基于PMF模型的山区农用地土壤重金属来源分析.pdf
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1、引用本文格式张云逸,蒙丽,邓海,等基于 PMF 模型的山区农用地土壤重金属来源分析 J农业工程,2023,13(6):74-82 DOI:10.19998/ki.2095-1795.2023.06.013 ZHANG Yunyi,MENG Li,DENG Hai,et alSource analysis of soil heavy metals in agricultural land in mountainous areasbased on PMF modelJAgricultural Engineering,2023,13(6):74-82基于 PMF 模型的山区农用地土壤重金属来源分析张
2、云逸1,2,蒙丽3,4,邓海1,2,王锐1,2,余飞1,2,王佳彬1,2(1.重庆市地质矿产勘查开发局川东南地质大队,重庆 400038;2.重庆市土地质量地质调查重点实验室,重庆 400038;3.重庆地质矿产研究院,重庆 401120;4.重庆大学环境与生态学院,重庆 400044)摘要:为了解山区农用地土壤重金属的污染情况及查明 8 种重金属的污染来源,在研究区内采集土壤表层(020 cm)样品 1 311 个,分析化验了 pH 值、砷(As)、镉(Cd)、铬(Cr)、铜(Cu)、汞(Hg)、镍(Ni)、铅(Pb)和锌(Zn)指标。采用了内梅罗综合指数法、地统计学法、相关分析、单因素方差
3、分析及正定矩阵(PMF)模型等方法,研究山区农用地土壤重金属污染特征及可能的污染来源。结果表明,研究区土壤中 8 种重金属含量均明显高于重庆市土壤背景值;除局部区域呈现重度污染之外,研究区土壤整体上呈清洁或轻度污染,主要污染元素为 Cd;PMF 模型结果显示,研究区土壤重金属污染来源主要有 3 类,分别为自然母质源(Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn)、采矿活动源(As、Cr、Hg、Pb、Zn)和农业活动源(As、Cd、Cr、Hg)。关键词:农用地;重金属;PMF 模型;污染来源;内梅罗综合指数法中图分类号:X53文献标识码:A文章编号:2095-1795(2023)06-0074-09DOI
4、:10.19998/ki.2095-1795.2023.06.013Source Analysis of Soil Heavy Metals in Agricultural Land inMountainous Areas Based on PMF ModelZHANG Yunyi1,2,MENG Li3,4,DENG Hai1,2,WANG Rui1,2,YU Fei1,2,WANG Jiabin1,2(1Southeast Sichuan Geological Group,Chongqing Bureau of Geology and Minerals Exploration,Chongq
5、ing 450001,China;2Chongqing Key Laboratory of Land Quality Geological Survey,Chongqing 450001,China;3Chongqing Institute of Geology andMineral Resources,Chongqing 401120,China;4College of Environment and Ecology,Chongqing University,Chongqing 400044,China)Abstract:In order to understand pollution of
6、 soil heavy metals in agricultural land in mountainous areas and identify pollution sources ofeight kinds of heavy metals,1 311 samples of soil surface(0-20 cm)were collected in the study area,and pH,As,Cd,Cr,Cu,Hg,Ni,Pb,Zn were tested and analyzedNemerow comprehensive index method,geostatistics met
