我國東部地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染概況

環(huán)境修復(fù)網(wǎng)訊: 摘 要: 隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的高速發(fā)展，農(nóng)田土壤重金屬污染對(duì)糧食安全及人類的身體健康構(gòu)成巨大威脅。為 了解我國東部地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬的污染現(xiàn)狀，基于東部地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染數(shù)據(jù)，采用半方差函數(shù)分 析及克里金( Kriging) 插值手段，通過內(nèi)美羅( Nemerow) 綜合污染指數(shù)和地累積指數(shù)等土壤重金屬評(píng)價(jià)方法， 對(duì)我國東部地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬砷( As) 、鉻( Cr) 、鎘( Cd) 、汞( Hg) 及鉛( Pb) 的污染概況進(jìn)行綜合分析。結(jié) 果表明東部地區(qū)重金屬 Hg 污染最為嚴(yán)重，均值為中國土壤 Hg 元素背景值的 2．8 倍，近 30%東部地區(qū)處于 Hg 中度污染水平; 其次為 Cd，均值為背景值的 2 倍，50%以上東部地區(qū)處于鎘污染（Cd污染）警戒線，半方差分析結(jié)果顯 示 Cd 污染受人類活動(dòng)影響最強(qiáng); 廣東省農(nóng)田土壤重金屬綜合污染最為嚴(yán)重，內(nèi)美羅綜合污染指數(shù)高達(dá) 0．854， 克里金插值結(jié)果顯示 As、Cd、Hg 及 Pb 的高值區(qū)域均在廣東省有所分布。

關(guān)鍵詞: 土壤重金屬; 農(nóng)田; 中國東部; 空間變異; 重金屬污染評(píng)價(jià)

隨著中國工業(yè)化、城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，土壤重金屬污染問題日益突出。農(nóng)田土壤作為農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)的重要資源，重金屬一旦進(jìn)入土壤會(huì)影響作物產(chǎn)量和質(zhì)量，進(jìn)而通過食物鏈富集對(duì)人體健康 產(chǎn)生直接或間接危害［1，2］。據(jù)農(nóng)業(yè)部調(diào)查，我國 每年因重金屬污染減產(chǎn)和受重金屬污染的糧食分別為 1 000 萬 t 和 1 200 萬 t，合計(jì)造成的經(jīng)濟(jì)損 失高達(dá) 200 億元。近年來，為確保我國糧食安全， 農(nóng)田土壤重金屬污染問題已受到社會(huì)廣泛關(guān)注。

東部地區(qū)包括 3 個(gè)直轄市( 北京、天津和上 海) 和 7 個(gè)省份( 河北、山東、江蘇、浙江、廣東、福 建和海南) ，農(nóng)業(yè)產(chǎn)值 19108.2 億元，耕地面積 2 621．41萬 hm2，糧食產(chǎn)量 14 949．6 萬 t，經(jīng)濟(jì)總量 占全國的 50%以上，是我國城市化程度先鋒和經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的區(qū)域［3，4］，然而其農(nóng)田土壤正承受巨大的重金屬污染負(fù)荷。

安玉琴等［5］發(fā)現(xiàn)河北省 部分農(nóng)田土壤已受到鎘污染; 李瑞平等［6］研究了 山東 省 泰 安 市 農(nóng) 田 土 壤 銅 ( Cu) 、鎘 ( Cd) 、鋅 ( Zn) 、鎳( Ni) 、鉛( Pb) 和鉻( Cr) 含量，發(fā)現(xiàn)除 Pb 外均已超過當(dāng)?shù)乇尘爸? 陳京都等［7］研究發(fā)現(xiàn) Cd 為江蘇省典型地震帶農(nóng)田土壤重金屬污染的主要 因子; 楊國義等［8］研究指出廣東典型區(qū)域農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染的主要原因?yàn)槌赏聊纲|(zhì)和不同流域 水質(zhì)差異。從研究尺度看，多針對(duì)縣級(jí)和省級(jí)尺 度，由于缺乏相關(guān)土壤重金屬含量信息，而難以在 我國東部大尺度上開展土壤重金屬污染調(diào)查與評(píng)價(jià)，這使得我們無法全面了解我國東部整體農(nóng)田 土壤重金屬的污染狀況。河北省、山東省及江蘇 省作為我國重要的糧食生產(chǎn)地，廣東省、山東省、 江蘇省及浙江省作為人口大省，綜合考慮，研究東 部地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬的空間分布特征及污染概況，對(duì)保障全國糧食安全及促進(jìn)區(qū)域土壤、環(huán)境相關(guān)研究的開展具有重要意義。

