岷江下游五通橋區(qū)土壤重金屬pb污染的空間分布格局

岷江下游五通橋區(qū)土壤重金屬pb污染的空間分布格局

0土壤重金屬污染研究土壤重金屬污染是生態(tài)環(huán)境的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容，其中pb是土壤中最常見(jiàn)、最嚴(yán)重的污染之一。根據(jù)研究，我國(guó)土壤pb污染嚴(yán)重。上海、南京、重慶等大城市土壤pb污染突出。在一些地區(qū)，每克重土壤pb的含量達(dá)到1000g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了土壤環(huán)境的負(fù)荷，嚴(yán)重影響了人們的生存和健康。在這方面，許多科學(xué)家從不同角度分析和研究了土壤pb污染。例如，一些科學(xué)家從環(huán)境地球化學(xué)的角度研究了長(zhǎng)江水系沉積物pb等重金屬含量的空間分布特征。更多的科學(xué)家從污染特性和食品安全的角度研究了土壤pb等重金屬污染。此外，一些科學(xué)家還利用工程措施、農(nóng)業(yè)措施、化工改良措施和生物措施來(lái)控制和修復(fù)土壤pb污染。四川五通橋區(qū)是岷江流域傳統(tǒng)的輕工業(yè)基地和國(guó)家級(jí)可持續(xù)發(fā)展試驗(yàn)區(qū),長(zhǎng)期的工業(yè)生產(chǎn)和密集的交通網(wǎng)產(chǎn)生了大量污染物質(zhì),對(duì)土壤環(huán)境造成巨大的壓力,亟待深入研究和恢復(fù).本研究擬在該流域范圍內(nèi)以地質(zhì)統(tǒng)計(jì)原理和GIS技術(shù)手段分析該區(qū)土壤Pb的空間自相關(guān)特征,以定量化和可視化的方式研究其污染分布格局,并對(duì)污染格局和遷移特征進(jìn)行初步討論.1研究區(qū)域和數(shù)據(jù)采集1.1a.條件分析研究地五通橋區(qū)(E103°39′45″～103°56′48″,N29°17′29″～29°31′30″,海拔331～735m)是國(guó)家級(jí)可持續(xù)發(fā)展實(shí)驗(yàn)區(qū),位于四川盆地西部和岷江下游地區(qū),地處川西南四川盆地平原與丘陵結(jié)合部,幅員面積464.8km2.根據(jù)調(diào)查,該區(qū)地勢(shì)南高北低,岷江由北向南縱貫全境,東西兩側(cè)為丘陵、低山區(qū),以臺(tái)狀丘陵為主,少部分低山,中部沿岷江兩岸為平壩區(qū),形成東西兩側(cè)向中部——岷江傾斜的地形特征.該區(qū)是四川省重要的工業(yè)基地、中國(guó)西部重要的化工城和原國(guó)家輕工部的十大工業(yè)原料基地之一.眾多鹽磷化工、農(nóng)畜產(chǎn)品加工、機(jī)電產(chǎn)品加工企業(yè)沿岷江兩岸分布,西側(cè)丘陵區(qū)石麟鎮(zhèn)同時(shí)分布有大量煤礦開(kāi)采企業(yè);中西部河漫灘沖積土因土地肥沃,水量充沛,成為集中的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū),土地耕作系數(shù)高,為主要的蔬菜和糧食產(chǎn)區(qū).1.2采樣點(diǎn)樣點(diǎn)的確定按地統(tǒng)計(jì)分析原理,以系統(tǒng)隨機(jī)采樣方式分兩次進(jìn)行采樣.第一次采樣于2006年3月進(jìn)行,以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為基本采樣單元,每個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)隨機(jī)確定3～6個(gè)采樣點(diǎn);第二次于2006年10月進(jìn)行,對(duì)第一次采樣中空間距離較大的兩樣點(diǎn)之間補(bǔ)充樣點(diǎn),最終確定樣點(diǎn)93個(gè),詳細(xì)分布圖見(jiàn)圖1.