壽光市土壤重金屬空間分布特征及污染評價

宗丹丹 黃智剛

摘要：為了解壽光市表層土壤重金屬As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn的基本統計特征、污染程度與空間分布特征，本研究采用內梅羅指數法與潛在生態風險評價法對壽光市土壤質量狀況進行評估，對重金屬來源進行相關性分析，通過變異系數與ArcGIS地統計分析功能對壽光市表層土壤中的重金屬進行統計分析與空間布局分析。結果表明：壽光市表層土壤中Cr、Pb、Zn均值分別高于山東省土壤元素背景值27.0%、13.0%、9.5%，As、Cd、Cu、Hg元素的均值雖低，但其最大值已超過背景值;As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn的變異程度總體為中等或中等偏下，重金屬Cr與Cu、Zn與Pb的來源具有相似性，少量區域受Cr、Hg、Pb、Zn輕度污染，土壤整體狀況良好，潛在生態風險等級為輕度。土壤中各重金屬的分布呈現東部、中部、西南部等區域濃度高，北部、西北部與東南部等地濃度低的特征。

關鍵詞：壽光市;土壤重金屬;空間分布;潛在生態風險評價法

中圖分類號：S158.4：X825 ?文獻標識號：A ?文章編號：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

隨著經濟發展、人口增多，土地利用強度越來越大，交通尾氣與工業廢氣排放、農業活動、工礦開采、工業廢水灌溉等，都造成了重金屬在土壤中的積存。2014年4月發布的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，當前我國農田的土壤點位超標率為16.1%，主要污染物包括Cd、Ni、As、Cu、Hg、Pb等金屬元素[1，2]。日益嚴重的土壤重金屬污染不僅對生態環境造成危害，更會沿食物鏈進入生物體內，對人體健康有潛在威脅，因此對土壤重金屬含量與分布等特性進行全面了解顯得尤為重要。

對土壤重金屬的研究始于20世紀中葉，發達國家因發展依賴重工業出現嚴重的土壤污染，而不得不開展大量重金屬污染調查與治理工作，由此也取得顯著研究成果[3-5]。我國對土壤重金屬污染方面的關注相對較晚，但仍不乏具有創新指導意義的研究理論與實踐成果，特別是近年來信息技術的迅速發展，很多學者將土壤重金屬研究與GIS、RS、地統計學等結合使得相關技術理論愈加成熟。楊碩等[6]使用GIS對河北曹妃甸某農場農田進行土壤重金屬空間分布研究時發現，Cr、Ni、Cu、Zn、As 元素空間分布相似，Cd元素空間上存在明顯的分界線，主要是由農田污水灌溉所致。白一茹等[7]對寧夏市枸杞園土壤重金屬濃度進行空間插值分析發現，Ni和Cr、Pb和Mn、Zn和Cu、Cd在研究區內呈現不同的高濃度區域，分別與研究園內的成土母質、工業活動、交通運輸、農業操作有關。GIS強大的空間分析、數據統計、建立模型和制圖能力使得越來越多的研究使用GIS分析土壤重金屬的空間分布特征，準確評價重金屬的污染等級和范圍，并將其可視化[8]。

目前，內梅羅指數法與潛在生態風險指數法綜合評估是常用的土壤重金屬污染評價方法。何博等[9]使用該方法對典型城市化區域的土壤重金屬污染進行評價，找出了污染程度與生態風險較高的區域，并發現Cd是主要污染因子;程敏[10]采用該法對重慶某工業園區周邊土壤分析發現，Cd和Hg具有輕累積現象，生態風險處于輕微水平。

本研究通過對山東省壽光市表層土壤中重金屬As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb和Zn的調查，分析其基本統計特征、來源的相似性，對重金屬的污染水平和潛在生態風險做出評估，利用GIS地統計分析工具繪制土壤重金屬空間分布圖，并對其來源及影響因素進行解析，以期為防控壽光市土壤重金屬污染、進行相關農業管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

壽光市位于山東半島中北部，總面積2 200 km2，地處東經118°32′～119°10′、北緯36°41′～37°19′之間，屬暖溫帶季風區大陸性氣候，降水多集中于夏季。壽光市地處黃三角平原區，海拔在1.0～49.5 m之間。境內地勢平緩，成土母質多為河流沖積物。土壤為中性、弱堿性，主要土壤類型有褐土、潮褐土、褐土化潮土等[11]。壽光市擁有的自然資源優勢使其蔬菜種植水平處于全國前沿，擁有全國最大的蔬菜生產和批發市場，有“中國蔬菜之鄉”的美譽。

1.2 數據來源

土壤樣品采集于2016年。各采樣點進行GPS定位（圖1）后，使用網格采樣法采集表層0～20 cm土壤，將多點（≥5）取樣土壤充分混合后取1 kg作為一個代表樣，共采集21個表層土樣。野外取回土樣登記編號后，室內風干、粉碎、過100目尼龍篩，之后混勻分裝測試。

