龍口市北部平原土壤重金屬空間分布特征分析

劉玉紅

摘 要：以龍口市北部平原農(nóng)田為試驗區(qū)，野外采集63個農(nóng)田土壤樣本，基于實驗室測定的樣本重金屬含量數(shù)據(jù)，利用空間插值分析方法，分析了試驗區(qū)土壤重金屬的空間分布特征。結(jié)果表明，6種重金屬均有不同程度的富集現(xiàn)象，土壤重金屬平均值表現(xiàn)為Mn>Zn>Cr>Pb>As>Hg;Pb、Cr和Mn3種元素污染最為明顯。普通克里金空間插值結(jié)果顯示，研究區(qū)域內(nèi)土壤中As和Cr元素的高值區(qū)域均位于其東北部;Hg元素最高值位于東北部和中部;Pb含量高值區(qū)域位于研究區(qū)東北部和西南部;Zn元素空間分異差異不大;Mn含量的最高值位于研究區(qū)西北部，并表現(xiàn)為向東南部逐漸遞減。

關(guān)鍵詞：土壤;重金屬;空間分布

中圖分類號 S127;S512文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2020）01-0098-03

Abstract：In this study，the farmland in the northern plain of Longkou City was used as the research area. 63 farmland soil samples were collected in the field. Based on the laboratory determination of heavy metal elements，the spatial distribution characteristics of soil heavy metal elements in the study area were analyzed by spatial interpolation analysis.The study shows that all six heavy metals are enriched to varying degrees. The average value of soil heavy metals is Mn> Zn> Cr> Pb> As> Hg，and the pollution of three elements，Pb，Cr，and Mn is the most obvious. The results of ordinary kriging spatial interpolation show that the high-value areas of As and Cr in the soil in the study area are located in the northeast of the study area;the northeast and middle of the study area with the highest Hg element value;the high-value areas of Pb element are located in the study area Northeast and southwest;the difference in spatial differentiation of Zn is not large;the highest value of Mn content is located in the northwest of the study area，and it gradually decreases to the southeast.

Key words：Soil;Heavy metal;Spatial distribution

土壤是一個不可再生的自然連續(xù)體，是人類賴以生存的重要自然資源。隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，土壤重金屬污染已經(jīng)成為威脅區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康的重要因素。目前，土壤重金屬研究是評價區(qū)域環(huán)境質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，并逐漸發(fā)展成為地理科學(xué)、土壤科學(xué)和環(huán)境科學(xué)的研究熱點之一[1-2]。土壤中的重金屬由于其有毒性、持久性、易被植物吸收、生物半衰期長等特性，已經(jīng)成為土壤環(huán)境中危害最大的污染物之一。重金屬在土壤中積累以及被植被吸收，不僅會影響土壤肥力、破壞土壤的正常功能，同時影響作物生長[3]。農(nóng)田土壤被重金屬污染后很難恢復(fù)，并會通過食物鏈對人體的組織和細(xì)胞等造成損害。因此，對易受污染地區(qū)的重金屬含量進行快速、周期性的監(jiān)測[4]，對于制定相應(yīng)的環(huán)保政策、改善人民生活衛(wèi)生狀況具有重要的經(jīng)濟、社會和生態(tài)意義[5]。

龍口市是我國社會經(jīng)濟較發(fā)達(dá)但水資源較短缺，污水灌溉歷史悠久且灌溉率[6]較高的一個地區(qū)。常年污水灌溉導(dǎo)致大量污染物直接進入自然環(huán)境，其中，重金屬含量一旦超過原自然生態(tài)量，便會造成土壤重金屬污染[7]。本研究選取山東省龍口市北部平原為研究區(qū)域，野外采集63份土壤樣品，利用實驗室測得土壤重金屬含量數(shù)據(jù)，通過空間插值實現(xiàn)土壤中Cr、Mn、Pb、Zn、As和Hg 6種重金屬元素含量的快速預(yù)測，分析研究區(qū)表層土壤中重金屬元素含量的空間分布特征，為龍口市北部平原農(nóng)田的生態(tài)安全遙感監(jiān)測提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省龍口市北部平原，地理坐標(biāo)介于37°34′35″～37°44′12″N、120°20′56″～120°40′47″E之間。北鄰渤海，屬溫帶季風(fēng)氣候，四季分明，年平均氣溫12℃左右，年平均降雨量約為600mm。地處膠東低山丘陵的北邊地帶，農(nóng)作物種類以冬小麥、夏玉米和豆類為主，土壤較為肥沃，氮、磷、鉀含量比較豐富，pH值介于6.5～7.5之間，成土類型多種多樣，土壤多屬棕壤土、潮土和褐土。研究區(qū)內(nèi)的農(nóng)田普遍進行過污水灌溉，部分地區(qū)甚至存在30年以上的污水灌溉歷史，導(dǎo)致土壤重金屬大量積累，使得土壤和農(nóng)作物受到污染，危害人類的生命健康[8]。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與測定 土壤樣本采于龍口市北部平原農(nóng)田，采樣時間為2016年6月，根據(jù)研究區(qū)具體位置和土地利用現(xiàn)狀，在道路可達(dá)性的基礎(chǔ)上，結(jié)合高清遙感影像圖采用規(guī)則網(wǎng)格法布設(shè)采樣點，共布設(shè)63個采樣點。劃定 30m×30m 的樣方，利用5點采樣法垂直采集0～20cm的表層土，于聚乙烯袋中密封保存，帶回實驗室自然風(fēng)干、剔除雜物、研磨等預(yù)處理后，采用四分法選取500g混合樣品作為該樣點的土壤樣本。

