环境科学  2018, Vol. 39 Issue (6): 2884-2892   PDF    
西南某铅锌矿区农田土壤重金属空间主成分分析及生态风险评价
周艳1,2, 陈樯1,2, 邓绍坡1,2, 万金忠1,2, 张胜田1,2, 龙涛1,2, 李群1,2, 林玉锁1,2, 吴运金1,2     
1. 环境保护部南京环境科学研究所, 南京 210042;
2. 国家环境保护土壤环境管理与污染控制重点实验室, 南京 210042
摘要: 以西南某铅锌矿区周边农田土壤作为研究对象,采集土壤表层(0~20 cm)149个土壤样品,分析测定了As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn共8种重金属含量.采用多元统计分析,揭示了研究区农田土壤重金属污染的主要来源及各元素之间的相关性;并应用Hakanson潜在生态风险指数法,对农田土壤生态风险进行评价.结果表明,研究区农田土壤重金属Cd、Pb、Zn含量相对处于极高水平,均值分别为15.56、419.4、933.4 mg·kg-1,污染十分严重;Hg和As的均值分别为0.13 mg·kg-1和37.3 mg·kg-1,属于中度污染;Cu、Ni、Cr的均值分别为26.1、14.3、33.4 mg·kg-1,未超过云南省土壤环境背景值;多元统计分析结果显示Cd、Pb、Zn、Hg、As这5种元素来源相似,主要来源于矿山开采和工业活动;Cu、Ni、Cr这3种元素来源相似,主要是自然来源;研究区综合潜在生态风险指数RI的均值为2294.8,整体上处于极高生态风险水平.矿区开采和工业活动对农田土壤造成了严重的重金属污染.
关键词: 铅锌矿      土壤      重金属      空间主成分      潜在风险     
Principal Component Analysis and Ecological Risk Assessment of Heavy Metals in Farmland Soils around a Pb-Zn Mine in Southwestern China
ZHOU Yan1,2 , CHEN Qiang1,2 , DENG Shao-po1,2 , WAN Jin-zhong1,2 , ZHANG Sheng-tian1,2 , LONG Tao1,2 , LI Qun1,2 , LIN Yu-suo1,2 , WU Yun-jin1,2     
1. Nanjing Institute of Environmental Science, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China;
2. State Environmental Protection Key Laboratory of Soil Environmental Management and Pollution Control, Nanjing 210042, China
Abstract: The farmland soil around a Pb-Zn mine in southwestern China was studied. One hundred forty-nine surface soil samples were taken from 0-20 cm depth, and the contents of As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, and Zn were tested. The correlations among these heavy metals were studied with multivariate analysis, and the potential sources of the metals were identified. The environmental risk of the metals was evaluated with the Potential Ecological Risk Index method. The results showed that the amounts of Cd, Pb, and Zn were at relatively high level, with average concentrations of 15.56, 419.4, and 933.4mg·kg-1 respectively, indicating the soil was heavily polluted. The average concentrations of Hg and As were 0.13 and 37.3mg·kg-1, suggesting moderate soil pollution. The average concentrations of Cu, Ni, and Cr were lower than Yunnan soil background values. The multivariate analysis suggested that the sources of Cd, Pb, Zn, Hg, and As were similar and came mainly from smelting activities in the mining area. The sources of Cu, Ni, and Cr were similar and can be attributed to natural sources. The comprehensive potential ecological risk index was 2294.8, which suggested a high potential ecological risk. In general, the farmland soils in the research area were polluted seriously by the mining and industrial activities.
Key words: lead-zinc mine      soil      heavy metals      principal component analysis      ecological risk     

土壤重金属污染是一种严重的环境污染类型, 土壤中重金属具有隐蔽性、滞后性、累积性和不可逆转性, 极难被治理[1].土壤中重金属可通过食物链在生物体内富集, 最终危害人体健康[2, 3], 同时可能导致农作物减产或绝收[4].

