基于GIS的城市鎘元素空間分布特征及其污染評價(jià)

譚少軍, 謝賢健, 王 歷, 胡艷丹, 胡 琴, 何珠璧

(內(nèi)江師范學(xué)院 地理與資源科學(xué)學(xué)院, 四川 內(nèi)江 641100)

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基于GIS的城市鎘元素空間分布特征及其污染評價(jià)

譚少軍, 謝賢健, 王 歷, 胡艷丹, 胡 琴, 何珠璧

(內(nèi)江師范學(xué)院 地理與資源科學(xué)學(xué)院, 四川 內(nèi)江 641100)

以內(nèi)江市城區(qū)為研究區(qū)，以GIS軟件為平臺，利用單因子污染指數(shù)法結(jié)合地統(tǒng)計(jì)方法，分析了內(nèi)江市城市土壤鎘元素空間分布特征及污染水平。結(jié)果表明：內(nèi)江市土壤鎘元素含量偏高，污染較重。總體來看，0—15 cm鎘含量[(0.823 9±0.429)mg/kg]大于15—30 cm鎘含量[(0.637 5±0.306)mg/kg]，均高于國家二級標(biāo)準(zhǔn)值0.3 mg/kg。方差分析表明，不同土地利用類型同國家二級標(biāo)準(zhǔn)值之間鎘元素含量差異顯著。同時，表層的污染程度較深層大，表層中度和重度污染面積占95.07%，污染較重；深層輕度污染和中度污染面積占82.26%，污染較輕。

土壤; 城市；鎘元素; GIS; 污染評價(jià)

城市土壤是城市生態(tài)系統(tǒng)的一個重要部分，長期被人們忽略。鎘元素作為一種重金屬元素，雖含量低，但是對城市人類身體健康影響很大，是生物毒性最強(qiáng)的重金屬元素之一[1]。目前國內(nèi)外很多學(xué)者都對此作了相關(guān)的研究。例如，符娟林等[2]利用GIS對杭州市區(qū)50個居民小區(qū)鎘進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，杭州市區(qū)居民區(qū)存在不同程度的污染情況，以中度和嚴(yán)重污染為主，土壤嚴(yán)重區(qū)域呈西北—東南走向；謝煒等[3]運(yùn)用Matlab和內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對桂林市土壤表層鎘元素和其他重金屬元素污染情況進(jìn)行了研究，結(jié)論表明，不同土地利用污染情況：工業(yè)區(qū)>主干道路>生活區(qū)>公園綠地>山區(qū)；Burgos等[4]運(yùn)用Kriging方法對Seville，Spain地區(qū)的土壤修復(fù)前后鎘元素含量的變化進(jìn)行了分析；Li等[5]利用克里格方法，結(jié)合GIS技術(shù)對香港九龍鎘元素和其他5種重金屬元素的空間分布加以研究，并通過熱點(diǎn)探測的方法進(jìn)行污染源的求解。但是，大多數(shù)研究立足于較大城市，而很少研究中小城市鎘元素的污染情況。

基于此，以內(nèi)江市區(qū)為代表，利用描述性統(tǒng)計(jì)分析、方差分析和克里格插值方法，分析中小城市表層和深層土壤重金屬鎘元素空間分布狀況，并利用單因子污染指數(shù)法，評價(jià)市區(qū)不同土地利用類型下土壤鎘元素污染情況，以期為相關(guān)部門城市規(guī)劃及環(huán)境治理提供科學(xué)依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