土壤樣品經(jīng)HNO3-HCl-HF-HClO4微波消解后，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICP-OES）測定Cr、Pb和Zn元素含量，Mn、As和Hg元素含量由氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法（HG-AFS）測定。

2.2 分析方法 數(shù)據(jù)處理使用SPSS 22.0軟件對土壤重金屬元素含量特征進行描述性統(tǒng)計。數(shù)據(jù)分析使用ArcGIS 10.3軟件的ArcMap平臺，用GIS空間分析的方法將野外采樣獲取的土壤重金屬含量數(shù)據(jù)與土壤采樣點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)輸入，在地統(tǒng)計學(xué)模塊中，運用克里格（Kriging）插值法繪制研究區(qū)表層土壤重金屬空間分布圖，對研究區(qū)土壤6種重金屬元素空間分布特征進行研究[10]。

3 結(jié)果與分析

3.1 重金屬元素含量 由龍口北部平原研究區(qū)內(nèi)63份土壤樣品的6種重金屬元素含量特征（表1）可知，土壤中重金屬平均含量表現(xiàn)為Mn>Zn>Cr>Pb>As>Hg，平均值分別為456.53、62.59、61.52、36.48、8.06、0.03mg/kg-1。研究區(qū)6種元素的平均值均高于山東省東部地區(qū)土壤背景值，與標(biāo)準(zhǔn)差相比，變異系數(shù)可直接反映人類活動對重金屬含量的影響[9]。6種重金屬元素中，Pb元素的變異系數(shù)較大，為67.65%，遠(yuǎn)超其他元素，屬于高度變異，說明這種重金屬相對其他幾種元素受到強烈的人為干擾，在表層土壤中分布不均勻，存在特異值;As、Cr、Mn元素的變異系數(shù)依次為29.06%、24.75%、24.15%，屬于中等變異，說明這4種元素在一定程度上受到人為干擾。由此看來，龍口市北部平原土壤主要受Pb、Cr和Mn元素污染明顯。

3.2 重金屬元素的空間分布特征 利用ArcGIS10.3 軟件中的地統(tǒng)計學(xué)模塊，通過普通克里金插值法繪制研究區(qū)域重金屬空間分布圖（圖1）。由圖1可知，在研究區(qū)內(nèi)，土壤中As元素含量為5.001～19.181mg/kg，Cr元素含量為40.769～91.951mg/kg，Hg元素含量為0.014～0.061mg/kg，Mn元素含量為327.283～641.339mg/kg，Pb元素含量為27.278～63.644mg/kg，Zn元素含量為32.998～159.755mg/kg。重金屬空間分布圖顯示，As、Cr、Hg和Pb元素的高值區(qū)域都位于研究區(qū)的東北部，地處諸由觀鎮(zhèn)東北部。其中As和Cr元素含量都不同程度上呈現(xiàn)出由東北向西南方向逐漸遞減的趨勢，Hg元素最高值除東北部之外還有中部，新嘉街道、蘆頭鎮(zhèn)和東江街道的交匯處，Pb元素含量出東北部出現(xiàn)高值區(qū)外，研究區(qū)西南部北馬鎮(zhèn)西部也存在一個高值區(qū)域。研究區(qū)內(nèi)Zn元素空間分異差異不大，大部分區(qū)域集中在45.67～96.38mg/kg。特別地，Mn元素含量的空間分布特征與其他元素不同，最高值位于研究區(qū)西北部，并表現(xiàn)為向東南部逐漸遞減。在研究區(qū)東北部諸由觀鎮(zhèn)均存在高值區(qū)的元素，可能與該區(qū)域有工廠和煤礦分布有關(guān)，受到人為擾動較大。6種重金屬元素除Zn元素外，其余元素含量的空間分布特征存在明顯的空間差異性。

4 結(jié)論

本研究以龍口市北部平原農(nóng)田土壤為研究對象，通過野外考察采集研究區(qū)農(nóng)田土壤樣品，采集的土壤樣品在實驗室進行理化測試分析后，利用空間插值分析方法，探究研究區(qū)土壤重金屬元素的空間分布特征。結(jié)果表明，龍口北部平原研究區(qū)內(nèi)土壤重金屬平均含量表現(xiàn)為Mn>Zn>Cr>Pb>As>Hg，平均值分別為456.53、62.59、61.52、36.48、8.06、0.03mg/kg。研究區(qū)6種元素的平均值均高于山東省東部地區(qū)土壤背景值，說明6種重金屬在研究區(qū)內(nèi)都有不程度的富集現(xiàn)象。研究區(qū)內(nèi)，土壤中As和Cr元素的高值區(qū)域均位于研究區(qū)的東北部;Hg元素最高值研究區(qū)的東北部和中部;Pb元素含量高值區(qū)域位于研究區(qū)東北部和西南部;Zn元素空間分異差異不大，大部分區(qū)域集中在45.67～96.38 mg/kg;Mn元素含量的空間分布特征與其他元素不同，最高值位于研究區(qū)西北部，并表現(xiàn)為向東南部逐漸遞減。

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（責(zé)編：張 麗）