關(guān)中地區(qū)土壤重金屬空間分布特征及其污染評價

鄧文博，李旭祥

（西安交通大學(xué) 人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院，西安710049）

doi：10.7515/JEE201504003

關(guān)中地區(qū)土壤重金屬空間分布特征及其污染評價

鄧文博，李旭祥

（西安交通大學(xué) 人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院，西安710049）

結(jié)合關(guān)中地區(qū)地形分布，使用網(wǎng)格法布點，在該地區(qū)布設(shè)了239個采樣點，使用X射線熒光光譜法測定了其表層土壤中六種重金屬（Cr、Ni、Pb、Cu、Zn、As）和磷（P）的含量。統(tǒng)計結(jié)果表明：關(guān)中地區(qū)土壤重金屬Cr、Ni、Pb、Cu、Zn、As和P的平均質(zhì)量濃度分別為75.69mg·kg-1、32.05mg·kg-1、26.35mg·kg-1、25.76mg·kg-1、72.85mg·kg-1、12.29mg·kg-1、1038.99mg·kg-1，其中Cr、Ni、Pb、P的含量均超過陜西省土壤背景值。采用克里金插值法、反距離插值法和污染負(fù)荷指數(shù)法，得到了表層土壤重金屬含量的空間分布圖以及整個關(guān)中地區(qū)土壤重金屬污染評價結(jié)果。結(jié)果顯示，關(guān)中地區(qū)土壤屬中度污染，污染呈現(xiàn)南高北低的現(xiàn)象，其中戶縣周圍的幾個縣土壤污染情況較為嚴(yán)重。

關(guān)中地區(qū)；重金屬；空間分布特征；污染評價

土壤是人類賴以生存的重要資源，優(yōu)質(zhì)的土壤環(huán)境，可以保證人們的生活和生產(chǎn)需要。在自然環(huán)境下，土壤重金屬的來源主要是母巖風(fēng)化和動植物殘骸。但是隨著近現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人類活動對重金屬分布的影響不斷加大，大量工業(yè)污染物的不合理排放，造成土壤重金屬含量的不斷上升。由于重金屬污染本身有不易移動，不被微生物降解等特點，故其進入土壤后容易發(fā)生集聚效應(yīng)，導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降，并且可能通過食物鏈最終在人體內(nèi)積累，嚴(yán)重危害人類健康。因此，研究土壤重金屬分布特征對于土壤污染綜合防治和保障人民生活質(zhì)量都有重要的意義（王成軍等，2014）。近些年，國內(nèi)外學(xué)者對重金屬污染分布做了大量研究。關(guān)卉等（2006）研究雷州半島土壤重金屬分布特征發(fā)現(xiàn)，Cr、Ni、Cu和Hg的質(zhì)量濃度具有明顯的高值區(qū)，在工業(yè)發(fā)達的地區(qū)，這些重金屬的含量明顯提高。鄧秋靜等（2006）通過采集貴陽市416個土壤表層樣品，研究發(fā)現(xiàn)貴陽市主要工業(yè)區(qū)的土壤重金屬含量較高。陳圓圓等（2010）利用GIS和地統(tǒng)計學(xué)方法對寶山地區(qū)重金屬空間分布規(guī)律和分布特征進行研究，發(fā)現(xiàn)As、Cd、Cr、Hg、Pb均表現(xiàn)為中等空間變異性，并且Cr、Hg和Pb具有強烈的空間相關(guān)性。Nadya et al （2001）和Vojtech et al （2004）利用地統(tǒng)計學(xué)和同位素溯源相結(jié)合的方法，研究污染物來源和分布問題。

關(guān)中地區(qū)地處陜西中部，土地面積5.55萬平方公里，在20世紀(jì)末人口數(shù)量已經(jīng)達到了2047萬（王西琴，1997）。關(guān)中地區(qū)整體地勢中部平坦，南北及東部地勢較高，具有溫帶季風(fēng)性氣候特征，區(qū)域內(nèi)土地肥沃，是我國北方重要的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)區(qū)域。雖然我國很多地方都進行過土壤重金屬污染的調(diào)查研究，但是針對關(guān)中地區(qū)的此類研究十分少見，本研究通過探查關(guān)中地區(qū)土壤重金屬分布特征，對該地區(qū)土壤整體污染水平做出評價，為以后進一步開展土壤污染防治工作提供基礎(chǔ)資料和科學(xué)指引。

