黄革勤 张培佩 张小红

（1.新蔡县自然资源局，河南 新蔡 463500；2.河南省测绘工程院，河南 郑州 450003）

0 引言

对于土壤重金属污染来源的研究源于1950年代左右，当时日本出现了引发世界瞩目的“水俣病”事件。此后，土壤重金属污染问题逐渐得到重视。土壤重金属污染来源主要分为受自身成土性质影响的内源污染、受人类活动和外界自然环境影响的外源污染。土壤重金属内源污染受成土母岩、气候和成土过程影响，不同的成土母岩和发育环境会形成不同性质的土壤，土壤重金属外源污染则受污水灌溉、工矿企业污染、农业生产和交通等一系列复杂因素的影响[1]。近几十年来，我国各项事业取得了巨大发展，与此同时，随着环境的恶化，耕地土壤环境质量尤为堪忧[2]。生活废水、工业排放、采矿冶金、大气沉降、农业化肥等都会导致不同程度的土壤污染[3]。土壤重金属污染因具有稳定性、不可逆性、隐形危害等特点而成为土壤污染修复治理的重点[4]。本文以栾川县石庙镇为研究区域，因该区数据源充足，农用地土壤对生产生活意义重大，且临近矿区，对其进行土壤重金属研究具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

栾川县位于河南省西部、洛阳市西南部、伊河上游，居于111°11′～112°01′E ，33°39′～34°11′N，与洛阳市嵩县、西峡县、卢氏县和洛宁县接壤，总面积约2185 km2。由南至北分别为伏牛山脉和熊耳山脉，中部有伏牛山的分支遏遇岭绵延其中，将该县分为伊河和小河两大流域。栾川县东面为伏牛山的另一分支杨山，因而形成了自南向北走向的明白河流域；西面为熊耳山的分支抱犊山，形成了淯河流域。石庙镇位于栾川县城西部，东面与栾川县相接，西面与陶湾镇紧邻，全镇共有10个行政村，总面积约96 km2，自然地貌为东西一道川（伊河川）、南北两条沟（七姑沟、石宝沟），伊河横穿其间。研究区范围如图1所示。

图1 研究区范围

1.2 样品的采集与测定

根据研究区农用地土壤分布特点，在自然分割出的农用地块中筛选出调查采样区，每个采样区由单个农用地块或多个农用地块组成，采样区的选点布设充分考虑地面形态、地表径流、水文地质条件等因素。土壤样品采样区设置为30m×30m采样单元。土壤样品共采集表层土壤样品265个，其中石宝沟主沟230个、银洞沟24个、倒回沟11个。所有土壤样品镉（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、铅（Pb）、铬（Cr）、铜（Cu）、锌（Zn）、镍（Ni）的测定均由具有CMA认证（中国计量认证）的实验室进行测定。

1.3 分析方法

（1）趋势面分析是利用数学中的曲面模拟地理空间数据在研究区内的分布和变化趋势的一种方法，其本质是运用回归分析的方法，采取最小二乘法拟合二维非线性函数。趋势面分析将平面中的点转换为三维立体中的点，以三维立体点的具体位置拟合一条曲面，若该曲线存在且明显，则表明存在全局趋势，需要去除全局趋势，从而进行分异过程的研究[5]。

克里金插值由Krige于1966年提出，建立在半变异函数理论基础上，是对一定空间内的区域化变量进行线性无偏最优估计的方法[6]。空间插值包含几个过程：收集空间已知点数据；分析收集到的空间数据，从多个角度进行统计学分析，研究其规律性，分析空间相关性 ；进行插值计算；最后分析和评价插值结果。

2 结果与分析

2.1 土壤重金属趋势面分析

趋势面分析是基于采样点数据对研究区域进行全局建模的技术方法，将平面上的二维点转换为空间内的三维点，依据三维点数据拟合一条曲线，如图2至图9中的蓝线和绿线，采样点投影到东西向（X轴）和南北向（Y轴）的正交平面上，通过投影点拟合一条最佳曲线，并通过该曲线模拟该方向上土壤重金属含量的趋势，直线表示该土壤重金属元素没有趋势存在，曲线表示有趋势存在。利用ArcGIS10.2软件，采用趋势面分析方法，研究土壤重金属元素在三维空间上的变化趋势。