內(nèi)美羅綜合污染指數(shù)能突出高濃度污染物對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響，同時(shí)反映出各種污染物對(duì) 土壤質(zhì)量的作用，近年來常被用于土壤重金屬綜 合污染評(píng)價(jià)［9，10］。地累積指數(shù)法考慮到自然成巖 作用可能引起背景值變動(dòng)，彌補(bǔ)了其他評(píng)價(jià)方法 的不足，近年來常被國內(nèi)用于評(píng)價(jià)土壤重金屬的 污染程度［11～ 13］。鑒于此，本文對(duì)東部地區(qū)農(nóng)田土 壤重金屬含量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，利用半方差函數(shù)和 克里金插值獲得東部農(nóng)田土壤砷( As) 、鉻( Cr) 、 鎘( Cd) 、汞( Hg) 、鉛( Pb) 5 種重金屬的空間變異 及分布特征，并采用內(nèi)美羅綜合污染指數(shù)及地累 積指數(shù)對(duì)東部地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染進(jìn)行綜合 評(píng)價(jià)，以期為改善東部地區(qū)農(nóng)田土壤生態(tài)環(huán)境及 加強(qiáng)食品安全保障提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

1.1 數(shù)據(jù)收集和整理

基于 2007－2017 年公開發(fā)表的文獻(xiàn)，對(duì)我國 東部地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和統(tǒng) 計(jì)( 表 1) ，并構(gòu)建在一定程度上能反映東部地區(qū) 農(nóng)田土壤重金屬污染情況的數(shù)據(jù)庫。文獻(xiàn)和數(shù)據(jù) 的選取原則: ①調(diào)查區(qū)域以地級(jí)行政市為單位，兼 顧縣級(jí)單位; ②采集土壤為 0 ～ 20 cm 耕作層土 壤，采集樣點(diǎn)較多; ③避開金屬礦區(qū)及污灌區(qū)等特 殊采樣區(qū)案例; ④將每個(gè)案例中重金屬的平均值作為該點(diǎn)位的值。數(shù)據(jù)整理后剔除異常值，選用三倍標(biāo)準(zhǔn)差法: 平均值±3 標(biāo)準(zhǔn)差。

1.2 研究方法

1.2.1地統(tǒng)計(jì)方法

半方差函數(shù)是基于區(qū)域化 變量滿足二階平穩(wěn)和本征假設(shè)的前提下，描述土壤空間異質(zhì)性的重要函數(shù)。Matheron［14］ 將其定 義為隨機(jī)函數(shù) Z( X) 的增量［Z( X+h) －Z( X) ］方 差的 1 /2，公式為:

克里金( Kriging) 插值是在區(qū)域化變量的原 始數(shù)據(jù)和半變異函數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)未采樣點(diǎn)的區(qū) 域化變量進(jìn)行線性最優(yōu)無偏估計(jì)［16］。根據(jù)半方 差模型參數(shù)進(jìn)行克里金插值，得到土壤重金屬的 空間分布圖。

1.2.2 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法

①內(nèi)美羅綜合污染指數(shù)。內(nèi)美羅綜合污染指數(shù)是美國學(xué)者 Nemerow［17］對(duì)河流進(jìn)行污染分析時(shí)提出的，本文以省為評(píng)價(jià)單元，在單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)的結(jié)果 上( 公式 2) ，通過內(nèi)美羅綜合污染指數(shù)( 公式 3) ，對(duì)各省農(nóng)田土壤重金屬綜合污染進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

