李瑞平，姜詠棟，李光德*，周楠楠，于 沖，候存東

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東泰安 271018;2.泰安市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站，山東 泰安 271018)

我國是耕地資源極其匱乏的國家，近年來其數(shù)量又在不斷減少，另一方面，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，耕地土壤環(huán)境污染問題越來越突出，特別是耕地土壤重金屬和農(nóng)藥等有機(jī)物污染尤為突出，已成為限制農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大障礙。目前我國受鎘、砷、鉻、鉛等重金屬污染的耕地面積近2000萬hm2，約占耕地總面積的1/5，其中工業(yè)“三廢”污染耕地1000萬hm2。且在快速發(fā)展的城鎮(zhèn)化進(jìn)程中人為活動的影響，使得土壤面臨著日益加大的環(huán)境壓力［1］。由于土壤污染具有滯后性、隱蔽性和長期性，且?guī)淼氖澄锇踩珕栴}和生態(tài)安全問題往往未能引起人們足夠的重視［2］。土壤污染不僅直接影響植物的生長，農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，通過食物鏈影響動物和人類的健康，還可以引起一系列的次生環(huán)境問題，從而影響大氣和水的環(huán)境質(zhì)量。在我國土壤資源嚴(yán)重短缺的今天，如何協(xié)調(diào)好經(jīng)濟(jì)的高速增長和土壤資源的合理利用與保護(hù)之間的關(guān)系，成為社會關(guān)注的問題，這是當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，也是實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)、社會可持續(xù)發(fā)展所必須解決的關(guān)鍵問題之一。

利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究土壤特性的空間變異特征被認(rèn)為是一種較好的方法。因?yàn)檫\(yùn)用GIS可以建立并更新土壤重金屬的數(shù)據(jù)庫，這樣可以對土壤污染進(jìn)行連續(xù)詳細(xì)的研究，同時(shí)做出的插值圖具有可視化和立體感強(qiáng)的特點(diǎn)。本文選擇了山東省泰安市的農(nóng)田土壤為研究對象，以地統(tǒng)計(jì)與GIS技術(shù)相結(jié)合的研究方法綜合分析其農(nóng)田土壤中重金屬含量分布狀況，旨在為該區(qū)農(nóng)業(yè)土壤污染綜合防治提供參考，并為快速工業(yè)化、城市化地區(qū)土壤資源的持續(xù)利用和合理管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

魯中山區(qū)位于山東省中南部，是山東省地勢最高的區(qū)域，區(qū)域內(nèi)地貌類型復(fù)雜，土地利用方式多樣，屬于山東的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū)。泰安市是魯中南山區(qū)的代表區(qū)域，位于東經(jīng)116°20ˊ～117°59ˊ，北緯35°38ˊ～36°28 ˊ，面積 7762 km2，人口551.7 萬人，人均占有土地 0.15 hm2，其中可利用土地 67.2 萬 hm2，占總面積的86.6%。該市地勢自東北向西南傾斜，境內(nèi)擁有多種地貌類型如山地、丘陵、平原等。泰安市氣候?qū)儆谂瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明，寒暑適宜，光溫同步，雨熱同季。年平均氣溫是13.5 ℃，平均日照2627 h，降水量年際變化大，年平均降水量719.2 mm，無霜期平均195 d。全市土壤類型多樣，主要有棕壤、褐土、砂姜黑土、潮土、山地草甸型土和風(fēng)沙土六大類，土壤pH值為中性。土壤的粘化作用強(qiáng)烈，還產(chǎn)生較明顯的淋溶作用。

1.2 樣品采集及研究方法

按照《農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定確定監(jiān)測單元，采樣點(diǎn)的布設(shè)以能代表監(jiān)測區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量為原則，采集0～20 cm的耕層土壤，每個樣品在采集過程中，都采用了GPS精確定位，采集了110個采樣點(diǎn)。具體采樣原則為:1)采樣點(diǎn)選擇在土壤環(huán)境較好的區(qū)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(diǎn)或水土流失嚴(yán)重以及表土破壞明顯的地點(diǎn)采樣;3)采樣時(shí)選取有代表性的地點(diǎn)，并以該點(diǎn)為中心，在其周圍100 m的區(qū)域內(nèi)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(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型，大體了解樣點(diǎn)周圍土地利用和土地覆被情況。圖1為采樣點(diǎn)分布圖。

土壤樣品于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然風(fēng)干，剔除植物殘?bào)w和石塊，磨碎，過100目篩，保存于塑料瓶中備用。樣品分析共選擇Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ag和Ni 7種重金屬元素進(jìn)行含量測定。方法如下:Cu、Zn和Ni采用硝酸、高氯酸、氫氟酸聯(lián)合消煮，原子吸收分光光度法測定;Pb、Cd采用硝酸、高氯酸、氫氟酸聯(lián)合消煮，石墨爐原子吸收分光光度法測定;Cr采用硫酸、氫氟酸、高氯酸聯(lián)合消煮，原子吸收分光光度法測定;Hg采用王水消煮，原子熒光分光光度法測定。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)位分布圖Fig.1 Distribution of sampling points

