劉衍君, 張保華, 劉子亭, 張洪源, 李夢(mèng)茹, 曹建榮

(聊城大學(xué) 環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院, 山東 聊城 252059)

基于ArcGIS的濰坊市土壤重金屬污染現(xiàn)狀與空間分布研究

劉衍君, 張保華, 劉子亭, 張洪源, 李夢(mèng)茹, 曹建榮

(聊城大學(xué) 環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院, 山東 聊城 252059)

[目的] 了解濰坊市土壤重金屬污染現(xiàn)狀及其在空間上的分布規(guī)律，為該區(qū)土壤重金屬污染防治和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的合理安排提供指導(dǎo)。 [方法] 在土壤重金屬污染調(diào)查的基礎(chǔ)上，以ArcGIS為操作平臺(tái)，采用地質(zhì)積累指數(shù)分析濰坊市土壤重金屬污染狀況，并繪制空間分布圖。 [結(jié)果] 濰坊市大部分地區(qū)土壤重金屬未產(chǎn)生污染，但在某些地區(qū)鎳的污染等級(jí)達(dá)到3級(jí)；8種重金屬污染程度依次為：Hg>Ni>Zn>Cr>Pb>Cd>Cu>As；土壤中Cd，Ni，Pb，Hg受土壤質(zhì)地影響，Cd，Ni，Pb易在砂土中富集，Hg易在黏土中富集；重金屬元素濃度與土壤pH值相關(guān)性較差；Hg的濃度與土壤有機(jī)質(zhì)有著非常顯著的正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)；Ni污染存在著復(fù)合現(xiàn)象；重金屬元素中，Cu，Cr，Ni在空間的分布主要集中于青州—臨朐—昌樂交界處和安丘—諸城交界處。 [結(jié)論] 土壤重金屬污染分布與人類活動(dòng)有關(guān)，應(yīng)加強(qiáng)地區(qū)交界處的環(huán)境管理力度。

ArcGIS; 土壤重金屬; 地質(zhì)累積指數(shù); 相關(guān)性; 空間分布

近年來，中國(guó)工農(nóng)業(yè)和城市得到了較快較好的發(fā)展。重金屬元素通過大氣、水體、固廢等多種途徑進(jìn)入到土壤環(huán)境中，給土壤環(huán)境造成了巨大的壓力[1-3]。山東省濰坊市作為全國(guó)最大的農(nóng)產(chǎn)品加工基地、最大的優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地和最大的農(nóng)產(chǎn)品集散基地之一，其土壤質(zhì)量的優(yōu)劣決定了農(nóng)產(chǎn)品的安全，進(jìn)而影響了眾多居民的健康。為掌握土壤重金屬污染的現(xiàn)狀，合理安排農(nóng)業(yè)開發(fā)活動(dòng)，對(duì)濰坊市開展了重金屬污染調(diào)查，以ArcGIS為操作平臺(tái)，采用地質(zhì)積累指數(shù)分析濰坊市土壤重金屬污染狀況，并進(jìn)行空間分布研究。

1 研究區(qū)概況

濰坊市位于山東半島西部，地跨北緯35°41′—37°26′，東經(jīng)118°0′—120°01′。南倚沂山，北瀕渤海，東連青島、煙臺(tái)，西接淄博、東營(yíng)。面積1.58×104km2。市域地勢(shì)南高北低，南部是山區(qū)丘陵，中部為平原，北部是沿海灘涂。土層深厚，氣候溫和，水資源豐富，是山東省乃至全國(guó)重要的蔬菜基地。

2 分析與評(píng)價(jià)方法

2.1 樣品的采集與測(cè)定

2.1.1 布點(diǎn)與采樣 本次土壤環(huán)境質(zhì)量調(diào)查，按照《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查點(diǎn)位布設(shè)技術(shù)規(guī)定》的布點(diǎn)要求和編碼規(guī)則，根據(jù)不同土地利用類型和土壤類型，在1∶25萬電子地圖上統(tǒng)一劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格中心點(diǎn)即為調(diào)查點(diǎn)位，耕地網(wǎng)格8 km×8 km，濰坊市采樣點(diǎn)共235個(gè)。對(duì)調(diào)查點(diǎn)位經(jīng)緯度信息進(jìn)行數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換，按照全國(guó)統(tǒng)一編碼要求進(jìn)行編碼。