相鄰采樣點(diǎn)最近距離為460m,每個(gè)采樣點(diǎn)多點(diǎn)混合法采樣(同一地點(diǎn)采3～5個(gè)樣品,就地混合為一個(gè)樣品),土壤深度為0～20cm耕層,四分法保留混合樣1kg備用;所有樣點(diǎn)GPS定位,樣品貼好標(biāo)簽帶回實(shí)驗(yàn)室備用.樣品經(jīng)自然風(fēng)干,揀出石塊和植物殘根,用瑪瑙研缽研碎,過(guò)100目尼龍篩,裝袋備用.樣品以HNO3-HClO4-HF三酸消解,TAS-986型原子吸收分光光度計(jì)測(cè)總Pb量,共獲得93個(gè)土壤樣品Pb含量數(shù)據(jù).2結(jié)果分析2.1土壤pb含量分布統(tǒng)計(jì)顯示,本次研究的原始數(shù)據(jù)呈現(xiàn)明顯的右偏特征(圖2),偏度系數(shù)1.59、峰度系數(shù)2.34.對(duì)原始數(shù)據(jù)作對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化后則服從較規(guī)則的正態(tài)分布特征(圖3),這表示五通橋區(qū)土壤Pb含量c服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布特征.根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理,采用原始數(shù)據(jù)的幾何平均值可較好的代表該區(qū)的土壤Pb含量,因此,如表1所示,該區(qū)每克重土壤Pb含量代表值表示為(33.29±17.23)μg,變異系數(shù)為47.28%.因缺乏歷史資料和研究區(qū)域內(nèi)土壤Pb背景含量研究,本次研究以四川土壤Pb背景值為參比資料,結(jié)果顯示研究區(qū)土壤Pb較背景值平均增加了14.88%.其中有26.9%的樣品含量超過(guò)了土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(每克重土壤35μg),較高的變異系數(shù)(47.28%)表示土壤Pb含量分布存在明顯的地域差異,說(shuō)明部分地區(qū)土壤受到了一定的人為污染.2.2半方差函數(shù)式一般情況下,土壤化學(xué)元素變量,尤其是Pb等微量重金屬元素的含量基本來(lái)源于地球化學(xué)自然成土過(guò)程,在空間相互作用過(guò)程與空間擴(kuò)散過(guò)程的作用下,不同位置的取值相互不完全獨(dú)立,具有一定的關(guān)聯(lián)特征,即空間自相關(guān)性(spatialautocorrelation).同時(shí),由于土壤并非一個(gè)勻質(zhì)體,具有高度的空間異質(zhì)性,這些變量又具有隨機(jī)性和不確定性,因此具有明顯的區(qū)域化變量特征.半變異函數(shù)(semi-variance)可為研究元素的遷移分布規(guī)律提供依據(jù).半變異函數(shù)表達(dá)式為:γ(h)=12N(h)×∑i=1N(h)[Z(xi)?Z(Xi+h)]2γ(h)=12Ν(h)×∑i=1Ν(h)[Ζ(xi)-Ζ(Xi+h)]2該式亦稱(chēng)為半方差函數(shù),式中,γ(h)即為半方差;N(h)是以h為間距的所有觀測(cè)點(diǎn)的成對(duì)數(shù)目,若取樣點(diǎn)有n個(gè),則N(h)=n-1;h為兩樣本點(diǎn)的空間分隔距離,描述h和γ(h)之間關(guān)系的圖被稱(chēng)為變差圖.在本文中Z(xi)和Z(xi+h)分別表示地點(diǎn)xi和(xi+h)處土壤Pb的含量水平,以h為橫坐標(biāo),γ(h)為縱坐標(biāo),用散點(diǎn)圖的形式表示變異函數(shù)的計(jì)算結(jié)果,即變異函數(shù)散點(diǎn)圖(variogramplot).采用地統(tǒng)計(jì)軟件(GS+Version7)以不同類(lèi)型模型對(duì)研究區(qū)內(nèi)土壤Pb含量的變異函數(shù)散點(diǎn)圖進(jìn)行擬合,擬合度最好(曲線判別系數(shù)r2值最大)的為曲線模型,見(jiàn)圖4.該圖表示了研究區(qū)域土壤的空間結(jié)構(gòu),圖中3個(gè)重要參數(shù)塊金值(C0)、范圍值(C)、基臺(tái)值(C0+C)分別為65.4,231.8,297.2.