河南省土壤环境监测背景点位布设参考区域划分研究

解庆锋，周小果，王振峰，马振波，李胜昌，张得恩，司法祯

(1．河南省地质调查院，河南 郑州 450001； 2．河南省地质科学研究所，河南 郑州 450001； 3．河南省地球化学生态修复工程技术研究中心，河南 郑州 450001； 4．河南岩石矿物测试中心，河南 郑州 450001)

0 引言

河南省是国家粮食生产核心区，近年来由于城镇化速度较快，人口聚集明显，资源开发利用程度高，故而持续加强土壤环境保护极其重要。河南省政府印发的《河南省清洁土壤行动计划》中提出，建立土壤环境监测体系，实施土壤环境质量“一张图”管理，因此，对河南省土壤生态环境质量监测点位进行优化，提升土壤环境监测水平，既是国家要求，也是河南省的迫切需求，对美丽河南建设、保障“中原粮仓”安全具有重要意义。土壤环境监测点位分为风险点位、基础点位和背景点位，其中背景点位样品应不受人为干扰的自然含量，在此前提下才能反衬出人类活动对环境的影响程度[1-2]。点位优化过程中，背景点位的布设区域要突出其“源”，尽可能布设在人为活动影响较小的区域，由此得出的监测数据才能为风险点位评价作出重要参照。因此，合理划分背景点位布设参考区域非常必要。

1 数据来源

1981年，原河南省地矿局区调队开展了洛南幅、商南幅1∶20万区域化探扫面，1986年原地矿局地调一队、地调二队、地调三队参加，至1990年共完成59 120 km2河南省基岩区1∶20万水系沉积物测量(图1)。样品以1 km×1 km网格，在河流最大汇水域处采集水系沉积物样品，并按2 km×2 km网格用等重量法进行组合送检[3]。

2003年，由中国地质调查局统一部署，河南省地质调查院系统实施了河南省1∶25 万土地质量地球化学调查。截至目前，完成调查面积11.34万km2(图2)，覆盖了河南省平原区范围。样品采集以农用地土壤为主，按照1 km×1 km网格采集1件表层土壤样品(0～20 cm)，并按2 km×2 km网格用等重量法进行组合送检。

1—商南幅、洛南幅区域地球化学调查；2—栾川幅区域地球化学调查；3—鲁山幅区域地球化学调查；4—洛宁幅区域地球化学调查；5—内乡-南阳一带区域地球化学调查；6—平顶山幅、许昌幅区域地球化学调查；7—三门峡幅、洛阳幅、郑州幅区域地球化学调查；8—新县幅区域地球化学调查；9—临汝幅区域地球化学调查；10—泌阳幅区域地球化学调查；11—桐柏幅、信阳幅区域地球化学调查；12—固始幅、商城幅区域地球化学调查；13—长治幅、邯郸幅、陵川幅、鹤壁幅(部分)区域地球化学调查1—regional geochemical survey in Shangnan and Luonan area; 2—regional geochemical survey in Luanchuan area; 3—regional geochemical survey in Lushan area; 4—regional geochemical survey in Luoning area; 5—regional geochemical survey in Neixiang-Nanyang area;6—regional geochemical survey in Pingdingshan and Xuchang area; 7—regional geochemical survey in Sanmenxia, Luoyang, Zhengzhou area; 8—regional geochemical survey in Xinxian area; 9—regional geochemical survey in Linru area; 10—regional geochemical survey in Biyang area;11—regional geochemical survey in Tongbai and Xinyang area; 12—regional geochemical survey in Gushi and Shangcheng area; 13—regional geochemical survey in Changzhi, Handan, Lingchuan, Hebi (partial) area图1 河南省1∶20万水系沉积物测量工作程度Fig.1 Work degree map of 1∶200 000 stream sediment survey in Henan Province

图2 河南省1∶25万土地质量地球化学调查工作程度Fig.2 Work degree map of 1∶250 000 land quality geochemistry in Henan Province

样品分析均由河南省地矿局岩矿测试中心完成，水系沉积物测量分析项目包括Cd、As、Pb、Hg、Cr等39项元素指标，共取得数据17 113条。土地质量地球化学调查分析项目包括Cd、As、Pb、Hg、Cr等54项元素指标，共取得数据29 166条。

河南省成土母质数据是综合土壤母质的分类并依据土壤分类土属级别中母质信息予以归纳概括而成[4]，并运用 ArcGIS软件的空间数据处理和分析功能形成河南省土壤母质图(图3)，共分6 个主要成土母质大类。河南省的成土母质较为复杂，山区主要是各种岩石风化的残坡积物、洪积物及黄土，在平原地区则为冲积物、洪积物、河湖相沉积物和风积物。