按土地利用類型和適用條件，采用GPS定位，在調(diào)查點(diǎn)位周圍采集0—20 cm表層土壤混合樣，保留相當(dāng)于3 kg以上風(fēng)干土壤的土樣，其他要求符合《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查土壤樣品采集(保存)技術(shù)規(guī)定》。

2.1.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目 本研究主要針對(duì)8種重金屬元素開展，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分別為：As，Cd，Cr，Cu，Hg，Ni，Pb，Zn。

2.1.3 樣品的處理與分析 預(yù)處理采用陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干，剔除樣品中的植物根系、有機(jī)殘?jiān)约翱梢娗秩塍w，用木質(zhì)工具碾碎并用瑪瑙研缽研磨，分別過10,20和100目篩。土壤中全量砷采用二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法測(cè)定，全量鎘、鉛采用石墨爐原子吸收分光光度法測(cè)定，全量鉻、銅、鋅、鎳采用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定，全量汞采用冷原子吸收光光度法。所用試劑均為優(yōu)級(jí)純，分析過程中采用平行樣，加標(biāo)(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品ESS-1)進(jìn)行質(zhì)量控制。

2.2 評(píng)價(jià)方法與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

目前，單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、地質(zhì)累積指數(shù)法、模糊貼近度法等均應(yīng)用于土壤重金屬污染評(píng)價(jià)。不同的評(píng)價(jià)方法均有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)[4]。地質(zhì)累積指數(shù)因其意義明確、計(jì)算方便，得到了廣泛的應(yīng)用。地質(zhì)累積指數(shù)雖無法包含法定標(biāo)準(zhǔn)，其修正系數(shù)也缺乏隨研究介質(zhì)性質(zhì)的變化而改變的狀況，但作為一種評(píng)價(jià)方法不失為一種新的探討領(lǐng)域，本研究采用地質(zhì)累積指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.2.1 地質(zhì)累積指數(shù) 地質(zhì)累積指數(shù)(geoaccumulation lndex)通常稱為Muller指數(shù)，是20世紀(jì)60年代晚期在歐洲開展起來的。它廣泛用于研究沉積物及其它物質(zhì)中重金屬污染程度的定量指標(biāo)[5]，不僅考慮了沉積成巖作用等自然地質(zhì)過程造成的背景值的影響，同時(shí)充分注意了人為活動(dòng)對(duì)重金屬污染的影響。因此，該指數(shù)不僅反映了重金屬分布的自然變化特征，而且可以判別人為活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響，是區(qū)分人為活動(dòng)影響的重要參數(shù)。其表達(dá)公式為：

式中：Iij——第i個(gè)樣品中元素j的地質(zhì)累積指數(shù)；Cij——第i個(gè)樣品中元素j的濃度； BEj——元素j的背景濃度； 1.5——修正指數(shù)，通常用來表征沉積特征、巖石地質(zhì)及其它影響。

濰坊市土壤重金屬地質(zhì)累積指數(shù)中元素背景濃度應(yīng)采用山東省重金屬元素濃度背景值，As，Cd，Cr，Cu，Hg，Ni，Pb，Zn分別為9.30，0.084，66.0，24.0，0.019，25.8，25.8，63.5 mg/kg。

2.2.2 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) 地質(zhì)累積指數(shù)可分為多個(gè)級(jí)別，如Forstner等分為7個(gè)級(jí)別[5]，0—6級(jí)表示污染程度由無到極強(qiáng)，最高1級(jí)(6級(jí))的元素含量可能是背景值的幾百倍，不同的級(jí)別也代表著不同的重金屬污染程度[6](表1)。

表1 地質(zhì)累積指數(shù)分級(jí)

