青島大沽河流域土壤重金屬的空間分布

相恒茂+萬劍華+韓仲志+郭新剛

摘要：土壤的污染特別是重金屬污染問題，是發展必須面臨和需要解決的問題之一。以大沽河流域農田表層土壤為研究對象，采用柵格形采樣，共采集大沽河流域土壤樣本124份。采用化學方法測量5種重金屬（As、Cd、Cr、Hg、Pb）含量，并基于山東及全國的土壤背景值數據，進行統計分析、相關分析和比較分析。采用樣條差值法，基于此數據使用ArcGIS，實現5種重金屬元素的空間分布專題制圖。對重金屬分布特性與人類活動和流域特征進行分析，指出污染嚴重的地區。重金屬污染的區域分布特征，可以為新一輪大沽河流域的土壤綜合控制和產業規劃提供參考。

關鍵詞：大沽河流域；重金屬污染；地理信息系統（GIS）

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號：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發正在展開，作為發展載體的土地與土壤質量，是開發治理的基礎和重要一環，土壤的污染特別是重金屬污染問題，是發展必須面臨和需要解決的問題。統計資料表明，中國受Cd、As、Cr、Pb等重金屬污染的耕地面積近2 000萬hm2，約占耕地總面積的1/5，合計經濟損失至少200億元[1，2]。陳同斌等[3]利用篩選得到的120個清潔土樣，分析統計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個代表性土壤點得到廣州表土的Cu、Nj、Zn、Pb、Cr背景值分別為10.3、23.1、112.8、58.3、42.0 mg/kg，并指出汽車尾氣和農業化學物質的投入是廣州土壤中Pb污染的重要來源；郭平等[5]以長春市區土壤為對象，研究土壤中重金屬污染的特征，指出長春市區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有顯著不同，而多變量分析表明，部分重金屬污染主要來源是人為；Li等[7]綜述了中國重金屬污染的現狀；Zhao等[8]研究了重金屬污染對人體健康造成的影響。

使用GIS中克里格插值制作專題圖來直觀展示土壤重金屬污染已成為一種主要表達土壤空間分布的形式，且取得了廣泛應用。胡克林等[9]在面積為1 039 km2的北京市大興區布設了70個取樣點，測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最優內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地和有機質含量關系密切。

本研究以大沽河流域農田表層土壤為研究對象，在土壤理化特性數據的基礎上，分析大沽河流域農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發提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

大沽河流域位于膠東半島西部，約在東經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。流域北部為山區和淺山丘陵區，南部為山麓平原和平原洼地，地勢北高南低，地形坡度由北向南逐漸變緩。流域范圍（圖1中虛線內區域）包括煙臺市的萊州、招遠、萊陽和青島市的萊西、平度、膠州、即墨、城陽部分地區。

1.2 土壤采集

按照《農田土壤環境質量監測技術規范》[10]，柵格式采樣，剝離表層浮土，使用洛陽鏟，采集0～20 cm的耕層土壤，在采集過程中，采用便攜式GPS精確定位，并記錄裝袋，共124個采樣點（圖2）。采樣點的布設以能代表研究區土壤環境質量為原則[11]。具體采樣原則為：①采樣點選擇在土壤環境好的區域；②不在住宅周圍、路旁、溝渠、糞堆附近等人為干擾明顯地點或水土流失嚴重以及表土破壞明顯的地點采樣；③選取有代表性的地點，并以該點為中心，在其周圍100 m的區域內采集3～5個土壤樣品，將樣品混勻后用四分法取約1 kg作為該點的土壤樣品；④采樣時盡量使采樣點涉及所有土地利用類型，大體了解樣點周圍土地利用和土地覆被情況。

1.3 化學分析與數據處理

1.3.1 重金屬含量化學檢測 土壤樣品采用HNO3-HClO4-HF法消解，其中Hg用冷原子吸收法測定，As和Cr用原子吸收分光光度法測定，Pb和Cd用石墨爐原子吸收分光光度法測定，具體測定方法參照文獻[12]。為了測定的準確度，在進行上述元素分析時，每10個測定樣品用標準土壤樣品校驗。10%～20%的平行樣分析用于控制試驗的精密度，絕大多數平行樣之間的相對平均偏差小于5%。

