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第29卷第12期 2008年12月 环 境 科 学 ENVIRONMENTAL SCIENCE Vo1.29.No.12 

Dec.,2008 东莞市农业土壤重金属的空间分布特征及来源解析 蔡立梅 ,马瑾 ,周永章 ,黄兰椿 ,窦磊 ,张澄博 ,付善明 (1.中山大学地球科学系,广州510275;2.中山大学地球环境与地球资源研究中心,广州510275;3.广东省地质调查院, 广州 510800) 摘要:

对东莞市农业土壤进行了系统采样分析,测定了表层土壤中cu、zn、Ni、cr、Pb、cd、As和Hg的含量.利用GIS技术和多元 

地统计结合的方法,研究了上述8种重金属元素的空间分布特征和来源.结果表明,cu、zn、 、Pb、cd和Hg的含量均超过广东 省土壤背景值,尤其是Hg,Cd和Pb含量分别达到0.24、0.12和65.38 mg/kg,远高于背景值,说明随着东莞市快速工业化,土壤 中重金属呈明显积聚的趋势.上述8种元素可以由3个主因子反映.因子1为“自然源因子”,主要包括元素cu、zn、Ni、cr和 As,其高值区主要分布在研究区西部,主要受河流冲积物海相沉积物控制,低值区的空间分布受酸性火山喷出岩风化物和花岗 

岩风化物影响,因子1的空间分布主要受成土母质控制.因子2为“工业及交通源因子”,主要包括元素Pb和Hg,高值区主要 

分布在中部过渡区和西部平原区,高值区中心集中在中部过渡区的虎门镇和西部平原区的茶山镇,主要由该区工业污染所 

致.因子3为“工农业活动因子”,主要包括cd元素,其空间变异完全受人为随机因素控制. 

关键词:

农业土壤;重金属;多元地统计;空间分布;来源 中图分类号:

X53文献标识码:

A文章编号:

0250.3301(2008)12—3496.O7 Multivariate Geostatistics and GIS?

based Approach to Study the Spatial Distribution and Sources of Heavy Metals in Agricultural Soil in the Pearl River Delta,China CAI Li—mei , ' ,MA Jin , ,ZHOU Yong.zhang ' ,HUANG Lan.chun , ,D0U Lei , ,ZHANG Cheng-bo ’ ,FU Shan一 ?

 1,2 nnng (1.Department of Earth Science,Sun Yat—sen University,Guangzhou 510275,China;2.Center for Earth Environment and Resources,Sun Yat—sen University,Guangzhou 510275,China;3.Geological Investigation Institute of Guangdong Province,Guangzhou 510800,China) Abstract:

One hundred and eighteen surface soil samples were collected from the Dongguan Cit?

  012期 蔡立梅等:

东莞市农业土壤重金属的空间分布特征及来源解析 万 .在快速工业化过程的同时,也给当地环境造 

成一定污染压力,尤其是重金属污染.本研究以多元 统计和地统计方法相结合为手段,对东莞市农地土 壤重金属的空间分布特征和来源进行了系统地分 

析,旨在为该区农业土壤污染综合防治提供参考,并 为快速工业化、城市化地区土壤资源的持续利用和 合理管理提供科学依据. 1材料与方法 1.1研究区概况 

东莞市地处珠江三角洲东部,位于广、深两大都 市之间,其地貌由网河平原和低山丘陵构成,2种截 

然不同的地貌和地理条件使东莞市分异演化出3类 

明显不同的地域(图1).西北部为东江三角洲河网 

平原区,水资源丰富,主要成土母质为东江河流沉积 

物.其中位于三角洲上游东段的石排镇、横沥镇、企 石镇和桥头镇作为东深供水工程和东莞运河水源 圆 圈 Vz-] 东南丘陵区 镇 采样点 图1研究区分区及采样点分布 Fig.1 Zones and sample sites of studied area 区,自1991年以来环境受到严格保护,此区称为水 乡上游保护区(工区),总面积213.0 km2,占全市面 

积的8.6%.其它11个镇总面积549.7 kmz,占全市 总面积的22.2%,该地域过境水资源丰富,乡镇企 业密集,可称之为西部平原区(Ⅱ区).东南部为低山 丘陵地区(Ⅳ区),水资源短缺,包括9个镇,总面积 1 018.6 km2,占全市面积的41.2%,成土母质主要为 花岗岩、砂页岩;中部为山区与水乡的过渡地带,称 为中部过渡地带(Ⅲ区),包括常平镇、厚街镇和虎门 镇等8个镇(区),面积693.5 km2,占全市面积的 28.0%,成土母质为三角洲近代沉积物和花岗岩、红 色砂页岩 . 1.2样品采集 

