岷江下游五通桥区土壤重金属pb污染的空间分布格局

岷江下游五通桥区土壤重金属pb污染的空间分布格局

0土壤重金属污染研究土壤重金属污染是生态环境的一项重要研究内容，其中pb是土壤中最常见、最严重的污染之一。根据研究，我国土壤pb污染严重。上海、南京、重庆等大城市土壤pb污染突出。在一些地区，每克重土壤pb的含量达到1000g，远远超过了土壤环境的负荷，严重影响了人们的生存和健康。在这方面，许多科学家从不同角度分析和研究了土壤pb污染。例如，一些科学家从环境地球化学的角度研究了长江水系沉积物pb等重金属含量的空间分布特征。更多的科学家从污染特性和食品安全的角度研究了土壤pb等重金属污染。此外，一些科学家还利用工程措施、农业措施、化工改良措施和生物措施来控制和修复土壤pb污染。四川五通桥区是岷江流域传统的轻工业基地和国家级可持续发展试验区,长期的工业生产和密集的交通网产生了大量污染物质,对土壤环境造成巨大的压力,亟待深入研究和恢复.本研究拟在该流域范围内以地质统计原理和GIS技术手段分析该区土壤Pb的空间自相关特征,以定量化和可视化的方式研究其污染分布格局,并对污染格局和迁移特征进行初步讨论.1研究区域和数据采集1.1a.条件分析研究地五通桥区(E103°39′45″～103°56′48″,N29°17′29″～29°31′30″,海拔331～735m)是国家级可持续发展实验区,位于四川盆地西部和岷江下游地区,地处川西南四川盆地平原与丘陵结合部,幅员面积464.8km2.根据调查,该区地势南高北低,岷江由北向南纵贯全境,东西两侧为丘陵、低山区,以台状丘陵为主,少部分低山,中部沿岷江两岸为平坝区,形成东西两侧向中部——岷江倾斜的地形特征.该区是四川省重要的工业基地、中国西部重要的化工城和原国家轻工部的十大工业原料基地之一.众多盐磷化工、农畜产品加工、机电产品加工企业沿岷江两岸分布,西侧丘陵区石麟镇同时分布有大量煤矿开采企业;中西部河漫滩冲积土因土地肥沃,水量充沛,成为集中的农业生产区,土地耕作系数高,为主要的蔬菜和粮食产区.1.2采样点样点的确定按地统计分析原理,以系统随机采样方式分两次进行采样.第一次采样于2006年3月进行,以乡镇为基本采样单元,每个乡镇随机确定3～6个采样点;第二次于2006年10月进行,对第一次采样中空间距离较大的两样点之间补充样点,最终确定样点93个,详细分布图见图1.相邻采样点最近距离为460m,每个采样点多点混合法采样(同一地点采3～5个样品,就地混合为一个样品),土壤深度为0～20cm耕层,四分法保留混合样1kg备用;所有样点GPS定位,样品贴好标签带回实验室备用.样品经自然风干,拣出石块和植物残根,用玛瑙研钵研碎,过100目尼龙筛,装袋备用.样品以HNO3-HClO4-HF三酸消解,TAS-986型原子吸收分光光度计测总Pb量,共获得93个土壤样品Pb含量数据.2结果分析2.1土壤pb含量分布统计显示,本次研究的原始数据呈现明显的右偏特征(图2),偏度系数1.59、峰度系数2.34.对原始数据作对数转化后则服从较规则的正态分布特征(图3),这表示五通桥区土壤Pb含量c服从对数正态分布特征.根据统计学原理,采用原始数据的几何平均值可较好的代表该区的土壤Pb含量,因此,如表1所示,该区每克重土壤Pb含量代表值表示为(33.29±17.23)μg,变异系数为47.28%.因缺乏历史资料和研究区域内土壤Pb背景含量研究,本次研究以四川土壤Pb背景值为参比资料,结果显示研究区土壤Pb较背景值平均增加了14.88%.其中有26.9%的样品含量超过了土壤环境质量标准一级标准(每克重土壤35μg),较高的变异系数(47.28%)表示土壤Pb含量分布存在明显的地域差异,说明部分地区土壤受到了一定的人为污染.2.2半方差函数式一般情况下,土壤化学元素变量,尤其是Pb等微量重金属元素的含量基本来源于地球化学自然成土过程,在空间相互作用过程与空间扩散过程的作用下,不同位置的取值相互不完全独立,具有一定的关联特征,即空间自相关性(spatialautocorrelation).同时,由于土壤并非一个匀质体,具有高度的空间异质性,这些变量又具有随机性和不确定性,因此具有明显的区域化变量特征.半变异函数(semi-variance)可为研究元素的迁移分布规律提供依据.半变异函数表达式为: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该式亦称为半方差函数,式中,γ(h)即为半方差;N(h)是以h为间距的所有观测点的成对数目,若取样点有n个,则N(h)=n-1;h为两样本点的空间分隔距离,描述h和γ(h)之间关系的图被称为变差图.在本文中Z(xi)和Z(xi+h)分别表示地点xi和(xi+h)处土壤Pb的含量水平,以h为横坐标,γ(h)为纵坐标,用散点图的形式表示变异函数的计算结果,即变异函数散点图(variogramplot).采用地统计软件(GS+Version7)以不同类型模型对研究区内土壤Pb含量的变异函数散点图进行拟合,拟合度最好(曲线判别系数r2值最大)的为曲线模型,见图4.