1.3 評價方法與標準

1.3.1 內梅羅綜合指數法 該法是以單因子指數法為基礎，克服其僅適用于單一因子污染區域評價的缺點，通過單因子污染指數得出多種污染物綜合污染水平，從而對各污染物對土壤的作用進行綜合評估[12-14]。其公式如下：

1.4 數據處理

本研究通過Microsoft Excel、SPSS軟件完成數據分析，利用ArcGIS 10.2地統計分析工具制作土壤重金屬的空間分布圖。

2 結果與分析

2.1 土壤中污染物的描述性統計分析

國內學者多以所研究之處的省、市背景值為標準值度量土壤質量環境，如程敏[10]以重慶市土壤背景值為標準，對某工業園內企業周邊土壤重金屬進行評價分析發現，Cd和Hg有輕微累積現象;楊倩等[18]進行嘉峪關市表層土壤重金屬含量研究時，采用甘肅省土壤元素背景值，分析得出重金屬Cr、Cd、Cu、Pb、Zn、Ni平均含量均超出了背景值。本研究以山東省土壤元素背景值作為標準值對壽光市土壤重金屬進行評價分析。由表4看出，As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn 7種元素的平均值分別為7.87、0.07、78.74、20.70、0.02、26.66、69.30 mg/kg，Cr、Pb、Zn均值分別高于山東省土壤元素背景值27.0%、13.0%、9.5%，As、Cd、Cu、Hg元素的均值雖低，但其最大值已超過背景值，說明壽光市土壤重金屬有富集趨勢。

變異系數（CV）用來評估采樣數值的空間變異程度[19]，其數值越大表明分布越不均勻、受人類活動影響越大[20]。CV <10%為弱變異，10%100%為強變異[1]。7種重金屬元素均為中等程度變異，其中Cd、Hg的變異系數較高，分別為56.94%、56.30%，表明其數據離散程度較高，As、Cr、Cu、Pb、Zn的變異系數均較小，分別為28.62%、22.57%、20.73%、30.84%、30.64%（表4），說明這些元素土壤中的含量分布較為均勻，各樣本點間的重金屬含量變化范圍不大。偏度系數用來表示樣本數據分布的偏斜方向和偏斜程度，峰度系數則反映數據分布的陡峭程度[21]。壽光市土壤重金屬統計結果（表4）表明，所測7種土壤重金屬元素除Pb外，各重金屬的偏度均大于零，屬正偏斜;Hg、Cd的峰度為5.09、4.69，相較于其它元素峰度值較高，走勢較為陡峭，說明重金屬含量在中值以上的樣點較多。

2.2 土壤重金屬相關性分析

土壤重金屬主要來源于成土母質、農業活動、大氣降塵、工業污染等，同一來源的重金屬之間可能存在著相關性[22]，可通過計算各重金屬間的相關系數判斷其來源是否相似。若相關系數較高，則各元素間具有同源關系或可能存在復合污染;若相關系數較低，則各元素的來源途徑較為復雜[23]。壽光市土壤重金屬相關系數分析結果（表5）表明，研究區土壤中Cr與Cu之間相關系數為0.663，呈極顯著正相關，Zn與Pb相關系數為0.435，呈顯著正相關，其來源具有同源性。

2.3 土壤中重金屬污染評價分析

壽光市土壤重金屬單因子指數與內梅羅綜合指數計算結果見表6。可以看出，Cr、Pb、Zn三種重金屬的單因子污染指數均值皆大于1，屬于輕微污染;As、Cu均值相同為0.916，接近于1;Cd、Hg單因子指數評價為Ⅰ級無污染。但7種重金屬的最大值均處于Ⅱ級輕度污染水平。通過內梅羅綜合指數P綜可看出，Cr、Hg、Pb、Zn的P綜值為1

由潛在生態風險評價標準可知，7種重金屬單項潛在生態風險指數均值皆屬于Eir<40范圍內，生態風險等級為輕度污染，其大小順序為Hg>Cd>As>Pb>Cu>Cr>Zn，Cd、Hg綜合指數較高是因其單項指數最大值較大，為45.16、77.16，達到中度污染風險。研究區綜合潛在生態風險指數RI在36.93～121.91，平均值為66.11，潛在生態風險等級為輕度（表7）。總體而言，該地區土壤環境良好，未受到嚴重污染，但個別區域重金屬出現累積，仍需引起農業生產方面的重視。