1 采樣和分析方法

1.1 樣品采集

本次研究考察區(qū)域廣闊，根據(jù)關(guān)中地區(qū)自身特點，西北部和西南部一些區(qū)域海拔在1000～2000m以上，為溝壑區(qū)，居民相對較少，土壤重金屬污染情況相似，故在這兩個區(qū)域少量布點，在其他區(qū)域采用網(wǎng)格法布點，10km為一個采樣點，每個采樣點都用GPS定位。實地采樣時，采取多點采樣的方法，即在10m×10m的正方形4個頂點和中心5處各采集1kg表層土（0～20cm）組成混合樣，充分混合后采用四分法棄取，最終保留1～2kg作為該采樣點混合樣本收集起來。之后將該采樣點的經(jīng)緯度和周圍基本環(huán)境情況記錄下來。最終共采集土樣239個。

1.2 樣品處理和測定方法

1.2.1 樣品處理

樣品首先經(jīng)過自然風(fēng)干，除去其中的石塊，殘根等雜物，再用木棍碾壓，之后進一步用瑪瑙缽研細(xì)，通過200目尼龍網(wǎng)篩，將通過網(wǎng)篩的樣品分成兩個部分，一部分作為備份，另一部分供分析測試使用。為了排除各種外來因素的影響，所有樣品在采集、混合、裝袋、粉碎、研磨等過程中，全部使用木頭、塑料、瑪瑙等用具。

1.2.2 測定方法

對土壤樣品中六種重金屬（Cr，Ni，Pb，Cu，Zn，As）和磷（P）的土壤濃度進行測定。按照《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)—2008》對不同元素進行檢測。本次測試使用的是X射線熒光光譜法，其原理是使用X射線照射樣品時產(chǎn)生的特征熒光，進行定性和定量分析。前處理方法采用壓片法，將過200目的土壤樣品在105℃下烘干2h，稱取10g，倒入放置于平板模具上的PVC塑料環(huán)（外徑40mm，內(nèi)徑35mm，高5mm）中，在30t壓力下加壓30s壓制成型，編號放入干燥器中待測。壓好的片直接用XRF光譜儀測定。設(shè)備儀器型號為Axios advanced（PW4400）。

1.3 評價方法

本次研究選用的土壤污染評價方法是污染負(fù)荷指數(shù)法，該方法能直觀地反映各種元素對污染的貢獻程度，以及各個污染物在時間和空間上的變化趨勢（范拴喜等，2010）。該方法的評價模式為：

首先，根據(jù)單個污染物元素進行計算：

式中，CFi為元素i的最高污染系數(shù)；Ci為元素i的實測含量；C0i為元素i的背景值。

某一點的污染負(fù)荷指數(shù)（PLI）為：

式中，PLI為某一點的污染負(fù)荷指數(shù)；n為評價元素的個數(shù)。

某一區(qū)域（流域）的污染負(fù)荷指數(shù)為：

式中：PLIzone為流域污染負(fù)荷指數(shù)；n為評價點的個數(shù)（采樣點的個數(shù)）。

污染負(fù)荷指數(shù)具體分級如表1所示。

表1 污染負(fù)荷指數(shù)分級Tab.1 Grading of pollution load index

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量檢測結(jié)果統(tǒng)計

實驗得到的分析數(shù)據(jù)首先采用格拉布斯方法剔除異常值，之后使用SPSS 19.0軟件對選出的有效數(shù)據(jù)進行描述統(tǒng)計，結(jié)果見表2，表中變異系數(shù)反映數(shù)據(jù)的離散程度，偏度是表征概率分布密度曲線相對于平均值不對稱程度的特征數(shù)，直觀來看就是密度函數(shù)曲線尾部的相對長度。峰度描述數(shù)據(jù)分布形態(tài)的陡緩程度，背景值是陜西省土壤背景值（薛澄澤等，1986；楊柳和李旭祥，2014），二級標(biāo)準(zhǔn)是國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)值。

表2 土壤中重金屬的描述統(tǒng)計分析結(jié)果（mg·kg-1）Tab.2 Results of heavy metal in soil for descriptive statistics（mg·kg-1）

從表2可以看出，Cr、Ni、Pb、Cu、Zn、As和P的土壤含量均值分別是陜西省背景值的1.21倍、1.29倍、1.23倍、0.99倍、0.99倍、1.1倍、2.15倍，說明該地區(qū)重金屬和磷的含量較高，但是都沒有超過國家二級標(biāo)準(zhǔn)中的土壤質(zhì)量限定值（P的標(biāo)準(zhǔn)缺失）。As的變異系數(shù)小于其他元素，表明As的分布相對比較均勻，具有較小的離散型，反之，Pb的變異系數(shù)較大，說明其分布較不均勻。As和P的偏度較小，接近于0，說明兩個元素的分布基本符合正態(tài)分布，也驗證了K-S檢驗的準(zhǔn)確性。

使用K-S檢驗來判斷數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布或者對數(shù)正態(tài)分布，結(jié)果表明As和P含量符合正態(tài)分布，Ni、Cu和Zn符合對數(shù)正態(tài)分布，Cr和Pb不符合兩個情況。

