李福燕，李許明，楊 帆，漆智平

(1.邯鄲學(xué)院地理與旅游系，河北邯鄲056000;2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所熱帶資源與環(huán)境研究中心，農(nóng)業(yè)部熱帶作物種質(zhì)資源利用重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，海南儋州571737)

土壤是人類賴以生存的自然環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要資源，當(dāng)前重金屬污染已經(jīng)成為危害土壤的主要因素，為此，筆者調(diào)查了海南島農(nóng)田土壤重金屬污染的現(xiàn)狀，以期為海南島農(nóng)用地的建設(shè)和優(yōu)化以及污染防治提供科學(xué)依據(jù).近年來，前人分別從不同的角度對海南島土壤重金屬的空間分布特征進(jìn)行了研究［1］，朱維皇等對海南省土壤中Pb，Cd，Zn，Cu的質(zhì)量含量和生物有效性進(jìn)行了研究［2］，廖金鳳研究了五指山市土壤中重金屬元素的質(zhì)量含量狀況［3］，林電等研究了海南香蕉園中重金屬的現(xiàn)狀及變化趨勢［4］，但各項(xiàng)研究僅限于某個(gè)角度，且采樣點(diǎn)較少，因此這些研究對區(qū)域內(nèi)農(nóng)田土壤重金屬的質(zhì)量含量狀況的代表意義有限.

筆者運(yùn)用GIS技術(shù)和統(tǒng)計(jì)學(xué)，對海南島農(nóng)田土壤5種重金屬質(zhì)量含量的空間變異性進(jìn)行了定量的描述，探明了5種重金屬在土壤中的污染現(xiàn)狀，并對重金屬污染的狀況進(jìn)行了評價(jià)，同時(shí)采用因子分析法初步分析了土壤重金屬的主要來源，從整體上把握了海南島農(nóng)田土壤重金屬污染的程度和大致趨勢，這為合理利用海南島農(nóng)用地提供了理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況 海南島地處中國南部(108°36'～ 111°03'E，18°10'～ 20°10'N)，土地面積 3.39 萬km2，是我國第二大島嶼.古生代時(shí)，海南島地區(qū)與雷州半島同屬一個(gè)沉降帶，在經(jīng)歷加里東造山運(yùn)動(dòng)、印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)后，2個(gè)地區(qū)之間出現(xiàn)了斷裂帶并下陷，海南島地區(qū)不斷抬升，以后海平面多次升降，海南島逐漸從大陸分離，形成瓊州海峽與海南島的基本現(xiàn)狀.海南島地形結(jié)構(gòu)貌似倒扣的大鍋，以五指山、鸚哥嶺為隆起的核心，逐漸向四周降低，形成了以平原、臺(tái)地、丘陵等構(gòu)成的環(huán)形層狀地貌，其梯級結(jié)構(gòu)明顯，地形復(fù)雜多樣.海南島地處熱帶，具有熱帶海洋性氣候和熱帶季風(fēng)氣候，因此，該島熱量充足，降水豐沛，但分布不均.全島獨(dú)立入海的河流有154條，充足的降雨量保障了充沛的徑流，地下水資源豐富，水資源條件相當(dāng)優(yōu)越，但時(shí)空分配不均勻.海南島優(yōu)越的光、熱、水資源為作物生長提供了良好的條件，喜溫作物全年均可生長，農(nóng)作物可一年三熟，特別是其冬季溫暖的氣候條件最為難得，優(yōu)越的自然資源亦使海南島成為全國最大的冬季果蔬基地、熱帶作物基地、南繁育種基地.海南島屬于磚紅壤地帶，成土母質(zhì)主要是花崗巖和砂頁巖，還有海相沉積物、玄武巖、安山巖等，由于母質(zhì)、氣候、生物、人為等多種因素的綜合作用，逐漸形成了海南島多樣化的土壤類型，從山地至沿海地區(qū)形成了土壤的垂直地帶性分布.隨著現(xiàn)代工業(yè)化的不斷發(fā)展，城鎮(zhèn)化水平的不斷提高以及國際旅游島建設(shè)的推進(jìn)，了解海南島土壤重金屬污染的狀況，對于該地區(qū)的長遠(yuǎn)發(fā)展有著十分重要的意義.