2.4 土壤中重金屬的空間分布特征

因條件限制，只能采集研究區內若干樣點，再使用插值技術根據各樣點重金屬元素的實測含量將點數據轉化為面數據，從而直觀反映壽光市土壤重金屬空間分布特征。特異值的存在會影響地統計學的研究結果，改變變量的空間結構特征[24]。本研究采用域法識別特異值，即樣本平均值加減3倍標準差構建一個區間，此區間外特異值以最大值和最小值替代[24，25]。通過SPSS分析發現，As、Cr、Pb、Hg符合正態分布，Cd、Cu對數變換后符合正態分布，Zn不符合正態分布。對重金屬As、Cr、Pb、Cd、Cu、Hg使用普通克里格插值法，對Zn采用反距離插值法，根據地統計分析向導中的交叉驗證結果選擇合適模型參數，插值結果如圖2。

由圖2看出，壽光市表層土壤中重金屬分布呈“斑塊狀”：As以侯鎮周圍、化龍鎮——文家街道一線地區的質量分數較高;Cd在臺頭鎮、田柳鎮分布面積較大，古城街道、文家街道、圣城街道也有較多分布;Cr在全域范圍內除西部、西北部濃度較低外，其它區域均有較高分布;Cu自東北至西南含量逐漸減少;Hg只在對角線西北部至東南部一線含量較低;Pb的高濃度區主要分布在孫家集街道至營里鎮一線、由此向東北方向含量漸低;Zn在孫家集街道南部、侯鎮至臺頭鎮東西一線分布較多，“斑塊狀”特征明顯。

3 討論與結論

壽光市土壤重金屬的空間分布差異、來源與其歷史和發展過程密切相關。經調查，侯鎮、田柳鎮等地以發展海洋化工、船舶制造、新型能源工業為主[26];與臺頭鎮、化龍鎮接壤的廣饒縣在此分布有較多的采礦區;2007年壽光市東北部大家洼鎮劃入濰坊市寒亭區，并于此發展工業，成立化工基地。趙靚[20]、Wei[27]等研究表明，工業活動產生的廢氣廢渣等構成重金屬As、Cr、Cu、Hg、Zn的主要來源，因此土壤中這5種重金屬的分布與所在地的工業生產有關。此外，前人研究發現農業生產過程中化肥、農藥、飼料等的過多施用也會導致土壤中As、Hg的污染[6，28，29]。宋志廷等[30]發現，重金屬Cd的累積同樣受農業投入品的影響，而壽光市中南部土地肥沃、水利條件較好，農作物種植面積廣、數量多，種植歷史悠久，使得土壤中As、Cd、Hg等重金屬產生富集。壽光市域已經形成的中心城和壽北兩大產業聚集區使交通運輸量增多，土壤中Pb、Zn主要來源于交通運輸中的汽車胎輪磨損、煙塵尾氣等，另一方面來源于土壤母質。

通過本研究可以得出以下結論：（1）壽光市表層土壤中重金屬Cr、Pb、Zn均值超過了山東省土壤元素背景值，As、Cd、Cu、Hg元素的最大值超過了背景值，說明壽光市土壤重金屬有富集趨勢。不同元素在土壤中的變異系數大小順序為Cd>Hg>Zn>Pb>As>Cr>Cu，Cd、Hg變異程度為中等，Zn、Pb、As、Cr、Cu變異程度為中等偏下。

（2）壽光市表層土壤中重金屬Cr與Cu、Zn與Pb的相關系數分別為0.663、0.435，具有同源性。

（3）壽光市土壤質量狀況整體良好，少量區域受Cr、Hg、Pb、Zn重金屬的污染，屬輕度污染。所有樣品的重金屬綜合潛在生態風險指數RI在36.93～121.91之間，平均值為66.11，均小于150，潛在生態風險等級為輕度。

（4）壽光市表層土壤重金屬元素的分布總體為東部、中部、西南部等區域濃度高，北部、西北部與東南部等地濃度低，其分布與壽光市農作物種植歷史和產業發展過程密切相關，受人為因素影響較大，需相關部門進行合理的農業管理。

參 考 文 獻：

[1] 謝龍濤，潘劍君，白浩然，等.基于GIS的農田土壤重金屬空間分布及污染評價——以南京市江寧區某鄉鎮為例[J/OL]. 土壤學報：1-10[2019-07-18].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/32.1119.P.20190103.0927.002.html.

[2] 周俊馳，劉孝利，雷鳴，等.湖南典型礦區耕地土壤重金屬空間特征研究[J]. 地理空間信息，2018，16（8）：90-94.

[3] Nannoni F， Protano G.Chemical and biological methods to evaluate the availability of heavy metals in soils of the Siena urban area （Italy）[J]. Science of the Total Environment， 2016， 568：1-10.

[4] Lv J S， Liu Y， Zhang Z L， et al.Factorial kriging and stepwise regression approach to identify environmental factors influencing spatial multi-scale variability of heavy metalsin soils[J]. Journal of Hazardous Materials， 2013， 261（15）：387-397.