图3 河南省成土母质分布Fig.3 Soil forming parent material map in Henan Province

2 不同成土母质重金属含量特征

背景点位区域主要考虑成土母质及成因，不同的成土母质对元素含量均有影响，因此需要对数据按成土母质类型进行分区。利用ArcGIS软件的空间分析功能，以河南省成土母质类型分布范围为统计单元，分别对水系沉积物测量数据、土地质量地球化学调查数据进行分区，并统计各分区中Cd、As、Hg、Pb、Cr等5种重金属元素的地球化学特征值[5-6]。

水系沉积物测量数据5种元素除在河湖相沉积物中较稳定外，Hg在其他成土母质类型中呈分异型，变异系数均大于100%；残积和坡积物成土母质类型中，Pb呈强分异，变异系数为564.5%， Cd在黄土与红土成土母质类型中呈强分异，变异系数为231.2%(表1)；说明重金属元素在山地丘陵区由于成矿作用对次生环境影响较明显。

表1 不同成土母质水系沉积物测量数据特征

土地质量地球化学调查数据中，5种元素在河湖相沉积物和风积物中较稳定，Hg在其他成土母质类型中强分异，变异系数均大于200%；残积和坡积物成土母质类型中，Pb呈较强分异，变异系数为111.0%， Cd在河流冲积物成土母质类型中呈分异型，变异系数为139.3%(表2)；说明工矿企业等人为活动对平原区的土壤有一定的影响。

表2 不同成土母质中土地质量地球化学调查数据特征

3 背景值区间计算与背景点位提取

样本受成矿作用及人类活动对次生环境的影响，使所有元素均形成不同程度的分异性特征，说明各元素含量叠加了自然背景而导致正异常或正偏。因此，对数据采取均值±2倍的标准离差迭代剔除离群值的方法消除特异值影响，剔除后的样本数据通过计算其均值±2倍标准离差值作为背景区间(表3)。

表3 不同成土母质背景提取区间值

根据不同成土母质各元素的背景区间值，利用ArcGIS软件“SQL”查询功能，分别对水系沉积物测量数据、土地质量地球化学调查数据点位进行提取，提取的点位区域分别代表该成土母质类型中该元素的背景区域。

4 背景点位参考区域确定

由于元素的分布及迁移转化规律有差异，需要对5种元素背景点位进行相交处理，即当5种元素的点位均在背景区域内时，可作为背景点位参考布设区域。本次利用ArcGIS软件的“相交”工具，以相同土壤母质类型抽取的Cd、As、Pb、Hg、Cr等5种元素点位数据，进行相交分析，得出空间相交的点位。然后将所有相交分析后的点位进行合并，得出河南省背景点位空间分布，再利用ArcGIS软件的“建立渔网”工具生成2 km×2 km网格，相交处理后的点位选择的网格即为背景点位布设参考区域(图4)。

图4 河南省土壤环境监测背景点位布设参考区域分布Fig.4 Distribution map of reference region for background point of soil environmental monitoring in Henan Province

5 样品采集验证

为了验证背景点位布设参考区域可用性，在不同母质类型中，选择无明显人为活动影响且具有代表性的连片农用地地块布设了50个点位，采集表层土壤样品(0～20 cm)并进行测试，获取了Cd、As、Pb、Hg、Cr等5种元素指标50组数据，其中残积和坡积物14组、河流冲积物15组、洪积物2组、黄土与红土12组、河湖相沉积物4组、风积物3组。

通过对数据分析，除Hg在河流冲积物、洪积物的算术平均值略高于该成土母质的土地质量地球化学调查背景值上限外，其他均低于或持平；多个样品数据指标最大值略高于相对应的区域背景值上限，其中Hg较明显(图5)。总体上该参考区域可用性较强，后期可通过点位微调实现背景点位的布设。

图5 样品采集验证数据对比Fig.5 Comparison chart of sample collection and verification data

6 结论

将河南省水系沉积物测量和土地质量地球化学调查数据按土壤母质分布进行分区、数据特征统计、背景值区间计算，提取了不同成土母质类型的背景点位，并由该点位通过空间分析形成了河南省土壤环境监测背景点位布设参考区域分布范围。其中山区丘陵区、南阳盆地、伊洛河盆地、黄河决口扇背景区域分布较少，说明Cd、As、Pb、Hg、Cr等5种重金属在该地区后期存在一定的影响；华北平原(河南部分)背景区域呈连片分布，且面积占比较高，侧面反映了河南省粮食主产区重金属元素影响较小，农产品产地的土壤相对安全。本次研究形成的区域分布范围通过实际采集测试验证，可用性较强，可作为河南省土壤环境监测背景点位的参考依据，但在实际布设过程中，除考虑土壤类型分布、土地利用现状、周边环境等因素外，还需要通过采样分析验证使样点位置更趋于合理化。