內(nèi)江市城區(qū)位于四川盆地中南部，地理坐標(biāo)為103°46′—105°4′E，29°34′—29°36′N，地處沱江中游，以丘陵為主，典型的中亞熱帶季風(fēng)氣候。包括市中區(qū)和東興區(qū)城區(qū)部分，分別位于沱江南北岸，城區(qū)以紫色土為主，面積為12.687 5 km2，其中工業(yè)用地占0.75 km2，交通用地為2.688 km2，商業(yè)用地為1.25 km2，公共用地為0.438 km2，住宅用地為2.625 km2，農(nóng)業(yè)用地為4.938 km2。2013年末常住人口38.4萬人，城區(qū)西聯(lián)資中縣和榮縣，東接隆昌縣，鄰近重慶，位于成都和重慶之間的交通要道。同時，受成都和重慶經(jīng)濟(jì)輻射較強(qiáng)，具有良好的經(jīng)濟(jì)發(fā)展的區(qū)位條件。近年來，內(nèi)江市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，成為川南城市群，乃至成渝經(jīng)濟(jì)區(qū)的重要組成部分之一。

2　樣品采集和處理分析

2.1樣品采集

在ArcGIS 10.0上將內(nèi)江市城區(qū)1∶500紅線圖矢量化和格網(wǎng)化，得到203個以250 m×250 m矩形范圍對角線為中心的采樣點(diǎn)，以此制作工作手圖進(jìn)行采樣。采樣時，在每個區(qū)域按對角線法分表層(0—15 cm)和深層(15—30 cm)進(jìn)行采樣，并利用GPS記錄采樣點(diǎn)地理位置。然后將每個區(qū)域?qū)蔷€上3個采樣點(diǎn)的表層土混合，并去掉雜草、石塊、垃圾等，取1/4后裝入準(zhǔn)備好的聚乙烯塑料袋內(nèi)，標(biāo)記好土樣編號。

2.2樣品處理和分析方法

將室外采集的土樣(共計(jì)406個)，進(jìn)行自然風(fēng)干，然后再用100目尼龍篩過篩，將研磨好的土壤樣品裝入聚乙烯塑料袋。土樣消解采用濕法消解，即分別加入硝酸(HNO3)、氫氟酸(HF)和高氯酸(HClO4)5，4，0.5 ml進(jìn)行消解。待消解完后，用1∶100濃度稀硝酸稀釋，將消解好的樣品過濾并定容至50 ml。通過石墨爐原子吸收分光光度法(GB/T17141—1997)[6]測出土樣鎘的吸收光度值。利用烘干法測出土樣含水量。通過電位測定法測出土樣pH值。

3　研究方法

3.1單因子污染指數(shù)法

本文采用單因子污染指數(shù)法，僅考慮單個因子對土壤重金屬污染的影響，其計(jì)算公式如下：

Pi=Ci/Si

(1)

式中：Pi——i的污染指數(shù)；Ci——i污染物的實(shí)測值；Si——i污染物的背景值，背景值參照中國土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618—1995)[7]。設(shè)定Xa，Xc，Xp為污染的積累起始值、中度污染值和重度污染值，分別為0.2，0.3，1.0 mg/kg。根據(jù)《綠色食品環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評價(jià)綱要(試行)》將污染指數(shù)分為4個等級：當(dāng)Pi<1時，為非污染；當(dāng)13時，為重度污染。為盡可能避免極差較大的情況，具體公式計(jì)算如下[8]：

(2)

3.2污染水平空間變異特征

在ArcGIS 10.0的地統(tǒng)計(jì)模塊中，通過普通克里格插值，選用球狀、指數(shù)和高斯模型，進(jìn)行擬合[9-10]，得到表層和深層鎘含量及污染水平分布圖。

4　結(jié)果與分析

4.1鎘元素含量統(tǒng)計(jì)分析

通過SPSS 17.0進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析(表1)，可以發(fā)現(xiàn)表層和深層鎘元素含量總體差異不大，但是表層含量分布較深層含量大。其中，表層和深層土壤鎘含量分別為0.049 2～2.341 7 mg/kg和0.034 2～1.589 9 mg/kg，表層土壤鎘含量范圍較深層大，但表層含量鎘元素含量最小值比深層稍大；其次，二者的偏度系數(shù)分別為0.933 6，0.537 8，峰度系數(shù)分別為3.600 6，3.044 7，接近正態(tài)分布值3，符合正態(tài)分布。同時，比較表層和深層不同土地利用類型鎘含量的標(biāo)準(zhǔn)差，表層為0.025 1，深層為0.114 8，表明鎘含量的總體差異性較小。

