曾海波 雷帆 童潛明 肖莉 曹里 李娜

摘要 [目的]研究農(nóng)業(yè)土壤中鎘（Cd）污染時(shí)空演變特征。[方法]以湖南省瀏陽(yáng)市小溪河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，在研究區(qū)內(nèi)采集土壤樣本并測(cè)定不同土層深度土壤中的Cd含量，利用不同評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)價(jià)方法對(duì)農(nóng)業(yè)土壤中的Cd污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)借助地統(tǒng)計(jì)和GIS空間插值方法，以可視化的方式對(duì)研究區(qū)內(nèi)土壤中Cd含量的空間分布狀況進(jìn)行綜合分析。[結(jié)果]土壤中Cd含量不論是以國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)還是以自然背景值為參考評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)域淺層耕地層0～10 cm土壤中Cd含量均超過(guò)污染指標(biāo)，說(shuō)明淺層耕地層受人類(lèi)活動(dòng)干擾較大。[結(jié)論]該地區(qū)農(nóng)業(yè)土壤中主要Cd污染來(lái)源為磷肥中的Cd，這對(duì)該區(qū)域水庫(kù)水源地的水質(zhì)產(chǎn)生潛在風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞 GIS；空間分析；鎘污染

中圖分類(lèi)號(hào) X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2017）06-0054-04

The spatial-temproal Evolution Characteristic of Cd Pollution in the Agricultural Soil Based on GIS

ZENG Hai-bo，LEI Fan，TONG Qian-ming et al

（Hunan Planning Institute of Land and Resources，Changsha， Hunan 410007）

Abstract [Objective ] To study the spatial-temproal evolution characteristic of Cd pollution in the agricultural soil.[Method] Taking Xiaoxi river basin of Liuyang in Hunan Province as the study area， soil samples were collected according to the soil depth for determination of cadmium content in the soil. Using different evaluation standards and methods， cadmium pollution in agricultural soil was evaluated. With the aid of statistical and GIS spatial interpolation method， spatial distribution of soil cadmium content were analyzed within the scope of the study area in the form of visual. [Result]The result showed that reference criteria of the soil cadmium content using the national secondary standard or the natural background value evaluation standard， the heavy metal cadmium content in the shallow layer from 0 to 10 cm depth cultivated soils exceeded the pollution index， which indicated in shallow layer soil interference by human activities was larger. [Conclusion] Major source of cadmium pollution is the cadmium in phosphate fertilizer， it results in enormous potentially risky to water quality.

Key words GIS；Spatial analysis；Cd pollution

目前，我國(guó)土壤環(huán)境總體狀況堪憂(yōu)，部分地區(qū)污染較為嚴(yán)重[1]，而農(nóng)業(yè)土壤鎘（Cd）污染對(duì)我國(guó)食品安全具有潛在威脅，是阻礙我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)化發(fā)展的重要制約因素。對(duì)農(nóng)業(yè)土壤Cd污染物綜合客觀(guān)的評(píng)價(jià)是對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量?jī)?yōu)劣的定量描述，是開(kāi)展農(nóng)業(yè)環(huán)境管理和規(guī)劃工作的基礎(chǔ)，可以全面掌握當(dāng)前農(nóng)業(yè)土壤環(huán)境質(zhì)量，為國(guó)家環(huán)境部門(mén)在農(nóng)業(yè)污染源排放管理及農(nóng)業(yè)土壤鎘污染的治理上提供參考。筆者以湖南省瀏陽(yáng)市小溪河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，采用GIS技術(shù)分析農(nóng)業(yè)土壤Cd污染時(shí)空演變特征。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于瀏陽(yáng)市境內(nèi)，范圍涉及瀏陽(yáng)河源流小溪河流域以及大圍山附近的株樹(shù)橋水庫(kù)，該區(qū)域?qū)儆趪?guó)家級(jí)森林公園和國(guó)家級(jí)地質(zhì)公園，氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫16.7 ℃，多年平均降雨量1 601 mm，地勢(shì)由東北向西南傾斜遞降，土壤類(lèi)型以紅壤為主，土壤肥沃，光照充足。具體范圍見(jiàn)圖1。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