根據(jù)評(píng)價(jià)指數(shù)的大小，將土壤重金屬污染程 度劃分為五類( 表 3) 。

②地累積指數(shù)。地累積指數(shù)法由 Muller［19］ 于 1969 年提出，主要用于沉積物中重金屬污染程 度的評(píng)價(jià)。計(jì)算公式為:

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用 Microsoft excel 2013 和 SPSS 20． 0 對(duì)重 金屬含量數(shù)據(jù)進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)，用 K-S 檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是 否符合正態(tài)分布; 用 GS+10． 0 半方差函數(shù)分析， 獲得最適半方差模型及擬合參數(shù); ArcGIS 10.2 進(jìn) 行克里金插值分析，獲得重金屬含量空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田土壤重金屬含量

農(nóng)田土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果( 表 5) 顯示， As、Cd、Cr、Hg 及 Pb 平均含量分別為 9． 257 mg / kg、0． 196 mg / kg、57． 956 mg / kg、0． 181 mg / kg 和 35．655 mg / kg，其中 Cd、Hg 和 Pb 累積較為嚴(yán) 重，均值分別為中國土壤背景值的 2 倍、2．8 倍和 1．4 倍。 變異系數(shù)( coefficient of variation，CV) 為標(biāo)準(zhǔn) 差與均值的比值，可以用來表征數(shù)據(jù)的離散程度， 比較不同量綱的數(shù)據(jù)。按照 Zhang 等［20］對(duì)變異 系數(shù)的分類，CV＜0．1 時(shí)為弱變異，0．1＜CV＜0．9 時(shí) 為中 等 程 度 變 異，CV＞0．9時(shí)為高程度變異。由v> 5可知，5 種元素在東部農(nóng)田土壤分布均為中等 程度變異，但 Hg 的變異系數(shù)高達(dá) 0．873，接近高 程度變異，說明 Hg 分布不均勻，存在人類活動(dòng)產(chǎn) 生的異常值。 峰度是概率密度分布曲線在均值處峰值高低 的特征數(shù)，偏度是統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分布的偏斜方向和程 度的度量，偏度和峰度值接近零表明數(shù)據(jù)均勻的 分布在均值兩側(cè)，服從正態(tài)分布。由表 5 可知僅 有 Cr 的偏度和峰度較接近 0，K-S 檢驗(yàn)結(jié)果表明 Cr 的數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，As、Cd、Hg 和 Pb 數(shù)據(jù)服 從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

2.2 農(nóng)田土壤重金屬含量的空間變異性特征

塊金值( C0 ) 表示隨機(jī)部分的空間異質(zhì)性，通常表示由實(shí)驗(yàn)誤差和小于實(shí)驗(yàn)取樣尺度引起的差 異，較大的 C0表明在較小尺度上某種過程不可忽v> 視。在取樣尺度上具有內(nèi)部變異和抽樣分析誤差 是產(chǎn)生塊金效應(yīng)的主要因素。由表6可知，5 種 重金屬元素的塊金值均較小，在 0． 045 ～ 0． 274 之間。

基臺(tái)值( Sill C0+C) 表示系統(tǒng)內(nèi)的總變異，其 值越大表明系統(tǒng)內(nèi)總變異越高。由表 6 可知，Hg 的基臺(tái)值較大，表明其空間變異較大。塊基比 ( C0 /C0+C) 表示隨機(jī)部分引起的空間異質(zhì)性占系 統(tǒng)總變異的比例，根據(jù) Cambardella 等［21］提出的 區(qū)域化變量空間相關(guān)程度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn): 塊基比＜ 25%，表示強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性; 25% ＜?jí)K基比＜ 75%，表示中等自相關(guān); 塊基比＞75%，表示弱自相 關(guān)。Cd 和 Cr 的塊基比小于 25%，有較強(qiáng)的空間 自相關(guān)性，說明東部農(nóng)田土壤 Cd 含量受人類活 動(dòng)影響較小，其空間異質(zhì)性主要由成土母質(zhì)、土壤v> 類型、氣候等造成。As、Hg 及 Pb 的快基比介于 25% ～ 75%，空間自相關(guān)程度中等，表明其含量主 要受人類活動(dòng)如農(nóng)藥、施肥、污水灌溉等影響。