2.2 土壤重金屬空間分布特征

由于克里金插值法要求數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布，所以根據(jù)前文的K-S檢驗，As、P、Ni、Cu、Zn符合條件，而Cr和Pb則使用反距離插值的方法來得到兩種重金屬的土壤含量分布特征，圖形采用Arcmap 10.0軟件繪制，結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出關(guān)中地區(qū)土壤中重金屬的一些基本分布特征，整體來說關(guān)中地區(qū)重金屬濃度南部和西南部較高，東北部較低，這可能與南部和西南部工業(yè)水平相對發(fā)達有關(guān)。具體到各個縣級區(qū)域，周至縣、戶縣、長安縣和藍(lán)田縣四個相鄰縣的重金屬含量較高，周至縣Cu、Pb、Zn、P濃度比較高，戶縣Cr、Cu、Pb、Zn、Ni、P濃度高于其他地區(qū)，超過陜西省土壤環(huán)境背景值，長安縣Zn、Ni、Cr濃度過高，超過背景值，其他重金屬含量在背景值左右，藍(lán)田縣的As、Cu、Ni、Pb、Zn含量超過背景值，其他重金屬含量在背景值范圍內(nèi)。

從重金屬元素各自分布來看，As濃度較高的區(qū)域比較大，其中在南部和西南部含量超過關(guān)中其他區(qū)域，Cr、Ni有非常高的相關(guān)性，均是在戶縣和大荔縣周圍濃度較高，這可能與兩個縣當(dāng)?shù)氐墓I(yè)類型有關(guān)。Cu和Zn的相關(guān)性較高，主要在周至縣、戶縣、長安縣、藍(lán)田縣分布濃度較高。Pb在耀縣、華縣、潼關(guān)縣濃度分布最高，結(jié)合當(dāng)?shù)毓I(yè)水平來看，這可能是受結(jié)構(gòu)性因素（比如土壤母質(zhì)、地形等）的影響。P的分布有明顯的兩個高值區(qū)，一個是戶縣和興平市周圍，另外一個是華縣和大荔縣周圍，這兩個區(qū)域土壤中P的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于關(guān)中其他地區(qū)，應(yīng)該與兩個地區(qū)的工業(yè)類型有很大關(guān)系。

（上接圖1）

圖1 土壤重金屬含量空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of soil heavy metal content

2.3 污染負(fù)荷指數(shù)法評價結(jié)果

根據(jù)污染負(fù)荷指數(shù)法的評價辦法，得到六種重金屬和P的污染指數(shù)。Cr、Ni、Pb、Cu、Zn、As、P七種污染元素的最高污染系數(shù)平均值分別為1.21、1.29、1.23、1.94、0.99、1.10、2.15。結(jié)合分級標(biāo)準(zhǔn)，六種重金屬均為中度污染，P為強污染，污染程度從低到高的排序為：Zn＜As＜Cr＜Pb＜Ni＜Cu＜P。最終，計算出關(guān)中地區(qū)總污染指數(shù)為1.21，為中度污染。圖2為關(guān)中地區(qū)污染負(fù)荷指數(shù)法插值圖，從圖上可以看出污染主要集中在南部和西南部，這和這一區(qū)域的工業(yè)分布有直接關(guān)系。

圖2 土壤重金屬含量空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of soil heavy metal content

3 結(jié)論

（1）關(guān)中地區(qū)土壤重金屬含量統(tǒng)計分析結(jié)果表明，Cr、Ni、Pb、As和P的土壤含量均值都超過了陜西省土壤背景值，其中As的變異系數(shù)小于其他元素，表明As的分布相對比較均勻，具有較小的離散性，反之，Pb的變異系數(shù)較大，說明其分布較不均勻。As、P、Ni、Cu、Zn的含量分布符合正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布，Cr和Pb為偏態(tài)分布。

（2）結(jié)合土壤重金屬含量分布圖來看，關(guān)中地區(qū)的重金屬分布明顯呈南高北低的態(tài)勢，尤其是周至縣、戶縣、長安縣和藍(lán)田縣四個相鄰縣的土壤污染情況較重，這也提醒當(dāng)?shù)卣诎l(fā)展工業(yè)的同時，必須重視環(huán)境保護。

（3）污染負(fù)荷指數(shù)法評價結(jié)果表明，關(guān)中地區(qū)土壤重金屬污染由低到高的排序為Zn＜As＜Cr＜Pb＜Ni＜Cu＜P，其中六種重金屬污染均為中等污染，P為強污染，關(guān)中地區(qū)總的污染情況為中等污染，結(jié)合污染插值圖來看，北部的情況較好，南部尤其是西南部地區(qū)土壤污染問題較重，需要密切關(guān)注這一區(qū)域的土壤污染情況，盡早采取防控措施。

陳圓圓，孫小靜，王 軍，等.2010.上海寶山區(qū)農(nóng)業(yè)用地土壤重金屬空間分異規(guī)律及其分布特征研究[J].環(huán)境化學(xué)，29（2)：216-219.[Chen Y Y，Sun X J，Wang J，et al.2010.Spatial variability and distribution of heavy metals in soil of Baoshan District [J].Environmental Chemistry，29（2)：216-219.]

