基于gis的銅礦區(qū)土壤重金屬空間分布研究

基于gis的銅礦區(qū)土壤重金屬空間分布研究

采礦業(yè)對土地的嚴重破壞，已成為中國乃至世界上一個非常嚴重和突出的問題。在我國南方地區(qū)許多大型金屬礦的開發(fā)利用過程中,部分礦區(qū)土、水、氣、生環(huán)境質(zhì)量明顯下降,嚴重影響食品安全和人畜健康。土壤重金屬污染因其長期性和難以修復(fù)的特點已受到廣泛關(guān)注,而掌握重金屬污染的空間變化規(guī)律則具有特別重要的意義。我國在小尺度區(qū)域的土壤重金屬空間變異研究中,將GIS和地統(tǒng)計模型集成技術(shù)應(yīng)用于礦區(qū)土壤重金屬污染方面的較少。ArrouaysD等用地統(tǒng)計學方法研究了短距離土壤重金屬,包括鉛、銅和鉻的空間變異,結(jié)果表明針對研究區(qū)域具體情況設(shè)置采樣方案十分重要。本文采用地統(tǒng)計學方法,探討了浙江省諸暨市浬浦銅礦區(qū)4號坑道周圍農(nóng)田、菜地、荒地土壤重金屬含量的空間變異性,為改善該區(qū)環(huán)境質(zhì)量以及今后更多相關(guān)區(qū)域空間變異研究提供參考。1研究領(lǐng)域和計劃1.1礦區(qū)地貌和地貌浙江浬浦銅礦位于浙江省中北部的諸暨市,29°43′23″N,119°59′09″E,采礦區(qū)總面積0.8km2。礦區(qū)內(nèi)地貌為單一丘陵地貌。礦區(qū)地屬中亞熱帶季風氣候,土壤類型主要為黃色砂頁巖發(fā)育的紅壤和山地黃紅壤。采樣區(qū)域位于礦區(qū)4號坑道以北,主要以4級階梯形式東西向分布。1.2網(wǎng)格法調(diào)查布點針對該銅礦區(qū)地形比較單一、研究區(qū)域?qū)儆谳^小范圍的情況,為確保樣品有代表性,在4號坑道北側(cè),主要依據(jù)土地利用類型和4級階梯各層走勢及長度狀況,在各級階梯上分別按照網(wǎng)格法調(diào)查布點,總共布點48個,點間距為10m。礦區(qū)中發(fā)生過漫灌的4號坑道位于采樣區(qū)域的南部偏東方向,距采樣區(qū)南側(cè)約300m;且有灌溉溝渠沿大致由南向北方向流經(jīng)采樣區(qū)域中部。1.3土壤樣品的采集根據(jù)布設(shè)的采樣點,按照《農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范(NY/T395—2000)》要求采集、制備土壤樣品。每個采樣點在30cm的直徑范圍內(nèi),土壤深度為0~20cm的耕層混合土壤樣品,風干后篩分備用。1.4自然干法、粉碎、整理、提取樣品分析:待測樣品按《農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范(NY/T395—2000)》標準程序進行自然風干、粉碎、過篩、消解(或提取)、測定。測定項目包括鉛、砷、鉻、銅、鋅、鎳全量、pH值,測定參見《土壤理化分析》。1.5分析與試劑鉛、砷、鉻、銅、鋅、鎳的全量測定:英國帕納科公司Axios生產(chǎn)的波長色散型X射線熒光光譜儀(型號AFS-820)。1.6空間依賴關(guān)系的半方差函數(shù)本文應(yīng)用地統(tǒng)計學的空間分析方法,該方法一般以半方差圖作為描述空間變異性的工具。它作為一種最優(yōu)的空間插值方法,已被廣泛地應(yīng)用到具有區(qū)域化變量特征的土壤學、環(huán)境科學和生態(tài)學等領(lǐng)域。地統(tǒng)計學分析利用ArcGIS9.1進行,包括半方差函數(shù)(semi-variogram)的計算和擬合比較、克立格法(Kriging)空間插值和模擬誤差分析。半方差函數(shù)也常稱為變異函數(shù),是地統(tǒng)計學中研究土壤變異性的關(guān)鍵函數(shù)。