相恒茂+万剑华+韩仲志+郭新刚

摘要：土壤的污染特别是重金属污染问题，是发展必须面临和需要解决的问题之一。以大沽河流域农田表层土壤为研究对象，采用栅格形采样，共采集大沽河流域土壤样本124份。采用化学方法测量5种重金属（As、Cd、Cr、Hg、Pb）含量，并基于山东及全国的土壤背景值数据，进行统计分析、相关分析和比较分析。采用样条差值法，基于此数据使用ArcGIS，实现5种重金属元素的空间分布专题制图。对重金属分布特性与人类活动和流域特征进行分析，指出污染严重的地区。重金属污染的区域分布特征，可以为新一轮大沽河流域的土壤综合控制和产业规划提供参考。

关键词：大沽河流域；重金属污染；地理信息系统（GIS）

中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）20-5207-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.20.011

Abstract： Especially heavy metal contaminated soil pollution problems， which is one of the problems of development must face and need to be addressed. Farmland soil surface Dagu watershed was studied using a grid-shaped sample， collected 124 soil samples Dagu river basin. Using chemical methods for measuring the five heavy metals（As， Cd， Cr， Hg， Pb） content， based in Shandong and the country's soil background value data， statistical analysis， correlation analysis and comparative analysis were conducted. Using the spline differential method， five kinds of spatial distribution of heavy metals in thematic mapping was achieved which based on this data using ArcGIS. Characteristics of heavy metal distribution characteristics and human activities and basin were analyzed， which pointed out serious polluted areas. The regional distribution of heavy metal pollution provided a reference for integrated control and industrial planning a new round of Dagu river basin soil.

Key words： Dagu river basin； heavy metal pollution； geographic information system （GIS）

大沽河是青島的母亲河，新一轮大沽河流域综合治理开发正在展开，作为发展载体的土地与土壤质量，是开发治理的基础和重要一环，土壤的污染特别是重金属污染问题，是发展必须面临和需要解决的问题。统计资料表明，中国受Cd、As、Cr、Pb等重金属污染的耕地面积近2 000万hm2，约占耕地总面积的1/5，合计经济损失至少200亿元[1，2]。陈同斌等[3]利用筛选得到的120个清洁土样，分析统计得到北京市土壤重金属As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的背景值；管东生等[4]利用47个代表性土壤点得到广州表土的Cu、Nj、Zn、Pb、Cr背景值分别为10.3、23.1、112.8、58.3、42.0 mg/kg，并指出汽车尾气和农业化学物质的投入是广州土壤中Pb污染的重要来源；郭平等[5]以长春市区土壤为对象，研究土壤中重金属污染的特征，指出长春市区土壤重金属污染较重，污染源的空间差异性引起不同功能区土壤中重金属元素的含量不同；Bai等[6]研究珠江口土壤重金属的总浓度、分布和污染水平指出，大部分重金属在沟和河岸湿地没有显著不同，而多变量分析表明，部分重金属污染主要来源是人为；Li等[7]综述了中国重金属污染的现状；Zhao等[8]研究了重金属污染对人体健康造成的影响。

使用GIS中克里格插值制作专题图来直观展示土壤重金属污染已成为一种主要表达土壤空间分布的形式，且取得了广泛应用。胡克林等[9]在面积为1 039 km2的北京市大兴区布设了70个取样点，测定了其表层土壤重金属Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、Ni、As、Se、Hg和Co的含量。采用Kriging最优内插法得到了表层土壤重金属含量的空间分布图，表明土壤重金属含量与土壤质地和有机质含量关系密切。

本研究以大沽河流域农田表层土壤为研究对象，在土壤理化特性数据的基础上，分析大沽河流域农田土壤重金属的空间分布状况，所选用的插值方法是样条函数法，土壤重金属的GIS空间分布图的绘制为大沽河流域的综合整治开发提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

大沽河流域位于胶东半岛西部，约在东经120°03′～120°25′，北纬36°10′～37°12′。流域总面积4 631.3 km2，其走向大致与干流走向相同。流域北部为山区和浅山丘陵区，南部为山麓平原和平原洼地，地势北高南低，地形坡度由北向南逐渐变缓。流域范围（图1中虚线内区域）包括烟台市的莱州、招远、莱阳和青岛市的莱西、平度、胶州、即墨、城阳部分地区。

1.2 土壤采集

按照《农田土壤环境质量监测技术规范》[10]，栅格式采样，剥离表层浮土，使用洛阳铲，采集0～20 cm的耕层土壤，在采集过程中，采用便携式GPS精确定位，并记录装袋，共124个采样点（图2）。采样点的布设以能代表研究区土壤环境质量为原则[11]。具体采样原则为：①采样点选择在土壤环境好的区域；②不在住宅周围、路旁、沟渠、粪堆附近等人为干扰明显地点或水土流失严重以及表土破坏明显的地点采样；③选取有代表性的地点，并以该点为中心，在其周围100 m的区域内采集3～5个土壤样品，将样品混匀后用四分法取约1 kg作为该点的土壤样品；④采样时尽量使采样点涉及所有土地利用类型，大体了解样点周围土地利用和土地覆被情况。

