（自然地理学专业论文）诸暨浬浦铜矿区重金属空间变异性研究.pdf

诸暨涅浦铜矿区重金属空间变异性研究 地统计学方法 摘要 本文以浙江省诸暨市涅浦铜矿区4 号坑道周围农田、菜地、荒地和 山地土壤重金属污染区( 面积约为0 4 7 8 k m 2 ) 为研究区，基于g i s 的地 统计学方法研究了丘陵铜矿区重金属污染的空间变异规律。 利用g p s 定位，采样的距离控制在5 0 1 0 0 米之间，共采集4 9 个土 壤样品，其中一个在离研究区3 0 0 0 米山地所采土样，作为研究区的对照 样。土壤分析项目包括铜、锌、铅、镍、砷和镉元素的全量，以及土壤 p h 值、土壤有机质、土壤粒经、铜和锌的有效量。 文中利用a r c g i s 的地统计分析模块进行了空间变异分析，包括：( 1 ) 计算半方差函数并选择最佳的拟和模型和参数；( 2 ) 通过交叉验证选择 合适的克立克方法( k r i g i n g ) ：( 3 ) 通过空间插值，绘制重金属( 全量和 有效量) 污染空间分布图，分析空间变异规律和影响因素。研究表明， 基于a r c g i s 的地统计分析模块可以较准确分析铜矿区重金属污染的空间 变异特征。结果表明： ( 1 ) 诸暨涅浦铜矿4 号坑道周围土壤砷、铬、铜、锌、镍、铅六种 重金属分布均呈对数正态分布，采用几何平均值及标准差为代表值，研 究表明砷、铜、锌、镍、铅五种重金属存在明显的积累现象。 ( 2 ) 涅浦铜矿4 号坑道周围土壤重金属a s c u 、a s z n 、a s n i 、a s p b 、 c u z n 、c u - n i 、c u - p b 、z n - n i 、z n p b 、n i p b 之间有很高的相关性， 表明他们之间同源性很高。c r 与a s 、c r 、c u 、z n 、h i 、p b 相关性很低， 表明它的积累独特，外源积累也少。a s 、c u 、z n 、n i 、p b 是伴随污染最 多的元素。 ( 3 ) 涅浦铜矿4 号坑道周围土壤重金属空间变异规律为：块金值与 基台值的比值铜 锌 铅 砷 镍 铬。铅、铜、砷元素的块金值与基台值的 比值分别达到了9 2 6 0 1 4 、8 6 6 6 6 4 、7 6 0 1 6 3 ，属于空间弱相关， 因为人类活动削弱了元素的空间相关性。其余三种重金属块金值与基台 值的比值均在2 5 7 5 ，属于中等程度的空间相关。铬的块金值与基台 值的比值相对比较低，说明土壤中铬含量主要受成土因素影响。 ( 4 ) 在用a r c g i s 中的地统计分析模块进行分析后，可以得到各种 模型的空间插值误差。结果显示：锌所得到的空间插值误差较大，镍、 砷、铬、铜、铅所得到的空间插值误差相对较小。 诸暨淫浦铜矿区空间变异性研究地统计学方法 ( 5 ) 根据k r i g i n g 插值原理及半方差函数拟合参数，应用a r c g i s 软 件中的g e o s t a t i s t i c a l a n a l y s t 模块进行空间变异插值，绘制出诸暨涅浦铜 矿4 号坑道周围土壤六种重金属含量空间分布图。从图中能清晰地反映 出不同区域各种重金属含量范围，可为该区域污染控制与治理提供基础依 据。 ( 6 ) 涅浦铜矿4 号坑道周围土壤重金属有效量及土壤理化性质空间 变异规律为：块金值与基台值的比值：铜有效量 p h ) 有机质 锌有效量 有机质 土壤粒度。铜的有效量、p h 值和锌有效量的块金值与基台值的比 值分别为8 6 5 9 6 、8 2 。8 3 3 9 、8 0 8 7 1l ，属于空间弱相关。说明铜有 效量、锌有效量和p h 空间弱相关。有机质和土壤粒度块金值与基台值的 比值均在2 5 7 5 ，属于中等程度的空间相关 ( 7 ) 根据k r i g i n g 插值原理及半方差函数拟合参数，应用a r c g i s 软件 中的g e o s t a t i s t i c a l a n a l y s t 模块进行空间变异插值，绘制出诸暨涅浦铜矿4 号坑道周围土壤铜和锌有效量含量空间分布图。从图中能清晰地反映出 铜和锌有效量在该区域不同方位的含量范围。 关键词：重金属，重金属有效量，地统计学，空间变异 n 浙江师范大学硕士学位论文 as t u d yo ft h eh e a v ym e t a l ss p a r r i a lv a j 刚【棚o n o fz h u j iu p uc o p p e rm i n i n ga r e a m 咂t h o d so fg e o s t a t i s t l c s a b s t r a c t t h i sr e s e a r c hw a sc a r r i e do nt h eh e a v ym e t a lp o l l u t e da r e a s ( 0 4 7 8 k m 2 ) a r o u n dn o 4 s a po fz h u j il i p uc o p p e rm i n i n g8 1 e a i nz h e j i a n gp r o v i n c e ，w h i c hi n c l u d