矿山开采和金属冶炼是土壤重金属污染的一个重要来源, 其生产过程中产生的尾矿、废水、冶炼烟尘及污水灌溉对周围土壤产生严重影响, 有关矿区土壤重金属污染状况、空间分布及生态风险评价一直是研究热点.胡淼等[5]对湘南某矿区耕地土壤重金属污染状况评价结果表明, 耕地土壤综合污染指数变化范围为1.25~427.00, 属于重度污染. Wei等[6]对湖南水口山Pb/Zn采矿区和冶炼区土壤重金属的空间分布特征和来源的研究表明, 土壤中As、Cd、Cu、Cr、Pb、Zn的平均含量分别为62.52、10.34、46.61、92.72、629、597 mg·kg-1, 其主要来源于冶炼厂烟囱气态颗粒物的排放.陆泗进等[7]研究了会泽某铅锌矿周边农田土壤重金属潜在生态风险, 结果表明, 46.3%的采样点处于强生态风险程度, 15.6%的采样点处于极强生态风险程度, 研究区域农田土壤存在很高的生态风险, 可能存在农产品安全隐患.此外, 国内外学者对矿区和冶炼区土壤重金属的形态、生物可利用性及有效性也进行了相关研究, 结果表明, Pb、Zn和Cd容易迁移, 易被生物体利用, 有较大潜在生态危害[8~10].所以, 评价矿区周边土壤污染程度, 分析其污染分布和潜在风险对矿区农田土壤污染治理和生态安全都具有重要意义[11].

西南某铅锌矿由于长期大规模地矿山开采与冶炼导致当地农田土壤重金属超标严重, 周边植被均被污染和破坏, 对当地陆生生态环境和人体健康造成了不良影响[12].目前, 关于该铅锌矿区的污染研究主要集中在矿区土壤污染以及土壤重金属的污染评价, 如周鸿斌等[13]运用磁测分级发现矿区农田土壤单项污染指数Cd>Zn>Pb, 且3种重金属污染与矿产开发有关; 赵筱青等[14]发现该矿区农田土壤中Pb和Cd主要以水溶态为主, 容易通过食物链富集危害人体健康.但总体而言, 缺少对矿区土壤重金属元素主成分分析研究, 针对矿区农田大面积土壤潜在生态风险研究很少.

本文通过对该铅锌矿周边农田土壤采样, 分析土壤样品中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 8种重金属含量, 进一步评价土壤重金属污染现状, 使用相关性和主成分分析方法解析矿区农田土壤重金属可能的来源, 利用GIS技术对土壤中重金属主成分空间分布进行分析, 并分析探讨土壤的潜在生态风险, 以期为该区域农田土壤污染治理和生态修复提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 研究区域概况

研究区位于西南某铅锌矿区内, 山峦起伏, 山高坡陡, 地理坐标为:东经98°58′~99°38′, 北纬26°06′~27°04′.年平均降水量1 007 mm左右, 冬春干旱, 夏秋易涝, 常年主导风向为西南风.土壤类型以紫色土为主, 沘江是研究区内较大的河流, 沘江两岸为紫砂泥田水稻土、质地黏重、有机物含量低、土壤板结, 主要种植水稻、小麦和玉米等.该铅锌矿大规模开采始于1984年, 已探明铅储量2.53×106 t、锌近1.30×106 t, 镉1.7×105 t, 且集中在6.8 km2的矿区范围内, 80%以上可以露天开采.

该铅锌矿区由于历史原因, 废水、尾矿不经过处理直接外排、废渣随意堆存于河流两岸、矿山植被破坏、水土流失等对矿区流域的水生生态、农业生态和土壤生态造成了严重的破坏.沘江水体已经丧失其水体使用功能; 水生生物已基本灭绝; 沿江两岸农田已受到污染, 区域内农产品重金属含量超标, 严重威胁农产品安全及居民身体健康[15~17].

1.2 样品采集

2015年9月, 从沘江上游大龙村至下游石登村, 在沘江两岸农田分布区域采集土壤表层土(0~20cm)149个土壤样品(图 1), 并用GPS确定地理坐标.

