黃革勤 張培佩 張小紅

（1.新蔡縣自然資源局，河南 新蔡 463500；2.河南省測繪工程院，河南 鄭州 450003）

0 引言

對于土壤重金屬污染來源的研究源于1950年代左右，當時日本出現(xiàn)了引發(fā)世界矚目的“水俁病”事件。此后，土壤重金屬污染問題逐漸得到重視。土壤重金屬污染來源主要分為受自身成土性質影響的內源污染、受人類活動和外界自然環(huán)境影響的外源污染。土壤重金屬內源污染受成土母巖、氣候和成土過程影響，不同的成土母巖和發(fā)育環(huán)境會形成不同性質的土壤，土壤重金屬外源污染則受污水灌溉、工礦企業(yè)污染、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和交通等一系列復雜因素的影響[1]。近幾十年來，我國各項事業(yè)取得了巨大發(fā)展，與此同時，隨著環(huán)境的惡化，耕地土壤環(huán)境質量尤為堪憂[2]。生活廢水、工業(yè)排放、采礦冶金、大氣沉降、農(nóng)業(yè)化肥等都會導致不同程度的土壤污染[3]。土壤重金屬污染因具有穩(wěn)定性、不可逆性、隱形危害等特點而成為土壤污染修復治理的重點[4]。本文以欒川縣石廟鎮(zhèn)為研究區(qū)域，因該區(qū)數(shù)據(jù)源充足，農(nóng)用地土壤對生產(chǎn)生活意義重大，且臨近礦區(qū)，對其進行土壤重金屬研究具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

欒川縣位于河南省西部、洛陽市西南部、伊河上游，居于111°11′～112°01′E ，33°39′～34°11′N，與洛陽市嵩縣、西峽縣、盧氏縣和洛寧縣接壤，總面積約2185 km2。由南至北分別為伏牛山脈和熊耳山脈，中部有伏牛山的分支遏遇嶺綿延其中，將該縣分為伊河和小河兩大流域。欒川縣東面為伏牛山的另一分支楊山，因而形成了自南向北走向的明白河流域；西面為熊耳山的分支抱犢山，形成了淯河流域。石廟鎮(zhèn)位于欒川縣城西部，東面與欒川縣相接，西面與陶灣鎮(zhèn)緊鄰，全鎮(zhèn)共有10個行政村，總面積約96 km2，自然地貌為東西一道川（伊河川）、南北兩條溝（七姑溝、石寶溝），伊河橫穿其間。研究區(qū)范圍如圖1所示。

圖1 研究區(qū)范圍

1.2 樣品的采集與測定

根據(jù)研究區(qū)農(nóng)用地土壤分布特點，在自然分割出的農(nóng)用地塊中篩選出調查采樣區(qū)，每個采樣區(qū)由單個農(nóng)用地塊或多個農(nóng)用地塊組成，采樣區(qū)的選點布設充分考慮地面形態(tài)、地表徑流、水文地質條件等因素。土壤樣品采樣區(qū)設置為30m×30m采樣單元。土壤樣品共采集表層土壤樣品265個，其中石寶溝主溝230個、銀洞溝24個、倒回溝11個。所有土壤樣品鎘（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鎳（Ni）的測定均由具有CMA認證（中國計量認證）的實驗室進行測定。

1.3 分析方法

（1）趨勢面分析是利用數(shù)學中的曲面模擬地理空間數(shù)據(jù)在研究區(qū)內的分布和變化趨勢的一種方法，其本質是運用回歸分析的方法，采取最小二乘法擬合二維非線性函數(shù)。趨勢面分析將平面中的點轉換為三維立體中的點，以三維立體點的具體位置擬合一條曲面，若該曲線存在且明顯，則表明存在全局趨勢，需要去除全局趨勢，從而進行分異過程的研究[5]。

克里金插值由Krige于1966年提出，建立在半變異函數(shù)理論基礎上，是對一定空間內的區(qū)域化變量進行線性無偏最優(yōu)估計的方法[6]?？臻g插值包含幾個過程：收集空間已知點數(shù)據(jù)；分析收集到的空間數(shù)據(jù)，從多個角度進行統(tǒng)計學分析，研究其規(guī)律性，分析空間相關性 ；進行插值計算；最后分析和評價插值結果。

2 結果與分析

2.1 土壤重金屬趨勢面分析

趨勢面分析是基于采樣點數(shù)據(jù)對研究區(qū)域進行全局建模的技術方法，將平面上的二維點轉換為空間內的三維點，依據(jù)三維點數(shù)據(jù)擬合一條曲線，如圖2至圖9中的藍線和綠線，采樣點投影到東西向（X軸）和南北向（Y軸）的正交平面上，通過投影點擬合一條最佳曲線，并通過該曲線模擬該方向上土壤重金屬含量的趨勢，直線表示該土壤重金屬元素沒有趨勢存在，曲線表示有趨勢存在。利用ArcGIS10.2軟件，采用趨勢面分析方法，研究土壤重金屬元素在三維空間上的變化趨勢。

