張善紅+李堆淑

摘要 土壤重金屬污染問題是當今學術(shù)界、政府和公眾廣泛關(guān)注的問題之一。本文總結(jié)了GIS在土壤重金屬污染評價中制作環(huán)境質(zhì)量專題圖、空間分析重金屬污染、指導土壤采樣方案以及管理土壤數(shù)據(jù)庫等方面的應用，并預測了GIS在土壤重金屬污染評價應用方面的發(fā)展趨勢，以供相關(guān)人員參考。

關(guān)鍵詞 重金屬；GIS；污染評價；研究進展

中圖分類號 X825 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）22-0151-01

重金屬是一類典型的環(huán)境污染物，土壤重金屬污染具有危害周期長、范圍廣、毒性大、生物難降解、污染隱蔽等特點[1]。在自然條件下，除了部分土壤的重金屬含量較高之外，一般土壤中有害重金屬含量都小于構(gòu)成污染的臨界值。但由于受人類生產(chǎn)活動的影響，土壤污染加重。加上近幾十年城市化、工業(yè)化的發(fā)展，土壤中重金屬污染物含量不斷提高，土壤污染問題越來越突出，重金屬污染問題已引起學術(shù)界、政府和公眾的廣泛關(guān)注[2]。

地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)具有強大的空間分析功能，集空間數(shù)據(jù)的采集、分析、管理、可視化輸出為一體[3]，可在可視化的環(huán)境下對土壤重金屬含量空間分布進行研究[4]?；贕IS的土壤重金屬研究，一般利用GIS軟件的計算和圖形顯示功能。利用克里格等插值方法，將采樣點得到的點源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成面源數(shù)據(jù)[5]，同時將土壤圖數(shù)字化后建立起相應的空間與屬性的數(shù)據(jù)庫，從而繪制出土壤重金屬空間分布圖、重金屬污染評價圖等。該方法可以重構(gòu)土壤重金屬的空間分布，實現(xiàn)土壤重金屬污染的可視化；利用GIS技術(shù)的空間分析功能，可以判斷土壤重金屬的空間分布特征及其與周圍環(huán)境之間的相關(guān)關(guān)系，有助于查明土壤環(huán)境質(zhì)量在區(qū)域空間內(nèi)的變化結(jié)果、原因及趨勢，為研究者或政府提供一個客觀、準確的分析依據(jù)。本文從以下4個方面介紹GIS在土壤重金屬污染評價中的應用。

1 制作環(huán)境質(zhì)量專題圖

GIS的基本功能是制圖，即根據(jù)已知點狀數(shù)據(jù)的屬性，利用不同的空間插值方法繪制等值線圖和空間分布圖，并按照不同的數(shù)值范圍進行設(shè)色，更加直觀、形象地反映土壤重金屬污染的空間分布特點。目前，使用GIS中的克里格插值法制圖展示重金屬在土壤中的空間分布已經(jīng)被廣泛應用[6]。郝麗虹等[7]運用克里格插值方法中的普通插值法，對海南島農(nóng)用地中的Hg、Cd、Cr、Pb、As 5種重金屬含量空間分布進行可視化處理，研究結(jié)果表明海南島工業(yè)區(qū)外源性重金屬污染最為嚴重；王曉輝等[8]采用普通克里格和析取克里格插值方法制作了淮南一礦區(qū)的重金屬空間分布圖，結(jié)果表明第1類元素的超標部分主要位于2個重礦區(qū)，第2類元素超標部分位于老城區(qū)；李春芳等[9]基于GIS空間插值相結(jié)合的方法研究了龍口市9種重金屬的空間結(jié)構(gòu)和分布特征；劉曉雙[10]運用GIS中普通克里格方法和綜合指數(shù)法研究了云浮硫鐵礦區(qū)6種重金屬的空間分布狀況以及污染狀況評價圖；王學軍等[11]分析了北京東郊污灌區(qū)農(nóng)用土壤表層重金屬含量，并制作了Cu、Zn、Cr、Pb 4種重金屬含量的三維空間分布圖及污染評價指數(shù)分級圖。

除了制作土壤重金屬的空間分布圖、污染評價圖外，也有很多學者基于GIS將土地利用圖、地形圖及相關(guān)地理底圖與專題地圖進行比較分析，用于揭示重金屬的空間分布與周圍地理環(huán)境的相關(guān)關(guān)系。如Simasuwannarong B等[12]將土壤重金屬空間分布圖與工廠分布、交通線路分布、農(nóng)業(yè)用地等地理底圖進行分析比較，揭示農(nóng)業(yè)用地重金屬污染與工廠廢物排放、汽車尾氣排放的相關(guān)關(guān)系；蔣詩泉等[13]將地貌特征圖與重金屬空間分布圖相結(jié)合制作了三維地貌上重金屬的空間分布，更精確地探究重金屬污染的原因。