根据工业布局、“三废”排放状况、灌溉水类型以 及农地面积进行布点(图1),共采集农地表层土壤 

样(0~20 cm)118个,表土采用多点采样方式(10~ 

15个点),等量混合后取1 kg混合样. 1.3样品处理与测试 土壤样品自然风干,剔除样品中的植物根系、有 

机残渣以及可见侵入体,用木棍碾碎并用玛瑙研钵 

研磨,过100目尼龙筛.所有处理样品经标准方法进 行消化处理后,Hg总量采用冷原子吸收法测定,As 

总量采用DDCAg分光光度法测定,其它元素采用原 子吸收分光光度法测定.样品测试在广东省生态环 

境与土壤研究所分析测试中心完成,分析过程中所 

用的试剂均为优级纯.土壤样品分析过程中加入国 家标准物质样品GSS一1作为未知样品的测定以进行 

分析质量控制,同时进行空白和试剂的实验¨ . 土壤样品基本性质的测定采用常规方法:

pH采 用电位法(水:

土=2.5:

1),有机质含量采用重铬酸 钾外加热法测定,测试结果见表1.可见土壤偏酸 

性,有机质含量处于中等偏下水平. 表1东莞市农业土壤基本性质 Table I Basic properties of a cultural soils in Dongguan City 4 …,… , 。

 2结果与讨论 

常规数理统计分析采用SPSS13.0软件完成,地 ……… 统计分析采用R软件拟合半变异函数、建立拟合模 2.1土壤重金属的统计性描述 型.在ArcGIS9.1中?

  环 境 科 学 29卷 分另0为21.82、66.15、20.52、43.01、65.38、0.12、 12.76和0.24 mg/kg,均没有超过国家二级标准中的 

土壤环境质量限定值n (表3),但有部分样品的 

cu、Ni、cd和Hg含量超过了限定值,尤其是Hg含量 最高值已达到1.01 mg/kg,远高于限定值0.3 mg/kg, 30%土壤样品Hg含量超过了二级标准,应引起重 视.除cr和As外,其余元素总量平均值都超过广东 省土壤背景值¨ ,尤其是 、cd、Pb平均含量分别 达到0.24、0.12和65.38 mg/kg,远高于背景值,说 明随着东莞市快速工业化,土壤中重金属呈明显积 

聚的趋势.从变异系数看,cd和}ig的变异系数相对 

较大,其余元素变异程度中等. 表2东莞市农业土壤重金属元素的统计性描述 Table 2 Descriptive statistics of the heavy metals of agricultural soils in Dongguan City 表3土壤重金属评价标准 Table 3 Evaluated standards of heavy metal concentrations in soil environment 2.2土壤重金属的相关分析 

表4计算了土壤pH、有机质和土壤重金属元素 问的相关系数,从表4可以看出,cu、zn、Ni、Cr、Pb、 As、Hg与有机质有较好的相关性,表明这些元素可 能来源于成土母质.Cu与zn、Ni、Cr、As,zn与Ni、 cr、As,Ni与cr、Pb、As,cr与Pb,Pb与Hg之间存在 显著正相关.由此可初步推断,cu、zn、Ni、Cr和As 

等5种元素可能同一来源,元素Pb与Hg同一来源, 

上述7种元素的来源与成土母质可能有关,而Cd元 素为其它来源. 表4东莞市农业土壤土壤pH、有机质和土壤重金属元素间相关系数 Table 4 Correlations matrix for the heavy metals,pH and SOM in the agricultural soils 

pH SOM Cu Zn Ni pH SOM Cu 

Zn 

Ni 

Cr Pb 

Cd 

As Hg 1 

0.384 1 

0.521 0.477 

0.464 0.438 0.520 0.483 

O.443 0.186 

O.O90 0.125 0.399 0.527 0.5oo 0.049 1 0.127 l 

0.204 0.O62 I)**表示99%置信区间显著,*表示95%置信区间显著 2.3土壤重金属的因子分析 

因子分析方法可用来判别土壤中重金属来 

源 ” .对8种元素进行因子分析,提取的3个因子解 

释了总方差的75%,表5指示了8种元素所属类别. 

