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随着我国工业化的发展,城市土壤重金属污染问题日益严重,影响到植物的生长和人类健康,工业企业的生产活动是城市土壤重金属主要来源之一,因此在工业企业尺度上研究土壤重金属空间分布规律,分析其污染状况,进而提出污染治理和风险管控策略,可提高土壤环境的管理水平,对实现土壤资源可持续利用具有重要意义。由于土壤自身的性质,污染物在土壤中积累的同时会不断向周围和地下扩散,所以了解污染物在土壤三维空间内的分布状况也十分重要。为揭示企业在生产过程中对土壤环境质量的影响,本文以某合金制造企业场地为研究区,根据企业生产原材料与生产工艺分析,选择特征污染物土壤重金属Co、Cu、Pb、Zn、Ni为研究对象,采用地统计学方法对土壤重金属的二维和三维空间变异结构与分布规律进行分析,并对重金属污染状况进行污染评价,得到主要结论如下:1、研究区内土壤重金属含量统计结果表明,三层土壤重金属含量的各项统计特征和变异系数存在明显差异,第一层土壤中重金属Co、Cu、Pb、Zn呈正态分布Ni经Box-Cox变换后呈正态分布,变异程度由大到小依次为Ni、Cu、Zn、Pb、Co。第二层土壤中Cu含量呈正态分布,Co、Pb、Zn、Ni经Box-Cox变换后呈正态分布,土壤重金属含量变异程度由大到小依次为Pb、Ni、Cu、Zn、Co。第三层土壤Co、Cu、Pb、Ni含量呈正态分布,Zn经Box-Cox变换后呈正态分布,变异程度由大到小依次为Zn、Cu、Ni、Pb、Co。从垂直方向土壤重金属含量的变化来看,随着深度的增加,土壤重金属含量呈降低趋势。2、土壤重金属二维空间结构表明,土壤重金属Co在第一层土壤有较强空间相关性,空间变异由随机变异和结构变异共同作用,在第二层和第三层土壤中空间相关性强烈,表明企业生产活动对重金属Co空间分异的影响主要集中在第一层,空间分异的影响因素来自企业的生产活动和土壤自身属性,根据企业的生产格局和工艺流程,企业堆焊车间主要从事钴基合金的堆焊加工,在生产加工过程中,重金属Co进入到表层土壤并对土壤环境造成一定程度的影响。土壤重金属Cu的空间分异也是由企业生产活动等人为因素引起的,第二层土壤Cu的空间分异则受到随机因素和结构因素的共同影响,第三层土壤空间自相关性强烈,主要受结构性因素的影响。土壤重金属Pb在第一层土壤空间变异由随机变异和结构变异共同作用,空间相关性较强,第二层和第三层土壤空间变异结构性因素占主导,空间自相关性强烈,人为活动对重金属Pb空间分异的影响主要集中在表层。土壤重金属Zn在三层土壤中受人为干扰较小,其空间变异主要由土壤自身性质决定。土壤重金属Ni空间自相关性在第一层土壤内较弱,第三层土壤空间自相关性强烈,人为活动对重金属Ni空间分异的影响主要集中在表层土壤。该企业主要从事特种合金的堆焊加工以及钴基、镍基高合金精密铸件、锻件材料生产,Ni元素在第一层土壤中随机变异跟企业生产活动有关。废金属堆场里存在铜、铅合金制品,是土壤Cu、Pb随机变异的主要原因。3、三层土壤重金属含量的空间分布结果表明。第一层土壤中,重金属Co含量呈条带状分布,高值区位于研究区北部偏西位置。土壤重金属Cu、Pb、Ni元素高值区在研究区分布位置较为一致,位于研究区中部偏北区域,呈“岛”状分布,三种重金属来源可能是企业的生产活动,土壤Ni含量超土壤背景值区域位置集中,且浓度较高。土壤重金属Zn高值区位于研究区中部偏西南位置,呈“岛”状分布。第二层土壤重金属Co、Cu、Pb、Zn、Ni浓度都低于上海市土壤背景值,土壤重金属Co、Cu、Ni含量呈条带状分布,分布相对均匀,土壤重金属Pb、Zn含量呈岛状分布,土壤重金属Pb高值区位于研究区中部偏北位置,土壤重金属Zn高值区位于研究区中部偏西南位置。第三层土壤重金属Co、Cu、Pb、Zn、Ni含量都相对较低,分布较为均匀,整体上呈现低值区面积分布较广,局部区域含量相对高于周边区域,但远低于上海市土壤背景值。