基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS的區(qū)域土壤重金屬污染評(píng)價(jià)與不確定性分析.pdf

1、土壤是人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，是植物生長(zhǎng)繁育和生物生產(chǎn)的基地，在植物生長(zhǎng)過程中有著不可取代的特殊作用。土壤環(huán)境質(zhì)量安全，對(duì)維持社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展保障人體健康至關(guān)重要。近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(gè)全球性的環(huán)境熱點(diǎn)問題，引起廣泛關(guān)注，也吸引了眾多國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的注意，城市地區(qū)尤其是工業(yè)化城市化進(jìn)程較快的我國(guó)長(zhǎng)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(guó)長(zhǎng)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(duì)研究區(qū)內(nèi)土壤重金屬污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)和空間插值分析來評(píng)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(duì)土壤重金屬污染范圍的劃定進(jìn)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(jié)果的準(zhǔn)確率和不確定性。以期為土壤重金屬污染監(jiān)測(cè)、治理提供基礎(chǔ)。本文的主要研究?jī)?nèi)容和成果包括以下幾個(gè)方面:
　　(1)土壤重金屬含量描述性統(tǒng)計(jì)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(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15168-1995)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值。研究區(qū)內(nèi)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(qiáng)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(duì)較低，其他地區(qū)含量相對(duì)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(dá)到了54.5公里。從塊金系數(shù)(C/(C+C0))的計(jì)算結(jié)果來看，Cr、Hg和Ni含量的空間分布主要受到人為活動(dòng)導(dǎo)致的隨機(jī)因素的影響。Pb、Cd、As、Cu和Zn含量同時(shí)受到自然結(jié)構(gòu)性因素和人為隨機(jī)因素的影響。
　　(2)土壤重金屬富集情況和污染程度評(píng)價(jià)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(zhì)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(zhì)累積指數(shù)平均值均處于無污染程度。土壤重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示:Cr、Pb、Cd、Hg、As、Cu、Zn、Ni的單項(xiàng)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(nèi)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(jí)。
　　從空間分布特征來看，研究區(qū)內(nèi)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(cè)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(dá)到中度甚至重度污染。研究區(qū)內(nèi)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(duì)研究區(qū)土壤重金

8、屬污染指數(shù)進(jìn)行空間插值，得到研究區(qū)土壤重金屬單項(xiàng)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(biāo)概率即單項(xiàng)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(biāo)概率即單項(xiàng)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(biāo)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(fēng)險(xiǎn)極小;研究區(qū)中部偏西區(qū)

9、域土壤Cd污染概率達(dá)到了0.3-0.4的水平，具有一定的污染風(fēng)險(xiǎn)，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(biāo)概率甚至達(dá)到0.9以上;研究區(qū)內(nèi)絕大部分區(qū)域土壤重金屬Cu、Zn和Ni的污染風(fēng)險(xiǎn)概率都處于較低水平，也即研究區(qū)內(nèi)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(fēng)險(xiǎn)達(dá)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(fēng)

10、險(xiǎn)，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(nèi)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(huì)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)生活活動(dòng)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(gè)樣點(diǎn)的污染概率值，再以0.05為步長(zhǎng)，依次選取從0到1中間的20個(gè)概率值作為劃分污染與未污染的概

11、率閾值，將樣點(diǎn)劃分為污染樣點(diǎn)與未污染樣點(diǎn)兩類。隨后將劃分結(jié)果與內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，繪制分類錯(cuò)誤率與概率閾值的曲線圖。我們通過計(jì)算比較樣點(diǎn)土壤重金屬綜合污染分類的錯(cuò)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(jié)果表明，當(dāng)概率閾值為0.4時(shí)，土壤樣點(diǎn)污染分類的錯(cuò)誤率最低，分類準(zhǔn)確率高達(dá)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(tuán)塊區(qū)域。從污染范圍劃分的準(zhǔn)確性來看，污染劃分結(jié)果中出現(xiàn)第一類錯(cuò)誤即實(shí)際上屬于污染區(qū)域而被錯(cuò)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(cuò)誤即實(shí)際上屬于未污染區(qū)域而被錯(cuò)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(zhǔn)確率高達(dá)92.73％。說明本研究中基于指示克里格插