1.2.1 土壤樣品采集。

根據(jù)研究區(qū)范圍內(nèi)土壤類(lèi)型分布情況，在搜集歷史土壤樣品數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用規(guī)則網(wǎng)格釆樣法[2]實(shí)地采集土壤樣本，對(duì)于耕作土壤較多的區(qū)域進(jìn)行加密取樣，收集和實(shí)測(cè)的有效樣點(diǎn)共計(jì)168個(gè)。按照不同土層深度采集土壤樣品：0～10、15～25、30～40 cm各取1 kg，對(duì)所有采樣點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)并用手持GPS記錄樣點(diǎn)坐標(biāo)以及采樣時(shí)間、深度等，所有樣品均由湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)化檢測(cè)中心檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果經(jīng)中國(guó)國(guó)家計(jì)量認(rèn)證，樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖2。

1.2.2 樣品分析。

將采集的土壤樣品在室內(nèi)風(fēng)干、磨碎，過(guò)尼龍篩，所有樣品經(jīng)過(guò)混合、裝袋、粉粹、研磨等處理后，對(duì)土壤樣品進(jìn)行消煮，利用石墨爐原子吸收分光光度法對(duì)Cd含量進(jìn)行測(cè)定，所用儀器為原子吸收光譜儀。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用HJ SPSS 9.0和Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用GS+9.0地統(tǒng)計(jì)分析軟件相關(guān)模塊對(duì)土壤中Cd含量進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)基于GIS分析方法進(jìn)行空間插值并輸出反映研究區(qū)土壤Cd含量分布狀況插值圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤樣品基本統(tǒng)計(jì)

小溪河流域耕作土壤不同土層深度Cd含量見(jiàn)表1。由表1可知，不同土層深度0～10、15～25、30～40 cm土壤中的Cd含量均值分別為0.25、0.18、0.14 mg/kg，與該區(qū)域土壤中Cd含量的背景值相比，僅0～10 cm土層深度Cd含量高于背景值（0.20 mg/kg），說(shuō)明在土壤深度0～10 cm存在Cd積累。在0～40 cm土層，隨著土層深度的增加其Cd含量呈遞減趨勢(shì)，說(shuō)明0～10 cm土層中Cd含量受人為影響較大。

2.2 小溪河流域Cd含量污染評(píng)價(jià)

2.2.1 土壤標(biāo)準(zhǔn)。

《中華人民共和國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（修訂）GB/5618—2008》按照保護(hù)目標(biāo)[3]，將土壤分為3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值，其中1級(jí)是環(huán)境背景值，即為“基本上保護(hù)土壤處于環(huán)境背景水平，是保護(hù)土壤環(huán)境質(zhì)量的理想目標(biāo)，主要適用于國(guó)家規(guī)定的自然保護(hù)區(qū)、集中式生活飲用水源地、菜場(chǎng)、牧場(chǎng)和其他需要特別保護(hù)的土壤”。1級(jí)土壤環(huán)境質(zhì)量的重金屬含量執(zhí)行1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（表2），其中集中式生活飲用水源地土壤Cd<0.20 mg/kg。

研究區(qū)包括株樹(shù)橋水庫(kù)及大圍山部分風(fēng)景區(qū)，株樹(shù)橋水庫(kù)是長(zhǎng)沙市百萬(wàn)市民生活飲用水第2供應(yīng)地，其水源地應(yīng)是《土壤環(huán)境質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》中“集中式生活飲用水源地”，土壤重金屬含量按GB/5618—1995應(yīng)達(dá)到1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的要求，即Cd<0.20 mg/kg；按GB/5618—2008則應(yīng)是“環(huán)境背景水平”。

2.2.2 基于累計(jì)污染指數(shù)評(píng)價(jià)。

由于地區(qū)差異，累積污染指數(shù)[4]更能反映人為活動(dòng)對(duì)土壤中Cd含量的影響。采用累積污染指數(shù)對(duì)小溪河流域耕作土壤Cd含量的累積狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。累積污染指數(shù)計(jì)算公式：Pi=Ci/Si（1）式中， Pi為污染物i的累積污染指數(shù)， Ci為污染物實(shí)測(cè)值， Si為污染物背景值。

