宁夏银川市市区表层土壤重金属元素数据集
张明鑫*，李 浩
宁夏大学资源环境学院，银川
750021
摘 要：土壤中重金属的含量关系到生态系统健康，城市土壤中重金属将直接和间接的危害居民人体健康。本研究以银川市区为采样区，3 km×3 km 的格网布设采样点采样，利用X-荧光光谱仪测定土壤样品中Co、Cr、Cs、Mg、Pb、和Ti 的含量，制作土壤重金属元素数据表。宁夏银川市市区表层土壤重金属元素数据集由银川市市区表层土壤重金属元素数据组成，大体上显示了银川市市区表层土壤中Co、Cr、Cs、Mg、Pb、Ti的含量及其分布情况。本研究对各重金属含量进行描述性统计分析，确定各重金属含量的极值及算术平均值，并与省区及全国背景值对比分析。使用污染负荷指数对土壤重金属进行评价，确定各重金属元素的污染程度。使用主成分分析方法计算土壤重金属元素的主成分载荷矩阵，并推断其主要来源。利用ArcGIS10.2中地统计学方法对土壤重金属点数据插值，展布到银川市区范围获得土壤重金属空间分布图。数据集中土壤重金属含量及其分析有助于了解城市区域重金属状况，为土壤综合治理、人体健康保障和疾病预防提供参考。该数据集包括：（1）样点的地理位置数据；（2）表层土壤重金属含量数据。数据集存储为.kmz、.shp和.xls格式，数据量为73.8 KB。
关键词：宁夏银川；市区；土壤重金属；空间插值
DOI: 10.3974/geodp.2018.02.12
1 前言
全球变化已成为当今世界广泛关注的重大科技、政治、经济、甚至外交问题。“十二五”期间中国实施的“全球变化研究国家重大科学研究计划”就将全球变化对粮食安全和人类健康的影响作为一个主要的研究任务[1]。土壤作为生态系统中重要的一环，对全球变化产生了巨大的影响[2]。当前，随着城市化进程的加快，交通、工业生产等人类活动不断增强，城市人口持续增加，城市环境问题日益突出[3–4]，土地利用类型不断变化导致土壤污染加剧。土壤是植物生长的介质，是人类赖以生存的基础。城市土壤中微量元素及重金属不断积累，将导致农作物中重金属含量超标。重金属元素通过挥发作用进入大气后，经口吸入或人通过接触含有重金属的土壤，饮用地表水和地下水，食用粮食蔬菜等暴露途径摄入的重金属会危害人体健康[5]。在重金属污染的环境中长期暴露会导致多种急慢性病，如头痛、恶心、呕吐、腹痛等[6]。老人和儿童抵抗力较成年人更差，更易受到重金属带来的危害[7–8]。
银川市是宁夏回族自治区的首府，是以发展轻纺工业为主，机械、化工、建材工业协调发展的综合性工业城市，黄河从市境穿过。常住人口219.11万人（2016年），城市居民用水主要来源于地下水。宁夏银川市市区表层土壤重金属元素数据集（Heavy
metal_topsoil_Yinchuan）[9]表征了银川市区范围内土壤中含有的对人体有害的重金属元素含量，为土壤综合治理，保障人体健康，促进环境可持续发展提供依据。
2 数据集元数据简介
宁夏银川市市区表层土壤重金属含量数据集的名称、作者、地理区域、重金属种类、数据年代、数据格式、数据出版单位、数据共享政策等信息见表1。
表1 宁夏银川市市区表层土壤重金属含量数据集元数据简表
3 数据采集处理过程
利用ArcGIS软件格网操作，按照3 km×3 km 的格网布设采样点，结合Google
Earth遥感图像确定采样点理论坐标。在实际采样过程中，根据采样点周边的环境进行适当调整，用GPS记录采样点的实际经纬度坐标，在ArcGIS软件中生成采样点示意图。在每一个采样点进行详细的野外调查记录和采样，并对所取的原状土样在室内自然风干，去除小石子、草根等杂质，压碎，过20目筛，用于测定土壤理化性质。同时，每个样品经缩分约取20 g用振动磨研磨，使其粒径小于200目（0.075 mm），压片。然后利用 X-荧光光谱仪（XRF） 测定土壤样品中Co、Cr、Cs、Mg、Pb、和Ti 的含量，测定过程中采用标准样品（GSD-12，GSS1）和重复样的方式进行质量控制并对其进行分析与评估。
图1 银川市土壤采样点示意图
4 数据成果
4.1 土壤重金属元素的描述性统计数据表
由表2可以看出宁夏银川市市区土壤表层中重金属含量与宁夏全区及全国的背景值对比情况。根据平均值来看，除Pb元素以外，其他重金属元素均高出全国背景值，Ti元素含量远大于宁夏全区与全国平均值。Co、Cr、Ti三种元素所有采样点值均大于全国背景值，且最小值与最大值之间间距较大。Mg、Cs、Pb三种元素的全国背景值处于其值间距之间，说明各元素存在明显的高值区，且有集聚效应。
表2 采样点6种重金属元素含量（mg/kg）[10]
|
元素 |
Co |
Cr |
Cs |
Mg |
Pb |
Ti |
|
最小值 |
16.7 |
66.2 |
0.1 |
0.98 |
12.8 |
1,189 |
|
最大值 |
108.4 |
143.8 |
41.3 |
2.80 |
49.1 |
2,428 |
|
算数平均值 |
37.2 |
109.1 |
17.7 |
3.25 |
25.0 |
2,040 |
|
宁夏背景值[11] |
11.5 |
60 |
5.4 |
1.22 |
20.6 |
0.35 |
|
全国背景值[11] |
12.7 |
61 |
8.2 |
0.78 |
26.0 |
0.38 |
4.2 土壤重金属污染评价
采用污染负荷指数（Pollution
