張福玲

摘要：分析了某城市城區(qū)表層土壤中的 As、Cd 等8種重金屬在生活區(qū)、工業(yè)區(qū)、山區(qū)、主干道路區(qū)及公園綠地區(qū)的含量水平，得出了不同區(qū)域重金屬的污染程度；運(yùn)用污染負(fù)荷指數(shù)法對(duì)影響土壤各重金屬主要因子進(jìn)行分析，確定不同區(qū)域重金屬污染的主要特征；建立重金屬污染物的傳播模型，運(yùn)用Kriging插值法對(duì)重金屬含量進(jìn)行最優(yōu)無(wú)偏估計(jì)插值，對(duì)重金屬污染的空間分布進(jìn)行分析，揭示了城市表層土壤中重金屬含量的空間分布特征。

關(guān)鍵詞：城市城區(qū)；表層土壤；重金屬污染；空間分布特征

中圖分類號(hào)：X530.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）06-1287-05

隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市人口的不斷增加，大量工業(yè)“三廢”、城市生活垃圾和污泥等污染物的排放與不恰當(dāng)處置使重金屬在土壤中不斷積累，加重了土壤重金屬的污染負(fù)荷，導(dǎo)致我國(guó)城市表層土壤的重金屬污染日趨嚴(yán)重。而城市土壤重金屬污染是能有效反映城市環(huán)境污染狀況的重要指標(biāo)之一。因此，對(duì)城市土壤環(huán)境異常的查證并應(yīng)用查證數(shù)據(jù)開(kāi)展城市環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)、研究人類活動(dòng)影響城市土壤環(huán)境的演變模式日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

以某城市城區(qū)為研究區(qū)，將其劃分為間距1 km左右的網(wǎng)格子區(qū)域，按照每平方公里1個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)表層土壤（0～10 cm土層）進(jìn)行取樣、編號(hào)，并用GPS記錄采樣點(diǎn)的位置。應(yīng)用專門(mén)儀器測(cè)試分析，獲得了每個(gè)樣本所含的多種重金屬元素的濃度數(shù)據(jù)。另外，按照2 km的間距在那些遠(yuǎn)離人群及工業(yè)活動(dòng)的自然區(qū)取樣，將分析數(shù)據(jù)作為該城區(qū)表層土壤中重金屬元素的背景值。研究以2011年高教社杯全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽A題[1]所列的數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)來(lái)源，文獻(xiàn)[1]列出了采樣點(diǎn)的位置、海拔高度及其所屬功能區(qū)的信息、8種主要重金屬元素在采樣點(diǎn)處的濃度和8種主要重金屬元素的背景值。

按照功能劃分，現(xiàn)代城市整個(gè)城區(qū)一般可分為生活區(qū)、工業(yè)區(qū)、山區(qū)、主干道路區(qū)及公園綠地區(qū)等，分別記為1類區(qū)、2類區(qū)、3類區(qū)、4類區(qū)、5類區(qū)，不同的區(qū)域環(huán)境受人類活動(dòng)影響的程度不同。作者對(duì)城市表層土壤中的 As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 8種重金屬元素在不同區(qū)域的含量水平進(jìn)行了研究。采用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理和污染負(fù)荷指數(shù)法[2，3]，根據(jù)國(guó)家污染負(fù)荷指數(shù)與污染程度關(guān)系分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出該城市不同區(qū)域的土壤重金屬污染程度。對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，借助空間變異分析理論與方法[4]，確定不同區(qū)域重金屬污染的主要污染源：工業(yè)區(qū)重金屬污染主要來(lái)源于工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的工業(yè)垃圾；生活區(qū)的重金屬污染主要是由于人們?cè)斐傻纳罾纬傻?；在交通要道主要是汽車尾氣的排放；山區(qū)人口分布比較分散，自然綠地的覆蓋面積廣，環(huán)境自凈能力比較強(qiáng)，所以土壤重金屬含量相對(duì)較低。建立重金屬污染物的傳播模型，運(yùn)用Kriging插值法[5]對(duì)重金屬含量進(jìn)行最優(yōu)無(wú)偏估計(jì)插值，對(duì)重金屬污染的空間分布進(jìn)行檢驗(yàn)，從而揭示城市表層土壤中重金屬含量的空間分布特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬污染的空間分布

