河南省土壤環(huán)境監(jiān)測背景點(diǎn)位布設(shè)參考區(qū)域劃分研究

解慶鋒，周小果，王振峰，馬振波，李勝昌，張得恩，司法禎

(1．河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南 鄭州 450001； 2．河南省地質(zhì)科學(xué)研究所，河南 鄭州 450001； 3．河南省地球化學(xué)生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450001； 4．河南巖石礦物測試中心，河南 鄭州 450001)

0 引言

河南省是國家糧食生產(chǎn)核心區(qū)，近年來由于城鎮(zhèn)化速度較快，人口聚集明顯，資源開發(fā)利用程度高，故而持續(xù)加強(qiáng)土壤環(huán)境保護(hù)極其重要。河南省政府印發(fā)的《河南省清潔土壤行動(dòng)計(jì)劃》中提出，建立土壤環(huán)境監(jiān)測體系，實(shí)施土壤環(huán)境質(zhì)量“一張圖”管理，因此，對河南省土壤生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)位進(jìn)行優(yōu)化，提升土壤環(huán)境監(jiān)測水平，既是國家要求，也是河南省的迫切需求，對美麗河南建設(shè)、保障“中原糧倉”安全具有重要意義。土壤環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)位分為風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位、基礎(chǔ)點(diǎn)位和背景點(diǎn)位，其中背景點(diǎn)位樣品應(yīng)不受人為干擾的自然含量，在此前提下才能反襯出人類活動(dòng)對環(huán)境的影響程度[1-2]。點(diǎn)位優(yōu)化過程中，背景點(diǎn)位的布設(shè)區(qū)域要突出其“源”，盡可能布設(shè)在人為活動(dòng)影響較小的區(qū)域，由此得出的監(jiān)測數(shù)據(jù)才能為風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位評價(jià)作出重要參照。因此，合理劃分背景點(diǎn)位布設(shè)參考區(qū)域非常必要。

1 數(shù)據(jù)來源

1981年，原河南省地礦局區(qū)調(diào)隊(duì)開展了洛南幅、商南幅1∶20萬區(qū)域化探掃面，1986年原地礦局地調(diào)一隊(duì)、地調(diào)二隊(duì)、地調(diào)三隊(duì)參加，至1990年共完成59 120 km2河南省基巖區(qū)1∶20萬水系沉積物測量(圖1)。樣品以1 km×1 km網(wǎng)格，在河流最大匯水域處采集水系沉積物樣品，并按2 km×2 km網(wǎng)格用等重量法進(jìn)行組合送檢[3]。

2003年，由中國地質(zhì)調(diào)查局統(tǒng)一部署，河南省地質(zhì)調(diào)查院系統(tǒng)實(shí)施了河南省1∶25 萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查。截至目前，完成調(diào)查面積11.34萬km2(圖2)，覆蓋了河南省平原區(qū)范圍。樣品采集以農(nóng)用地土壤為主，按照1 km×1 km網(wǎng)格采集1件表層土壤樣品(0～20 cm)，并按2 km×2 km網(wǎng)格用等重量法進(jìn)行組合送檢。

1—商南幅、洛南幅區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查；2—欒川幅區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查；3—魯山幅區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查；4—洛寧幅區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查；5—內(nèi)鄉(xiāng)-南陽一帶區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查；6—平頂山幅、許昌幅區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查；7—三門峽幅、洛陽幅、鄭州幅區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查；8—新縣幅區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查；9—臨汝幅區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查；10—泌陽幅區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查；11—桐柏幅、信陽幅區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查；12—固始幅、商城幅區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查；13—長治幅、邯鄲幅、陵川幅、鶴壁幅(部分)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查1—regional geochemical survey in Shangnan and Luonan area; 2—regional geochemical survey in Luanchuan area; 3—regional geochemical survey in Lushan area; 4—regional geochemical survey in Luoning area; 5—regional geochemical survey in Neixiang-Nanyang area;6—regional geochemical survey in Pingdingshan and Xuchang area; 7—regional geochemical survey in Sanmenxia, Luoyang, Zhengzhou area; 8—regional geochemical survey in Xinxian area; 9—regional geochemical survey in Linru area; 10—regional geochemical survey in Biyang area;11—regional geochemical survey in Tongbai and Xinyang area; 12—regional geochemical survey in Gushi and Shangcheng area; 13—regional geochemical survey in Changzhi, Handan, Lingchuan, Hebi (partial) area圖1 河南省1∶20萬水系沉積物測量工作程度Fig.1 Work degree map of 1∶200 000 stream sediment survey in Henan Province

