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基于GIS的杭州市居民区土壤重金属污染现状及空间分异研究

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基于GIS的杭州市居民区土壤重金属污染现状及空间分异研究 第 36卷第 4期 2005年 8月 � � � � � � � � � � � � 土 � 壤 � 通 � 报Chinese Journal o f So il Sc ience� � � � � � � � � � � � � � V o.l 36, No. 4 Aug. , 2005 基于 GIS的杭州市居民区土壤重金属污染 现状及空间分异研究 符娟林,章明奎,厉仁安 (浙江大学 资源科学系,浙江,杭州 310029) � � 摘 � 要: 研究了杭州市 50个代表性居民小区土壤重金属 ( Cd、C...

基于GIS的杭州市居民区土壤重金属污染现状及空间分异研究
第 36卷第 4期 2005年 8月 � � � � � � � � � � � � 土 � 壤 � 通 � 报Chinese Journal o f So il Sc ience� � � � � � � � � � � � � � V o.l 36, No. 4 Aug. , 2005 基于 GIS的杭州市居民区土壤重金属污染 现状及空间分异研究 符娟林,章明奎,厉仁安 (浙江大学 资源科学系,浙江,杭州 310029) � � 摘 � 要: 研究了杭州市 50个代表性居民小区土壤重金属 ( Cd、C r、Cu、N i、Pb和 Zn)的含量, 按照国家�土壤环境质量标 准 对该市居民区土壤重金属污染状况做出了评价,并在 GIS技术支持下, 研究了土壤重金属污染的空间变异性。结果表 明, 杭州市居民区土壤均受到了不同程度的污染。其中 4%的土壤轻度污染, 54% 的土壤中度污染, 42%的土壤严重污染。 土壤重金属污染具有显著的空间分异特征, 严重污染区域大致呈西北 -东南走向,包括了城北的大部分地区、市中心和城 东南一些地区。工业生产和居民区形成时间对居民区土壤重金属积累有较大的影响。 关 � 键 � 词: 居民区土壤;重金属污染; 空间分异;杭州市 中图分类号: X53� � � 文献标识码: A � � � 文章编号: 0564�3945( 2005) 04�0575�04 � � 城市是人类生存和活动的重要场所,城市环境质 量已引起人们广泛的关注 [ 1, 2]。城市土壤是城市生态 系统的重要组成部分,与农业土壤不同,城市土壤研究 主要侧重于土壤的环境和生态功能。目前我国对城市 土壤的研究仅在初始阶段,研究内容有较大的局限性, 特别是对城市居民区土壤的研究还很少。居民区是城 市重要的组成部分, 占地最广, 容纳人口最多, 是城市 居民主要的活动场所,因此居民区土壤与居民健康最 为密切。由于人为活动的差异, 不同居民区土壤性质 可有较大的差异。研究城市居民区土壤重金属污染状 况及其空间分异规律,可为合理管理城市土壤、指导城 市建设和营造良好的城市生产和生活环境提供科学依 据。杭州市建城历史悠久,居民区密集,土壤受人为活 动影响强烈。本文根据国家土壤环境质量 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 , 对杭 州市居民区土壤重金属污染现状进行了评价。并以 GIS技术为依托, 研究了杭州市居民区土壤重金属污 染的空间分异特征。 1� 材料和方法 1. 1� 供试土壤 杭州市居民区散布于全城各地, 为了获得代表性 土样,本研究采用网格布点在上城、下城、江干、拱墅、 西湖等 5个区选择了 50个代表性居民小区,每个居民 小区各采集一个混合土样 (各由 5~ 10个采样点混合 而成 )。采样深度均为 0~ 10cm。所选居民小区土壤 成土母质主要为河口海相沉积物。 1. 2� 土壤性质测定 土样经风干后, 过直径为 2 mm的塑料土筛。部 分土样进一步用玛瑙研钵研磨, 过直径为 0. 125 mm 的塑料土筛,供元素全量分析。土壤颗粒组成用比重 计法测定;土壤 pH值采用酸度计测定; 土壤有机质采 用重铬酸钾容量法测定; 土壤 N采用 CN 分析仪测 定 [ 3] ;矿质元素和重金属元素全量分析采用 HNO 3 - HC lO4 - HF三酸消化, 用等离子体原子发射光谱法 ( ICP- AES)测定 [ 4]。 