焦作市城區土壤重金屬空間變異特征及污染評價

李艷利，肖春燕，王守全，劉坤朋

（1.河南理工大學 資源環境學院，河南 焦作454000；2.河海大學 環境學院，江蘇 南京210098；3.蘇州科技學院 環境與科學工程學院，江蘇 蘇州215009）

城市土壤是城市生態系統的重要組成部分，其環境質量狀況直接關系到人類的健康安全［1－2］。伴隨著工業化和城市化的發展，來自工業排放、大氣沉降、生活垃圾和汽車尾氣排放等方式造成的重金屬在土壤中累積。且城市土壤重金屬污染問題也引起了國內外學者的關注［3－10］，東南沿海經濟發達城市和中西部等大城市紛紛開展了對土壤重金屬的研究［11－17］。目前國內關于土壤重金屬的研究主要集中在兩個方面，一是對土壤重金屬的污染分布及來源進行分析［18－21］，另一方面是對土壤重金屬進行污染評價和修復［14－15］。土地利用方式、人類干擾方式和距離污染源遠近等的不同均會使城市土壤重金屬含量存在顯著的空間差異。

本文采用GIS空間分析技術和SPSS技術，與綜合污染指數評價法相結合的方法，在焦作市開展表層土壤重金屬污染程度、空間變異特征以及分布規律的研究。為焦作市土壤重金屬防治提供一定理論基礎。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

焦作市北依太行與山西省接壤，東臨新鄉市，西臨濟源市，南臨黃河與鄭州、洛陽相望，地跨北緯35°10′—35°21′，東 經 113°4′—113°26′，東 西 長 約32.5km，南北寬約19.7km。焦作市城區地轄解放區、中站區、馬村區、山陽區4個區，面積4.24×105km2，市區人口約88萬人。焦作市屬暖溫帶大陸性季風型氣候，春旱多風、夏熱多雨、秋高氣爽、冬寒少雪。平原地區年平均氣溫14.9℃，山區比平原低2～3℃，年均降雨量603.5mm，無霜期231d，年日照時數2 422.7h。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與測定 2012年4月在焦作市3個城區（解放區、山陽區、中站區）采集0—20cm表層土壤。按照網格法（2km×2km）均勻布點，采樣點的選取兼顧了各種土地類型，具有空間代表性、經濟性和可操作性，使用GPS定位，并準確記錄經緯度。樣品采用五分法采集，混合均勻后留下1kg土樣裝入塑料袋，共采集了44個樣品，其中山陽區23個，解放區12個，中站區9個。將采集的樣品放置于通風處在室溫下自然風干，避免陽光直接曝曬和其他污染。用研缽反復研磨，過20目篩子得到粗樣，再次研磨，過100目篩子得到細樣，然后低溫保存、備用。所有樣品經標準方法進行消化處理后，Cr，Cu的測定采用火焰原子吸收分光光度法，Cd，Pb的測定采用石墨爐原子吸收分光光度法進行測定。

1.2.2 土壤污染評價方法 土壤污染評價采用單因子污染指數法和內梅羅綜合指數法。單因子污染指數法適合單一因子污染的評價，內梅羅綜合指數法能全面、綜合地反映土壤的污染程度。

（1）單因子指數法：

式中：Pi——土壤中污染物i的環境質量指數；ci——污染物i的實測濃度（mg／kg）；Si——污染物i的評價標準（mg／kg），采用河南省土壤重金屬環境背景值［22］。下同。

（2）內梅羅綜合指數法：

式中：P綜——土壤中重金屬元素的綜合污染指數；n——參與評價的重金屬的種類總數。根據P值變幅，結合作物受害程度和污染物積累狀況劃分土壤質量分級：Pi≤1為非污染，1＜Pi≤2為輕度污染，2＜Pi≤3為中度污染，Pi≥3為重度污染；PN≤0.7為安全等級，0.7＜PN≤1為警戒線，1＜PN≤2為輕度污染，2＜PN≤3為中度污染，PN≥3為重度污染。

