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(jì)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(xiǎn)評(píng)價(jià)法對(duì)壽光市土壤質(zhì)量狀況進(jìn)行評(píng)估,對(duì)重金屬來(lái)源進(jìn)行相關(guān)性分析,通過(guò)變異系數(shù)與ArcGIS地統(tǒng)計(jì)分析功能對(duì)壽光市表層土壤中的重金屬進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(guò)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(lái)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(xiǎn)等級(jí)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(xiǎn)評(píng)價(jià)法
中圖分類號(hào):S158.4:X825 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào):A ?文章編號(hào):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(jì)發(fā)展、人口增多,土地利用強(qiáng)度越來(lái)越大,交通尾氣與工業(yè)廢氣排放、農(nóng)業(yè)活動(dòng)、工礦開(kāi)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(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示,當(dāng)前我國(guó)農(nóng)田的土壤點(diǎn)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(duì)生態(tài)環(huán)境造成危害,更會(huì)沿食物鏈進(jìn)入生物體內(nèi),對(duì)人體健康有潛在威脅,因此對(duì)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(duì)土壤重金屬的研究始于20世紀(jì)中葉,發(fā)達(dá)國(guó)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(kāi)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(guó)對(duì)土壤重金屬污染方面的關(guān)注相對(duì)較晚,但仍不乏具有創(chuàng)新指導(dǎo)意義的研究理論與實(shí)踐成果,特別是近年來(lái)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(jì)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(duì)河北曹妃甸某農(nóng)場(chǎng)農(nóng)田進(jìn)行土壤重金屬空間分布研究時(shí)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(duì)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(dòng)、交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)操作有關(guān)。GIS強(qiáng)大的空間分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、建立模型和制圖能力使得越來(lái)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(píng)價(jià)重金屬的污染等級(jí)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(xiǎn)指數(shù)法綜合評(píng)估是常用的土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法。何博等[9]使用該方法對(duì)典型城市化區(qū)域的土壤重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià),找出了污染程度與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)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(duì)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(xiǎn)處于輕微水平。
本研究通過(guò)對(duì)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(jì)特征、來(lái)源的相似性,對(duì)重金屬的污染水平和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)做出評(píng)估,利用GIS地統(tǒng)計(jì)分析工具繪制土壤重金屬空間分布圖,并對(duì)其來(lái)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(shì)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(shì)使其蔬菜種植水平處于全國(guó)前沿,擁有全國(guó)最大的蔬菜生產(chǎn)和批發(fā)市場(chǎng),有“中國(guó)蔬菜之鄉(xiāng)”的美譽(yù)。
1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源
土壤樣品采集于2016年。各采樣點(diǎn)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(diǎn)(≥5)取樣土壤充分混合后取1 kg作為一個(gè)代表樣,共采集21個(gè)表層土樣。野外取回土樣登記編號(hào)后,室內(nèi)風(fēng)干、粉碎、過(guò)100目尼龍篩,之后混勻分裝測(cè)試。
1.3 評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)的缺點(diǎn),通過(guò)單因子污染指數(shù)得出多種污染物綜合污染水平,從而對(duì)各污染物對(duì)土壤的作用進(jìn)行綜合評(píng)估[12-14]。其公式如下:
1.4 數(shù)據(jù)處理
本研究通過(guò)Microsoft Excel、SPSS軟件完成數(shù)據(jù)分析,利用ArcGIS 10.2地統(tǒng)計(jì)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(jì)分析
國(guó)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(duì)某工業(yè)園內(nèi)企業(yè)周邊土壤重金屬進(jìn)行評(píng)價(jià)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(shí),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(duì)壽光市土壤重金屬進(jìn)行評(píng)價(jià)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(guò)背景值,說(shuō)明壽光市土壤重金屬有富集趨勢(shì)。
變異系數(shù)(CV)用來(lái)評(píng)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(dòng)影響越大[20]。CV <10%為弱變異,10%100%為強(qiáng)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(shuō)明這些元素土壤中的含量分布較為均勻,各樣本點(diǎn)間的重金屬含量變化范圍不大。偏度系數(shù)用來(lái)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(jì)結(jié)果(表4)表明,所測(cè)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(shì)較為陡峭,說(shuō)明重金屬含量在中值以上的樣點(diǎn)較多。
2.2 土壤重金屬相關(guān)性分析
土壤重金屬主要來(lái)源于成土母質(zhì)、農(nóng)業(yè)活動(dòng)、大氣降塵、工業(yè)污染等,同一來(lái)源的重金屬之間可能存在著相關(guān)性[22],可通過(guò)計(jì)算各重金屬間的相關(guān)系數(shù)判斷其來(lái)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(lái)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(lái)源具有同源性。
2.3 土壤中重金屬污染評(píng)價(jià)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(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。可以看出,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(píng)價(jià)為Ⅰ級(jí)無(wú)污染。但7種重金屬的最大值均處于Ⅱ級(jí)輕度污染水平。通過(guò)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(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可知,7種重金屬單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均值皆屬于Eir<40范圍內(nèi),生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為輕度污染,其大小順序?yàn)镠g>Cd>As>Pb>Cu>Cr>Zn,Cd、Hg綜合指數(shù)較高是因其單項(xiàng)指數(shù)最大值較大,為45.16、77.16,達(dá)到中度污染風(fēng)險(xiǎn)。研究區(qū)綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI在36.93~121.91,平均值為66.11,潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為輕度(表7)。總體而言,該地區(qū)土壤環(huán)境良好,未受到嚴(yán)重污染,但個(gè)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(diǎn),再使用插值技術(shù)根據(jù)各樣點(diǎn)重金屬元素的實(shí)測(cè)含量將點(diǎn)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(huì)影響地統(tǒng)計(jì)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(shí)別特異值,即樣本平均值加減3倍標(biāo)準(zhǔn)差構(gòu)建一個(gè)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(guò)SPSS分析發(fā)現(xiàn),As、Cr、Pb、Hg符合正態(tài)分布,Cd、Cu對(duì)數(shù)變換后符合正態(tài)分布,Zn不符合正態(tài)分布。對(duì)重金屬As、Cr、Pb、Cd、Cu、Hg使用普通克里格插值法,對(duì)Zn采用反距離插值法,根據(jù)地統(tǒng)計(jì)分析向?qū)е械慕徊骝?yàn)證結(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(tái)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(duì)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(yíng)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(tái)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(lái)源與其歷史和發(fā)展過(guò)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(tái)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(dòng)產(chǎn)生的廢氣廢渣等構(gòu)成重金屬As、Cr、Cu、Hg、Zn的主要來(lái)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(guò)程中化肥、農(nóng)藥、飼料等的過(guò)多施用也會(huì)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(yùn)輸量增多,土壤中Pb、Zn主要來(lái)源于交通運(yùn)輸中的汽車胎輪磨損、煙塵尾氣等,另一方面來(lái)源于土壤母質(zhì)。
通過(guò)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(guò)了山東省土壤元素背景值,As、Cd、Cu、Hg元素的最大值超過(guò)了背景值,說(shuō)明壽光市土壤重金屬有富集趨勢(shì)。不同元素在土壤中的變異系數(shù)大小順序?yàn)镃d>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(xiǎn)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(xiǎn)等級(jí)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(guò)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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