3 土壤重金屬污染特征分析

3.1 土壤重金屬污染程度現(xiàn)狀

采用地質(zhì)累積指數(shù)，對(duì)濰坊市235個(gè)采樣點(diǎn)的8種重金屬分別進(jìn)行了分析，結(jié)果詳見表2。由表2可以看出，濰坊市大部分地區(qū)土壤重金屬未產(chǎn)生污染，總體平均污染程度較低，污染等級(jí)不超過2級(jí)。但在某些地區(qū)鎳的污染等級(jí)達(dá)到3級(jí)，為中污染至強(qiáng)污染級(jí)別。8種重金屬污染程度依次為：汞>鎳>鋅>鉻>鉛>鎘>銅>砷。因此，應(yīng)對(duì)濰坊市部分地區(qū)重金屬鎳污染嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行治理，并在全市范圍內(nèi)開展對(duì)汞污染的防治。

表2 不同重金屬的污染指數(shù)(I)及等級(jí)

3.2 不同土壤質(zhì)地的富集度分析

濰坊市分布有重壤土、中壤土、砂土、砂壤土、輕壤土和黏土6種土壤質(zhì)地。以輕壤土和重壤土分布最廣，由濰坊市不同質(zhì)地土壤的重金屬元素污染指數(shù)狀況可以看出(表3)，土壤重金屬元素在不同質(zhì)地類型土壤的富集度存在著差異。

表3 不同質(zhì)地土壤的重金屬元素污染指數(shù)

重金屬在不同質(zhì)地土壤中的富集度存在著一定的差異，但差異幅度不同(圖1—2)。8種重金屬元素中，As，Cr，Cu，Zn含量隨土壤質(zhì)地幾乎無變化；其他各元素均有變化。Cd，Ni，Pb的最大值均出現(xiàn)在砂土(C)，Hg的情況完全相反，最小值出現(xiàn)在砂土(C)。Cd，Ni的最小值出現(xiàn)在黏土(F)。差異分析說明，濰坊市土壤中，Cd，Ni，Pb，Hg的含量隨土壤質(zhì)地而產(chǎn)生差異。其中，砂土與黏土中重金屬元素含量差別很大。與Hg的情況相反，Cd，Ni，Pb易在砂土中富集。

圖1 濰坊市不同質(zhì)地土壤As，Cd，Cr，Cu富集程變化

圖2 濰坊市不同質(zhì)地土壤Hg，Ni，Pb，Zn富集變化

3.3 相關(guān)性分析

3.3.1 與土壤有機(jī)質(zhì)、pH值的相關(guān)性分析 本次調(diào)查6種質(zhì)地土壤的235個(gè)樣品中，土壤中Hg的濃度與土壤有機(jī)質(zhì)相關(guān)系數(shù)為0.192，在0.01水平上顯著相關(guān)性，其他重金屬與有機(jī)質(zhì)的相關(guān)性很差。

經(jīng)相關(guān)性分析，235個(gè)樣品的8種重金屬元素濃度與土壤pH值相關(guān)性較差，均未達(dá)到顯著相關(guān)的水平。

3.3.2 重金屬元素間的相關(guān)性分析 由研究區(qū)重金屬元素相關(guān)系數(shù)表(表4)可以看出，各種重金屬元素之間的相關(guān)系數(shù)不盡相同(表4)，Cd與Hg，Zn，Cr與Cu，Ni，Cu與Ni，Zn，Ni與Zn均存在著高度的相關(guān)性。

Cu與As，Cd之間也存在著一定的相關(guān)性。濰坊市土壤中的Ni污染程度較其他重金屬污染物要高，且Ni與其他元素出現(xiàn)顯著相關(guān)性。

由此說明，濰坊市土壤中的Ni污染存在著復(fù)合現(xiàn)象，初步認(rèn)為與土壤的使用耕作方式不同有關(guān)[7-8]。

表4 重金屬元素相關(guān)性系數(shù)

注：**表示相關(guān)系數(shù)在0.01水平上顯著；*表示相關(guān)系數(shù)在0.05水平上顯著。

4 土壤重金屬污染空間分布

4.1 區(qū)域分布差異

對(duì)濰坊市轄4區(qū)6市2縣分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以發(fā)現(xiàn)土壤重金屬在區(qū)域間分布的差異。從圖3—4中可看出，各重金屬元素在不同區(qū)域內(nèi)存在著差異，其中最為明顯的為Cd，Cu，Hg。Cd在安丘市分布最多，Cu在臨朐縣分布較多，Hg在市轄區(qū)、青州市和高密市分布較多。