1.2.3 數據分析方法 數據分析采用SPSS 16.0軟件完成，半變異函數擬合、樣點重金屬濃度分布圖以及重金屬的插值圖用ArcGIS 9.3軟件完成。

2 結果與分析

2.1 土壤重金屬含量的統計分析

土壤表層樣品重金屬含量測定結果如表1所示。土壤中Cr，Cu，Cd和Pb的濃度范圍分別為：133.13～783.13，20.88～72.13，0.007～1.773和7.45～45.49mg／kg，土壤樣品中 Cr，Cu，Cd和 Pb這4種重金屬平均含量分別為：378.86，36.26，0.33和20.23mg／kg。變異系數反映了所有采樣點的平均變異程度，研究區域Cr，Cu，Cd和Pb的變異系數分別為：63.23%，28.21%，107.21%和32.97%，這4種重金屬元素的平均變異程度由大到小依次為：Cd，Cr，Pb和Cu。說明Cr和Cd受人類活動的強烈干預，Cu和Pb受人類干擾相對較小。相應研究采用單樣本的Kolmogorov—Smirnov檢驗，Cd和Pb符合正態分布，Cr和Cu表現出偏態分布特征。按照地統計學空間變異分析的要求，對Cr和Cu進行對數轉換，使其符合正態分布，用于空間變異分析。

2.2 土壤重金屬污染狀況

對所有土壤樣品重金屬分析數據取其平均值并通過單因子污染指數進行評價，計算結果如表2所示。Cr污染指數大于1，其他元素均小于1。Cr，Cu，Cd和 Pb的污染指數分別為：1.52，0.18，0.56和0.06。土壤中Cr和Cd的最大值分別為土壤環境質量標準的3.13和2.96倍。而Cu和Pb的最大值分別為環境質量標準的0.36和0.13倍。這也說明Cr和Cd在空間分布上具有較為強烈的空間變異性。

表1 焦作市城區表層土壤重金屬含量的統計特征（n＝44）

表2 焦作市城區土壤重金屬單因子污染指數

44個采樣點中，Cr的污染指數超過1的有21個，超標率為47.73%，其中大多數為中度污染。Cr污染較重的區域主要集中在山陽區。土壤中Cu的單項污染指數均小于1，說明焦作市土壤中Cu濃度未超過國家土壤環境質量標準Ⅱ級標準值。土壤中Cd的污染指數超過1的有10個，超標率為22.73%，焦作市污水處理廠附近、焦作師范專科學校、萬方小區等采樣點的土壤單因子污染指數均大于1，說明這些地區已受到不同程度的輕度污染。土壤Pb的污染指數均小于1，濃度值接近河南省土壤背景值22.3mg／kg，表明焦作市土壤中Pb污染程度很低。

焦作市城區土壤重金屬的綜合污染指數超過1的有23個，占52.7%，表明焦作市城區土壤重金屬污染整體較為嚴重。其中44個樣點中6.82%的樣點綜合污染指數在1～2，屬于輕度污染。40.18%的樣點綜合污染指數在2～3，屬于中度污染。2.27%的樣點綜合污染指數≥3，屬于重度污染。說明不同地區污染積累程度差異明顯。

2.3 焦作市不同城區土壤重金屬分布特征及累積狀況

2.3.1 焦作市不同城區土壤重金屬空間分布特征焦作市3個城區土壤重金屬空間分布如表3所示。元素Cr和Cd的最大值均出現在山陽區，元素Pb和Cu的最大值均出現在解放區，Pb的最小值出現在山陽區，Cu的最小值出現在中站區。

Cr和Pb均在解放區呈最大變異程度，說明解放區Cr和Pb受人類活動的干擾程度最強。Cd在山陽區和解放區均呈極強變異程度，這說明Cd在山陽區和解放區受人類干擾程度均很強。而Cu在3個城區的變異程度均較低，說明Cu受人類活動干擾程度相對較低。

表3 焦作市不同城區土壤重金屬含量描述性統計分析

解放區土壤中Pb和Cu的平均值在3個城區中最高。其中Pb（20.89mg／kg）分別是山陽區的1.04和1.07倍。Cu（37.88mg／kg）分別是山陽區的1.06和1.07倍。Pb低于環境背景值，其他元素均超過環境背景值，山陽區土壤Cr含量是背景值的7.75倍，解放區土壤Cr含量是背景值的3.59倍，中站區土壤Cr含量是背景值的4.71倍。山陽區土壤Cd含量是背景值的6.91倍，解放區土壤Cd含量是背景值的2.91倍，中站區土壤Cd含量是背景值的3.25倍。3個城區Cr和Cd的分布特征總體上存在山陽區＞中站區＞解放區的趨勢，Pb和Cu的分布特征總體上存在解放區＞山陽區＞中站區的趨勢。

