龙口市北部平原土壤重金属空间分布特征分析

作者:未知

  摘 要:以龙口市北部平原农田为试验区,野外采集63个农田土壤样本,基于实验室测定的样本重金属含量数据,利用空间插值分析方法,分析了试验区土壤重金属的空间分布特征。结果表明,6种重金属均有不同程度的富集现象,土壤重金属平均值表现为Mn>Zn>Cr>Pb>As>Hg;Pb、Cr和Mn3种元素污染最为明显。普通克里金空间插值结果显示,研究区域内土壤中As和Cr元素的高值区域均位于其东北部;Hg元素最高值位于东北部和中部;Pb含量高值区域位于研究区东北部和西南部;Zn元素空间分异差异不大;Mn含量的最高值位于研究区西北部,并表现为向东南部逐渐递减。
  关键词:土壤;重金属;空间分布
  中图分类号 S127;S512 文献标识码 A 文章编号 1007-7731(2020)01-0098-03
  Abstract:In this study,the farmland in the northern plain of Longkou City was used as the research area. 63 farmland soil samples were collected in the field. Based on the laboratory determination of heavy metal elements,the spatial distribution characteristics of soil heavy metal elements in the study area were analyzed by spatial interpolation analysis.The study shows that all six heavy metals are enriched to varying degrees. The average value of soil heavy metals is Mn> Zn> Cr> Pb> As> Hg,and the pollution of three elements,Pb,Cr,and Mn is the most obvious. The results of ordinary kriging spatial interpolation show that the high-value areas of As and Cr in the soil in the study area are located in the northeast of the study area;the northeast and middle of the study area with the highest Hg element value;the high-value areas of Pb element are located in the study area Northeast and southwest;the difference in spatial differentiation of Zn is not large;the highest value of Mn content is located in the northwest of the study area,and it gradually decreases to the southeast.
  Key words:Soil;Heavy metal;Spatial distribution
  土壤是一個不可再生的自然连续体,是人类赖以生存的重要自然资源。随着工农业的快速发展,土壤重金属污染已经成为威胁区域生态系统健康的重要因素。目前,土壤重金属研究是评价区域环境质量的一个重要指标,并逐渐发展成为地理科学、土壤科学和环境科学的研究热点之一[1-2]。土壤中的重金属由于其有毒性、持久性、易被植物吸收、生物半衰期长等特性,已经成为土壤环境中危害最大的污染物之一。重金属在土壤中积累以及被植被吸收,不仅会影响土壤肥力、破坏土壤的正常功能,同时影响作物生长[3]。农田土壤被重金属污染后很难恢复,并会通过食物链对人体的组织和细胞等造成损害。因此,对易受污染地区的重金属含量进行快速、周期性的监测[4],对于制定相应的环保政策、改善人民生活卫生状况具有重要的经济、社会和生态意义[5]。
  龙口市是我国社会经济较发达但水资源较短缺,污水灌溉历史悠久且灌溉率[6]较高的一个地区。常年污水灌溉导致大量污染物直接进入自然环境,其中,重金属含量一旦超过原自然生态量,便会造成土壤重金属污染[7]。本研究选取山东省龙口市北部平原为研究区域,野外采集63份土壤样品,利用实验室测得土壤重金属含量数据,通过空间插值实现土壤中Cr、Mn、Pb、Zn、As和Hg 6种重金属元素含量的快速预测,分析研究区表层土壤中重金属元素含量的空间分布特征,为龙口市北部平原农田的生态安全遥感监测提供理论依据。
  1 研究区概况
