宗丹丹 黄智刚

摘要：为了解寿光市表层土壤重金属As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn的基本统计特征、污染程度与空间分布特征，本研究采用内梅罗指数法与潜在生态风险评价法对寿光市土壤质量状况进行评估，对重金属来源进行相关性分析，通过变异系数与ArcGIS地统计分析功能对寿光市表层土壤中的重金属进行统计分析与空间布局分析。结果表明：寿光市表层土壤中Cr、Pb、Zn均值分別高于山东省土壤元素背景值27.0%、13.0%、9.5%，As、Cd、Cu、Hg元素的均值虽低，但其最大值已超过背景值;As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn的变异程度总体为中等或中等偏下，重金属Cr与Cu、Zn与Pb的来源具有相似性，少量区域受Cr、Hg、Pb、Zn轻度污染，土壤整体状况良好，潜在生态风险等级为轻度。土壤中各重金属的分布呈现东部、中部、西南部等区域浓度高，北部、西北部与东南部等地浓度低的特征。

关键词：寿光市;土壤重金属;空间分布;潜在生态风险评价法

中图分类号：S158.4：X825  文献标识号：A  文章编号：1001-4942（2020）02-0083-07

Abstract In order to understand the basic statistical characteristics， pollution degree and spatial distribution characteristics of heavy metals As， Cd， Cr， Cu， Hg， Pb and Zn in the surface soil of Shouguang City， the soil quality was evaluated by the Nemero index and potential ecological risk assessment methods， the heavy metal sources was analyzed by correlation analysis， and the statistical analysis and spatial distribution analysis of heavy metals in surface soil of Shouguang City were conducted with the coefficient of variation and the geostatistical analysis function of ArcGIS. The results showed that the mean of Cr， Pb and Zn in surface soil of Shouguang City were 27.0%， 13.0% and 9.5% higher than the background value of soil elements in Shandong Province， respectively. The mean of As， Cd， Cu and Hg elements were lower， but their maximum values exceeded the background values. The degree of variation of As， Cd， Cr， Cu， Hg， Pb and Zn were generally moderate and lower， and the source of Cr was similar to that of Cu， Zn and Pb. A few areas were slightly polluted by Cr， Hg， Pb and Zn， and the overall soil condition was good， so the potential ecological risk level was slight. The distribution of heavy metals in soil showed high concentrations in eastern， central and southwestern regions of Shouguang City， and low concentrations in northern， northwestern and southeastern regions.

Keywords Shouguang City; Heavy metals in soil; Spatial distribution; Potential ecological risk assessment

随着经济发展、人口增多，土地利用强度越来越大，交通尾气与工业废气排放、农业活动、工矿开采、工业废水灌溉等，都造成了重金属在土壤中的积存。2014年4月发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，当前我国农田的土壤点位超标率为16.1%，主要污染物包括Cd、Ni、As、Cu、Hg、Pb等金属元素[1，2]。日益严重的土壤重金属污染不仅对生态环境造成危害，更会沿食物链进入生物体内，对人体健康有潜在威胁，因此对土壤重金属含量与分布等特性进行全面了解显得尤为重要。

对土壤重金属的研究始于20世纪中叶，发达国家因发展依赖重工业出现严重的土壤污染，而不得不开展大量重金属污染调查与治理工作，由此也取得显著研究成果[3-5]。我国对土壤重金属污染方面的关注相对较晚，但仍不乏具有创新指导意义的研究理论与实践成果，特别是近年来信息技术的迅速发展，很多学者将土壤重金属研究与GIS、RS、地统计学等结合使得相关技术理论愈加成熟。杨硕等[6]使用GIS对河北曹妃甸某农场农田进行土壤重金属空间分布研究时发现，Cr、Ni、Cu、Zn、As 元素空间分布相似，Cd元素空间上存在明显的分界线，主要是由农田污水灌溉所致。白一茹等[7]对宁夏市枸杞园土壤重金属浓度进行空间插值分析发现，Ni和Cr、Pb和Mn、Zn和Cu、Cd在研究区内呈现不同的高浓度区域，分别与研究园内的成土母质、工业活动、交通运输、农业操作有关。GIS强大的空间分析、数据统计、建立模型和制图能力使得越来越多的研究使用GIS分析土壤重金属的空间分布特征，准确评价重金属的污染等级和范围，并将其可视化[8]。

目前，内梅罗指数法与潜在生态风险指数法综合评估是常用的土壤重金属污染评价方法。何博等[9]使用该方法对典型城市化区域的土壤重金属污染进行评价，找出了污染程度与生态风险较高的区域，并发现Cd是主要污染因子;程敏[10]采用该法对重庆某工业园区周边土壤分析发现，Cd和Hg具有轻累积现象，生态风险处于轻微水平。

