环境科学研究  2017, Vol. 30 Issue (10): 1597-1606  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2017.02.81

引用本文  

张慧, 郑志志, 马鑫鹏, 等. 哈尔滨市土壤表层重金属污染特征及来源辨析[J]. 环境科学研究, 2017, 30(10): 1597-1606.
ZHANG Hui, ZHENG Zhizhi, MA Xinpeng, et al. Sources and Pollution Characteristics of Heavy Metals in Surface Soils of Harbin City[J]. Research of Environmental Sciences, 2017, 30(10): 1597-1606.

基金项目

黑龙江省博士后基金项目(LBH-Z12032);国家自然科学基金项目(41402297)

责任作者

作者简介

张慧(1976-), 女, 山东金乡人, 副教授, 博士, 主要从事土地质量和土地利用研究, 2003zhanghui@163.com

文章历史

收稿日期:2016-11-15
修订日期:2017-06-07
哈尔滨市土壤表层重金属污染特征及来源辨析
张慧1 , 郑志志1 , 马鑫鹏1 , 杨欢1 , 章桂芳2 , 路中1 , 乐容潮1     
1. 东北农业大学资源与环境学院, 黑龙江 哈尔滨 150030;
2. 中山大学地球科学与工程学院, 广东 广州 510275
摘要:鉴于确定土壤重金属来源是降低土壤重金属人为输入和控制土壤重金属面源污染扩散的必然要求,以哈尔滨市9个市辖区中4个主要老城区(道里区、道外区、南岗区、香坊区)为研究区,依据标准格网进行土壤样本采集(表层土壤样本307个,深层土壤样本77个),分析土壤中w(As)、w(Hg)、w(Cd)、w(Cr)、w(Cu)、w(Ni)、w(Pb)、w(Zn);并利用主成分分析法、地累积指数法和指示克里格插值法,分别对该区不同成土母质区域表层土壤重金属的污染特征和来源进行分析.结果表明:① 哈尔滨市四区表层土壤中As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn主要来源于成土母质,Hg和Cd受人类活动的影响显著.② 以各类成土母质中重金属含量平均值为评价依据,哈尔滨市表层土壤中Hg、Cd表现出较大范围的重金属污染,依据土壤样本所在格网覆盖范围,污染范围分别占研究区的60%、65%.③ Cu、Pb、Zn污染范围小且污染程度低.研究显示,人口集聚、工业发展、交通发达等因素已经造成研究区表层土壤中Hg、Cd、Cu、Pb、Zn不同程度、不同范围的污染,需要合理有效地处理生活垃圾、控制工业和交通排放,以缓解表层土壤重金属污染.
关键词哈尔滨市    重金属    污染    来源    
Sources and Pollution Characteristics of Heavy Metals in Surface Soils of Harbin City
ZHANG Hui1 , ZHENG Zhizhi1 , MA Xinpeng1 , YANG Huan1 , ZHANG Guifang2 , LU Zhong1 , YUE Rongchao1     
1. College of Resources and Environmental Sciences, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China;
2. School of Earth Science and Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China
Abstract: The source determination of heavy metals in soil is necessary to reduce the anthropogenic input and control the diffusion of heavy metals in soil. Four districts of Harbin City were selected as the study area, and were divided into 4 km-by-4 km grids and 2 km-by-2 km grids, respectively. In total, 77 deep soil samples and 307 surface soil samples for each gird were collected and analyzed for concentrations of As, Hg, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb and Zn. Principal component analysis, geo-accumulation index and Kriging interpolation were used to analyze the pollution characteristics and sources of heavy metals in the surface soils with different parent materials. The results showed that:(1) As, Cr, Cu, Ni, Pb and Zn were mainly derived from the parent material, and Hg and Cd were significantly affected by human activities. (2) Hg and Cd in the surface soils showed a wide area pollution of heavy metals according to the mean values of heavy metals in parent materials, with the pollution area being 60% for Hg and 65% for Cd. (3) The pollution areas of Cu, Zn and Pb were smaller, and the population magnitudes were lower compared to As, Hg, Cd, Cr and Ni. The study suggests that population accumulation, industry and traffic development have resulted in pollution of Hg, Cd, Cu, Pb and Zn with different range and magnitude in the surface soils of the study area. Therefore, reasonable and effective efforts for household garbage industry and traffic emissions should be adopted to alleviate the pollution from heavy metals.
Keywords: Harbin    heavy metals    pollution    sources    

