林世滔，李 琳，盧志紅，朱美英

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 國土資源與環(huán)境學(xué)院，江西 南昌 330045)

隨著工農(nóng)業(yè)和城鎮(zhèn)化進程的發(fā)展，加上礦產(chǎn)的過度開采，金屬加工、機器制造、冶煉、電鍍等工業(yè)“三廢”的大量排放，農(nóng)藥、化肥及飼料的不合理施用等原因［1-2］，導(dǎo)致耕地的土壤重金屬元素富集，從而引起土壤污染和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的惡化，進而影響農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全和人體健康。因此研究區(qū)域土壤重金屬的來源、含量和空間分布、環(huán)境質(zhì)量和風(fēng)險評價等污染狀況受到越來越多的關(guān)注。

江西省礦產(chǎn)資源豐富，在取得巨大經(jīng)濟效益的同時，由于不合理的排放“三廢”導(dǎo)致重金屬進入農(nóng)田，50 年代以來江西省水稻優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)農(nóng)田污染Cu、Cd 嚴重并一直呈富集趨勢，而江西省是國家重要的糧食生產(chǎn)基地，其糧食產(chǎn)量和品質(zhì)是江西省糧食產(chǎn)量安全的重要保證。近年來許多學(xué)者對江西省土壤重金屬污染進行了研究，有對全省土壤重金屬污染研究［3-4］，也有從水稻優(yōu)勢主產(chǎn)區(qū)［5］，礦區(qū)［6］，城郊［7-8］，茶園［9］等局部區(qū)域進行調(diào)查研究。為江西省的土壤重金屬污染狀況研究積累了豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。但是目前缺少對全省范圍耕地土壤重金屬污染狀況的綜合評價，同時缺少全省污染空間分布狀況的可視化表達。本文試從全省的角度利用統(tǒng)計、GIS 等技術(shù)手段，獲得江西省耕地土壤重金屬的污染情況，采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法相結(jié)合進行評價，最后通過GIS 的空間插值對全省耕地土壤重金屬污染狀況進行空間表達，從而為全省耕地的土壤重金屬污染物的控制和修復(fù)提供參考。

1 材料和方法

1.1 樣品采集和處理

本次采樣根據(jù)GPS 定位，充分考慮全省農(nóng)田分布特點，采用代表性地塊定點采樣法選取水田和旱地共370 個土壤樣點(圖1)，均按5 點采樣法采集土壤耕作層(0～20 cm)的土樣，再按四分法取土樣1 kg 左右。采集樣品進行室內(nèi)風(fēng)干、碾碎過尼龍篩，制備成1 mm 和0.149 mm的分析樣品。

1.2 測定方法與數(shù)據(jù)處理

土樣重金屬Pb、Zn、Cu 測定方法參照《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》(GB15618—1995)［10］完成。再將元素含量測試分析數(shù)據(jù)整理錄入計算機，建立基本的數(shù)據(jù)庫。通過SPSS 19.0 進行數(shù)據(jù)檢驗分析，然后利用ArcGIS10.2 進行空間插值繪制出江西省耕地土壤重金屬污染狀況分布圖。

1.3 評價標準

本文評價的是江西省耕地土壤重金屬污染狀況，采取的是《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》(GB15618—1995)的二級標準(農(nóng)業(yè)用地標準)，具體標準值見表1。

圖1 全省采樣點分布圖Fig.1 The distribution map of sampling points in the Jiangxi province

表1 《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》(GB15618—1995)含量限值Tab.1 "Soil Environmental Quality Standard"(GB15618-1995)limits of content mg/kg

1.4 評價方法

本研究采用單因子污染指數(shù)法［11］和內(nèi)梅羅(Nemerow)污染綜合指數(shù)法［12］相結(jié)合對研究區(qū)土壤重金屬進行評價。

(1)單因子污染指數(shù)法是根據(jù)該污染物的單項污染指數(shù)對土壤中某一污染物的污染程度進行評價的方法。按下式進行計算:

其中:Pi表示土壤污染物i 的單因子污染指數(shù);Ci為土壤中污染物i 的實測值;Si為污染物i 評價標準值。

單因子污染指數(shù)法可以按土壤環(huán)境質(zhì)量分級標準大致分為5 個等級:無污染、輕微污染、輕度污染、中度污染、重度污染，詳見表2。

表2 單因子指數(shù)土壤環(huán)境質(zhì)量分級標準Tab.2 Single factor index of soil environmental quality grading standards

(2)內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法是指對多種污染物同時污染某一區(qū)域的土壤進行綜合污染水平的評價方法。一般采用下式計算:

式中Pn表示內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù);Pi表示單因子污染指數(shù)平均值;Pimax單因子污染指數(shù)的最大值。很多學(xué)者還對內(nèi)梅羅綜合指數(shù)進行了改進，避免評價結(jié)果的片面性。姚志麒通過將式(2)中的平均值賦予較大權(quán)系數(shù)x/y(x 表示Pimax，y 表示Pi)的方法［13］，將式子改進為:

本論文運用改進后的式(3)進行綜合評價。

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法也按土壤環(huán)境質(zhì)量分級標準大致分為5 個等級:無污染、輕微污染、輕度污染、中度污染、重度污染，詳見表3。

表3 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)土壤環(huán)境質(zhì)量分級標準Tab.3 Nemerow index of soil environmental quality grading standards

2 結(jié)果和分析

2.1 土壤重金屬元素的統(tǒng)計特征值

測定370 個采樣點土壤pH＞7.5 的有10 個，占全部樣點的2.7%，pH＜6.5～7.5 的有31 個，pH＜6.5 的有329 個，占到全部樣點的88.92%。

對江西省耕地土壤重金屬含量的描述性統(tǒng)計見表4。從變異系數(shù)來看，Pb、Zn、Cu 的變異系數(shù)范圍為0.55～0.80，變異程度由大到小為Zn＞Pb＞Cu，可見Pb、Cu 變異系數(shù)相對較小，Zn 的變異系數(shù)較大，說明Zn 的空間分布差異較大。從偏度和峰度來看，Pb、Zn、Cu 含量均不符合正態(tài)分布。從最小值和最大值來看，Pb、Zn、Cu 的極差較大，這可能與耕地種植作物種類差異、農(nóng)藥、肥料施用不同、人為因素等原因造成的。從平均值看，Pb 屬于無污染清潔狀態(tài)，Zn 和Cu 的含量高于國家農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準。根據(jù)國家農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準，土壤中Pb、Zn、Cu 樣品超標率分別為1.89%、61.08%和42.43%。

表4 江西省耕地土壤重金屬含量統(tǒng)計性描述Tab.4 The statistical description of heavy metal content in cultivated soil in Jiangxi Province

2.2 土壤重金屬污染評價

由表5 單因子污染指數(shù)可知，單因子污染指數(shù)大于1 視為超標，江西省耕地土壤Pb 的超標率最小，為2.16%，僅8 個點位輕微污染，其余362 個點位無污染;Cu 的超標率為41.62%，有124 個點位輕微污染，30 個點位為中度污染，其余216 個點位無污染;Zn 的超標率達到61.35%，其中有143 個點位無污染，88 個點位輕微污染，27 個點位輕度污染，62 個點位中度污染，50 個點位重度污染。進一步分析可知Pb、Zn、Cu 單因子污染指數(shù)平均值分別為0.4、2.23 和0.99，但最大值和最小值之間相差較大。根據(jù)單因子指數(shù)土壤環(huán)境質(zhì)量分級標準可知:Pb 處于清潔無污染狀態(tài)，說明全省耕地土壤尚未受到Pb 的污染。Zn 屬于輕度污染狀態(tài)，因其單因子指數(shù)Pi值最大值為7.64，說明局部地區(qū)Zn 污染較為嚴重;Cu 介于輕微污染和輕度污染之間，說明大部分耕地Cu 污染較輕，少數(shù)地區(qū)污染較重。表5 表明江西省耕地土壤重金屬內(nèi)梅羅污染指數(shù)為1.64，根據(jù)表3 可知全省耕地土壤Pb、Zn、Cu 綜合污染等級為輕度污染。

表5 土壤重金屬污染因子評價結(jié)果Tab.5 Soil heavy metal pollution factor evaluation results

2.3 耕地土壤重金屬污染分布

空間插值能夠較好地對數(shù)據(jù)進行空間表達，將采樣的點狀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成面狀數(shù)據(jù)，從而更好地預(yù)測模擬區(qū)域的土壤重金屬分布狀況，將全省耕地土壤重金屬Pb、Zn、Cu 空間分布狀況進行可視化表達。樣點數(shù)據(jù)經(jīng)過正態(tài)分布檢驗后，Pb、Cu 適用變異函數(shù)模型進行擬合，利用普通克里格(OK)［14］進行插值，Zn 不符合正態(tài)分布，用此方法進行擬合的結(jié)果不具有代表性，所以使用ArcGIS10.2 下地統(tǒng)計模塊中的反距離加權(quán)插值(IDW)［15］進行研究。在ArcGIS 10.2 下采用Geostatistical Analyst 地統(tǒng)計模塊進行空間插值，結(jié)果見圖2～4。

