上海舟山鋼鐵集團附近土壤重金屬含量空間變異特征

作為城市和農村經濟活動的交叉運用，城市邊緣帶具有土地使用類型的多樣性、地表結構的復雜性和高度可變性，對保護、利用和管理該特殊領域的土壤資源具有較高的挑戰。一方面,城市邊緣帶作為城市生活與生產資料的“源”,其城郊型農業是鮮活農產品的重要來源;隨著加速發展的城市化、工業化進程,城市邊緣帶土壤資源快速萎縮、農業集約化程度不斷提高、土壤利用強度日益加大,農化產品的過量施用導致有害物質在土壤中積累的現象相當普遍。另一方面,城市邊緣帶也是城市及工業“三廢”物質排放的“匯”。因此,在來自工業、農業、交通以及城市生活多重環境壓力下,城市邊緣帶土壤健康質量明顯下降,土壤中持久性毒害物質明顯積累,城郊農產品品質以及對人體健康的危害受到廣泛關注。國內外對土壤質量的研究,大多集中于城市邊緣帶的蔬菜基地,很少有針對某一具體工業園區的土壤環境進行系統綜合的分析。本研究以位于南京江寧區的上海梅山鋼鐵集團所在地為研究區域,兼顧工業、農業以及水陸交通的影響,對不同利用形式下的土壤類型進行了采樣分析,重點闡述了該地區土壤重金屬含量及其空間分布特征,同時對土壤重金屬污染進行了評價并討論了重金屬污染源及污染物進入土壤環境的途徑及機制。以期對城市邊緣帶的土壤質量評價以及土地利用規劃提供基礎性指導。1溫度、地貌及分布研究區位于南京市江寧區境內,西臨長江,東臨板橋鎮,北近西善橋鎮,南靠江寧鎮;屬亞熱帶濕潤氣候,溫暖宜人,四季分明,雨量充沛,歷史上無風災、震災記錄。年平均溫度15.5℃,年平均風速3.5ms-1,年平均相對濕度76%,年日照時間4117h,年平均降水量1025mm,無霜期214d。全區地貌為沿江平原圩區,河流、水面分布較多;土壤發育于不同時期的長江沖積、淤積母質,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。土壤資源傳統利用形式以蔬菜和水稻種植為主,隨著快速發展的經濟建設研究區土地利用形式變化快速多樣,地表覆蓋結構也變得復雜。2樣品采集與分析2.1土壤樣品采集根據有關文字資料以及南京市最新行政區劃圖、南京市沿江開發區規劃圖,首先確定本研究采樣的大致目標范圍,進行實地考察;在綜合考慮研究區內地貌、土壤等自然因素以及工業區、居民區、集約農業、交通網絡等各種人為因素的基礎上,確定以梅山鋼鐵集團為中心,如圖1所示,按不同方向分A、B、C、D4個區域采樣,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區除了東北角部分樣點是蔬菜地,其他都是水稻土,C區內水域分布較廣;D區以蔬菜種植為主。面上樣點基本采用等距網格布置,同時結合1∶50000地形圖、1∶100000土壤圖及1∶5000航空照片,根據具體地形情況、土地利用與覆蓋狀況、土壤類型等進行微域調整,并最終在工作圖上標定采樣點位置。采樣過程中對布置樣點有略微調整,取樣點以GPS精確定位。共采集土壤樣品93個,平均樣點間距250m左右。樣品為表層土壤(0~20cm),每一個樣點以5m對角線采集5個點混勻,四分法取樣。2.2樣品的常規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。預處理采用陰涼通風處自然風干,剔除樣品中植物根系、有機殘渣以及可見侵入體,用木質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。土壤樣品常規理化性狀分析參照《土壤農業化學分析方法》。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。數據分析采用SPSS10.0軟件,地統計分析采用ArcGIS8.1等軟件。3環境質量指數法土壤污染評價標準分別以《國家土壤環境質量標準》二級標準1以及中國科學院南京土壤研究所標定的南京土壤背景值為參照標準,見表1。土壤污染評價方法采用目前國內外普遍采用的單因子指數法和內梅羅綜合指數法,a.單因子指數法Pi=Ci/Si式中,Pi為土壤中污染物i的環境質量指數;Ci為污染物i的實測濃度(mgkg-1);Si為污染物i的評價標準(mgkg-1)b.內梅羅綜合指數法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平均值;max(Pi)為土壤中各污染指數最大值。根據Pi值變幅,結合作物受害程度和污染物積累狀況劃分如表2所示土壤質量分級。4結果與討論4.1研究區表層土壤重金屬污染情況研究區93個土壤表層樣品重金屬含量測定結果,如表3所示。表3數據顯示,研究區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。變異系數反映了總體樣本中各采樣點的平均變異程度,該區域汞的變異系數最大,達到54.48%;而鉻的變異系數最小,為13.53%。7種重金屬的平均變異程度由大到小的順序為:汞、鎘、銅、砷、鉛、鋅、鉻。在來自全部93個樣點的土壤表層樣品中,土壤Hg含量有61.3%的樣點超過國家土壤二級標準,屬于輕污染;24.7%土壤樣點超過國家土壤二級標準的2倍,屬于中度污染;9.7%的土壤樣點超過國家土壤二級標準的3倍,屬于重污染。23.7%的樣品鎘含量超過國家二級標準,達到輕度污染。