上海舟山鋼鐵集團(tuán)附近土壤重金屬含量空間變異特征

上海舟山鋼鐵集團(tuán)附近土壤重金屬含量空間變異特征

作為城市和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的交叉運(yùn)用，城市邊緣帶具有土地使用類型的多樣性、地表結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和高度可變性，對(duì)保護(hù)、利用和管理該特殊領(lǐng)域的土壤資源具有較高的挑戰(zhàn)。一方面,城市邊緣帶作為城市生活與生產(chǎn)資料的“源”,其城郊型農(nóng)業(yè)是鮮活農(nóng)產(chǎn)品的重要來源;隨著加速發(fā)展的城市化、工業(yè)化進(jìn)程,城市邊緣帶土壤資源快速萎縮、農(nóng)業(yè)集約化程度不斷提高、土壤利用強(qiáng)度日益加大,農(nóng)化產(chǎn)品的過量施用導(dǎo)致有害物質(zhì)在土壤中積累的現(xiàn)象相當(dāng)普遍。另一方面,城市邊緣帶也是城市及工業(yè)“三廢”物質(zhì)排放的“匯”。因此,在來自工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通以及城市生活多重環(huán)境壓力下,城市邊緣帶土壤健康質(zhì)量明顯下降,土壤中持久性毒害物質(zhì)明顯積累,城郊農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)以及對(duì)人體健康的危害受到廣泛關(guān)注。國內(nèi)外對(duì)土壤質(zhì)量的研究,大多集中于城市邊緣帶的蔬菜基地,很少有針對(duì)某一具體工業(yè)園區(qū)的土壤環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)綜合的分析。本研究以位于南京江寧區(qū)的上海梅山鋼鐵集團(tuán)所在地為研究區(qū)域,兼顧工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及水陸交通的影響,對(duì)不同利用形式下的土壤類型進(jìn)行了采樣分析,重點(diǎn)闡述了該地區(qū)土壤重金屬含量及其空間分布特征,同時(shí)對(duì)土壤重金屬污染進(jìn)行了評(píng)價(jià)并討論了重金屬污染源及污染物進(jìn)入土壤環(huán)境的途徑及機(jī)制。以期對(duì)城市邊緣帶的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)以及土地利用規(guī)劃提供基礎(chǔ)性指導(dǎo)。1溫度、地貌及分布研究區(qū)位于南京市江寧區(qū)境內(nèi),西臨長江,東臨板橋鎮(zhèn),北近西善橋鎮(zhèn),南靠江寧鎮(zhèn);屬亞熱帶濕潤氣候,溫暖宜人,四季分明,雨量充沛,歷史上無風(fēng)災(zāi)、震災(zāi)記錄。年平均溫度15.5℃,年平均風(fēng)速3.5ms-1,年平均相對(duì)濕度76%,年日照時(shí)間4117h,年平均降水量1025mm,無霜期214d。全區(qū)地貌為沿江平原圩區(qū),河流、水面分布較多;土壤發(fā)育于不同時(shí)期的長江沖積、淤積母質(zhì),主要土壤為潴育型水稻土下屬馬肝土、河淤土等,各種旱耕熟化土壤及厚熟菜園土壤。土壤資源傳統(tǒng)利用形式以蔬菜和水稻種植為主,隨著快速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)建設(shè)研究區(qū)土地利用形式變化快速多樣,地表覆蓋結(jié)構(gòu)也變得復(fù)雜。2樣品采集與分析2.1土壤樣品采集根據(jù)有關(guān)文字資料以及南京市最新行政區(qū)劃圖、南京市沿江開發(fā)區(qū)規(guī)劃圖,首先確定本研究采樣的大致目標(biāo)范圍,進(jìn)行實(shí)地考察;在綜合考慮研究區(qū)內(nèi)地貌、土壤等自然因素以及工業(yè)區(qū)、居民區(qū)、集約農(nóng)業(yè)、交通網(wǎng)絡(luò)等各種人為因素的基礎(chǔ)上,確定以梅山鋼鐵集團(tuán)為中心,如圖1所示,按不同方向分A、B、C、D4個(gè)區(qū)域采樣,總面積約14km2。