本研究通過对山东省寿光市表层土壤中重金属As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb和Zn的调查，分析其基本统计特征、来源的相似性，对重金属的污染水平和潜在生态风险做出评估，利用GIS地统计分析工具绘制土壤重金属空间分布图，并对其来源及影响因素进行解析，以期为防控寿光市土壤重金属污染、进行相关农业管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

寿光市位于山东半岛中北部，总面积2 200 km2，地处东经118°32′～119°10′、北纬36°41′～37°19′之间，属暖温带季风区大陆性气候，降水多集中于夏季。寿光市地处黄三角平原区，海拔在1.0～49.5 m之间。境内地势平缓，成土母质多为河流冲积物。土壤为中性、弱碱性，主要土壤类型有褐土、潮褐土、褐土化潮土等[11]。寿光市拥有的自然资源优势使其蔬菜种植水平处于全国前沿，拥有全国最大的蔬菜生产和批发市场，有“中国蔬菜之乡”的美誉。

1.2 数据来源

土壤样品采集于2016年。各采样点进行GPS定位（图1）后，使用网格采样法采集表层0～20 cm土壤，将多点（≥5）取样土壤充分混合后取1 kg作为一个代表样，共采集21个表层土样。野外取回土样登记编号后，室内风干、粉碎、过100目尼龙筛，之后混匀分装测试。

1.3 评价方法与标准

1.3.1 内梅罗综合指数法 该法是以单因子指数法为基础，克服其仅适用于单一因子污染区域评价的缺点，通过单因子污染指数得出多种污染物综合污染水平，从而对各污染物对土壤的作用进行综合评估[12-14]。其公式如下：

1.4 数据处理

本研究通过Microsoft Excel、SPSS软件完成数据分析，利用ArcGIS 10.2地统计分析工具制作土壤重金属的空间分布图。

2 结果与分析

2.1 土壤中污染物的描述性统计分析

国内学者多以所研究之处的省、市背景值为标准值度量土壤质量环境，如程敏[10]以重庆市土壤背景值为标准，对某工业园内企业周边土壤重金属进行评价分析发现，Cd和Hg有轻微累积现象;杨倩等[18]进行嘉峪关市表层土壤重金属含量研究时，采用甘肃省土壤元素背景值，分析得出重金属Cr、Cd、Cu、Pb、Zn、Ni平均含量均超出了背景值。本研究以山东省土壤元素背景值作为标准值对寿光市土壤重金属进行评价分析。由表4看出，As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn 7种元素的平均值分别为7.87、0.07、78.74、20.70、0.02、26.66、69.30 mg/kg，Cr、Pb、Zn均值分别高于山东省土壤元素背景值27.0%、13.0%、9.5%，As、Cd、Cu、Hg元素的均值虽低，但其最大值已超过背景值，说明寿光市土壤重金属有富集趋势。

变异系数（CV）用来评估采样数值的空间变异程度[19]，其数值越大表明分布越不均匀、受人类活动影响越大[20]。CV <10%为弱变异，10%100%为强变异[1]。7种重金属元素均为中等程度变异，其中Cd、Hg的变异系数较高，分别为56.94%、56.30%，表明其数据离散程度较高，As、Cr、Cu、Pb、Zn的变异系数均较小，分别为28.62%、22.57%、20.73%、30.84%、30.64%（表4），说明这些元素土壤中的含量分布较为均匀，各样本点间的重金属含量变化范围不大。偏度系数用来表示样本数据分布的偏斜方向和偏斜程度，峰度系数则反映数据分布的陡峭程度[21]。寿光市土壤重金属统计结果（表4）表明，所测7种土壤重金属元素除Pb外，各重金属的偏度均大于零，属正偏斜;Hg、Cd的峰度为5.09、4.69，相较于其它元素峰度值较高，走势较为陡峭，说明重金属含量在中值以上的样点较多。

2.2 土壤重金属相关性分析

土壤重金属主要来源于成土母质、农业活动、大气降尘、工业污染等，同一来源的重金属之间可能存在着相关性[22]，可通过计算各重金属间的相关系数判断其来源是否相似。若相关系数较高，则各元素间具有同源关系或可能存在复合污染;若相关系数较低，则各元素的来源途径较为复杂[23]。寿光市土壤重金属相关系数分析结果（表5）表明，研究区土壤中Cr与Cu之间相关系数为0.663，呈极显著正相关，Zn与Pb相关系数为0.435，呈显著正相关，其来源具有同源性。

2.3 土壤中重金属污染评价分析

寿光市土壤重金属单因子指数与内梅罗综合指数计算结果见表6。可以看出，Cr、Pb、Zn三种重金属的单因子污染指数均值皆大于1，属于轻微污染;As、Cu均值相同为0.916，接近于1;Cd、Hg单因子指数评价为Ⅰ级无污染。但7种重金属的最大值均处于Ⅱ级轻度污染水平。通过内梅罗综合指数P综可看出，Cr、Hg、Pb、Zn的P综值为1

