宗丹丹 黃智剛

摘要：為了解壽光市表層土壤重金屬As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn的基本統(tǒng)計特征、污染程度與空間分布特征，本研究采用內(nèi)梅羅指數(shù)法與潛在生態(tài)風(fēng)險評價法對壽光市土壤質(zhì)量狀況進(jìn)行評估，對重金屬來源進(jìn)行相關(guān)性分析，通過變異系數(shù)與ArcGIS地統(tǒng)計分析功能對壽光市表層土壤中的重金屬進(jìn)行統(tǒng)計分析與空間布局分析。結(jié)果表明：壽光市表層土壤中Cr、Pb、Zn均值分別高于山東省土壤元素背景值27.0%、13.0%、9.5%，As、Cd、Cu、Hg元素的均值雖低，但其最大值已超過背景值;As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn的變異程度總體為中等或中等偏下，重金屬Cr與Cu、Zn與Pb的來源具有相似性，少量區(qū)域受Cr、Hg、Pb、Zn輕度污染，土壤整體狀況良好，潛在生態(tài)風(fēng)險等級為輕度。土壤中各重金屬的分布呈現(xiàn)東部、中部、西南部等區(qū)域濃度高，北部、西北部與東南部等地濃度低的特征。

關(guān)鍵詞：壽光市;土壤重金屬;空間分布;潛在生態(tài)風(fēng)險評價法

中圖分類號：S158.4：X825 ?文獻(xiàn)標(biāo)識號：A ?文章編號：1001-4942（2020）02-0083-07

Abstract In order to understand the basic statistical characteristics， pollution degree and spatial distribution characteristics of heavy metals As， Cd， Cr， Cu， Hg， Pb and Zn in the surface soil of Shouguang City， the soil quality was evaluated by the Nemero index and potential ecological risk assessment methods， the heavy metal sources was analyzed by correlation analysis， and the statistical analysis and spatial distribution analysis of heavy metals in surface soil of Shouguang City were conducted with the coefficient of variation and the geostatistical analysis function of ArcGIS. The results showed that the mean of Cr， Pb and Zn in surface soil of Shouguang City were 27.0%， 13.0% and 9.5% higher than the background value of soil elements in Shandong Province， respectively. The mean of As， Cd， Cu and Hg elements were lower， but their maximum values exceeded the background values. The degree of variation of As， Cd， Cr， Cu， Hg， Pb and Zn were generally moderate and lower， and the source of Cr was similar to that of Cu， Zn and Pb. A few areas were slightly polluted by Cr， Hg， Pb and Zn， and the overall soil condition was good， so the potential ecological risk level was slight. The distribution of heavy metals in soil showed high concentrations in eastern， central and southwestern regions of Shouguang City， and low concentrations in northern， northwestern and southeastern regions.

Keywords Shouguang City; Heavy metals in soil; Spatial distribution; Potential ecological risk assessment

隨著經(jīng)濟發(fā)展、人口增多，土地利用強度越來越大，交通尾氣與工業(yè)廢氣排放、農(nóng)業(yè)活動、工礦開采、工業(yè)廢水灌溉等，都造成了重金屬在土壤中的積存。2014年4月發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，當(dāng)前我國農(nóng)田的土壤點位超標(biāo)率為16.1%，主要污染物包括Cd、Ni、As、Cu、Hg、Pb等金屬元素[1，2]。日益嚴(yán)重的土壤重金屬污染不僅對生態(tài)環(huán)境造成危害，更會沿食物鏈進(jìn)入生物體內(nèi)，對人體健康有潛在威脅，因此對土壤重金屬含量與分布等特性進(jìn)行全面了解顯得尤為重要。

對土壤重金屬的研究始于20世紀(jì)中葉，發(fā)達(dá)國家因發(fā)展依賴重工業(yè)出現(xiàn)嚴(yán)重的土壤污染，而不得不開展大量重金屬污染調(diào)查與治理工作，由此也取得顯著研究成果[3-5]。我國對土壤重金屬污染方面的關(guān)注相對較晚，但仍不乏具有創(chuàng)新指導(dǎo)意義的研究理論與實踐成果，特別是近年來信息技術(shù)的迅速發(fā)展，很多學(xué)者將土壤重金屬研究與GIS、RS、地統(tǒng)計學(xué)等結(jié)合使得相關(guān)技術(shù)理論愈加成熟。楊碩等[6]使用GIS對河北曹妃甸某農(nóng)場農(nóng)田進(jìn)行土壤重金屬空間分布研究時發(fā)現(xiàn)，Cr、Ni、Cu、Zn、As 元素空間分布相似，Cd元素空間上存在明顯的分界線，主要是由農(nóng)田污水灌溉所致。白一茹等[7]對寧夏市枸杞園土壤重金屬濃度進(jìn)行空間插值分析發(fā)現(xiàn)，Ni和Cr、Pb和Mn、Zn和Cu、Cd在研究區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)不同的高濃度區(qū)域，分別與研究園內(nèi)的成土母質(zhì)、工業(yè)活動、交通運輸、農(nóng)業(yè)操作有關(guān)。GIS強大的空間分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、建立模型和制圖能力使得越來越多的研究使用GIS分析土壤重金屬的空間分布特征，準(zhǔn)確評價重金屬的污染等級和范圍，并將其可視化[8]。