sf a r m l a n d s ， v e g e t a b l ep l o t s , t h ew i l da n dm o u n t a i n o u sr e g i o n s i tt a k e st h em e t h o do fg c o s t a t i s t i c s b a s e do ng i st os t u d yt h es p a t i a lv a r i a t i o nr u l e so fh e a v ym e t a lp o l l u t e da r e a si nc o p p e r m i n i n ga r e ao nt h ew o l d s u s i n gt h eg p sp o s i t i o n i n gs y s t e m , t h es a m p l i n gd i s t a n c ew a sc o n t r o l l e db e t 、m o e n 5 0 1 0 0m e t e r s 4 9s o i ls a m p l e sw e r et o t a l l yg a t h e r e d , a n dw e r ec o m p a r e dw i t hac o n t r o l m o u n t a i ns o i ls a m p l et h a tw a sg a t h e r e df r o m3 0 0 0m e t e r sa w a y t h ee v e n t so f s o i la n a l y s i s i n c l u d et h ee n t i r eq u a n t i t yo fc u , z n , p b ，n i ，a sa n dc r , a sw e l la st h ep hv a l u e s ，t h eo r g a n i c m a t t e r , s o i lp a r t i c l es i z ea n dt h ee f f e c t i v eq u a n t i t yo f c ua n dz ni nt h es o i l t h er e s e a r c ha n a l y z e st h es p a t i a lv a r i a t i o nb yu s i n gt h eg e o s t a t i s t i c a l a n a l y s tm o d u l e o fa r e g i s t h ee v e n t si n c l u d e ：( 1 ) c a l c u l a t es e m i - v a r i a n c ef u n c t i o na n dc h o o s et h ef i t t e s t m o d e la n dp a r a m e t e r s ，( 2 ) c h o o s ea na p p r o p r i a t ek r i g i n gt h r o u g hc r o s s v a l i d a t i o n ，( 3 ) d r a wu pt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o n a lm a po fh e a v ym e t a l ( t h ee n t i r eq u a n t i t ya n de f f e c t i v e q u a n t i t y ) p o l l u t i o n , a n da n a l y z et h er u l e so fs p a t i a lv a r i a t i o na n dt h ei n f l u e n t i a lf a c t o r s t h r o u g ht h es p a t i a li n t e r p o l a t i o n t h er e s e a r c hi n d i c a t e dt h a tg e o s t a t i s t i c a l a n a l y s tm o d u l e i na r c g i sc a na n a l y z et h es p a t i a lv a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fh e a v ym e t a lp o l l u t i o ni n c o p p e rm i n i n ga r e ac o m p a r a t i v e l ya c c u r a t e l y t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a t , ( 1 ) t h ec o n t e n to fa s ，c r , c u , z n , n i ，p bi nt h es o i la r o u n dn o 