克里格插值方法通常是將有限的點源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成面源數(shù)據(jù)，為土壤重金屬的空間分布預測提供了一種線性、無偏、最優(yōu)估值，反映土壤污染物的二維分布情況。但克里格插值方法受到變異函數(shù)、待估樣點的幾何性質(zhì)、已知樣點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等的影響，此外還要求使用該方法的數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布，且數(shù)據(jù)之間具有一定的相關(guān)性。由于重金屬空間差異性受人為影響較大，如汽車尾氣排放、工廠“三廢”排放、垃圾填埋場位置等，因而利用該方法做出的重金屬空間分布圖容易模糊重金屬污染污染區(qū)域的邊界，將污染變異區(qū)域擴大化。近年來，GIS與數(shù)學模型的集成在土壤重金屬污染評價中已相當普遍，并成為重金屬污染評價的一個新趨勢，如模糊數(shù)學、序貫高斯、回歸模型、高精度曲面建模等，這些方法考慮因素越來越多，使評價更加靈活、客觀。

2 進行土壤重金屬污染空間分析

利用GIS的疊加分析、緩沖區(qū)分析、數(shù)字地形分析等空間分析功能，將土壤重金屬污染的數(shù)據(jù)與研究區(qū)的其他背景數(shù)據(jù)進行疊加，從而產(chǎn)生新的不同屬性數(shù)據(jù)，且這些數(shù)據(jù)綜合了原來多個要素的性質(zhì)，能更好地反映土壤污染與周圍環(huán)境以及各種因素之間的關(guān)系。例如趙彥鋒等[14]將工廠分布圖、鎮(zhèn)區(qū)緩沖圖與重金屬空間分布圖進行疊加，得到土壤Pb含量隨與城鎮(zhèn)距離的增加呈持續(xù)下降趨勢，土壤Cu、Zn、Cd含量隨與工廠距離的增加呈下降趨勢，但土壤重金屬含量與距離公路的遠近、土地利用類型的關(guān)系不明顯；史文嬌等[15]將雙城市空間分布圖與工廠、道路、城鎮(zhèn)、土壤類型、土壤理化性質(zhì)、高程等數(shù)據(jù)進行疊加，分析重金屬空間分異的原因；謝小進[16]將土壤空間分布圖與不同類型工業(yè)區(qū)、不同級別公路緩沖區(qū)進行疊加，分析重金屬污染的原因。

3 指導土壤采樣方案

采集方案（采集的數(shù)目和密度）對GIS制作重金屬空間分布圖質(zhì)量有很大影響。一個理想的采集方案包括合理的采集布點方法與合適的采集密度[17]。較低的采集樣點密度會降低空間結(jié)構(gòu)的描述能力，增加預測誤差。因此，采集樣點越多，重金屬空間分布圖就越準確。克里格插值方法至少需要50～100個采樣點才能獲得穩(wěn)定的半方差函數(shù)[18]，才能更加準確地描繪空間結(jié)構(gòu)；有的學者建議至少100～150個采樣點才能建立一個平穩(wěn)的變異函數(shù)[19]，至少300個樣點才能分析各向異性[20]。此外，采集樣點的位置也會影響插值的準確性。采集樣點均勻分布可以更好地反映插值要素在空間上的分布，能更精確地建立半方差函數(shù)，提高空間分布圖的準確性。因此，為了最大限度地節(jié)約野外采集時間成本和室內(nèi)實驗分析成本，在保證精度的前提下，GIS可以指導土壤采集方案，減少采集樣點的個數(shù)。

4 土壤數(shù)據(jù)庫管理

長時間監(jiān)測以及大區(qū)域土壤重金屬污染研究需要建立專門的土壤數(shù)據(jù)庫，土壤數(shù)據(jù)庫是進行土壤環(huán)境質(zhì)量動態(tài)分析、監(jiān)測和評價的基礎(chǔ)。近些年有學者開始建立數(shù)據(jù)庫，并進行相應的研究。如李衛(wèi)江等[21]構(gòu)建了一個集采樣點監(jiān)測數(shù)據(jù)與元數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)為一體的上海市基本農(nóng)田土壤重金屬數(shù)據(jù)庫，對土壤環(huán)境的長期管理、農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)與管理提供重要數(shù)據(jù)依據(jù)。

