贵安新区土壤生态环境风险评价及空间分异特征研究*

2024-03-04刘发勇田祥贵

贵州科学 2024年1期

刘发勇,何林,田祥贵

(贵州盘江煤电集团技术研究院有限公司,贵州贵阳 550081)

地统计学是研究地理空间要素及数据分布规律的重要方法,1962年由著名数学家Matheron在南非地质工程师Krige的研究基础上创立[1]。其应用领域已经覆盖矿产开采评估、三维地质模型构建、水文气象研究、生态环境环保、土壤安全评价等广阔领域[2-5]。如今,城市化进程的加快和工业化发展的不断扩大加剧了用地需求,工业的发展也给生态环境保护带来了挑战,许多城郊农业灌溉采用污水灌溉,加之含重金属化学肥料的使用,大量耕地农田受到严重污染,尤其是重金属的污染最为严重[6]。本文采用地统计学的方法,在地理信息技术的支撑下,建立土壤生态环境风险评价模型,对贵安新区土壤重金属的生态空间污染程度进行评价及分析,为城市规划建设、农业生产布局、生态环境保护等提供参考依据。

1 研究区概况

贵安新区地处黔中经济区核心地带,在整个贵州省地势大背景下贵安新区地势相对平缓,高程在1200～1300 m之间,生态环境良好,多年平均降雨量1179 mm,年均气温18.3 ℃,属亚热带湿润型季风气候,冬无严寒,夏无酷暑;其定位为中国内陆开放型经济示范区、中国西部重要的经济增长极和生态文明示范区,近年来依托大数据产业、数据服务中心、制造产业的发展,整体经济实力不断提高。

2 数据与方法

2.1 数据采样

本次土壤重金属数据采样点的选取采用非均匀性布点方法,选取贵安新区不同地类作为样地,分别为旱地、水田、果园、茶园等,共采集样本22个,监测数据内容包括土壤pH值及土壤中汞(Hg)、镉(Cd)、铬(Cr)、铅(Pb)、锌(Zn)、砷(As)元素的含量。

2.2 空间插值

地统计学中空间插值是一种重要的数据分析方法,其原理是通过一定数学模型将空间上离散的数据通过模型计算转换为连续曲面数据的一种地学数据处理方法[7]。根据野外实地监测数据结果,研究区内土壤pH值以及各元素分布与标准正太分布数据特征存在较大的差异,不适应选用克里金插值法进行数据处理,因此本次选择规则样条函数插值法及反距离插值法对监测数据进行空间分布模拟对比分析。针对不同的空间插值方法,其插值结果指标中平均误差与均方根误差指标是检验插值方法是否合理的直接判别标准,平均误差接近于0,均方根误差最小的插值结果最好,根据此对比指标来看,采用规则样条函数插值法对监测数据的插值效果明显优于反距离插值法,故选用规则样条函数插值法进行空间插值。

3 生态风险评价与分析

3.1 土壤重金属评价分析

土壤重金属评价是对土壤环境质量的综合评判,是土地利用规划、农业产业结构调整、精准农业的基础,根据GB15618—2018中的评价标准,在单因子评价的基础上再采用内梅罗综合指数法对贵安新区环境质量进行综合评价[8-9]。计算公式如下:

Di=Pi/Si

(1)

(2)

式中,Di为监测点中土壤污染物i的单因子污染指数;Pi为监测点中土壤污染物i的监测实际浓度;Si为污染物i的评价标准。Dc为综合质量指数;Diave为单项质量指数的平均值;Dimax为单项质量指数的最大值。

3.2 生态环境风险评价

基于土壤环境质量评价的结果,参考徐争启等的研究成果,进一步对重金属元素可能存在的生态风险进行分析评价[10]。研究区域内土壤重金属的单项生态危害系数Ei及土壤中多种重金属的综合潜在生态危害指数Ri可分别表示为:

Ei=Ki/Di

(3)

(4)

式中:Di为单因子污染指数;Ki为土壤重金属i的生态毒性响应系数,参照Hakanson对重金属毒性响应系数分级,其危害程度划分标准见表3[10]。

根据采样点土壤样本单项污染指数Di,由公式(3)和公式(4)计算出各采样点中土壤各重金属元素单项生态危害系数及复合生态风险指数,如表4所示。

3.3 空间分异特征分析

为便于进行土壤改良管理, 对贵安新区各乡镇土壤重金属污染情况进行综合评价,考虑到同一乡镇存在不同污染等级,因此,通过建立基于面积权重与污染等级权重的综合指数进行区域土壤重金属污染评价,该方法是一种简洁综合考虑区域土壤重金属污染分布情况的方法,其计算公式如下:

(5)

式中:Di为区域土壤重金属污染综合指数,参考张素荣等[11-13]的研究,本文将Di≤0.7的土壤定义为清洁无污染,0.72的定义为中度污染;Pi为区域类土壤重金属污染等级,其分级标准与Di相同;Ai代表第i等级土壤重金属污染面积比例;n为乡镇数。

根据公式(5)得出贵安新区各乡镇土壤重金属综合污染指数(Di)与综合潜在生态危害指数(Ri)分布图(图1),Ri均<150,故不再进行分级处理。

图1 云贵山崩塌WY1、WY10分布图

图1 贵安新区土壤重金属综合评价图

根据评价结果显示:相比其他污染等级而言,中度污染呈点状分布,轻度以上污染等级占55.86%,Di值最高的为天龙镇,高达1.96,Di值大于1的乡镇还有大西桥镇、白云镇、蔡官镇、黄腊乡、刘官乡、乐平乡、党武乡、城关镇、湖朝乡、羊昌乡、马场镇,以上乡镇均为轻度污染乡镇;其余乡镇处于较清洁等级。各乡镇的综合潜在生态危害指数均属于轻微生态危害,对环境的综合影响还不是很突出,但是从图中可以看出,湖潮乡、党武乡以及刘官乡的综合潜在生态危害指数较高。