由潜在生态风险评价标准可知，7种重金属单项潜在生态风险指数均值皆属于Eir<40范围内，生态风险等级为轻度污染，其大小顺序为Hg>Cd>As>Pb>Cu>Cr>Zn，Cd、Hg综合指数较高是因其单项指数最大值较大，为45.16、77.16，达到中度污染风险。研究区综合潜在生态风险指数RI在36.93～121.91，平均值为66.11，潜在生态风险等级为轻度（表7）。总体而言，该地区土壤环境良好，未受到严重污染，但个别区域重金属出现累积，仍需引起农业生产方面的重视。

2.4 土壤中重金属的空间分布特征

因条件限制，只能采集研究区内若干样点，再使用插值技术根据各样点重金属元素的实测含量将点数据转化为面数据，从而直观反映寿光市土壤重金属空间分布特征。特异值的存在会影响地统计学的研究结果，改变变量的空间结构特征[24]。本研究采用域法识别特异值，即样本平均值加减3倍标准差构建一个区间，此区间外特异值以最大值和最小值替代[24，25]。通过SPSS分析发现，As、Cr、Pb、Hg符合正态分布，Cd、Cu对数变换后符合正态分布，Zn不符合正态分布。对重金属As、Cr、Pb、Cd、Cu、Hg使用普通克里格插值法，对Zn采用反距离插值法，根据地统计分析向导中的交叉验证结果选择合适模型参数，插值结果如图2。

由图2看出，寿光市表层土壤中重金属分布呈“斑块状”：As以侯镇周围、化龙镇——文家街道一线地区的质量分数较高;Cd在台头镇、田柳镇分布面积较大，古城街道、文家街道、圣城街道也有较多分布;Cr在全域范围内除西部、西北部浓度较低外，其它区域均有较高分布;Cu自东北至西南含量逐渐减少;Hg只在对角线西北部至东南部一线含量较低;Pb的高浓度区主要分布在孙家集街道至营里镇一线、由此向东北方向含量渐低;Zn在孙家集街道南部、侯镇至台头镇东西一线分布较多，“斑块状”特征明显。

3 讨论与结论

寿光市土壤重金属的空间分布差异、来源与其历史和发展过程密切相关。经调查，侯镇、田柳镇等地以发展海洋化工、船舶制造、新型能源工业为主[26];与台头镇、化龙镇接壤的广饶县在此分布有较多的采矿区;2007年寿光市东北部大家洼镇划入潍坊市寒亭区，并于此发展工业，成立化工基地。赵靓[20]、Wei[27]等研究表明，工业活动产生的废气废渣等构成重金属As、Cr、Cu、Hg、Zn的主要来源，因此土壤中这5种重金属的分布与所在地的工业生产有关。此外，前人研究发现农业生产过程中化肥、农药、饲料等的过多施用也会导致土壤中As、Hg的污染[6，28，29]。宋志廷等[30]发现，重金属Cd的累积同样受农业投入品的影响，而寿光市中南部土地肥沃、水利条件较好，农作物种植面积广、数量多，种植历史悠久，使得土壤中As、Cd、Hg等重金属产生富集。寿光市域已经形成的中心城和寿北两大产业聚集区使交通运输量增多，土壤中Pb、Zn主要来源于交通运输中的汽车胎轮磨损、烟尘尾气等，另一方面来源于土壤母质。

通过本研究可以得出以下结论：（1）寿光市表层土壤中重金属Cr、Pb、Zn均值超過了山东省土壤元素背景值，As、Cd、Cu、Hg元素的最大值超过了背景值，说明寿光市土壤重金属有富集趋势。不同元素在土壤中的变异系数大小顺序为Cd>Hg>Zn>Pb>As>Cr>Cu，Cd、Hg变异程度为中等，Zn、Pb、As、Cr、Cu变异程度为中等偏下。

（2）寿光市表层土壤中重金属Cr与Cu、Zn与Pb的相关系数分别为0.663、0.435，具有同源性。

（3）寿光市土壤质量状况整体良好，少量区域受Cr、Hg、Pb、Zn重金属的污染，属轻度污染。所有样品的重金属综合潜在生态风险指数RI在36.93～121.91之间，平均值为66.11，均小于150，潜在生态风险等级为轻度。

（4）寿光市表层土壤重金属元素的分布总体为东部、中部、西南部等区域浓度高，北部、西北部与东南部等地浓度低，其分布与寿光市农作物种植历史和产业发展过程密切相关，受人为因素影响较大，需相关部门进行合理的农业管理。

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