圖2 河南省1∶25萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查工作程度Fig.2 Work degree map of 1∶250 000 land quality geochemistry in Henan Province

樣品分析均由河南省地礦局巖礦測試中心完成，水系沉積物測量分析項(xiàng)目包括Cd、As、Pb、Hg、Cr等39項(xiàng)元素指標(biāo)，共取得數(shù)據(jù)17 113條。土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查分析項(xiàng)目包括Cd、As、Pb、Hg、Cr等54項(xiàng)元素指標(biāo)，共取得數(shù)據(jù)29 166條。

河南省成土母質(zhì)數(shù)據(jù)是綜合土壤母質(zhì)的分類并依據(jù)土壤分類土屬級別中母質(zhì)信息予以歸納概括而成[4]，并運(yùn)用 ArcGIS軟件的空間數(shù)據(jù)處理和分析功能形成河南省土壤母質(zhì)圖(圖3)，共分6 個(gè)主要成土母質(zhì)大類。河南省的成土母質(zhì)較為復(fù)雜，山區(qū)主要是各種巖石風(fēng)化的殘坡積物、洪積物及黃土，在平原地區(qū)則為沖積物、洪積物、河湖相沉積物和風(fēng)積物。

圖3 河南省成土母質(zhì)分布Fig.3 Soil forming parent material map in Henan Province

2 不同成土母質(zhì)重金屬含量特征

背景點(diǎn)位區(qū)域主要考慮成土母質(zhì)及成因，不同的成土母質(zhì)對元素含量均有影響，因此需要對數(shù)據(jù)按成土母質(zhì)類型進(jìn)行分區(qū)。利用ArcGIS軟件的空間分析功能，以河南省成土母質(zhì)類型分布范圍為統(tǒng)計(jì)單元，分別對水系沉積物測量數(shù)據(jù)、土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)，并統(tǒng)計(jì)各分區(qū)中Cd、As、Hg、Pb、Cr等5種重金屬元素的地球化學(xué)特征值[5-6]。

水系沉積物測量數(shù)據(jù)5種元素除在河湖相沉積物中較穩(wěn)定外，Hg在其他成土母質(zhì)類型中呈分異型，變異系數(shù)均大于100%；殘積和坡積物成土母質(zhì)類型中，Pb呈強(qiáng)分異，變異系數(shù)為564.5%， Cd在黃土與紅土成土母質(zhì)類型中呈強(qiáng)分異，變異系數(shù)為231.2%(表1)；說明重金屬元素在山地丘陵區(qū)由于成礦作用對次生環(huán)境影響較明顯。

表1 不同成土母質(zhì)水系沉積物測量數(shù)據(jù)特征

土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)中，5種元素在河湖相沉積物和風(fēng)積物中較穩(wěn)定，Hg在其他成土母質(zhì)類型中強(qiáng)分異，變異系數(shù)均大于200%；殘積和坡積物成土母質(zhì)類型中，Pb呈較強(qiáng)分異，變異系數(shù)為111.0%， Cd在河流沖積物成土母質(zhì)類型中呈分異型，變異系數(shù)為139.3%(表2)；說明工礦企業(yè)等人為活動(dòng)對平原區(qū)的土壤有一定的影響。

表2 不同成土母質(zhì)中土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)特征

3 背景值區(qū)間計(jì)算與背景點(diǎn)位提取

樣本受成礦作用及人類活動(dòng)對次生環(huán)境的影響，使所有元素均形成不同程度的分異性特征，說明各元素含量疊加了自然背景而導(dǎo)致正異?；蛘Ｒ虼?，對數(shù)據(jù)采取均值±2倍的標(biāo)準(zhǔn)離差迭代剔除離群值的方法消除特異值影響，剔除后的樣本數(shù)據(jù)通過計(jì)算其均值±2倍標(biāo)準(zhǔn)離差值作為背景區(qū)間(表3)。