土壤圈是重金属重要储库之一,也是重金属通过食物链人体富集的重要源头[1-2].人体内过量的重金属会导致皮肤、骨骼、神经系统、肝脏、肾脏、肺等多个脏器和组织的疾病或癌症,对人类健康产生重大威胁[3].目前,学者们[4-5]普遍认为,土壤表层重金属含量主要来源于成土母质和人类活动的释放,随着工业化和城镇化进程的加快,人类的生产生活活动导致的土壤重金属污染日益严重.国外学者[6-7]对不同城市进行重金属污染及来源分析,通过分析土壤重金属含量和工业化水平的相关性,得出城市土壤重金属污染比较普遍,Cd、Cu、Pb、Zn等重金属含量和工业化程度、机动车辆等关系密切的结论.国内对城市土壤中重金属来源及污染分析也有不少研究,不同类型的城区重金属污染来源不同,如大庆市主要受采油和石化影响[8],呼和浩特市主要源自交通和生活废物[9],南京市主要来源是交通和工业释放[10],芜湖市主要是工业污染[11].因此,恰当的规范人为活动可以减少重金属的累积及污染,如合理进行工农业活动、减少交通运输等,可以为土壤重金属污染治理提供依据,对改善城市环境质量有所帮助.

国内外学者对于土壤重金属污染判定及来源辨析研究,主要利用单因子指数法、地累积指数法、潜在生态危害指数法等对样本点进行污染判定;利用主成分分析法分析土壤中重金属元素的组合特征,并以此为依据进行重金属污染来源辨析.以上方法能够较好地分析重金属的污染及来源,但在应用中仍存在以下不足:① 自然状态下发育的土壤由于受到成土母质及其他自然成土因素的影响,土壤重金属含量空间分布不均,具有空间异质性.使用土壤背景值进行土壤重金属污染判定[12-14],必然会造成自然状态下土壤重金属高含量区域的重金属污染过度估计. ② 由于不同成土母质中矿物质组成不同,因此对不同成土母质土壤进行主成分分析时,主成分的组成和各主成分的贡献率也有一定的差异.对多种成土母质的土壤进行主成分分析,会不可避免地导致部分土壤重金属来源信息的混淆[15].针对以上问题,该研究以成土母质类型为依据确定土壤重金属来源辨析研究基本单元,以同种成土母质土壤重金属元素的土壤背景值作为评价依据,能够更准确地判定是否存在人类活动造成土壤重金属污染;分别对不同成土母质单元进行土壤重金属主成分分析,更加准确地判断重金属的自然和人为来源;结合以上分析结果,利用指示克里格插值法制作区域重金属污染程度概率分布图.

哈尔滨市作为东北老工业基地之一,工业化程度高,土壤受到了一定的污染.目前,已有不少学者对哈尔滨市土壤重金属进行了研究,如哈尔滨市交通干道两侧的重金属污染受机动车燃料、轮胎、机械中所含微量重金属成分的影响[16],并且污染源的空间差异性导致不同区域重金属含量不同[17].此外,对哈尔滨市农业区土壤的研究发现土壤已受到轻微污染[18].这些研究丰富了人们对于哈尔滨市土壤表层重金属的进一步认识,但由于上述研究中采样点较少且不均匀,而且都以整个松嫩平原土壤环境背景值为依据进行评价分析,得出结果的准确性有待进一步研究.