1.2 采樣方案 本次采樣點(diǎn)的布局充分考慮了土地利用的方式和土壤類型，采用GPS定位，并參考海南省第二次土壤普查的結(jié)果，在全島共布設(shè)了311個(gè)樣點(diǎn)(見圖1).為確保采樣的準(zhǔn)確性，每個(gè)樣點(diǎn)的土壤一般為15～20個(gè)點(diǎn)的土壤混合而成，所采集的土壤為表層(0～20 cm)耕層土壤，均按四分法取大約1 kg的土壤做分析樣品，其點(diǎn)在100 m×100 m范圍內(nèi)選擇.

1.3 分析方法及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 分析了土壤樣品中 Hg，Cd，Cr，Pb 和 As 5 種重金屬的質(zhì)量含量，分析方法見表1，檢出 限 分 別 為 0.001 2，0.003，0.002 4，0.02 和 0.018 mg·kg－1，土壤樣品測試過程中，采取儀器設(shè)備標(biāo)定、平行樣分析和加標(biāo)樣分析等方式進(jìn)行質(zhì)量控制.

圖1 土壤采樣點(diǎn)在海南島上的分布

表1 土壤重金屬分析方法

污染評價(jià)采用標(biāo)準(zhǔn)對比法和地質(zhì)累積指數(shù)法(Index of Geoaccumlation，Igeo)2種方法，其中，標(biāo)準(zhǔn)對比法以國家環(huán)保局2005年頒布的GB15618－1995為標(biāo)準(zhǔn)，土壤單元素環(huán)境質(zhì)量評價(jià)分級含量范圍見表2;地質(zhì)累積指數(shù)法［5－7］的基線值參考海南島土壤重金屬背景值:As 8.04 mg·kg－1;Cd 0.027 mg·kg－1;Cr 66.75 mg·kg－1;Pb 19.69 mg·kg－1;Hg 0.023 mg·kg－1. 地質(zhì)累積指數(shù)污染評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表 3.

表2 海南島農(nóng)田土壤重金屬污染評價(jià)標(biāo)準(zhǔn) mg·kg－1

表3 地質(zhì)累積指數(shù)污染評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬元素的統(tǒng)計(jì)特征值 由表4中的峰度系數(shù)和偏度可以看出，海南島農(nóng)田土壤中5種重金屬元素的質(zhì)量含量經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)換后均服從正態(tài)分布.研究區(qū)中，Hg，Cd，Pb，As和Cr 5種重金屬元素的質(zhì)量含量的平均值均低于GB15618－1995Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)限值.研究區(qū)中，Hg質(zhì)量含量的最大值為1.63 mg·kg－1，Cd 的最大值達(dá) 0.64 mg·kg－1，Cr最大值為 586.70 mg·kg－1，其質(zhì)量含量均超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量的Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)值.統(tǒng)計(jì)分析表明，311個(gè)樣點(diǎn)中，8個(gè)點(diǎn)的Cr質(zhì)量含量、3個(gè)點(diǎn)的Cd質(zhì)量含量和1個(gè)點(diǎn)的Hg質(zhì)量含量高于國家土壤環(huán)境質(zhì)量的Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)值，分別占采樣總數(shù)的2.57%、0.96%和0.32%.分析表明:土壤中2種重金屬—Cr和As的平均質(zhì)量含量均低于海南島土壤重金屬的背景值，其中As的質(zhì)量含量僅為背景值的35%，但其最大值為背景值的1.5倍;Cr的平均值與背景值相差不大，但其最大值是最小背景值的592倍，差異較大.通過分析還發(fā)現(xiàn)，8個(gè)重金屬Cr的超標(biāo)點(diǎn)均聚集在?？谑兄車?，這說明海南島的農(nóng)田土壤已受到外源重金屬Cr的影響，這可能與市區(qū)工業(yè)生產(chǎn)和人類活動(dòng)有著密切的關(guān)系.重金屬元素 Hg，Cd 和 Pb 的平均質(zhì)量含量分別為0.056 0，0.090 和 21.060 mg·kg－1，均超過其背景值的 2.43，3.33，1.07倍，最大值與最小值之間相差較大，其中Hg達(dá)543倍，Pb的差異較小，且Pb質(zhì)量含量分布較高點(diǎn)均與公路相毗鄰，這說明交通工具所排放的大量有毒有害氣體和物質(zhì)已擴(kuò)散于公路兩側(cè)，其中所含的鉛通過大氣沉降、雨水徑流和植物吸收等方式最終沉積在土壤中.重金屬Cd的變異系數(shù)為0.67，Pb的變異系數(shù)為0.61，均屬于中等變異強(qiáng)度，其余3種重金屬元素的變異系數(shù)均大于1，屬高等變異強(qiáng)度，表明土壤受這3種外來重金屬的污染較大.