為了準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)該區(qū)域耕作土壤帶來(lái)的環(huán)境壓力，參照國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，將Pi≤1的土壤樣點(diǎn)定義為清潔無(wú)污染，13定義為嚴(yán)重污染（表4）。在0～10和15～25 cm的樣點(diǎn)中，分別有部分樣點(diǎn)超過(guò)國(guó)家1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，處于污染狀態(tài)，其中土層深度為0～10 cm的土壤環(huán)境狀況較差，有24.87%的樣點(diǎn)處于污染狀態(tài)，而土層深度為15～25 cm土壤中Cd含量超過(guò)國(guó)家1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)處于污染狀態(tài)的樣點(diǎn)較少，為12.50%，土層深度為30～40 cm土壤中Cd不存在超過(guò)背景值的情況（表3）。但土層深度為0～10和15～25 cm的土壤中Cd含量均不存在中度污染和嚴(yán)重污染狀態(tài)。由此可知，盡管在0～10 cm土層深度中Cd累積現(xiàn)象較嚴(yán)重，但其含量超過(guò)國(guó)家2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的樣點(diǎn)卻較少。累積污染指數(shù)評(píng)價(jià)方法顯示土壤中Cd污染不嚴(yán)重，Cd含量超過(guò)國(guó)家2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的樣點(diǎn)占總樣點(diǎn)數(shù)的3.57%（表4）。因此，應(yīng)防止人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致土壤中Cd含量繼續(xù)增加而出現(xiàn)更多污染。

2.2.3 基于內(nèi)梅羅污染指數(shù)評(píng)價(jià)。

內(nèi)梅羅（Nemerow）污染指數(shù)[5]能評(píng)價(jià)不同土層深度土壤中Cd含量綜合污染程度，反映了Cd污染對(duì)土壤環(huán)境的作用，同時(shí)突出了高濃度污染物對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響，可用于將區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量作為一個(gè)整體與外區(qū)域或歷史資料進(jìn)行比較。內(nèi)梅羅指數(shù)計(jì)算公式：P=（i）2+max（Pi）2式中，P為土壤綜合污染指數(shù)；為土壤中Cd污染不同土層深度污染指數(shù)平均值；max（Pi）為土壤Cd污染物的最大污染指數(shù)。具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5。

對(duì)研究區(qū)不同土層土壤Cd含量進(jìn)行內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知，不同土層深度中Cd內(nèi)梅羅污染指數(shù)分別為1.47、0.86、0.53，其中土層深度0～10 cm的Cd內(nèi)梅羅污染指數(shù)值最大，土層深度30～40 cm的內(nèi)梅羅污染指數(shù)值最小。土層深度0～10 cm的Cd含量處于輕度污染狀態(tài)，土層深度15～25 cm的Cd含量處于尚清潔狀態(tài)，土層深度30～40 cm的Cd含量處于清潔狀態(tài)。這說(shuō)明人類(lèi)活動(dòng)對(duì)土壤表層Cd含量有較大影響，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該地區(qū)Cd污染的控制。

2.2.4 基于地積累指數(shù)評(píng)價(jià)。

地積累指數(shù)（Index of geo-accumulation）又稱(chēng)Mull指數(shù)法[6]，可以定量評(píng)價(jià)沉積物中的重金屬污染程度，也可用來(lái)評(píng)價(jià)土壤中重金屬的污染程度及其分級(jí)情況。該方法不僅考慮到人為污染因素、環(huán)境地球化學(xué)背景值，還考慮到由于自然成巖作用可能會(huì)引起背景值變動(dòng)的因素。

地積累指數(shù)計(jì)算公式：Igeo=log2（CnKBn）式中，Cn為—個(gè)監(jiān)測(cè)樣本的某重金屬實(shí)際含量；Bn為該重金屬元素的地球化學(xué)背景值，該研究取研究區(qū)域地球化學(xué)背景值（通過(guò)采集自然土壤樣品測(cè)定該區(qū)域Cd含量背景值為0.13）；K為考慮各地巖石差異可能會(huì)引起背景值的變動(dòng)而取的系數(shù)（一般取值為1.5）。地積累指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表7。

由表8可知，土層深度30～40 cm的地積累指數(shù)平均值均小于0，處于無(wú)污染狀態(tài)，而土層深度為0～10和15～25 cm的Cd含量均值在0～1.00，處于輕度—中等污染狀態(tài)。

2.2.5 不同污染評(píng)價(jià)方法對(duì)比。

不同污染評(píng)價(jià)方法，由于評(píng)價(jià)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)、權(quán)重系數(shù)、背景值等因素影響[7]，導(dǎo)致對(duì)土壤中Cd評(píng)價(jià)結(jié)果出現(xiàn)差異，但無(wú)論采取哪一種評(píng)估方法，評(píng)估結(jié)果均顯示，土層深度0～10 cm土壤存在輕度污染，且土層深度30～40 cm土壤中不存在污染現(xiàn)象；土層深度15～25 cm土壤中，內(nèi)梅羅污染指數(shù)評(píng)價(jià)方法顯示處于尚清潔的狀態(tài)，而累積污染指數(shù)與地累積污染指數(shù)顯示處于輕度污染狀態(tài)，說(shuō)明該土層深度中的土壤存在污染風(fēng)險(xiǎn)（表9）。