该研究以哈尔滨市所辖四区(道里区、道外区、南岗区、香坊区)为研究区域,结合深层采样点确定研究区土壤表层中As、Hg、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn八种重金属的的来源以及人为污染程度及污染范围,以期为土壤重金属污染控制及修复提供参考.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

哈尔滨市位于松嫩平原南部(44°04′N~46°40′N、125°42′E~130°10′E),辖9个市辖区,面积1.019 8×104 km2.该市属于中温带大陆性季风气候.地势低平,主要土壤类型以草甸土、草甸黑钙土、黑土为主.成土母质主要有第四纪湖积泥砂质河谷平原、泥砂质波状高平原、黏土质垅岗状高平原.作为我国东北北部的政治、经济、文化中心,哈尔滨市是我国重要的工业基地,传统产业及资源依赖型产业较多,高新技术产业少.该研究选取哈尔滨市4个主要中心城区〔道里区、道外区(除巨源镇和永源镇外)、南岗区、香坊区〕为研究区域.

1.2 数据来源与处理

土壤样本包括表层土壤样本和深层土壤样本.对于表层土壤样本,依据2 km×2 km的标准格网采集格网中心样品,采样深度为0~20 cm,共获得表层土壤样品307个;对于深层土壤样本,依据4 km×4 km的标准格网采集格网中心样品,采样深度为1.8~2.0 m,共采集深层土壤样本77个(见图 1).土壤样本采集依据DD 2005-01《多目标区域地球化学调查规范》,城镇区土壤样本主要采自堆积历史较长的公园、林地、草坪,农用地主要采自远离道路和污染源的非施肥期的耕地.土壤中w(Cu)、w(Zn)、w(Ni)、w(Pb)、w(Cr)采用原子光谱吸收法测定;w(Cd)采用石墨炉原子吸收分光光度法测定;w(Hg)用冷原子吸收光谱法测定;w(As)采用硼氢化钾-硝酸银分光光度法测定[19].通过SPSS 19.0软件对测定结果进行统计;通过扫描黑龙江省第四纪地质图并利用ArcGIS 10.0软件提取研究区对应的地质图件数据.

图 1 研究区和采样点分布 Figure 1 Plot of the study area
1.3 研究方法 1.3.1 主成分分析法

主成分分析法是在损失较少信息的基础上,将多个指标问题变成少数几个新的综合变量,应用在土壤重金属研究中时,可以将土壤重金属元素含量构成综合为几个互不相关的潜在影响因素,而这些潜在的影响因素往往能够反映土壤重金属来源[20],其优势还体现在不需要对元素形态进行细致分析,对数据量没有特别要求,也无需与历史数据对比,即可判断出哪些土壤元素含量受到人为因素的明显影响,所以该方法在重金属来源分析得到广泛应用.因此,该研究利用主成分分析法对研究区土壤表层八种重金属含量作为指标进行降维,来分析重金属的主要来源.为了研究的精确性,对不同成土母质下的表层重金属采样点分别进行主成分分析,可以有效防止土壤自然因素对结果判断造成的影响.

1.3.2 地累积指数法

地累积指数通常称Muller指数,起初被广泛用于定量研究水环境沉积物中重金属污染程度,近年来被广泛应用于土壤重金属污染评价[21],其表达式为

${I_{{\rm{geo}}}} = {\log _2}\left[ {{C_n}/\left( {k \times {B_n}} \right)} \right]$

式中:Igeo为地累积指数;Cn为样品中n元素含量的实测值,mg/kg;Bnn元素含量的化学背景值,mg/kg;k为修正指数,一般取1.5.

由于深层土壤受人为干扰较小,深层重金属含量特征主要受成土因素的影响,以不同成土母质区域深层土壤重金属含量(符合正态分布)的算术平均值分别作为土壤环境背景值,分析不同成土母质区域表层重金属的污染程度.

1.3.3 指示克里格法

指示克里格方法是空间统计分析方法之一,属于非线性、非参数克里格插值方法,它是将对区域化变量的研究转化为对其指示函数的研究,可以用来估计超出规定阈值的概率.与参数插值方法相比,指示克里格法不需要剔除特异值或是对数据进行非线性转换,能够较真实地反映数据的空间变异特征.目前指示克里格方法在各研究领域得到了广泛应用,在土壤重金属研究中也逐渐盛行,并且指示克里格法的预测精度超过普通克里格法[22].该研究中,利用GS+7.0软件,实现土壤中重金属变异函数模型的计算和选取,利用ArcGIS 10.0软件进行指示克里格空间插值分析,以此得到土壤重金属污染程度概率的空间分布结果.

