付 川 林俊杰 潘 杰 郭勁松 方 芳

（1.重慶三峽學院化學與環(huán)境工程學院，重慶 404100）

（2.重慶大學三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶 400045）

土壤是人類賴以生存的最基本的自然資源之一，隨著工業(yè)發(fā)展和城市化進程的加快，土壤受到不同程度的重金屬污染.進入到土壤中的重金屬，由于其不易降解，遷移能力差，容易在土壤中積累和在作物體內(nèi)殘留，并通過食物鏈進入人體并在體內(nèi)蓄積，嚴重影響了人類的健康和環(huán)境安全.近幾年國內(nèi)外學者在生態(tài)環(huán)境評價方面做了大量的研究，[1]但基于GIS技術(shù)針對消落區(qū)土壤重金屬污染的研究卻鮮有報道.

有關(guān)消落區(qū)土壤中重金屬的研究一方面?zhèn)戎赜趯χ亟饘俸康恼{(diào)查與來源研究，另一方面通過土壤中重金屬空間分布特征研究來分析重金屬遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律.地理信息系統(tǒng)（GIS）作為重要空間分析技術(shù)已廣泛應用于區(qū)域環(huán)境污染過程分析中，為環(huán)境污染過程的時空變異分析提供了便捷、高效的可視化分析手段，[2-3]并提高了分析結(jié)果的可靠性，為重金屬污染的原位治理提供了決策依據(jù).基于ArcGIS地統(tǒng)計分析模塊，本研究以典型消落區(qū)土壤為研究區(qū)域，對消落區(qū)土壤中重金屬Cu含量水平與空間分布特征進行了研究.

1 采樣方案與實驗方法

1.1 研究區(qū)域及采樣點選取

消落區(qū)是指江河、湖泊、水庫等水體因季節(jié)性漲落使土地被周期性淹沒和出露成陸形成的干濕交替的水陸銜接地帶.三峽庫區(qū)消落帶是指三峽水庫正常蓄水水位為175米與防洪限制水位145米之間的區(qū)域，總面積達348.93 km2.消落帶作為水陸銜接的過渡地帶，具有敏感而脆弱的生態(tài)系統(tǒng)，將引起消落區(qū)乃至庫區(qū)一系列生態(tài)環(huán)境問題.典型消落區(qū)本底污染物空間分布調(diào)查擬在三峽庫區(qū)忠縣環(huán)城區(qū)消落帶、忠縣石寶鎮(zhèn)干支流消落帶、萬州長江干支流消落帶（城市區(qū)域，包含苧溪河支流）、萬州新田干流消落帶、開縣小江消落帶、云陽縣小江消落帶、巫山大昌消落帶等區(qū)域全面開展，總共布點121個.

圖1 典型消落區(qū)采樣段面設(shè)置

1.2 樣品的采集方法及前處理

所有的土壤樣品均采集自高程在 145～175 m消落帶，根據(jù)不同實驗方案選取采樣高程，具體采樣過程在每次實驗中標注.在研究區(qū)以方格狀確定采樣的樣點，每一樣點均由GPS定位.在每個樣點半徑10 m范圍內(nèi)以梅花形布點采集5個土樣混合而成.在各點上用鐵鏟取0～20 cm的土壤，在塑料薄膜上將各點土壤均勻混合，用四分法逐次棄去多余部分，最后將剩余的1 kg左右的平均樣品裝入樣袋，帶回實驗室.土壤樣品經(jīng)風干、磨細過1 mm、0.25 mm土壤篩，用于測定土壤重金屬元素Cu的濃度（HNO3-HF-HClO4消煮法）和形態(tài)分析.[4][5]

2 結(jié)果與討論

2.1 消落區(qū)沉積物中Cu的統(tǒng)計分析特征

通過SPSS軟件對采樣數(shù)據(jù)的描述統(tǒng)計，可以展示數(shù)據(jù)分布的基本特征.平均值反映樣品數(shù)據(jù)的中心趨向，標準差（S）和變異系數(shù)（Cv）表示樣本數(shù)據(jù)的變異程度，最大值與最小值表示了樣本數(shù)據(jù)的變化范圍.

