王新艳，李新民

（山东理工大学理学院，山东淄博255091）

地球化学基线指的是地球表层物质中化学元素浓度的自然变化，是区分自然和人为环境影响的重要参照，它提供了对比及判别人类或者自然事件造成的环境扰动的标准，其反映的是环境的目前状态，并提供将来环境扰动（自然或人为）的对比标准或尺度．20世纪80年代以来，世界上多个国家开展了城市地球化学基线调查．近几年中国的研究者在城市地球化学基线研究方面也取得了一定的成绩．滕彦国等应用标准化方法确定了攀枝花地区土壤重金属地球化学基线，并在此基础上评价了该区表层土壤的重金属污染状况［1]；宣昊、滕彦国、倪师军等采用标准化方法确定了江西省德兴地区土壤样品中Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、As和Hg等7种重金属元素的地球化学基线值［2]；袁峰、张颖慧等用标准化方法及统计分析方法分别计算合肥地区城镇表层土壤重金属元素的环境地球化学基线值，结果非常一致，两种方法均可以很好地用于确定土壤元素环境地球化学基线［3]．以往虽然有针对青岛地区土壤的环境质量评价，但是都没有具体确定其中重金属元素的地球化学基线．为了明确青岛地区人类开发前后化学物质浓度的变化及环境的演变，为经济开发提供参考，我们采用科学合理的方法确定青岛地区土壤重金属元素的地球化学基线．

1 青岛地区概况

青岛地处山东半岛东南部，2011年1月，国家批准山东半岛蓝色经济区发展规划，青岛是其核心城市、龙头城市．作为山东半岛城市群的中心城市，青岛市大力发展各项经济，为全省经济发展搭建高端平台．青岛拥有丰富的旅游资源，深厚的齐鲁文化底蕴，尤其是自作为2008年奥运会帆船比赛场地以来，青岛走向世界的步伐继续向前迈进，作为体现青岛面貌的首要因素——环境早已成为青岛、中国乃至世界关注的问题．本次研究所用数据采样地点及编号如图1所示［4]．

图1 研究区采样点分布图

2 研究方法

确定土壤重金属元素的地球化学基线最常用的方法是标准化方法［5－7]．参考元素的选择是运用标准化方法求地球化学基线的首要关键．土壤中有些元素的性质比较稳定，有很强的抗风化能力，在土壤的历史演化中表现出很强的惰性，如Al、Li、Fe、Cs、Th、Rb、Yb、Sc、Ti等常被选作参考元素．由于要在参考元素和污染元素之间作线性回归分析，所以必须选择与污染元素相关性较大的参考元素作为自变量．根据标准化方法，设有n个样品（xi，yi），i＝1，2，…，n，y＝（y1，…，yn）和x＝（x1，…，xn）分别是污染元素Y和选定的参考元素X在n个样品中的实测含量．由于实测含量数据不一定满足建立线性回归方程的假设条件，于是先对y进行Boxcox变换，即

使其满足建立线性回归方程的假设条件．然后将参考元素X作为自变量，污染元素变换后的数据y（λ）作为因变量，建立二者之间的线性回归方程．在双元素散点图上，将落在95%置信区间外的样品作为离群样品予以剔除，剩下的95%置信区间内的样品代表未受人类污染的样品，将它们作为基线样品（x0，y0（λ））建立地球化学基线模型

其中，β0和β1是回归参数是基线样品中污染元素测量数据的Boxcox变换数据，即＝1）／λ，x0是基线样品中参考元素的测量数据．根据确定的回归参数的估计值和可得出的平均预测值，将其代入＝－1）／λ，解出的y0值就是我们要求的污染元素Y的地球化学基线值BY．

3 结果与讨论

3．1 确定青岛地区土壤重金属地球化学基线

首先选取参考元素．根据研究方法中的陈述，青岛地区实测数据中可以作为参考元素的有7种：Cs、Sc、Th、Li、Rb、Yb、Ti．由于地球化学基线是通过建立污染元素与参考元素之间的线性回归方程得到的，因此我们考虑污染元素与参考元素的相关性．相关系数结果见表1．

由表1可以看出，与8种污染元素相关性最大的是Li，所以选择Li作为本次研究的参考元素．污染元素与参考元素散点图及95%置信区间如图2所示，基线值结果见表2．

表1 污染元素与参考元素相关系数

图2 污染元素与参考元素散点图及95%置信区间

表2 重金属元素地球化学基线值

3．2 地球化学基线的应用

通过地累积指数法评价土壤重金属污染是地球化学基线的重要应用之一．地累积指数（Igeo）法是德国海德堡大学沉积物研究所的科学家Muller在1969年提出的，广泛应用于人为活动产生的重金属污染评价［8－10]．其计算公式如下

