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我国东部地区农田土壤重金属污染概述
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     摘 要: 随着经济和社会的高速发展,农田土壤重金属污染对粮食安全及人类的身体健康构成巨大威胁。为 了解我国东部地区农田土壤重金属的污染现状,基于东部地区农田土壤重金属污染数据,采用半方差函数分 析及克里金( Kriging) 插值手段,通过内美罗( Nemerow) 综合污染指数和地累积指数等土壤重金属评价方法, 对我国东部地区农田土壤重金属砷( As) 、铬( Cr) 、镉( Cd) 、汞( Hg) 及铅( Pb) 的污染概述进行综合分析。结 果表明东部地区重金属 Hg 污染最为严重,均值为中国土壤 Hg 元素背景值的 2.8 倍,近 30%东部地区处于 Hg 中度污染水平; 其次为 Cd,均值为背景值的 2 倍,50%以上东部地区处于镉污染(Cd污染)警戒线,半方差分析结果显 示 Cd 污染受人类活动影响最强; 广东省农田土壤重金属综合污染最为严重,内美罗综合污染指数高达 0.854, 克里金插值结果显示 As、Cd、Hg 及 Pb 的高值区域均在广东省有所分布。


    关键词: 土壤重金属; 农田; 中国东部; 空间变异; 重金属污染评价


    随着中国工业化、城市化进程的快速推进,土壤重金属污染问题日益突出。农田土壤作为农业 生产的重要资源,重金属一旦进入土壤会影响作物产量和质量,进而通过食物链富集对人体健康 产生直接或间接危害[1,2]。据农业部调查,我国 每年因重金属污染减产和受重金属污染的粮食分别为 1 000 万 t 和 1 200 万 t,合计造成的经济损 失高达 200 亿元。近年来,为确保我国粮食安全, 农田土壤重金属污染问题已受到社会广泛关注。


    东部地区包括 3 个直辖市( 北京、天津和上 海) 和 7 个省份( 河北、山东、江苏、浙江、广东、福 建和海南) ,农业产值 19108.2 亿元,耕地面积 2 621.41万 hm2,粮食产量 14 949.6 万 t,经济总量 占全国的 50%以上,是我国城市化程度先锋和经济最发达的区域[3,4],然而其农田土壤正承受巨大的重金属污染负荷。


    安玉琴等[5]发现河北省 部分农田土壤已受到镉污染; 李瑞平等[6]研究了 山东 省 泰 安 市 农 田 土 壤 铜 ( Cu) 、镉 ( Cd) 、锌 ( Zn) 、镍( Ni) 、铅( Pb) 和铬( Cr) 含量,发现除 Pb 外均已超过当地背景值; 陈京都等[7]研究发现 Cd 为江苏省典型地震带农田土壤重金属污染的主要 因子; 杨国义等[8]研究指出广东典型区域农业土壤重金属污染的主要原因为成土母质和不同流域 水质差异。从研究尺度看,多针对县级和省级尺 度,由于缺乏相关土壤重金属含量信息,而难以在 我国东部大尺度上开展土壤重金属污染调查与评价,这使得大家无法全面了解我国东部整体农田 土壤重金属的污染状况。河北省、山东省及江苏 省作为我国重要的粮食生产地,广东省、山东省、 江苏省及浙江省作为人口大省,综合考虑,研究东 部地区农田土壤重金属的空间分布特征及污染概述,对保障全国粮食安全及促进区域土壤、环境相关研究的开展具有重要意义。


   内美罗综合污染指数能突出高浓度污染物对土壤环境质量的影响,同时反映出各种污染物对 土壤质量的作用,近年来常被用于土壤重金属综 合污染评价[9,10]。地累积指数法考虑到自然成岩 作用可能引起背景值变动,弥补了其他评价方法 的不足,近年来常被国内用于评价土壤重金属的 污染程度[11~ 13]。鉴于此,本文对东部地区农田土 壤重金属含量数据进行统计,利用半方差函数和 克里金插值获得东部农田土壤砷( As) 、铬( Cr) 、 镉( Cd) 、汞( Hg) 、铅( Pb) 5 种重金属的空间变异 及分布特征,并采用内美罗综合污染指数及地累 积指数对东部地区农田土壤重金属污染进行综合 评价,以期为改善东部地区农田土壤生态环境及 加强食品安全保障提供参考依据。


   1 数据来源和研究方法


   1.1 数据收集和整理


    基于 2007-2017 年公开发表的文献,对我国 东部地区农田土壤重金属相关数据进行收集和统 计( 表 1) ,并构建在一定程度上能反映东部地区 农田土壤重金属污染情况的数据库。文献和数据 的选取原则: ①调查区域以地级行政市为单位,兼 顾县级单位; ②采集土壤为 0 ~ 20 cm 耕作层土 壤,采集样点较多; ③避开金属矿区及污灌区等特 殊采样区案例; ④将每个案例中重金属的平均值作为该点位的值。数据整理后剔除异常值,选用三倍标准差法: 平均值±3 标准差。