目前，內(nèi)梅羅指數(shù)法與潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法綜合評估是常用的土壤重金屬污染評價方法。何博等[9]使用該方法對典型城市化區(qū)域的土壤重金屬污染進(jìn)行評價，找出了污染程度與生態(tài)風(fēng)險較高的區(qū)域，并發(fā)現(xiàn)Cd是主要污染因子;程敏[10]采用該法對重慶某工業(yè)園區(qū)周邊土壤分析發(fā)現(xiàn)，Cd和Hg具有輕累積現(xiàn)象，生態(tài)風(fēng)險處于輕微水平。

本研究通過對山東省壽光市表層土壤中重金屬As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb和Zn的調(diào)查，分析其基本統(tǒng)計特征、來源的相似性，對重金屬的污染水平和潛在生態(tài)風(fēng)險做出評估，利用GIS地統(tǒng)計分析工具繪制土壤重金屬空間分布圖，并對其來源及影響因素進(jìn)行解析，以期為防控壽光市土壤重金屬污染、進(jìn)行相關(guān)農(nóng)業(yè)管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

壽光市位于山東半島中北部，總面積2 200 km2，地處東經(jīng)118°32′～119°10′、北緯36°41′～37°19′之間，屬暖溫帶季風(fēng)區(qū)大陸性氣候，降水多集中于夏季。壽光市地處黃三角平原區(qū)，海拔在1.0～49.5 m之間。境內(nèi)地勢平緩，成土母質(zhì)多為河流沖積物。土壤為中性、弱堿性，主要土壤類型有褐土、潮褐土、褐土化潮土等[11]。壽光市擁有的自然資源優(yōu)勢使其蔬菜種植水平處于全國前沿，擁有全國最大的蔬菜生產(chǎn)和批發(fā)市場，有“中國蔬菜之鄉(xiāng)”的美譽。

1.2 數(shù)據(jù)來源

土壤樣品采集于2016年。各采樣點進(jìn)行GPS定位（圖1）后，使用網(wǎng)格采樣法采集表層0～20 cm土壤，將多點（≥5）取樣土壤充分混合后取1 kg作為一個代表樣，共采集21個表層土樣。野外取回土樣登記編號后，室內(nèi)風(fēng)干、粉碎、過100目尼龍篩，之后混勻分裝測試。

1.3 評價方法與標(biāo)準(zhǔn)

1.3.1 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法 該法是以單因子指數(shù)法為基礎(chǔ)，克服其僅適用于單一因子污染區(qū)域評價的缺點，通過單因子污染指數(shù)得出多種污染物綜合污染水平，從而對各污染物對土壤的作用進(jìn)行綜合評估[12-14]。其公式如下：

1.4 數(shù)據(jù)處理

本研究通過Microsoft Excel、SPSS軟件完成數(shù)據(jù)分析，利用ArcGIS 10.2地統(tǒng)計分析工具制作土壤重金屬的空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中污染物的描述性統(tǒng)計分析

國內(nèi)學(xué)者多以所研究之處的省、市背景值為標(biāo)準(zhǔn)值度量土壤質(zhì)量環(huán)境，如程敏[10]以重慶市土壤背景值為標(biāo)準(zhǔn)，對某工業(yè)園內(nèi)企業(yè)周邊土壤重金屬進(jìn)行評價分析發(fā)現(xiàn)，Cd和Hg有輕微累積現(xiàn)象;楊倩等[18]進(jìn)行嘉峪關(guān)市表層土壤重金屬含量研究時，采用甘肅省土壤元素背景值，分析得出重金屬Cr、Cd、Cu、Pb、Zn、Ni平均含量均超出了背景值。本研究以山東省土壤元素背景值作為標(biāo)準(zhǔn)值對壽光市土壤重金屬進(jìn)行評價分析。由表4看出，As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn 7種元素的平均值分別為7.87、0.07、78.74、20.70、0.02、26.66、69.30 mg/kg，Cr、Pb、Zn均值分別高于山東省土壤元素背景值27.0%、13.0%、9.5%，As、Cd、Cu、Hg元素的均值雖低，但其最大值已超過背景值，說明壽光市土壤重金屬有富集趨勢。