圖2 Cd趨勢分析圖

圖3 Hg趨勢分析圖

圖4 As趨勢分析圖

圖5 Pb趨勢分析圖

圖6 Cr趨勢分析圖

圖7 Cu趨勢分析圖

圖8 Zn趨勢分析圖

圖9 Ni趨勢分析圖

綠線表示X軸東西方向的土壤重金屬含量，藍線表示Y軸南北方向的土壤重金屬含量。從趨勢分析圖可以看出，土壤重金屬元素Cd在東西方向兩邊高、中間低，南北方向幾乎呈一條直線；重金屬元素Hg在東西方向東高西低，南北方向南高北低；重金屬元素As在東西方向和南北方向均呈一條直線；重金屬元素Pb在東西方向和南北方向均呈一條直線；重金屬元素Cr在東西方向和南北方向均存在明顯趨勢，東西方向兩邊低、中間高，南北方向兩邊高、中間低；重金屬元素Cu在東西方向和南北方向均呈一條直線；重金屬元素Zn在東西方向和南北方向均呈一條直線；重金屬元素Ni在東西方向和南北方向均存在明顯趨勢，東西方向兩邊低、中間高，南北方向北邊高、南邊低。

2.2 土壤重金屬空間分布特征

利用克里金插值方法對研究區(qū)內石寶溝、銀洞溝和倒回溝土壤重金屬元素Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni進行插值。從插值結果主要得出研究區(qū)土壤重金屬Cd高值區(qū)主要分布于銀洞溝，在石寶溝南部有部分高值區(qū)，倒回溝Cd含量最低；土壤重金屬Hg沿石寶溝分布較多，高值區(qū)集中在石寶溝南部；土壤重金屬As多位于銀洞溝；土壤重金屬Pb分布較廣泛，石寶溝自北向南和銀洞溝全域皆存在較多的Pb，與這一地帶鉛鋅礦開采有密切聯(lián)系；土壤重金屬Cr高值區(qū)分布于石寶溝北部，Cr元素的分布與人類活動分布密切 ；土壤重金屬Cu在研究區(qū)內較少，含量均不高，僅石寶溝中部出現(xiàn)中低值區(qū)；土壤重金屬Zn在銀洞溝、石寶溝南部分布較多，這也是工礦企業(yè)分布的地方，與礦業(yè)活動密切聯(lián)系；土壤重金屬Ni在石寶溝北部分布較多，該區(qū)域居民較多，與人類活動關系密切。

2.3 土壤重金屬與高程的關系

欒川縣石廟鎮(zhèn)的高程位于700～1100m，不同高程處具有不同的土壤重金屬含量，重金屬的分布與高程關系較為緊密，為直觀展示高程因素對8種土壤重金屬Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn和Ni的影響，制作了散點圖，它們與高程的關系如圖10至圖17所示。

圖10 Hg的含量分布與高程關系

圖11 Cd的含量分布與高程關系

圖12 Pb的含量分布與高程關系

圖13 As的含量分布與高程關系

圖14 Cu的含量分布與高程關系

圖15 Cr的含量分布與高程關系

圖16 Ni的含量分布與高程關系

圖17 Zn的含量分布與高程關系

3 結論與建議

3.1 結論

通過GIS技術對石廟鎮(zhèn)農(nóng)用地進行土壤重金屬污染調查，得出結論：（1）利用ArcGIS10.2軟件對土壤重金屬含量進行了趨勢面分析，由趨勢面分析結果可知，除Cr和Ni之外，其余重金屬元素趨勢均不明顯。（2）采用普通克里金方法對研究區(qū)內的石寶溝、銀洞溝和倒回溝進行了空間插值，可以得出重金屬分布的具體空間位置，通過空間位置分析可以得出農(nóng)用地土壤重金屬污染與礦業(yè)活動、人類活動關系密切。（3）利用DEM數(shù)據(jù)分析了研究區(qū)內的高程對土壤重金屬含量的分布影響。高程方面，重金屬Hg的含量隨著高程的升高而逐漸減少，Cu的含量分布較為均勻，在900～1000m高程之間，Cr和Ni的分布較為連續(xù)。

3.2 建議

利用GIS技術分析農(nóng)用地土壤重金屬污染，農(nóng)用地土壤中重金屬的濃度和礦業(yè)開發(fā)活動關系密切。在農(nóng)用地土壤重金屬管控和監(jiān)測方面，有如下建議：

（1）相關部門應加強礦山企業(yè)的監(jiān)管，雖然礦山企業(yè)可極大地促進社會經(jīng)濟發(fā)展，為建筑業(yè)及其他領域提供豐富的原材料，但礦山企業(yè)對環(huán)境的污染亦是巨大的，其產(chǎn)生的重金屬加劇了農(nóng)用地土壤污染，因此應嚴格執(zhí)行尾礦排放標準，規(guī)范礦山生產(chǎn)活動。

（2）定期對農(nóng)用地土壤重金屬進行監(jiān)測，農(nóng)用地是農(nóng)作物生長的基礎，受污染農(nóng)用地種植出的農(nóng)作物存在很大的食用安全風險，給人們的生命健康造成了巨大隱患。同時也應加強農(nóng)作物的監(jiān)管和監(jiān)測，確保農(nóng)作物安全。

（3）加大宣傳教育，規(guī)范農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，不良的客土改造、污泥肥田應及時糾正，不合格的化肥、農(nóng)藥等田間管理應及時淘汰，從源頭上對農(nóng)業(yè)活動進行規(guī)范，加大農(nóng)田管理和建設，用生態(tài)模式培育作物，減少對土壤環(huán)境的污染。