1. 3� 土壤重金属污染现状评价 选用国家土壤环境质量标准 (GB15618- 1995) [ 5] 中的一、二、三级标准分别作为土壤重金属污染评价的 污染积累起始值、中度污染起始值和重度污染起始 值 [ 6, 7] ,把土壤重金属污染分为 4级。 单项污染指数计算:若 C i ! S i污染起始值 ,则: P i= C i /S i污染起始值; 若 S i污染起始值 < C i! Si中度污染起始值 ,则: P i= 1+ ( C i- Si污染起始值 ) / ( Si中度污染起始值 - Si污染起始值 ); 若 S i中度污染起始值 < C i! Si重度污染起始值 ,则: Pi= 2+ (C i- Si中度污染起始值 ) / ( Si重度污染起始值 - S i中度污染起始值 ); 若 C i > S i重度污染起始值 , 则: Pi = 3 + ( C i - S i重度污染起始值 ) / ( S i重度污染起始值 - S i中度污染起始值 )。 综合污染指数计算: P综 = [ ( P2平均 + P2最大 ) /2] 1 /2 式中: P i为采样点 i污染物的污染指数, C i为 i污 染物的实测值, Si为 i污染物的评价标准; P综 为采样 点的综合污染指数, P平均为采样点所有单项污染指数 的平均值, P最大为采样点所有单项污染指数的最大值。 收稿日期: 2003�03�14;修订日期: 2004- 03- 05- 24 基金项目: 浙江省自然科学基金 (M 403038 )资助 作者简介: 符娟林 ( 1978- ),女,四川通江人,硕士。 土壤重金属污染分级标准见表 1。 表 1� 土壤重金属污染分级标准 [6, 7] T able 1N ational standards of soil h eavy m etal pollu t ion 污染等级 Grade P i S ingle pollu tion index P综 C om preh ensive pollu tion index 污染水平 Po llu tion leves 一级 P i! 1 P综 ! 0. 85 清洁 二级 1< P i! 2 0. 85< P综 ! 1. 71 土壤轻污染 三级 2< P i! 3 1. 71< P综 ! 2. 56 土壤中度污染 四级 P i> 3 P综 > 2. 56 土壤污染相当严重 1. 4� 土壤重金属污染数据库的建立 应用的 G IS软件主要有美国环境系统研究所 ( ESR I)开发的 Arcin fo8. 1、A rcv iew 3. 2和 Mapin fo5. 0 及 M icroso ft Access等。输入的数据主要有比例尺为 1: 5万的杭州市详图和室内分析数据包括重金属含量 和污染指数等。数据库中包括两类数据:一类是关于 地理位置信息的空间数据 (图形资料 ), 空间数据以目 录为库,以空间数据文件为表。首先在软件 M apinfo 5. 0中进行图形的数字化, 然后将 MapInfo5. 0文件格 式转换成 Coverage文件格式, 并在 ArcInfo8. 1下建立 空间拓扑关系,之后又将其转换成 MapInfo5. 0文件格 式,对照底图输入相应的信息, 生成矢量图。最后用 Shapefile文件格式保存。另一类是不带地理位置的属 性数据 (室内分析数据 ) ,属性数据用关系型数据库存 储,采用 M icroso ft A ccess。在土壤属性数据库和空间 数据库之间,通过公共字段建立关联,从而对样点的属 性和空间数据实现了既是分开存储, 又可联合查询和 管理。 2� 结果和讨论 2. 1� 土壤重金属积累特征 测量结果表明,杭州市居民区土壤质地为壤土,粘 粒含量在 68至 351 g kg- 1之间,平均为 148 g kg- 1; pH 在 8. 2至 8. 9之间,平均为 8. 6; 有机质含量在 6. 5至 34. 7g kg - 1之间,平均为 15. 1g kg- 1; 总 N含量在 0. 4 至 1. 8 g kg- 1之间,平均为 0. 8g kg- 1。矿质元素和重 金属元素含量见表 2。 