其中CY是样品中元素Y的含量，BY为该元素的地球化学基线值，常量1．5是为消除各地区差异可能引起基线值的变动转换系数．土壤中重金属地累积指数分级与污染程度之间的相互关系见表3．Cd、As、Hg、Cu、Pb、Cr、Zn和Ni的地累积指数各污染级别样品个数见表4．

表3 地累积指数污染评价标准

表4 地累积指数大小各级别的样品个数统计

由表4结果可知，对Cd元素来说，只有95号（样品具体位置见表5［4]）样品处于中度污染到重污染之间，没有处于大于重污染级别的样品；对Hg元素来说，处于极重污染的四个样品编号是8、9、545和620，处于极重污染与重污染之间的四个样品编号是29、41、207和595，处于重污染的六个样品编号是4、5、6、30、49、597；Cu元素，8号样品处于极重污染，22号样品处于重污染和极重污染之间；Pb，只有6号、8号和16号三个样品处于中度污染和重污染之间，其余都在中度污染之内；Cr，20号和22号样品处于重污染，8号、14号和19号在中度污染和重污染之间；对Zn元素来说，处于极重污染与重污染之间的样品编号是36、61，处于重污染的样品编号是22、30、541；Ni，除22号样品处于中度污染和重污染之间，其他样品都在中度污染之内．其中，4、5、6、8、9、16、22、29、30、595、597都是位于西部沿海的采样点，西部沿海主要是码头和工业用地；20号和207号是南部沿海风景旅游区的点；95、541和545都靠近居民区；36号样品取于学校附近；41号是四方站；49号靠近加油站；61号在海尔信息产业园附近；620靠近中韩居民区，人口流动量大．以上提到的采样点主要来自南部、西部以及中部人口流动较多、产业开发的区域．

4 结束语

综上所述，经过标准化方法确定的青岛地区土壤重金属元素Cd、Hg、Cu、Pb、Cr、Zn和Ni的地球化学基线值分别为251．0449ng／g、53．3151ng／g、32．7476μg／g、50．2807μg／g、42．7389μg／g、120．8170μg／g和16．3610μg／g；通过计算所有样品中各重金属元素的地累积指数大小，将青岛地区土壤中重金属元素总体污染程度大小排列为Ni＜Cd＜Pb＜Cr＜Cu＜Zn＜Hg，Zn和Hg的污染应引起人类重视；青岛地区重污染与极重污染主要集中于工业生产多、交通运输量大及人类活动频繁的区域．

表5 污染样本点位置描述

［1] 滕彦国，倪师军，庹先国，等．应用标准化方法评价攀枝花地区表层土壤的重金属污染［J] ．土壤学报，2001，40（3）：374－379．

［2] 宣昊，滕彦国，倪师军，等．基于地球化学基线的土壤重金属污染潜在生态风险评价［J] ．矿物岩石，2005，23（4）：69－72．

［3] 袁峰，张颖慧，周涛发，等．典型城镇土壤重金属元素环境地球化学基线研究——以合肥地区为例［J] ．地质评论，2010，56（1）：114－122．

［4] 姚德，孙梅，杨富贵，等．青岛城区土壤重金属环境地球化学研究［J] ．中国地质，2008，35（3）：539－550．

［5] Teng Y G，Ni S J，Wang J S．Geochemical baseline of trace elements in the sediment in dexing area，south china［J] ．Environmental Geology，2009，57：1649－1660．

［6] Covelli S，Fontolan G．Application of a normalization procedure in determining regional geochemical baselines［J] ．Environmental Geology，1997，30（1／2）：34－44．

［7] Zhang H B，Luo Y M，Wong M H，et al．Defining the geochemical baseline：a case of Hong Kong soils［J] ．Environmental Geology，2007，52：843－851

［8] 李娟娟，马金涛，楚秀娟，等．应用地累积指数法和富集因子法对铜矿区土壤重金属污染的安全评价［J] ．中国安全科学学报，2006，16（12）：135－140．

［9] 周秀艳，王恩德．辽东湾潮间带底质重金属污染地累积指数评价［J] ．安全与环境学报，2004，4（2）：22－24．

［10] 刘敬勇，常向阳，涂湘林，等．广东某硫酸废渣堆渣场周围土壤铊污染的地累积指数评价［J] ．土壤通报，2010，41（5）：1 231－1 236．