1.3 空間插值分析

空間插值是空間數(shù)據(jù)分析的常用方法，而克里格法是最常用的空間插值方法之一，該方法實(shí)質(zhì)上是利用區(qū)域化變量的原始數(shù)據(jù)和半變異函數(shù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對未采樣點(diǎn)的區(qū)域化變量的取值進(jìn)行線性無偏最優(yōu)估計(jì)的一種方法［3－5］。本研究是在數(shù)據(jù)經(jīng)過正態(tài)分布檢驗(yàn)后，應(yīng)用半方差分析軟件GS+9.0軟件(Gamma Design Software Co.，USA)進(jìn)行半方差分析后，采用軟件ArcGIS 9.2中Geostatistical Analys(地統(tǒng)計(jì)分析)模塊，用普通克里格法對研究區(qū)中土壤重金屬含量進(jìn)行最優(yōu)、無偏空間插值，閾值依據(jù)國家規(guī)定的土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤重金屬含量描述性統(tǒng)計(jì)

表1 泰安市農(nóng)田土壤中重金屬含量的統(tǒng)計(jì)特征(mg·kg－1，n=110)Table 1 Descriptive statistics of heavy metal concertrations in Taian City(mg·kg－1)

研究區(qū)土壤樣品某些重金屬元素含量基本統(tǒng)計(jì)特征、山東省土壤元素背景值及我國土壤元素背景值［6］見表1。與我國土壤元素背景值(算術(shù)平均值)相比，泰安市農(nóng)田表土中Hg、Ni的富集程度較高，Cd、Cr、Cu等重金屬元素的含量率高于全國土壤元素的算術(shù)平均的背景值，而Zn、Pb的富集程度較低。

表層土壤中Hg的含量范圍為0.029～0.582 mg/kg，算數(shù)平均值為0.338 mg/kg，是全國土壤元素背景值的5.2倍。

所研究樣品中 Ni含量的最小值為 26.957 mg/kg，最大值為 59.352 mg/kg，平均值 37.146 mg/kg，是土壤元素背景值的1.4倍。

Cu的含量的最小值為10.974 mg/kg，算數(shù)平均值為25.244 mg/kg，是土壤元素背景值的1.1倍，最大值為101.346 mg/kg，約為背景值的4.5 倍。

比較中位數(shù)與平均值可以發(fā)現(xiàn)，7種元素中有3種元素(Hg、Cd、Cr)中位數(shù)略大于平均值，證明數(shù)據(jù)的正態(tài)分布特征偏右，反映了由于工業(yè)發(fā)展和其他因素導(dǎo)致研究區(qū)元素含量超過原始水平，但是情況尚不嚴(yán)重。對比眾數(shù)和平均值，只有1個元素(Ni)的眾數(shù)高于平均值，多數(shù)重金屬元素的眾數(shù)小于平均值，說明元素疊加情況明顯，元素?cái)?shù)值離散性較大，方差數(shù)值較高也證明了上述特點(diǎn)。

由表1可以看出，泰安市農(nóng)田土壤重金屬含量有較大的變異，7種元素的變異系數(shù)都在70%以上，其中變異系數(shù)最大的為Ni(85.4%)，其次為Zn(75.6%)。7種元素在土壤之間較大的變異性反映了這些元素的分布具有較大的波動性，這種波動性很大程度上是由人類活動引起的。

2.2 土壤重金屬的空間變異特征函數(shù)

土壤重金屬污染的空間變異通過變異函數(shù)來描述，變異函數(shù)反映了不同距離的觀測值之間的變化［7－9］。變異函數(shù)的計(jì)算一般要求數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，否則可能存在比例效應(yīng)［2］。本研究通過Grubbs法［10］檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)7種重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)有的不符合正態(tài)分布。因此，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析前，將部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)化，并進(jìn)行特異值剔除。根據(jù)公式計(jì)算出半變異函數(shù)，利用ArcGIS分別用不同類型的模型進(jìn)行擬合，計(jì)算其參數(shù)及擬合度最好的模型類型［11］。通過比較各擬合檢驗(yàn)參數(shù)，確定7種重金屬元素的最佳擬合模型及其相關(guān)參數(shù)見表2。利用GS+9.0擬合土壤中元素Cu、Zn、Cr、Cd、Pb、Ni和Hg的半方差函數(shù)最佳理論模型及其相關(guān)參數(shù)見表4。這些參數(shù)反映了土壤中重金屬含量的變異特征，通過對比分析這些參數(shù)，能夠從理論上來認(rèn)識土壤重金屬的空間分布特征。