因子1主要包括cu、zn、Ni、Cr和As等元素(表6),对 照讨论结果,这些元素含量与对应元素背景值相当, 1 O 0 O 

1 O O O 0 蜘唧 l 0 O 0 O O 跏 l O O O O O O 瑚 栅 ㈣ O O O O O O O 

一 一 一 一 一 一 。

螅幔恚穑欤澹蟆。

鳎澹颍濉?

冒_瑞_12期 蔡立梅等:

东莞市农业土壤重金属的空间分布特征及来源解析 且这组元素与土壤有机质显著相关(表4),一般认为 Cr和M主要受地球化学成因影响…, .B0mvka 在捷克东北部的研究也认为元素cu、zn、Ni和Cr主 要为地质来源.故将因子1作为“自然源因子”. 表5因子特征值 Table 5 Eigenvalues of factors 元素Pb和№在因子2中占有较大的因子载荷 (表6).从Pb和Hg在各区的分布可知,西部平原 区、中部过渡区和东南丘陵区Pb污染都较普遍,尤 以乡镇企业密集的西部平原区和中部过渡区最为严 

重,这说明土壤№、Pb的来源与该地区的工业有密 

切关系.在城市土壤中Pb常被作为机动车污染源的 

标识元素 ,土壤Pb的来源与东莞市的公路网密 

集以及机动车辆的急剧增加有关.因子2可称为“工 业及交通源因子”. 因子3主要包括cd元素,cd一般可作为施用 

农药和化肥等农业活动的标识元素 。

 .据统计,自 1990年以来东莞市共施用化肥超过200万t(实物 量)、农药3.5万tn ,其施用量远高于全国平均用 量,我国农药和化肥的利用率普遍较低,约有70% 流失到土壤、水和空气中 ,长期的农业生产活动, 使cd在土壤中明显累积.此外,密集的工业活动也 

是cd的重要来源之一,刘庆等 研究浙江省慈溪 

市农田土壤重金属污染时,亦发现cd污染为工业 

“三废”排放.故因子3可称作“工农业活动因子”. 2.4因子的结构特征和空间分布特征 2.4.1因子的结构分析 半方差函数在原点处的数值称为块金常数 (C ),它由测定误差和小于最小采样尺度的非连续 性变异引起,属于随机变异;基台值(c。

+C )通常 表示系统内的总变异,它是结构性变异和随机性变 

异之和.块金值C。

与基台值(C。

+C )之比是反映 

区域化变量空间异质性程度的重要指标,称为块金 

效应.该比值用于反映空间变异影响因素中区域因 

素(自然因素)和非区域因素(人为因素)的作用.当 [C。

/(C。

+C )]<25%时,表明变量的空间变异以 

结构性变异为主,变量具有强烈的空间相关性;当上 述比值25%<[c0/(G0+C )]<75%时,变量为中 

等程度空间相关;[c。

/(C。

+C )]>75%时,以随机 变异为主,变量的空间相关性很弱 . 利用R软件拟合因子的半方差函数理论模型 

及其相关参数见表7.根据表7,因子1和因子2的 

变异函数理论模型分别符合指数模型和高斯模型, 块金值/基台值分别为33%和67%,可见,因子1的 €筙x4_G_!

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冒4栶_3500 环 境 科 学 29卷 空间变异以土壤母质、地形、土壤类型等结构性变异 

为主,变量具有强烈的空间相关性;而因子2的空间 变异以随机性变异为主,空间变异主要受人为因素 

的影响,变量具有中等的空间相关性.从图2(c)可 

看出,因子3的空间变异完全受人为随机因素的控 

制,在取样尺度内不具有空间相关性.因子的结构分 析也初步验证了因子分类的正确性. 0.8 0 6 凄o.4 {}L 0.2 

l?

O 

0.8 凄o.6 。

一4 0 2 糕1 O 闰 酞 o.5 图2因子的关变异函数 Fig.2 Semivariogram map of factors 2.4.2因子的空间分布特征及成因分析 对变量连续插值可更直观地查看其空间分布特 征,图3、4分别是利用ArcGIS地统计模块进行普通 Kriging插值后,因子的插值结果. 

