青島大沽河流域土壤重金屬的空間分布

相恒茂+萬(wàn)劍華+韓仲志+郭新剛

摘要：土壤的污染特別是重金屬污染問(wèn)題，是發(fā)展必須面臨和需要解決的問(wèn)題之一。以大沽河流域農(nóng)田表層土壤為研究對(duì)象，采用柵格形采樣，共采集大沽河流域土壤樣本124份。采用化學(xué)方法測(cè)量5種重金屬（As、Cd、Cr、Hg、Pb）含量，并基于山東及全國(guó)的土壤背景值數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、相關(guān)分析和比較分析。采用樣條差值法，基于此數(shù)據(jù)使用ArcGIS，實(shí)現(xiàn)5種重金屬元素的空間分布專(zhuān)題制圖。對(duì)重金屬分布特性與人類(lèi)活動(dòng)和流域特征進(jìn)行分析，指出污染嚴(yán)重的地區(qū)。重金屬污染的區(qū)域分布特征，可以為新一輪大沽河流域的土壤綜合控制和產(chǎn)業(yè)規(guī)劃提供參考。

關(guān)鍵詞：大沽河流域；重金屬污染；地理信息系統(tǒng)（GIS）

中圖分類(lèi)號(hào)：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）20-5207-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.20.011

Abstract： Especially heavy metal contaminated soil pollution problems， which is one of the problems of development must face and need to be addressed. Farmland soil surface Dagu watershed was studied using a grid-shaped sample， collected 124 soil samples Dagu river basin. Using chemical methods for measuring the five heavy metals（As， Cd， Cr， Hg， Pb） content， based in Shandong and the country's soil background value data， statistical analysis， correlation analysis and comparative analysis were conducted. Using the spline differential method， five kinds of spatial distribution of heavy metals in thematic mapping was achieved which based on this data using ArcGIS. Characteristics of heavy metal distribution characteristics and human activities and basin were analyzed， which pointed out serious polluted areas. The regional distribution of heavy metal pollution provided a reference for integrated control and industrial planning a new round of Dagu river basin soil.

Key words： Dagu river basin； heavy metal pollution； geographic information system （GIS）

大沽河是青島的母親河，新一輪大沽河流域綜合治理開(kāi)發(fā)正在展開(kāi)，作為發(fā)展載體的土地與土壤質(zhì)量，是開(kāi)發(fā)治理的基礎(chǔ)和重要一環(huán)，土壤的污染特別是重金屬污染問(wèn)題，是發(fā)展必須面臨和需要解決的問(wèn)題。統(tǒng)計(jì)資料表明，中國(guó)受Cd、As、Cr、Pb等重金屬污染的耕地面積近2 000萬(wàn)hm2，約占耕地總面積的1/5，合計(jì)經(jīng)濟(jì)損失至少200億元[1，2]。陳同斌等[3]利用篩選得到的120個(gè)清潔土樣，分析統(tǒng)計(jì)得到北京市土壤重金屬As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的背景值；管東生等[4]利用47個(gè)代表性土壤點(diǎn)得到廣州表土的Cu、Nj、Zn、Pb、Cr背景值分別為10.3、23.1、112.8、58.3、42.0 mg/kg，并指出汽車(chē)尾氣和農(nóng)業(yè)化學(xué)物質(zhì)的投入是廣州土壤中Pb污染的重要來(lái)源；郭平等[5]以長(zhǎng)春市區(qū)土壤為對(duì)象，研究土壤中重金屬污染的特征，指出長(zhǎng)春市區(qū)土壤重金屬污染較重，污染源的空間差異性引起不同功能區(qū)土壤中重金屬元素的含量不同；Bai等[6]研究珠江口土壤重金屬的總濃度、分布和污染水平指出，大部分重金屬在溝和河岸濕地沒(méi)有顯著不同，而多變量分析表明，部分重金屬污染主要來(lái)源是人為；Li等[7]綜述了中國(guó)重金屬污染的現(xiàn)狀；Zhao等[8]研究了重金屬污染對(duì)人體健康造成的影響。

