基于ArcGIS的潍坊市土壤重金属污染现状与空间分布研究

刘衍君, 张保华, 刘子亭, 张洪源, 李梦茹, 曹建荣

(聊城大学 环境与规划学院, 山东 聊城 252059)

基于ArcGIS的潍坊市土壤重金属污染现状与空间分布研究

刘衍君, 张保华, 刘子亭, 张洪源, 李梦茹, 曹建荣

(聊城大学 环境与规划学院, 山东 聊城 252059)

[目的] 了解潍坊市土壤重金属污染现状及其在空间上的分布规律，为该区土壤重金属污染防治和农业生产的合理安排提供指导。 [方法] 在土壤重金属污染调查的基础上，以ArcGIS为操作平台，采用地质积累指数分析潍坊市土壤重金属污染状况，并绘制空间分布图。 [结果] 潍坊市大部分地区土壤重金属未产生污染，但在某些地区镍的污染等级达到3级；8种重金属污染程度依次为：Hg>Ni>Zn>Cr>Pb>Cd>Cu>As；土壤中Cd，Ni，Pb，Hg受土壤质地影响，Cd，Ni，Pb易在砂土中富集，Hg易在黏土中富集；重金属元素浓度与土壤pH值相关性较差；Hg的浓度与土壤有机质有着非常显著的正相关关系(p<0.01)；Ni污染存在着复合现象；重金属元素中，Cu，Cr，Ni在空间的分布主要集中于青州—临朐—昌乐交界处和安丘—诸城交界处。 [结论] 土壤重金属污染分布与人类活动有关，应加强地区交界处的环境管理力度。

ArcGIS; 土壤重金属; 地质累积指数; 相关性; 空间分布

近年来，中国工农业和城市得到了较快较好的发展。重金属元素通过大气、水体、固废等多种途径进入到土壤环境中，给土壤环境造成了巨大的压力[1-3]。山东省潍坊市作为全国最大的农产品加工基地、最大的优质农产品生产基地和最大的农产品集散基地之一，其土壤质量的优劣决定了农产品的安全，进而影响了众多居民的健康。为掌握土壤重金属污染的现状，合理安排农业开发活动，对潍坊市开展了重金属污染调查，以ArcGIS为操作平台，采用地质积累指数分析潍坊市土壤重金属污染状况，并进行空间分布研究。

1 研究区概况

潍坊市位于山东半岛西部，地跨北纬35°41′—37°26′，东经118°0′—120°01′。南倚沂山，北濒渤海，东连青岛、烟台，西接淄博、东营。面积1.58×104km2。市域地势南高北低，南部是山区丘陵，中部为平原，北部是沿海滩涂。土层深厚，气候温和，水资源丰富，是山东省乃至全国重要的蔬菜基地。

2 分析与评价方法

2.1 样品的采集与测定

2.1.1 布点与采样 本次土壤环境质量调查，按照《全国土壤污染状况调查点位布设技术规定》的布点要求和编码规则，根据不同土地利用类型和土壤类型，在1∶25万电子地图上统一划分网格，网格中心点即为调查点位，耕地网格8 km×8 km，潍坊市采样点共235个。对调查点位经纬度信息进行数据文件转换，按照全国统一编码要求进行编码。

按土地利用类型和适用条件，采用GPS定位，在调查点位周围采集0—20 cm表层土壤混合样，保留相当于3 kg以上风干土壤的土样，其他要求符合《全国土壤污染状况调查土壤样品采集(保存)技术规定》。

2.1.2 监测项目 本研究主要针对8种重金属元素开展，监测项目分别为：As，Cd，Cr，Cu，Hg，Ni，Pb，Zn。

2.1.3 样品的处理与分析 预处理采用阴凉通风处自然风干，剔除样品中的植物根系、有机残渣以及可见侵入体，用木质工具碾碎并用玛瑙研钵研磨，分别过10,20和100目筛。土壤中全量砷采用二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法测定，全量镉、铅采用石墨炉原子吸收分光光度法测定，全量铬、铜、锌、镍采用火焰原子吸收分光光度法测定，全量汞采用冷原子吸收光光度法。所用试剂均为优级纯，分析过程中采用平行样，加标(国家标准土壤样品ESS-1)进行质量控制。