變程表示空間自相關(guān)范圍，在變程范圍內(nèi)，距 離越近空間自相關(guān)程度越高。由表 6 可知，變程v> Pb＞Hg＞As＞Cr＞Cd，表明 Pb 的空間分布均一性最 強(qiáng)，Cd 的空間分布情況最為復(fù)雜多變。

2.3 農(nóng)田土壤重金屬污染空間分布

克里金插值可以更直觀地呈現(xiàn)重金屬元素的 空間分布情況。5種重金屬的空間分布( 圖1) 可知，As 在河北南部、山東西南部及江蘇中西部呈 現(xiàn)明顯連續(xù)帶狀分布，其次廣東中部出現(xiàn) As 的高 值區(qū)域; Cd 的高值區(qū)域主要分布在河北中部、江 蘇西南部、廣東西南部; 對(duì)于 Cr，其在江蘇及上海 出現(xiàn)連片高值區(qū)域，在其他省份呈現(xiàn)斑塊分布; Hg 和 Pb 呈現(xiàn)相似的分布趨勢(shì)，均在廣東東北部 及福建出現(xiàn)大面積連片高值區(qū)，其次 Hg 還在河 北與天津交界處及西北部出現(xiàn)明顯累積。 綜合來看，廣東省農(nóng)田土壤重金屬普遍較高， 可能與其發(fā)達(dá)的電子產(chǎn)業(yè)有關(guān)。張金蓮等［22］研 究表明，簡(jiǎn)單粗放的電子垃圾回收活動(dòng)是其周邊 農(nóng)田土壤重金屬污染的重要來源。其次 As、Cd、 Cr 及 Hg 均在河北省出現(xiàn)高值區(qū)域，可能與其長(zhǎng) 期煤炭產(chǎn)業(yè)作為支柱產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有關(guān)。劉芳v> 等［23］研究表明煤炭產(chǎn)業(yè)會(huì)造成周邊土壤重金屬 明顯累積。

2.4 農(nóng)田土壤重金屬污染評(píng)價(jià)結(jié)果

2.4.1 內(nèi)美羅綜合污染指數(shù)

應(yīng)用內(nèi)美羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)東部各省農(nóng)田土壤綜合污染情況 ( 表 7) 。根據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，東部 地區(qū)農(nóng)田污染等級(jí)主要為無污染和輕度污染兩個(gè) 等級(jí)，不存在中度、重度和嚴(yán)重污染三個(gè)等級(jí)的農(nóng) 田。廣東省和天津市內(nèi)美羅綜合污染指數(shù)分別為 0．85、0．75，其農(nóng)田土壤為輕度污染。通過比較內(nèi) 美羅綜合污染指數(shù)可得到各省( 市) 農(nóng)田土壤污 染情況由高到低順序?yàn)? 廣東?。咎旖蚴校竞颖笔?＞浙江省＞江蘇?。旧虾Ｊ校靖＝ㄊ。颈本┦校旧綎| ?。竞Ｄ鲜?。

2.4.2 地累積指數(shù)

對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行地累積 指數(shù)計(jì)算，結(jié)果見表 7。對(duì)計(jì)算結(jié)果分析可知， As、Cr 元素對(duì)東部農(nóng)田土壤污染貢獻(xiàn)較小，分別 僅有 3． 6%和 2． 1%區(qū)域?yàn)闊o污染到中度污染水 平; Cd 元素近 10%區(qū)域?yàn)橹卸任廴舅剑?5%以 上區(qū)域?yàn)闊o污染到中度污染程度。Hg 元素 近 10%區(qū)域?yàn)橹卸任廴镜綇?qiáng)度污染水平，近 30%區(qū)v> 域達(dá)到中度污染水平，無污染到中度污染狀態(tài)的 區(qū)域?yàn)?23． 4%。Pb 元素近 3% 區(qū)域達(dá)到中度污 染，32%區(qū)域?yàn)闊o污染到中度污染狀態(tài)。