其中A、B兩地均靠近鋼板廠和焦化廠,且都以水稻種植為主;C區(qū)除了東北角部分樣點(diǎn)是蔬菜地,其他都是水稻土,C區(qū)內(nèi)水域分布較廣;D區(qū)以蔬菜種植為主。面上樣點(diǎn)基本采用等距網(wǎng)格布置,同時(shí)結(jié)合1∶50000地形圖、1∶100000土壤圖及1∶5000航空照片,根據(jù)具體地形情況、土地利用與覆蓋狀況、土壤類型等進(jìn)行微域調(diào)整,并最終在工作圖上標(biāo)定采樣點(diǎn)位置。采樣過程中對(duì)布置樣點(diǎn)有略微調(diào)整,取樣點(diǎn)以GPS精確定位。共采集土壤樣品93個(gè),平均樣點(diǎn)間距250m左右。樣品為表層土壤(0~20cm),每一個(gè)樣點(diǎn)以5m對(duì)角線采集5個(gè)點(diǎn)混勻,四分法取樣。2.2樣品的常規(guī)理化性狀土壤樣品在野外剔除與金屬采樣器械接觸部分,放入內(nèi)襯聚乙烯塑料袋的棉布專用樣品袋,避免樣品之間接觸污染。預(yù)處理采用陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干,剔除樣品中植物根系、有機(jī)殘?jiān)约翱梢娗秩塍w,用木質(zhì)工具碾碎并用瑪瑙研缽研磨,分別過10目、60目和100目尼龍篩。土壤樣品常規(guī)理化性狀分析參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》。土壤中全量鉻、鋅、銅、鉛采用X熒光法,全量汞、砷采用原子熒光法,全量鎘采用原子吸收石墨爐法。數(shù)據(jù)分析采用SPSS10.0軟件,地統(tǒng)計(jì)分析采用ArcGIS8.1等軟件。3環(huán)境質(zhì)量指數(shù)法土壤污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分別以《國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)1以及中國科學(xué)院南京土壤研究所標(biāo)定的南京土壤背景值為參照標(biāo)準(zhǔn),見表1。土壤污染評(píng)價(jià)方法采用目前國內(nèi)外普遍采用的單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法,a.單因子指數(shù)法Pi=Ci/Si式中,Pi為土壤中污染物i的環(huán)境質(zhì)量指數(shù);Ci為污染物i的實(shí)測(cè)濃度(mgkg-1);Si為污染物i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(mgkg-1)b.內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法P=(1n∑i=1nPi)2+(max(Pi))22???????????????√Ρ=(1n∑i=1nΡi)2+(max(Ρi))22式中,1n∑i=1nPi1n∑i=1nΡi為土壤中各污染指數(shù)平均值;max(Pi)為土壤中各污染指數(shù)最大值。根據(jù)Pi值變幅,結(jié)合作物受害程度和污染物積累狀況劃分如表2所示土壤質(zhì)量分級(jí)。4結(jié)果與討論4.1研究區(qū)表層土壤重金屬污染情況研究區(qū)93個(gè)土壤表層樣品重金屬含量測(cè)定結(jié)果,如表3所示。表3數(shù)據(jù)顯示,研究區(qū)土壤樣品幾種主要重金屬的平均含量分別為,銅37.48mgkg-1,鉛39.14mgkg-1,鋅97.26mgkg-1,鉻74.28mgkg-1,鎘0.25mgkg-1,汞0.61mgkg-1和砷8.16mgkg-1。變異系數(shù)反映了總體樣本中各采樣點(diǎn)的平均變異程度,該區(qū)域汞的變異系數(shù)最大,達(dá)到54.48%;而鉻的變異系數(shù)最小,為13.53%。