2.2 评价方法与分级标准

目前，单因子指数法、内梅罗指数法、地质累积指数法、模糊贴近度法等均应用于土壤重金属污染评价。不同的评价方法均有其各自的优缺点[4]。地质累积指数因其意义明确、计算方便，得到了广泛的应用。地质累积指数虽无法包含法定标准，其修正系数也缺乏随研究介质性质的变化而改变的状况，但作为一种评价方法不失为一种新的探讨领域，本研究采用地质累积指数法进行评价。

2.2.1 地质累积指数 地质累积指数(geoaccumulation lndex)通常称为Muller指数，是20世纪60年代晚期在欧洲开展起来的。它广泛用于研究沉积物及其它物质中重金属污染程度的定量指标[5]，不仅考虑了沉积成岩作用等自然地质过程造成的背景值的影响，同时充分注意了人为活动对重金属污染的影响。因此，该指数不仅反映了重金属分布的自然变化特征，而且可以判别人为活动对环境的影响，是区分人为活动影响的重要参数。其表达公式为：

式中：Iij——第i个样品中元素j的地质累积指数；Cij——第i个样品中元素j的浓度； BEj——元素j的背景浓度； 1.5——修正指数，通常用来表征沉积特征、岩石地质及其它影响。

潍坊市土壤重金属地质累积指数中元素背景浓度应采用山东省重金属元素浓度背景值，As，Cd，Cr，Cu，Hg，Ni，Pb，Zn分别为9.30，0.084，66.0，24.0，0.019，25.8，25.8，63.5 mg/kg。

2.2.2 分级标准 地质累积指数可分为多个级别，如Forstner等分为7个级别[5]，0—6级表示污染程度由无到极强，最高1级(6级)的元素含量可能是背景值的几百倍，不同的级别也代表着不同的重金属污染程度[6](表1)。

表1 地质累积指数分级

3 土壤重金属污染特征分析

3.1 土壤重金属污染程度现状

采用地质累积指数，对潍坊市235个采样点的8种重金属分别进行了分析，结果详见表2。由表2可以看出，潍坊市大部分地区土壤重金属未产生污染，总体平均污染程度较低，污染等级不超过2级。但在某些地区镍的污染等级达到3级，为中污染至强污染级别。8种重金属污染程度依次为：汞>镍>锌>铬>铅>镉>铜>砷。因此，应对潍坊市部分地区重金属镍污染严重区域进行治理，并在全市范围内开展对汞污染的防治。

表2 不同重金属的污染指数(I)及等级

3.2 不同土壤质地的富集度分析

潍坊市分布有重壤土、中壤土、砂土、砂壤土、轻壤土和黏土6种土壤质地。以轻壤土和重壤土分布最广，由潍坊市不同质地土壤的重金属元素污染指数状况可以看出(表3)，土壤重金属元素在不同质地类型土壤的富集度存在着差异。

表3 不同质地土壤的重金属元素污染指数

重金属在不同质地土壤中的富集度存在着一定的差异，但差异幅度不同(图1—2)。8种重金属元素中，As，Cr，Cu，Zn含量随土壤质地几乎无变化；其他各元素均有变化。Cd，Ni，Pb的最大值均出现在砂土(C)，Hg的情况完全相反，最小值出现在砂土(C)。Cd，Ni的最小值出现在黏土(F)。差异分析说明，潍坊市土壤中，Cd，Ni，Pb，Hg的含量随土壤质地而产生差异。其中，砂土与黏土中重金属元素含量差别很大。与Hg的情况相反，Cd，Ni，Pb易在砂土中富集。

图1 潍坊市不同质地土壤As，Cd，Cr，Cu富集程变化

图2 潍坊市不同质地土壤Hg，Ni，Pb，Zn富集变化

3.3 相关性分析

3.3.1 与土壤有机质、pH值的相关性分析 本次调查6种质地土壤的235个样品中，土壤中Hg的浓度与土壤有机质相关系数为0.192，在0.01水平上显著相关性，其他重金属与有机质的相关性很差。

经相关性分析，235个样品的8种重金属元素浓度与土壤pH值相关性较差，均未达到显著相关的水平。

3.3.2 重金属元素间的相关性分析 由研究区重金属元素相关系数表(表4)可以看出，各种重金属元素之间的相关系数不尽相同(表4)，Cd与Hg，Zn，Cr与Cu，Ni，Cu与Ni，Zn，Ni与Zn均存在着高度的相关性。