图2 Cd趋势分析图

图3 Hg趋势分析图

图4 As趋势分析图

图5 Pb趋势分析图

图6 Cr趋势分析图

图7 Cu趋势分析图

图8 Zn趋势分析图

图9 Ni趋势分析图

绿线表示X轴东西方向的土壤重金属含量，蓝线表示Y轴南北方向的土壤重金属含量。从趋势分析图可以看出，土壤重金属元素Cd在东西方向两边高、中间低，南北方向几乎呈一条直线；重金属元素Hg在东西方向东高西低，南北方向南高北低；重金属元素As在东西方向和南北方向均呈一条直线；重金属元素Pb在东西方向和南北方向均呈一条直线；重金属元素Cr在东西方向和南北方向均存在明显趋势，东西方向两边低、中间高，南北方向两边高、中间低；重金属元素Cu在东西方向和南北方向均呈一条直线；重金属元素Zn在东西方向和南北方向均呈一条直线；重金属元素Ni在东西方向和南北方向均存在明显趋势，东西方向两边低、中间高，南北方向北边高、南边低。

2.2 土壤重金属空间分布特征

利用克里金插值方法对研究区内石宝沟、银洞沟和倒回沟土壤重金属元素Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni进行插值。从插值结果主要得出研究区土壤重金属Cd高值区主要分布于银洞沟，在石宝沟南部有部分高值区，倒回沟Cd含量最低；土壤重金属Hg沿石宝沟分布较多，高值区集中在石宝沟南部；土壤重金属As多位于银洞沟；土壤重金属Pb分布较广泛，石宝沟自北向南和银洞沟全域皆存在较多的Pb，与这一地带铅锌矿开采有密切联系；土壤重金属Cr高值区分布于石宝沟北部，Cr元素的分布与人类活动分布密切 ；土壤重金属Cu在研究区内较少，含量均不高，仅石宝沟中部出现中低值区；土壤重金属Zn在银洞沟、石宝沟南部分布较多，这也是工矿企业分布的地方，与矿业活动密切联系；土壤重金属Ni在石宝沟北部分布较多，该区域居民较多，与人类活动关系密切。

2.3 土壤重金属与高程的关系

栾川县石庙镇的高程位于700～1100m，不同高程处具有不同的土壤重金属含量，重金属的分布与高程关系较为紧密，为直观展示高程因素对8种土壤重金属Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn和Ni的影响，制作了散点图，它们与高程的关系如图10至图17所示。

图10 Hg的含量分布与高程关系

图11 Cd的含量分布与高程关系

图12 Pb的含量分布与高程关系

图13 As的含量分布与高程关系

图14 Cu的含量分布与高程关系

图15 Cr的含量分布与高程关系

图16 Ni的含量分布与高程关系

图17 Zn的含量分布与高程关系

3 结论与建议

3.1 结论

通过GIS技术对石庙镇农用地进行土壤重金属污染调查，得出结论：（1）利用ArcGIS10.2软件对土壤重金属含量进行了趋势面分析，由趋势面分析结果可知，除Cr和Ni之外，其余重金属元素趋势均不明显。（2）采用普通克里金方法对研究区内的石宝沟、银洞沟和倒回沟进行了空间插值，可以得出重金属分布的具体空间位置，通过空间位置分析可以得出农用地土壤重金属污染与矿业活动、人类活动关系密切。（3）利用DEM数据分析了研究区内的高程对土壤重金属含量的分布影响。高程方面，重金属Hg的含量随着高程的升高而逐渐减少，Cu的含量分布较为均匀，在900～1000m高程之间，Cr和Ni的分布较为连续。

3.2 建议

利用GIS技术分析农用地土壤重金属污染，农用地土壤中重金属的浓度和矿业开发活动关系密切。在农用地土壤重金属管控和监测方面，有如下建议：

（1）相关部门应加强矿山企业的监管，虽然矿山企业可极大地促进社会经济发展，为建筑业及其他领域提供丰富的原材料，但矿山企业对环境的污染亦是巨大的，其产生的重金属加剧了农用地土壤污染，因此应严格执行尾矿排放标准，规范矿山生产活动。

（2）定期对农用地土壤重金属进行监测，农用地是农作物生长的基础，受污染农用地种植出的农作物存在很大的食用安全风险，给人们的生命健康造成了巨大隐患。同时也应加强农作物的监管和监测，确保农作物安全。

（3）加大宣传教育，规范农业生产活动，不良的客土改造、污泥肥田应及时纠正，不合格的化肥、农药等田间管理应及时淘汰，从源头上对农业活动进行规范，加大农田管理和建设，用生态模式培育作物，减少对土壤环境的污染。