7、hod,correlation analysis,one-way analysis of variance and positive definite matrix(PMF)model were used to study characteristics and possible pollution sources ofheavy metal pollution in agricultural land in mountainous areasResults showed that contents of eight heavy metals in the soil of studyarea
8、were significantly higher than background value of soil in ChongqingExcept for heavy pollution in some areas,soil in the studyarea was generally clean or slightly polluted,and main polluting element was CdPMF model results showed that there were three mainsources of soil heavy metal pollution in the
9、 study area,namely natural parent material source(Cd,Cr,Cu,Ni,Pb,Zn),miningactivity source(As,Cr,Hg,Pb,Zn),source of agricultural activities(As,Cd,Cr,Hg)Keywords:agricultural land,heavy metals,PMF model,pollution source,Nemerow comprehensive index method 收稿日期:2022-12-21修回日期:2023-04-11基金项目:重庆市规划和自然资源
10、局 2022 年度第一批地质矿产勘查类项目(渝规资 202261-9-2)作者简介:张云逸,硕士生,工程师,主要从事耕地安全利用、土壤污染防治相关研究E-mail:王佳彬,通信作者,工程师,主要从事土地质量调查相关研究E-mail:第 13 卷 第 6 期农业工程Vol.13No.62023 年 6 月AGRICULTURAL ENGINEERINGJun.20230引言土壤是人类社会发展中最为重要的自然资源,随着工业、农业等的发展,土壤重金属污染问题日趋严重1-7。近年来,许多研究人员对农用地重金属污染特征及来源的研究表明,农用地土壤重金属主要来源是工业生产、交通运输、农业活动和矿业活动等8
11、-19。重金属普遍具有隐蔽性强、潜伏期长和迁移性差等特点,极易通过食物链而生物富集,对人类健康构成威胁20-23。准确识别土壤中重金属的来源,对于有效治理土壤重金属污染问题至关重要24-25。传统的污染成因分析方法相关性分析、主成分分析等在重金属来源分析中应用广泛,研究表明上述研究方法由于未结合定量分析方法会存在一定的局限性26。正定矩阵模型(PMF)最早被应用于大气颗粒物的源解析,相较于其他分析模型,它能够较为准确地识别污染源,并在运行过程中能得出元素在每个污染源上的贡献率,能够定量化源解析结果27。PMF 模型因其具有对源谱信息依赖程度较低、能够解析低贡献源的优势,近年来被广泛应用于土壤重
12、金属的来源分析28-31。本研究以重庆市东南部山区农用地重金属污染典型区域为研究对象,通过研究土壤中 8 种重金属空间分布、污染程度及污染来源,旨在揭示研究区土壤重金属污染现状,为山区农用地土壤重金属治理和修复提供科学依据。1材料与方法 1.1研究区概况研究区位于重庆市东南部,地处四川盆地东南边缘,山脉河流走向近似平行,由东北向西南倾斜,呈“六岭五槽”地貌。山地占全区幅员面积的 90,东南部山脉条状明显,切割深;西北部以低山和浅切割中山为主,无明显条状带。研究区地处亚热带,受山地地形和季风的影响,形成具有山区变化特征的典型亚热带湿润性季风气候和典型的山区气候,表现为四季分明、无霜期长、降水多、
13、季节分配不均、垂直变化明显和局部小气候。多年平均气温 15.4 C、年均降水量 1 300 mm、年均日照 1 340 h 及无霜期 223309 d。区域内地层分布主要有三叠系、二叠系、泥盆系、志留系、奥陶系和寒武系等。1.2样品采集与测定在研究区范围内共采集表层(020 cm)土壤样品 1 311 个,如图 1 所示。采样过程严格执行 HJ/T1662004土壤环境监测技术规范。土壤样品在自然条件下充分阴干,在样品晾干过程中多次揉搓以免结团,并去除其中的碎石和草根等杂质。样品粗加工后过筛,分装成 500 g 玻璃瓶,并送国土资源部重庆矿产资源监督检测中心分析化验。此次共分析化验了砷(As)