變異系數(shù)（CV）用來評估采樣數(shù)值的空間變異程度[19]，其數(shù)值越大表明分布越不均勻、受人類活動影響越大[20]。CV <10%為弱變異，10%100%為強變異[1]。7種重金屬元素均為中等程度變異，其中Cd、Hg的變異系數(shù)較高，分別為56.94%、56.30%，表明其數(shù)據(jù)離散程度較高，As、Cr、Cu、Pb、Zn的變異系數(shù)均較小，分別為28.62%、22.57%、20.73%、30.84%、30.64%（表4），說明這些元素土壤中的含量分布較為均勻，各樣本點間的重金屬含量變化范圍不大。偏度系數(shù)用來表示樣本數(shù)據(jù)分布的偏斜方向和偏斜程度，峰度系數(shù)則反映數(shù)據(jù)分布的陡峭程度[21]。壽光市土壤重金屬統(tǒng)計結(jié)果（表4）表明，所測7種土壤重金屬元素除Pb外，各重金屬的偏度均大于零，屬正偏斜;Hg、Cd的峰度為5.09、4.69，相較于其它元素峰度值較高，走勢較為陡峭，說明重金屬含量在中值以上的樣點較多。

2.2 土壤重金屬相關(guān)性分析

土壤重金屬主要來源于成土母質(zhì)、農(nóng)業(yè)活動、大氣降塵、工業(yè)污染等，同一來源的重金屬之間可能存在著相關(guān)性[22]，可通過計算各重金屬間的相關(guān)系數(shù)判斷其來源是否相似。若相關(guān)系數(shù)較高，則各元素間具有同源關(guān)系或可能存在復(fù)合污染;若相關(guān)系數(shù)較低，則各元素的來源途徑較為復(fù)雜[23]。壽光市土壤重金屬相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果（表5）表明，研究區(qū)土壤中Cr與Cu之間相關(guān)系數(shù)為0.663，呈極顯著正相關(guān)，Zn與Pb相關(guān)系數(shù)為0.435，呈顯著正相關(guān)，其來源具有同源性。

2.3 土壤中重金屬污染評價分析

壽光市土壤重金屬單因子指數(shù)與內(nèi)梅羅綜合指數(shù)計算結(jié)果見表6?？梢钥闯?，Cr、Pb、Zn三種重金屬的單因子污染指數(shù)均值皆大于1，屬于輕微污染;As、Cu均值相同為0.916，接近于1;Cd、Hg單因子指數(shù)評價為Ⅰ級無污染。但7種重金屬的最大值均處于Ⅱ級輕度污染水平。通過內(nèi)梅羅綜合指數(shù)P綜可看出，Cr、Hg、Pb、Zn的P綜值為1

由潛在生態(tài)風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)可知，7種重金屬單項潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)均值皆屬于Eir<40范圍內(nèi)，生態(tài)風(fēng)險等級為輕度污染，其大小順序為Hg>Cd>As>Pb>Cu>Cr>Zn，Cd、Hg綜合指數(shù)較高是因其單項指數(shù)最大值較大，為45.16、77.16，達(dá)到中度污染風(fēng)險。研究區(qū)綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)RI在36.93～121.91，平均值為66.11，潛在生態(tài)風(fēng)險等級為輕度（表7）?？傮w而言，該地區(qū)土壤環(huán)境良好，未受到嚴(yán)重污染，但個別區(qū)域重金屬出現(xiàn)累積，仍需引起農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的重視。