除了Hg和Cd以外其他5種重金屬在研究區土壤中的含量遠小于國家土壤環境標準中的二級標準。中國科學院南京土壤所提出的南京市土壤環境背景值、江蘇省國土廳、江蘇省地質調查研究院2003年繪制的《南京市表層土壤元素地球化學圖》2及相關文字資料顯示,研究區表層土壤汞背景含量在0.06~0.13mgkg-1之間,說明該區表層土壤Hg含量異常是外源污染物質進入所致。Hg污染樣點主要分布于研究區的東部和東北部,主要集中河流兩側的蔬菜土壤,少數低洼地區的水稻田也出現較高的Hg。表明導致土壤Hg污染的主要因素可能為連年蔬菜種植過程中含汞農藥、化肥的大量施用。4.2重金屬的污染程度以相關元素背景值為評價標準,計算了研究區93個樣點表層土壤各種重金屬的單因子污染指數值,數據列入表4。研究區土壤重金屬單因子平均指數值: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,甚至鉛的最大值達到了3.29,說明該研究區部分地區出現銅、鉛、鋅、鉻、鎘明顯外源污染的現象。砷的平均單因子指數值為0.77,未受污染。而汞的平均單因子指數值為5.07,最大值14.25,嚴重污染。汞為主要污染因子,重金屬單因子指數平均值從大到小排列順序為: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來看,除了Hg變異系數達到54.45%,其他都比較小,說明全區樣點重金屬指數值的平均變異程度均較小。該地區主要以水稻和蔬菜種植為主,且靠近廠區大多為水稻田,蔬菜地則距離廠區稍遠。從表5來看,蔬菜地銅的平均指數值為1.15,而水稻田為1.18;鉛的平均指數值蔬菜地和水稻田分別為1.57、1.60;鋅的平均指數值蔬菜地和水稻田分別為1.26、1.27;鉻的平均指數值蔬菜地和水稻田分別為1.25、1.26;鎘的平均指數值蔬菜地和水稻田分別為1.27、1.34;汞的平均指數值蔬菜地和水稻田分別為5.24、5.05;砷的平均指數值蔬菜地和水稻田分別為0.76、0.76。平均值沒有顯著差異,變異系數也是相當,說明該地區不同種植方式不是造成土壤重金屬污染的主要因子。4.3空間相關因素的分析半方差函數在原點處的數值稱為塊金常數(C0),它由于測定誤差和小于最小采樣尺度的非連續性變異引起,屬于隨機變異;基臺值(C0+C1)通常表示系統內的總變異,它是結構性變異和隨機性變異之和。塊金值C0與基臺值(C0+C1)之比是反映區域化變量空間異質性程度的重要指標,又稱為塊金效應。該比值用以反映空間變異影響因素中區域因素(自然因素)和非區域因素(人為因素)的作用。當C0/(C0+C1)<25%時,表明變量的空間變異以結構性變異為主,變量具有強烈的空間相關性;當上述比值>25%而<75%時,變量為中等程度空間相關;>75%時,以隨機變量為主,變量的空間相關性很弱。變程反應的是空間自相關范圍,它與觀測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,在變程范圍內,變量有空間自相關性,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值的半方差函數理論模型及其相關參數見表6。Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、As六種金屬的單因子指數的塊金常數/基臺值都小于25%,表現出較強的空間相關性,而Hg的單因子指數的塊金常數/基臺值為42.7%,大于25%小于75%,屬于中等空間相關。Hg的塊金常數異常,大大高于其他重金屬,表明受隨機因子影響較大,外源污染物對表層土壤Hg含量貢獻較大。研究區表層土壤重金屬內梅羅污染指數C0/(C0+C1)值為42.3%,中等空間相關。4.4區域污染程度分析克里格插值法是對區域變量進行無偏最佳估值的一種可靠方法。根據所確定的研究區域土壤重金屬單因子指數值的半方差函數,采用軟件ArcGIS8.1中普通克里格方法(OrdinaryKriging),在約束條件下可根據采樣點的重金屬單因子指數值對研究區域的土壤重金屬指數進行最優、無偏估值。插值結果如圖2所示。分析圖2各個因子,研究區大部分的地區土壤銅的單因子指數值大于1小于2,屬于輕度污染。而右上角地區由于地勢低洼且三面鄰水,受到污灌的可能最大。鉛的單因子指數,都大于1,少部分地區達到2以上,全區鉛的污染比較普遍,屬于輕度污染。土壤鋅單因子指數值的空間分布趨勢與銅相似,大部分屬于輕度污染。鉻單因子指數大部分地區都略高于1,屬于輕度污染,其分布趨勢是從西部沿江地區到東部逐漸遞減。鎘單因子指數空間分布趨勢與鉻相似從西到東遞減,全區大部分地區鎘指數值都在1左右,屬于輕度污染。從Hg的插值圖看出全區汞的污染非常嚴重,研究區大部分地區土壤汞的單因子指數都在3以上,有一半地區高于5,屬于嚴重污染,分布趨勢從東到西遞減。灌溉水的影響可能是該地區汞污染的主要因子。As單因子指數空間插值圖中預測指數值從西到東遞減,全區砷的指數值均在1以下,沒有污染。綜合看來,Hg的污染最為嚴重,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。分析內梅羅指數空間分布圖,全區大部分地區屬于重金屬中度污染和嚴重污染,在東北部的蔬菜基地內梅羅指數值最高達到5,屬于嚴重污染,對比汞的單因子