基于地統(tǒng)計學與GIS的區(qū)域土壤重金屬污染評價與不確定性分析.pdf

1、土壤是人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎，是植物生長繁育和生物生產(chǎn)的基地，在植物生長過程中有著不可取代的特殊作用。土壤環(huán)境質量安全，對維持社會經(jīng)濟快速發(fā)展保障人體健康至關重要。近年來，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，工業(yè)企業(yè)廢棄物的排放量以及農(nóng)業(yè)農(nóng)藥化肥施用量也不斷增加，土壤重金屬污染已經(jīng)演變成為一個全球性的環(huán)境熱點問題，引起廣泛關注，也吸引了眾多國內外研究學者的注意，城市地區(qū)尤其是工業(yè)化城市化進程較快的我國長江三角洲地區(qū)土壤重金屬污染問題尤為突出。鑒于此本研

2、究選取我國長江三角洲南部世界著名港口型工業(yè)城市作為研究區(qū)域，對研究區(qū)內土壤重金屬污染狀況進行評價和空間插值分析來評估研究區(qū)土壤重金屬污染程度以及其空間分異情況。再對土壤重金屬污染范圍的劃定進行不確定性分析，確定土壤重金屬綜合污染范圍，比較分析土壤重金屬綜合污染范圍劃分結果的準確率和不確定性。以期為土壤重金屬污染監(jiān)測、治理提供基礎。本文的主要研究內容和成果包括以下幾個方面:
　　(1)土壤重金屬含量描述性統(tǒng)計分析及其空間分布特征

3、r>　　研究區(qū)土壤重金屬Cr、Pb、Cd、Hg、As、Cu、Zn和Ni平均含量分別為61.84mg/kg、39.86 mg/kg、0.19 mg/kg、0.27 mg/kg、6.55 mg/kg、33.87 mg/kg、99.60 mg/kg、23.85mg/kg，均低于全國土壤環(huán)境質量標準(GB15168-1995)二級標準值。研究區(qū)內8種重金屬含量的變異系數(shù)均大于10％，其中Cu、Pb、Ni、Zn、Cr和As屬于中等變異，Cd和Hg

4、屬于強變異性。
　　Cr、Pb、Cd、Hg、As、Cu、Zn和Ni8種重金屬含量具有不同的空間分布特征。其中Cr、Pb、Hg、Cu和Zn含量高值區(qū)主要集中在研究區(qū)中部地區(qū)。Cd含量高值區(qū)主要分布在研究區(qū)中部偏西及東南部局部區(qū)域。As和Ni含量在研究區(qū)中部偏北地區(qū)以及東南山地丘陵地區(qū)含量相對較低，其他地區(qū)含量相對較高，污染區(qū)域也主要集中于中部中心城區(qū)。
　　8種土壤重金屬中，Cr含量的變程最小為11.7公里。其次為Cu，其變程

5、為17公里，變程最大的是Pb達到了54.5公里。從塊金系數(shù)(C/(C+C0))的計算結果來看，Cr、Hg和Ni含量的空間分布主要受到人為活動導致的隨機因素的影響。Pb、Cd、As、Cu和Zn含量同時受到自然結構性因素和人為隨機因素的影響。
　　(2)土壤重金屬富集情況和污染程度評價及污染空間分布特征
　　研究區(qū)土壤重金屬Cr、Pb、Cd、Hg、As、Cu、Zn、Ni的地質積累指數(shù)平均值分別為:-0.49、-0.02、0.06

6、、0.26、-0.43、-0.06、-0.08和-0.21。其中Cd和Hg屬于無污染到中度污染，其他元素地質累積指數(shù)平均值均處于無污染程度。土壤重金屬單項污染指數(shù)評價結果顯示:Cr、Pb、Cd、Hg、As、Cu、Zn、Ni的單項污染指數(shù)平均值分別為0.24、0.13、0.54、0.31、0.24、0.33、0.40和0.48，均處于安全水平，說明研究區(qū)內土壤重金屬污染總體情況良好。研究區(qū)土壤重金屬綜合污染指數(shù)平均值為0.59，處于安全等