塊金值(C0)代表一種非采樣點(diǎn)間距造成的變異，屬隨機(jī)變異，反映了隨機(jī)因素(如社會經(jīng)濟(jì)因素)引起的空間變異?；_值(C1+C0)是指在不同采樣間距中存在的半方差極大值，反映了自然因素(如成土母質(zhì)、地形等)和社會經(jīng)濟(jì)因素(如施肥、種植制度等)共同引起的空間變異，其由隨機(jī)性變異和結(jié)構(gòu)性變異構(gòu)成［12－13］。

塊金值(C0)與基臺值(C1+C0)之比是反映區(qū)域化變量空間變異程度的重要指標(biāo)，又稱為塊金效應(yīng)。該比值用以反映空間變異影響因素中結(jié)構(gòu)性(自然因素)和隨機(jī)性因素(人為因素)誰占主導(dǎo)作用［3］。當(dāng)C0/C1+C0＜25%時(shí)，表明變量的空間變異以結(jié)構(gòu)性變異為主，變量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，主要受素控制，受人為因素影響較小;當(dāng)25%≤C0/C1+C0≤75%時(shí)，表明變量具有中等程度的空間相關(guān)性;當(dāng)C0/C1+C0＞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［14］。我們可以看到7 種重金屬中 Cu、Zn、Cd、Cr、Pb、Ni和 Hg 的比值依次為 23%、60.54%、27.88%、36.32%、63.48%、42.95%和75.61%，說明Cu的具有很強(qiáng)的空間相關(guān)性，Hg的空間相關(guān)性最弱，Zn、Cu、Cr、Pb和Ni具有中等空間相關(guān)性。這也就進(jìn)一步說明Cu的空間變異主要受母質(zhì)和地形等內(nèi)在因素決定，而Hg的空間變異主要受耕作施肥等外在因素決定，其他重金屬元素同時(shí)受內(nèi)在和外在因素的影響。

表2 Kriging模型擬合及其檢驗(yàn)參數(shù)Table 2 Kriging fitting models and its validation coefficients

表3 不同Kriging模型變異參數(shù)比較Table 3 Compare of variation parameters for different Kriging models

最大相關(guān)距離即變程指變異函數(shù)達(dá)到基臺值所對應(yīng)的距離，它表示元素的空間自相關(guān)范圍，變程的變化也反映出土壤要素主要變異過程的變化。變程越大，說明土壤中該元素的均一性越強(qiáng);變程越小，則意味著土壤中該元素的均一性越弱，在小范圍內(nèi)的變異加強(qiáng)，整體分布也更復(fù)雜。由表3可以看出，土壤中變程最大的元素是Pb，其次是Cr、Hg和Cd，而Cu、Zn和Ni的變程較小。這說明土壤中Pb、Cr、Hg等元素空間分布的均一性較強(qiáng)，而Cu、Zn和Ni在土壤中的分布在小范圍內(nèi)的變異不容忽視。

2.3 土壤重金屬的空間分布特征

利用ArcGIS的GS擴(kuò)展功能模塊(Geostatistical Analyst)的地統(tǒng)計(jì)分析功能，采用普通克里格(Ordinary Kriging)插值模式，輸入上述半變異函數(shù)的模型參數(shù)，建立土壤重金屬元素的空間變異分布格局(圖2)。

圖2 農(nóng)田土壤重金屬含量空間分布圖Fig.2 Spatial variability of soil heavy metals in the study area

從圖2可以看出，研究區(qū)土壤中Hg的高含量區(qū)主要分布在東平縣和寧陽縣，即泰安市南部Hg的污染高含量區(qū)，高含量區(qū)占泰安市總農(nóng)用地面積的40%;Zn的高含量地區(qū)是泰安市和新泰市以及肥城市的北部，即Zn的空間分布趨勢是由東向西逐漸增加，高含量區(qū)占泰安市總農(nóng)用地面積的15%;Ni的高含量區(qū)主要是新泰市，東平縣的西部有較輕的污染，占泰安市總農(nóng)用地面積的16%;Cd污染高含量的地區(qū)是新泰市，整個新泰市Cd的含量相對都比較高，東平縣東部也有少量的輕度污染，高含量地區(qū)面積占泰安市總農(nóng)用面積25%;Pb的污染是這幾種重金屬元素中最突出的，相對高含量區(qū)幾乎覆蓋整個泰安市，只有新泰市的含量相對較輕，高含量地區(qū)的百分含量為68%;Cr污染高含量地區(qū)是新泰市和東平縣，中部地區(qū)的污染含量相對較輕，高含量面積地區(qū)占泰安市總農(nóng)用地面積的37%;Cu污染較含量高的地區(qū)是新泰市，空間分布趨勢是由西向東逐漸增加，污染高含量面積是總面積的16%。因此總體上，泰安市的農(nóng)田土壤中金屬污染中Hg和Pb的污染在不超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)相對含量比較高，整個區(qū)域都有相對較高的含量，其他元素的污染高含量區(qū)分布相對較小。