4s a po fl i p uc u m i n i n ga r e ap r e s e n t e dal o g - n o m a ld i s t r i b u t i o n u s i n gt h eg e o m e t r i cm e a nv a l u ea n dt h e s t a n d a r dd e v i a t i o na st h et y p i c a lv a l u e ，t h e r ei so b v i o u sa c c u m u l a t i o ni na s ，c u , z n , n ia n d p b ( 2 ) t h ef a c tt h a tt h e r ew a sh i g hr e l e v a n c eb e t w e e na sa n dc u , a sa n dz n , a sa n dn i ， a s a n d p b ，c ua n d z n , c u a n d n i ，c u a n d p b ，z n a n d n i ，z na n d p b ，p b a n d n i p r e s e n t e d h i g hh o m o l o g yb e t w e e nt h e m t h ef a c tt h a tt h e r ew a sl o wr e l e v a n c eb e t w e e nc ra n da s , c r , c u , z n , n i ，p bp r e s e n t e dt h a tt h ea c c u m u l a t i o no fc rw a su n i q u ea n di t sa c c u m u l a t i o n f r o me x t r a n e o u ss o u r c ew a sl i t t l e a s ，c uz n , n ia n dp bw e r et h ee l e m e n t sw i t ht h em o s t p o l l u t i o n ( 3 ) t h es p a t i a lv a r i a t i o nr u l e so f t h e s eh e a v ym e t a l sa r e ：c o ( c + c o ) ：c u z n p b a s 诸暨淫浦铜矿区空间变异性研究地统计学方法 n i c r b e c a u s eh u m a na c t i v i t ys l a c k e n st h ee l e m e n t s s p a t i a lr e l e v a n c e t h e c o ( c + c o ) r a t i o e so fp b ，c u a n da sr e s p e ，c t i v e l y a c h i e v e d9 26 0 1 4 8 66 6 6 4 a n d 7 6 0 1 6 3 b e l o n g i n gt ot h ew e a kd e g r e es p a t i a lc o r r e l a t i o n a n dt h er a t i o so fo t h e rl l l r e e k i n d so fh e a v ym e t a l sw e l eb e t w e e n2 5 7 5 b e l o n g i n gt ot h em e d i u md e g r e es p a t i a l c o r r e l a 矗o n n l ef a c tt h a tt h er a t i oo f c rw a sl o w e l i n d i c a t e dt h a tt h ec o n t e n to fc ri nt h e s o i lw a sm a i n l yi n f l u e n c e db ys o i lf o r m e r s ( 4 ) a f t e ra n a l y z i n gw i t hg e o s t a t i s t i c a l a n a l y s tm o d u l ei na r c g i s ，t h ee r r o rr a t i o so f s p a t i a li n t e r p o l a t i o no fe a c hk i n do fm o d e lc a nb eo b t a i n e d t h er e s u l t ss h o w s ：t h ee r r o r r a t i oo f z nw a sa r eh i g h e r , t h eo n eo f n i , a s ，c r , c u ，p bw a sl o w e r ( 5 ) a c c o r d i n gt ot h es u i t a b l ep a r a m e t e r sb a s e do nt h