    1.2 研究方法


    1.2.1地统计方法


    半方差函数是基于区域化 变量满足二阶平稳和本征假设的前提下,描述土壤空间异质性的重要函数。Matheron[14] 将其定 义为随机函数 Z( X) 的增量[Z( X+h) -Z( X) ]方 差的 1 /2,公式为:




    克里金( Kriging) 插值是在区域化变量的原 始数据和半变异函数的基础上,对未采样点的区 域化变量进行线性最优无偏估计[16]。根据半方 差模型参数进行克里金插值,得到土壤重金属的 空间分布图。


    1.2.2 土壤重金属污染评价方法


    ①内美罗综合污染指数。内美罗综合污染指数是美国学者 Nemerow[17]对河流进行污染分析时提出的,本文以省为评价单元,在单因子污染指数评价的结果 上( 公式 2) ,通过内美罗综合污染指数( 公式 3) ,对各省农田土壤重金属综合污染进行定量评价。




     根据评价指数的大小,将土壤重金属污染程 度划分为五类( 表 3) 。




    ②地累积指数。地累积指数法由 Muller[19] 于 1969 年提出,主要用于沉积物中重金属污染程 度的评价。计算公式为:




    1.3 数据处理


   采用 微软 excel 2013 和 SPSS 20. 0 对重 金属含量数据进行描述统计,用 K-S 检验数据是 否符合正态分布; 用 GS+10. 0 半方差函数分析, 获得最适半方差模型及拟合参数; ArcGIS 10.2 进 行克里金插值分析,获得重金属含量空间分布图。


   2 结果与分析


   2.1 农田土壤重金属含量


    农田土壤重金属含量统计结果( 表 5) 显示, As、Cd、Cr、Hg 及 Pb 平均含量分别为 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 累积较为严 重,均值分别为中国土壤背景值的 2 倍、2.8 倍和 1.4 倍。 变异系数( coefficient of variation,CV) 为标准 差与均值的比值,可以用来表征数据的离散程度, 比较不同量纲的数据。按照 Zhang 等[20]对变异 系数的分类,CV<0.1 时为弱变异,0.1<CV<0.9 时 为中 等 程 度 变 异,CV>0.9时为高程度变异。由v> 5可知,5 种元素在东部农田土壤分布均为中等 程度变异,但 Hg 的变异系数高达 0.873,接近高 程度变异,说明 Hg 分布不均匀,存在人类活动产 生的异常值。 峰度是概率密度分布曲线在均值处峰值高低 的特征数,偏度是统计数据分布的偏斜方向和程 度的度量,偏度和峰度值接近零表明数据均匀的 分布在均值两侧,服从正态分布。由表 5 可知仅 有 Cr 的偏度和峰度较接近 0,K-S 检验结果表明 Cr 的数据符合正态分布,As、Cd、Hg 和 Pb 数据服 从对数正态分布。



    2.2 农田土壤重金属含量的空间变异性特征


   块金值( C0 ) 表示随机部分的空间异质性,通常表示由实验误差和小于实验取样尺度引起的差 异,较大的 C0表明在较小尺度上某种过程不可忽v> 视。在取样尺度上具有内部变异和抽样分析误差 是产生块金效应的主要因素。由表6可知,5 种 重金属元素的块金值均较小,在 0. 045 ~ 0. 274 之间。


    基台值( Sill C0+C) 表示系统内的总变异,其 值越大表明系统内总变异越高。由表 6 可知,Hg 的基台值较大,表明其空间变异较大。块基比 ( C0 /C0+C) 表示随机部分引起的空间异质性占系 统总变异的比例,根据 Cambardella 等[21]提出的 区域化变量空间相关程度的分级标准: 块基比< 25%,表示强烈的空间自相关性; 25% <块基比< 75%,表示中等自相关; 块基比>75%,表示弱自相 关。Cd 和 Cr 的块基比小于 25%,有较强的空间 自相关性,说明东部农田土壤 Cd 含量受人类活 动影响较小,其空间异质性主要由成土母质、土壤v> 类型、气候等造成。As、Hg 及 Pb 的快基比介于 25% ~ 75%,空间自相关程度中等,表明其含量主 要受人类活动如农药、施肥、污水灌溉等影响。


     变程表示空间自相关范围,在变程范围内,距 离越近空间自相关程度越高。由表 6 可知,变程v> Pb>Hg>As>Cr>Cd,表明 Pb 的空间分布均一性最 强,Cd 的空间分布情况最为复杂多变。