14、、镉(Cd)、铬(Cr)、铜(Cu)、汞(Hg)、镍(Ni)、铅(Pb)、锌(Zn)和 pH 值 9 项指标,测试分析方法如表 1 所示。表 1分析测试方法Tab.1 Analysis and test methods指标测定方法检出限As/(mgkg1)原子荧光光谱法0.5Cd/(mgkg1)等离子体质谱法0.03Cr/(mgkg1)X 射线荧光光谱法5Cu/(mgkg1)X 射线荧光光谱法1Hg/(mgkg1)原子荧光光谱法0.000 5Ni/(mgkg1)等离子体光量计法2Pb/(mgkg1)X 射线荧光光谱法2Zn/(mgkg1)X 射线荧光光谱法4pH 值pH 计法0.01 1.3内
15、梅罗指数法内梅罗指数法是一种常见的用来评价土壤污染程度的方法,区别于单因子污染指数法,其是一种能够兼顾极值的计权型多因子环境质量指数法32。Pi=CiCn(1)式中Pi重金属 i 污染指数Ci重金属 i 测试含量 图 1采样点分布Fig.1 Samples distribution 张云逸等:基于 PMF 模型的山区农用地土壤重金属来源分析 75 Cn重金属 i 评价标准本次采用 GB 156182018土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行),内梅罗指数分级标准如表 2 所示。表 2内梅罗指数分级标准Tab.2 Grading standard of Nemerow index污染等级
16、污染指数含义1 级P0.7无污染2 级0.7P1.0尚未污染(警戒线)3 级1.0P2.0轻度污染4 级2.03.0重度污染 P=P2i,ave+P2i,max2(2)式中P内梅罗指数Pi,ave所有重金属污染指数的平均值Pi,max所有重金属污染指数中的最大值 1.4正定矩阵分析法(PMF)正定矩阵分析模型(PMF)是由 Paatero 在 1994 年提出,其原理是基于最小二乘法进行迭代运算,解决物质所测的化学浓度与来源之间的质量平衡27。PMF模型常被用来研究大气、水体等介质的污染物源分析,近年来被运用于土壤重金属污染源分析29-32。采用 PMF5.0 对重金属进行来源分析。Xij=p
17、k=1gikfkj+eij(3)式中Xij样本 i 中第 j 个重金属浓度gik样本 i 中第 k 个污染源贡献率fkj污染源 k 对第 j 个重金属浓度的特征值eij由目标函数 Q 的最小值计算Q=ni=1mj=1(eijuij)2(4)式中uij样本 i 中第 j 个重金属的不确定度 1.5数据处理分析数据统计分析、图表制作均采用 Excel2017;相关性分析、单因素方差分析(ANVOA)在 SPASS25.0 中分析;8 种重金属含量和内梅罗评价结果在 ARCGIS10.5中采用反距离权重方法进行插值;并采用 EPA PMF5.0进行土壤重金属解析。2结果与讨论 2.1统计分析研究区土
18、壤 pH 值及重金属含量描述性统计情况如表 3 所示,土壤 pH 值范围 4.168.38,平均值为 5.86。土壤中 As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 的平均值分 别为 14.86、0.64、91.75、30.28、0.14、37.30、38.29 和 92.55 mg/kg,对比重庆市土壤背景值来看,均明显大于土壤背景值,由此可见,区域内土壤中重金属含量明显受到成土母质的影响,属于典型的高地质背景区。从变异系数来看,土壤 pH 值、Cr、Cu、Ni、Pb 和 Zn 属于弱变异(变异系数40%),As、Cd 属于中等程度变异(40%变异系数 As(泥盆系、奥陶系)As(志留系)
19、。就 Cd 而言,发育于二叠系和泥盆系的土壤中含量最高,发育于志留系和奥陶系的土壤中含量最低。就 Cr 而言,发育于较年轻地层的土壤中 Cr 含量明显高于较老地层,发育于二叠系的土壤中 Cr 含量达到了最高值。发育于志留系的土壤中 Cu 达到了最大值,平均含量为 32.37 mg/kg,而发育于 寒 武 系 的 土 壤中 Cu 含 量 最 低,平 均 含 量 为22.85 mg/kg。Hg 受地层影响不明显,发育于寒武系的土壤中 Hg 含量相对较高,达到了 0.39 mg/kg。Ni 在不同地层中的大小顺序为 Ni(志留系)Ni(泥盆系)Ni(寒武系),而发育于三叠系、二叠系、奥陶系的土壤中