7、級。
　　從空間分布特征來看，研究區(qū)內絕大部分地區(qū)土壤重金屬Cr、Pb、As、Zn、Cu和Ni都處于無污染的水平。大部分地區(qū)土壤重金屬Cd含量處于安全水平，只有研究區(qū)中部西側沿著山地邊緣的山前平原部分地區(qū)土壤重金屬Cd污染達到中度甚至重度污染。研究區(qū)內土壤重金屬Hg污染范圍較大，主要集中于中部主城區(qū)，污染主要以輕微污染和輕度污染為主。
　　(3)土壤重金屬污染概率空間分布圖
　　本研究使用指示克里格法，對研究區(qū)土壤重金

8、屬污染指數(shù)進行空間插值，得到研究區(qū)土壤重金屬單項污染指數(shù)污染概率分布圖和綜合污染指數(shù)污染概率分布圖。研究區(qū)土壤重金屬Cr和As含量超標概率即單項污染指數(shù)值大于1.0的概率均低于0.1，說明研究區(qū)面臨的土壤Cr和As威脅極小;研究區(qū)絕大部分區(qū)域土壤重金屬Pb含量超標概率即單項污染指數(shù)值大于1.0的概率均低于0.1，極少部分地區(qū)超標概率介于0.3和0.4之間，說明除了部分區(qū)域以外，研究區(qū)大部分地區(qū)面臨的土壤Pb污染風險極小;研究區(qū)中部偏西區(qū)

9、域土壤Cd污染概率達到了0.3-0.4的水平，具有一定的污染風險，其他區(qū)域土壤重金屬Cd污染概率極小;研究區(qū)中西部主要城區(qū)土壤重金屬Hg污染概率非常大，部分地區(qū)土壤重金屬Hg超標概率甚至達到0.9以上;研究區(qū)內絕大部分區(qū)域土壤重金屬Cu、Zn和Ni的污染風險概率都處于較低水平，也即研究區(qū)內大部分地區(qū)可以較為確定的被劃分為未污染區(qū)域。但是在局部地區(qū)仍然存在一些污染風險達到0.3-0.5的高污染概率斑塊，這些區(qū)域存在著較大的土壤重金屬污染風

10、險，顯示局部地區(qū)仍然面臨著土壤重金屬Cu、Zn和Ni污染的威脅。
　　從土壤重金屬綜合污染概率來看，研究區(qū)內土壤重金屬綜合污染概率高值區(qū)主要分布于研究區(qū)中部，這一區(qū)域主要為城市中心，受人為社會經(jīng)濟生產(chǎn)生活活動影響較大，將這一區(qū)域劃分為污染區(qū)域具有較高的可信度。
　　(4)土壤重金屬綜合污染范圍的不確定性分析
　　首先提取每個樣點的污染概率值，再以0.05為步長，依次選取從0到1中間的20個概率值作為劃分污染與未污染的概

11、率閾值，將樣點劃分為污染樣點與未污染樣點兩類。隨后將劃分結果與內梅羅綜合污染指數(shù)值計算結果進行比較，繪制分類錯誤率與概率閾值的曲線圖。我們通過計算比較樣點土壤重金屬綜合污染分類的錯誤率來確定劃分污染區(qū)和未污染區(qū)的最優(yōu)概率值。使結果表明，當概率閾值為0.4時，土壤樣點污染分類的錯誤率最低，分類準確率高達92.88％。因此在后續(xù)分析中我們選擇0.4作為劃分污染區(qū)域與未污染區(qū)域的概率閾值。
　　基于污染概率分布劃定的污染范圍區(qū)域集中分布

12、于于研究區(qū)中部，呈西南東北走向的團塊區(qū)域。從污染范圍劃分的準確性來看，污染劃分結果中出現(xiàn)第一類錯誤即實際上屬于污染區(qū)域而被錯誤劃分為未污染區(qū)域的面積約為220.56平方公里，占研究區(qū)面積總比例5.17％。屬于第二類錯誤即實際上屬于未污染區(qū)域而被錯誤劃分為污染區(qū)域的面積約為89.26平方公里，占研究區(qū)面積總比例2.09％。污染范圍劃分正確的區(qū)域面積為3954.18平方公里，污染區(qū)域劃分的準確率高達92.73％。說明本研究中基于指示克里格插