設(shè)在一維(二維或三維)空間中不同位置x1,x2,…xn上某土壤特性的觀測值為Z(x1),Z(x2),…Z(xn),半方差[γ(h)]可反映區(qū)域化變量的空間依賴關(guān)系,計算可用下式估算:式中:N(h)是以此為間距的所有觀測點的成對數(shù)目。以h為橫坐標,γ(h)為縱坐標作圖,即為半方差圖。空間局部插值(Kriging法)是建立在變異函數(shù)理論及其結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)之上,在有限區(qū)域內(nèi)對區(qū)域化變量的取值進行線性無偏最優(yōu)估計的一種方法,即(λi是權(quán)重系數(shù),Z(x)是樣品值,Z是估計值):2結(jié)果與分析2.1土壤環(huán)境污染由表1看出,研究區(qū)6種重金屬含量變異最高的是As、Cu、Zn、Pb。說明外來污染影響較大,多年來礦區(qū)開采造成的礦山酸性廢水污染(據(jù)實地調(diào)查,研究區(qū)即4號坑道在1967發(fā)生過礦山酸性廢水外涌),同時當?shù)卮迕翊罅渴┯没?、農(nóng)藥也可能是重要原因,主要使用的化肥為過磷酸鈣、氯化鉀、尿素。Cr變異程度最低,Ni的變異程度也較低,說明外來Cr與Ni污染影響可能較少。根據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB15618—1995),研究區(qū)土壤(pH<6.5)采樣點銅和鋅100%超標,鉛91.67%超標,砷79.17%超標,鎳68.75%超標,鉻未超標。研究區(qū)的土壤銅、鋅、鉛和砷含量達到嚴重污染水平,鎳污染相對較輕,采樣點鎳的平均值為45.7578mg·kg-1(鎳的二級標準為40mg·kg-1),而鉻尚未達到污染水平,因此研究區(qū)主要為Cu、Zn、Pb和As的復(fù)合污染。此外對偏度和峰度值的分析可以得知砷、鉻、銅、鋅、鎳、鉛為負偏,且除Cr外均為尖峰態(tài)。將Cr、As、Cu、Zn、Ni、Pb等土壤重金屬含量的分析數(shù)據(jù),做出不同土壤重金屬含量的頻數(shù)分布直方圖(Histogram),得出研究區(qū)土壤6種重金屬含量均為對數(shù)正態(tài)分布。2.2ni-pb的相關(guān)性由表2可見,研究區(qū)土壤重金屬As-Cu、As-Zn、As-Ni、As-Pb、Cu-Zn、Cu-Ni、Cu-Pb、Zn-Ni、Zn-Pb和Ni-Pb之間有很高的相關(guān)性。Cr與As、Cr、Cu、Zn、Ni和Pb相關(guān)性很低。2.3土壤重金屬的半方差擬合由于特異值的存在會造成變量連續(xù)表面的中斷,使得實驗半方差函數(shù)發(fā)生畸變,甚至會掩蓋變量固有的空間結(jié)構(gòu)特征,因此本文采用域法識別特異值,即樣本平均值加減3倍標準差s,在此區(qū)間以外的數(shù)據(jù)均定為特異值,然后分別用正常最大和最小值代替特異值。圖1是6種研究區(qū)土壤重金屬含量在各向同性條件下,按實際變異函數(shù)的計算結(jié)果,以半方差為縱坐標,采樣距離為橫坐標,分別繪制的半方差擬合曲線圖。從圖中可以看出,各元素的半變異函數(shù)曲線都有一個明顯的連續(xù)上升的區(qū)間,在此區(qū)間內(nèi),半方差隨分隔間距的增大而增大,到達一定尺度(變程)后,半方差曲線變得平緩。表明樣點間的相關(guān)性在超過這一距離后就不再相關(guān)了,顯示為當h>a時,γ(h)在某一值上下擺動,因而存在著空間變異結(jié)構(gòu)。這種變化格局可用具有閾值(Sill)的模型分別進行擬合,從中選出最優(yōu)的變異函數(shù)理論模型。表3為6種重金屬進行半方差擬合所選取的最佳理論模型及其相關(guān)參數(shù)。研究區(qū)土壤重金屬塊金值與基臺值的比值為:鉛>銅>砷>鋅>鎳>鉻。鉛、銅、砷元素的塊金值與基臺值的比值分別達到了92.6014%、86.6664%、76.0163%;其余3種重金屬塊金值與基臺值的比值均在25%~75%?？