7種重金屬的平均變異程度由大到小的順序?yàn)?汞、鎘、銅、砷、鉛、鋅、鉻。在來自全部93個(gè)樣點(diǎn)的土壤表層樣品中,土壤Hg含量有61.3%的樣點(diǎn)超過國家土壤二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),屬于輕污染;24.7%土壤樣點(diǎn)超過國家土壤二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的2倍,屬于中度污染;9.7%的土壤樣點(diǎn)超過國家土壤二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的3倍,屬于重污染。23.7%的樣品鎘含量超過國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),達(dá)到輕度污染。除了Hg和Cd以外其他5種重金屬在研究區(qū)土壤中的含量遠(yuǎn)小于國家土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。中國科學(xué)院南京土壤所提出的南京市土壤環(huán)境背景值、江蘇省國土廳、江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院2003年繪制的《南京市表層土壤元素地球化學(xué)圖》2及相關(guān)文字資料顯示,研究區(qū)表層土壤汞背景含量在0.06~0.13mgkg-1之間,說明該區(qū)表層土壤Hg含量異常是外源污染物質(zhì)進(jìn)入所致。Hg污染樣點(diǎn)主要分布于研究區(qū)的東部和東北部,主要集中河流兩側(cè)的蔬菜土壤,少數(shù)低洼地區(qū)的水稻田也出現(xiàn)較高的Hg。表明導(dǎo)致土壤Hg污染的主要因素可能為連年蔬菜種植過程中含汞農(nóng)藥、化肥的大量施用。4.2重金屬的污染程度以相關(guān)元素背景值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算了研究區(qū)93個(gè)樣點(diǎn)表層土壤各種重金屬的單因子污染指數(shù)值,數(shù)據(jù)列入表4。研究區(qū)土壤重金屬單因子平均指數(shù)值:銅、鉛、鋅、鉻、鎘分別為1.16、1.58、1.27、1.26、1.30,都大于1小于2,屬于輕微污染,但是最大值都有超過2,甚至鉛的最大值達(dá)到了3.29,說明該研究區(qū)部分地區(qū)出現(xiàn)銅、鉛、鋅、鉻、鎘明顯外源污染的現(xiàn)象。砷的平均單因子指數(shù)值為0.77,未受污染。而汞的平均單因子指數(shù)值為5.07,最大值14.25,嚴(yán)重污染。汞為主要污染因子,重金屬單因子指數(shù)平均值從大到小排列順序?yàn)?Hg>Pb>Cd>Zn>Cr>Cu>As。從土壤樣品中不同重金屬含量的變異系數(shù)來看,除了Hg變異系數(shù)達(dá)到54.45%,其他都比較小,說明全區(qū)樣點(diǎn)重金屬指數(shù)值的平均變異程度均較小。該地區(qū)主要以水稻和蔬菜種植為主,且靠近廠區(qū)大多為水稻田,蔬菜地則距離廠區(qū)稍遠(yuǎn)。從表5來看,蔬菜地銅的平均指數(shù)值為1.15,而水稻田為1.18;鉛的平均指數(shù)值蔬菜地和水稻田分別為1.57、1.60;鋅的平均指數(shù)值蔬菜地和水稻田分別為1.26、1.27;鉻的平均指數(shù)值蔬菜地和水稻田分別為1.25、1.26;鎘的平均指數(shù)值蔬菜地和水稻田分別為1.27、1.34;汞的平均指數(shù)值蔬菜地和水稻田分別為5.24、5.05;砷的平均指數(shù)值蔬菜地和水稻田分別為0.76、0.76。平均值沒有顯著差異,變異系數(shù)也是相當(dāng),說明該地區(qū)不同種植方式不是造成土壤重金屬污染的主要因子。4.3空間相關(guān)因素的分析半方差函數(shù)在原點(diǎn)處的數(shù)值稱為塊金常數(shù)(C0),它由于測(cè)定誤差和小于最小采樣尺度的非連續(xù)性變異引起,屬于隨機(jī)變異;基臺(tái)值(C0+C1)通常表示系統(tǒng)內(nèi)的總變異,它是結(jié)構(gòu)性變異和隨機(jī)性變異之和。