廣州市郊區(qū)土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

目前，環(huán)境科學(xué)中長(zhǎng)期的環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)和預(yù)斷評(píng)價(jià)的應(yīng)用和發(fā)展正處于普遍應(yīng)用和發(fā)展的階段。環(huán)境質(zhì)量指數(shù)是評(píng)價(jià)環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)。在國(guó)內(nèi)外廣泛使用該指數(shù)來(lái)評(píng)估環(huán)境質(zhì)量的現(xiàn)狀和趨勢(shì)。然而，這些指數(shù)系統(tǒng)的形狀不同，表中的公式也不同。因此，通過(guò)實(shí)際工作對(duì)現(xiàn)有指數(shù)系統(tǒng)進(jìn)行分析和討論，建立一個(gè)具有統(tǒng)一客觀現(xiàn)狀的指數(shù)系統(tǒng)，是當(dāng)前環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的一個(gè)重要問(wèn)題。在對(duì)不同環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的評(píng)估中，水質(zhì)指數(shù)和大氣質(zhì)量指數(shù)的研究較早，土壤質(zhì)量指數(shù)的發(fā)展緩慢，國(guó)外報(bào)告也較少。作者從綜合文獻(xiàn)中選擇了幾種主要評(píng)價(jià)方法（見(jiàn)表1），并對(duì)廣州郊區(qū)受污染土壤進(jìn)行了評(píng)價(jià)和分類。1土壤重金屬含量的測(cè)定按照《農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》,于1997年11月—1998年1月在廣州市郊區(qū)采集土壤樣品36個(gè)(海珠區(qū)9個(gè)、天河區(qū)3個(gè)、黃埔區(qū)4個(gè)、白云區(qū)13個(gè)和芳村區(qū)7個(gè)),2001年1月采集土壤樣品83個(gè)(主要分布在白云區(qū)),2次共采集有效土壤表層樣品119個(gè).其中:海珠區(qū)14個(gè)、天河區(qū)6個(gè)、黃埔區(qū)8個(gè)、白云區(qū)84個(gè)、芳村區(qū)7個(gè).為了避免偶然性,采用多點(diǎn)混合采樣法,即在一定面積(約0.5hm2)中選3～5個(gè)點(diǎn)的土壤形成1個(gè)土壤混合樣,土壤樣品采集于耕作層(0～20cm).在實(shí)驗(yàn)室中將土壤樣品置于牛皮紙上自然風(fēng)干、磨碎,分別過(guò)20,60和100目(孔徑為0.85,0.25和0.15mm)尼龍篩,貯于聚乙烯薄膜袋中,以備分析.土壤中重金屬Cu,Pb,Zn,Cr,Ni,Cd,As和Hg含量的測(cè)定方法見(jiàn)文獻(xiàn).2廣州市郊區(qū)土壤污染分析2.1組合污染指數(shù)的比較,對(duì)于土壤重金屬的污染程度問(wèn)題根據(jù)表1并結(jié)合筆者的調(diào)查分析結(jié)果,計(jì)算了廣州市郊區(qū)土壤重金屬的各種污染指數(shù)(見(jiàn)表2).從單項(xiàng)平均污染指數(shù)來(lái)看,廣州市郊區(qū)土壤中重金屬僅Hg屬于輕污染,Cd和Zn達(dá)到警戒線,而其余5種重金屬屬于安全等級(jí).同時(shí)可以看出,在整體評(píng)價(jià)某一區(qū)域的土壤環(huán)境質(zhì)量時(shí),內(nèi)梅羅污染指數(shù)數(shù)值較大,計(jì)算過(guò)程中發(fā)現(xiàn)主要是過(guò)于突出了最大值的作用;幾何均數(shù)明顯降低了最大值的作用;簡(jiǎn)單迭加法污染綜合指數(shù)數(shù)值也較大,其作用完全可用算術(shù)均數(shù)替代,且數(shù)值可大大降低;平方和的平方根的作用則可用均方根來(lái)替代,且大大降低了計(jì)算數(shù)值;計(jì)算的加權(quán)平均指數(shù)為0.72,若按照單項(xiàng)污染指數(shù)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),則廣州市郊區(qū)土壤重金屬處于警戒線級(jí)別,而若用算術(shù)均數(shù)和均方根的計(jì)算值分級(jí)時(shí)則處于安全級(jí)別,這是因?yàn)榧訖?quán)平均計(jì)算時(shí)考慮了權(quán)重的影響,對(duì)權(quán)重較大的重金屬進(jìn)行了一定程度的補(bǔ)償.用各種重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)的頻率分布可以更加詳細(xì)地說(shuō)明某一地區(qū)各種重金屬的污染狀況(見(jiàn)表3).