从图3可看出,因子1的高值区主要分布在研 

究区的西部,区域上主要属于西部平原区和中部过 

渡区.对照研究区的成土母质图(图5)可看出 ,因 图3因子1的空间分布 Fig.3 Spacial distributions of factor 1 []_2 ̄一0.6 

圈…0.6 0 5 

圜_0_5—0.2 一0.2~0 2 目0.2~0.7 

圈o_7 ̄5.0 图4因子2的空间分布 Fig.4 Spacial distributions of factor 2 子1高值区与河流冲击物海相沉积物的空间分布十 分一致.而低值区的空问分布大致受酸性火山喷出 岩风化物和花岗岩风化物所控制.这说明因子1的 分布主要受成土母质的控制,与前面结构分析的结 论一致. 从图4可看出,因子2的高值区主要分布在中 

部过渡区和西部平原区,高值区中心集中在中部过 圈 ¨ 囹目圈 , #一 酬口园圆 。

┲仁欠从场?

区睹皦Y?

12期 蔡立梅等:

东莞市农业土壤重金属的空间分布特征及来源解析 3501 目河流冲积物海相沉积物 口花岗岩风化物 曰变质岩风化物 目砂页岩风化物 口酸性火山喷出岩风化物 图5东莞市土壤母质 Fig.5 Soil parent materials in Dongguan City 渡区的虎门镇和西部平原区的茶山镇.主要是由于 

该区工业污染所致,西部平原区由于水源充足、交通 方便,一些资源消耗大、污染程度大的制造业在改革 开放初期开始进入并迅速发展,随着这些重污染产 业的不断发展,大量重金属污染物排放到环境中,从 而也成为东莞市重金属污染最严重的区域.据统 计¨ ,2004年底虎门镇共有各种类型企业140多 家,其中有50多家电镀厂和3家电厂,茶山镇也分 布着东莞市25家重点污染企业,且多是造纸厂和电 镀厂.这说明因子2的来源与该地区的工业有密切 

关系. 

土壤中重金属的空间分布特征受到土壤质地、 地形、大气沉降和人类活动等多种影响.王学军 

等 研究了多种尺度的土壤微量金属元素含量的 空间结构,从小尺度的北京东郊污灌区,中尺度的深 

圳地区到大尺度的内蒙古.其研究认为在中尺度和 

大尺度的情况下,成土母质成为影响土壤中微量金 属元素空间分布的首要因素.本研究认为在乡镇企 

业密集的东莞市,成土母质和高强度的人类活动共 同控制土壤中重金属元素的空间分布,其中cu、zn、 Ni、cr和As等元素的空间分布主要受成土母质的控 制,而Ph、№和cd元素则主要受人类活动影响. 

3结论 (1)东莞市农业土壤中Cu、zn、Ni、Cr、Ph、cd、As 和Hg的平均含量均低于国家二级标准.但有部分 

样品的cu、Ni、cd和Hg含量超过了二级标准,尤其 是Hg含量最高值远高于限定值,30%土壤样品Hg 含量超过了二级标准,应引起重视.除cr和As外, 

其余元素含量都超过广东省土壤背景值,尤其是 

№、cd和Pb含量远高于背景值,说明随着东莞市快 速工业化,土壤中重金属呈明显积聚的趋势. 

(2)东莞市农业土壤中8种重金属元素有着不 同的来源.相关分析、因子分析和空间分析表明8种 重金属元素可分成3类.因子1为“自然源因子”,主 要包括cu、zn、Ni、cr和As等元素.因子2为“工业 

及交通源因子”,主要包括元素Pb和Hg.因子3为 “工农业活动因子”,主要包括Cd元素. 

(3)结构分析表明,因子1的空间变异以结构性 变异为主,空间变异影响因素主要为自然因素,具有 强烈的空间相关性.因子2的空问变异以随机性变 异为主,空间变异主要受人为因素的影响,具有中等 

的空间相关性.因子3的空间变异完全受人为随机 

因素的控制,在取样尺度内不具有空间相关性. 

(4)空间分析表明,因子1的高值区主要分布在 研究区的西部,区域上主要属于西部平原区和中部 过渡区,主要受河流冲击物海相沉积物控制.低值区 的空间分布大致受酸性火山喷出岩风化物和花岗岩 风化物控制.因子l的空问分布主要受成土母质控 

制.因子2的高值区主要分布在中部过渡 和 部 

平原区,高值区中心集中在中部过渡区的虎¨镇和 

西部平原区的茶山镇,主要由于该区工业污染所致. 参考文献:

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