ICP-MS法測定表層土壤重金屬污染及其空間變異特征研究

關(guān)鍵詞：ICP-MS法；表層土壤；重金屬污染；分布空間；變異特征

前言

重金屬的污染來源多樣，一般情況下，主要來源于工業(yè)污染，具有不可逆性、不容易消除等特點，同時，重金屬元素形態(tài)多變，在不同種類的重金屬的共同作用下，會給生態(tài)環(huán)境帶來極大的影響。在農(nóng)作物生長發(fā)育過程中，土壤作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，為植物的生長提供了水分、養(yǎng)分等。因此，土壤中的成分關(guān)系著植物的生長狀態(tài)，同時也影響著生態(tài)環(huán)境，對表層土壤的重金屬污染進行測定，并對其分布空間變異特征進行分析，有利于對土壤中的成分進行了解，從而了解到土壤的生物活性。河南省許昌市，屬于重要先進制造業(yè)基地，在城市化的進程中，隨著城市的擴展以及土地等的不斷利用，工業(yè)污染給土壤污染帶來了一定的影響，文章以該地區(qū)為研究對象，對該地區(qū)表層的土壤重金屬污染分布空間變異特征進行分析。

目前在研究分析方法上，主要會用到空間分析技術(shù)，可以對數(shù)據(jù)的空間位置進行考慮，此外經(jīng)常使用到克里格法，是一種依靠目標(biāo)變量的方法，受采樣數(shù)量以及密度的影響較大。同時還有回歸克里格法，結(jié)合了回歸模型，可以對測定的變量進行估值。文章結(jié)合這些研究方法，對污染分布空間變異特征進行分析，詳細(xì)情況如下所示。

1材料與方法

1.1研究區(qū)域概況

文章以許昌市為研究對象，對該地區(qū)的表層土壤重金屬污染分布空間變異特征分析。該地區(qū)地貌為低山丘陵地貌，地勢西北高，東南低，呈東西向分帶分布，有平原、山地和崗地三大類地形結(jié)構(gòu)。氣候?qū)俦迸瘻貛Ъ撅L(fēng)氣候，土壤以黃壤和紫色土為主。

1.2采集土壤樣品

為保證土壤樣品的代表性，在兼顧土壤類型的同時，設(shè)置均勻分布的采樣點，分別對其進行采樣。采樣過程中利用GPS儀定位，采集0cm～10cm的表層土壤樣品。

1.3土壤重金屬測定

在研究中采用電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）技術(shù)來測定土壤中的重金屬含量。為保證實驗準(zhǔn)確性，在實驗的過程中，對于同一個土壤樣本，進行兩次重復(fù)實驗，并采用土壤一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GSS-5對其進行實驗控制。以下是ICP-MS技術(shù)研究的應(yīng)用和操作過程。

首先，將采集的土壤樣品進行破碎和研磨。采用專門的研磨設(shè)備，將土壤樣品破碎成更小的顆粒。同時，還采用篩分技術(shù)，將樣品中的石塊、根系等雜質(zhì)去除，確保樣品的純凈度。按照標(biāo)準(zhǔn)方法進行樣品消解。在消解過程中，使用硝酸、氫氟酸和鹽酸等混合酸，對樣品進行逐步溶解和提取。消解步驟如下：

（1）將土壤樣品稱重并記錄；

（2）按照4：1：1的比例加入硝酸、氫氟酸和鹽酸的混合酸，使樣品與酸充分混合；

（3）將混合物在恒溫條件下加熱，使樣品中的重金屬元素溶解于酸中；

（4）在消解過程中，定日寸對混合物搖勻，確保酸與樣品充分接觸；

（5）消解溫度為120℃，消解時間為4小時，待混合物冷卻至室溫，再進行ICP-MS測定。

1.4測定數(shù)據(jù)處理

使用SPSS對前述測定得到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，并使用ArcGIS9.2對空間圖進行分析。為保證數(shù)據(jù)的有效性與準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)需符合正態(tài)分布，所以使用圖形法，對數(shù)據(jù)進行正態(tài)性檢驗。對不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換。

2重金屬分布空間變異特征分析

2.1重金屬空間變異特征分析方法設(shè)計

為確保實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，除了對實驗過程進行質(zhì)量控制，需采用以下措施：

（1）定期對儀器進行校準(zhǔn)和維護，確保儀器的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性；