Load Index，PLI）进行土壤重金属污染评价，从银川市市区表层土壤重金属污染负荷指数表（表3）可以看出：银川市表层土壤中Ti和Co为重度污染，Mg为中度污染，Cr、Cs和Pb为轻度污染。
表3
银川市市区表层土壤重金属污染负荷指数
|
元素 |
Co |
Cr |
Cs |
Mg |
Pb |
Ti |
|
PLI |
3.16 |
1.67 |
1.67 |
2.67 |
1.17 |
3,368.42 |
4.3 主成分分析
（1）将土壤重金属含量数据做标准差标准化处理，计算相关系数矩阵（表4）。
（2）由相关系数矩阵计算特征值，以及各个主成分的贡献率和累计贡献率。
（3）对特征值分别求其特征向量，再计算各变量在主成分上的载荷（表5）。
表4 银川市市区表层土壤重金属含量的皮尔逊相关系数矩阵
|
|
|
Co |
Cr |
Cs |
Mg |
Pb |
Ti |
|
Pearson’s
correlations |
Co |
|
0 |
0.32 |
0 |
0 |
0 |
|
Cr |
–0.486 |
|
0.18 |
0 |
0 |
0 |
|
|
Cs |
–0.048 |
–0.1 |
|
0.448 |
0.36 |
0.207 |
|
|
Mg |
–0.583 |
0.523 |
0.01 |
|
0 |
0 |
|
|
Pb |
–0.521 |
0.606 |
0.04 |
0.392 |
|
0 |
|
|
Ti |
–0.697 |
0.579 |
0.09 |
0.709 |
0.67 |
|
|
表5 主成份载荷矩阵 |
|
成分 |
1 |
2 |
3 |
|
Co |
–0.240 |
–0.067 |
0.341 |
|
Cr |
0.234 |
–0.217 |
0.443 |
|
Cs |
0.011 |
0.954 |
0.141 |
|
Mg |
0.238 |
0.003 |
–0.740 |
|
Pb |
0.236 |
–0.003 |
0.801 |
|
Ti |
0.273 |
0.088 |
–0.130 |
|
特征值 |
3.319 |
1.033 |
0.651 |
|
方差 |
55.310 |
17.211 |
10.850 |
|
累积方差 |
55.310 |
72.520 |
83.370 |
|
|
结果表明，银川市市区表层土壤的前3主成分的累积解释总方差为83.368%，第一主成分解释了总信息量的55.309%，主要反映自然因素对银川市市区表层土壤重金属累积的影响。第二主成分解释了总信息量的17.211%，可能矿石、工业污染是其主要来源。第三主成分解释了总信息量的10.848%，反映了交通可能是其主要来源。
4.4 土壤重金属元素空间分布格局
图2至图7显示了银川市市区表层土壤的重金属空间分布情况。由图可以看出，银川市市区表层土壤Co元素含量总体较高，市区东西两侧含量较高，市区内含量较低，有明显的高值带。结合重金属元素数据集可得：Co元素含量是全国背景值的2.93倍，最高值在P13，是宁夏背景值的9.43倍，最低值在P55，是宁夏背景值的1.45倍。Cr元素含量总体较高，呈现由东向西递减的规律，东部最高值在P94，其含量是宁夏背景值的2.40倍，最低值在P6，其含量是宁夏背景值的1.10倍。Cs元素的含量总体水平较高，呈现中部高四周低的空间分布，根据采样点记录，高值区处在银兴公路附近，最高值在P38是宁夏背景值的7.85倍，最低值在P92，是宁夏背景值的0.02倍。Mg元素呈现出南北两侧较高，东西两侧低的空间分布，北侧含量高于南侧，最高值与最低值差距不大，元素含量变化较为平缓。Pb元素含量由东向西递减，在高速公路附近出现条带状高值区域，总体含量与全国背景值相当，是宁夏背景值的1.21倍。Ti元素总体含量远超出全国背景值，呈现东北东南向西部递减的空间分布情况。
图2 重金属Co的空间分布
图3 重金属Cr的空间分布图
图4 重金属Cs的空间分布图
图5 重金属Mg的空间分布图
图6 重金属Pb的空间分布图
图7 重金属Ti的空间分布图
5 讨论和总结
宁夏银川市市区表层土壤重金属元素数据集表征了银川市市区表层土壤中Co、Cr、Cs、Mg、Pb和Ti 6种重金属元素的空间分布及其主要来源。从6种重金属的空间分布图可以发现：银川市市区表层土壤中Co、Cr、Cs、Mg、Pb、Ti的分布有明显的规律性，即有明显的高值区，高值区主要集中在绕城高速公路附近和工业园区。根据文献及对重金属元素的分析可以推测，Co与Ti元素主要来源受宁夏沙土土质的影响。Cr、Cs、Mg、Pb等重金属有富集的特性，主要来源于交通汽车尾气排放、粉尘以及工业生产等。本数据集中土壤重金属含量及其空间分析有助于了解城市区域重金属状况，为土壤综合治理、人体健康保障和疾病预防提供参考。
作者分工：张明鑫对数据集的开发做了总体设计并采集和处理了数据；李浩撰写了数据论文等。
参考文献
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2014.05
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国家环境保护局, 中国环境监测总站. 中国土壤元素背景值[M]. 北京：中国环境科学出版社, 1990：87-90, 330-496.