ek r i 百n gi n t e r p o l a t i o np r i n c i p l e a n ds e m i v a r i a n c ef u n c t i o n , u s i n gg e o s t a t i s t i c a l a n a l y s tm o d u l e , t h i sa r t i c l ec a r r i e do nt h e s p a t i a lv a r i a t i o ni n t e r p o l a t i o n , ac h a r ta b o u ts p a t i a ld i s t r i b u t i o no ft h e s es i xk i n d so fh e a v y m e t a l sc o n t e n tw a sd r a w n t h ec h a r tc a l lr e f l e c tt h ec o n t e n t ss c o p eo ft h es i xk i n d so f h e a v ym e t a l si nd i f f e r e n tr e g i o n s i tc a np r o v i d et h ef o u n d a t i o nb a s i sf o rt h ep o l l u t i o n c o n t r o l l i n ga n dm a n a g e m e n to f t h er e g i ( 6 ) t h es p a t i a lv a r i a b i l i t yr u l e so ft h eh e a v ym e t a l s e f f e c t i v eq u a n t i t ya n dt h es o i l s p h y s i c a la n dc h e m i s c a ln a t u r e s ：c o ( c + c o ) ：e f f e c t i v eq u a n t i t yo fc u p hv a l u e o r g a n i c m a t t e r e f f e c t i v eq u a n t i 留o fz n o r g a n i cm a t t e r s o i lp a r t i c l es i z e 1 1 地c o ( c + c o ) r a t i o so f c u se f f e c t i v e q u a n t i t y p h v a l u e sa n dz n se f f e c t i v e q u a n t i t y a c h i e v e d 8 6 5 9 6 ，8 2 8 3 3 9 ，8 0 8 7 1l ，a n dt h e yb e l o n gt ot h ew e a kd e g r e es p a t i a lc o r r e l a t i o n n e f a c t sa b o v ei n d i c a t e dt h a tt h e r ew a sl o wr e l e v a n c eb e t w e e ne f f e c t i v eq u a n t i t yo f c u , e f f e c t i v eq u a n t i t yo f z na n dp hv a l u e s a n dt h ec o ( c + c o ) r a t i o so f o r g a n i cm a t t e ra n d s o i lp a r t i c l es i z ew e r eb e t w e e n2 5 7 5 ，b e l o n g i n gt ot h em e d i u md e g r e es p a t i a l c o r r e l a t i o n 。 ( 7 ) b a s e d o n k r i g i n gi n t e r p o l a t i o nt h e o r y a n ds e m i - v a r i a n c ef u n c t i o n f i t p a r a m e t e r s ，a n dt h o u g hu s i n gg e o s t a t i s t i c a l a n a l y s tm o d u l ec a r r i e do nt h es p a t i a lv a r i a t i o n i n t e r p o l a t i o n ，ac h a r ta b o u ts p a t i a ld i s t r i b u t i o no fc o p p e r sa n dz i n c se f f e c t i v eq u a n t i t y c o n t e n tw a sd r a w n t h ec h a r tc a nr e f l e c tt h ec