使用GIS中克里格插值制作專(zhuān)題圖來(lái)直觀展示土壤重金屬污染已成為一種主要表達(dá)土壤空間分布的形式，且取得了廣泛應(yīng)用。胡克林等[9]在面積為1 039 km2的北京市大興區(qū)布設(shè)了70個(gè)取樣點(diǎn)，測(cè)定了其表層土壤重金屬Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、Ni、As、Se、Hg和Co的含量。采用Kriging最優(yōu)內(nèi)插法得到了表層土壤重金屬含量的空間分布圖，表明土壤重金屬含量與土壤質(zhì)地和有機(jī)質(zhì)含量關(guān)系密切。

本研究以大沽河流域農(nóng)田表層土壤為研究對(duì)象，在土壤理化特性數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分析大沽河流域農(nóng)田土壤重金屬的空間分布狀況，所選用的插值方法是樣條函數(shù)法，土壤重金屬的GIS空間分布圖的繪制為大沽河流域的綜合整治開(kāi)發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

大沽河流域位于膠東半島西部，約在東經(jīng)120°03′～120°25′，北緯36°10′～37°12′。流域總面積4 631.3 km2，其走向大致與干流走向相同。流域北部為山區(qū)和淺山丘陵區(qū)，南部為山麓平原和平原洼地，地勢(shì)北高南低，地形坡度由北向南逐漸變緩。流域范圍（圖1中虛線內(nèi)區(qū)域）包括煙臺(tái)市的萊州、招遠(yuǎn)、萊陽(yáng)和青島市的萊西、平度、膠州、即墨、城陽(yáng)部分地區(qū)。

1.2 土壤采集

按照《農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[10]，柵格式采樣，剝離表層浮土，使用洛陽(yáng)鏟，采集0～20 cm的耕層土壤，在采集過(guò)程中，采用便攜式GPS精確定位，并記錄裝袋，共124個(gè)采樣點(diǎn)（圖2）。采樣點(diǎn)的布設(shè)以能代表研究區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量為原則[11]。具體采樣原則為：①采樣點(diǎn)選擇在土壤環(huán)境好的區(qū)域；②不在住宅周?chē)?、路旁、溝渠、糞堆附近等人為干擾明顯地點(diǎn)或水土流失嚴(yán)重以及表土破壞明顯的地點(diǎn)采樣；③選取有代表性的地點(diǎn)，并以該點(diǎn)為中心，在其周?chē)?00 m的區(qū)域內(nèi)采集3～5個(gè)土壤樣品，將樣品混勻后用四分法取約1 kg作為該點(diǎn)的土壤樣品；④采樣時(shí)盡量使采樣點(diǎn)涉及所有土地利用類(lèi)型，大體了解樣點(diǎn)周?chē)恋乩煤屯恋馗脖磺闆r。

1.3 化學(xué)分析與數(shù)據(jù)處理

1.3.1 重金屬含量化學(xué)檢測(cè) 土壤樣品采用HNO3-HClO4-HF法消解，其中Hg用冷原子吸收法測(cè)定，As和Cr用原子吸收分光光度法測(cè)定，Pb和Cd用石墨爐原子吸收分光光度法測(cè)定，具體測(cè)定方法參照文獻(xiàn)[12]。為了測(cè)定的準(zhǔn)確度，在進(jìn)行上述元素分析時(shí)，每10個(gè)測(cè)定樣品用標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品校驗(yàn)。10%～20%的平行樣分析用于控制試驗(yàn)的精密度，絕大多數(shù)平行樣之間的相對(duì)平均偏差小于5%。