  研究区位于山东省龙口市北部平原,地理坐标介于37°34′35″~37°44′12″N、120°20′56″~120°40′47″E之间。北邻渤海,属温带季风气候,四季分明,年平均气温12℃左右,年平均降雨量约为600mm。地处胶东低山丘陵的北边地带,农作物种类以冬小麦、夏玉米和豆类为主,土壤较为肥沃,氮、磷、钾含量比较丰富,pH值介于6.5~7.5之间,成土类型多种多样,土壤多属棕壤土、潮土和褐土。研究区内的农田普遍进行过污水灌溉,部分地区甚至存在30年以上的污水灌溉历史,导致土壤重金属大量积累,使得土壤和农作物受到污染,危害人类的生命健康[8]。
  2 材料与方法
  2.1 样品采集与测定 土壤样本采于龙口市北部平原农田,采样时间为2016年6月,根据研究区具体位置和土地利用现状,在道路可达性的基础上,结合高清遥感影像图采用规则网格法布设采样点,共布设63个采样点。划定 30m×30m 的样方,利用5点采样法垂直采集0~20cm的表层土,于聚乙烯袋中密封保存,带回实验室自然风干、剔除杂物、研磨等预处理后,采用四分法选取500g混合样品作为该样点的土壤样本。   土壤样品经HNO3-HCl-HF-HClO4微波消解后,采用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)测定Cr、Pb和Zn元素含量,Mn、As和Hg元素含量由氢化物发生-原子荧光光谱法(HG-AFS)测定。
  2.2 分析方法 数据处理使用SPSS 22.0软件对土壤重金属元素含量特征进行描述性统计。数据分析使用ArcGIS 10.3软件的ArcMap平台,用GIS空间分析的方法将野外采样获取的土壤重金属含量数据与土壤采样点的坐标数据输入,在地统计学模块中,运用克里格(Kriging)插值法绘制研究区表层土壤重金属空间分布图,对研究区土壤6种重金属元素空间分布特征进行研究[10]。
  3 结果与分析
  3.1 重金属元素含量 由龙口北部平原研究区内63份土壤样品的6种重金属元素含量特征(表1)可知,土壤中重金属平均含量表现为Mn>Zn>Cr>Pb>As>Hg,平均值分别为456.53、62.59、61.52、36.48、8.06、0.03mg/kg-1。研究区6种元素的平均值均高于山东省东部地区土壤背景值,与标准差相比,變异系数可直接反映人类活动对重金属含量的影响[9]。6种重金属元素中,Pb元素的变异系数较大,为67.65%,远超其他元素,属于高度变异,说明这种重金属相对其他几种元素受到强烈的人为干扰,在表层土壤中分布不均匀,存在特异值;As、Cr、Mn元素的变异系数依次为29.06%、24.75%、24.15%,属于中等变异,说明这4种元素在一定程度上受到人为干扰。由此看来,龙口市北部平原土壤主要受Pb、Cr和Mn元素污染明显。
  3.2 重金属元素的空间分布特征 利用ArcGIS10.3 软件中的地统计学模块,通过普通克里金插值法绘制研究区域重金属空间分布图(图1)。由图1可知,在研究区内,土壤中As元素含量为5.001~19.181mg/kg,Cr元素含量为40.769~91.951mg/kg,Hg元素含量为0.014~0.061mg/kg,Mn元素含量为327.283~641.339mg/kg,Pb元素含量为27.278~63.644mg/kg,Zn元素含量为32.998~159.755mg/kg。重金属空间分布图显示,As、Cr、Hg和Pb元素的高值区域都位于研究区的东北部,地处诸由观镇东北部。其中As和Cr元素含量都不同程度上呈现出由东北向西南方向逐渐递减的趋势,Hg元素最高值除东北部之外还有中部,新嘉街道、芦头镇和东江街道的交汇处,Pb元素含量出东北部出现高值区外,研究区西南部北马镇西部也存在一个高值区域。研究区内Zn元素空间分异差异不大,大部分区域集中在45.67~96.38mg/kg。特别地,Mn元素含量的空间分布特征与其他元素不同,最高值位于研究区西北部,并表现为向东南部逐渐递减。在研究区东北部诸由观镇均存在高值区的元素,可能与该区域有工厂和煤矿分布有关,受到人为扰动较大。6种重金属元素除Zn元素外,其余元素含量的空间分布特征存在明显的空间差异性。
  4 结论
  本研究以龙口市北部平原农田土壤为研究对象,通过野外考察采集研究区农田土壤样品,采集的土壤样品在实验室进行理化测试分析后,利用空间插值分析方法,探究研究区土壤重金属元素的空间分布特征。结果表明,龙口北部平原研究区内土壤重金属平均含量表现为Mn>Zn>Cr>Pb>As>Hg,平均值分别为456.53、62.59、61.52、36.48、8.06、0.03mg/kg。研究区6种元素的平均值均高于山东省东部地区土壤背景值,说明6种重金属在研究区内都有不程度的富集现象。研究区内,土壤中As和Cr元素的高值区域均位于研究区的东北部;Hg元素最高值研究区的东北部和中部;Pb元素含量高值区域位于研究区东北部和西南部;Zn元素空间分异差异不大,大部分区域集中在45.67~96.38 mg/kg;Mn元素含量的空间分布特征与其他元素不同,最高值位于研究区西北部,并表现为向东南部逐渐递减。
  参考文献
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