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晋中市盆地区土壤中PbHgAs背景及其分析
晋中市盆地区土壤中重金属离子背景及其分析
Bymilan7sheva
摘要：
土壤的重金属污染是一个严重的环境问题，土壤环境背景值的测定和研究是环境科学中的一项基础工作，它能为土壤环境质量评价、污染趋势预测、重金属在土壤中的迁移转化规律的研究提供科学依据，本文检测了晋中市盆地区土壤中As、Hg、Pb三种重金属离子的背景值并进行了初步分析，发现这三种重金属离子的背景值都比较低，处于非污染水平，Pb和Hg的背景值相关系数较大，为0.2576，用主成分分析法表明晋中市盆地区重金属离子背景水平最高的为Pb。
通过采用单因子污染指数法和综合污染指数法相结合的方法，对晋中盆地土壤重金属污染进行了评价，确定了基于污染指数的土壤质量等级为1级，污染程度为安全，污染水平为清洁。
关键词：
晋中市；土壤；重金属离子；背景
Abstract
Soilheavymetalpollutionisaseriousenvironmentalproblem,thedeterminationofsoilenvironmentalbackgroundvaluesandresearchisabasicworkinenvironmentalscience.Itprovidesscientificbasisforthesoilenvironmentalqualityassessment,pollutiontrendforecasts,migrationandtransformationofheavymetalsinthesoil.ThisstudydetectedthebackgroundvalueofAs,HgandPbinJinzhongCitybasinsoilandapreliminaryanalysisfoundthatthebackgroundvaluesofthesethreeheavymetalionsarerelativelylow,atthelevelofnon-pollutingcorrelation.ThecoefficientofthebackgroundvaluesofPbandHgisrelativelyhighto0.2576.ItisdetectedbyusingPrincipalcomponentanalysisthatthehighestbackgroundlevelsofheavymetalionsisPb.SoilheavymetalpollutionoftheJinzhongbasinwereevaluatedcombiningthesinglefactorpollutionindexandtheintegratedpollutionindexmethod,itshowedthatthepollutionindexofsoilqualityandgradeofapollutiondegreewereofsafetylevels
KeyWords:
jinzhongcity;soil;Heavymetalions;Background
目录
摘要：
I
AbstractI
1.前言1
1.1重金属污染概述1
1.1.1土壤中重金属的来源2
1.1.2土壤中重金属元素的背景值2
1.1.3土壤重金属背景值研究3
1.2主成分分析法的定义及应用3
1.3本研究的目的和意义5
2.材料和方法5
2.1晋中概况5
2.2样品的采集6
2.3样品含量的测定6
2.4数据处理6
2.5土壤重金属评价方法6
3.结果与分析7
3.1土壤重金属离子检测结果7
3.2土壤重金属含量主成分分析9
3.3土壤重金属污染评价11
4.结论与建议12
参考文献12
1.前言
土壤是复杂的、特殊地球外壳，它几乎覆盖着整个地球大陆外层[1]。
土壤环境是一个系统，由土壤的内部环境、外部环境和界面环境组成;土壤环境并非固定的，而是存在着物质交换、能量循环和生命体代谢繁衍[2]。
土壤环境同水环境、大气环境都有着紧密的联系，三者之间时刻进行着物质和能量交换[3]，因此土壤在整个生物圈中，有着举足轻重的特殊意义。
当今，土壤环境系统不仅仅具有自然特征，而且在人类长期的利用和改造过程中被打上了人的烙印。
土壤是一种资源，而在这种资源的利用过程中，却产生了很多新的环境问题。