1.3 化学分析与数据处理

1.3.1 重金属含量化学检测 土壤样品采用HNO3-HClO4-HF法消解，其中Hg用冷原子吸收法测定，As和Cr用原子吸收分光光度法测定，Pb和Cd用石墨炉原子吸收分光光度法测定，具体测定方法参照文献[12]。为了测定的准确度，在进行上述元素分析时，每10个测定样品用标准土壤样品校验。10%～20%的平行样分析用于控制试验的精密度，绝大多数平行样之间的相对平均偏差小于5%。

1.3.2 数据分析与GIS制图 空间插值是空间数据分析的常用方法，样条插值法是最常用的空间插值方法之一，3次样条插值（简称Spline插值）是通过一系列形值点的一条光滑曲线，数学上通过求解三弯矩方程组得出曲线函数组的过程，该方法实质上是利用区域化变量的原始数据的结构特点，对未采样点的区域化变量的取值进行线性无偏最优估计的一种方法。本研究采用软件ArcGIS 9.2中Geostatistical Analys（地统计分析）模块，用样条差值法对研究区中土壤重金属含量进行最优、无偏空间插值，阈值依据国家规定的土壤环境质量二级标准。

2 结果与分析

2.1 统计分析

受人类活动、自然改造、长期风化等影响，表层土壤中重金属元素的含量和分布状态会发生一定的演变，统计土壤重金属元素的背景值，有助于正确认识农业地质环境与土壤重金属污染总体状况，对进行土壤改良和农业产业规划具有重要意义。

本试验参考多目标区域地球化学调查方法，以表层土壤重金属元素的均值作为土壤背景值，进而评价土壤重金属元素的丰缺及土壤的环境质量。评价指标包括前四阶统计量（均值、方差、偏斜度和峰值），另外还包括了中数、最大最小值和变异系数（表1）。

研究区域的均值与全国背景值[13]相比，研究区域内As、Cr、Hg均低于全国背景值，其中Hg的背景值仅为全国背景值的1/2左右，说明这3种重金属污染较轻。此外，Cd略高于全国背景值，Pb与全国背景值相当。

与山东省背景值相比，研究区As、Cr、Pb要明显低于山东省背景值，均在80%左右，但Hg的含量约高于山东背景值的两倍，另外Cd也略高于山东省背景值。

从变异系数来看，变异系数最大的为Hg，最大值与最小值相差约10倍，这与城市污染与人类活动有密切关系；变异系数最小的是Pb，其他3种重金属元素变异系数均介于0.2～0.3之间。

从相关分析来看，Hg和Cr的相关系数最高，达到0.37，这在一定程度上可能与人类滥用化肥有关。另外，As和Pb的相关系数也比较高，其他元素相关系数较小，说明原始土壤分布起主要作用。

2.2 GIS制图

土壤中适量的重金属元素是植物生长发育所必需的，但当重金属元素超标则会导致土壤环境污染、危害植物的生长发育，通过食物链进入人体，危害人体健康，分析无人的区域重金属分布特征，可以为土壤的综合控制和产业规划提供依据。

从研究区大沽河流域土壤重金属元素含量等值线图3可以看出，砷（As）元素的区域分布特征明显，极值出现在莱西日庄镇、祝沟镇一带，含量超过18.7 mg/kg，流域北部莱西段大沽河直流和南部胶州湾西海岸含量较低（图3a）；Cd元素总体分布比较均匀，在城阳区河套、莱西马连庄镇和莱西城区东部出现极值，这可能与这一带工业和农业污染有关（图3b）；Cr元素总体出现西低东高的趋势，表现出流域特性，莱西城区北部马连庄一带分布较高，靠近即墨区域含量较高（图3c）；Hg的含量与人类活动有密切关系，莱西城区、胶州城区、城阳河套、上马街道等区域含量较高，此外，在大沽河支流小沽河上游出现极值，因北部靠近招远市，可能与这一带的矿产开发有关（图3d）；Pb的含量与As的含量出现相同的趋势，即在莱西祝沟镇一带出现极值，含量超过45.7 mg/kg，在即墨蓝村镇周边含量较高，可能与这一带的鞋业产业发展有关，此外，在大沽河入海口处含量较高，说明Pb含量具有一定的流域特性（图3e）。

3 小结

大沽河流域是青岛城市发展非常重要的水源地，是青岛的母亲河。本研究以大沽河流域为研究区域，以大沽河流域农田表层土壤为研究对象，在土壤理化特性数据基础上，通过统计分析的方法研究了5种重金属（As、Cd、Cr、Hg、Pb）含量和大沽河流域农田土壤重金属的空间分布状况，基于此数据使用ArcGIS实现了5种重金属元素的空间分布专题制图，可以为新一轮大沽河流域土壤的综合控制和产业规划提供依据。

参考文献：

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[5] 郭 平，谢忠雷，李 军，等.长春市土壤重金属污染特征及其潜在生态风险评价[J].地理科学，2005，25（1）：108-112.

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[13] 魏复盛，陈静生，吴燕玉，等.中国土壤元素背景值[M].北京：中国环境科学出版社，1990.