2 结果与讨论 2.1 表层土壤重金属含量特征

表层土壤重金属的含量主要受成土母质中重金属含量及人为干扰活动影响,该研究中深层土壤样本中重金属含量在一定程度上反映了成土母质中重金属含量特征,因此表层和深层土壤重金属含量存在一定的差异,该差异主要反映了人类活动对土壤重金属含量的影响.该研究分别对表层和深层土壤样本中w(As)、w(Hg)、w(Cd)、w(Cr)、w(Cu)、w(Ni)、w(Pb)、w(Zn)进行描述性统计分析及差异对比(见表 1).

表 1 研究区表层土壤重金属描述性分析结果 Table 1 Descriptive statistics of the heavy metals in surface soils from the study area

以中国土壤背景值[23]为标准,哈尔滨市4个主要老城区土壤中w(As)、w(Cr)、w(Cu)、w(Ni)、w(Pb)、w(Zn)相对较低,在全国范围内属于相对清洁区域,w(Hg)、w(Cd)相对较高.与深层土壤相比,表层土壤中w(As)较低,w(Cr)、w(Cu)、w(Ni)、w(Pb)、w(Zn)略高(分别是深层土壤相应重金属含量的1.08、1.14、1.18、1.03、1.17倍),w(Hg)和w(Cd)明显较高(分别是深层土壤相应重金属含量中的3.16、2.13倍).变异系数是标准差与平均值之比,反映总体样本中重金属含量平均变异程度.表层土壤中八种重金属的变异系数大小顺序依次为Hg>Cd>Pb>Cu>Zn>As>Ni>Cr,其中As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn六种元素变异系数均小于0.35,Hg和Cd变异系数较大,分别为1.557和0.706,说明这两种元素含量值变化较大,可能是受人类干扰影响大.从偏度和峰度来看,As、Cr、Ni三种元素的变异系数都接近于0,近似正态分布,说明其含量主要受成土母质的影响.

2.2 表层重金属的来源分析 2.2.1 不同成土母质中表层和深层土壤重金属含量对比分析

成土母质是表层土壤主要的物质基础,不同地质地貌类型的成土母质中重金属元素的含量差异会直接影响表层土壤重金属含量.第四纪是距今最近的地质年代,该时期的成土过程对表层土壤重金属影响最为显著.该研究通过对比分析第四纪地质地貌各类型区表层和深层土壤重金属平均含量差异,以期为表层土壤重金属来源分析提供依据.

研究区表层土壤重金属平均含量与成土母质中平均含量存在一定差异(见图 2).表层土壤中Hg和Cd在四种成土母质中均表现为显著富集. Hg和Cd元素在4种成土母质的表层土壤中富集程度有较大差别,表层土壤中w(Hg)平均值从大到小依次为未知类型>泥砂质波状高平原>黏土质垅岗状高平原>泥砂质河谷平原,w(Cd)平均值从大到小依次为泥砂质河谷平原>黏土质垅岗状高平原>泥砂质波状高平原>未知类型. Cr、Cu、Pb、Zn等四种元素在不同的成土母质类型中表现出不同程度的轻微富集,其中Cu、Pb、Zn在未知类型区域表层土壤中富集明显. w(As)、w(Ni)平均值在不同成土母质的表层土壤中表现出不同程度的降低,Ni在泥砂质河谷平原区域的表层土壤中有一定程度的富集.

成土母质类型: A—泥砂质河谷平原; B—泥砂质波状高平原; C—黏土质垅岗状高平原; D—未知类型. 图 2 不同成土母质中表层和深层土壤中重金属含量对比 Figure 2 Comparison of average contents of Surface and deep heavy metals in different parent materials
2.2.2 不同成土地质地貌类型区域表层重金属主成分分析

采用KMO法[24]和Bartlett法[25]对原始数据集进行适宜性检验,结果显示各统计量均达到要求,因此认为适合对原始数据进行主成分分析.