為了更加清晰地刻畫不同土地利用類型下表層和深層土壤鎘含量空間分異特征，對不同土地利用類型下采樣點(diǎn)鎘含量同國家二級標(biāo)準(zhǔn)值(0.3 mg/kg)進(jìn)行比較分析。其中，表層土的不同土地平均鎘含量表現(xiàn)為：商業(yè)用地>工業(yè)用地>公共用地>住宅用地>交通用地>農(nóng)業(yè)用地，超出國家二級標(biāo)準(zhǔn)值的樣點(diǎn)數(shù)占91.1%～100%。在0.01水平下，將6種土地利用類型下鎘含量分別同國家二級標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行方差分析得到：F值均大于臨界值，且p=0.00，表明土壤鎘含量同標(biāo)準(zhǔn)值之間差異極其顯著，不同土地利用類型下鎘含量差異趨勢極為顯著。

深層平均鎘含量表現(xiàn)為：農(nóng)業(yè)用地>公共用地>住宅用地>交通用地>工業(yè)用地>商業(yè)用地，超出國家二級標(biāo)準(zhǔn)值樣點(diǎn)數(shù)占總數(shù)的比例為66.7%～97.6%。在0.01水平下，將5種土地利用類型同國家二級標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行方差分析得到，F(xiàn)值大于臨界值(商業(yè)用地在0.05水平下的F值小于臨界值)，且p=0.00，表明土壤鎘含量同標(biāo)準(zhǔn)值之間差異亦極其顯著，不同土地利用類型下鎘含量差異亦極為顯著。

4.2鎘元素含量空間插值分析

4.2.1模型選擇和交叉驗(yàn)證內(nèi)江市土壤鎘元素含量符合正態(tài)分布，且樣本數(shù)超過80個[11]，故利用克里格插值較為科學(xué)合理?；诖耍P者選取目前較為成熟的指數(shù)(Exponential)、球狀(Spherical)和高斯(Gaussian)3種模型進(jìn)行擬合分析[12]，根據(jù)插值結(jié)果預(yù)測誤差(平均誤差、標(biāo)準(zhǔn)化平均誤差和標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差)挑選出較為合理的方法進(jìn)行插值。得到各3個模型的預(yù)測誤差(表2)。

表1　鎘含量統(tǒng)計(jì)分析

表2　克里格插值預(yù)測誤差

由表2可知，土壤表層和深層都選取球狀、指數(shù)和高斯模型進(jìn)行擬合，得出3個模型預(yù)測誤差的平均值、均方根、標(biāo)準(zhǔn)平均值、平均標(biāo)準(zhǔn)誤差和標(biāo)準(zhǔn)均方根值。其中表層鎘含量3者的標(biāo)準(zhǔn)均方根分別為0.989 41，1.002 19，0.989 00，指數(shù)模型的標(biāo)準(zhǔn)均方根更接近1。故表層含量選用指數(shù)模型進(jìn)行克里格插值可以得到更好的結(jié)果；深層的3個模型的6個參數(shù)亦非常接近，且近似于0。三者的標(biāo)準(zhǔn)均方根分別為0.998 97，0.992 0，1.001 16。故深層含量選用高斯模型，可以得到更好的結(jié)果。