该图表示了研究区域土壤的空间结构,图中3个重要参数块金值(C0)、范围值(C)、基台值(C0+C)分别为65.4,231.8,297.2.其中,块金值达到了65.4,表示存在污染和其他人为活动干扰了土壤Pb含量小尺度的空间自相关性.C/(C+C0)表示空间自相关部分占空间总变异的程度,在自然状态具有较为规则的分布特征和较高的空间自相关性时,其值一般较高;而在人为污染情况下富集后,随机因素增加,其值会有一定程度的降低.本次研究的C/(C+C0)值为0.78,表示由结构因素引起的空间变异性占总变异程度的78%,说明数据小尺度的随机性并没有掩盖数据的结构性,研究区内土壤Pb含量仍具有较高强度的空间自相关特征.基台值(C0+C)表示区域化变量变异函数的最大取值,变异函数处于基台值时的距离A0为5940,表示该区土壤Pb的自相关距离为5940m.不同方向的半变异性拟合参数表示数据的空间自相关性具有一定的各向异性.西北-东南(方位角145°)方向的空间自相关性最高,西南-东北方向(方位角35°)的空间自相关程度相对较低.这说明,从总体上来讲,研究区内Pb元素在西北-东南方向迁移趋势强于西南-东北方向.图5展示了方位角35°(图5a)和145°(图5b)的变异函数散点及其理论模型.东南-西北方向的自相关距离为10km左右,而西南-东北方向的自相关距离12km左右,结合图1可初步认为Pb元素在沿岷江方向的迁移趋势强于其他方向.2.3研究的基本理论模型和方法Kriging插值法是对未采样点的区域化变量进行无偏最优的一种插值方法,是地统计学用于揭示区域化变量空间格局分布特征的重要工具,它以等值线和趋势面的形式反应变量的空间特征,目前已经被大量学者广泛运用.但有学者认为,在人为影响和污染的情况下,土壤重金属的空间变异性明显增加,分布不规则时,会导致拟合模型中的块金系数很大,如果纯块金效应发生,那么Kriging估值就会变成样品数据的简单数学平均,由此得到的等值线图也失去了意义.所以,Kriging插值需要建立在数据稳健和对称的基础之上.根据上文所述,本次研究的原始数据满足对数正态分布特征,在土壤Pb含量进行Kriging插值时,对原始数据进行对数转化即可满足要求,能有效避免比例效应的产生.对于一个插值精确的模型,其均差应接近于0,均方根误差和平均标准差应尽可能小,并且均方根标准误差应接近于1.根据半变异函数的理论模型和拟合参数,利用地理信息系统软件ArcMap9.2的地统计分析扩展模块(GeostatisticalAnalyst)对原始数据进行对数转化后,在指数模型参数下对研究区内土壤Pb含量空间分布进行Kriging插值运算,各误差项(见表2)说明本次研究的Kriging插值具有较高的精确度.结合研究区域的交通路线图、重点工业区和江河走向等地理要素绘制出五通桥区土壤Pb含量空间分布见图6.图6反映了研究区内土壤Pb的含量分布特征,该区土壤Pb含量呈现出带状分布特征.Pb污染严重区域主要集中在岷江下游工业区的金粟镇,其每克重土壤Pb含量含量达到70μg,北缘冠英镇存在一个Pb含量异常偏高带,东西两侧大部分地区和粮食产区的冠英镇、西坝镇每克重土壤Pb含量则较低,含量普遍小于35μg,低于土壤环境质量一级标准,属于农业安全用地范畴.从整个区域来看,土壤Pb的污染分布与交通路线和工业园区的分布不具有明显的关联特征,显著的特征是沿岷江两岸普遍偏高,向东西两侧逐渐递减,污染带的走向与空间自相关性最高方向(西北-东南)一致.3土壤重金属污染分布格局根据有关学者的研究,我国部分地区的重金属污染区和矿山开采冶炼区土壤Pb的污染特别严重.本次研究表明,尽管五通桥区是典型的工业基地和人口稠密区以及交通枢纽地带,其每克重土壤Pb的平均值仅为33.29μg,样品的最高观测值为95.96μg,较背景值虽然增加了14.88%,但所有样品含量值和平均值均未超出国家土壤环境质量二级标准.就土壤Pb含量而言,其土壤环境质量在安全范围.通常认为,交通运输业容易造成公路沿线区域土壤Pb的严重积累,大量研究证实因汽车尾气的排放公路沿线两侧的土壤Pb含量明显高于其他地区,会沿公路两侧形成一个线性污染带,但污染距离主要集中在30～50m以内,向外逐渐递减,100m以外则趋与平稳.本次研究的Pb分布图(图6)显示了中尺度范围内土壤Pb污染与公路网无明显关联特征,说明在研究区内交通运输业造成的Pb污染不足以对土壤Pb含量在中尺度范围内的分布格局造成显著的影响.同时,该趋势图明显地反映出土壤Pb污染带主要沿岷江两岸分布,在岷江的地理方向上有最大的空间自相关特征.这可能有两个原因:①沿江两岸是经济发达区域,工农业生产和人类活动频繁,对土壤环境的扰动和污染较大,Pb等重金属的污染源和潜在污染源众多;②江河淤泥和沉积物本身就是是重金属的重要载体,沿江两岸会因河水的沉积作用积累较多Pb.本次研究发现五通桥区北缘农业区附近与乐山市中区交界带土壤Pb含量异常偏高.经调查,该区域与乐山市高新区车子镇接壤,是乐山城市近域的扩散,其时空环境是既不同于典型的城市、又异于农村的过渡地带,具有明显的城乡结合部特征.这些地区承担着为城市提供农副产品、土地和劳动力的功能,并且是城市垃圾等污染物质的受纳点