对泥砂质河谷平原区域土壤表层八种重金属进行主成分分析(见图 3),共提取两个主成分,累积方差贡献率达81.418%,反映出绝大部分的信息.主成分1中As、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn等六种元素的因子载荷接近,并且数值较大,主要反映出表层土壤重金属的成土母质来源.主成分2中Hg和Cd元素为主要因子,并且在主成分1中也有较大的载荷,说明该区域Hg和Cd元素不仅受到成土母质的影响,还受到人为干扰.表层土壤中w(Hg)和w(Cd)高值区主要位于阿什河沿岸以及与松花江交汇处,处于哈尔滨市生活垃圾填埋场下游,该区域表层土壤中的Hg和Cd元素富集可能与生活垃圾有关,这与李瑛[26]的研究结论一致;此外,道外区和香坊区表层土壤w(Hg)和w(Cd)高值区主要分布在城郊耕地,用地类型为耕地,主要利用温室大棚种植蔬菜花卉和玉米,已有研究表明农膜、化肥农药使用会产生土壤Cd污染[27],因此该区域表层土壤Cd富集的主要原因可能是地膜的大量使用,同时该区域还接近哈同高速,相关研究[28]表明交通也可能带来土壤Cd污染.

图 3 泥砂质河谷平原区域表层土壤重金属主成分分析 Figure 3 Principal component analysis of heavy metal in the surface soil of the sandy valley plain

对泥砂质波状高平原区域土壤表层八种重金属进行主成分分析(见图 4).共提取了3个主成分,累积方差贡献率达72. 731%,反映出绝大部分的信息.主成分1中载荷较大的是Hg、Cu、Pb、Zn元素,主要反映出人为干扰导致的土壤重金属元素含量的变化.该区域中Hg元素污染严重的地区主要受铁路、公路和香坊工业园区的影响,工业区内的冶金、电镀等工厂废物排放可能对w(Cu)有影响,同时亚麻厂、纺织厂、印染厂等小工厂分布相对集中,可能带来w(Pb)、w(Zn)的增加[28-31]. Cd、Cr、Ni在主成分1和主成分2中载荷因子较大且相近,主要反映了人为干扰和成土母质共同作用,而香坊工业园区和榆树镇中的新榆工业园区可能是导致重金属含量变化的主要人为干扰因素.主成分3中仅As因子载荷大,主要体现为表层土壤中w(As)的流失[32].

图 4 泥砂质波状高平原区域表层土壤重金属主成分分析 Figure 4 Principal component analysis of heavy metal in the surface soil of mud and sandy wavy high plain

对黏土质垅岗状高平原区域土壤表层八种重金属进行主成分分析(见图 5).共提取了两个主成分,累积方差贡献率达77.622%,反映出绝大部分的信息.主成分1中载荷较大的是As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn元素,主要反映出表层土壤重金属的成土母质来源;主成分2中较大载荷仅有Hg,主要反映人为干扰导致的土壤重金属元素含量的变化,该区域w(Hg)较高的区域以水田和水浇地为主,可能和土地类型相关[33]. Cd元素在主成分1和主成分2中的因子载荷相近,说明该元素可能受到成土母质和人为干扰的共同作用,人为干扰主要是对农田施用农药和磷肥等.

图 5 黏土质垅岗状高平原区域表层土壤重金属主成分分析 Figure 5 Principal component analysis of heavy metal in the surface soil of clay gryada shaped high plain

对未知类型区域表层土壤八种重金属元素进行主成分分析(见图 6),提取两个主成分,两个主成分的方差贡献率分别是44.531%、26.167%,累计方差贡献率为70.698%.主成分1中载荷较大的是Hg、Cd、Cu、Pb、Zn元素,主要反映人为干扰导致的土壤重金属元素含量的变化,该区域交通密集,认为w(Pb)主要来源是含铅汽油和柴油燃烧后排放的尾气沉淀[34]w(Hg)主要与市政工程以及哈尔滨市冰雪节中所使用的荧光灯有关,据了解哈尔滨市冰雪节中所使用的每只荧光灯内含有约20~45 mg的Hg[35],冰灯拆除后将引起较高的沉降量;w(Cd)、w(Cu)、w(Zn)增加可能与这段区间当时市政工程有关[36].主成分2中As、Cr、Ni有较大的载荷,主要反映出表层土壤重金属的成土母质来源.