5 結(jié)語

GIS在土壤重金屬污染評價中的應用主要集中在制作專題地圖、進行土壤重金屬污染空間分析、指導土壤采樣方案及土壤數(shù)據(jù)庫管理等。隨著GIS技術(shù)的普及以及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，在可視化環(huán)境下，從時空方面對土壤重金屬污染研究及土壤重金屬污染擴散研究是今后研究的重點。

6 參考文獻

[1] 顧濟滄，趙娟.云南省土壤重金屬污染現(xiàn)狀及治理技術(shù)研究[J].環(huán)境科學導刊，2010，29（5）：68-71.

[2] 周燕，李德志，宋云，等.崇明島土壤重金屬含量的空間分布及污染評價[J].華東師范大學學報（自然科學版），2009，5（5）：75-84.

[3] TAM N F Y，WONG Y S.Spatia lvariation of heavy metals insurface sediments of Hong Kong Mangrove swamps[J].Environrnental Pollution，2000，110（2）：195- 200.

[4] 劉慶，杜志勇，史衍璽，等.基于GIS的山東壽光蔬菜產(chǎn)地土壤重金屬空間分布特征[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2009，25（10）：258-263.

[5] 馮經(jīng)昆.西南山區(qū)某垃圾焚燒廠周邊土壤重金屬空間分布及其污染評價[D].桂林：廣西師范大學，2014.

[6] 陳峰，尹春芹，蔣新，等.基于GIS的南京市典型蔬菜基地土壤重金屬污染現(xiàn)狀與評價[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2008，24（2）：40-44.

[7] 郝麗虹，張東明，吳鵬飛，等.海南島農(nóng)用地土壤重金屬含量的空間分布[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報，2009，17（2）：203-234.

[8] 王曉輝，楊晨.基于GIS和地統(tǒng)計學的淮南礦區(qū)土壤重金屬含量與空間分布研究[J].長江流域資源與環(huán)境，2014，23（11）：60-65.

[9] 李春芳，王菲，曹文濤，等.龍口市污水灌溉區(qū)農(nóng)田重金屬來源、空間分布及污染評價[J].環(huán)境科學，2017，38（3）：1018-1027.

[10] 劉曉雙.基于GIS的云浮硫鐵礦周邊土壤中重金屬污染空間分布于污染評價研究[D].廣州：暨南大學，2010.

[11] 王學軍，席爽.北京東郊污灌土壤重金屬含量的克立格插值及重金屬污染評價[J].中國環(huán)境科學，1997，17（3）：225-228.

[12] SIMASUWANNARONG B，SATAPANAJARU T，KHUNTONG S，et al.Spatial distribution and risk assessment of As，Cd，Pb and Zn in Topsoil at Rayong Province，Thailand[J].Water Air Soil Pollut，2012（223）：1931-1943.

[13] 蔣詩泉，劉中俠，蔣詩平.基于綜合主成分模型的城市土壤重金屬空間分布與傳播特征研究[J].華東師范大學學報（自然科學版），2015（3）：136-145.

[14] 趙彥鋒，史學正，于東升，等.工業(yè)型城鄉(xiāng)交錯區(qū)農(nóng)業(yè)土壤Cu、Zn、Pb和Cd的空間分布及影響因素研究[J].土壤學報，2007，44（2）：227-234.

[15] 史文嬌，魏開，汪景寬，等.雙城市土壤重金屬空間分異及影響因子分析[J].水土保持學報，2007，21（1）：59-64.

[16] 謝小進.上海地區(qū)土壤重金屬空間分布特征及其成因分析[D].上海：上海師范大學，2010.

[17] 張軍，余江，陳文清.基于GIS的土壤重金屬污染評價研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2011，39（29）：18106-18107.

[18] WEBSTER R，OLIVER M A.Sample adequately to estimate variograms of soil properties[J].Journal of Soil Science，1992，43（1）：177-192.

[19] VOLTZ M，WEBSTER R.A comparison of Kriging，cubic splines and classification for predicting soil properties from sample information[J].European Journal of Soil Science，1990，41（3）：473-490.

[20] ROBINSON T P，METTERNICHT G.Testing the performance of spatial interpolation techniques for mapping soil properties[J].Computers and Electronics in Agriculture，2006，50（2）：97-108.

[21] 李衛(wèi)江，康建成，吳永興.基于GIS的土壤重金屬數(shù)據(jù)庫構(gòu)建及應用[J].測繪科學，2010，35（4）：184-186.