图 1 研究区域采样点示意 Fig. 1 Soil sampling sites in the study area

1.3 样品处理与分析

土样剔除根茎, 沙砾等异物, 置于室内通风处自然风干, 经研磨后过100目尼龙网筛装入实验袋备用.为避免人为干扰及与其他金属接触, 样品采集、混合、研磨、粉碎等过程中均采用木铲、木棒、玛瑙研钵等用具.

土壤样品中重金属As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn经HNO3-HF-HClO4法消解, 采用电感耦合等离子体质谱对其含量进行测定; 重金属Hg经(1+1)王水消解, 采用原子荧光光度计对其含量进行测定.实验所用的化学试剂均为优级纯, 所用的玻璃器皿和塑料器皿均用(1:1)的稀硝酸浸泡24 h后用超纯水洗涤干净.为保证分析的准确性, 实验全程做空白样和平行样, 并在测试过程中加入国家标准土壤参比物质(GSS-28)进行质量控制, 回收率均在100%±10%之间.

1.4 数据处理 1.4.1 单因子污染指数法

采用单因子污染指数法[18]进行污染评价, 评价标准为云南省土壤背景值算术平均值, 污染程度分级为:单因子指数计算值P≤1为无污染; 1<P≤2为轻度污染; 2<P≤3为中度污染; P≥3为重度污染.

1.4.2 多元统计分析和空间插值

利用SPSS 16.0进行相关性分析和主成分分析[19], 利用ArcGIS 10.2软件进行空间插值制图.

1.4.3 潜在生态风险评价

潜在生态危害指数法是Hakanson从沉积学角度, 根据重金属性质及环境行为特点, 建立的一套评价重金属潜在生态危害的方法[20].单个重金属潜在生态风险因子Eri的计算公式如下:

(1)

式中, Ci为重金属含量, Cni为参考值, 本评价采用云南省土壤背景值算术平均值, Tri为某重金属的毒性响应系数, 反映重金属的毒性水平及土壤对重金属污染的敏感性.参考相关研究, As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的毒性相应系数分别为10、30、2、5、40、5、5、1.

重金属的综合潜在生态危害指数RI可以表示为各个重金属的Eri之和:

(2)
2 结果与讨论 2.1 土壤重金属含量

研究区149个土壤表层样品重金属含量统计结果见表 1.结果表明, Cd、Pb、Zn、Hg、As、Cu、Ni、Cr含量超标率(超过云南省土壤背景算术平均值样本数占总样本的百分比)分别为100%、97.99%、96.64%、91.94%、73.15%、4.02%、0.67%、0.00%.其中, 89.26%的样品Cd超标达10倍以上, 最高超标532倍; 28.86%的样品Pb超标达10倍以上, 最高超标91倍; 23.49%的样品Zn超标达10倍以上, 最高超标77倍; 1.34%的样品Hg超标达10倍以上, 最高超标12倍; 0.67%的样品As超标达10倍以上, 最高超标12倍.研究结果与李瑞萍等[21]分析出的Cd污染比Zn污染更严重这一结果一致.赵筱青等[14]的研究结果也表明该矿区农田土壤中Pb、Zn、Cd、As含量超标率分别为66.67%、91.67%、100%、16.67%, 污染程度为Cd>Zn>Pb>As.

表 1 研究区域土壤重金属统计分析(n=149) Table 1 Heavy metal concentrations in the soil of the study area

Cu含量在5.2~960 mg·kg-1之间, 平均含量为26.1 mg·kg-1, 只有4.02%的样品(6个)Cu含量超过研究区自然背景值; Ni含量在5.3~73.4 mg·kg-1之间, 平均含量为14.3 mg·kg-1, 只有0.67%的样品(1个)Ni超过研究区自然背景值; 土壤样品中Cr含量均低于研究区自然背景值.反映Cu、Ni、Cr总体上处于自然背景值范围, 只有个别样点存在Cu和Ni超标现象, 可能是受人为活动影响.