图 6 未知类型区域表层土壤重金属主成分分析 Figure 6 Principal component analysis of heavy metal in surface soil of unknown type
2.3 表层土壤重金属污染评价 2.3.1 不同地质类型区表层土壤重金属污染评价标准

不同地质类型的成土母质中土壤重金属含量表现出一定的规律性.成土母质中w(Cr)、w(Ni)和w(Zn)的平均值依次递减,表现为泥砂质波状高平原>黏土质垅岗状高平原>未知类型>泥砂质河谷平原;w(As)、w(Cu)和w(Pb)在四种成土母质中差异较小,但在泥砂质河谷平原区域出现最小值;成土母质中泥砂质波状高平原和黏土质垅岗状高平原区域的w(Hg)低于未知类型和泥砂质河谷平原区域;不同成土母质中w(Cd)有较明显的差异,表现为黏土质垅岗状高平原>未知类型>泥砂质河谷平原>泥砂质波状高平原.

为了准确地判定研究区表层土壤重金属是否存在环境污染,该研究中取1.8~2.0 m深度的土壤作为成土母质土壤重金属含量测定样本,分别对研究区四种不同地质地貌类型的成土母质中重金属含量进行统计,并以深层土壤样本中重金属元素的算数平均数作为表层土壤重金属污染的评价标准(见表 2).

表 2 深层土壤重金属含量平均值 Table 2 Average concentration of soil heavy metal in deep soil
2.3.2 地累积指数法污染评价

地累积指数不仅反映重金属分布的自然变化特征,还可以判别人为活动对环境的影响,是区分人为活动影响的重要参数.由于东北地区重金属污染与其他地区相比较低,因此把原来地累积指数的7个级别中后3个级别归为一类,改成5个级别(见表 3).

表 3 不同成土母质下表层重金属地累积指数 Table 3 The Geo-accumulation index of the surface heavy metals in different parent materials

采用地累积指数法对土壤重金属污染程度进行分析,结果如表 3所示,研究区内307个采样点中,w(As)和w(Ni)的超标采样点仅有1个,所有采样点中w(Cr)无超标,均处于无污染阶段,说明表层土壤中这三种重金属对哈尔滨四区土壤污染贡献极小;w(Cu)和w(Zn)的超标采样点分别有29和19个,污染程度均处于无污染—中污染阶段,在泥砂质河谷平原、泥砂质波状高平原、未知类型所在区域都有超标采样点,按照每个样本所在格网面积2 km×2 km计算,其中w(Cu)在未知类型区域超标的采样点占该区域采样点总数的22%,受到人为干扰较大;w(Pb)的超标采样点有31个,其中2个采样点污染程度处于中污染阶段,其他均处于无污染—中污染阶段,在不同成土母质中都有分布,特别在未知类型区域超标采样点数较多.总体而言,Cu、Zn以及Pb元素受污染较小,但是城市中心区受人为干扰较大.

w(Hg)超标采样点有184个,占土壤样品所在格网覆盖研究区总面积60%,在不同成土母质中和不同污染阶段都有分布,其中污染程度为无污染—中污染阶段采样点较多,占超标采样点的60%,在成土母质为泥砂质河谷平原所在区域采样点相对较低;w(Cd)的超标采样点有200个,其中65%的采样点处于无污染—中污染阶段,在不同成土母质中分布较为均匀.总体而言,Hg和Cd元素受人为干扰较大,污染范围广,污染程度较严重.

