett檢 驗,得 到 的KMO值 為0.745,表明適宜進行主成分分析;Bartlett檢驗的顯著水平小于0,因此,可認為相關系數矩陣與單位矩陣有顯著差異,以上檢驗結果均表明原始數據集適合進行主成分分析。
本研究以黃河三角洲濱州市濱城區為研究區,通過對其表層土壤中7種重金屬\\(Pb、Hg、Cu、Cd、Cr、As、Zn\\)、速效磷和速效鉀進行主成分分析,探討了研究區土壤重金屬形成原因,同時對產地環境質量進行了評價,研究得到以下結論:
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