20、Ni 的含量与发育于泥盆系、志留系的土壤未达到显著的差异性。发育于寒武系的土壤中 Pb 含量最高,而发育于泥盆系、志留系的土壤中 Pb 含量最低。发育于 志 留 系 的 土 壤中 Zn 元 素 的 含 量 最 高,达 到 图 3内梅罗综合指数分布Fig.3 Distribution of Nemerow composite index 表 4相关性分析Tab.4 Correlation analysis项目AsCdCrCuHgNiPbZnpH 值As1Cd0.209*1Cr0.278*0.528*1Cu0.0160.182*0.317*1Hg0.280*0.124*0.071*0.0131Ni
21、0.067*0.357*0.459*0.607*0.0071Pb0.337*0.0300.065*0.116*0.556*0.0221Zn0.0150.151*0.152*0.437*0.281*0.465*0.389*1pH 值0.090*0.069*0.0360.061*0.071*0.060*0.073*0.107*1注:*在 0.01 级别(双尾),相关性显著;*在 0.05 级别(双尾),相关性显著。表 5单因素方差分析Tab.5 One-way ANOVA元素三叠系二叠系泥盆系志留系奥陶系寒武系As17.364.83a16.764.16a13.653.61b8.714.57c14.
22、529.79b17.906.49aCd0.660.47b0.970.76a1.141.58a0.430.53c0.400.30c0.520.28bcCr96.9420.87a101.9325.14a96.9719.06a85.2814b79.9211.85b72.4111.26cCu31.611.07a30.2612.65ab24.488.65cd32.379.59a27.656.67bc22.854.87 dHg0.140.08bc0.170.04b0.170.05b0.080.07c0.130.24bc0.390.92aNi36.8311.93ab37.4719.32ab34.6410.4
23、3b39.728.94a36.989.90ab29.987.20cPb39.929.47b36.97.32bc33.734.72c35.256.51c39.8212.38b45.1946.65aZn90.6317.79bc88.3326.55bc83.3517.68c100.6216.99a93.1418.92b92.0853.26b 78 农业工程土地资源管理 100.62 mg/kg,发育于奥陶系、寒武系的土壤中 Zn 元素的含量次之,分别为 93.14、92.08 mg/kg,发育于泥盆系的土壤中 Zn 元素的含量最低,仅为 83.35 mg/kg。2.3.3PMF 模型分析采用 PMF
24、 模型对农用地土壤重金属进行来源解析。分别将元素浓度和不确定度导入 EPA PMF 软件,8 种重金属元素的信噪比(S/N)均2,默认为“strong”。PMF 模型经过多次调试运行因子的数量和元素的“strong”“weak”,最终结果在运行因子的数量为3 时,Q 值最接近理论值,Q 值与理论 Q 值的差值10%。研究发现,异常值对源解析结果地贡献率存在一定的影响,剔除异常值能够使源解析结果更合理地反映当地的污染源情况,因此,在利用 PMF 模型进行源解析时,剔除了异常值33。PMF 模型来源解析结果如图 5 所示。Cd、Cr、Cu、Ni、Pb 和 Zn 在因子 1 上有较高的贡献率,分别为
25、15.56%、49.99%、72.62%、72.37%、46.04%和70.84%;从空间分布情况来看,Cd、Cr、Cu、Ni、Pb 和 Zn 分布较为均匀,并且具有一定的地域分布特征。相关性分析的结果表明,Cd、Cr、Cu、Ni 和 Zn 均达到了显著的相关性,同时结合单因素方差分析的结果来看,在不同成土母质中,各元素的含量存在显著性差异,如二叠系、泥盆系发育的土壤中 Cd、Cr 的含量较高。由此可见,上述 6 种重金属受地层控制明显。因此,因子 1 可以解释为自然母质源。As、Cr、Hg、Pb 和 Zn 在因子 2 上有较高的贡献率,分 别为 83.11%、38.57%、74.46%、53
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