GIS技術在農用地土壤重金屬污染調查研究中的應用

黃革勤 張培佩 張小紅

（1.新蔡縣自然資源局，河南 新蔡 463500；2.河南省測繪工程院，河南 鄭州 450003）

0 引言

對于土壤重金屬污染來源的研究源于1950年代左右，當時日本出現了引發世界矚目的“水俁病”事件。此后，土壤重金屬污染問題逐漸得到重視。土壤重金屬污染來源主要分為受自身成土性質影響的內源污染、受人類活動和外界自然環境影響的外源污染。土壤重金屬內源污染受成土母巖、氣候和成土過程影響，不同的成土母巖和發育環境會形成不同性質的土壤，土壤重金屬外源污染則受污水灌溉、工礦企業污染、農業生產和交通等一系列復雜因素的影響[1]。近幾十年來，我國各項事業取得了巨大發展，與此同時，隨著環境的惡化，耕地土壤環境質量尤為堪憂[2]。生活廢水、工業排放、采礦冶金、大氣沉降、農業化肥等都會導致不同程度的土壤污染[3]。土壤重金屬污染因具有穩定性、不可逆性、隱形危害等特點而成為土壤污染修復治理的重點[4]。本文以欒川縣石廟鎮為研究區域，因該區數據源充足，農用地土壤對生產生活意義重大，且臨近礦區，對其進行土壤重金屬研究具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

欒川縣位于河南省西部、洛陽市西南部、伊河上游，居于111°11′～112°01′E ，33°39′～34°11′N，與洛陽市嵩縣、西峽縣、盧氏縣和洛寧縣接壤，總面積約2185 km2。由南至北分別為伏牛山脈和熊耳山脈，中部有伏牛山的分支遏遇嶺綿延其中，將該縣分為伊河和小河兩大流域。欒川縣東面為伏牛山的另一分支楊山，因而形成了自南向北走向的明白河流域；西面為熊耳山的分支抱犢山，形成了淯河流域。石廟鎮位于欒川縣城西部，東面與欒川縣相接，西面與陶灣鎮緊鄰，全鎮共有10個行政村，總面積約96 km2，自然地貌為東西一道川（伊河川）、南北兩條溝（七姑溝、石寶溝），伊河橫穿其間。研究區范圍如圖1所示。

圖1 研究區范圍

1.2 樣品的采集與測定

根據研究區農用地土壤分布特點，在自然分割出的農用地塊中篩選出調查采樣區，每個采樣區由單個農用地塊或多個農用地塊組成，采樣區的選點布設充分考慮地面形態、地表徑流、水文地質條件等因素。土壤樣品采樣區設置為30m×30m采樣單元。土壤樣品共采集表層土壤樣品265個，其中石寶溝主溝230個、銀洞溝24個、倒回溝11個。所有土壤樣品鎘（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鎳（Ni）的測定均由具有CMA認證（中國計量認證）的實驗室進行測定。

1.3 分析方法

（1）趨勢面分析是利用數學中的曲面模擬地理空間數據在研究區內的分布和變化趨勢的一種方法，其本質是運用回歸分析的方法，采取最小二乘法擬合二維非線性函數。趨勢面分析將平面中的點轉換為三維立體中的點，以三維立體點的具體位置擬合一條曲面，若該曲線存在且明顯，則表明存在全局趨勢，需要去除全局趨勢，從而進行分異過程的研究[5]。

克里金插值由Krige于1966年提出，建立在半變異函數理論基礎上，是對一定空間內的區域化變量進行線性無偏最優估計的方法[6]。空間插值包含幾個過程：收集空間已知點數據；分析收集到的空間數據，從多個角度進行統計學分析，研究其規律性，分析空間相關性 ；進行插值計算；最后分析和評價插值結果。

2 結果與分析

2.1 土壤重金屬趨勢面分析

趨勢面分析是基于采樣點數據對研究區域進行全局建模的技術方法，將平面上的二維點轉換為空間內的三維點，依據三維點數據擬合一條曲線，如圖2至圖9中的藍線和綠線，采樣點投影到東西向（X軸）和南北向（Y軸）的正交平面上，通過投影點擬合一條最佳曲線，并通過該曲線模擬該方向上土壤重金屬含量的趨勢，直線表示該土壤重金屬元素沒有趨勢存在，曲線表示有趨勢存在。利用ArcGIS10.2軟件，采用趨勢面分析方法，研究土壤重金屬元素在三維空間上的變化趨勢。