2.3 Cd含量空間分布可視化表達(dá)

土壤是一個(gè)不均勻、具有高度空間變異性的混合體[8]，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)僅代表監(jiān)測(cè)點(diǎn)本身的土壤Cd含量狀況，單純地以各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均值表示區(qū)域土壤污染的程度存在較大誤差， 為了更加準(zhǔn)確直觀(guān)地表達(dá)研究區(qū)土壤中Cd含量空間分布狀況，采用GIS空間插值的方法，對(duì)不同土層深度的土壤Cd含量進(jìn)行空間插值，并對(duì)插值結(jié)果進(jìn)行可視化表達(dá)，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知，在土層深度0～10和15～25 cm的土壤中Cd含量在空間分布上存在相對(duì)較多的小斑塊，而土層深度30～40 cm土壤中的Cd含量則呈相對(duì)均一的連片分布，且隨著土層深度的增加，土壤中的Cd含量在垂直方向上存在遞減趨勢(shì)。這佐證了上述研究結(jié)果，即研究區(qū)域土層深度0～10和15～25 cm的土壤監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)大部分處于清潔無(wú)污染狀態(tài)，僅有少量處于輕度污染狀態(tài)，且這些存在污染狀態(tài)的位置多屬于受人類(lèi)影響較大的耕地[9]，而在土層深度30～40 cm的土壤中基本不存在Cd污染狀況。

3 討論

株樹(shù)橋水庫(kù)水源地?zé)o重金屬自然污染源和人為工業(yè)污染源，出露的地層巖石是冷家溪群板頁(yè)巖和雪峰期花崗巖，通過(guò)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查和礦產(chǎn)勘查，未發(fā)現(xiàn)任何重金屬礦產(chǎn)和重金屬元素地球化學(xué)異常，無(wú)自然污染源。這與毗鄰的北部大溪河支流寶山河流域鮮成對(duì)照，寶山河上游有中型七寶山銅鉛鋅多金屬礦，從明朝開(kāi)始采選和冶煉，特別是1958年采選礦最盛，致使寶山河的底泥及沿岸0～400 m寬的農(nóng)田土壤重金屬含量很高。

株樹(shù)橋水庫(kù)水源地的河底泥、稻土和稻米的Cd等重金屬含量大都低于寶山河流域，表明其沒(méi)有自然和人為的工礦業(yè)重金屬污染[10]，但耕作層土壤Cd含量升高，以致于超過(guò)集中式生活飲用水的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)地調(diào)查，超標(biāo)區(qū)域有大面積的農(nóng)田分布，而農(nóng)戶(hù)施用化學(xué)磷肥，而磷肥均含Cd，Cd隨施用進(jìn)入農(nóng)田土壤，一部分被農(nóng)作物攝取進(jìn)入農(nóng)產(chǎn)品中，一部分溶解于水中成為水的污染源，大部分則被土壤吸收成為土壤Cd的主要來(lái)源，導(dǎo)致耕作層中的Cd含量累積，因而施用化學(xué)磷肥是造成研究區(qū)土壤淺層Cd含量顯著高于深層土壤的主要原因。

截至目前，株樹(shù)橋水庫(kù)水除有富營(yíng)養(yǎng)化傾向、偶爾有大腸桿菌等有機(jī)質(zhì)污染外，尚無(wú)重金屬污染，在水庫(kù)水質(zhì)檢測(cè)中，水質(zhì)符合國(guó)標(biāo)1級(jí)飲用水標(biāo)準(zhǔn)，但由于株樹(shù)橋水源地上層土壤Cd超標(biāo)，且少部分稻米Cd超標(biāo)的現(xiàn)象，這對(duì)橋水庫(kù)水源地水質(zhì)是一個(gè)潛在危害。

為了減少化肥、農(nóng)藥的農(nóng)業(yè)面源污染，目前，國(guó)內(nèi)外都致力于提高化肥的氮、磷利用率和限制使用礦物磷肥，以及嚴(yán)格控制磷肥中的Cd含量。而對(duì)一些如水源保護(hù)的特殊功能區(qū)，上述措施不能解決問(wèn)題時(shí)，要調(diào)整生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，發(fā)展不施用化肥、農(nóng)藥的觀(guān)光農(nóng)業(yè)[11]。