o n t e n t sr a n g eo f e f f e c t i v eq u a n t i t yo f c ua n d z ni nd i f f e r e n tr e g i o i l sc l e a r l y k e y w o r d s ：h e a v ym e t a l ，e f f e c t i v eq u a n t i t yo f h e a v ym e t a l ，g c o s t a t i s t i c s ，s p a t i a l v a r i a b i l i t y 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机构已经发 表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明 确的声明并表示了谢意。 研究生签名：衫d 篷 日期：多加、7 学位论文使用授权声明 本人完全了解浙江师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描 等手段保存、汇编学位论文。同意浙江师范大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播论文的全部或部分内容。保密的学位论文在解密后遵守此协议。 研究生签名衫l l 薄 导师躲庐j 啷 日期：加口- 7 ，、7 浙江师范大学硕士学位论文 一、文献综述 由于自然景观、成土过程和气候带的空间连续性，使得土壤特性在空间上并非象 f i s h e r 原理所假设的那样彼此独立且均匀，而是在某一特定空间区域内彼此相关，运 用统计分析技术对不同空间尺度的土壤特性进行分析，了解土壤特性的空间变异性， 对于探索和理解土壤中的物理及生物学过程具有重要的意义【1 1 。土壤特性存在空间变 异性己为人们所熟知，在进行土壤环境质量评价或专题制图时，经常要研究土壤中重 金属的空间结构特征，以进行由点到面的拓展，进而对未采样点进行最优估值研究 土壤中重金属含量的起伏变化特征、趋势走向及不周方向的差异性等空间结构特征是 土壤质量时空变异规律研究的一项重要内容。 ( 一) 重金属污染来源 1 大气中重金属沉降 大气中的重金属主要来源于工业生产、汽车尾气排放及汽车轮胎磨损产生的大量 含重金属的有害气体和粉尘等。它们主要分布在工矿的周围和公路、铁路的两侧。大 气中的大多数重金属是经自然沉降【2 l 和雨淋沉斟3 j 进入土壤的。工矿区金属粉尘的大 气沉降是土壤重金属的又一重要来源，在对我国几个大型金属冶炼厂调查研究时，发 现附近土壤中p b 、z n 、c d 含量皆与离污染源距离呈密切的指数相关( r 2 0 9 ) ，在 我国气候条件下，污染源东南向土壤中的重金属含量往往高于其他方向，原因可能主 要与该区的风向有关，西北风向常常偏多【4 】。并且大气沉降物中重金属输入量与大气 污染状况密切相关，在太原不同类型区大气污染状况与大气沉降输人土壤中重金属累 积顺序一致均为工矿区 城区和近郊区 风景区 远郊区 5 1 。 在国外也有大量的研究。据k l o k e 6 l 的报道，许多工业发达国家，大气沉降对土 壤系统中重金属积累贡献率在各种外源输入因子中排在首位。运输，特别是汽车运输 对大气和土壤造成严重污染，主要以p b 、z n 、c d 、c r 、c u 等的污染为主，它们来自 于含铅汽油的燃烧和汽车轮胎磨损产生的粉尘，据在斯洛文尼亚1 7 】从居波加到扎各瑞 波公路两侧，铅除了分布在公路两侧以外，还受阶地地貌和盛行风的影响，高铅出现 在低地，公路顺风一侧铅含量较高。在纽约市“市区一郊区一农区”落叶阔叶林死地 被层中重金属变化格局中，大气污染是森林地被层中重金属的主要来源j 。在美国蒙 大拿州某有色冶金企业每年排入大气中的锌约5 t ，镉约2 5 0 k g ，其周围地区土壤表层 o o 。2 5 e m 内锌的含量很高，离厂1 8 k m 达1 0 9 0 m g k g ，离厂3 6 k i n 为2 3 3 m g k g ，离厂 7 2 k m 为4 8 m g k g ，在上述距离土壤中镉的含量分别为3 7 m g k g ，1 7 m g k 和4 m g k g ， 可见冶金企业排放的废气对周围环境有明显的污染，而且离厂越近，污染越严重p j 。 2 农药、化肥和塑料薄膜使用 某些农药在其组成中含有汞、锌、铜、铁等重金属，经常施用这些农药易引起重 金属污染，施用含有铅、汞、镉、砷等的农药和不合理地施用化肥，都可以导致土壤 中重金属的污染。一般过磷酸盐中含有较多的重金属h g 、c d 、a - s 、z n 、p b ，磷肥次 之，氮肥和钾肥含量较低，但氮肥中铅含量较耐1 0 l 。肥料中的重金属污染主要是来自 磷肥中的c r ( 中国含镉量0 1 2 9 m r , l ( g ，美国7 。4 1 5 。6m g k g ，澳大利亚1 8 9 l m g k g ) 1 1 1 。经过对上海地区菜园土地、粮棉地的研究l 垃】，施肥后，c d 的含量从o 1 3 4 m g k g 升到o 3 1 6m g k g ，h g 的含量从0 2 2m g k g 升到0 3 9g k g ，c u 、z n 增长2 3 。 