表 2� 杭州市居民区土壤矿质元素和重金属元素的含量、平均值及变异系数 T able 2M ean, coefficien t of variat ion ( CV ) , m in imum, andm ax imum valu es ofm in eral elem en t and h eavy m etals in res iden tial soils of the H angzh ou city 矿质元素 M ineral elem en t 范围 Range g kg- 1 平均值 Mean g kg- 1 变异系数, CV % 重金属元素 H eavy m etal 范围 Range mg kg- 1 平均值 M ean mg kg- 1 变异系数, CV % Ca 6. 7~ 49. 0 17. 1 40. 2 Cd 0. 67~ 2. 64 1. 27 35. 8 Fe 7. 7~ 20. 2 15. 0 19. 5 C r 33. 9~ 65. 0 47. 8 14. 6 K 3. 0~ 11. 0 5. 3 20. 2 Cu 9. 72~ 132 35. 9 58. 3 M g 2. 4~ 7. 2 5. 1 18. 8 N i 13. 5~ 36. 4 22. 8 15. 6 Na 0. 4~ 1. 0 0. 5 19. 4 Pb 13. 6~ 136 36. 3 63. 7 A l 20. 0~ 42. 9 27. 0 16. 7 Zn 53. 9~ 305 123. 8 41. 5 表 3� 重金属元素之间的相关性 ( n = 50) T able 3 C orrelation coefficien ts( r) am ong h eavy m etals and soil p ropert ies in res iden tial soils of th eH angzhou city ( n = 50) 元 � 素 Element Cd Zn Cu Pb Cr N i Zn 0. 322 Cu 0. 151 0. 841* * Pb 0. 038 0. 657* * 0. 765* * Cr 0. 140 0. 031 0. 098 - 0. 116 N i 0. 164 0. 229 0. 300 0. 026 0. 557* * 有机质 OM 0. 168 0. 819* * 0. 731* * 0. 628* *- 0. 002 0. 250 Ca 0. 285 0. 637* * 0. 503* * 0. 462* *- 0. 314 - 0. 024 粘粒 Clay 0. 091 - 0. 184 - 0. 084 - 0. 222 0. 687* * 0. 539* * A l 0. 144 - 0. 060 0. 023 - 0. 142 0. 752* * 0. 635* * N a 0. 203 0. 358* 0. 461* * 0. 237 0. 474* * 0. 800* * K 0. 277 0. 027 0. 155 - 0. 071 0. 529* * 0. 813* * Fe 0. 493* * 0. 039 - 0. 055 - 0. 079 - 0. 235 - 0. 166 M g - 0. 254 - 0. 308 - 0. 114 - 0. 060 0. 147 0. 241 � � * , * * :显著水平分别为 0. 05和 0. 01 杭州市居民区土壤中各种重金属元素具有不同的 积累特征 (表 2) , 反映出城市社会活动对土壤重金属 污染的影响。Pb、Cu、Zn、Cd 4种元素变异系数大, 说 明它们受人为活动干预强烈, 前人的研究也表明这 4 种元素是典型的人为活动元素 [ 8]。土壤 Pb、Cu和 Zn 3种元素具有很显著的相关性 (表 3) , 说明它们有相 似的污染途径和来源,这 3种元素与有机质和 Ca的含 量也具有明显的相关性。C r和 N i 2种元素也有很好 的相关性, 但它们的变异系数较小, 且与土壤粘粒含 量、土壤 K、A l、N a显著相关, 说明这 2种元素在空间 上变异较小,主要来源于母质。另外,大气沉降可能是 C r和 N i的重要来源之一, 由于大气沉降影响范围较 广,使这 2个元素在空间上差异较小。 576 土 � 壤 � 通 � 报 � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 36卷 2. 