4 結(jié)論

（1）小溪河流域土層深度30～40 cm土壤中Cd含量空間變異性相對(duì)較小。從土壤監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)Cd的綜合評(píng)估結(jié)果看，研究區(qū)域土壤中的Cd含量隨著土層深度的增加，Cd含量逐漸遞減，且在土層深度0～10和15～25 cm土壤中Cd含量出現(xiàn)一定的累積，且部分樣點(diǎn)超過(guò)國(guó)家1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，處于輕度污染狀態(tài)，說(shuō)明其受人為活動(dòng)影響較大。

（2）研究區(qū)范圍內(nèi)無(wú)人為工業(yè)污染源，通過(guò)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查和礦產(chǎn)勘查，無(wú)任何重金屬礦產(chǎn)和重金屬元素地球化學(xué)異常，無(wú)自然污染源，在Cd超標(biāo)樣點(diǎn)分布區(qū)域存在使用化肥、農(nóng)藥的現(xiàn)象，因此可以判斷污染的主要因素在于人工施肥及農(nóng)藥，導(dǎo)致部分樣點(diǎn)Cd存在超標(biāo)現(xiàn)象，建議在該區(qū)域大力提倡綠色農(nóng)業(yè)，提倡施用綠肥，以保護(hù)生態(tài)環(huán)境與水資源。

（3）針對(duì)農(nóng)業(yè)土壤中Cd含量的空間分布研究，能更好地了解研究區(qū)域土壤中Cd含量的分布特征，為適時(shí)調(diào)整人類(lèi)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)實(shí)現(xiàn)土地資源的合理、可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。實(shí)踐證明，以遙感和GIS作為信息獲取和處理的技術(shù)手段，將景觀(guān)生態(tài)學(xué)理論與方法和傳統(tǒng)的土地利用變化研究方法相結(jié)合，用土地利用指數(shù)與景觀(guān)格局指數(shù)來(lái)量化表達(dá)區(qū)域的景觀(guān)動(dòng)態(tài)變化特征。

參考文獻(xiàn)

[1] 尤冬梅.農(nóng)田土壤重金屬污染監(jiān)測(cè)及其空間估值方法研究[D].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2014.

[2] 朱長(zhǎng)青，史文中.空間分析建模與原理[M].北京：科學(xué)出版社， 2006.

[3] 劉瓊峰.長(zhǎng)沙城郊農(nóng)田土壤鉛鎘的空間變異、影響因素與評(píng)價(jià)研究[D].長(zhǎng)沙：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2013.

[4] 劉志鵬.黃土高原地區(qū)土壤養(yǎng)分的空間分布及其影響因素[D].北京：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 2013.

[5] 林艷.基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS的土壤重金屬污染評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)， 2009.

[6] 王軍，傅伯杰，邱揚(yáng)，等.黃土高原小流域土壤養(yǎng)分的空間分布格局-Kriging 插值分析[J].地理研究， 2003， 22（3）：373-379.

[7] 朱會(huì)義，劉述林，賈紹鳳.自然地理要素空間插值的幾個(gè)問(wèn)題[J].地理研究， 2004， 23（4）：425-432.

[8] VAN KUILENBURG J， DE GRUIJTER J J，MARSMAN B A，et al.Accuracy of spatial interpolation between point data on soil moisture supply capacity， compared with estimates from mapping units[J].Geodermal，1982， 27（4）：311- 325.

[9] 鄭喜珅，魯安懷，高翔，等.土壤中重金屬污染現(xiàn)狀與防治方法[J].土壤與環(huán)境， 2002， 11（1）：79-84.

[10] 戴塔根，劉星輝，童潛明.湖南瀏陽(yáng)七寶山礦區(qū)寶山河不同時(shí)期環(huán)境污染對(duì)比研究[J].礦冶工程， 2005，25（6）：9-13.

[11] 曹明德，趙爽.略論我國(guó)農(nóng)業(yè)用地土壤污染防治立法的現(xiàn)狀、問(wèn)題與進(jìn)路[C]//環(huán)境法治與建設(shè)和諧社會(huì)：2007年全國(guó)環(huán)境資源法學(xué)研討會(huì)論文集.蘭州：[出版者不詳]，2007：761-767.