Cu与As，Cd之间也存在着一定的相关性。潍坊市土壤中的Ni污染程度较其他重金属污染物要高，且Ni与其他元素出现显著相关性。

由此说明，潍坊市土壤中的Ni污染存在着复合现象，初步认为与土壤的使用耕作方式不同有关[7-8]。

表4 重金属元素相关性系数

注：**表示相关系数在0.01水平上显著；*表示相关系数在0.05水平上显著。

4 土壤重金属污染空间分布

4.1 区域分布差异

对潍坊市辖4区6市2县分别进行统计，可以发现土壤重金属在区域间分布的差异。从图3—4中可看出，各重金属元素在不同区域内存在着差异，其中最为明显的为Cd，Cu，Hg。Cd在安丘市分布最多，Cu在临朐县分布较多，Hg在市辖区、青州市和高密市分布较多。

注：a 市辖区寒亭; b青州市; c诸城市； d寿光市; e安丘市; f高密市; g昌邑市； h临朐县; i昌乐县。下同。图3 潍坊市不同区域土壤As，Cd，Cr，Cu污染指数

图4 潍坊市辖4区6市2县不同区域土壤Hg，Ni、，Pb，、Zn污染指数变化

4.2 空间分布

目前，GIS软件被广泛应用于空间分布研究[9-10]。潍坊市土壤重金属的分布存在着差异，为探究其空间分布上的特点与规律，以235个采样点为对象，进行空间分布研究。半方差函数是以区域化变量理论为基础建立起来的最基本的函数，也是地统计学中分析变量空间结构的重要工具，它可反映变量的空间自相关性。采用半方差函数描述重金属的空间变异特征，结果显示8种重金属的半方差函数理论模型均很好地符合高斯模型。本研究在ArcGIS 8.3软件的SpatialAnalyst模块中，采用无偏最佳估值的普通克立格插值法(Ordinary Kriging)，以高斯模型对235个样点的地质累积指数进行空间插值，由根据插值结果制作污染指数的空间分布图分析可知，潍坊市土壤中重金属As，Cu，Cr，Ni在空间上的分布趋势相似，出现了明显的渐变过程，以青州、昌乐等为中心的潍坊西部地区分布较多。Cd的分布则主要集中在潍坊东部地区；Pb在东、西部地区分布较多，而在中部地区分布较少；其他重金属的分布无明显规律。

5 讨论与结果

(1) 潍坊市大部分地区土壤重金属未产生污染，总体平均污染程度较低，但在某些地区镍的污染等级达到3级，为中污染至强污染级别，应加强治理。8种重金属污染程度依次为：汞>镍>锌>铬>铅>镉>铜>砷，今后应对汞予以充分重视。

(2) 潍坊市土壤中，Cd，Ni，Pb，Hg的含量随土壤质地而产生差异。其中，砂土与黏土中重金属元素含量差别很大。与Hg的情况相反，Cd，Ni，Pb易在砂土中富集。

(3) 潍坊市土壤中8种重金属元素浓度与土壤pH值相关性较差；Hg的浓度与土壤有机质有着非常显著的正相关性；Cd与Hg，Zn，Cr与Cu，Ni，Cu与Ni，Zn，Ni与Zn均存在着高度的相关性。潍坊市土壤中的Ni污染存在着复合现象，初步认为与土壤的使用耕作方式不同有关。

(4) 从各行政区域看，各重金属元素在不同区域内存在着差异，其中最为明显的为Cd，Cu，Hg。Cd在安丘市分布最多，Cu在临朐县分布较多，Hg在市辖区、青州市和高密市分布较多，Cd的分布则主要集中在潍坊东部地区，Pb在东西部分布较多，其他重金属的分布则呈零星分布。

(5) 从空间分布插值图看，As，Cu，Cr，Ni的分布出现了明显的渐变过程，在潍坊市西部分分布较多，东部较少。Cd的分布则主要集中在潍坊东部地区；Pb在东、西部地区分布较多，而在中部地区分布较少；其他重金属的分布无明显规律。

(6) 结合重金属相关性分析与空间分布图可以发现，Cu，Cr，Ni之间相关性较高，且同时在空间的分布规律极为相似，浓度较高地区主要有两部分，其一位于青州—临朐—昌乐交界处，其二位于安丘—诸城交界处。经过土壤重金属元素与土壤质地、理化性质的相关性分析，仅Ni与土壤质地有较大的相关性，Cu，Cr均不会随土壤质地和理化性质而有所变化。因此认为，潍坊市Cu，Cr，Ni的分布受人类活动影响较大，具体的原因仍需进一步研究。潍坊市各县市交界处的环境管理工作需要得到加强。

总的来看，潍坊市部分土壤目前受到重金属的污染，但污染程度较低。需重点治理的是Ni的污染。各县市污染水平相似，不存在特别明显的重污染地带。Cu，Cr，Ni分布的规律表明县市交界处的环境管理工作需要得到进一步加强。潍坊市为国家重要的蔬菜生产基地，良好的土壤环境为优质的蔬菜生产提供了保证。

[1] 宋伟,陈百明,刘琳.中国耕地土壤重金属污染概况[J].水土保持研究,2013,20(2):293-298.