表4 海南島農(nóng)田土壤重金屬元素的統(tǒng)計(jì)特征值

2.2 土壤重金屬污染的評價(jià)

2.2.1 基于土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的評價(jià) 結(jié)合表2和表5可以看出:海南島表層土壤重金屬質(zhì)量含量相對較低，其中一類土含量均在85%以上，其中As狀況最好，一類土達(dá)98.4%，且無三類土和超三類土的存在，而重金屬Cr，一類土含量低于90%，二類土含量9.7%，超三類僅占2.6%，表明研究區(qū)內(nèi)部分地區(qū)的重金屬Cr積累較明顯.Cd和Hg的區(qū)域環(huán)境質(zhì)量較好，分析樣點(diǎn)中95%以上屬于一類土，僅有1.3%的樣點(diǎn)中重金屬Cd的含量屬于三類土，研究區(qū)內(nèi)Pb有12.6%的輕度污染，結(jié)合空間分布圖發(fā)現(xiàn)，Pb質(zhì)量含量高的地區(qū)主要是東線高速公路和?？谑袇^(qū)，說明Pb質(zhì)量含量主要受城區(qū)工業(yè)生產(chǎn)、居民生活垃圾及汽車尾氣等的影響.

表5 海南島農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量的評價(jià)結(jié)果(標(biāo)準(zhǔn)對比法)%

2.2.2 基于地質(zhì)累積指數(shù)法的評價(jià) 根據(jù)海南島農(nóng)田土壤311個(gè)樣點(diǎn)的5種重金屬的質(zhì)量含量，通過地質(zhì)累積指數(shù)計(jì)算，統(tǒng)計(jì)出其不同污染的級別和面積，得出重金屬污染的狀況(見表6)，結(jié)果表明:對于重金屬元素As，96.8%的面積屬于無污染區(qū)，3.2%屬于輕度污染區(qū)，該結(jié)果與表5結(jié)果幾乎一致，另外，重金屬Cr和Pb的評價(jià)結(jié)果表明，2種評價(jià)方法的結(jié)果基本一樣，一類土面積均在80%以上，其中，重金屬Cr的三級土壤面積為2.58%，表明研究區(qū)內(nèi)存在區(qū)域性的輕度污染，重金屬Pb無三類土;2種評價(jià)結(jié)果中，重金屬Hg有一定的差異，當(dāng)采用農(nóng)田土壤評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，Hg的一類土占到95.2%，而在地質(zhì)累積指數(shù)評價(jià)中，一類土僅為48.71%，二類土占28.71%.

表6 海南島農(nóng)田土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量評價(jià)結(jié)果(地質(zhì)累積指數(shù)法)%