     2.3 农田土壤重金属污染空间分布


     克里金插值可以更直观地呈现重金属元素的 空间分布情况。5种重金属的空间分布( 图1) 可知,As 在河北南部、山东西南部及江苏中西部呈 现明显连续带状分布,其次广东中部出现 As 的高 值区域; Cd 的高值区域主要分布在河北中部、江 苏西南部、广东西南部; 对于 Cr,其在江苏及上海 出现连片高值区域,在其他省份呈现斑块分布; Hg 和 Pb 呈现相似的分布趋势,均在广东东北部 及福建出现大面积连片高值区,其次 Hg 还在河 北与天津交界处及西北部出现明显累积。 综合来看,广东省农田土壤重金属普遍较高, 可能与其发达的电子产业有关。张金莲等[22]研 究表明,简单粗放的电子垃圾回收活动是其周边 农田土壤重金属污染的重要来源。其次 As、Cd、 Cr 及 Hg 均在河北省出现高值区域,可能与其长 期煤炭产业作为支柱产业的经济发展有关。刘芳v> 等[23]研究表明煤炭产业会造成周边土壤重金属 明显累积。



   2.4 农田土壤重金属污染评价结果


   2.4.1 内美罗综合污染指数


    应用内美罗综合污染指数评价东部各省农田土壤综合污染情况 ( 表 7) 。根据土壤环境质量评价分级标准,东部 地区农田污染等级主要为无污染和轻度污染两个 等级,不存在中度、重度和严重污染三个等级的农 田。广东省和天津市内美罗综合污染指数分别为 0.85、0.75,其农田土壤为轻度污染。通过比较内 美罗综合污染指数可得到各省( 市) 农田土壤污 染情况由高到低顺序为: 广东省>天津市>河北省 >浙江省>江苏省>上海市>福建省>北京市>山东 省>海南省。



    2.4.2 地累积指数


    对收集的数据进行地累积 指数计算,结果见表 7。对计算结果分析可知, As、Cr 元素对东部农田土壤污染贡献较小,分别 仅有 3. 6%和 2. 1%区域为无污染到中度污染水 平; Cd 元素近 10%区域为中度污染水平,55%以 上区域为无污染到中度污染程度。Hg 元素 近 10%区域为中度污染到强度污染水平,近 30%区v> 域达到中度污染水平,无污染到中度污染状态的 区域为 23. 4%。Pb 元素近 3% 区域达到中度污 染,32%区域为无污染到中度污染状态。



     综合地累积指数样本分布比例可知,东部地区农田土壤 Hg 污染最严重,其次是 Cd,Pb 为轻 度污染水平,As 和 Cr 污染最轻。


   3 讨论


   我国东部地区人类活动剧烈,农田土壤面临巨大的重金属污染挑战。通过系统回顾相关研究 文献,辅以地统计学和 GIS 手段,运用内美罗综合 污染指数和地累积指数评价方法进行研究,结果 表明我国东部地区农田土壤 Hg 、Cd 和 Pb 累积较为严重。自然状态下,土壤中重金属含量主要 受成土母质影响,然而随着经济社会不断发展,人 类活动已成为土壤中重金属不断累积的主要驱动因素[24,25]。


     王贵等[26]研究发现包头市土壤重金 属污染主要集中分布在工业厂区周边; 谢小进 等[27]开展上海市不同工业类型土壤重金属含量 差异分析,指出机械制造、化工等企业是土壤 Cr 和 Ni 的主要来源,Pb、Cu 和 Zn 的主要来源则为 印刷企业; 张彦等[28]发现尽管停止污灌十余年, 沈阳张士灌区农田土壤仍存在 Cd、Zn、Cu 等多种 重金属污染。克里金插值结果显示,广东省和河 北省形成重金属高聚集区。陈奕云等[29]基于文 献计量评价中国农田土壤重金属污染,发现广东 省、广西 Pb、Cd 污染较为严重; 张小敏等[30]研究 中国农田土壤重金属富集状况及空间分布时,亦 发现人类活动导致广东省出现 Cd 分布高值点。 河北省有着丰富的煤炭资源,冀中煤炭基地是我 国 14 个亿吨级煤炭基地之一,所受煤化工产业的 影响是其土壤重金属污染的主要原因。


    土壤重金属污染隐蔽性强且长期存在,通过 食物链富集可危害数代人健康,所以人们应采取 多种措施,综合防止和治理土壤重金属污染: ①对 重金属有效态含量进行检测和监测,是确切了解 重金属污染程度、预测重金属对生态系统产生影 响及对人类健康危害的有效途径; ②促进土壤重 金属污染修复技术研究与创新。为实现农田土壤 的可持续利用,保障人类食品安全,迫切需要经 济、高效、可行的土壤重金属修复技术; ③修订土 壤重金属污染标准。科学、合理的土壤重金属污 染标准是评价土壤重金属的污染状况、生态风险 及修复效果的基础。目前,我国的土壤环境质量 标准已不能满足当前土壤环境管理的要求,亟待 出台分区、分类、分级的国家土壤环境质量标准 体系。

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