伊宁市土壤中重金属污染评价及来源解析研究*

邓 霞 孙慧兰 杨余辉 周永超 吴珊珊

(新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054)

土壤是生态系统中各种污染物的最终归属，重金属主要通过大气降尘、地表径流渗透等方式进入土壤环境，又通过食物链积累到人体中，给人们的身体健康带来潜在危害[1-3]。目前，众多学者对城市重金属的污染特征、来源等方面进行了大量的研究[4-8]。ASLAM等[9]对迪拜红绿灯路口处土壤重金属环境进行研究，发现汽车的尾气排放是路边土壤重金属污染的主要来源；崔邢涛等[10]基于大量土样数据分析石家庄市土壤重金属空间分布特征并进行源解析。

随着经济的发展以及“一带一路”的兴起，中国西部地区土壤环境现状逐渐引起学者的关注。陈洪等[11]对伊犁河流域的土壤环境进行分析，发现伊宁市、伊宁县、霍城县等地的污染现象极为严重；杨蕊等[12]认为，河谷城市西宁市的土壤重金属污染严重，除As、Zn外，Cr、Cu、Pb等多种重金属均超过青海土壤背景值，存在一定环境风险。现有的关于西部地区土壤重金属的研究主要针对污染现状，而对土壤重金属来源解析的研究相对较少。

本研究通过采集新疆伊宁市主城区道路主干道两侧绿化带中的表层土(0～20 cm)，探究重金属含量特征，再通过地积累污染指数法和污染负荷指数法对其重金属污染程度进行分析，同时借助因子分析与相关性分析结果，对土壤中的重金属来源进行解析，以期为伊宁市的土壤环境保护提供科学依据。

1 研究方法

1.1 研究区概况

伊宁市位于伊犁河谷中部(43°50′～44°09′N，80°04′～81°29′E)，市中心海拔约640 m，气候温和多雨，四季分明，年均气温在10 ℃左右，属温带大陆性气候。伊宁市土壤类型主要为黑钙土、栗钙土等，市区土壤主要为潮土和灌耕土。在城市化进程加快和“一带一路”的建设过程中，伊宁市交通运输业不断发展，公路与汽车数目逐渐增多。目前伊宁市有主要街道8条，此外，伊墩高速和G316国道从伊宁市横穿而过，与众多小巷道构成了伊宁市复杂的交通网络。

1.2 样品采集及分析

在伊宁市主城区设置51个采样点，根据实际情况在公路两侧的绿化带采集表层(0～20 cm)土壤样品。采用三点混合法采样，取1 kg土壤样品装入密封袋中，同时用全球定位系统(GPS)记录每个采样点的坐标。土壤在实验室避光风干，去石块和动植物残渣，过100目筛后装入小密封袋备用。

分析方法：土样通过强酸消解后，采用火焰原子吸收分光光度法测定Cu、Zn含量，采用原子吸收法测定Cr、Ni、Pb含量；采用原子荧光法测定Hg、As、Mn含量。

1.3 评价方法

1.3.1 地积累污染指数法

地积累污染指数法与其他污染评价法相比，考虑了人为因素和土壤母质对重金属的影响[13-14]，计算公式见式(1)：

(1)

式中：Igeoi为土壤样品中重金属i的地积累污染指数；ci为土壤样品中重金属i的实测质量浓度，mg/kg； 1.5为波动系数；Bi为重金属i在新疆土壤中的背景值，mg/kg。

1.3.2 污染负荷指数法

污染负荷指数法可以用于评价土壤中多种重金属的综合污染程度，还可用于直观判断整个研究区的污染情况[15-16]。计算公式如下:

(2)

(3)

(4)

式中：Pi为土壤样品中重金属i的单因子污染指数；PLIm为第m个采样点土壤重金属污染负荷指数；n为土壤中重金属个数；PLIzone为研究区域的土壤重金属污染负荷指数；k为采样点个数。

地积累污染指数与污染负荷指数评价等级如表1所示。

表1 重金属污染的评价分级

注：1)PLI可以是PLIm或PLIzone。

2 结果与分析

2.1 伊宁市道路表层土壤重金属含量特征

对51个土壤样品中8种重金属质量浓度进行统计分析，结果如表2所示。可以看出，8种重金属质量浓度平均值排序为Hg

表2 伊宁市道路表层土壤重金属质量浓度统计

变异系数在一定程度上可以反映土壤重金属受人为因素的干扰程度与累积程度。一般来说，变异系数≤0.15时为弱变异，>0.15～0.35时为中变异，>0.35时为强变异[17-19]。由表2可见，元素Ni、Cu、Mn为弱变异，受人为影响较小；元素Cr、Pb、Zn为中变异，人为因素对其具有一定的影响；而元素Hg、As为强变异，说明受人为影响较大。

2.2 伊宁市道路表层土壤重金属污染评价

采用地积累污染指数法对伊宁市道路表层土壤中的各重金属污染情况进行评价，结果见图1。

图1 地积累污染指数对重金属元素污染程度的评价结果Fig.1 Pollution degree of heavy metals evaluated by geo-accumulation pollution index