诸暨淫浦铜矿区空间变异性研究地统计学方法 通过新西兰5 0 年前和现今同一地点5 8 个土样分析自施用磷肥后，镉从0 3 9m g k g 升至0 8 5m g k g i i “。 近年来，地膜的大面积的推广使用，造成了土壤的白色污染。由于地膜生产过程 中加入了含有c d 、p b 的热稳定剂，同时也增加了土壤重金属污染。 3 污泥施肥 污泥中含有大量的有机质和氮、磷、钾等营养元素，但同时污泥中也含有大量的 重金属，随着大量的污泥进人农田，使农田中的重金属的含量在不断增高。污泥施肥 可导致土壤中c d 、h g 、c r 、c u 、z n 、n i 、p b 含量的增加，且污泥施用越多，污染 就越严重，c d 、c u 、z n 引起水稻、蔬菜的污染；c d 、h g 可引起小麦、玉米的污染； 污泥增加，青菜中的c d 、c u 、z i l 、n i ，p b 也增加【1 4 】。a n t h o n y 1 5 】研究表明，用城 市污水、污泥改良土壤，重金属h g 、c d 、p b 等的含量也明显增加。 4 含重金属废弃物堆积 含重金属废弃物种类繁多，不同种类其危害方式和污染程度都不一样。污染的范 围一般以废弃堆为中心向四周扩散。通过对北京市城区垃【1 6 】、杭州某铬渣堆存区、 城市生活垃圾场1 1 8 】、及车辆废弃场【1 9 1 附近土壤中的重金属污染的研究，这些区域的 重金属c d 、h g 、c r 、c u 、z n 、n i 、p b 、a s 、s b 、v 、c o 、m n 的含量高于当地土壤 背景值，重金属在土壤中的含量和形态分布特征受其垃圾中释放率的影响，且随距离 的加大重金属的含量而降低，由于废弃物种类不同，各重金属污染程度也不尽相同， 如铬渣堆存区的c d 、h g 、p b 为重度污染，z n 为中度污染，c r 、c u 为轻度污染。 5 金属矿山酸性废水污染 金属矿山的开采、冶炼、重金属尾矿、冶炼废渣和矿渣堆放等，可以被酸溶出含 重金属离子的矿山酸性废水，随着矿山排水和降雨使之带人水环境( 如河流等) 或直 接进人土壤，都可以间接或直接地造成土壤重会属污染。矿山开采所产生的大量酸性 矿井水和尾矿是造成矿区及其周围地区生态系统重金属污染的主要原因之一脚 2 ”。 在乐安江，自沽口至蔡家湾，由于德兴大型铜矿和沿江中、小工矿企业采矿活动 的影响，河床表层沉积物中重金属污染相当严重，铜、铅、锌、铬的实测浓度均不同 程度地超过各自初步的s q c ( 数值型质量控制基准水平) 【2 2 1 。广东大宝山矿山由于 采矿废水的直接排放以及采矿废石的堆放和淋滤已造成矿区周围生态系统的严重恶 化，并且废水流入的横石河，导致该河水灌溉的稻田中重金属( c u 、c d 、p b 和z n ) 的 质量分数也远远超出了土壤环境二级标准值1 2 们。贵州省几个典型金属矿区周围河水溶 解态重金属含量主要受到悬浮颗粒物释放的影响，而悬浮颗粒物基本都是从矿山的 尾渣区冲刷下来 2 3 1 。 ( 二) 重金属元素的形态及生物有效性的影响因素 土壤重金属含量的高低一直是土壤污染程度的一个重要指标，但是重金属元素在 环境中的行为和作用( 如活动性、生物可利用性、毒性等) 与其化学相密切相关，化学 相又与生物有效性相关，所以许多化学和生物的方法被用来研究重金属的活性【州。近 十多年来，国际上关于生物有效性的研究同益增多，在国内研究植物对土壤中重金属 的吸收也已成为一个重点。但是由于生物有效性研究中环境样品分析方法的多样性和 影响生物吸收重金属因素的复杂性，导致研究结果的复杂多样。重金属污染在环境中 不易为生物所降解，并且在生物体内积累和转化，在生物体吸收时与其化学形态有关， 2 浙江师范大学硕士学位论文 故现在研究重金属污染及其效用时，不仅要研究其污染的轻重、来源等问题，而且更 应该注意其形态利用的有效性，不同形态其生物有效性不同。前人在研究重金属污染 时已经把两者联系起来：在前人的基础上，本论文探讨了研究区有效态重金属的空间 分布与变异规律，便于今后的环境污染评价与治理。 在生物可利用方面，已有人采用逐级连续化学浸提技术分析河流底泥重金属形 态，结合生物试验，通过线形回归的方法，评价了不同形态的生物有效性【2 5 】；结果表 明，不同形态重金属的生物有效性，对不同吸收途径的生物( 食腐屑底栖动物、滤食 性底栖动物、水生根系植物) 是不同的，不同元素之间也有差异。可给态( 包括可溶态 和可交换态) 可直接为生物所吸收、富集并产生毒害作用，而碳酸盐态和f e m n 氧化 物态当环境的p h e h 值改变时，可转化为可给态，有机一部分硫化物不易被生物吸 收，而残渣态对生物无效 2 6 1 。也有人利用e d t a 试剂单独提取重金属单一形态，发现 e d t a 试剂的络合能力强，可以释放那些非硅酸盐结合态的金属，并与植物中的金属元 素的含量有较好的相关性，可以用来表示植物可利用态【2 刀。 重金属元素生物有效性受外界和生物自身的多种因素影响，前人从土壤中的重金 属总量、土壤溶液的p h 值、土壤的有机质含量、化学提取试剂、元素之间的相互作 用、粘土含量、植物种类、农业活动、污染时间等九个方面综述了影响土壤中重金属 生物有效性的因素田】。