[2] 吕建树,张祖陆,刘洋,等.日照市土壤重金属来源解析及环境风险评价[J].地理学报,2012,67(7):971-984.

[3] 戴彬,吕建树,战金成,等.山东省典型工业城市土壤重金属来源、空间分布及潜在生态风险评价[J].环境科学,2015(2):507-515.

[4] 刘衍君,汤庆新,张保华,等.基于ArcGIS的聊城市耕地土壤重金属污染现状与评价[J].山东农业大学学报：自然科学版,2009,40(4):567-571.

[5] Förstner U, Ahlf W, Calmano W, et al. Sediment criteria development: Contributions from environmental geochemistry to water quality management[C]∥ Heling D, Rothe P, Forstner U,et al. Sediments and environmental geochemistry: Selected aspects and case histories. Belin, Heidelberg: Springer-Verlag, 1990:311-338.

[6] Martin C W. Heavy metal trends in floodplain sediments and valley fill, River Lahn,Germany[J]. Catena, 2000, 39(1):53-68.

[7] 谭婷,王昌全,李冰,等.成都平原土壤铅污染及其评价[J].长江流域资源与环境,2005,14(1):71-75.

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[9] 陈峰,尹春芹,蒋新,等.基于GIS的南京市典型蔬菜基地土壤重金属污染现状与评价[J].中国环境监测,2008,24(2):40-44.

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A Stydy on Distribution of Soil Heavy Metal Pollution in Weifang City Based on Geography Information System

LIU Yanjun, ZHANG Baohua, LIU Ziting, ZHANG Hongyuan, LI Mengru, CAO Jianrong

(CollegeofEnvironmentandPlanning,LiaochengUniversity,Liaocheng，Shandong252059,China)

[Objective] The concentration and distribution of heavy metal pollution in Weifang City were studied in order to guide the agricultural production. [Methods] As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb and Zn in 235 soil samples were monitored in Weifang City. And the geo-accumulation index of heavy metal pollution in different soil types were calculated.[Results] Results showed that the polluted degree of all heavy metals was different. Its average order was: Hg>Ni>Zn>Cr>Pb>Cd>Cu>As. The geo-accumulation index of Ni was the highest in some regions. Soil organic matter were related with some heavy metals, but pH was not connected with all heavy metals. There existed obvious combined pollution of Ni. Cu，Cr，Ni mainly concentrated in two borders, one of which was the border of Qingzhou, Linqu and Changle area, and the other was on the border of Anqiu and Zhucheng area.[Conclusion] The distribution of heavy metal pollution in soil was associated with human activities, the environmental management of the administrant region boundary should be strengthened.

geography information system； soil metals； geoaccumulation index； relevance； distribution

2016-03-16

2016-06-06

国家重点基础科学研究发展规划(973)项目“我国典型海岸带对气候变化响应机制及脆弱性评估研究”(2010CB951200); 国家海洋公益专项(2011418020); 山东省科技攻关计划(2012GHY11518); 山东省自然科学基金(2014ZRB01432； ZR2010DL008； Y2008E27); 山东省高等学校科技计划项目(J11LE54； J15LH09)； 国家大学生创新训练计划项目(201510447011)； 聊城大学博士启动基金项目

刘衍君(1979—),女(汉族),山东省文登市人,硕士,副教授,主要从事土壤重金属污染与机理方面的研究。E-mail:liuyanjun@lcu.edu.cn。

曹建荣(1977—),男(汉族),山东省安丘市人,博士,讲师,主要从事海水入侵与土壤盐渍化方面的研究。E-mail:caojianrong@lcu.edu.cn。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.025

B

1000-288X(2016)06-0150-05

X53, X171

文献参数： 刘衍君, 张保华, 刘子亭, 等.基于ArcGIS的潍坊市土壤重金属污染现状与空间分布研究[J].水土保持通报，2016,36(6)：150-154.