有研究表明, 各重金属含量变异系数越小, 其差异与离散程度越小, 分布越均匀; 反之, 则其差异与离散程度越大, 分布越不均匀[14, 22].土壤样品中Cd、Pb、Zn的变异系数分别为1.42、1.30、1.51, 且含量的差异与离散程度很大, 说明土壤中Cd、Pb、Zn分布非常不均匀.已有研究结果表明该矿区农田土壤中Cd、Pb、Zn这3种元素含量的变异系数普遍较高, 都在100%以上[23].较大的变异系数反映了矿区不同地点的农田土壤重金属污染有较大的差异, 这与铅锌矿开发对矿区土壤化学成分产生影响有关. Cr和Ni的变异系数相对较小, 表明矿区土壤中Cr和Ni分布较均匀. Cu的变异系数为2.97, 标准差也表现出含量的高离散程度, 主要原因是位于沘江下游的6个样点的Cu含量可能受人为活动干扰超过了研究区自然背景值.

单因子污染指数表明Cd、Pb、Zn属于重度污染, Hg和As属于中度污染, Cu、Ni、Cr没有污染.以上结果表明研究区土壤Pb、Zn、Cd重金属污染非常严重, 并伴有一定程度的Hg和As污染.这与李瑞萍等[21]和张迪等[24]的研究结果一致, 即认为该矿区土壤中Cd、Zn总量大范围超标, 土壤中普遍存在Pb、Zn、Cd污染, Cu没有污染.

2.2 土壤重金属多元统计分析 2.2.1 土壤重金属的相关分析

相关分析是推测重金属来源的重要依据, 若元素间相关性显著或极显著, 则表明元素间一般具有同源关系或复合污染[25~26].由矿区农田土壤重金属含量之间的Pearson相关分析结果可知(表 2), Cd、Pb、Zn两两之间存在极显著相关(P < 0.01)且相关系数均大于70%, 说明这3种元素具有较大的同源性和复合污染的可能. Hg和As分别与Cd、Pb、Zn两两之间存在极显著相关(P < 0.01), 推断Hg和As均与Cd、Pb、Zn具有相同的来源途径, 但是Hg和As这2种元素之间相关性不显著. Cu、Ni、Cr两两之间存在极显著相关(P < 0.01), 但是与Cd、Pb、Zn、Hg、As这5种元素之间相关性不显著, 从中可知Cu、Ni、Cr的来源极为相似, 与Cd、Pb、Zn、As和Hg来源途径不同.结合研究区土壤重金属统计分析结果(表 1)可知, Cd、Pb、Zn、As、Hg可能受矿区人为活动影响较大, Cu、Ni、Cr总体上处于自然背景值范围, 受人为活动影响相对较小.本研究结果与赵筱青等[23]提出的该矿区农田土壤存在As、Cd、Pb和Zn之间的相关性显著, 同源的概率大, 存在4种重金属复合污染这一研究结果一致.

表 2 研究区域土壤重金属含量的相关系数1) Table 2 Correlation coefficients of soil heavy metal contents in the study area

2.2.2 土壤重金属元素的主成分分析

土壤重金属主要来源于成土母质与人类活动, 通过主成分分析可以有效判别重金属元素的污染来源[27, 28].通过前述相关性分析, 发现大部分重金属元素之间具有显著的相关性, 且Bartlett球形度检验相伴概率为0.00, 小于显著性水平0.05, KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)检验统计值为0.579, 表明本研究中的数据适合于作主成分分析.矿区农田土壤主成分分析结果见表 3, 根据特征值大于1的原则, 筛选出两个成分共解释了66.79%的原有信息, 这说明对前2个主成分进行分析即可得到Cd、Pb、Zn、Hg、As、Cu、Ni、Cr这8种重金属含量数据的大部分信息.在进行污染来源分析时, 来自同一污染源的污染物之间一般存在一定的相关性, 反映的信息具有一定的重叠[29].