可持续发展是建立在农业可持续发展的基础上，而农业的可持续发展是建立在土壤环境的良性循环的基础上的[4]，随着工业的发展和城市化进程的加快，化学肥料、农药的大量应用，土壤环境质量受到严重威胁，其中重金属问题是最为突出的，因为它具有潜伏时间长且难降解等性质，，重金属含量的增多，严重影响了土壤的质量，制约了整个社会经济的发展。
1.1重金属污染概述
土壤污染是人类活动所产生的污染物直接或间接进入土壤并积累到一定程度，引起土壤质量恶化的现象。
具体说，污染物质就是与人类活动有关的各种对人体和生物有害的物质，包括化学农药、重金属、放射性物质、病原菌等。
这些污染物进入土壤后，通过土体对污染物质的物理吸附、过滤阻留、胶体的物理化学吸附、化学沉淀、生物吸收等过程，使污染物不断在土壤中积累，当其含量达到一定数量时，便引起土壤污染。
目前土壤污染中问题最严重的是重金属污染，土壤中的重金属是指Fe、Mn、Zn、Cd、Cu、Cr、Pb、Ni等，比重>5g/cm3的金属。
当重金属元素进入土壤环境，，起作用的不是重金属的总量，而是其中具有活性的那部分[5]。
据估算，全国每年因为重金属污染而产生的粮食高达1200万t，造成直接的经济损失超过200亿元，并对人体健康形成一定危害[6]。
研究表明，土壤重金属对生态环境的影响与土壤重金属积累程度和化学形态有关[7-8]因此开展重金属在土壤中的积累研究，为重金属污染土壤的治理和清洁提供依据，加速对土壤现状的了解，实现污染土壤的修复。
1.1.1土壤中重金属的来源
根据重金属来源的不同把重金属污染土壤分为两类:
外源重金属污染土壤和内源重金属污染土壤。
内源重金属污染土壤重金属来自成土母质，由于成土母质来源的广阔多样及人类生产生活影响的广泛，完全未受影响的土壤己很难存在[1]，外源重金属污染土壤的重金属来源主要是污水灌溉、采矿和冶炼活动、农药肥料和塑料薄膜的使用、废弃重金属的堆积。
两类土壤中重金属分布状态有较大差异:
通过外源重金属途径污染的土壤其重金属主要分布于细颗粒中，很明显重金属具有向细颗粒富集的特点;而内源重金属污染土壤的重金属颗粒分布特征相对不明显。
相关的提取试验表明:
内源重金属污染土壤中重金属以残余态为主要形式，释放较缓慢，较为稳定，土壤中重金属释放与土壤颗粒磨细程度有关，内源重金属污染明显高于外源重金属污染土壤。
无论是外源还是内源重金属污染土壤中，pH值对重金属的溶出均有较大影响。
连续淋溶试验进一步表明，土壤受外源重金属污染的释放重金属的强度较高，但其释放持续时间较短;而作为内源重金属污染型土壤则恰恰相反，释放重金属的强度较低，但其持续时间较长[9]。
1.1.2土壤中重金属元素的背景值
环境背景值亦称自然本底值。
是指在不受污染的情况下，环境组成的各要素，如大气、水体、岩石、土壤、植物、农作物、水生生物和人体组织中与环境污染有关的各种化学元素的含量及其基本的化学成份。
它反映环境质量的原始状态[10]。
土壤环境中重金属元素背景值是指一定区域内自然状态下未受人为污染影响的土壤中重金属元素的正常含量。
土壤环境背景值的测定和研究是环境科学中的一项基础工作，它能为土壤环境质量评价、污染趋势预测、重金属在土壤中的迁移转化规律的研究提供科学依据[1]。
因此确定土壤中重金属元素的背景值有一定的实际意义。
1.1.3土壤重金属背景值研究
土壤环境背景值既是确定土壤环境质量标准的基础，又是土壤污染综合评价的基本依据[11]。
土壤环境背景值是指未受或少受人类活动（特别是人为污染物）影响的土壤环境本身固有的化学元素组成及其含量水平。
土壤环境背景值调查是近年来环境科学研究的一项基础工作。
近年来，国内对土壤重金属背景值定量以及背景值定性调查方面作了大量的工作。
普遍认为，成土母质、土壤类型和理化性质是影响土壤重金属背景值的主要因素，尤其是成土母质和土壤理化性质[12]。
土壤重金属的背景值，反映了在没有污染或者相对较轻污染情况下，通过母质风化在成土过程中发生的元素迁移转化，因此成土母质的差异是引起土壤环境背景值差异的主要因素。
不同的土壤类型是在不同的母质或相同的母质条件下，经过不同的生物气候作用而形成的，因此小同类型的土壤重金属元素的背景值反映了母质、气候和生物等的共同作用，其差异性是必然的[13].20世纪80年代,我国开展了土壤重金属背景值研究[14],在全国范围内开展了系统的背景值调查研究,并出版了《中国土壤元素背景值》专著[15],为我国土壤背景值研究奠定了良好的工作基础。
土壤背景值的研究原则包括：
统计学原则、制图学原则、实际应用的原则、反映土环境背景值分异规律等原则[16]。
主要研究方法有：
土壤痕量元素铜、铅、锌、镉原子吸收析方法、因子分析法、R型群分析法等[17]