1.3.2 數(shù)據(jù)分析與GIS制圖 空間插值是空間數(shù)據(jù)分析的常用方法，樣條插值法是最常用的空間插值方法之一，3次樣條插值（簡(jiǎn)稱(chēng)Spline插值）是通過(guò)一系列形值點(diǎn)的一條光滑曲線，數(shù)學(xué)上通過(guò)求解三彎矩方程組得出曲線函數(shù)組的過(guò)程，該方法實(shí)質(zhì)上是利用區(qū)域化變量的原始數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)未采樣點(diǎn)的區(qū)域化變量的取值進(jìn)行線性無(wú)偏最優(yōu)估計(jì)的一種方法。本研究采用軟件ArcGIS 9.2中Geostatistical Analys（地統(tǒng)計(jì)分析）模塊，用樣條差值法對(duì)研究區(qū)中土壤重金屬含量進(jìn)行最優(yōu)、無(wú)偏空間插值，閾值依據(jù)國(guó)家規(guī)定的土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 統(tǒng)計(jì)分析

受人類(lèi)活動(dòng)、自然改造、長(zhǎng)期風(fēng)化等影響，表層土壤中重金屬元素的含量和分布狀態(tài)會(huì)發(fā)生一定的演變，統(tǒng)計(jì)土壤重金屬元素的背景值，有助于正確認(rèn)識(shí)農(nóng)業(yè)地質(zhì)環(huán)境與土壤重金屬污染總體狀況，對(duì)進(jìn)行土壤改良和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃具有重要意義。

本試驗(yàn)參考多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查方法，以表層土壤重金屬元素的均值作為土壤背景值，進(jìn)而評(píng)價(jià)土壤重金屬元素的豐缺及土壤的環(huán)境質(zhì)量。評(píng)價(jià)指標(biāo)包括前四階統(tǒng)計(jì)量（均值、方差、偏斜度和峰值），另外還包括了中數(shù)、最大最小值和變異系數(shù)（表1）。

研究區(qū)域的均值與全國(guó)背景值[13]相比，研究區(qū)域內(nèi)As、Cr、Hg均低于全國(guó)背景值，其中Hg的背景值僅為全國(guó)背景值的1/2左右，說(shuō)明這3種重金屬污染較輕。此外，Cd略高于全國(guó)背景值，Pb與全國(guó)背景值相當(dāng)。

與山東省背景值相比，研究區(qū)As、Cr、Pb要明顯低于山東省背景值，均在80%左右，但Hg的含量約高于山東背景值的兩倍，另外Cd也略高于山東省背景值。

從變異系數(shù)來(lái)看，變異系數(shù)最大的為Hg，最大值與最小值相差約10倍，這與城市污染與人類(lèi)活動(dòng)有密切關(guān)系；變異系數(shù)最小的是Pb，其他3種重金屬元素變異系數(shù)均介于0.2～0.3之間。

從相關(guān)分析來(lái)看，Hg和Cr的相關(guān)系數(shù)最高，達(dá)到0.37，這在一定程度上可能與人類(lèi)濫用化肥有關(guān)。另外，As和Pb的相關(guān)系數(shù)也比較高，其他元素相關(guān)系數(shù)較小，說(shuō)明原始土壤分布起主要作用。

2.2 GIS制圖

土壤中適量的重金屬元素是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的，但當(dāng)重金屬元素超標(biāo)則會(huì)導(dǎo)致土壤環(huán)境污染、危害植物的生長(zhǎng)發(fā)育，通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，危害人體健康，分析無(wú)人的區(qū)域重金屬分布特征，可以為土壤的綜合控制和產(chǎn)業(yè)規(guī)劃提供依據(jù)。