臻g相關(guān)是由結(jié)構(gòu)性因素和隨機性因素共同作用的結(jié)果。結(jié)構(gòu)性因素,如母質(zhì)、土壤類型、氣候等成土因素;隨機性因素,如耕作、管理措施、種植制度、土地利用方式、污染等人為活動。在用ArcInfo中的地統(tǒng)計分析模塊進行分析后,可以得到各種模型的插值誤差(表4)。如果預(yù)測誤差是無偏的,則平均預(yù)測誤差應(yīng)該接近于零。符合以下標準的模型是最優(yōu)的:標準化平均誤差最接近0,均方根預(yù)測誤差最小,平均標準誤差最接近于均方根預(yù)測誤差,標準化均方根預(yù)測誤差最接近于1。2.4krige插值結(jié)果根據(jù)Kriging插值原理及半方差函數(shù)擬合參數(shù)進行空間變異插值,繪制研究區(qū)土壤6種重金屬含量空間分布趨勢圖及重金屬含量分級分布圖。Kriging插值結(jié)果受變異函數(shù)模型的模擬精度、樣點的分布、鄰近樣點的選取數(shù)等許多因素的影響。插值的精確度可以通過插值誤差來反映,估計方差越小,即標準均方根預(yù)測誤差趨近于1,Kriging插值結(jié)果越準確。圖2到圖5為研究區(qū)土壤銅、鋅、鉛、砷含量(單位:mg·kg-1)的Kriging插值結(jié)果分布圖。從圖中可以看出,總體分布趨勢表現(xiàn)出南北向中間較高,以南北中間為中心向外遞減的特點,且南面的高值區(qū)要比北面大。根據(jù)國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準,如圖2~圖5所示:所有區(qū)域的銅和鋅含量均超過酸性土二級標準臨界值;西北、東和東南面部分區(qū)域鉛含量在一級標準臨界值與酸性土二級標準臨界值之內(nèi),其余部分均超出了酸性土二級標準臨界值;除該區(qū)域的西北部和東部外砷含量均在一級標準臨界值左右,其余部分地區(qū)含量均超過二級標準臨界值;鑒于Kriging插值結(jié)果顯示,研究區(qū)內(nèi)鎳、鉻含量相對較低且空間分布規(guī)律類似,故關(guān)于其克立格插值圖及其結(jié)果討論內(nèi)容在此不再贅述。3土壤重金屬含量與基臺值的關(guān)系(1)從土壤重金屬含量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析來看諸暨浬浦銅礦4號坑道周圍土壤重金屬砷、銅、鋅、鎳、鉛5種重金屬存在明顯的積累現(xiàn)象。研究土壤重金屬之間的含量相關(guān)性,可以推測重金屬的來源是否相同。通常若元素間顯著相關(guān),說明他們來自同一來源可能性較大,這一來源既有可能出自天然,即地球化學來源,也有可能是人為活動造成的復(fù)合污染所致。通過重金屬相關(guān)性分析,As-Cu、As-Zn、As-Ni、As-Pb、Cu-Zn、Cu-Ni、Cu-Pb、Zn-Ni、Zn-Pb、Ni-Pb之間有很高的相關(guān)性,表明其同源性很高。As、Cu、Zn、Ni、Pb是伴隨污染最多的元素。(2)土壤重金屬塊金值與基臺值的比值鉛>銅>砷>鋅>鎳>鉻。鉛、銅、砷元素的塊金值與基臺值的比值分別達到了92.6014%、86.6664%、76.0163%,按照區(qū)域化變量空間相關(guān)性程度的分級標準,屬于空間弱相關(guān),因為人類活動削弱了元素的空間相關(guān)性。其余3種重金屬塊金值與基臺值的比值均在25%~75%,屬于中等程度的空間相關(guān)。鉻的塊金值與基臺值的比值相對比較低,且研究區(qū)鉻含量的幾何平均值和對照樣接近,說明土壤中鉻含量主要受成土因素影響。(3)從分布特征來看銅、鋅、鉛、砷、鎳含量高值區(qū)基本重合,土壤中重金屬含量總體分布趨勢表現(xiàn)出南北兩側(cè)中間較高(南面的高值區(qū)要比北面大),以南