注：a 市轄區(qū)寒亭; b青州市; c諸城市； d壽光市; e安丘市; f高密市; g昌邑市； h臨朐縣; i昌樂縣。下同。圖3 濰坊市不同區(qū)域土壤As，Cd，Cr，Cu污染指數(shù)

圖4 濰坊市轄4區(qū)6市2縣不同區(qū)域土壤Hg，Ni、，Pb，、Zn污染指數(shù)變化

4.2 空間分布

目前，GIS軟件被廣泛應(yīng)用于空間分布研究[9-10]。濰坊市土壤重金屬的分布存在著差異，為探究其空間分布上的特點(diǎn)與規(guī)律，以235個(gè)采樣點(diǎn)為對(duì)象，進(jìn)行空間分布研究。半方差函數(shù)是以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)建立起來的最基本的函數(shù)，也是地統(tǒng)計(jì)學(xué)中分析變量空間結(jié)構(gòu)的重要工具，它可反映變量的空間自相關(guān)性。采用半方差函數(shù)描述重金屬的空間變異特征，結(jié)果顯示8種重金屬的半方差函數(shù)理論模型均很好地符合高斯模型。本研究在ArcGIS 8.3軟件的SpatialAnalyst模塊中，采用無偏最佳估值的普通克立格插值法(Ordinary Kriging)，以高斯模型對(duì)235個(gè)樣點(diǎn)的地質(zhì)累積指數(shù)進(jìn)行空間插值，由根據(jù)插值結(jié)果制作污染指數(shù)的空間分布圖分析可知，濰坊市土壤中重金屬As，Cu，Cr，Ni在空間上的分布趨勢(shì)相似，出現(xiàn)了明顯的漸變過程，以青州、昌樂等為中心的濰坊西部地區(qū)分布較多。Cd的分布則主要集中在濰坊東部地區(qū)；Pb在東、西部地區(qū)分布較多，而在中部地區(qū)分布較少；其他重金屬的分布無明顯規(guī)律。

5 討論與結(jié)果

(1) 濰坊市大部分地區(qū)土壤重金屬未產(chǎn)生污染，總體平均污染程度較低，但在某些地區(qū)鎳的污染等級(jí)達(dá)到3級(jí)，為中污染至強(qiáng)污染級(jí)別，應(yīng)加強(qiáng)治理。8種重金屬污染程度依次為：汞>鎳>鋅>鉻>鉛>鎘>銅>砷，今后應(yīng)對(duì)汞予以充分重視。

(2) 濰坊市土壤中，Cd，Ni，Pb，Hg的含量隨土壤質(zhì)地而產(chǎn)生差異。其中，砂土與黏土中重金屬元素含量差別很大。與Hg的情況相反，Cd，Ni，Pb易在砂土中富集。

(3) 濰坊市土壤中8種重金屬元素濃度與土壤pH值相關(guān)性較差；Hg的濃度與土壤有機(jī)質(zhì)有著非常顯著的正相關(guān)性；Cd與Hg，Zn，Cr與Cu，Ni，Cu與Ni，Zn，Ni與Zn均存在著高度的相關(guān)性。濰坊市土壤中的Ni污染存在著復(fù)合現(xiàn)象，初步認(rèn)為與土壤的使用耕作方式不同有關(guān)。

(4) 從各行政區(qū)域看，各重金屬元素在不同區(qū)域內(nèi)存在著差異，其中最為明顯的為Cd，Cu，Hg。Cd在安丘市分布最多，Cu在臨朐縣分布較多，Hg在市轄區(qū)、青州市和高密市分布較多，Cd的分布則主要集中在濰坊東部地區(qū)，Pb在東西部分布較多，其他重金屬的分布則呈零星分布。

(5) 從空間分布插值圖看，As，Cu，Cr，Ni的分布出現(xiàn)了明顯的漸變過程，在濰坊市西部分分布較多，東部較少。Cd的分布則主要集中在濰坊東部地區(qū)；Pb在東、西部地區(qū)分布較多，而在中部地區(qū)分布較少；其他重金屬的分布無明顯規(guī)律。