4.2.2含量插值結(jié)果與分析土壤中鎘的來源主要是工業(yè)廢渣、廢水、大氣沉降、累積和擴(kuò)散，以及含鎘廢水和大量使用農(nóng)藥和化肥。表層含量采用指數(shù)模型進(jìn)行克里格插值，深層含量采用高斯模型進(jìn)行克里格插值。利用ArcGIS 10.0進(jìn)行克里格插值分析，得到內(nèi)江市城區(qū)土壤鎘元素含量分布預(yù)測圖(圖1)。由圖1可知，表層土壤鎘含量較深層大。其中，表層土壤鎘含量主要集中在0.04～1.8 mg/kg。鎘含量為0.04～0.6 mg/kg的主要分布在沱江以南內(nèi)江九中、交通小學(xué)、翔龍中學(xué)以及沱江以北市質(zhì)監(jiān)局附近，這里主要是公共用地，受工業(yè)及交通污染較小，含量較低；鎘含量在0.6～1.2 mg/kg的分布范圍最廣，主要分布在沱江以南的北部、水韻天成及旭天藥業(yè)附近。這些地方比較接近工業(yè)區(qū)，多條交通干線經(jīng)過這些地方，加之分布有一定范圍的商業(yè)區(qū)，鎘含量較大；鎘含量在1.2～1.8 mg/kg及以上的地區(qū)主要分布在沱江以南的城西工業(yè)園區(qū)、高速客運(yùn)中心、鐵路機(jī)械學(xué)校和火車站附近，以及沱江以北的西雅圖和廣匯花園附近，工業(yè)園區(qū)、交通干線商業(yè)區(qū)分布地，含量最大。深層鎘含量主要集中在0.4～1.2 mg/kg。其中，含量在0.03～0.4 mg/kg的區(qū)域主要分布在沱江以南的北部、內(nèi)江九中和市公交公司附近，離城區(qū)發(fā)達(dá)地區(qū)相對較遠(yuǎn)，或者開發(fā)時間相對較短，鎘含量相對較低；含量在0.4～0.8 mg/kg的分布范圍最廣，沱江以北的大部分地區(qū)和沱江以南的大部分地區(qū)；而鎘含量在0.8～1.2 mg/kg及以上的地區(qū)主要分布在沱江以南的南部地區(qū)，由于交通線經(jīng)過，有垃圾場分布，土壤鎘含量最大。

圖1　內(nèi)江市城區(qū)土壤鎘元素含量分布預(yù)測

4.3土壤重金屬鎘污染評價(jià)

4.3.1鎘元素污染指數(shù)統(tǒng)計(jì)分析通過SPSS 17.0得出各采樣點(diǎn)的鎘元素污染指數(shù)，分類得到市區(qū)鎘元素不同污染程度面積所占百分比(圖2)。由圖2可知，表層和深層以中度污染居多。其中，表層表現(xiàn)為：中度污染>重度污染>輕度污染>非污染，深層則表現(xiàn)為：中度污染>重度污染>非污染>輕度污染。這說明從污染程度來講，表層和深層都較嚴(yán)重，不同的是表層較深層污染較嚴(yán)重，同時也說明了表層土壤受人為擾動影響更大。

圖2　不同污染程度統(tǒng)計(jì)

4.3.2污染指數(shù)的克里格插值據(jù)相關(guān)研究表明，土壤鎘污染主要類型有：水質(zhì)污染型(工業(yè)和城市生活廢水)、固體廢棄物污染型(工礦業(yè)廢渣、污泥和城市垃圾)、大氣污染型(汽車尾氣和工廠飄塵污染物)和綜合污染型(同時來源于廢水、廢氣和廢渣)[13-20]。利用已經(jīng)計(jì)算好的各個采樣點(diǎn)的污染指數(shù)，通過ArcGIS 10.0進(jìn)行克里格插值，得出內(nèi)江市城區(qū)的土壤鎘元素污染分布圖(圖3)?？傮w來看表層土壤鎘污染較深層嚴(yán)重。其中表層土的鎘含量以中度污染為主，其次一定范圍表現(xiàn)為重度污染，此外少部分地區(qū)主要表現(xiàn)為輕度污染。沱江以南的重度污染區(qū)主要集中在城西工業(yè)園區(qū)—火車站帶狀范圍，與這里交通用地和工業(yè)用地有關(guān)，汽車尾氣影響較大，而且主要是機(jī)械廠、藥廠、水泥廠等，鎘累積較快。同時，在城南邊緣有分布，主要是這里高速公路交錯分布，汽車尾氣影響較大。輕度污染主要集中分布在內(nèi)江九中附近，主要以學(xué)校等公共設(shè)施用地為主，受人為擾動相對較小。而沱江以北的重度污染分布在西雅圖小區(qū)、廣匯小區(qū)及漢安大道以南的區(qū)域，城市交通網(wǎng)絡(luò)交錯分布，住宅區(qū)內(nèi)土壤受生活垃圾及人類活動擾動較大。深層鎘含量較表層低，以中度污染為主，同時重度污染范圍縮小，主要集中在沱江以南城南邊緣地帶，垃圾場、城市交通干線在此分布，受人為影響較大。同時輕度污染范圍有所增加，主要集中在沱江以南的北部、火車站和內(nèi)江九中附近，農(nóng)業(yè)用地、公共用地比例較大，人為干擾較小。