（2）采用內(nèi)標(biāo)校正法減小儀器誤差，提高測定精度；

（3）通過標(biāo)準(zhǔn)曲線法對樣品進行定量分析，消除基體效應(yīng)和儀器響應(yīng)差異的影響；

（4）對數(shù)據(jù)進行清洗和預(yù)處理，包括剔除異常值、去除背景值等；

（5）采用半方差函數(shù)方法和克里格插值法對土壤重金屬含量的空間結(jié)構(gòu)特征進行分析。

文章使用半方差函數(shù)方法，對土壤重金屬含量的空間結(jié)構(gòu)特征進行分析，使用克里格插值法，對空間分布特征進行分析。采用克里格插值法對空間分布特征進行分析，根據(jù)已知樣點的數(shù)據(jù)，對未知樣點的數(shù)據(jù)進行估計，以有效地處理具有空間相關(guān)性的數(shù)據(jù)，并給出插值結(jié)果的不確定性估計。

2.2重金屬變異強度結(jié)果與分析

對結(jié)果進行統(tǒng)計，可以得到許昌市土壤重金屬含量，并對變異強度進行分類，其中變異系數(shù)在0%～20%之間為弱變異，20%～45%之間為中等變異，45%～100%為強變異，其統(tǒng)計結(jié)果見表1。

2.3.1各向同性土壤重金屬空間結(jié)構(gòu)特征

對7種不同的重金屬元素，對同性上的變程的空間結(jié)構(gòu)特征進行統(tǒng)計，情況見表2。

從表1看出，許昌市土壤重金屬含量中，其中除了Cr元素與Cu元素屬于中等變異外，其它的元素都屬于是弱變異，變異強度前四種元素分別是Crgt;Cugt;Pbgt;Zn，變異強度分別為53.26%、46.25%、25.36%、19.55%。

2.3重金屬分布空間結(jié)構(gòu)特征

從表2看出，土壤7種重金屬中，空間自相關(guān)距離差異較大的四種元素分別是Asgt;Cdgt;Zngt;Hg，變程分別為30251m，26841m，25698m，20968m，說明在As、Cd、Zn、Hg四種元素，分別在30251m，26841m，25698m，20968m范圍中具有較強的空間自相關(guān)性。

對四種元素的半方差函數(shù)模型進行擬合，在考慮系數(shù)和殘差的基礎(chǔ)上，對步長變化域的變化情況進行統(tǒng)計，可以得到圖像見圖1。

由圖1（a）可以看出，As元素的半方差圖中，數(shù)值變化較為劇烈，空間自相關(guān)距離差異較大。由圖1（b）可以看出，Hg元素半方差圖中，數(shù)值變化十分平緩，空間自相關(guān)距離差異很小。由圖1（c）可以看出，Cd元素半方差圖中，雖然后期的數(shù)值變化十分平緩，但是差異和Cr元素差不多，空間自相關(guān)距離差異很小。由圖1（d）可以看出，Zn元素半方差圖中，其數(shù)值的變化就小，變化較為平緩，空間自相關(guān)距離差異較小。比較得出，四種變異強度最大的元素中，空間自相關(guān)距離差異從大到小的排序與統(tǒng)計相符，為：Asgt;Cdgt;Zngt;Hg，

2.3.2各向異性土壤重金屬空間結(jié)構(gòu)特征

對四種元素的空間結(jié)構(gòu)特征進行研究，對各向異性土壤重金屬空間結(jié)構(gòu)特征進行統(tǒng)計，以5°為間隔對其進行統(tǒng)計，見表3。

從表3看出，四種元素在不同的方向上變量下，其平方差值均不相同，但在方向上，均表現(xiàn)出較強的空間相關(guān)性。綜合看出，四種重金屬含量，在各向異性下，受結(jié)構(gòu)性元素的影響程度有所增加。由此可以得出，結(jié)構(gòu)性因子，對土壤重金屬含量空間變異的影響，在方向性上加強。

3結(jié)束語

綜上所述，文章探究許昌市表層土壤重金屬污染的測定及其分布空間變異特征。研究過程中，采用先進的ICP-MS檢測技術(shù)，對表層土壤中的重金屬含量進行測定。隨后，利用半方差函數(shù)方法和克里格插值法，系統(tǒng)分析土壤中重金屬分布的空間變異特征。研究結(jié)果顯示，許昌市表層土壤中，變異強度前四種重金屬元素依次為Cr、Cu、Pb和Zn。同時，發(fā)現(xiàn)As、Cd、Zn和Hg這四種元素的空間自相關(guān)距離差異較大。為深入理解許昌市表層土壤重金屬污染狀況及其空間分布特征提供重要依據(jù)。

此研究成果對表層土壤重金屬污染治理具有重要的借鑒意義，有助于為許昌市及類似地區(qū)的土壤環(huán)境保護和修復(fù)工作提供科學(xué)指導(dǎo)，為構(gòu)建美麗宜居的環(huán)境貢獻力量。