由图1可见，51个土壤样品均未受到Cr、Mn、As污染；对于元素Ni、Cu、Zn，分别有9.8%、5.9%、3.9%的土壤样品存在轻中度污染，其余均未受到污染；对于元素Pb，7.8%的土壤样品无污染，21.6%、70.6%的土壤样品分别存在轻中度污染和中度污染；而对于元素Hg，43.1%的土壤样品无污染，35.3%、15.7%、5.9%的土壤样品分别存在轻中度污染、中度污染、中强度污染。可以看出，Hg、Pb污染程度相对较大，Pb的污染面积比较大，Hg有小部分区域受到较严重的污染

采用污染负荷指数法评价伊宁市重金属综合污染程度，51个土壤样品中，污染负荷指数最大值为1.03，最小值为0.45说明伊宁市内有小部分地区土壤存在轻度重金属污染，大部分地区为无污染，伊宁市的区域污染负荷指数为0.65，表明伊宁市整体未受到重金属污染。采用反距离权重空间插值法反映研究区重金属污染负荷指数空间分布情况(见图2)，可以看出虽然污染负荷指数大于0.90的区域较小，但大部分区域的污染负荷指数在0.50以上，随着人为活动强度的增加将带来土壤重金属的持续输入，未来研究区土壤存在重金属污染风险。

图2 伊宁市污染负荷指数的空间分布Fig.2 Sptial distribution of pollution load index in Yining City

2.3 伊宁市道路表层土壤重金属源解释

2.3.1 相关性分析

通过对土壤中重金属间的相关性进行分析，可以在一定程度上反映重金属间同源的可能性[20-21]。表3为伊宁市道路表层土壤中8种重金属之间的Pearson相关性分析结果。由表3可知，除As元素外，Zn与其他重金属元素均呈极显著相关，Cr与Ni、Pb、Mn，Ni与Pb，Cu与Mn也呈极显著正相关关系，其中Cr与Ni、Zn的相关系数为0.669、0.526，Zn与Pb、Cu、Mn间的相关系数分别为0.561、0.576、0.558，均在0.5以上，表明这几种重金属同源的可能性较大；此外，Mn与As间呈极显著负相关关系，表明这两种重金属具有较为明显的异源性特征。

表3 伊宁市道路表层土壤不同重金属之间的相关性分析1)

注：1)“*”代表显著相关；“**”代表极显著相关。

2.3.2 因子分析

采用因子分析法对伊宁市道路表层土壤重金属进行源解析，因子方差分析结果见表4。由表4可知，获取的8个因子中，前3个因子的特征值大于1，且前3个因子的方差累积贡献率达71.068%，也即前3个因子可以解释71.068%的贡献源。

表4 因子方差分析

表5为前3个主因子与各重金属元素间的旋转载荷矩阵。可以看出，因子1在Cr、Ni、Pb、Hg上的载荷分别为0.757、0.816、0.685、0.594，其中Cr、Pb、Hg受人为活动影响明显，Hg主要来源为大气干沉降，Pb、Cr主要来源于工业排放和煤炭燃烧[22]，鉴于采样点均在伊宁市主城区内，周边无工业聚集，因此因子1可以解释为郊区工业源的传输；因子2在Cu、Mn、Zn上的载荷分别为0.907、0.660、0.663，3种重金属间均呈极显著相关，Cu主要来自于汽车制动过程中刹车片的摩擦，Zn主要来自于橡胶轮胎的磨损，Mn是土壤中的基本元素，可能来自于车辆运行过程中带起的道路扬尘[23-26]，因此因子2可以解释为交通排放源；因子3在Mn、As上的载荷分别为-0.619、0.921，两者对因子3的影响相反，而Mn与As间极显著负相关，存在明显的异源性，一般认为Mn主要来自土壤的母质，受人为影响较小，推测As来自人为活动源，即因子3代表人为活动与自然的混合源。

表5 因子旋转载荷矩阵

3 总 结

通过对伊宁市土壤重金属的描述性统计分析可知，研究区表层土壤重金属Ni、Pb、Cu、Hg的含量超过新疆土壤背景值。地积累污染指数评价结果表明，研究区未受重金属 Cr、Mn、As的污染，小部分地区存在Ni、Cu和Zn的轻中度污染，大部分地区存在中度Pb、Hg污染，其中Pb的污染面积较大，但主要为轻中度和中度污染，而Hg的污染面积虽然没有Pb大，但有5.8%的区域存在Hg的中强度污染。污染负荷指数法评价结果表明伊宁市土壤整体未受重金属污染。因子分析表明研究区土壤中重金属有3种主要来源，一是周边工业源的传输，二是交通排放源，三是人为活动与自然的混合源。

仅探究土壤中重金属全量的分布特征、风险程度以及来源，并不能解释土壤中重金属的迁移规律及潜在的风险，因此在后续研究中应关注重金属形态的研究，以期获取重金属在土壤中迁移规律的基础数据，为土壤治理与修复提供可靠的理论依据。