[5] Hu W Y， Huang B， Shi X Z， et al.Accumulation and health risk of heavy metals in a plot-scale vegetable production system in a peri-urban vegetable farm near Nanjing， China[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety， 2013， 98（1）：303-309.

[6] 楊碩，閻秀蘭，馮依濤.河北曹妃甸某農場農田土壤重金屬空間分布特征及來源分析[J]. 環境科學學報， 2019，39（9）：3064-3072.

[7] 白一茹，張興，趙云鵬，等.基于GIS和受體模型的枸杞地土壤重金屬空間分布特征及來源解析[J]. 環境科學，2019，40（6）：2885-2894.

[8] 阿吉古麗·馬木提，麥麥提吐爾遜·艾則孜，買托合提·阿那依提，等.基于地理信息系統技術的新疆焉耆綠洲農田土壤重金屬污染評價和潛在生態風險預警[J]. 環境污染與防治，2017，39（6）：658-663.

[9] 何博，趙慧，王鐵宇，等.典型城市化區域土壤重金屬污染的空間特征與風險評價[J]. 環境科學，2019，40（6）：2869-2876.

[10] 程敏.基于GIS的在產企業周邊土壤重金屬污染生態風險評價[C]//《環境工程》編委會，工業建筑雜志社有限公司.《環境工程》2018年全國學術年會論文集（下冊）.2018：6.

[11] 劉慶，杜志勇，史衍璽，等.基于GIS的山東壽光蔬菜產地土壤重金屬空間分布特征[J]. 農業工程學報，2009，25（10）：258-263.

[12] 陳曉燕，范成五，瞿飛，等.土壤重金屬污染評價方法概述[J]. 浙江農業科學，2017，58（10）：1801-1804，1810.

[13] 徐燕，李淑芹，郭書海，等.土壤重金屬污染評價方法的比較[J]. 安徽農業科學，2008，36（11）：4615-4617.

[14] 蘇全龍，周生路，易昊旻，等.幾種區域土壤重金屬污染評價方法的比較研究[J]. 環境科學學報，2016，36（4）：1309-1316.

[15] 龐緒貴，代杰瑞，胡雪平，等.山東省土壤地球化學背景值[J]. 山東國土資源，2018，34（1）：39-43.

[16] 路婕，李玲，吳克寧，等.基于農用地分等和土壤環境質量評價的耕地綜合質量評價[J]. 農業工程學報，2011，27（2）：323-329.

[17] Hakanson L.An ecological risk index for aquatic pollution control.A sedimentological approach[J]. Water Research，1980，14（8）：975-1001.

[18] 楊倩，魯新川，殷建國，等.甘肅嘉峪關市表層土壤重金屬空間分布與評價[J]. 沉積學報， 2019，37（5）：1006-1015.

[19] 孔凡彬，劉陽.單因子指數法和內梅羅指數法在土壤環境質量評價中的比較[J]. 甘肅科技，2014，30（3）：21-22.

[20] 趙靚，梁云平，陳倩，等.北京市城市綠地土壤重金屬空間分布特征、污染評價及來源解析[J]. 環境科學，2019，40（5）：1-13.

[21] Xu S，Tao S.Coregionalization analysis of heavy metals in the surface soil of Inner Mongolia[J]. Science of the Total Environment，2004，320（1）：73-87.

[22] 蔡雄飛，李丁，王濟，等.基于改進模糊數學法的五馬河沿岸土壤重金屬污染評價[J]. 江蘇農業科學，2019，47（1）：246-250.

[23] 崔閃閃，劉慶，王靜.濱海開發帶土壤重金屬分布特征及來源分析[J]. 土壤，2019，51（2）：352-358.

[24] 李中元，何騰兵，趙澤英，等.土壤養分數據幾種特異值處理方法的比較[J]. 貴州農業科學，2008，38（2）：93-96.

[25] 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，2006，38（5）：525-533.

[26] 王曉燕.農業現代化與新型城鎮化協同發展路徑比較研究[D]. 青島：青島科技大學，2016.

[27] Wei B， Yang L. A review of heavy metal contaminations in urban soils，urban road dusts and agricultural soils from China[J]. Microchemical Journal， 2010， 94（2） ： 99-107.

[28] 盧鑫，胡文友，黃標，等.基于UNMIX模型的礦區周邊農田土壤重金屬源解析[J]. 環境科學，2018，39（3）：1421-1429.

[29] 艾建超，王寧，楊凈.基于UNMIX模型的夾皮溝金礦區土壤重金屬源解析[J]. 環境科學， 2014， 35（9）：3530-3536.

[30] 宋志廷，趙玉杰，周其文，等.基于地質統計及隨機模擬技術的天津武清區土壤重金屬源解析[J]. 環境科學，2016，37（7）：2756-2762.