2� 土壤重金属污染评价 从杭州市居民区土壤单项污染指数可以看出 (表 4) :土壤 Cd的污染最严重, 50个土样都受到了不同程 度的污染,其次依次为 Zn、Cu、Pb, 而 N i和 C r的污染 表 4� 杭州市居民区土壤的污染指数及不同污染等级土壤的百 分构成 T able 4 The pollut ion index and percen tage of th e soils w ith d ifferent pollu t ion levels 污染指数 Po llut ion index 范围 Range 平均 M ean 变异系数 CV (% ) 污染土壤占总量的百分比 (% ) Pe rcentage o f the so i ls w ith di fferent po llut ion leve ls 一级 F irst grade 二级 Second g rade 三级 Third g rade 四级 Fourth g rade P i Cd 2. 17~ 7. 10 3. 68 32. 7 0 0 38 62 Zn 0. 54~ 2. 02 1. 07 31. 1 48 50 2 0 Cu 0. 28~ 2. 11 0. 90 47. 2 66 32 2 0 Pb 0. 39~ 1. 32 0. 76 36. 3 68 32 0 0 Cr 0. 38~ 0. 72 0. 53 15. 9 100 0 0 0 N i 0. 34~ 0. 91 0. 57 17. 6 100 0 0 0 P综 1. 66~ 5. 20 2. 76 31. 4 0 4 54 42 不明显。Cd污染指数在 2. 17 ~ 7. 10之间, 平均为 3. 68, 38%的土样受 Cd元素的中度污染, 62%的土样 受 Cd的严重污染。 Zn污染指数在 0. 54~ 2. 02之间, 平均为 1. 07, 48%的土样没有受 Zn明显的污染, 50% 的土样属轻度污染, 2%的土样属中度污染。 Cu污染 指数在 0. 28~ 2. 11之间, 平均为 0. 90, 66%的土样不 受其污染, 32%的土样属轻度污染, 2%的土样属中度 污染。Pb污染指数在 0. 39~ 1. 32之间,平均为 0. 76, 68%的土样不受其污染, 32%的土样属轻度污染。N i 污染指数在 0. 34 ~ 0. 91之间, 平均为 0. 57; C r污染 指数在 0. 38~ 0. 72之间,平均为 0. 53, 50个土样均未 受 N i和 Cr明显污染。 从综合污染指数来看,杭州市 50个居民区土壤全 部都受到了不同程度的污染。其中, 4%的土壤轻度 污染, 54%的土壤中度污染, 42%的土壤严重污染。其 中, Cd对综合污染指数的影响最大。从各居民小区的 综合污染指数来看,污染最轻的是定安苑和浙大新村, 其综合污染指数分别为 1. 69和 1. 66; 污染最严重的 是翠苑新村三区,综合污染指数高达 5. 20。 2. 3� 土壤重金属污染的空间分异 本研究利用软件 A rcv iew3. 2, 采用逆距离加权插 值 ( 1DW )法, 对采样点进行连续插值, 获得了土壤重 金属污染的空间分布概图。即假设未知点 s0处属性 值是在局部领域内中所有数据点的距离加权平均值。 距离越远的观察点对估计点的影响越小,其加权值也 随距离变化而不同。因此,估计点 s0的值常采用若干 临近点 si的线形加权来拟合 [ 9] , 计算公式 六西格玛计算公式下载结构力学静力计算公式下载重复性计算公式下载六西格玛计算公式下载年假计算公式 为: Z ( s0 ) = ∀n i= 1 �iZ ( s i ) ,在逆距离加权方法中各观察点影响权重值 采用以下公式进行计算: �i = #d ( si, s0 ) ∃- p /∀n i= 1 #d( si, s0 ) ∃- p 式中 d( si, s0 )是指第 i个观察点与估计点间的距 离。指数 p用来控制权重值随距离变化的速度, 当指 数增加时,距离远的观测点的权重值会下降。研究中 p的取值范围一般为 1到 3之间, 本文采用 2。 图 1� 杭州市居民区土壤重金属污染的空间分异图 Fig�1 The spatiald istribu tion of heavy m etal pollu tion in the res iden tia l so ils of th eH angzhou city 从图 1中可以看出,杭州市居民区土壤重金属污 染具有明显的空间分异特征。根据污染程度可分为 二、三和四等 3级,二级即轻污染的土壤面积很小, 呈 零星分布 (在图上显示为两个小圈 ) ;三级即中度污染 的土壤在城东北和城南地区分布较多, 其它地方也有 少量分布;四级即严重污染的区域大致呈西北 -东南 走向,包括了城北的大部分地区、市中心和城东南一些 地区。