1.2主成分分析法的定义及应用
对同一个体进行多项观察时，必定涉及多个随机变量X1，X2，…，Xp，它们都是相关的,一时难以综合。
这时就需要借助主成分分（principalcomponentanalysis）来概括诸多信息的主要方面。
主成分分析是利用降维的思想，把多指标转化为少数几个综合指标的多元统计分析方法。
假定有n个地理样本，每个样本共有p个变量描述，这样就构成了一个n×p阶的地理数据矩阵：
如果记原来的变量指标为x1，x2，…，xp，它们的综合指标——新变量指标为x1，x2，…，zm（m≤p）。
则
在
（2）式中，系数lij由下列原则来决定：
（1）zi与zj（i≠j；i，j=1，2，…，m）相互无关；
（2）z1是x1，x2，…，xp的一切线性组合中方差最大者；z2是与z1不相关的x1，x2，…，xp的所有线性组合中方差最大者；……；zm是与z1，z2，……zm-1都不相关的x1，x2，…，xp的所有线性组合中方差最大者。
这样决定的新变量指标z1，z2，…，zm分别称为原变量指标x1，x2，…，xp的第一，第二，…，第m主成分。
其中，z1在总方差中占的比例最大，z2，z3，…，zm的方差依次递减。
在实际问题的分析中，常挑选前几个最大的主成分，这样既减少了变量的数目，又抓住了主要矛盾，简化了变量之间的关系。
从以上分析可以看出，找主成分就是确定原来变量xj（j=1，2，…，p）在诸主成分zi（i=1，2，…，m）上的载荷lij（i=1，2，…，m；j=1，2，…，p），从数学上容易知道，它们分别是x1，x2，…，xp的相关矩阵的m个较大的特征值所对应的特征向量。
用较少的几个综合指标来代替原来较多的变量指标，而且使这些较少的综合指标既能尽量多地反映原来较多指标所反映的信息，同时它们之间又是彼此独立的，这就是主成分分析的精髓。
主成分分析本身往往并不是目的，而是达到目的的一种手段。
因此，它多用在大型研究项目的某个中间环节。
在国外，主成分分析法已经应用到各个领域，很多精密的测量计算都离不开主成分分析法。
国内在这发面的研究也在渐渐深入，在农业，建筑，环境等领域，运用主成分分析法统计数据已经得到推广。
例如运用主成分分析进行土壤环境质量评价已取得了一些进展，如高吉喜等（2006）利用主成分分析方法评价鞍山市农田土壤环境质量，得出外源重金属输入对鞍山市农田土壤环境质量的影响高于有机农药残留，是其农田土壤环境质量的主要影响因子[18]。
卢瑛等（2004）利用主成分分析方法研究南京城市土壤重金属含量及其影响因素，得出南京城市土壤的Fe、Ni、V、Co元素主要来源于原土壤物质，它们的富集规律与自然土壤一致，而Cu、Zn、Pb、Cr元素主要来源于人为输入，是导致它们在城市土壤中富集规律有别于自然土壤的原因之一[19]。
1.3本研究的目的和意义
重金属污染是土壤污染中的一个方面，重金属污染因其自身的隐蔽性、长期性、不可逆转性等特性，使其成为土壤污染中最突出的问题。
土壤环境中重金属元素背景值是指一定区域内自然状态下未受人为污染影响的土壤中重金属元素的正常含量。
本论文研究了晋中盆地中重金属离子的背景，并对其综合分析，土壤环境背景值的测定和研究是环境科学中的一项基础工作，它能为土壤环境质量评价、污染趋势预测、重金属在土壤中的迁移转化规律的研究提供科学依据。
2.材料和方法
2.1晋中概况
晋中地处黄土高原东部边缘，地理坐标为东经111°23′─114°28′，北纬36°39′─38°06′，地势东高西低，山地、丘陵、平川呈阶梯状分布，大部分地区海拔在1000米以上。
。
晋中属暖温带大陆性季风气候，季节变化明显。
全市河流以太行山、太岳山中脊为界，分属黄河流域和海河流域。
全市土地总面积2460.6万亩，占山西省土地总面积的10.5%，其中耕地面积585.4万亩（基本农田502.01万亩，园地47.38万亩，林地533.44万亩，牧草地161.92万亩，水域面积51.54万亩，建设用地134.38万亩，未利用土地945.82万亩。
矿产资源丰富，已发现金属矿种11个，非金属矿种22个。
主要有煤、铝土矿、铁、铬铁矿、钛铁矿、石膏、水泥用石灰岩、耐火黏土、石英岩状砂岩、水泥配料用黏土、电用石灰岩、硫铁矿等。
全市工业生产焕发出勃勃生机。
现已形成机械、纺织、建材、冶金、化工、电子、煤炭、轻工、食品等十多个门类，全国最大的纺机厂、液压件厂、钡盐基地，都在晋中。
晋中地区的矿产资源及工农业活动影响着土壤中重金属离子的背景。
2.2样品的采集