2.3.3 土壤表层重金属污染程度概率的空间分布特征

As、Cr、Ni三种元素在不同成土母质区域均未呈现土壤污染;利用单元指示克里格方法分别对不同成土母质区域中Hg、Cd、Cu、Pb、Zn五种元素污染程度概率进行分析,然后对同种重金属的不同区域的污染概率结果进行合并处理,相关计算过程在ArcGIS 10.0中进行,其中变异函数模型的计算在GS+7.0软件中进行.以Igeo=0和Igeo=1对应的重金属含量作为指示克里格阈值(见表 4),其中Igeo=0时代表临界污染界限,Igeo=1代表中污染界限.

表 4 土壤重金属含量指示克里格阈值 Table 4 Threshold value of heavy metal concentration in soil

五种重金属的临界污染概率分布如图 7所示,Cu、Pb、Zn的整体污染程度较低,其中Cu临界污染概率最大值为0.7,高值区主要分布在阿什河和松花江的交汇处周围,说明该区域有受到污染的趋势,需引起重视;Pb的整体污染程度较低,临界污染概率最大值达到1,高值区占区域较小,但已经达到无污染—中污染阶段,哈站、宣化街、宽城街、教化街、文昌街周边的区域临界污染程度概率范围为0.50~0.75,因此交通工具对w(Pb)的影响需要得到相应控制;Zn元素的临界污染概率最大值达到0.89,高值区所占区域较小,主要集中在道外区的民富镇,该区域的水泥厂可能对w(Zn)增加有一定的影响;Hg和Cd的整体污染程度较高,其中Hg的临界污染概率最大值为1,高值区分布广泛,主要集中在南岗区、道外区、香坊区,说明这3个区土壤都受到了Hg的污染,而道里区临界污染概率较低,土壤相对清洁;Cd的临界污染概率最大值为1,高值区主要分布在机场高速沿线周边,香坊区的大部分区域,以及道外区的民主镇和团结镇,说明这些区域土壤都受到Cd的污染.

图 7 临界污染概率分布结果 Figure 7 Probability distribution of critical pollution

对于整体污染程度较高的重金属(见图 8),如Hg和Cd元素,提高阈值到Igeo=1对应两种元素的含量再次进行插值,Hg元素中污染概率最大值达到0.97,高值区主要分布在中央大街周边、以及香坊工业园区和榆树镇中的新榆工业园区等,污染程度达到中污染阶段,这些区域受工业、交通的影响较大;Cd元素中污染概率最大值达到1,分布范围相对较小,高值区主要分布在道外区民主镇,污染最为严重,这部分区域主要以农田为主,说明农业生活、化肥农药等影响着土壤重金属含量.

图 8 中污染概率分布结果 Figure 8 Probability distribution of medium pollution
3 结论

a) 哈尔滨市4个主要老城区表层土壤中As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn主要来源于成土母质,Hg和Cd受到显著人类活动影响.对不同成土母质区域表层和深层土壤重金属含量对比分析和主成分分析的结果表明,成土母质作为表层土壤的重要物质来源对表层土壤重金属(As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn)含量有显著影响,而Hg和Cd则受到人类活动影响较大,其中Hg主要受工业、交通、生活垃圾及大气沉降的影响,Cd主要受农业和生活垃圾的影响.

b) 表层土壤中As、Cr、Ni元素无污染现象,Cu、Pb、Zn表现为局部区域的无污染—中污染阶段;Hg、Cd表现出较为广泛的重金属污染,依据土壤样本所在格网覆盖范围,二者污染面积分别占研究区总面积的60%、65%,其中无污染—中污染面积分别占35.8%、51.8%,中污染面积分别占13.0%、10.7%,中污染—重污染面积分别占6.0%、2.2%,重污染以上面积分别占5.2%、0.3%.

c) 土壤受到Cu、Pb、Zn的污染范围小,污染程度低;而Hg和Cd的污染分布较广,Hg污染程度高的区域主要分布在中央大街周边、香坊工业园区和榆树镇中的新榆工业园区;Cd元素中污染程度高的区域主要分布在道外区的民主镇.

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