从太湖地区水稻土p h 的变化，对重金属元素有效态含量变化 的影响因素进行探讨，其中施肥、酸雨、土壤的性质是影响太湖地区水稻土土壤环境 质量变化和重金属生物有效性的主要因素 2 9 1 。宜兴市水稻土表层土壤p h 值平均下降 了0 4 ，而b 、c u 、z n 、m n 的有效态含量分别平均上升o 1 、2 、3 和7 m g k g 。其上升 幅度分别达6 5 ，6 2 ，3 1 3 和1 8 5 。z n 、m n 作为微量营养元素已发展到丰富甚 而过多的供应水平 3 0 l 。在对吉林省、黑龙江省黑土研究中发现口h 值变化0 5 个单位 左右，有效态铜含量变化约0 5 1 倍；有效态锰含量变化约3 5 倍；有效态锌含量 变化9 一1 5 倍之多：有效态磷含量变化约1 5 2 倍；有效态铁含量变化约3 4 倍【3 。 由于影响因素很多，前人在研究重金属生物有效性的影响因素时，往往是侧重于某一 方面。在土壤中，与酸碱度关系最为密切的是土壤一植物系统中的化学元素，它直接 影响着t 壤中各种元素的存在形态，有效性及迁移转化p ”邛】。也有人从土壤质地组 成和泥沙粒级大小不同对重金属污染物吸附能力的研究，吸附活性组分的含量和粒径 大小会影响重金属的吸附量，进而会影响土壤中可给态重金属离子的浓度，进而影响 生物有效性0 4 1 。以上研究很少从空间角度进行研究，本论文探讨土壤理化性质对污染 土壤有效态重金属的空间分布规律的影响。 ( 三) 土壤空间变异研究现状 1 土壤性质空间变异的研究方法 土壤特性空间变异性的研究方法由最初的经典统计学方法已经发展到了时序分 析方法1 3 5 l 、地统计学方法1 3 6 3 7 1 、随机模拟【3 引、分形和分数维方法1 3 9 1 以及应用g i s i 4 0 i 的研究方法。时间序列方法在解决长序列时间和空间数据时特别有用。随机模拟模型 不必考虑土壤本身的物理特性，侧重于模拟土壤属性的变化规律。分形方法是一种新 兴方法，这种方法对于揭示土壤属性的复杂程度具有独特的优点。0 i s 在处理空间数 据方面是其它方法所不及的，但这一技术并不仅限于分析土壤属性的空间变异性。目 前运用较多的是地统计学方法。经典统计学忽略了土壤属性在空间上的相关性，认为 诸暨涅浦铜矿区空问变异性研究地统计学方法 土壤属性是空间上相互独立的，这与土壤特性的实际情况不符，因此经典统计学无法 揭示土壤属性在一定空间距离上的相关性。地统计学很好的克服了这一不足，空间相 关域这一概念的提出对土壤属性最小相关范围做出了定量规范：地统计学的半方差函 数和多种k r i g i n g 优化插值方法对土壤属性在空间上的变化结构性能够定量和精确的 描述。 2 土壤性质空间变异研究进展 地统计学( g e o s t a t i s t i c s ) 是由南非矿山地质工程师d g k r i g e 于1 9 5 1 年提出， 法国著名地质学家gm a t h e r o n 于1 9 6 2 年创立【4 1 1 。经过4 0 多年的发展，地统计学已 经在需要进行时空变异分析及空间插值的许多领域得到了广泛应用。地统计学现已被 证明是分析土壤重金属空间分布特征及其变异规律最为有效的方法之一。 目前国内外用地统计学对空间变异的研究主要集中土壤理化性质方面。如：土壤 p h 、粘粒含量、有机质、土壤容重【4 2 4 5 1 ，电导率1 4 6 4 s 】，土壤养分4 9 5 m ，土壤盐分1 5 1 1 ， 微量元素【5 2 】，土壤湿度吲，地下水埋涮刊1 ，土壤土层厚度5 5 1 的空间变异。 地统计学方法在国内外己经大量应用于重金属污染空间变异的研究 5 6 5 n ，结合 g i s 的研究也有一些 5 s 5 9 1 ；但在国内这些研究大都集中在平原地区，在南方丘陵区 研究的很少。 ( 四) 地统计学在土壤重金属研究中的应用 1 应用于土壤重金属分布空间结构分析及制图 通过分析土壤中重金属的空间分布特征并绘制其分布图，有助于查明土壤环境质 量在区域空间内的变异原因、结果和趋势，对研究土壤环境的形成和发展、进行土壤 环境区规划和制定土壤环境保护措施及土壤环境风险评估具有很大的作用唧“”。 利用地统计学来绘制土壤环境质量图，直观地反映土壤重金属的空间变异特征， 在国内外已经得到了广泛的应用。i n l p e r a t o 6 2 】等于1 9 9 9 年对意大利n a p l e s 市的表层 土壤中的重金属铜、锌、镉、铅含量及其形态进行了研究，并利用克立格法绘制了等 值线图来描述铜、锌、镉、铅在表层土壤中的空间分布特征。v o ns t e i g e r 6 3 等对瑞士 东北部的w e i n f e l d e n 附近5 0 k m 2 土壤中的铜、锌、镉、铅进行了研究，并利用离散 克立格法( d i s j u n c f i v ek r i g i n g ) 绘制了其在土壤中的分布图。研究发现：铜、锌、镉、 铅四种重金属在土壤中的分布模式非常相似，并且可能具有相同的来源。 国内学者在这方面也做了大量的工作。