本文共采集800个土样，分别从全市各乡镇的耕种土地中获取，寻找合适的采样单元，在采样点处采集0—20cm耕作层土壤，将在一个采样单元内个采样点采集的土样混合均匀，制成混合土样。
组成混合样的分点数为5个，用四分法弃取，最后留下1—2kg装入样品袋。
大约每个行政村采集4到6个样。
将采样好的样品进行样品加工处理。
其处理程序为：
风干，磨细，过筛，混合，分装制成满足分析要求的土壤样品。
2.3样品含量的测定
铅：
采用原子吸收分光光度法测定
砷：
采用二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法测定
汞：
采用冷原子吸收分光光度法测定
2.4数据处理
本文利用excel软件和spss数学软件对晋中市盆地区土壤化验数据进行处理分析。
2.5土壤重金属评价方法
土壤重金属评价方法采用单项指数法和综合指数法
单项污染指数法：
Pi=Ci/Si
（1）
式中Pi——土壤中污染物i的环境质量指数；Ci——污染物i的实测值；Si——污染物i的评价标准或背景值。
综合污染指数采用内梅罗综合指数法：
PN=[（Pmax2+Pave2）/2]1/2
（2）
式中PN——内梅罗综合指数；Pmax即（Ci/Si）max为单项污染指数最大值；Pave即（Ci/Si）ave为单项污染指数算术平均值。
（1）单项污染指数法分级标准
Pi≤1非污染，1＜Pi≤2轻污染，2＜Pi≤3中污染，Pi＞3重污染。
（2）综合污染指数分级标准见表1，土壤环境质量标准见表2。
首先利用单项污染指数，对各元素的污染程度加以分析，然后再利用综合污染指数进行土壤环境质量等级划分，进行分析评价。
土壤污染分级标准参照土壤环境质量标准中的级别划分、农业部颁布的NY/T395—2000农田土壤环境质量监测技术规范，给出土壤重金属元素综合评价的分级标准，见表1
表1土壤环境质量评价分级标准
污染指数
分级
污染等级
污染水平
P综≤0.7
1
安全
清洁
0.7＜P综≤1
2
警戒级
尚清洁
1＜P综≤2
3
轻污染
土壤、作物已受污染
2＜P综≤3
4
中污染
土壤、作物已受中度污染
P综＞3
5
重污染
土壤、作物已受严重污染
本项研究以我国1995年颁布的《土壤环境质量标准》（GB15618-1995）中的二级指标作为各项污染物的含量限值进行污染评价（表2）
表2土壤环境质量评价标准
级别
一级
二级
三级
土壤pH值
自然背景
<6.5
6.5～7.5
>7.5
>6.5
镉≤
0.20
0.30
0.30
0.60
1.0
汞≤
0.15
0.30
0.50
1.0
1.5
砷≤
15
40
30
25
40
铅≤
35
250
300
350
500
铬≤
90
150
200
250
300
3.结果与分析
3.1土壤重金属离子检测结果
晋中地区土壤重金属离子化验结果标准化处理如表3所示
表3土壤重金属化验数据标准化处理表
样品数
最小值
（mg/kg）
最大值
（mg/kg）
均值
（mg/kg）
标准差
方差
变异系数
As
800
4.74
18.40
10.7671
1.9542
3.8187
0.1815
Hg
800
0.01
12.60
0.0972
0.5328
0.2839
5.4838
Pb
800
13.50
43.80
23.0561
3.0822
9.5000
0.1337
从表3可以看出，晋中盆地区800个样品As含量的均值为10.7671mg/kg，标准差为1.9542，方差为3.8187，变异系数0.1815，样品数据整体很稳定；土壤样品Hg含量的均值为0.0972mg/kg，标准差为0.5328，方差为0.2839，变异系数为较大为5.4838，说明样本中有个别数据起伏较大，可能为实验中偶然误差所致，样本总体比较稳定；土壤样品Pb含量的均值为23.0561mg/kg，标准差为3.0822，方差为9.5000，变异系数为0.1337，样品数据不太稳定。
所测得到的800个样品的pH值均大于7.5，因此采用土壤环境质量评价标准二级标准进行评价
由表2和表3在对800个土壤样品的数据统计得出，样品As含量在25mg/kg以下的数据就有800个，全部的样品As含量未超出土壤环境质量评价标准二级标准。
做含量分布图如下
图1土壤样品中As含量的分布
由图1和表3可以看出土壤样品中As含量大部分在8mg/kg到12mg/kg范围内，样品As含量的均值为10.7671mg/kg，标准差为1.9542，方差为3.8187，变异系数为0.1815。