圖2 土壤重金屬Pb 的污染評價Fig.2 The evalution evaluation of Pb in soil

圖3 土壤重金屬Zn 的污染評價Fig.3 The pollution evaluation of Zn in soil

圖4 土壤重金屬Cu 的污染評價Fig.4 The pollution evaluation of Cu in soil

從圖2 可以看出:江西省耕地土壤重金屬Pb 的Pi值集中在0～1，污染水平為無污染，較少地區(qū)輕微污染，在圖上插值效果不明顯，表明土壤重金屬Pb較為清潔。

圖3 所示江西省耕地相當一部分土壤Zn 的Pi值在2 以上，污染狀況不容樂觀，圖上插值效果明顯，在空間表現(xiàn)上為:贛中北地區(qū)污染較為嚴重，如九江的德安市、九江縣、星子縣、都昌縣周邊，景德鎮(zhèn)的大部分地區(qū)，宜春的靖安市、奉新縣、豐城市，撫州西北地區(qū)的東鄉(xiāng)、臨川和吉安市的安福、吉安縣、吉水縣、永豐縣等地區(qū)，而贛南土壤重金屬污染相對較輕，區(qū)域內(nèi)污染較為嚴重的有大余、安遠、會昌地區(qū)，其它地方Zn 污染相對較輕。

圖4 表明江西省耕地土壤重金屬Cu 的Pi值基本上在2 以下，極少數(shù)輕度污染，部分地區(qū)輕微污染，多數(shù)地區(qū)為無污染狀況，插值效果較差，輕微污染地區(qū)主要集中在贛北的宜春東部、上饒、九江東部地區(qū)。

3 結(jié)論

(1)土壤重金屬元素的統(tǒng)計特征值表明:本研究370 個樣點土壤重金屬中Pb、Zn、Cu 的平均含量分別為104.55、456.05、53.44 mg/kg。而樣點pH 值小于6.5 的有329 個，占到全部樣點的88.92%。說明江西省耕地土壤中Pb 含量低于國家農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準，Cu 含量略高于國家農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準，而Zn 含量是國家農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準1.82 倍。但土壤中重金屬Pb、Zn、Cu 含量存在一定程度的空間變異，其中Zn 的變異程度最大。

(2)根據(jù)江西省耕地土壤重金屬中Pb、Zn、Cu 單因子污染指數(shù)可知:江西省耕地土壤Pb 的超標率最小，為2.16%，僅8 個點位輕微污染，其余362 個點位無污染;Cu 的超標率為41.62%，有124 個點位輕微污染，30 個點位為中度污染，其余216 個點位無污染;Zn 的超標率達到61.35%，其中有143 個點位無污染，88 個點位輕微污染，27 個點位輕度污染，62 個點位中度污染，50 個點位重度污染。說明全省耕地土壤尚未受到Pb 的污染。Zn 屬于輕度污染狀態(tài)，因其單因子指數(shù)Pi值最大值為7.64，說明局部地區(qū)Zn 污染較為嚴重;Cu 介于輕微污染和輕度污染之間，大部分耕地Cu 污染較輕，少數(shù)地區(qū)污染較重。而全省耕地土壤重金屬內(nèi)梅羅污染指數(shù)為1.64，說明全省耕地土壤Pb、Zn、Cu 綜合污染等級為輕度污染。

(3)根據(jù)江西省耕地土壤重金屬Pb、Zn、Cu 空間分布圖可知:江西省耕地土壤重金屬Pb 地域分布上基本為無污染，較少地區(qū)輕微污染，空間插值不明顯;Zn 的污染狀況較為嚴重，在空間表現(xiàn)上各個污染水平均有體現(xiàn)，整體污染范圍廣，在礦區(qū)周邊污染嚴重。Cu 極少數(shù)地區(qū)輕度污染，部分地區(qū)輕微污染，多數(shù)地區(qū)無污染。

綜上所述，江西省耕地土壤重金屬Pb 較為清潔，說明城市汽車尾氣排放及大氣降塵對土壤中的Pb基本上沒有造成污染，Pb 的含量主要還是受土壤母質(zhì)等因素影響。土壤重金屬Cu 的整體狀況較好，根據(jù)空間分布特征，Cu 含量高的地區(qū)除受土壤母質(zhì)和地形等因素的影響外，主要受采礦、冶煉及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中長期使用含銅的農(nóng)藥波爾多液及畜禽糞便等影響［16］。土壤重金屬Zn 的污染較為嚴重，其變異系數(shù)較大，一般鉛鋅礦區(qū)周圍土壤因受采礦、冶煉等活動排放的廢渣、廢水的影響，其Zn 含量很高，其次農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥、農(nóng)藥、畜禽糞便等的不合理使用導(dǎo)致耕地土壤Zn 含量升高?？梢?，對江西省耕地土壤重金屬Zn 或Cu 污染嚴重的地區(qū)，需引起當?shù)卣闹匾?，加強對Zn、Cu 污染地區(qū)的治理和修復(fù)，對未污染地區(qū)更需加強保護，進一步確保江西省耕地質(zhì)量，提高糧食生產(chǎn)安全。

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