塊金值C0與基臺(tái)值(C0+C1)之比是反映區(qū)域化變量空間異質(zhì)性程度的重要指標(biāo),又稱為塊金效應(yīng)。該比值用以反映空間變異影響因素中區(qū)域因素(自然因素)和非區(qū)域因素(人為因素)的作用。當(dāng)C0/(C0+C1)<25%時(shí),表明變量的空間變異以結(jié)構(gòu)性變異為主,變量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性;當(dāng)上述比值>25%而<75%時(shí),變量為中等程度空間相關(guān);>75%時(shí),以隨機(jī)變量為主,變量的空間相關(guān)性很弱。變程反應(yīng)的是空間自相關(guān)范圍,它與觀測(cè)以及取樣尺度上影響土壤性狀的各種過程的相互作用有關(guān),在變程范圍內(nèi),變量有空間自相關(guān)性,反之則不存在。利用半方差分析軟件GS+擬合土壤不同重金屬單因子污染指數(shù)值的半方差函數(shù)理論模型及其相關(guān)參數(shù)見表6。Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、As六種金屬的單因子指數(shù)的塊金常數(shù)/基臺(tái)值都小于25%,表現(xiàn)出較強(qiáng)的空間相關(guān)性,而Hg的單因子指數(shù)的塊金常數(shù)/基臺(tái)值為42.7%,大于25%小于75%,屬于中等空間相關(guān)。Hg的塊金常數(shù)異常,大大高于其他重金屬,表明受隨機(jī)因子影響較大,外源污染物對(duì)表層土壤Hg含量貢獻(xiàn)較大。研究區(qū)表層土壤重金屬內(nèi)梅羅污染指數(shù)C0/(C0+C1)值為42.3%,中等空間相關(guān)。4.4區(qū)域污染程度分析克里格插值法是對(duì)區(qū)域變量進(jìn)行無偏最佳估值的一種可靠方法。根據(jù)所確定的研究區(qū)域土壤重金屬單因子指數(shù)值的半方差函數(shù),采用軟件ArcGIS8.1中普通克里格方法(OrdinaryKriging),在約束條件下可根據(jù)采樣點(diǎn)的重金屬單因子指數(shù)值對(duì)研究區(qū)域的土壤重金屬指數(shù)進(jìn)行最優(yōu)、無偏估值。插值結(jié)果如圖2所示。分析圖2各個(gè)因子,研究區(qū)大部分的地區(qū)土壤銅的單因子指數(shù)值大于1小于2,屬于輕度污染。而右上角地區(qū)由于地勢(shì)低洼且三面鄰水,受到污灌的可能最大。鉛的單因子指數(shù),都大于1,少部分地區(qū)達(dá)到2以上,全區(qū)鉛的污染比較普遍,屬于輕度污染。土壤鋅單因子指數(shù)值的空間分布趨勢(shì)與銅相似,大部分屬于輕度污染。鉻單因子指數(shù)大部分地區(qū)都略高于1,屬于輕度污染,其分布趨勢(shì)是從西部沿江地區(qū)到東部逐漸遞減。鎘單因子指數(shù)空間分布趨勢(shì)與鉻相似從西到東遞減,全區(qū)大部分地區(qū)鎘指數(shù)值都在1左右,屬于輕度污染。從Hg的插值圖看出全區(qū)汞的污染非常嚴(yán)重,研究區(qū)大部分地區(qū)土壤汞的單因子指數(shù)都在3以上,有一半地區(qū)高于5,屬于嚴(yán)重污染,分布趨勢(shì)從東到西遞減。灌溉水的影響可能是該地區(qū)汞污染的主要因子。As單因子指數(shù)空間插值圖中預(yù)測(cè)指數(shù)值從西到東遞減,全區(qū)砷的指數(shù)值均在1以下,沒有污染。綜合看來,Hg的污染最為嚴(yán)重,是主要污染因子;砷含量都小于背景值,未受污染;其他各重金屬都屬于輕度污染。分析內(nèi)梅羅指數(shù)空間分布圖,全區(qū)大部分地區(qū)屬于重金屬中度污染和嚴(yán)重污染,在東北部的蔬菜基地內(nèi)梅羅指數(shù)值最高達(dá)到5,屬于嚴(yán)重污染,對(duì)比汞的單因子