广州市郊区土壤重金属污染评价

广州市郊区土壤重金属污染评价

目前，环境科学中长期的环境质量评价和预断评价的应用和发展正处于普遍应用和发展的阶段。环境质量指数是评价环境质量的重要指标。在国内外广泛使用该指数来评估环境质量的现状和趋势。然而，这些指数系统的形状不同，表中的公式也不同。因此，通过实际工作对现有指数系统进行分析和讨论，建立一个具有统一客观现状的指数系统，是当前环境质量评价的一个重要问题。在对不同环境质量指数的评估中，水质指数和大气质量指数的研究较早，土壤质量指数的发展缓慢，国外报告也较少。作者从综合文献中选择了几种主要评价方法（见表1），并对广州郊区受污染土壤进行了评价和分类。1土壤重金属含量的测定按照《农业环境监测技术规范》,于1997年11月—1998年1月在广州市郊区采集土壤样品36个(海珠区9个、天河区3个、黄埔区4个、白云区13个和芳村区7个),2001年1月采集土壤样品83个(主要分布在白云区),2次共采集有效土壤表层样品119个.其中:海珠区14个、天河区6个、黄埔区8个、白云区84个、芳村区7个.为了避免偶然性,采用多点混合采样法,即在一定面积(约0.5hm2)中选3～5个点的土壤形成1个土壤混合样,土壤样品采集于耕作层(0～20cm).在实验室中将土壤样品置于牛皮纸上自然风干、磨碎,分别过20,60和100目(孔径为0.85,0.25和0.15mm)尼龙筛,贮于聚乙烯薄膜袋中,以备分析.土壤中重金属Cu,Pb,Zn,Cr,Ni,Cd,As和Hg含量的测定方法见文献.2广州市郊区土壤污染分析2.1组合污染指数的比较,对于土壤重金属的污染程度问题根据表1并结合笔者的调查分析结果,计算了广州市郊区土壤重金属的各种污染指数(见表2).从单项平均污染指数来看,广州市郊区土壤中重金属仅Hg属于轻污染,Cd和Zn达到警戒线,而其余5种重金属属于安全等级.同时可以看出,在整体评价某一区域的土壤环境质量时,内梅罗污染指数数值较大,计算过程中发现主要是过于突出了最大值的作用;几何均数明显降低了最大值的作用;简单迭加法污染综合指数数值也较大,其作用完全可用算术均数替代,且数值可大大降低;平方和的平方根的作用则可用均方根来替代,且大大降低了计算数值;计算的加权平均指数为0.72,若按照单项污染指数的分级标准,则广州市郊区土壤重金属处于警戒线级别,而若用算术均数和均方根的计算值分级时则处于安全级别,这是因为加权平均计算时考虑了权重的影响,对权重较大的重金属进行了一定程度的补偿.用各种重金属单项污染指数的频率分布可以更加详细地说明某一地区各种重金属的污染状况(见表3).由表3可以看出,8种重金属中Hg的污染频率最大,即轻污染、中污染和重污染的出现频率都较大,分别为25.4%,9.3%和16.1%;其次是Cd和Zn也出现了较高频率的轻污染、中污染和重污染,Cd的轻污染、中污染和重污染的出现频率分别为23.5%,5.0%和3.4%,Zn的分别为10.1%,5.0%和5.0%;其余5种重金属出现污染的频率较低,大小顺序为Cu>Cr>Pb=Ni=As.2.2重金属污染指数的聚类分析聚类分析评价是分析土壤环境重金属含量特征的重要手段,尤其是进行元素间或区域间环境质量的比较研究时,聚类分析更显出了它特有的功能.采用SPSS软件中的群集分析功能对广州市郊区土壤中的8种重金属污染指数进行了Q型聚类分析(见图1).由图1可见,8种重金属共分为4组,第1组包括Pb,Ni,As,Cr和Cu,它们具有共同的污染指数特征,即其污染指数都较小;第2组包括Zn;第3组包括Cd;第4组包括Hg.后3种重金属的污染指数逐渐增大,并以Hg的污染指数最大.2.3迁移转化特征为了进一步揭示重金属之间的相互关系,进行主成分分析求出因子荷载矩阵,通过元素之间的关联探讨该地区土壤重金属含量的相互关系.由表4,5按特征值和特征向量累计贡献率大于85%的原则,选取了4个主成分,这4个主成分对各变量的方差贡献率分别为48.3%,19.47%,10.26%和8.39%,其所含信息占总体信息的86.46%,足以解释原始的信息(见表4).由表4可以看出,第一主成分主要反映由Cu,Pb,Zn,Ni,Cd,As和Hg组成的信息量,这些元素在第一主成分上有较高的正荷载,可见第一主成分反映了这些元素的富集程度;第二主成分主要反映了Cr和Ni的富集信息量以及Hg的释放信息;第三主成分反应的元素信息比较分散;第四主成分主要反应了As的富集信息;其他主成分对各元素解释的方差比较分散.由表4可见,第一主成分能解释接近50%的信息量,前2个主成分可以解释67.81%的信息量.利用表5中第一、第二主成分所对应的特征向量的8个分量,以F1作为横坐标,F2作为纵坐标得到8种重金属的直观分类图(图2),其中Cu,Pb,Zn,Ni,Cd,As和Hg归为一类,反映了该研究中第一主成分的迁移转化特征;Cr归为一类,主要反映了第二主成分的迁移转化.通过仔细分析研究广州市郊区8种重金属的污染分布规律可以发现,除Cr外,其余的要么不存在污染,要么有污染也是以广州近郊区域的污染程度较严重,而Cr的污染规律却正好相反,在海珠区、天河区、芳村区和黄埔区基本不存在污染(仅海珠区新窖镇小洲村有一个点,污染指数为1.54),而在白云区的神山镇附近有10个点遭受了Cr的污染.同时从以前的分析可知,在3种土壤类型中,除Cr外其他7种重金属基本上都是菜园土的含量最高,而Cr的含量以菜园土最低,Cr表现出与别的重金属污染特征不同的规律.可见,这种分类大致反映了主成分分析的结果.3重金属污染评价a.在进行土壤重金属污染评价时,不同的污染指数计算方法得到的评价结果会有很大的不同.因此,选择适合于某一地区土壤重金属的评价方法就显得非常重要,可以做出最合乎客观现实的评价结果,为土壤环境的综合利用和规划提供最合乎情理的依据.b.对于广州地区土壤重金属污染评价,结合单项污染指数、单项平均污染指数、算术均数、加权均数和内梅罗污染指数则对问题能够给予较好的说明,若单用一种污染评价指数则很难将问题解释清楚.同时,从广州市郊区土壤中8种重金属单项污染指数频率分布可以看出,8种重金属中Hg的污染频率最大,即轻污染、中污染和重污染的出现频率都较大,分别为25.4%,9.3%和16.1%;其次是Cd和Zn,也出现了较高频率的轻污染、中污染和重污染.c.Q型聚类结果表明,8种重金属共分为4组,第1组包括Pb,Ni,As,Cr和Cu,这5种重金属的污染指数都较小;第2组、第3组和第4组分别是Zn,Cd和Hg,这3种重金属的污染指数逐渐增大,并以Hg的污染指数最大