1.3.2 數據分析與GIS制圖 空間插值是空間數據分析的常用方法，樣條插值法是最常用的空間插值方法之一，3次樣條插值（簡稱Spline插值）是通過一系列形值點的一條光滑曲線，數學上通過求解三彎矩方程組得出曲線函數組的過程，該方法實質上是利用區域化變量的原始數據的結構特點，對未采樣點的區域化變量的取值進行線性無偏最優估計的一種方法。本研究采用軟件ArcGIS 9.2中Geostatistical Analys（地統計分析）模塊，用樣條差值法對研究區中土壤重金屬含量進行最優、無偏空間插值，閾值依據國家規定的土壤環境質量二級標準。

2 結果與分析

2.1 統計分析

受人類活動、自然改造、長期風化等影響，表層土壤中重金屬元素的含量和分布狀態會發生一定的演變，統計土壤重金屬元素的背景值，有助于正確認識農業地質環境與土壤重金屬污染總體狀況，對進行土壤改良和農業產業規劃具有重要意義。

本試驗參考多目標區域地球化學調查方法，以表層土壤重金屬元素的均值作為土壤背景值，進而評價土壤重金屬元素的豐缺及土壤的環境質量。評價指標包括前四階統計量（均值、方差、偏斜度和峰值），另外還包括了中數、最大最小值和變異系數（表1）。

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

與山東省背景值相比，研究區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。

從變異系數來看，變異系數最大的為Hg，最大值與最小值相差約10倍，這與城市污染與人類活動有密切關系；變異系數最小的是Pb，其他3種重金屬元素變異系數均介于0.2～0.3之間。

從相關分析來看，Hg和Cr的相關系數最高，達到0.37，這在一定程度上可能與人類濫用化肥有關。另外，As和Pb的相關系數也比較高，其他元素相關系數較小，說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發育所必需的，但當重金屬元素超標則會導致土壤環境污染、危害植物的生長發育，通過食物鏈進入人體，危害人體健康，分析無人的區域重金屬分布特征，可以為土壤的綜合控制和產業規劃提供依據。

從研究區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）元素的區域分布特征明顯，極值出現在萊西日莊鎮、祝溝鎮一帶，含量超過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，在城陽區河套、萊西馬連莊鎮和萊西城區東部出現極值，這可能與這一帶工業和農業污染有關（圖3b）；Cr元素總體出現西低東高的趨勢，表現出流域特性，萊西城區北部馬連莊一帶分布較高，靠近即墨區域含量較高（圖3c）；Hg的含量與人類活動有密切關系，萊西城區、膠州城區、城陽河套、上馬街道等區域含量較高，此外，在大沽河支流小沽河上游出現極值，因北部靠近招遠市，可能與這一帶的礦產開發有關（圖3d）；Pb的含量與As的含量出現相同的趨勢，即在萊西祝溝鎮一帶出現極值，含量超過45.7 mg/kg，在即墨藍村鎮周邊含量較高，可能與這一帶的鞋業產業發展有關，此外，在大沽河入?？谔幒枯^高，說明Pb含量具有一定的流域特性（圖3e）。

3 小結

大沽河流域是青島城市發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為研究區域，以大沽河流域農田表層土壤為研究對象，在土壤理化特性數據基礎上，通過統計分析的方法研究了5種重金屬（As、Cd、Cr、Hg、Pb）含量和大沽河流域農田土壤重金屬的空間分布狀況，基于此數據使用ArcGIS實現了5種重金屬元素的空間分布專題制圖，可以為新一輪大沽河流域土壤的綜合控制和產業規劃提供依據。

參考文獻：

[1] 韋朝陽，陳同斌.重金屬超富集植物及植物修復技術研究進展[J].生態學報，2001，21（7）：1196-1203.

[2] 朱蔭湄，周啟星.土壤污染與我國農業環境保護的現狀、理論和展望[J].土壤通報，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研究[J].環境科學，2004，25（1）：117-122.

[4] 管東生，陳玉娟，阮國標.廣州城市及近郊土壤重金屬含量特征及人類活動的影響[J].中山大學學報（自然科學版），2001，40（4）：93-96，101.

[5] 郭 平，謝忠雷，李 軍，等.長春市土壤重金屬污染特征及其潛在生態風險評價[J].地理科學，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，FAN 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.北京市大興區土壤重金屬含量的空間分布特征[J].環境科學學報，2004，24（3）：463-468.

[10] NY/T395-2000，農田土壤環境質量監測技術規范[S].

[11] 李瑞平.泰安市農田土壤重金屬的空間分布及光譜特征研究[D].山東泰安：山東農業大學，2012.

[12] 張春榮.青島市區土壤重金屬生態地球化學特征研究[D].山東青島：山東科技大學，2011.

[13] 魏復盛，陳靜生，吳燕玉，等.中國土壤元素背景值[M].北京：中國環境科學出版社，1990.