2.3.2 焦作市不同城區土壤重金屬累積狀況 表4是不同城區土壤的重金屬污染指數。其中山陽區、解放區和中站區土壤Cd，Cu和Pb的污染指數均小于1，說明焦作市城區土壤Cu，Cd和Pb處于非污染狀態。解放區Cr污染指數小于1，說明解放區Cr處于非污染狀態，山陽區和中站區Cr污染指數均大于1，達到污染等級，屬于輕污染狀態。從4種重金屬元素綜合污染指數來看，山陽區土壤重金屬達到中度污染，中站區土壤重金屬屬輕度污染，解放區的處于尚清潔狀態。

表4 焦作市不同城區土壤重金屬污染指數

山陽區工業相對較集中，商業發達以及公路網密集、車流量大等，導致大量重金屬的排放，累積于土壤中，這可能是造成其中度污染的原因。解放區建區較早，但其屬于尚清潔狀態，主要歸功于其工業相對較少，僅電廠和火車站周圍的采樣點污染指數大于2。中站區農田以土壤中重金屬污染指數均大于2，可能是造成中站區達到輕度污染的原因，且該區分布著礦務局電廠、多氟多化工廠等，也可能導致附近土壤中重金屬的累積。

2.4 焦作市城區土壤重金屬來源分析

統計分析中的相關分析可有效揭示土壤重金屬之間的關系和來源。相關性分析表明（表5），土壤中Cd與Cr，Pb具有顯著的空間相關性，Pb和Cu具有極顯著的相關性，表明土壤重金屬之間表現為同源性或復合污染。Pb，Cu主要來源于汽車輪胎磨損及油的泄漏［23－24］，因此Pb和Cu可能主要來源于交通排放污染物和鋼鐵廠等。一般認為Cr主要來源于成土母質［25］，但Cr和Cd也有相同來源，因此可推斷Cr和Cd具有復合污染的特征，其來源包括交通排放污染物、工業和成土母質等。

表5 焦作市城市土壤重金屬的相關分析

2.5 土壤重金屬污染空間變異結構分析

應用球形模型對重金屬元素的半變異函數進行了擬合，表6是各參數半變異函數的相應參數。塊金值表示變量在小尺度上的非連續變異，主要來源于抽樣尺度的隨機變異和測量誤差，反映了隨機效應的程度。基底效應揭示了區域化變量的空間相關程度，如果其值小于25%，說明系統具有強烈的空間相關性；在25%～75%表明系統具有中等程度的空間相關性；大于75%表明系統空間相關性很弱。

表6 焦作市城區土壤重金屬半方差函數理論模型及相關參數

Cu和Cd的基底效應值分別為100%和85.41%，空間相關性很弱，以隨機變異為主，主要受外源污染（交通運輸、電廠以及管理措施等人為活動）的影響，反映了人類活動強烈影響著土壤Cu和Cd的空間變異性。Cu和Cd的空間相關性的最大距離分別為15.05和17.21km。Pb的基底效應值為56.98%，呈中等程度的空間相關性，Cr的基底效應值為1.4%，具有強烈的空間相關性，表明Cr主要受內源污染（如成土母質、氣候變化、土壤特性等）的控制。而Pb受到內源和外源因素的綜合影響。Pb和Cr空間自相關的最大平均距離分別為6.33和2.62km。