污染严重的城北和城东南地区, 集中了较多的 工厂。根据王美青等对杭州市土壤的研究,在工业区 土壤 Cd和 Zn含量分别达到了 3. 39mg kg- 1和 573. 7 mg kg - 1 [ 10]。杭州 "北工南市 "的城市布局, 秋、冬季的 偏北风使市区位于城北工业区的下风向,承担了来自 工业区的污染物。处于最北的翠苑新村三区和翠苑新 村五区 Cd含量最高, 分别为 2. 6 mg kg- 1和 2. 3 mg kg - 1。处在市中心的居民小区与商业区相联,交通 繁忙,车流量大, 汽车尾气排放严重, 且居民区形成时 间较长, 促使了居民区土壤重金属 Pb和 Zn等的积 累。其中, Pb、Cu和 Zn含量最高的小区为西湖沿岸的 华光小区、清波小区、麒麟小区和城站路小区等。一方 5774期 � � � � � � � � � � 符娟林等: 基于 GIS的杭州市居民区土壤重金属污染现状及空间分异研究 面,由于这些小区形成时间较长,燃煤、垃圾、油漆等对 居民区土壤中重金属 Pb、Cu和 Zn含量影响很大。对 杭州市居民区已有的研究表明 [ 11 ] ,杭州市居民小区土 壤含 Cu、Pb和 Zn量随居民小区形成时间的增加而增 加。另一方面,由于这些居民小区分布在西湖附近或 附近有河道分布,河道污水向周围渗透以及河湖底清 淤产生的污泥覆盖在这些地区也加重了这些居民区土 壤重金属的积累。 参考文献: [ 1] � Chen H M, Zheng C R, Tu C, et a.l H eavy m etal pollut ion in so ils in Ch ina: S tatus and coun term easu res[ J] . 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In add it ion, a database of heavym eta l concentrations w as established w ith the suppo rt ofG IS to ana lyze spat ia l var iat ion of the po llut ion. A spatia l distribution map o f the heavy metal po llution w as attained. The results show ed that all the so ils had been con tam inated by heavym eta ls to a d ifferent exten .t About 4% of the residential soils w ere low- level po lluted, and 54% were medium - level po llu ted, and the rest w ere h igh - leve l polluted. The h igh - leve l po lluted so ils w erema in ly distributed in the no rthw est- southeast orienting areas o f the c ity w hich includedmost of the north, center reg ions and part of the southeast reg ions of the city. Industria l activities and age o f the residentia l areas w ere themost impo rtant factors affecting accumu lation o f heavy meta ls in the so ils. KeyW ords: Residential so i;l Heavym etal po llution; Spatial var iat ion; Hangzhou 578 土 � 壤 � 通 � 报 � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 36卷
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分类:理学
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