(6) 結(jié)合重金屬相關(guān)性分析與空間分布圖可以發(fā)現(xiàn)，Cu，Cr，Ni之間相關(guān)性較高，且同時(shí)在空間的分布規(guī)律極為相似，濃度較高地區(qū)主要有兩部分，其一位于青州—臨朐—昌樂交界處，其二位于安丘—諸城交界處。經(jīng)過土壤重金屬元素與土壤質(zhì)地、理化性質(zhì)的相關(guān)性分析，僅Ni與土壤質(zhì)地有較大的相關(guān)性，Cu，Cr均不會(huì)隨土壤質(zhì)地和理化性質(zhì)而有所變化。因此認(rèn)為，濰坊市Cu，Cr，Ni的分布受人類活動(dòng)影響較大，具體的原因仍需進(jìn)一步研究。濰坊市各縣市交界處的環(huán)境管理工作需要得到加強(qiáng)。

總的來看，濰坊市部分土壤目前受到重金屬的污染，但污染程度較低。需重點(diǎn)治理的是Ni的污染。各縣市污染水平相似，不存在特別明顯的重污染地帶。Cu，Cr，Ni分布的規(guī)律表明縣市交界處的環(huán)境管理工作需要得到進(jìn)一步加強(qiáng)。濰坊市為國(guó)家重要的蔬菜生產(chǎn)基地，良好的土壤環(huán)境為優(yōu)質(zhì)的蔬菜生產(chǎn)提供了保證。

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A Stydy on Distribution of Soil Heavy Metal Pollution in Weifang City Based on Geography Information System

LIU Yanjun, ZHANG Baohua, LIU Ziting, ZHANG Hongyuan, LI Mengru, CAO Jianrong

(CollegeofEnvironmentandPlanning,LiaochengUniversity,Liaocheng，Shandong252059,China)

[Objective] The concentration and distribution of heavy metal pollution in Weifang City were studied in order to guide the agricultural production. [Methods] As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb and Zn in 235 soil samples were monitored in Weifang City. And the geo-accumulation index of heavy metal pollution in different soil types were calculated.[Results] Results showed that the polluted degree of all heavy metals was different. Its average order was: Hg>Ni>Zn>Cr>Pb>Cd>Cu>As. The geo-accumulation index of Ni was the highest in some regions. Soil organic matter were related with some heavy metals, but pH was not connected with all heavy metals. There existed obvious combined pollution of Ni. Cu，Cr，Ni mainly concentrated in two borders, one of which was the border of Qingzhou, Linqu and Changle area, and the other was on the border of Anqiu and Zhucheng area.[Conclusion] The distribution of heavy metal pollution in soil was associated with human activities, the environmental management of the administrant region boundary should be strengthened.

geography information system； soil metals； geoaccumulation index； relevance； distribution

2016-03-16

2016-06-06

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)科學(xué)研究發(fā)展規(guī)劃(973)項(xiàng)目“我國(guó)典型海岸帶對(duì)氣候變化響應(yīng)機(jī)制及脆弱性評(píng)估研究”(2010CB951200); 國(guó)家海洋公益專項(xiàng)(2011418020); 山東省科技攻關(guān)計(jì)劃(2012GHY11518); 山東省自然科學(xué)基金(2014ZRB01432； ZR2010DL008； Y2008E27); 山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目(J11LE54； J15LH09)； 國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510447011)； 聊城大學(xué)博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目

劉衍君(1979—),女(漢族),山東省文登市人,碩士,副教授,主要從事土壤重金屬污染與機(jī)理方面的研究。E-mail:liuyanjun@lcu.edu.cn。

曹建榮(1977—),男(漢族),山東省安丘市人,博士,講師,主要從事海水入侵與土壤鹽漬化方面的研究。E-mail:caojianrong@lcu.edu.cn。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.025

B

1000-288X(2016)06-0150-05

X53, X171

文獻(xiàn)參數(shù)： 劉衍君, 張保華, 劉子亭, 等.基于ArcGIS的濰坊市土壤重金屬污染現(xiàn)狀與空間分布研究[J].水土保持通報(bào)，2016,36(6)：150-154.