表 3 研究区域土壤重金属含量的主成分分析 Table 3 Principal component analysis of heavy metal concentration in soil of the study area

表 4可知, 第一主成分(F1)贡献率为38.40%, 在Cd、Pb、Zn、Hg、As的含量上载荷较高, 主要反映了Cd、Pb、Zn、Hg、As的富集信息.这5种元素的平均值均明显超过了云南省土壤背景值(表 1), Cd、Pb、Zn的平均值更是分别达到了背景值的71.36、10.33、10.41倍, Hg和As的平均值也分别超过了背景值的2.21和2.03倍, 有研究表明铅锌矿物中常常伴生有Hg和As等重金属元素[30].且Cd、Pb、Zn两两之间存在极显著相关, 与Hg和As两种重金属的相关性也很高, 分析判断出第一主成分中这5种重金属可能受到相同的污染源影响.研究区的铅锌矿开采、选矿及冶炼等生产活动中产生的废水、尾矿、废渣等都是这5种重金属的主要来源, 因此第一主成分代表了矿山开采和工业活动等人为来源.

表 4 研究区域土壤重金属含量主成分分析成分矩阵 Table 4 Component matrix of principal component analysis of heavy metal concentrations in soil of the study area

第二主成分(F2)贡献率为28.39%, 其中Cu、Ni、Cr有较高的载荷, 主要反映了Cu、Ni、Cr的富集信息. Cu、Ni、Cr这3种元素的平均值均未超过云南省土壤背景值, Ni和Cr的变异系数相对较低, 但是Cu有6个样点的含量超过了云南省土壤背景值, 变异系数较高, 可认为这6个样点的Cu受到外源污染, 总体上Cu、Ni、Cr还是受人为活动相对较小.张迪等[24]对该矿区土壤中重金属污染状况调查表明,矿区土壤中Cu超标率为0%.黄维恒等[31]的研究结果表明该矿区的矿产开采对耕地土壤重金属Cu的积累贡献并不明显.张超兰等[32]对广西某铅锌矿区的研究也发现Cu、Ni、Cr这3种元素被分在一个主成分, 并且主要来源于成土母质.早期研究认为土壤中Cr和Ni受人为影响较小, 其主要来源于土壤母质及风化产物累积的重金属[27, 28].因此, 第二主成分代表了自然来源.

图 2中重金属间的距离反映了元素含量间的相关性[33], Cd、Pb、Zn, Hg和As, Cu、Ni、Cr之间距离较近, 显示出较强的相关性; 相对而言, Hg和As与Cd、Pb、Zn也具有一定的相关性.再次表明Cd、Pb、Zn、Hg、As这5种元素之间具有一定的同源性, Cu、Ni、Cr之间具有一定的同源性, 而与Cd、Pb、Zn、Hg、As显示出较强的异源性.

图 2 土壤重金属元素主成分载荷 Fig. 2 Heavy metal loading of the principal components

2.3 土壤重金属主成分空间分布

该研究区域农田土壤被金顶镇城区分为两个片区, 以北主要分布在沘江上游东岸, 以南沿沘江两岸向下游呈带型分布.如图 3所示, 第一主成分Cd、Pb、Zn、Hg、As在空间上差异较显著, 高值区主要分布在金顶镇东北地区、四选厂西北地区以及沘江下游两岸区域.低值区则位于凤凰矿山正北地区及新井村上游等区域.这可能是由于沘江中游分布有一、二选厂及四选厂等冶炼厂, 冶炼厂在生产过程中产生的废气和废渣, 受大气沉降等作用直接或间接地污染沿岸农田; 此外, 凤凰铅锌矿位于金顶镇东南部4 km, 矿物开采和运输产生的粉尘和废气, 受大气沉降等作用, 沉降到周围土壤中, 对周边特别是东北下风向区土壤重金属含量可能造成一定影响.这与文献[34~36]的研究结果一致, 可以认为矿产开采和冶炼废弃物排放对周边土壤重金属的含量和分布存在一定影响.由于该地区常年主导风向为西南风, 金顶镇东北地区位于冶炼厂东北方向, 因此该地区可能受区域主导风向的影响, 导致土壤中重金属含量较高.此外, 沘江下游箐门村河段历史上经常洪水泛滥, 导致河道沉积物带入下游两岸农田, 淤泥中富含铅、锌、镉、砷等重金属, 使得下游两岸土壤重金属污染较重.凤凰矿山正北地区及新井村上游等区域土壤中重金属含量呈降低的趋势, 可能是由于距离矿区和冶炼厂较远, 以及河水的冲刷稀释作用导致农田土壤重金属含量较低.