2.4 土壤中重金屬的空間分布特征

因條件限制，只能采集研究區(qū)內(nèi)若干樣點，再使用插值技術(shù)根據(jù)各樣點重金屬元素的實測含量將點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為面數(shù)據(jù)，從而直觀反映壽光市土壤重金屬空間分布特征。特異值的存在會影響地統(tǒng)計學(xué)的研究結(jié)果，改變變量的空間結(jié)構(gòu)特征[24]。本研究采用域法識別特異值，即樣本平均值加減3倍標(biāo)準(zhǔn)差構(gòu)建一個區(qū)間，此區(qū)間外特異值以最大值和最小值替代[24，25]。通過SPSS分析發(fā)現(xiàn)，As、Cr、Pb、Hg符合正態(tài)分布，Cd、Cu對數(shù)變換后符合正態(tài)分布，Zn不符合正態(tài)分布。對重金屬As、Cr、Pb、Cd、Cu、Hg使用普通克里格插值法，對Zn采用反距離插值法，根據(jù)地統(tǒng)計分析向?qū)е械慕徊骝炞C結(jié)果選擇合適模型參數(shù)，插值結(jié)果如圖2。

由圖2看出，壽光市表層土壤中重金屬分布呈“斑塊狀”：As以侯鎮(zhèn)周圍、化龍鎮(zhèn)——文家街道一線地區(qū)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高;Cd在臺頭鎮(zhèn)、田柳鎮(zhèn)分布面積較大，古城街道、文家街道、圣城街道也有較多分布;Cr在全域范圍內(nèi)除西部、西北部濃度較低外，其它區(qū)域均有較高分布;Cu自東北至西南含量逐漸減少;Hg只在對角線西北部至東南部一線含量較低;Pb的高濃度區(qū)主要分布在孫家集街道至營里鎮(zhèn)一線、由此向東北方向含量漸低;Zn在孫家集街道南部、侯鎮(zhèn)至臺頭鎮(zhèn)東西一線分布較多，“斑塊狀”特征明顯。

3 討論與結(jié)論

壽光市土壤重金屬的空間分布差異、來源與其歷史和發(fā)展過程密切相關(guān)。經(jīng)調(diào)查，侯鎮(zhèn)、田柳鎮(zhèn)等地以發(fā)展海洋化工、船舶制造、新型能源工業(yè)為主[26];與臺頭鎮(zhèn)、化龍鎮(zhèn)接壤的廣饒縣在此分布有較多的采礦區(qū);2007年壽光市東北部大家洼鎮(zhèn)劃入濰坊市寒亭區(qū)，并于此發(fā)展工業(yè)，成立化工基地。趙靚[20]、Wei[27]等研究表明，工業(yè)活動產(chǎn)生的廢氣廢渣等構(gòu)成重金屬As、Cr、Cu、Hg、Zn的主要來源，因此土壤中這5種重金屬的分布與所在地的工業(yè)生產(chǎn)有關(guān)。此外，前人研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中化肥、農(nóng)藥、飼料等的過多施用也會導(dǎo)致土壤中As、Hg的污染[6，28，29]。宋志廷等[30]發(fā)現(xiàn)，重金屬Cd的累積同樣受農(nóng)業(yè)投入品的影響，而壽光市中南部土地肥沃、水利條件較好，農(nóng)作物種植面積廣、數(shù)量多，種植歷史悠久，使得土壤中As、Cd、Hg等重金屬產(chǎn)生富集。壽光市域已經(jīng)形成的中心城和壽北兩大產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)使交通運輸量增多，土壤中Pb、Zn主要來源于交通運輸中的汽車胎輪磨損、煙塵尾氣等，另一方面來源于土壤母質(zhì)。

通過本研究可以得出以下結(jié)論：（1）壽光市表層土壤中重金屬Cr、Pb、Zn均值超過了山東省土壤元素背景值，As、Cd、Cu、Hg元素的最大值超過了背景值，說明壽光市土壤重金屬有富集趨勢。不同元素在土壤中的變異系數(shù)大小順序為Cd>Hg>Zn>Pb>As>Cr>Cu，Cd、Hg變異程度為中等，Zn、Pb、As、Cr、Cu變異程度為中等偏下。

（2）壽光市表層土壤中重金屬Cr與Cu、Zn與Pb的相關(guān)系數(shù)分別為0.663、0.435，具有同源性。

（3）壽光市土壤質(zhì)量狀況整體良好，少量區(qū)域受Cr、Hg、Pb、Zn重金屬的污染，屬輕度污染。所有樣品的重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)RI在36.93～121.91之間，平均值為66.11，均小于150，潛在生態(tài)風(fēng)險等級為輕度。

（4）壽光市表層土壤重金屬元素的分布總體為東部、中部、西南部等區(qū)域濃度高，北部、西北部與東南部等地濃度低，其分布與壽光市農(nóng)作物種植歷史和產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程密切相關(guān)，受人為因素影響較大，需相關(guān)部門進(jìn)行合理的農(nóng)業(yè)管理。

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