从三层土壤重金属含量的整体分布位置与变化趋势看,随着深度的增加,土壤重金属浓度均不断减小,土壤重金属富集于表层土壤,并通过各种污染途径迁移、扩散、下渗。4、土壤重金属三维空间结构分析结果表明,主轴(南-北)方向土壤重金属Cu、Pb、Ni的变异函数符合球状模型,土壤重金属Co、Zn符合高斯模型,土壤重金属Cu、Pb、Zn具有较强的空间自相关性,空间变异由随机变异和结构变异共同作用,土壤重金属Co、Ni空间自相关性强烈,空间变异以结构变异为主;次轴(东-西)方向土壤重金属Cu、Pb、Ni的变异函数符合球状模型,土壤重金属Co、Zn符合高斯模型,土壤重金属Cu、Pb,Ni具有较强的空间自相关性,空间变异由随机变异和结构变异共同作用,土壤重金属Co、Zn空间自相关性强烈,空间变异主以结构变异为主。从土壤重金属垂直方向上的空间结构来看,土壤重金属Cu、Pb、Ni的变异函数符合球状模型,土壤重金属Co、Zn符合高斯模型,土壤重金属Co、Cu、Pb、Zn、Ni具有强烈的空间自相关性,空间变异以结构变异为主。在垂直方向上,空间变异以结构变异为主,水平方向则以随机因素和结构因素共同作用,表明人类生产活动对土壤重金属水平方向的空间分布特征影响较大,垂直方向上随着土壤深度的增加,人类活动影响减弱,影响重金属空间分布特征的随机因素减弱,结构性因素增强。5、土壤重金属的三维空间分布结果表明,土壤重金属Co含量高值区位于研究区北部偏西位置,含量总体分布均匀,浓度不高。土壤重金属Cu元素的高值区主要集中在研究区中部偏西北方向,高值区面积相对较大。土壤重金属Pb元素分布较均匀,含量较低,无明显高值区,且浓度相对较高区域面积范围相对较小。土壤重金属Zn元素的高值区分布在研究区西南部,高值区分布较集中。土壤重金属Ni元素在研究区内有明显高值区,集中位于研究区中部偏西北位置,且浓度明显高于周边土壤。通过比较重金属含量高值区域与研究区域内工厂企业的生产分布格局可知,重金属浓度相对较低的区域多为空地与办公楼,浓度较高区域主要分布在工厂的生产车间与废弃金属堆场,在企业长期的生产过程中,可能由于原料堆放、焊接粉尘沉降、固体废弃物处置不当,以及雨水冲刷与下垫面性质等因素导致重金属浓度高于周围土壤。研究区内土壤重金属高值区主要研究区中部、中部偏西北和中部偏西南位置,低值区主要位于研究区东部和东南区域,且重金属垂直方向高值区均位于表层土壤,并由地表核心高值区向四周与地下迁移扩散,表明重金属来源可能与企业日常生产与人为活动有关。6、研究区污染评价单因子指数法评价结果表明,在第一层土壤内,土壤重金属存在一定程度的积累,重金属元素Co、Cu、Pb、Zn、Ni处于轻微污染的样本占总样本比重为41%、32%、39%、16%、16%,处于轻度污染的比例分别为2%、18%、2%、2%、11%,达到重度污染的有Pb和Ni,分别占样本总数的2%和5%,达到严重污染的有Ni,占样本总数的5%。第二层土壤中5种重金属处于轻微污染的比重为20%、8%、5%、2%、5%,处于轻度污染的重金属有Cu、Zn、Ni,分别占样本总量的2%、2%、5%,处于重度污染的有Pb,占样本总量2%。第三层土壤中,5种重金属Co、Cu、Pb、Zn、Ni均处于无污染状态。总的来看,五种土壤重金属大部分样点处于无污染或轻微污染状态,部分样点存在重度污染的情况,从污染深度来看,在企业日常生产和人为活动的影响下,污染主要集中在研究区表层土壤。土壤重金属污染状况与重金属空间变异结果基本吻合,在企业的生产活动中,土壤重金属Ni、Cu、Pb污染相对较严重,空间自相关性较弱,土壤Zn污染较轻,空间自相关性强烈。7、内梅罗综合污染指数评价结果表明,第一层土壤重金属土壤污染污染占比为27.27%,无重污染情况。第二层土壤轻污染占比6.82%,无重污染和重污染。第三层土壤状况均为清洁,无污染比例。研究区内土壤重金未污染占比大,部分样本点处于轻污染状态,少部分处于重污染,且污染主要集中在第一层土壤。表明研究区总体污染状况较轻,但个别区域还存在相对较重的污染状况。