其中,塊金值達(dá)到了65.4,表示存在污染和其他人為活動(dòng)干擾了土壤Pb含量小尺度的空間自相關(guān)性.C/(C+C0)表示空間自相關(guān)部分占空間總變異的程度,在自然狀態(tài)具有較為規(guī)則的分布特征和較高的空間自相關(guān)性時(shí),其值一般較高;而在人為污染情況下富集后,隨機(jī)因素增加,其值會(huì)有一定程度的降低.本次研究的C/(C+C0)值為0.78,表示由結(jié)構(gòu)因素引起的空間變異性占總變異程度的78%,說(shuō)明數(shù)據(jù)小尺度的隨機(jī)性并沒(méi)有掩蓋數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)性,研究區(qū)內(nèi)土壤Pb含量仍具有較高強(qiáng)度的空間自相關(guān)特征.基臺(tái)值(C0+C)表示區(qū)域化變量變異函數(shù)的最大取值,變異函數(shù)處于基臺(tái)值時(shí)的距離A0為5940,表示該區(qū)土壤Pb的自相關(guān)距離為5940m.不同方向的半變異性擬合參數(shù)表示數(shù)據(jù)的空間自相關(guān)性具有一定的各向異性.西北-東南(方位角145°)方向的空間自相關(guān)性最高,西南-東北方向(方位角35°)的空間自相關(guān)程度相對(duì)較低.這說(shuō)明,從總體上來(lái)講,研究區(qū)內(nèi)Pb元素在西北-東南方向遷移趨勢(shì)強(qiáng)于西南-東北方向.圖5展示了方位角35°(圖5a)和145°(圖5b)的變異函數(shù)散點(diǎn)及其理論模型.東南-西北方向的自相關(guān)距離為10km左右,而西南-東北方向的自相關(guān)距離12km左右,結(jié)合圖1可初步認(rèn)為Pb元素在沿岷江方向的遷移趨勢(shì)強(qiáng)于其他方向.2.3研究的基本理論模型和方法Kriging插值法是對(duì)未采樣點(diǎn)的區(qū)域化變量進(jìn)行無(wú)偏最優(yōu)的一種插值方法,是地統(tǒng)計(jì)學(xué)用于揭示區(qū)域化變量空間格局分布特征的重要工具,它以等值線和趨勢(shì)面的形式反應(yīng)變量的空間特征,目前已經(jīng)被大量學(xué)者廣泛運(yùn)用.但有學(xué)者認(rèn)為,在人為影響和污染的情況下,土壤重金屬的空間變異性明顯增加,分布不規(guī)則時(shí),會(huì)導(dǎo)致擬合模型中的塊金系數(shù)很大,如果純塊金效應(yīng)發(fā)生,那么Kriging估值就會(huì)變成樣品數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)平均,由此得到的等值線圖也失去了意義.所以,Kriging插值需要建立在數(shù)據(jù)穩(wěn)健和對(duì)稱(chēng)的基礎(chǔ)之上.根據(jù)上文所述,本次研究的原始數(shù)據(jù)滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布特征,在土壤Pb含量進(jìn)行Kriging插值時(shí),對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化即可滿足要求,能有效避免比例效應(yīng)的產(chǎn)生.對(duì)于一個(gè)插值精確的模型,其均差應(yīng)接近于0,均方根誤差和平均標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)盡可能小,并且均方根標(biāo)準(zhǔn)誤差應(yīng)接近于1.根據(jù)半變異函數(shù)的理論模型和擬合參數(shù),利用地理信息系統(tǒng)軟件ArcMap9.2的地統(tǒng)計(jì)分析擴(kuò)展模塊(GeostatisticalAnalyst)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化后,在指數(shù)模型參數(shù)下對(duì)研究區(qū)內(nèi)土壤Pb含量空間分布進(jìn)行Kriging插值運(yùn)算,各誤差項(xiàng)(見(jiàn)表2)說(shuō)明本次研究的Kriging插值具有較高的精確度.