根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)的基本原理，采用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出所有數(shù)據(jù)的平均值、最小值、最大值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、偏度、峰度等統(tǒng)計(jì)信息，同時(shí)采用區(qū)域識(shí)別法[6]對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值檢驗(yàn)。對(duì)于已處理的數(shù)據(jù)，采用SPSS中的K-S方法[7]進(jìn)行數(shù)據(jù)的正態(tài)分布檢驗(yàn)，然后采用SURFER 8.0軟件繪出了8種重金屬污染在該區(qū)的空間分布圖，圖中縱橫坐標(biāo)表示采樣點(diǎn)的位置，圖例表示采樣點(diǎn)所在的功能區(qū)（圖1a至圖1h）。

2.2 不同區(qū)域重金屬污染程度分析

土壤重金屬污染程度的評(píng)價(jià)分別采用研究區(qū)土壤重金屬含量的自然背景值和國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值（保護(hù)區(qū)域自然生態(tài)、維持自然背景的土壤環(huán)境質(zhì)量的限值）為參考標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為背景值時(shí)，相應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果稱之為元素富集[8，9]，當(dāng)以國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，稱之為元素污染。

2.2.1 研究區(qū)重金屬污染程度的污染負(fù)荷指數(shù)法分析 污染負(fù)荷指數(shù)法是在從事重金屬污染水平的分級(jí)研究中提出來(lái)的一種評(píng)價(jià)方法，被廣泛應(yīng)用于土壤重金屬污染的評(píng)價(jià)。污染負(fù)荷指數(shù)法優(yōu)點(diǎn)是該指數(shù)由評(píng)價(jià)區(qū)域所包含的多種重金屬成分共同構(gòu)成，并使用了求積的統(tǒng)計(jì)方法，通過(guò)這種方法對(duì)整個(gè)區(qū)域各個(gè)點(diǎn)位各種重金屬進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)，并對(duì)各點(diǎn)的污染程度進(jìn)行分級(jí)，能直觀反映對(duì)環(huán)境污染最嚴(yán)重的元素和各種元素對(duì)環(huán)境污染的貢獻(xiàn)程度以及重金屬在時(shí)間、空間上的變化趨勢(shì)[8]。重金屬污染負(fù)荷指數(shù)與污染程度關(guān)系見(jiàn)表1。

根據(jù)重金屬污染負(fù)荷指數(shù)與污染程度關(guān)系，不同的污染負(fù)荷指數(shù)可將污染程度分為無(wú)污染、中等污染、強(qiáng)污染和極強(qiáng)污染4個(gè)等級(jí)，分別用0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ來(lái)表示[10，11]。根據(jù)污染負(fù)荷指數(shù)法計(jì)算得到研究區(qū)不同區(qū)域的污染負(fù)荷指數(shù)，參照污染負(fù)荷指數(shù)與污染程度關(guān)系分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，得到研究區(qū)不同區(qū)域的重金屬污染程度見(jiàn)表2。

2.2.2 研究區(qū)重金屬單元素污染程度的單項(xiàng)污染指數(shù)法分析 單項(xiàng)污染指數(shù)法是以土壤單項(xiàng)污染物的實(shí)測(cè)值與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的比值，表示某一污染物影響下的環(huán)境污染指數(shù)，可以反映各污染物的污染程度。這里污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)采用國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為參考標(biāo)準(zhǔn)。選用國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的一、二、三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分別作為土壤重金屬污染評(píng)價(jià)的污染積累起始值、中度污染起始值和重度污染起始值，把土壤重金屬污染分為4級(jí)（表3）。

利用單項(xiàng)污染指數(shù)計(jì)算公式[12]求出五類區(qū)中采樣點(diǎn)的各重金屬元素的單項(xiàng)污染指數(shù)，并求其平均值，將平均值作為此元素在該類區(qū)的單項(xiàng)污染指數(shù)，按單項(xiàng)污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)重金屬單元素的污染程度進(jìn)行分級(jí)。根據(jù)上述方法，得到研究區(qū)表層土壤中各重金屬元素的單項(xiàng)污染指數(shù)見(jiàn)表4。從全區(qū)各元素的平均污染指數(shù)可以看出研究區(qū)表層土壤受As、Cd、Cr和 Ni污染相對(duì)較輕，污染程度低；其中Cu、Hg、Pb和Zn的污染指數(shù)較大，表明研究區(qū)受這4種重金屬元素的輕度污染。