圖3　內(nèi)江市城區(qū)土壤鎘元素污染分布

5　結(jié) 論

(1) 內(nèi)江市城區(qū)土壤鎘含量總體偏高，表現(xiàn)為表層>深層，表層含量的變化范圍比深層要大。不同土地利用類型下土壤鎘含量，表層和深層不一樣。其中，表層表現(xiàn)為：商業(yè)用地>工業(yè)用地>公共用地>住宅用地>交通用地>農(nóng)業(yè)用地；深層表現(xiàn)為：農(nóng)業(yè)用地>公共用地>住宅用地>交通用地>工業(yè)用地>商業(yè)用地。表層高值區(qū)主要集中分布在城西—火車站、市中區(qū)城南邊緣以及東興區(qū)的西雅圖和廣匯住宅小區(qū)及漢安大道以南的地區(qū)。低值區(qū)主要集中在市中區(qū)的內(nèi)江九中附近和東興區(qū)的漢安住宅小區(qū)附近。深層的高值區(qū)集中在市中區(qū)的城西—火車站附近和東興區(qū)的煙草物流中心附近。

(2) 主要以中度污染為主，表層污染程度較深層污染程度大。表層污染較重，且重度污染集中在城西—火車站附近區(qū)域、市中區(qū)城南邊緣和東興區(qū)的西雅圖、廣匯小區(qū)和漢安大道以南，輕度污染主要分布在市中區(qū)內(nèi)江九中附近。深層污染較輕，土壤受到表層污染影響較大，重度污染集中在市中區(qū)城南邊緣地帶，輕度污染則在市中區(qū)北部、火車站附近和內(nèi)江九中附近。

針對內(nèi)江市不同土地利用類型土壤鎘污染情況，有必要采取一定的措施予以應(yīng)對。從治標(biāo)來看，在污染嚴(yán)重的地區(qū)可以采用物理化學(xué)的方法，同時也要采用一些生物措施，如種植對鎘吸收較強(qiáng)的植物以及利用微生物進(jìn)行分解等。從治本來看，合理規(guī)劃城市布局，以及提高人們生態(tài)素養(yǎng)才是長遠(yuǎn)之道。最后，由于本文僅僅是探討250 m×250 m尺度土壤鎘含量及其污染的情況，對于不同尺度的土壤鎘含量及污染情況，還有待于進(jìn)一步探究。

[1]茹淑華,蘇德純,王激清.土壤鎘污染特征及污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)機(jī)理[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2006,14(4):29-33.

[2]符娟林,章明奎,厲仁安.基于GIS的杭州市居民區(qū)土壤重金屬污染現(xiàn)狀及空間分異研究[J].土壤通報(bào),2005,36(4):575-578.

[3]謝煒,曾鈺茹.城市表層土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)等級評價(jià)[J].數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識,2013,43(12):51-57.

[4]Burgos P, Madejón E, Pérez-de-Mora A, et al. Spatial variability of the chemical characteristics of a trace-element-contaminated soil before and after remediation[J]. Geoderma,2006,130(1):157-175.

[5]Li X, Lee S, Wong S, et al. The study of metal contamination in urban soils of Hong Kong using a GIS-based approach[J]. Environmental Pollution,2004,129(1):113-124.

