城市表層土壤重金屬污染的空間分布特征分析

張福玲

摘要：分析了某城市城區表層土壤中的 As、Cd 等8種重金屬在生活區、工業區、山區、主干道路區及公園綠地區的含量水平，得出了不同區域重金屬的污染程度；運用污染負荷指數法對影響土壤各重金屬主要因子進行分析，確定不同區域重金屬污染的主要特征；建立重金屬污染物的傳播模型，運用Kriging插值法對重金屬含量進行最優無偏估計插值，對重金屬污染的空間分布進行分析，揭示了城市表層土壤中重金屬含量的空間分布特征。

關鍵詞：城市城區；表層土壤；重金屬污染；空間分布特征

中圖分類號：X530.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）06-1287-05

隨著城市經濟的快速發展和城市人口的不斷增加，大量工業“三廢”、城市生活垃圾和污泥等污染物的排放與不恰當處置使重金屬在土壤中不斷積累，加重了土壤重金屬的污染負荷，導致我國城市表層土壤的重金屬污染日趨嚴重。而城市土壤重金屬污染是能有效反映城市環境污染狀況的重要指標之一。因此，對城市土壤環境異常的查證并應用查證數據開展城市環境質量評價、研究人類活動影響城市土壤環境的演變模式日益成為人們關注的焦點。

1 數據來源與研究方法

以某城市城區為研究區，將其劃分為間距1 km左右的網格子區域，按照每平方公里1個采樣點對表層土壤（0～10 cm土層）進行取樣、編號，并用GPS記錄采樣點的位置。應用專門儀器測試分析，獲得了每個樣本所含的多種重金屬元素的濃度數據。另外，按照2 km的間距在那些遠離人群及工業活動的自然區取樣，將分析數據作為該城區表層土壤中重金屬元素的背景值。研究以2011年高教社杯全國大學生數學建模競賽A題[1]所列的數據為數據來源，文獻[1]列出了采樣點的位置、海拔高度及其所屬功能區的信息、8種主要重金屬元素在采樣點處的濃度和8種主要重金屬元素的背景值。

按照功能劃分，現代城市整個城區一般可分為生活區、工業區、山區、主干道路區及公園綠地區等，分別記為1類區、2類區、3類區、4類區、5類區，不同的區域環境受人類活動影響的程度不同。作者對城市表層土壤中的 As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 8種重金屬元素在不同區域的含量水平進行了研究。采用統計學原理和污染負荷指數法[2，3]，根據國家污染負荷指數與污染程度關系分級標準進行評價，得出該城市不同區域的土壤重金屬污染程度。對采樣點進行最優估計，借助空間變異分析理論與方法[4]，確定不同區域重金屬污染的主要污染源：工業區重金屬污染主要來源于工業生產產生的工業垃圾；生活區的重金屬污染主要是由于人們造成的生活垃圾形成的；在交通要道主要是汽車尾氣的排放；山區人口分布比較分散，自然綠地的覆蓋面積廣，環境自凈能力比較強，所以土壤重金屬含量相對較低。建立重金屬污染物的傳播模型，運用Kriging插值法[5]對重金屬含量進行最優無偏估計插值，對重金屬污染的空間分布進行檢驗，從而揭示城市表層土壤中重金屬含量的空間分布特征。

2 結果與分析

2.1 重金屬污染的空間分布

根據統計學的基本原理，采用Excel 2003進行數據分析，得出所有數據的平均值、最小值、最大值、標準差、變異系數、偏度、峰度等統計信息，同時采用區域識別法[6]對原始數據進行異常值檢驗。對于已處理的數據，采用SPSS中的K-S方法[7]進行數據的正態分布檢驗，然后采用SURFER 8.0軟件繪出了8種重金屬污染在該區的空間分布圖，圖中縱橫坐標表示采樣點的位置，圖例表示采樣點所在的功能區（圖1a至圖1h）。

2.2 不同區域重金屬污染程度分析

土壤重金屬污染程度的評價分別采用研究區土壤重金屬含量的自然背景值和國家一級標準值（保護區域自然生態、維持自然背景的土壤環境質量的限值）為參考標準，當評價標準為背景值時，相應的評價結果稱之為元素富集[8，9]，當以國家一級標準為評價標準時，稱之為元素污染。