綜合地累積指數(shù)樣本分布比例可知，東部地區(qū)農(nóng)田土壤 Hg 污染最嚴(yán)重，其次是 Cd，Pb 為輕 度污染水平，As 和 Cr 污染最輕。

3 討論

我國東部地區(qū)人類活動(dòng)劇烈，農(nóng)田土壤面臨巨大的重金屬污染挑戰(zhàn)。通過系統(tǒng)回顧相關(guān)研究 文獻(xiàn)，輔以地統(tǒng)計(jì)學(xué)和 GIS 手段，運(yùn)用內(nèi)美羅綜合 污染指數(shù)和地累積指數(shù)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行研究，結(jié)果 表明我國東部地區(qū)農(nóng)田土壤 Hg 、Cd 和 Pb 累積較為嚴(yán)重。自然狀態(tài)下，土壤中重金屬含量主要 受成土母質(zhì)影響，然而隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)不斷發(fā)展，人 類活動(dòng)已成為土壤中重金屬不斷累積的主要驅(qū)動(dòng)因素［24，25］。

王貴等［26］研究發(fā)現(xiàn)包頭市土壤重金 屬污染主要集中分布在工業(yè)廠區(qū)周邊; 謝小進(jìn) 等［27］開展上海市不同工業(yè)類型土壤重金屬含量 差異分析，指出機(jī)械制造、化工等企業(yè)是土壤 Cr 和 Ni 的主要來源，Pb、Cu 和 Zn 的主要來源則為 印刷企業(yè); 張彥等［28］發(fā)現(xiàn)盡管停止污灌十余年， 沈陽張士灌區(qū)農(nóng)田土壤仍存在 Cd、Zn、Cu 等多種 重金屬污染?？死锝鸩逯到Y(jié)果顯示，廣東省和河 北省形成重金屬高聚集區(qū)。陳奕云等［29］基于文 獻(xiàn)計(jì)量評(píng)價(jià)中國農(nóng)田土壤重金屬污染，發(fā)現(xiàn)廣東 省、廣西 Pb、Cd 污染較為嚴(yán)重; 張小敏等［30］研究 中國農(nóng)田土壤重金屬富集狀況及空間分布時(shí)，亦 發(fā)現(xiàn)人類活動(dòng)導(dǎo)致廣東省出現(xiàn) Cd 分布高值點(diǎn)。 河北省有著豐富的煤炭資源，冀中煤炭基地是我 國 14 個(gè)億噸級(jí)煤炭基地之一，所受煤化工產(chǎn)業(yè)的 影響是其土壤重金屬污染的主要原因。

土壤重金屬污染隱蔽性強(qiáng)且長(zhǎng)期存在，通過 食物鏈富集可危害數(shù)代人健康，所以人們應(yīng)采取 多種措施，綜合防止和治理土壤重金屬污染: ①對(duì) 重金屬有效態(tài)含量進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，是確切了解 重金屬污染程度、預(yù)測(cè)重金屬對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影 響及對(duì)人類健康危害的有效途徑; ②促進(jìn)土壤重 金屬污染修復(fù)技術(shù)研究與創(chuàng)新。為實(shí)現(xiàn)農(nóng)田土壤 的可持續(xù)利用，保障人類食品安全，迫切需要經(jīng) 濟(jì)、高效、可行的土壤重金屬修復(fù)技術(shù); ③修訂土 壤重金屬污染標(biāo)準(zhǔn)。科學(xué)、合理的土壤重金屬污 染標(biāo)準(zhǔn)是評(píng)價(jià)土壤重金屬的污染狀況、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn) 及修復(fù)效果的基礎(chǔ)。目前，我國的土壤環(huán)境質(zhì)量 標(biāo)準(zhǔn)已不能滿足當(dāng)前土壤環(huán)境管理的要求，亟待 出臺(tái)分區(qū)、分類、分級(jí)的國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 體系。

原標(biāo)題:我國東部地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染概況