從研究區(qū)大沽河流域土壤重金屬元素含量等值線圖3可以看出，砷（As）元素的區(qū)域分布特征明顯，極值出現(xiàn)在萊西日莊鎮(zhèn)、祝溝鎮(zhèn)一帶，含量超過(guò)18.7 mg/kg，流域北部萊西段大沽河直流和南部膠州灣西海岸含量較低（圖3a）；Cd元素總體分布比較均勻，在城陽(yáng)區(qū)河套、萊西馬連莊鎮(zhèn)和萊西城區(qū)東部出現(xiàn)極值，這可能與這一帶工業(yè)和農(nóng)業(yè)污染有關(guān)（圖3b）；Cr元素總體出現(xiàn)西低東高的趨勢(shì)，表現(xiàn)出流域特性，萊西城區(qū)北部馬連莊一帶分布較高，靠近即墨區(qū)域含量較高（圖3c）；Hg的含量與人類(lèi)活動(dòng)有密切關(guān)系，萊西城區(qū)、膠州城區(qū)、城陽(yáng)河套、上馬街道等區(qū)域含量較高，此外，在大沽河支流小沽河上游出現(xiàn)極值，因北部靠近招遠(yuǎn)市，可能與這一帶的礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)有關(guān)（圖3d）；Pb的含量與As的含量出現(xiàn)相同的趨勢(shì)，即在萊西祝溝鎮(zhèn)一帶出現(xiàn)極值，含量超過(guò)45.7 mg/kg，在即墨藍(lán)村鎮(zhèn)周邊含量較高，可能與這一帶的鞋業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展有關(guān)，此外，在大沽河入?？谔幒枯^高，說(shuō)明Pb含量具有一定的流域特性（圖3e）。

3 小結(jié)

大沽河流域是青島城市發(fā)展非常重要的水源地，是青島的母親河。本研究以大沽河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，以大沽河流域農(nóng)田表層土壤為研究對(duì)象，在土壤理化特性數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析的方法研究了5種重金屬（As、Cd、Cr、Hg、Pb）含量和大沽河流域農(nóng)田土壤重金屬的空間分布狀況，基于此數(shù)據(jù)使用ArcGIS實(shí)現(xiàn)了5種重金屬元素的空間分布專(zhuān)題制圖，可以為新一輪大沽河流域土壤的綜合控制和產(chǎn)業(yè)規(guī)劃提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 韋朝陽(yáng)，陳同斌.重金屬超富集植物及植物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2001，21（7）：1196-1203.

[2] 朱蔭湄，周啟星.土壤污染與我國(guó)農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)的現(xiàn)狀、理論和展望[J].土壤通報(bào)，1999，30（3）：132-135.

[3] 陳同斌，鄭袁明，陳 煌，等.北京市土壤重金屬含量背景值的系統(tǒng)研究[J].環(huán)境科學(xué)，2004，25（1）：117-122.

[4] 管東生，陳玉娟，阮國(guó)標(biāo).廣州城市及近郊土壤重金屬含量特征及人類(lèi)活動(dòng)的影響[J].中山大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001，40（4）：93-96，101.

[5] 郭 平，謝忠雷，李 軍，等.長(zhǎng)春市土壤重金屬污染特征及其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].地理科學(xué)，2005，25（1）：108-112.

[6] BAI J H，XIAO R，CUI B S，et al. Assessment of heavy metal pollution in wetland soils from the young and old reclaimed regions in the Pearl River Estuary，South China[J].Environmental Pollution，2011，159（3）：817-824.

[7] LI Z Y，MA Z W，VAN DER KUIJP T J，et al. A review of soil heavy metal pollution from mines in China：Pollution and health risk assessment[J].Science of the Total Environment，2014，468-469（15）：843-853.

[8] ZHAO H R，XIA B C，F(xiàn)AN C，et al. Human health risk from soil heavy metal contamination under different land uses near Dabaoshan Mine，Southern China[J].Science of the Total Environment，2012，417：45-54.

[9] 胡克林，張鳳榮，呂貽忠，等.北京市大興區(qū)土壤重金屬含量的空間分布特征[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24（3）：463-468.

[10] NY/T395-2000，農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].

[11] 李瑞平.泰安市農(nóng)田土壤重金屬的空間分布及光譜特征研究[D].山東泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

[12] 張春榮.青島市區(qū)土壤重金屬生態(tài)地球化學(xué)特征研究[D].山東青島：山東科技大學(xué)，2011.

[13] 魏復(fù)盛，陳靜生，吳燕玉，等.中國(guó)土壤元素背景值[M].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1990.