圖2 Cu的頻數(shù)分布圖

從Cu頻數(shù)分布（圖2）可以看出Cu含量范圍16.33～74.81 mg/kg，最高值為最低值的4.58倍，其算術(shù)平均值為33.14 mg/kg，標準差為12.676，頻數(shù)分布在20～60區(qū)間占40%，0.11～0.24區(qū)間占了近 25%，其余區(qū)間占據(jù)的頻數(shù)都較低，可以認為Cu的分布呈現(xiàn)典型的正偏差.

從QQ分布（圖3）可以看出Cu的QQ分布不符合正態(tài)分布.在高值部分出現(xiàn)了離散度較大的點.峰態(tài)系數(shù)為4.83，為高狹峰，這主要是由于某些采樣點受到外源輸入的影響導致部分采樣點偏高.

圖3 Cu的正態(tài)正態(tài)QQ分布圖

2.2 基于GIS技術(shù)的重金屬Cu方向分布趨勢分析

趨勢分析圖中的每一根豎棒代表了一個數(shù)據(jù)點的值（高度）和位置.這些點被投影到一個東西向的和一個南北向的正交平面上.通過投影點可以作出一條最佳擬合線，并用它來模擬特定方向上存在的趨勢.

在圖4、圖5中，Cu含量分布從東南到西北逐漸降低，可能是由于小江東南部與長江流域萬州段干流相接，漲水期消落帶土壤優(yōu)先吸附河水中重金屬，而小江西北消落區(qū)與長江水接觸較晚所致，分析出的結(jié)果和此區(qū)域的真實地形基本吻合，可見趨勢分析工具對觀察一個物體的空間分布具有簡單、直觀的優(yōu)勢，還可以找出擬合最好的多項式對區(qū)域中的散點進行內(nèi)插，得到趨勢面.

圖4 Cu的方向分布趨勢分析圖

圖5 基于GIS的消落區(qū)Cu全量分布圖

2.3 基于 GIS的小江消落帶土壤重金屬的空間分布格局模擬

本研究采用 ARCGIS8.3中的 Geostatistical Analysis模塊研究了消落區(qū)小江段土壤特性的空間分布格局.克里格法（Kriging）從統(tǒng)計學意義上講，是從變量相關(guān)性和變異性出發(fā)，在有限區(qū)域內(nèi)對區(qū)域化變量的取值進行無偏、最優(yōu)估計的一種方法；從空間插值角度講，是對空間分布的數(shù)據(jù)求線性最優(yōu)、無偏內(nèi)插估計的一種方法.圖6為Kriging插值模擬的消落帶土壤重金屬Cu的空間分布格局模擬.

從消落帶小江段土壤重金屬Cu的空間分布模擬可以看出，在中間段含量較高，說明Cu在此區(qū)域有一定的富集.

圖6 基于GIS的消落帶土壤重金屬的空間分布格局模擬

[1]Liu X, Wu J , Xu J . Characterizing the risk assessment of heavy metals and sampling uncertainty analysis in paddy field by geostatistics and GIS [J] . Environmental Pollution , 2006 , 141 :257-264.

[2]劉慶，杜志勇，史衍璽.基于 GIS的山東壽光蔬菜產(chǎn)地土壤重金屬空間分布特征[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2009（10）.

[3]Celine S, Lee X D, Lia W Z, et al. 2006. Contamination in urban,suburban, and country park soils of Hong Kong: A study based on GIS and multivariate statistics [J]. Science of the Total Environment, 356: 45-61.

[4]陸安祥，王紀華，潘瑜春.小尺度農(nóng)田土壤中重金屬的統(tǒng)計分析與空間分布研究[J].環(huán)境科學，2007（7）.

[5]蔡立梅，馬瑾，周永章.東莞市農(nóng)業(yè)土壤重金屬的空間分布特征及來源解析[J].環(huán)境科學，2008（12）:3496-3501.