由表2和表3在对800个土壤样品的数据统计得出，样品Hg含量在1mg/kg以下的数据就有796个，绝大部分样品Hg含量未超出土壤环境质量评价标准二级标准，其中超出二级标准的样品有4个。
做含量分布图如下
图2样品中Hg的含量分布
由图2和表3可以看出土壤样品中Hg含量大部分在0.01mg/kg到0.1mg/kg范围内，样品Hg含量的均值为0.0972mg/kg，标准差为0.5328，方差为0.2839，变异系数为5.4838。
由表2和表3在对800个土壤样品的数据统计得出，样品Pb含量在350mg/kg以下的数据就有800个，所有样品Hg含量未超出土壤环境质量评价标准二级标准，。
做含量分布图如下
图3样品中Pb的含量分布
由图3和表3可以看出，土壤样品Pb含量的大部分在15mg/kg和30mg/kg之间，均值为23.0561mg/kg，标准差为3.0822，方差为9.5000，变异系数为0.1337，样品数据不太稳定。
但样品均未超标。
综合以上数据分析可以看到，晋中市盆地地区的土壤中PbHg和As离子的背景绝大多数没有超过土壤环境质量标准值二级标准，表明土壤重金属含量较少，较少受到人类生产活动的影响，土壤环境较好。
3.2土壤重金属含量主成分分析
晋中市盆地区耕地土壤重金属含量主成分分析，计算相关矩阵如下表：
表4晋中市盆地区耕地土壤重金属含量矩阵系数
元素
As
Hg
Pb
As
1
0.0403
0.1785
Hg
0.0403
1
0.2576
Pb
0.1785
0.2576
1
由相关矩阵可以看出，Pb-Hg的相关系数最大，为0.2576，；As-Hg的相关系数最小，为0.0403，总体看来三种金属离子的相关性不是很大,可以推测这三种重金属离子的来源并非是相同的，由于重工业污染物含有多种重金属离子，若土壤受重工业污染物污染，重金属离子一般会表现出一定的相关性，本实验结果从一个侧面证明此地的土壤没有受到重工业污染物的污染，若要究其究竟还需做其他相关方面的研究。
表5总方差分解表
成分
特征值
方差贡献率%
积累的贡献率%
1
1.333
44.437
44.437
2
0.962
32.078
76.515
3
0.705
23.485
100
总方差分析表是根据相关矩阵中的变量As、Hg、Pb，重新定义成3个成分。
由表5看出成分1的特征值为1.333，方差的贡献率为44.437%，累积贡献率为44.437%；成分2的特征值为0.962，方差的贡献率为32.078%，累积贡献率为76.515%；成分3的特征值为0.705，方差的贡献率为23.485%，.成分1的特征值最高超过1，最具有代表性。
我们将上表中的成分数与特征值做成碎石图4所示，从图中我们也可以看出成分1的斜率最大，即方差贡献率最大，成分1的所占的比重最大，且成分1的累积贡献率已达到44.427%，涵盖了大部分土壤重金属离子信息，具有代表性，成分2，成分3，对总方差的贡献较小，为了已尽可能少的指标反映更多的信息，选取成分1作为主成分，代表晋中市盆地区土壤重金属污染指标。
图4土壤重金属离子碎石图
变量As、Hg、Pb在成分1上的载荷得到载荷矩阵如下：
表6载荷矩阵
成分1
As
0.505
Hg
0.673
Pb
0.791
从表中可以看出Pb与成分1的相关性最大，达到了0.791，三种变量与成1的相关性差别并不大，因此我们可以推断晋中市盆地区的As、Hg、Pb三种重金属离子背景水平相差不大，比较之下Pb的背景水平最高，是此地区的特征重金属离子。
3.3土壤重金属污染评价
将样品土壤重金属含量与土壤环境质量标准（表3）比较得到下表
表7晋中市盆地区土壤重金属离子污染状况
As
Hg
Pb
样品均值（mg/Kg）
10.7671
0.0972
23.0561
标准值（二级）
30
0.5
300
Pi
0.3589
0.1944
0.0769
由表7可知，三种重金属离子的Pi全部小于1，属于非污染范围，说明晋中市盆地区土壤并未受到这三种金属离子的其中任何一种的污染。
由单项污染指数计算得到的综合污染指数为PN=0.4158，属于非污染范围。
4.结论与建议
晋中市盆地区As、Hg、Pb，三种重金属离子的背景总体属于非污染水平，样品As含量的均值为10.7671mg/kg，所有样品As含量均达到国家土壤环境质量二级标准；样品Pb含量的均值为23.0561mg/kg，所有样品Pb含量均达到国家土壤
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