2.2.1 研究區重金屬污染程度的污染負荷指數法分析 污染負荷指數法是在從事重金屬污染水平的分級研究中提出來的一種評價方法，被廣泛應用于土壤重金屬污染的評價。污染負荷指數法優點是該指數由評價區域所包含的多種重金屬成分共同構成，并使用了求積的統計方法，通過這種方法對整個區域各個點位各種重金屬進行了定量評價，并對各點的污染程度進行分級，能直觀反映對環境污染最嚴重的元素和各種元素對環境污染的貢獻程度以及重金屬在時間、空間上的變化趨勢[8]。重金屬污染負荷指數與污染程度關系見表1。

根據重金屬污染負荷指數與污染程度關系，不同的污染負荷指數可將污染程度分為無污染、中等污染、強污染和極強污染4個等級，分別用0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ來表示[10，11]。根據污染負荷指數法計算得到研究區不同區域的污染負荷指數，參照污染負荷指數與污染程度關系分級標準，得到研究區不同區域的重金屬污染程度見表2。

2.2.2 研究區重金屬單元素污染程度的單項污染指數法分析 單項污染指數法是以土壤單項污染物的實測值與評價標準的比值，表示某一污染物影響下的環境污染指數，可以反映各污染物的污染程度。這里污染分級標準采用國家一級標準為參考標準。選用國家土壤環境質量標準中的一、二、三級標準分別作為土壤重金屬污染評價的污染積累起始值、中度污染起始值和重度污染起始值，把土壤重金屬污染分為4級（表3）。

利用單項污染指數計算公式[12]求出五類區中采樣點的各重金屬元素的單項污染指數，并求其平均值，將平均值作為此元素在該類區的單項污染指數，按單項污染分級標準對重金屬單元素的污染程度進行分級。根據上述方法，得到研究區表層土壤中各重金屬元素的單項污染指數見表4。從全區各元素的平均污染指數可以看出研究區表層土壤受As、Cd、Cr和 Ni污染相對較輕，污染程度低；其中Cu、Hg、Pb和Zn的污染指數較大，表明研究區受這4種重金屬元素的輕度污染。

2.3 重金屬污染的傳播模型

地統計學是建立在區域化變量、平穩假設和內蘊假設等概念基礎上，以區域化變量理論為基礎，以半方差函數為主要工具，研究那些在空間分布上既有隨機性又有結構性，或空間相關性和依賴性的自然現象的科學。由于重金屬污染的傳播途徑受很多因素的影響，比如土壤養分、物理特性、土壤重金屬等性質的變異以及時間上的變異，基于地統計學的空間變異理論[13]，將地統計學方法與GIS相結合來研究變量的空間變異特征。

半方差函數又稱半變異函數，能同時描述區域化變量的隨機性和結構性[14，15]。利用半方差分析時將這8種重金屬元素的濃度進行對數轉換，連同采樣點的地理坐標輸入地統計軟件GS+，擬合半方差函數，并選擇最佳擬合模型及其參數。

球形模型：

上式中，C0為塊金值；C0+C為基臺值。以As為例，在GS+軟件中擬合半方差函數，得到4種擬合模型如圖2，該4種擬合模型的參數見表5。在半方差函數中，決定系數（R2） 較大、殘差（RSS） 較小回歸效果越好，由表5可知，As元素的最佳擬合模型為線性模型。對8種元素用相同的方法確定其最佳擬合模型，運用GS+7.0地統計軟件系統完成半方差函數理論模型的自動擬合、最優選擇、參數計算及半方差圖繪制，結果如表6及圖2（a～d）所示。