圖2 Cd趨勢分析圖

圖3 Hg趨勢分析圖

圖4 As趨勢分析圖

圖5 Pb趨勢分析圖

圖6 Cr趨勢分析圖

圖7 Cu趨勢分析圖

圖8 Zn趨勢分析圖

圖9 Ni趨勢分析圖

綠線表示X軸東西方向的土壤重金屬含量，藍線表示Y軸南北方向的土壤重金屬含量。從趨勢分析圖可以看出，土壤重金屬元素Cd在東西方向兩邊高、中間低，南北方向幾乎呈一條直線；重金屬元素Hg在東西方向東高西低，南北方向南高北低；重金屬元素As在東西方向和南北方向均呈一條直線；重金屬元素Pb在東西方向和南北方向均呈一條直線；重金屬元素Cr在東西方向和南北方向均存在明顯趨勢，東西方向兩邊低、中間高，南北方向兩邊高、中間低；重金屬元素Cu在東西方向和南北方向均呈一條直線；重金屬元素Zn在東西方向和南北方向均呈一條直線；重金屬元素Ni在東西方向和南北方向均存在明顯趨勢，東西方向兩邊低、中間高，南北方向北邊高、南邊低。

2.2 土壤重金屬空間分布特征

利用克里金插值方法對研究區內石寶溝、銀洞溝和倒回溝土壤重金屬元素Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni進行插值。從插值結果主要得出研究區土壤重金屬Cd高值區主要分布于銀洞溝，在石寶溝南部有部分高值區，倒回溝Cd含量最低；土壤重金屬Hg沿石寶溝分布較多，高值區集中在石寶溝南部；土壤重金屬As多位于銀洞溝；土壤重金屬Pb分布較廣泛，石寶溝自北向南和銀洞溝全域皆存在較多的Pb，與這一地帶鉛鋅礦開采有密切聯系；土壤重金屬Cr高值區分布于石寶溝北部，Cr元素的分布與人類活動分布密切 ；土壤重金屬Cu在研究區內較少，含量均不高，僅石寶溝中部出現中低值區；土壤重金屬Zn在銀洞溝、石寶溝南部分布較多，這也是工礦企業分布的地方，與礦業活動密切聯系；土壤重金屬Ni在石寶溝北部分布較多，該區域居民較多，與人類活動關系密切。

2.3 土壤重金屬與高程的關系

欒川縣石廟鎮的高程位于700～1100m，不同高程處具有不同的土壤重金屬含量，重金屬的分布與高程關系較為緊密，為直觀展示高程因素對8種土壤重金屬Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn和Ni的影響，制作了散點圖，它們與高程的關系如圖10至圖17所示。

圖10 Hg的含量分布與高程關系

圖11 Cd的含量分布與高程關系

圖12 Pb的含量分布與高程關系

圖13 As的含量分布與高程關系

圖14 Cu的含量分布與高程關系

圖15 Cr的含量分布與高程關系

圖16 Ni的含量分布與高程關系

圖17 Zn的含量分布與高程關系

3 結論與建議

3.1 結論

通過GIS技術對石廟鎮農用地進行土壤重金屬污染調查，得出結論：（1）利用ArcGIS10.2軟件對土壤重金屬含量進行了趨勢面分析，由趨勢面分析結果可知，除Cr和Ni之外，其余重金屬元素趨勢均不明顯。（2）采用普通克里金方法對研究區內的石寶溝、銀洞溝和倒回溝進行了空間插值，可以得出重金屬分布的具體空間位置，通過空間位置分析可以得出農用地土壤重金屬污染與礦業活動、人類活動關系密切。（3）利用DEM數據分析了研究區內的高程對土壤重金屬含量的分布影響。高程方面，重金屬Hg的含量隨著高程的升高而逐漸減少，Cu的含量分布較為均勻，在900～1000m高程之間，Cr和Ni的分布較為連續。

3.2 建議

利用GIS技術分析農用地土壤重金屬污染，農用地土壤中重金屬的濃度和礦業開發活動關系密切。在農用地土壤重金屬管控和監測方面，有如下建議：

（1）相關部門應加強礦山企業的監管，雖然礦山企業可極大地促進社會經濟發展，為建筑業及其他領域提供豐富的原材料，但礦山企業對環境的污染亦是巨大的，其產生的重金屬加劇了農用地土壤污染，因此應嚴格執行尾礦排放標準，規范礦山生產活動。

（2）定期對農用地土壤重金屬進行監測，農用地是農作物生長的基礎，受污染農用地種植出的農作物存在很大的食用安全風險，給人們的生命健康造成了巨大隱患。同時也應加強農作物的監管和監測，確保農作物安全。

（3）加大宣傳教育，規范農業生產活動，不良的客土改造、污泥肥田應及時糾正，不合格的化肥、農藥等田間管理應及時淘汰，從源頭上對農業活動進行規范，加大農田管理和建設，用生態模式培育作物，減少對土壤環境的污染。