鄧秋靜，宋春然，謝 鋒，等.2006.貴陽市耕地土壤重金屬分布特征及評價[J].土壤，38（1)：53-60.[Deng Q J，Song C R，Xie F，et al.2006.Distribution and evaluation of heavy metals in cultivated soil of Guiyang [J].Soil，38（1)：53-60.]

范拴喜，甘卓亭，李美娟，等.2010.土壤重金屬污染評價方法進展[J].中國農(nóng)學(xué)通報，26（17)：310-315.[Fan S X，Gan Z T，Li M J，et al.2010.Progress of assessment methods of heavy pollution in soil [J].Chinese Agricultural Science Bulletin，26（17)：310-315.]

關(guān) 卉，萬洪富，王冼民，等.2006.雷州半島土壤重金屬分布特征及其污染評價[J].環(huán)境污染與防治，28（10)：757-761.[Guan R，Wan H F，Wang X M，et al.2006.Distribution and pollution assessment of heavy metals in soil samples of Leizhou Peninsula [J].Environmental Pollution and Control，28（10)：757-761.]

王成軍，孫大林，劉 勇，等.2014.鉛鋅廠周圍土壤中重金屬空間分布特征[J].地球環(huán)境學(xué)報，5（1)：36-41.[Wang C J，Sun D L，Liu Y，et al.2014.Spatial distribution of the soil heavy metal around the lead-zinc plant [J].Journal of Earth Environment，5（1)：36-41.]

王西琴.1997.陜西關(guān)中人口增長態(tài)勢與可持續(xù)發(fā)展初析[J].

西北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），27（4)：345-349.[Wang X Q.1997.The analysis of population growth trend and sustainable development in Guanzhong Region，Shaanxi Province [J].Journal of Northwest University（Natural Science Edition)，27（4)：345-349.]

薛澄澤，肖 玲，吳乾豐，等.1986.陜西省主要農(nóng)業(yè)土壤中十種元素背景值研究[J].西北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，14（3)：30-53.[Xue C Z，Xiao L，Wu Q F，et al.1986.Studies of background values of ten chemical elements in major agricultural soils in Shaanxi Province [J].Journal of Northwest Sci-Tech University of Agriculture and Forestry，14（3)：30-53.]

楊 柳，李旭祥.2014.大氣降塵中重金屬元素及鉛同位素分析[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，48（2)：118-124.[Yang L，Li X X.2014.Analysis of heavy metal pollution in atmospheric deposition [J].Journal of Xi'an Jiaotong University，48（2)：118-124.]

Nadya T，Yigal E，Ludwik H，et al.2001.Distribuion of natural and anthropogenic lead in Mediterranean soils [J].Geochimica et Cosmochimica Acta，65：2853-2864.

Vojtech E，Martin M，Michael K.2004.ICP-MS measurements of lead isotopic ratios in soils heavily contaminated by lead smelting：tracing the sources of pollution [J].Anal Bioanal Chem，378：311-317.

Spatial distribution and pollution assessment of heavy metals in soil from Guanzhong area

DENG Wen-bo，LI Xu-xiang（School of Human Settlements and Civil Engineering，Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049，China)

Concentrations of six heavy metals and P in 239 topsoil samples collected from Guanzhong area were determined in the paper.Statistical analysis results showed that average concentrations of six heavy metals（Cr，Ni，Pb，Cu，Zn，As）and P in Guanzhong area were 75.69 mg·kg-1，32.05 mg·kg-1，26.35 mg·kg-1，25.76 mg·kg-1，72.85 mg·kg-1，12.29 mg·kg-1，1038.99 mg·kg-1，respectively，and the concentrations of Cr，Ni，Pb，P exceeded their background levels.In the paper，Kriging method and inverse distance method were applied to estimate the unobserved points and their distribution maps were obtained which indicated that the soil pollution of southern area was higher than that in the northern area.Pollution load index method had been used to estimate the soil pollution of Guanzhong area and the result showed soil was in moderate pollution but the soil pollution of several counties around Huxian was more serious.

Guanzhong area；heavy metals；spatial distribution；pollution assessment

X833

A

1674-9901（2015)04-0219-05

2015-07-11

陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計劃項目（2014 k15-03-01）

李旭祥，E-mail：xxli@mail.xjtu.edu.cn