张乃明畔】等应用地统计学方法分析了面积 为2 7 万h m 2 太原污灌区耕层土壤中的重金属h g 、c d 、p b 、盐分、氯离子含量及p h 数据的统计特征值和结构特征，并用克立格法绘制了等值线图。研究发现，h g 、c d 的空间分布有相似的趋势，p b 与氯离子的分布特征相似，这与实际情况比较吻合。 赵永存【6 5 j 等对吉林公主岭土壤中的砷、铬和锌含量的空间变异性及分布规律进行了类 似的研究。 2 应用于土壤重金属含量空间插值与土壤环境质量评价 利用地统计学对土壤重金属含量进行空日j 插值并对土壤环境质量进行评价近些 年来做了大量的工作。k o r r e t 6 6 17 】将统计学、地统计学与g i s 技术结合起来对希腊 l a v n o 旧矿区土壤中的重金属污染进行了研究与评估。研究表明，将地统计学方法与 g i s 工具结合起来，能有效地对土壤重会属污染及其来源进行预测与评估。m c g r a t h t ”j 等对爱尔兰的一个银矿区土壤中的铅含量进行了地统计学分析与危险性评估，并应用 4 浙江师范大学硕士学位论文 克立格法插值生成了铅含量分布图与风险因子分布图为决策者的土壤环境质量评估 提供非常有用的参考信息。王学军等【叫应用克立格方法对北京东郊污灌土壤表层重金 属含量进行了分析，并在此基础上进行了单因子与多因子评价。结果显示，采样区的 土壤属于轻度污染或无污染；由于污灌口分布、污泥使用等多种因素的影响，不同地 块土壤受到的污染程度不同，形成一定的空间差异。 3 存在的主要问题 地统计学方法虽然在研究土壤空间变异方面取得了很大的成功，但很多情况下其 结果的准确性还有待进一步提高。因为地统计学的应用首先要符合内蕴假设，而土壤 特性的空间变异性是否符合内蕴假设尚不清楚u o 。而且半方差函数的拟合曲线选择受 主观因素影响较大，同时取样数目直接影响变异程度的高低，如何合理选择采样点仍 然是一个难题。 在资源环境研究中，不同尺度研究的结果回答的问题不同，通常不能相互代替。 以空间尺度为例，大尺度研究是为了获取区域某一资源环境性质的整体特征，并不能 完全代表区内某一具体田块该性质的微小变化；反之亦然。另一方面，在不同尺度下 同时研究不同重金属元素的污染问题，有助于探明各种重金属元素适宜的研究尺度、 比较不同尺度间的结果差异及内在联系，进而提出相应的研究和管理策略。因此具有 重要的理论和实践应用价值。 目前，关于土壤质量空间变异的研究呈现出两个特点：一是研究的尺度多为小尺 度或农田尺度，中尺度或大尺度的研究报道很7 1 j ；二是研究内容多以单项或少数几 项土壤性质为主，鲜见系统研究土壤质量演替的研究报道。在研究尺度上，由于大尺 度的区域研究需要耗费大量的人力物力和时间，同时，区域研究获得的土壤性质数据 常因成土因素影响或人为管理等原因在整体或局部区域具有明显的趋势特征或异向 性特征，而常见的地统计学软件无趋势分析和( 异向性轴) 轴向搜索的功能，这类土 壤性质数据在变异函数模型建立和克里格内插的参数提供方面存在一定的困难，所以 时空变异研究多以农田尺度和小尺度( 浙江 广东 福律，随着该地区工业化进程的加快，其污染程度将愈来 愈明显。 表2 1 重金属在我国南方红壤地区的时空变化情况 6 浙江师范大学硕士学位论文 表2 2 我国南方缸壤地区污染概况 我国金属矿产资源主要分布在长江以南地区，特别是红壤地区删。目前，红壤地 区己探明具有一定贮量的矿产1 0 0 多种，其中有色金属矿产4 0 多种，是我国多种有 色金属的重要基地【8 ”2 。当前，伴随南方地区许多大型金属矿产的开发利用，在带 来经济效益的同时，也产生了非常明显的环境问题，部分矿区的环境质量到了令人堪 忧的地步1 8 0 跚。而且，红壤本身的缓冲能力比较弱，所以又是一个相对脆弱的土壤 体系。这些污染源大都具有扩散性，环境被污染以后，这些地区的土、水、气、生质 量都会明显下降，从而严重影响食品安全和人畜健康。同时造成土壤生态系统的严重 破坏，使该区人地矛盾激化，给土壤一植物生态系统带来了巨大的承载力【7 9 1 。因此研 究区域重金属污染的空间变化规律对污染区域的评价与治理具有现实的意义。 ( 二) 选题的理论意义 作为区域环境过程研究的一个重要手段，这种集成的研究方法在环境污染过程的 时空变异分析方面提高了定量性和可视化程度，为重金属污染的评价及治理提供决策 基础。 。 ( 三) 选题的实际意义 地统计学原理及嫡百n g 插值能用来研究重金属空间变化规律和污染途径，确定 研究区域重金属污染的空日j 变化规律，可以针对污染区域的特征、分布规律和环境影 响因子等深入展开研究和给出治理方案。 ( 四) 所要解决的主要问题及研究途径与方法 1 所要解决的主要问题 通过地统计学、地理信息系统( 0 i s ) 和全球定位系统( g p s ) 等技术的融合， 以地统计学原理为空间变易分析工具，研究矿区重金属污染在三维空间的变化规律， 从而确定矿区重金属污染的来源；定量分析典型丘陵矿区重金属污染区域过程的空间 变化以及土壤重金属污染之间的空间相关性，揭示土壤理化性质、地形、耕作等环境 因素对土壤中重金属污染的影响。 2 研究的内容 ( i ) 土壤重金属之间的相关性分析及其空间变异性分析； ( 2 ) 土壤重金属k r i g i n g 插值成图及结果分