基于GIS的土壤重金屬污染評價研究進展

張善紅+李堆淑

摘要 土壤重金屬污染問題是當今學術界、政府和公眾廣泛關注的問題之一。本文總結了GIS在土壤重金屬污染評價中制作環境質量專題圖、空間分析重金屬污染、指導土壤采樣方案以及管理土壤數據庫等方面的應用，并預測了GIS在土壤重金屬污染評價應用方面的發展趨勢，以供相關人員參考。

關鍵詞 重金屬；GIS；污染評價；研究進展

中圖分類號 X825 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）22-0151-01

重金屬是一類典型的環境污染物，土壤重金屬污染具有危害周期長、范圍廣、毒性大、生物難降解、污染隱蔽等特點[1]。在自然條件下，除了部分土壤的重金屬含量較高之外，一般土壤中有害重金屬含量都小于構成污染的臨界值。但由于受人類生產活動的影響，土壤污染加重。加上近幾十年城市化、工業化的發展，土壤中重金屬污染物含量不斷提高，土壤污染問題越來越突出，重金屬污染問題已引起學術界、政府和公眾的廣泛關注[2]。

地理信息系統（GIS）技術具有強大的空間分析功能，集空間數據的采集、分析、管理、可視化輸出為一體[3]，可在可視化的環境下對土壤重金屬含量空間分布進行研究[4]。基于GIS的土壤重金屬研究，一般利用GIS軟件的計算和圖形顯示功能。利用克里格等插值方法，將采樣點得到的點源數據轉化成面源數據[5]，同時將土壤圖數字化后建立起相應的空間與屬性的數據庫，從而繪制出土壤重金屬空間分布圖、重金屬污染評價圖等。該方法可以重構土壤重金屬的空間分布，實現土壤重金屬污染的可視化；利用GIS技術的空間分析功能，可以判斷土壤重金屬的空間分布特征及其與周圍環境之間的相關關系，有助于查明土壤環境質量在區域空間內的變化結果、原因及趨勢，為研究者或政府提供一個客觀、準確的分析依據。本文從以下4個方面介紹GIS在土壤重金屬污染評價中的應用。

1 制作環境質量專題圖

GIS的基本功能是制圖，即根據已知點狀數據的屬性，利用不同的空間插值方法繪制等值線圖和空間分布圖，并按照不同的數值范圍進行設色，更加直觀、形象地反映土壤重金屬污染的空間分布特點。目前，使用GIS中的克里格插值法制圖展示重金屬在土壤中的空間分布已經被廣泛應用[6]。郝麗虹等[7]運用克里格插值方法中的普通插值法，對海南島農用地中的Hg、Cd、Cr、Pb、As 5種重金屬含量空間分布進行可視化處理，研究結果表明海南島工業區外源性重金屬污染最為嚴重；王曉輝等[8]采用普通克里格和析取克里格插值方法制作了淮南一礦區的重金屬空間分布圖，結果表明第1類元素的超標部分主要位于2個重礦區，第2類元素超標部分位于老城區；李春芳等[9]基于GIS空間插值相結合的方法研究了龍口市9種重金屬的空間結構和分布特征；劉曉雙[10]運用GIS中普通克里格方法和綜合指數法研究了云浮硫鐵礦區6種重金屬的空間分布狀況以及污染狀況評價圖；王學軍等[11]分析了北京東郊污灌區農用土壤表層重金屬含量，并制作了Cu、Zn、Cr、Pb 4種重金屬含量的三維空間分布圖及污染評價指數分級圖。

除了制作土壤重金屬的空間分布圖、污染評價圖外，也有很多學者基于GIS將土地利用圖、地形圖及相關地理底圖與專題地圖進行比較分析，用于揭示重金屬的空間分布與周圍地理環境的相關關系。如Simasuwannarong B等[12]將土壤重金屬空間分布圖與工廠分布、交通線路分布、農業用地等地理底圖進行分析比較，揭示農業用地重金屬污染與工廠廢物排放、汽車尾氣排放的相關關系；蔣詩泉等[13]將地貌特征圖與重金屬空間分布圖相結合制作了三維地貌上重金屬的空間分布，更精確地探究重金屬污染的原因。