2.3 土壤重金屬質(zhì)量含量的來源分析 因子分析方法可以用來判別土壤中重金屬的來源［8－11］，本文對所分析的5種重金屬元素進(jìn)行了因子分析.由表7的分析結(jié)果，可將5種元素劃分為3個(gè)因子，解釋了總方差的72%.表8的分析結(jié)果顯示，Hg，Cr和Pb 3種元素主要屬于因子1，結(jié)合表3可知，3種元素的質(zhì)量含量值均較低，與該區(qū)背景值相當(dāng).土壤中重金屬Ni和Cr的質(zhì)量含量主要受地球化學(xué)成因影響，Boruvka等人的研究也認(rèn)為，土壤中Cr，Cu，Ni和Zn等重金屬元素主要為地質(zhì)來源［11］.故因子1所包括的Hg，Cr和Pb 3種重金屬元素可能主要來源于成土母質(zhì).土壤中重金屬元素Cd一般可作為農(nóng)業(yè)活動(dòng)(如施用農(nóng)藥和化肥等)的標(biāo)識元素［12－13］，故從表6中可以看出，因子2主要包括了Cd元素.海南島豐富的水熱資源不但為作物提供了優(yōu)越的生長環(huán)境，同時(shí)也為病蟲害的發(fā)生提供了條件，另外，海南島農(nóng)用地的利用程度較高，化肥農(nóng)藥的使用量較大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007年海南島N，P，K肥的施用量高達(dá)83萬t，其施用量遠(yuǎn)高于全國的平均用量，且化肥、農(nóng)藥的利用率極低，大約有30%可利用，有70%流失掉了［14］，流失的化肥和農(nóng)藥中的重金屬Cd也因此大量累積于土壤中.此外，研究表明，Cd的另外一個(gè)重要來源是工業(yè)活動(dòng)［15］，但由于海南島的工業(yè)較少，因此可認(rèn)為Cd主要來源于施加化肥和農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)活動(dòng).As元素在因子3中占有較大的因子載荷，結(jié)合海南島的成土母質(zhì)及地形特點(diǎn)可以看出，分布的低值區(qū)位于五指山市、陵水縣、樂東縣、定安縣等地區(qū)，其質(zhì)量含量大約在0.170～0.630 mg·kg－1之間，As分布的高值區(qū)主要是三亞市、東方市、瓊中縣等地區(qū)，其質(zhì)量含量大約在3.284～21.060 mg·kg－1之間，經(jīng)初步推測，當(dāng)前海南島農(nóng)田土壤的As的質(zhì)量含量可能與土壤成土母質(zhì)相關(guān)，這與翁煥新等的研究結(jié)果一致［16］.

表7 因子特征值

表8 方差最大正交旋轉(zhuǎn)法得到的因子和全部解釋變量

3 討論

污染評價(jià)表明:采用標(biāo)準(zhǔn)對比法與地質(zhì)累積指數(shù)法進(jìn)行評價(jià)，Cd與Hg在土壤中的質(zhì)量含量存在著較大差異，標(biāo)準(zhǔn)對比法中Cd和Hg 2種元素的一類土面積均占調(diào)查總面積的95%以上，而地質(zhì)累積指數(shù)法的評價(jià)結(jié)果顯示，一類土中Cd的質(zhì)量含量僅為18.71%，而Hg為48.71%，二類土和三類土的比例明顯增多，其差異的原因是:GB15618－1995中的分級指標(biāo)采用了全國土壤環(huán)境質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)值，各項(xiàng)指標(biāo)的確定主要依據(jù)全國土壤環(huán)境重金屬背景值和生物生態(tài)效應(yīng)指標(biāo)來制定，其在生物生態(tài)效應(yīng)指標(biāo)方面有側(cè)重，強(qiáng)調(diào)了土壤重金屬含量對生物可能產(chǎn)生的生態(tài)影響［17］.而Igeo評價(jià)方法所采用的標(biāo)準(zhǔn)值是研究區(qū)域的背景值，它主要針對地方區(qū)域背景值的評價(jià)，其結(jié)果反映了2個(gè)方面的內(nèi)容:一是相對于地區(qū)背景值土壤重金屬元素的空間分布規(guī)律與異常特征;二是人為活動(dòng)疊加造成了土壤中的重金屬污染.