2.4 討論

從分布特征上比較來看，土壤中Cu和Zn的來源應(yīng)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的農(nóng)藥，化肥施用有密切的關(guān)系;土壤中Cr和Ni的來源一方面與土壤母質(zhì)有關(guān)，另外和該區(qū)的冶金、化工企業(yè)的點(diǎn)源污染有關(guān);Boruvka等在捷克東北部的研究也認(rèn)為元素Cu、Zn、Ni和Cr主要為地質(zhì)來源［13］;Pb元素來源之一是交通車輛排放的尾氣，另外還與土壤母質(zhì)有關(guān)，在城市土壤中Pb常被作為機(jī)動車污染源的標(biāo)識元素［15－16］;土壤中Cd的來源和農(nóng)業(yè)種植過程中施用復(fù)混肥和農(nóng)藥不無關(guān)系，Cd一般可作為施用農(nóng)藥和化肥等農(nóng)業(yè)活動的標(biāo)識元素［17－19］，另外可能和柴汶河的污水灌溉所帶來的污染有關(guān)?？梢?，泰安市土壤中的重金屬元素，除土壤母質(zhì)和土壤本身性質(zhì)的影響之外，土地利用現(xiàn)狀與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的特點(diǎn)也是造成土壤重金屬變異的另一重要因素。

Kriging插值結(jié)果受變異函數(shù)模型的模擬精度、樣點(diǎn)的分布、鄰近樣點(diǎn)的選取數(shù)等許多因素的影響。通常規(guī)則取樣的估計(jì)方差要小于不規(guī)則取樣，但規(guī)則的網(wǎng)格取樣產(chǎn)生的樣點(diǎn)數(shù)過多，給野外采樣和實(shí)驗(yàn)室分析帶來了較大的負(fù)擔(dān)，特別是在較大的研究區(qū)域下。本文在規(guī)則取樣要求的框架下，結(jié)合研究區(qū)當(dāng)?shù)氐耐恋乩们闆r進(jìn)行取樣，既減少了工作量，又保證獲取最大的信息，使地統(tǒng)計(jì)分析的精度符合要求。雖然個別區(qū)域的采樣點(diǎn)分布較疏，但插值結(jié)果的整體分布趨勢并未受到影響。

由于受數(shù)據(jù)占有情況的影響，本文僅分析了泰安市表層土壤中重金屬元素含量的空間變異特征與分布規(guī)律，尚無法對泰安市的每一種重金屬含量與工業(yè)企業(yè)的關(guān)系進(jìn)行深入的定量分析。因此，要想掌握工業(yè)生產(chǎn)對土壤中重金屬累積的貢獻(xiàn)，還需要通過收集各工業(yè)企業(yè)的地理位置、生產(chǎn)規(guī)模、污染物排放量等方面的資料，結(jié)合土壤中重金屬含量及分布情況進(jìn)行深入研究。

3 結(jié)論

(1)與我國土壤元素的背景值(算術(shù)平均值)相比，泰安市農(nóng)田表層土壤中Hg、Ni的富集程度較高，Cd、Cr、Cu、Zn和Pb的富集程度較低。各種元素在土壤中的變異屬于中等的變異，不同元素在土壤中的變異系數(shù)大小順序?yàn)镹i＞Zn＞Hg＞Cr＞Cu＞Pb＞Cd，變異系數(shù)最大的是Ni，變異系數(shù)越大，元素在土壤中的含量越不平均，說明受人類活動影響越大。

(2)土壤中Cu的塊金值與基臺值之比小于25%，說明Cu的空間相關(guān)性較強(qiáng);Zn、Cd、Cr、Pb、Ni的塊金值與基臺值之比在25%～75%之間，說明這5種元素的分布表現(xiàn)為中等空間相關(guān)性;而Hg的塊金值與基臺值之比大于75%，說明這種元素的空間相關(guān)性較弱。

(3)從插值結(jié)果可以得到，土壤中Cd污染由西向東加重的趨勢，高含量區(qū)主要集中在東部的新泰市，Pb的污染范圍比較廣，Cu的含量由東向西逐漸增加，高含量區(qū)主要是新泰市，Cr的分布為西部和東部高而中部較低，即高含量區(qū)具體到新泰市和東平縣，Zn和Ni的高含量區(qū)主要集中在東部的新泰市，Hg的分布趨勢是由北向南逐漸增加，高含量區(qū)集中在南部的寧陽縣。不同的分布規(guī)律是人類活動與土壤母質(zhì)雙重影響的結(jié)果。

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