將基于地統計學的空間變異理論與GIS的空間分析功能相結合分析研究區表層土壤重金屬含量的空間變異特征和空間分布特征。按照區域化變量空間相關性程度分級標準，當塊金系數C0/（C0+C）<0.25時，表明變量的空間變異以結構性為主，變量具有強烈的空間相關性，主要受自然因素控制，受人為因素影響較小；當0.25≤C0/（C0+C）≤0.75時，表明變量具有中等程度的空間相關性；當C0/（C0+C）>0.75時，表明變量以隨機性變異為主，變量的空間相關性很弱，變量受人為因素影響較大。由表6可知，研究區表層土壤中Cu和Pb的C0/（C0+C）較小，表現出強烈的空間相關性，其空間變異以結構性變異為主；As、Cd、Cr、Zn和Ni的C0/（C0+C）為0.25～0.75，具有中等程度空間相關，同時注意到，As、Cd、Cr和Ni的C0/（C0+C）大于0.50，表明隨機因素影響超過了結構性因素的影響，以隨機因素占主導地位；Hg的C0/（C0+C）值大于0.75，具有較弱的空間相關性，表明隨機因素是其主要影響因素。研究區表層土壤中Cu和Pb的變程較大，表明其空間相關性的范圍較大；其余元素的變程相對較小，這可能說明灰塵中Cu和Pb的含量更容易受到隨機因素干擾。結果表明，研究區表層土壤重金屬含量具有較為明顯的空間變異性，均表現出很好的遷移性、空間結構性。

3 小結

從塊金值與基臺值的比值可以看出，目前城市表層土壤中重金屬含量受隨機因素（主要是人為源輸入）影響顯著，其空間分布與工業生產等人類活動密切相關。這主要是因為城市土壤接納了來自工業生產與居民生活所產生的污（廢）水、固體廢棄物等各方面的90%的污染物，這些污染物中所攜帶的重金屬也隨之大量進入到城市土壤中，造成城市土壤重金屬污染，與此同時，交通頻繁，汽車尾氣的排放，使得大氣干濕沉降和城市灰塵作為城市環境中除土壤外重金屬的主要賦存介質，吸附著大量重金屬污染物，這些吸附在大氣干濕沉降和城市灰塵中的重金屬污染物通過大氣沉降等途徑持續地大量輸入到地表環境。

參考文獻：

[1] 教育部高等教育司，中國工業與應用數學學會.2011高教社杯全國大學生數學建模競賽賽題[EB OL].http：//www.mcm.edu.cn/html_cn/node/a1ffc4c5587c8a6f96eacefb8dbcc34e.html，2011-09-09.

[2] 范拴喜，甘卓婷，李美娟，等.土壤重金屬污染評價方法進展[J].中國農學通報，2010，26（17）：310-315.

[3] 張堯庭，方開泰.多元統計分析引論[M]. 北京：科學出版社，1982.

[4] 劉 靜，蔡國學，劉洪斌.西南丘陵地區土壤有機質含量的空間插值法研究[J].西南大學學報（自然科學版），2008，30（3）：107-111.

[5] 吳學文，晏路明.普通Kriging法的參數設置及變異函數模型選擇方法——以福建省一月均溫空間內插為例[J].地球信息科學，2007，9（3）：104-108.

[6] 張朝生，章 申，等.長江水系河流沉積物重金屬元素含量的計算方法研究[J].環境科學學報，1995，15（3）：258-264.

[7] 劉付程，史學正，于東升，等.基于地統計學和GIS的太湖典型地區土壤屬性制圖研究——以土壤全氮制圖為例[J].土壤學報，2004，41（1）：63-70.

[8] 國家環境保護局.中國土壤元素背景值[M].北京：中國環境科學出版社，1990.

[9] 劉鳳枝.農業環境監測實用手冊[M].北京： 中國標準出版社，2001.

[10] GB15618-1995，土壤環境質量標準[S].

[11] 尹 君.基于GIS 綠色食品基地土壤環境質量評價方法研究[J].農業環境保護，2001，20（6）：10-11.

[12] 陳俊堅，張會華.廣東省區域地質背景下土壤表層重金屬元素空間分布特征及其影響因子分析[J].生態環境學報，2011， 20（4）：646-651.

[13] 張長波，李志博，姚春霞，等.污染場地土壤重金屬含量的空間變異特征及其污染源識別指示意義[J].土壤學報，2006， 38（5）：525-533.

[14] 蔣炳言，方鳳滿，汪琳琳.蕪湖市區土壤重金屬污染評價及來源分析[J].城市環境與城市生態學報，2010，23（4）：36-40.

[15] 郭旭東，傅伯杰，馬克明，等.基于GIS 和地統計學的土壤養分空間變異特征研究——以河北省遵化市為例[J].應用生態學報，2000，11（4）：557-563.