[6]中國環(huán)境監(jiān)測總站.土壤質(zhì)量鉛、鎘的測定石墨爐原子吸收分光度法GB/T17141—1997[S].北京:國家環(huán)境保護(hù)總局,1997.

[7]國家環(huán)境保護(hù)局南京環(huán)境科學(xué)研究所.土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB15618—1995[S].北京:國家環(huán)境保護(hù)總局,1995.

[8]王政權(quán).地統(tǒng)計(jì)學(xué)及在生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,1999.

[9]徐建華.計(jì)量地理學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[10]王艷妮,謝金梅,郭祥.ArcGIS中的地統(tǒng)計(jì)克里格插值法及其應(yīng)用[J].軟件導(dǎo)刊,2008,7(12):36-38.

[11]池建.精通ArcGIS地理信息系統(tǒng)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2011.

[12]張世熔,黃元仿,李保國.沖積平原區(qū)土壤顆粒組成的趨勢效應(yīng)與異向性特征[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2004,20(1):56-60.

[13]馬建華,張麗,李亞麗.開封市城區(qū)土壤性質(zhì)與污染的初步研究[J].土壤通報(bào),1999,30(2):93-96.

[14]吳新民,李戀卿,潘根興,等.南京市不同功能城區(qū)土壤中重金屬Cu,Zn,Pb和Cd的污染特征[J].環(huán)境科學(xué),2003,24(3):105-111.

[15]崔曉陽,方懷龍.綠地土壤類型及其特征[M].北京:中國林業(yè)出版社,2001.

[16]李天杰,宮室國,潘根興,等.土壤環(huán)境學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1995.

[17]劉玉燕,劉敏,劉浩峰.城市土壤重金屬污染特征分析[J].土壤通報(bào),2006,37(1):184-188.

[18]孟昭虹,周嘉,鄭元福.哈爾濱市城市土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)[J].水土保持研究,2009,16(2):152-159.

[19]張琛,師學(xué)義,馬樺薇,等.煤炭基地復(fù)墾村莊土壤重金屬污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)[J].水土保持研究,2014,21(5):277-284.

[20]時亞坤,李凱榮,閆寶環(huán).銅川三里洞煤礦煤矸石風(fēng)化土壤重金屬分布及污染狀況分析[J].水土保持研究,2012,19(1):187-191.

Spatial Distribution Characteristics of Cd and Evaluation on Cd Pollution Situation in Urban Area Based on GIS

TAN Shaojun, XIE Xianjian, WANG Li, HU Yandan, HU Qin, HE Zhubi

(CollegeofGeographyandResourcesScience,NeijiangNormalUniversity,Neijiang,Sichuan641000,China)

We selected Neijiang City proper as the study area, used GIS and combined single-factor pollution index method with statistical method to analyze the spatial distribution characteristics of soil Cd in Neijiang City. The contents of Cd in soil and pollution levels in Neijiang urban area are high, on the whole, Cd content of the topsoil (0—15 cm) is (0.823 9±0.429) mg/kg, which is greater than that in the deep soil (15—30 cm) where the content is (0.637 5±0.306) mg/kg, and they are higher than the national standard value in soil (0.3 mg/kg), respectively. The contents of Cd are different land-use types vary greatly. Meanwhile, the pollution degree of top soil is more severer than deep soil, and the moderate and severe pollution occupies 95.07% in surface; however, areas of slight and moderate pollution in deep soil occupy 82.26%, indicating the less contamination.

soil; city; Cd; GIS; pollution assessment

2015-05-15

2015-06-15

四川省教育廳重點(diǎn)自籌項(xiàng)目(13ZA0006);國家級大學(xué)生創(chuàng)新性試驗(yàn)項(xiàng)目(X201305)

譚少軍(1990—),男,四川巴中人,在讀本科生,研究方向?yàn)橥恋乩蒙鷳B(tài)過程。E-mail:tsj2015@126.com

謝賢健(1978—),男,四川廣漢人,博士,副教授,主要從事水土保持技術(shù)及理論研究。E-mail:xxj007-14@tom.com

X53; X833

A

1005-3409(2016)03-0333-05