由表3可以看出,8種重金屬中Hg的污染頻率最大,即輕污染、中污染和重污染的出現(xiàn)頻率都較大,分別為25.4%,9.3%和16.1%;其次是Cd和Zn也出現(xiàn)了較高頻率的輕污染、中污染和重污染,Cd的輕污染、中污染和重污染的出現(xiàn)頻率分別為23.5%,5.0%和3.4%,Zn的分別為10.1%,5.0%和5.0%;其余5種重金屬出現(xiàn)污染的頻率較低,大小順序?yàn)镃u>Cr>Pb=Ni=As.2.2重金屬污染指數(shù)的聚類分析聚類分析評(píng)價(jià)是分析土壤環(huán)境重金屬含量特征的重要手段,尤其是進(jìn)行元素間或區(qū)域間環(huán)境質(zhì)量的比較研究時(shí),聚類分析更顯出了它特有的功能.采用SPSS軟件中的群集分析功能對(duì)廣州市郊區(qū)土壤中的8種重金屬污染指數(shù)進(jìn)行了Q型聚類分析(見(jiàn)圖1).由圖1可見(jiàn),8種重金屬共分為4組,第1組包括Pb,Ni,As,Cr和Cu,它們具有共同的污染指數(shù)特征,即其污染指數(shù)都較小;第2組包括Zn;第3組包括Cd;第4組包括Hg.后3種重金屬的污染指數(shù)逐漸增大,并以Hg的污染指數(shù)最大.2.3遷移轉(zhuǎn)化特征為了進(jìn)一步揭示重金屬之間的相互關(guān)系,進(jìn)行主成分分析求出因子荷載矩陣,通過(guò)元素之間的關(guān)聯(lián)探討該地區(qū)土壤重金屬含量的相互關(guān)系.由表4,5按特征值和特征向量累計(jì)貢獻(xiàn)率大于85%的原則,選取了4個(gè)主成分,這4個(gè)主成分對(duì)各變量的方差貢獻(xiàn)率分別為48.3%,19.47%,10.26%和8.39%,其所含信息占總體信息的86.46%,足以解釋原始的信息(見(jiàn)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組成的信息量,這些元素在第一主成分上有較高的正荷載,可見(jiàn)第一主成分反映了這些元素的富集程度;第二主成分主要反映了Cr和Ni的富集信息量以及Hg的釋放信息;第三主成分反應(yīng)的元素信息比較分散;第四主成分主要反應(yīng)了As的富集信息;其他主成分對(duì)各元素解釋的方差比較分散.由表4可見(jiàn),第一主成分能解釋接近50%的信息量,前2個(gè)主成分可以解釋67.81%的信息量.利用表5中第一、第二主成分所對(duì)應(yīng)的特征向量的8個(gè)分量,以F1作為橫坐標(biāo),F2作為縱坐標(biāo)得到8種重金屬的直觀分類圖(圖2),其中Cu,Pb,Zn,Ni,Cd,As和Hg歸為一類,反映了該研究中第一主成分的遷移轉(zhuǎn)化特征;Cr歸為一類,主要反映了第二主成分的遷移轉(zhuǎn)化.通過(guò)仔細(xì)分析研究廣州市郊區(qū)8種重金屬的污染分布規(guī)律可以發(fā)現(xiàn),除Cr外,其余的要么不存在污染,要么有污染也是以廣州近郊區(qū)域的污染程度較嚴(yán)重,而Cr的污染規(guī)律卻正好相反,在海珠區(qū)、天河區(qū)、芳村區(qū)和黃埔區(qū)基本不存在污染(僅海珠區(qū)新窖鎮(zhèn)小洲村有一個(gè)點(diǎn),污染指數(shù)為1.54),而在白云區(qū)的神山鎮(zhèn)附近有10個(gè)點(diǎn)遭受了Cr的污染.同時(shí)從以前的分析可知,在3種土壤類型中,除Cr外其他7種重金屬基本上都是菜園土的含量最高,而Cr的含量以菜園土最低,Cr表現(xiàn)出與別的重金屬污染特征不同的規(guī)律.可見(jiàn),這種分類大致反映了主成分分析的結(jié)果.3重金屬污染評(píng)價(jià)a.在進(jìn)行土壤重金屬污染評(píng)價(jià)時(shí),不同的污染指數(shù)計(jì)算方法得到的評(píng)價(jià)結(jié)果會(huì)有很大的不同.因此,選擇適合于某一地區(qū)土壤重金屬的評(píng)價(jià)方法就顯得非常重要,可以做出最合乎客觀現(xiàn)實(shí)的評(píng)價(jià)結(jié)果,為土壤環(huán)境的綜合利用和規(guī)劃提供最合乎情理的依據(jù).b.對(duì)于廣州地區(qū)土壤重金屬污染評(píng)價(jià),結(jié)合單項(xiàng)污染指數(shù)、單項(xiàng)平均污染指數(shù)、算術(shù)均數(shù)、加權(quán)均數(shù)和內(nèi)梅羅污染指數(shù)則對(duì)問(wèn)題能夠給予較好的說(shuō)明,若單用一種污染評(píng)價(jià)指數(shù)則很難將問(wèn)題解釋清楚.同時(shí),從廣州市郊區(qū)土壤中8種重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)頻率分布可以看出,8種重金屬中Hg的污染頻率最大,即輕污染、中污染和重污染的出現(xiàn)頻率都較大,分別為25.4%,9.3%和16.1%;其次是Cd和Zn,也出現(xiàn)了較高頻率的輕污染、中污染和重污染.c.Q型聚類結(jié)果表明,8種重金屬共分為4組,第1組包括Pb,Ni,As,Cr和Cu,這5種重金屬的污染指數(shù)都較小;第2組、第3組和第4組分別是Zn,Cd和Hg,這3種重金屬的污染指數(shù)逐漸增大,并以Hg的污染指數(shù)最大