2.6 土壤重金屬的空間分布分布格局

由圖1可看出，焦作市城市土壤Cr濃度普遍較高，由南到北，濃度逐漸遞減，東西方向上由中間向兩邊逐漸遞增，呈帶狀分布。Cu元素含量由東南往西北逐漸下降，高濃度區主要集中在高新區西南部、解放區中部以及山陽區偏東北部，低含量區主要位于焦作市西部。Cu污染高值區集中的高新區西南部是農業區，土壤中重金屬含量易受農田施肥的影響，且由實際調查知道該地區鄉鎮企業較多，農田多采用企業污水灌溉，也對土壤中Cu含量做出一定的貢獻。位于解放區中部的焦作電廠也是高值區域，電廠會產生大量的粉煤灰、飄塵，大氣沉降亦造成主導風向（東北方向）上重金屬含量的高值，對土壤重金屬污染也起到一定的積累作用。Cd元素含量從東向西逐漸降低，且中北部區域濃度最低。高值區域主要集中在人口比較集中、交通流量高的區域，例如焦作師范專科學校、人民廣場、萬方小區、火車站、中州鋁廠家屬院等區域附近，因此可能交通污染、商業活動對土壤中Cd的積累起到一定的作用。農業活動如農田施肥及污水灌溉也可能加劇重金屬污染。同時，舊城區改造前該區域建有許多化工廠、冶煉廠等，雖然均已拆除，但重金屬帶來的威脅可能仍然存在。Pb元素含量普遍較低，解放區原化工三廠附近濃度最高，呈環狀向南逐漸降低，不同區域差異性較低，Pb的變異程度較低上也從側面證明了這點。同時考慮到焦作市季風風向為東北風，解放區擁有容量為1.2×106kW的焦作電廠、焦西礦、原化工三廠這些重污染企業，化工三廠的位置恰好位于Pb濃度最高值點，可以初步推斷，Pb的污染源可能是位于解放區北部的工礦企業，有較大可能性為大氣污染擴散點源。因此Pb濃度分布受土壤屬性和工業污染共同影響。

圖1 焦作市城區土壤重金屬含量空間分布

3 討論

研究結果顯示，相較于國內外其他城市Cr，Pb，Cd和Cu的污染狀況，焦作城區土壤Cr平均含量比其他城市普遍都高，而Pb含量普遍較其他城市低。Cr平均含量較高可能是因為焦作城區土壤中Cr的基底值較高的原故；Pb含量較低的原因可能是因為汽車輪胎磨損和油的泄露是Pb的一個重要來源。焦作市作為中小城市，交通運輸量相對較小因而Pb含量普通較低。分析中發現，焦作城區總體樣本中各采樣點Cr具有強烈的空間相關性，且變異程度較高，也充分說明了Cr的分布和污染程度差異較大，其主要受內源污染（成土母質、成土過程、土壤特性等）的影響。而焦作城區Cu和Cd的空間相關性很弱，主要以隨機變異為主，說明Cu和Cd受外源污染的影響。焦作城區總體樣本中Cd的分布和污染程度差異極大，說明其主要受人類活動的影響，其高值區域主要集中在人口比較集中、交通流量高的區域，可能商業活動和交通流量對其污染分布貢獻較大。Cu的高值區主要集中在工農業企業集中的區域，因為其農田多采用污水灌溉，電廠產生大量的粉煤灰、飄塵，也對Cu的積累做出了一定貢獻。城市Pb呈中等程度的空間相關性，且總體樣本中所有采樣點Pb的分布和污染程度差異也較小。土壤Cr，Cd和Pb之間以及Cu和Pb之間呈顯著相關，說明重金屬污染具有復合污染和同源污染的特征。其中外界重金屬來源，包括大氣沉降、城市垃圾，污水灌溉，工業廢渣和農用化學品等對焦作城區土壤重金屬的含量有一定貢獻。

4 結論

（1）研究區域內4種土壤重金屬元素含量的統計結果表明，Cd的變異系數最大，超過了100%，變異程度最強，Cr，Pb和Cu均呈中等變異性。

（2）三城區Cr和Cd的分布特征總體上存在山陽區＞中站區＞解放區的趨勢，Pb和Cu的分布特征總體上存在解放區＞山陽區＞中站區的趨勢。

（3）土壤污染狀況分析表明，土壤Cr和Cd污染相對嚴重，樣點超標率在47.73%和22.73%，土壤中Cd與Cr，Pb具有顯著的空間相關性，Pb和Cu具有極顯著的相關性，土壤重金屬之間表現為同源性或者復合污染。土壤重金屬污染程度反映了商業區分布、廢棄物排放、工業區分布、城市交通等對城市土壤重金屬分布影響的復雜性。

（4）半變異函數模型擬合結果表明，Cu和Cd存在較弱的空間自相關性，說明這兩種元素主要以隨機變異為主，受人類活動影響和干擾大。Cr存在極強的空間自相關性，說明其主要受內在因素影響；Pb存在中等程度的空間自相關性，說明其濃度受內在因素和外在因素綜合影響。

（5）采用普通克里格最優內插法得到了焦作市表層土壤重金屬的含量空間分布圖。Cr的空間分布呈帶狀，由東南向西北遞減；Cu的空間分布由中心向四周輻射狀遞減；Cd的空間分布呈帶狀分布，由東部向西部遞減；Pb的空間分布呈環狀分布，由北部向南部遞減。

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