結(jié)合研究區(qū)域的交通路線圖、重點(diǎn)工業(yè)區(qū)和江河走向等地理要素繪制出五通橋區(qū)土壤Pb含量空間分布見(jiàn)圖6.圖6反映了研究區(qū)內(nèi)土壤Pb的含量分布特征,該區(qū)土壤Pb含量呈現(xiàn)出帶狀分布特征.Pb污染嚴(yán)重區(qū)域主要集中在岷江下游工業(yè)區(qū)的金粟鎮(zhèn),其每克重土壤Pb含量含量達(dá)到70μg,北緣冠英鎮(zhèn)存在一個(gè)Pb含量異常偏高帶,東西兩側(cè)大部分地區(qū)和糧食產(chǎn)區(qū)的冠英鎮(zhèn)、西壩鎮(zhèn)每克重土壤Pb含量則較低,含量普遍小于35μg,低于土壤環(huán)境質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn),屬于農(nóng)業(yè)安全用地范疇.從整個(gè)區(qū)域來(lái)看,土壤Pb的污染分布與交通路線和工業(yè)園區(qū)的分布不具有明顯的關(guān)聯(lián)特征,顯著的特征是沿岷江兩岸普遍偏高,向東西兩側(cè)逐漸遞減,污染帶的走向與空間自相關(guān)性最高方向(西北-東南)一致.3土壤重金屬污染分布格局根據(jù)有關(guān)學(xué)者的研究,我國(guó)部分地區(qū)的重金屬污染區(qū)和礦山開(kāi)采冶煉區(qū)土壤Pb的污染特別嚴(yán)重.本次研究表明,盡管五通橋區(qū)是典型的工業(yè)基地和人口稠密區(qū)以及交通樞紐地帶,其每克重土壤Pb的平均值僅為33.29μg,樣品的最高觀測(cè)值為95.96μg,較背景值雖然增加了14.88%,但所有樣品含量值和平均值均未超出國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn).就土壤Pb含量而言,其土壤環(huán)境質(zhì)量在安全范圍.通常認(rèn)為,交通運(yùn)輸業(yè)容易造成公路沿線區(qū)域土壤Pb的嚴(yán)重積累,大量研究證實(shí)因汽車(chē)尾氣的排放公路沿線兩側(cè)的土壤Pb含量明顯高于其他地區(qū),會(huì)沿公路兩側(cè)形成一個(gè)線性污染帶,但污染距離主要集中在30～50m以?xún)?nèi),向外逐漸遞減,100m以外則趨與平穩(wěn).本次研究的Pb分布圖(圖6)顯示了中尺度范圍內(nèi)土壤Pb污染與公路網(wǎng)無(wú)明顯關(guān)聯(lián)特征,說(shuō)明在研究區(qū)內(nèi)交通運(yùn)輸業(yè)造成的Pb污染不足以對(duì)土壤Pb含量在中尺度范圍內(nèi)的分布格局造成顯著的影響.同時(shí),該趨勢(shì)圖明顯地反映出土壤Pb污染帶主要沿岷江兩岸分布,在岷江的地理方向上有最大的空間自相關(guān)特征.這可能有兩個(gè)原因:①沿江兩岸是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域,工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類(lèi)活動(dòng)頻繁,對(duì)土壤環(huán)境的擾動(dòng)和污染較大,Pb等重金屬的污染源和潛在污染源眾多;②江河淤泥和沉積物本身就是是重金屬的重要載體,沿江兩岸會(huì)因河水的沉積作用積累較多Pb.本次研究發(fā)現(xiàn)五通橋區(qū)北緣農(nóng)業(yè)區(qū)附近與樂(lè)山市中區(qū)交界帶土壤Pb含量異常偏高.經(jīng)調(diào)查,該區(qū)域與樂(lè)山市高新區(qū)車(chē)子鎮(zhèn)接壤,是樂(lè)山城市近域的擴(kuò)散,其時(shí)空環(huán)境是既不同于典型的城市、又異于農(nóng)村的過(guò)渡地帶,具有明顯的城鄉(xiāng)結(jié)合部特征.這些地區(qū)承擔(dān)著為城市提供農(nóng)副產(chǎn)品、土地和勞動(dòng)力的功能,并且是城市垃圾等污染物質(zhì)的受納點(diǎn)