2.3 重金屬污染的傳播模型

地統(tǒng)計(jì)學(xué)是建立在區(qū)域化變量、平穩(wěn)假設(shè)和內(nèi)蘊(yùn)假設(shè)等概念基礎(chǔ)上，以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，以半方差函數(shù)為主要工具，研究那些在空間分布上既有隨機(jī)性又有結(jié)構(gòu)性，或空間相關(guān)性和依賴性的自然現(xiàn)象的科學(xué)。由于重金屬污染的傳播途徑受很多因素的影響，比如土壤養(yǎng)分、物理特性、土壤重金屬等性質(zhì)的變異以及時(shí)間上的變異，基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的空間變異理論[13]，將地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法與GIS相結(jié)合來(lái)研究變量的空間變異特征。

半方差函數(shù)又稱半變異函數(shù)，能同時(shí)描述區(qū)域化變量的隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性[14，15]。利用半方差分析時(shí)將這8種重金屬元素的濃度進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，連同采樣點(diǎn)的地理坐標(biāo)輸入地統(tǒng)計(jì)軟件GS+，擬合半方差函數(shù)，并選擇最佳擬合模型及其參數(shù)。

球形模型：

上式中，C0為塊金值；C0+C為基臺(tái)值。以As為例，在GS+軟件中擬合半方差函數(shù)，得到4種擬合模型如圖2，該4種擬合模型的參數(shù)見(jiàn)表5。在半方差函數(shù)中，決定系數(shù)（R2） 較大、殘差（RSS） 較小回歸效果越好，由表5可知，As元素的最佳擬合模型為線性模型。對(duì)8種元素用相同的方法確定其最佳擬合模型，運(yùn)用GS+7.0地統(tǒng)計(jì)軟件系統(tǒng)完成半方差函數(shù)理論模型的自動(dòng)擬合、最優(yōu)選擇、參數(shù)計(jì)算及半方差圖繪制，結(jié)果如表6及圖2（a～d）所示。

將基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的空間變異理論與GIS的空間分析功能相結(jié)合分析研究區(qū)表層土壤重金屬含量的空間變異特征和空間分布特征。按照區(qū)域化變量空間相關(guān)性程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)塊金系數(shù)C0/（C0+C）<0.25時(shí)，表明變量的空間變異以結(jié)構(gòu)性為主，變量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，主要受自然因素控制，受人為因素影響較小；當(dāng)0.25≤C0/（C0+C）≤0.75時(shí)，表明變量具有中等程度的空間相關(guān)性；當(dāng)C0/（C0+C）>0.75時(shí)，表明變量以隨機(jī)性變異為主，變量的空間相關(guān)性很弱，變量受人為因素影響較大。由表6可知，研究區(qū)表層土壤中Cu和Pb的C0/（C0+C）較小，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，其空間變異以結(jié)構(gòu)性變異為主；As、Cd、Cr、Zn和Ni的C0/（C0+C）為0.25～0.75，具有中等程度空間相關(guān)，同時(shí)注意到，As、Cd、Cr和Ni的C0/（C0+C）大于0.50，表明隨機(jī)因素影響超過(guò)了結(jié)構(gòu)性因素的影響，以隨機(jī)因素占主導(dǎo)地位；Hg的C0/（C0+C）值大于0.75，具有較弱的空間相關(guān)性，表明隨機(jī)因素是其主要影響因素。研究區(qū)表層土壤中Cu和Pb的變程較大，表明其空間相關(guān)性的范圍較大；其余元素的變程相對(duì)較小，這可能說(shuō)明灰塵中Cu和Pb的含量更容易受到隨機(jī)因素干擾。結(jié)果表明，研究區(qū)表層土壤重金屬含量具有較為明顯的空間變異性，均表現(xiàn)出很好的遷移性、空間結(jié)構(gòu)性。

3 小結(jié)

從塊金值與基臺(tái)值的比值可以看出，目前城市表層土壤中重金屬含量受隨機(jī)因素（主要是人為源輸入）影響顯著，其空間分布與工業(yè)生產(chǎn)等人類活動(dòng)密切相關(guān)。這主要是因?yàn)槌鞘型寥澜蛹{了來(lái)自工業(yè)生產(chǎn)與居民生活所產(chǎn)生的污（廢）水、固體廢棄物等各方面的90%的污染物，這些污染物中所攜帶的重金屬也隨之大量進(jìn)入到城市土壤中，造成城市土壤重金屬污染，與此同時(shí)，交通頻繁，汽車尾氣的排放，使得大氣干濕沉降和城市灰塵作為城市環(huán)境中除土壤外重金屬的主要賦存介質(zhì)，吸附著大量重金屬污染物，這些吸附在大氣干濕沉降和城市灰塵中的重金屬污染物通過(guò)大氣沉降等途徑持續(xù)地大量輸入到地表環(huán)境。

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