图 3 土壤重金属元素的第一主成分得分的空间分布 Fig. 3 Spatial distribution of the first principal component of heavy metals in the study area

图 4所示, 第二主成分的高值区域主要位于沘江下游箐门村以下区域.调查采样时发现箐门村是人类活动频繁的地区, 调查结果显示此地区有采样点铜超标异常, 可能是因为这几个采样点位于道路旁, 堆有生活垃圾, 受生活污染干扰导致土壤中Cu超标. Cu含量的超标导致该区域出现第二主成分高值区.已有研究表明, 该矿区土壤重金属Cu的积累主要发生在人口密集区域, 人类活动频繁地区积累量较大, 含量较高[32].

图 4 土壤重金属元素的第二主成分得分的空间分布 Fig. 4 Spatial distribution of the second principal component of heavy metals in the study area

2.4 重金属潜在生态风险评价

Hakanson潜在生态风险指数法主要用于衡量土壤中重金属对环境存在的生态风险.该方法不但考虑了土壤重金属含量, 而且将重金属的生态效应、环境效应和毒理学联系起来, 综合反映了重金属对生态环境的胁迫程度.

研究区农田表层土壤单个重金属的潜在生态风险因子(Eri)和多种重金属的综合潜在生态危害指数RI如表 5所示.根据Hakanson潜在生态风险分级标准(表 6), Cd的潜在生态风险因子大于320, 属于极高生态风险; Hg和Pb潜在生态风险因子处于40~80之间, 属于中等生态风险; As、Zn、Cu、Ni和Cr的潜在生态风险因子均小于40, 属于低生态风险.研究区综合潜在生态风险指数RI的平均值为2 294.8, 介于181.1~16 522.7之间, 说明研究区整体上处于极高生态风险水平, 其中74.5%的采样点为极高生态风险, 20.1%的采样点为高生态风险, 5.4%的采样点为中等生态风险.从图 5可以看出, 研究区重金属综合生态风险指数的高值区域集中在金顶镇东北地区、四选厂西北地区以及沘江下游两岸区域, 与土壤重金属的第一主成分空间分布特征相同.再一次说明了矿区开采和工业活动对农田土壤造成了严重的重金属污染.

表 5 研究区域农田土壤重金属潜在生态风险评价 Table 5 Assessment of potential ecological risks of soil heavy metals in the study area

表 6 Hakanson潜在生态风险分级标准 Table 6 Grading standards of Hakanson potential ecological risk

图 5 研究区土壤重金属综合潜在生态风险指数分布 Fig. 5 Spatial distribution of potential ecological risk index of heavy metals in the study area

3 结论

(1) 研究区采样点中Cd、Pb、Zn、Hg、As、Cu、Ni、Cr含量超标率(超过云南省土壤背景算术平均值样本数占总样本的百分比)分别为100%、97.99%、96.64%、91.94%、73.15%、4.02%、0.67%、0.00%.单因子污染指数评价结果表明Cd、Pb、Zn属于重度污染, Hg、As属于中度污染, Cu、Ni、Cr没有污染.

(2) 通过相关性分析推断Cd、Pb、Zn、Hg、As这5种元素来源相似, Cu、Ni、Cr这3种元素来源相似.主成分分析结果显示第一主成分反映了Cd、Pb、Zn、Hg、As的富集信息, 代表了矿山开采和工业活动等人为来源; 第二主成分反映了Cr、Cu、Ni的富集信息, 代表了自然来源.第一主成分高值区主要在金顶镇东北地区、四选厂西北地区以及沘江下游两岸区域.第二主成分的高值区域主要位于沘江下游箐门村以下区域.

(3) 潜在生态风险评价结果显示研究区土壤中Cd属于极高生态风险, Hg和Pb属于中等生态风险, As、Zn、Cu、Ni和Cr属于低生态风险.综合潜在生态风险指数RI的平均值为2294.8, 整体上处于极高生态风险水平.研究区重金属综合生态风险指数的高值区域与土壤重金属的第一主成分空间分布特征相同.再一次说明了矿区开采和工业活动对农田土壤造成了严重的重金属污染.

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