克里格插值方法通常是將有限的點源數據轉化成面源數據，為土壤重金屬的空間分布預測提供了一種線性、無偏、最優估值，反映土壤污染物的二維分布情況。但克里格插值方法受到變異函數、待估樣點的幾何性質、已知樣點數據結構等的影響，此外還要求使用該方法的數據呈正態分布，且數據之間具有一定的相關性。由于重金屬空間差異性受人為影響較大，如汽車尾氣排放、工廠“三廢”排放、垃圾填埋場位置等，因而利用該方法做出的重金屬空間分布圖容易模糊重金屬污染污染區域的邊界，將污染變異區域擴大化。近年來，GIS與數學模型的集成在土壤重金屬污染評價中已相當普遍，并成為重金屬污染評價的一個新趨勢，如模糊數學、序貫高斯、回歸模型、高精度曲面建模等，這些方法考慮因素越來越多，使評價更加靈活、客觀。

2 進行土壤重金屬污染空間分析

利用GIS的疊加分析、緩沖區分析、數字地形分析等空間分析功能，將土壤重金屬污染的數據與研究區的其他背景數據進行疊加，從而產生新的不同屬性數據，且這些數據綜合了原來多個要素的性質，能更好地反映土壤污染與周圍環境以及各種因素之間的關系。例如趙彥鋒等[14]將工廠分布圖、鎮區緩沖圖與重金屬空間分布圖進行疊加，得到土壤Pb含量隨與城鎮距離的增加呈持續下降趨勢，土壤Cu、Zn、Cd含量隨與工廠距離的增加呈下降趨勢，但土壤重金屬含量與距離公路的遠近、土地利用類型的關系不明顯；史文嬌等[15]將雙城市空間分布圖與工廠、道路、城鎮、土壤類型、土壤理化性質、高程等數據進行疊加，分析重金屬空間分異的原因；謝小進[16]將土壤空間分布圖與不同類型工業區、不同級別公路緩沖區進行疊加，分析重金屬污染的原因。

3 指導土壤采樣方案

采集方案（采集的數目和密度）對GIS制作重金屬空間分布圖質量有很大影響。一個理想的采集方案包括合理的采集布點方法與合適的采集密度[17]。較低的采集樣點密度會降低空間結構的描述能力，增加預測誤差。因此，采集樣點越多，重金屬空間分布圖就越準確。克里格插值方法至少需要50～100個采樣點才能獲得穩定的半方差函數[18]，才能更加準確地描繪空間結構；有的學者建議至少100～150個采樣點才能建立一個平穩的變異函數[19]，至少300個樣點才能分析各向異性[20]。此外，采集樣點的位置也會影響插值的準確性。采集樣點均勻分布可以更好地反映插值要素在空間上的分布，能更精確地建立半方差函數，提高空間分布圖的準確性。因此，為了最大限度地節約野外采集時間成本和室內實驗分析成本，在保證精度的前提下，GIS可以指導土壤采集方案，減少采集樣點的個數。

4 土壤數據庫管理

長時間監測以及大區域土壤重金屬污染研究需要建立專門的土壤數據庫，土壤數據庫是進行土壤環境質量動態分析、監測和評價的基礎。近些年有學者開始建立數據庫，并進行相應的研究。如李衛江等[21]構建了一個集采樣點監測數據與元數據、空間數據為一體的上海市基本農田土壤重金屬數據庫，對土壤環境的長期管理、農產品安全生產與管理提供重要數據依據。

5 結語

GIS在土壤重金屬污染評價中的應用主要集中在制作專題地圖、進行土壤重金屬污染空間分析、指導土壤采樣方案及土壤數據庫管理等。隨著GIS技術的普及以及相關技術的發展，在可視化環境下，從時空方面對土壤重金屬污染研究及土壤重金屬污染擴散研究是今后研究的重點。

6 參考文獻

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