采用GB15618－1995評價(jià)海南島農(nóng)田土壤重金屬(Cd，As，Hg)的質(zhì)量含量，結(jié)果表明:該區(qū)3種重金屬元素的清潔區(qū)達(dá)到90%以上，中度及中度以上污染區(qū)的比例小于1.5%，說明研究區(qū)土壤中重金屬(As，Cd，Hg)的質(zhì)量含量水平較低，不會(huì)對該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成不良影響.郭宇等人的研究表明，在文昌、瓊海和萬寧的菠蘿種植基地的土壤中，Cd和Hg的質(zhì)量含量均在自然背景值水平［18］;譚業(yè)華等人的調(diào)查分析表明，海南檳榔園土壤As和Hg的質(zhì)量含量均未超出國家Ⅰ級土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［19］.由于海南島農(nóng)田土壤重金屬元素Cd和Hg的質(zhì)量含量的背景值遠(yuǎn)低于全國農(nóng)田土壤的背景值，因此，采用Igeo評價(jià)時(shí)，以上2種元素的輕度污染區(qū)比例較大，中度污染區(qū)比例略有增加，其區(qū)域?yàn)橄鄬τ谠摰貐^(qū)自然背景的高異常區(qū).

從保障海南土壤資源的可持續(xù)利用上看，亟需開展以下的研究，即在海南島熱帶環(huán)境條件下工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、居民生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等活動(dòng)，對土壤中重金屬含量的影響方式、實(shí)際影響程度及相關(guān)的監(jiān)管防治措施等研究.本研究中對重金屬的來源分析主要參考了海南島土壤的自然背景值及地理空間分布狀況，對全島農(nóng)田土壤成土母質(zhì)的重金屬含量狀況尚缺乏分析，對農(nóng)田土壤中As的主要來源還需要進(jìn)行實(shí)地調(diào)查和采樣分析，以進(jìn)一步驗(yàn)證重金屬的實(shí)際來源.

綜上可見，2種評價(jià)結(jié)果具有較強(qiáng)的可比性.2種方法評價(jià)Cd和Hg時(shí)出現(xiàn)的差異主要是由于2種評價(jià)方法所選用的背景值差異較大的緣故，Igeo的評價(jià)結(jié)果主要側(cè)重了研究區(qū)自然背景值的影響，能更好地反映區(qū)域內(nèi)人為污染的程度.針對本研究的不足，在后期的研究中還需開展農(nóng)田土壤母質(zhì)及其周邊環(huán)境污染源的調(diào)查取證.區(qū)域土壤污染的系統(tǒng)調(diào)查與實(shí)時(shí)監(jiān)控，目前尚屬于中大型系統(tǒng)工程，但隨著生活水平的不斷提高及技術(shù)的進(jìn)步，針對農(nóng)田土壤污染的調(diào)查與監(jiān)控將成為一項(xiàng)常規(guī)性的工作，所在在今后的土壤重金屬的調(diào)查研究中，應(yīng)進(jìn)一步地側(cè)重調(diào)查方案的總體設(shè)計(jì)，同時(shí)應(yīng)開展多目標(biāo)、系統(tǒng)化、多學(xué)科結(jié)合的調(diào)研和采樣工作，通過系統(tǒng)化的科研成果多方位地服務(wù)于區(qū)域發(fā)展.

4 結(jié)論

1)311個(gè)采樣點(diǎn)的重金屬特征值表明:海南島農(nóng)田土壤的總體質(zhì)量較好，所分析的5種重金屬元素的平均質(zhì)量含量均低于《國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB156182－1995)的Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)限值.

2)2種評價(jià)結(jié)果表明:海南島農(nóng)田土壤的環(huán)境質(zhì)量總體上較好，GB15618－1995的評價(jià)結(jié)果表明:海南島耕作層土壤As，Cd，Hg的區(qū)域環(huán)境質(zhì)量較好，一類土占全區(qū)面積的95%以上，有小面積的Cd三類及超三類土，但比例小于1.3%，As和Pb均無三類及超三類土.但采用地質(zhì)累積指數(shù)評價(jià)時(shí)，輕度至中度污染的土壤約占50%.

3)土壤重金屬來源的因子分析表明:Hg，Cr和Pb 3種元素可能主要受自然成土條件的影響，Cd主要來源于工農(nóng)業(yè)活動(dòng)，As質(zhì)量含量可能與成土母質(zhì)關(guān)系密切.

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