表3 不同成土母質(zhì)背景提取區(qū)間值

根據(jù)不同成土母質(zhì)各元素的背景區(qū)間值，利用ArcGIS軟件“SQL”查詢功能，分別對水系沉積物測量數(shù)據(jù)、土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)點(diǎn)位進(jìn)行提取，提取的點(diǎn)位區(qū)域分別代表該成土母質(zhì)類型中該元素的背景區(qū)域。

4 背景點(diǎn)位參考區(qū)域確定

由于元素的分布及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律有差異，需要對5種元素背景點(diǎn)位進(jìn)行相交處理，即當(dāng)5種元素的點(diǎn)位均在背景區(qū)域內(nèi)時(shí)，可作為背景點(diǎn)位參考布設(shè)區(qū)域。本次利用ArcGIS軟件的“相交”工具，以相同土壤母質(zhì)類型抽取的Cd、As、Pb、Hg、Cr等5種元素點(diǎn)位數(shù)據(jù)，進(jìn)行相交分析，得出空間相交的點(diǎn)位。然后將所有相交分析后的點(diǎn)位進(jìn)行合并，得出河南省背景點(diǎn)位空間分布，再利用ArcGIS軟件的“建立漁網(wǎng)”工具生成2 km×2 km網(wǎng)格，相交處理后的點(diǎn)位選擇的網(wǎng)格即為背景點(diǎn)位布設(shè)參考區(qū)域(圖4)。

圖4 河南省土壤環(huán)境監(jiān)測背景點(diǎn)位布設(shè)參考區(qū)域分布Fig.4 Distribution map of reference region for background point of soil environmental monitoring in Henan Province

5 樣品采集驗(yàn)證

為了驗(yàn)證背景點(diǎn)位布設(shè)參考區(qū)域可用性，在不同母質(zhì)類型中，選擇無明顯人為活動(dòng)影響且具有代表性的連片農(nóng)用地地塊布設(shè)了50個(gè)點(diǎn)位，采集表層土壤樣品(0～20 cm)并進(jìn)行測試，獲取了Cd、As、Pb、Hg、Cr等5種元素指標(biāo)50組數(shù)據(jù)，其中殘積和坡積物14組、河流沖積物15組、洪積物2組、黃土與紅土12組、河湖相沉積物4組、風(fēng)積物3組。

通過對數(shù)據(jù)分析，除Hg在河流沖積物、洪積物的算術(shù)平均值略高于該成土母質(zhì)的土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查背景值上限外，其他均低于或持平；多個(gè)樣品數(shù)據(jù)指標(biāo)最大值略高于相對應(yīng)的區(qū)域背景值上限，其中Hg較明顯(圖5)。總體上該參考區(qū)域可用性較強(qiáng)，后期可通過點(diǎn)位微調(diào)實(shí)現(xiàn)背景點(diǎn)位的布設(shè)。

圖5 樣品采集驗(yàn)證數(shù)據(jù)對比Fig.5 Comparison chart of sample collection and verification data

6 結(jié)論

將河南省水系沉積物測量和土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)按土壤母質(zhì)分布進(jìn)行分區(qū)、數(shù)據(jù)特征統(tǒng)計(jì)、背景值區(qū)間計(jì)算，提取了不同成土母質(zhì)類型的背景點(diǎn)位，并由該點(diǎn)位通過空間分析形成了河南省土壤環(huán)境監(jiān)測背景點(diǎn)位布設(shè)參考區(qū)域分布范圍。其中山區(qū)丘陵區(qū)、南陽盆地、伊洛河盆地、黃河決口扇背景區(qū)域分布較少，說明Cd、As、Pb、Hg、Cr等5種重金屬在該地區(qū)后期存在一定的影響；華北平原(河南部分)背景區(qū)域呈連片分布，且面積占比較高，側(cè)面反映了河南省糧食主產(chǎn)區(qū)重金屬元素影響較小，農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地的土壤相對安全。本次研究形成的區(qū)域分布范圍通過實(shí)際采集測試驗(yàn)證，可用性較強(qiáng)，可作為河南省土壤環(huán)境監(jiān)測背景點(diǎn)位的參考依據(jù)，但在實(shí)際布設(shè)過程中，除考慮土壤類型分布、土地利用現(xiàn)狀、周邊環(huán)境等因素外，還需要通過采樣分析驗(yàn)證使樣點(diǎn)位置更趨于合理化。