曹姍姍，韓昀，安民，孔繁濤，孫偉※

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所，北京 100081；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所，吉林 長(zhǎng)春 130112）

湘蓮（Nelumbo nucilfera Gaertn）是源自湖南地區(qū)栽培的子蓮品種的統(tǒng)稱，營(yíng)養(yǎng)豐富、藥用價(jià)值高，2010年獲中國(guó)地理標(biāo)志產(chǎn)品保護(hù)，被譽(yù)為“中國(guó)第一蓮子”。湖南省湘潭縣是湘蓮的主產(chǎn)地、中國(guó)湘蓮之鄉(xiāng)及湘潭湘蓮中國(guó)特色農(nóng)產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)區(qū)，湘蓮種植、加工和出口規(guī)模均居全國(guó)首位[1]。湘蓮產(chǎn)業(yè)是湘潭縣傳統(tǒng)特色產(chǎn)業(yè)和推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。

湘潭縣位于素以“有色金屬之鄉(xiāng)”著稱的湖南省中部偏東、重金屬污染較嚴(yán)重的湘江下游西岸，化工及礦業(yè)廢氣、廢水的排放，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)土壤遭受不同程度的重金屬污染，尤其是Cd 污染[2]。種植結(jié)構(gòu)調(diào)整為重金屬污染區(qū)的農(nóng)田治理與利用開辟了新路徑[3]，研究表明，在重金屬污染區(qū)選擇符合條件的水田挖池種蓮、種養(yǎng)結(jié)合，發(fā)展“湘蓮+魚”“湘蓮+蝦”等生態(tài)種養(yǎng)模式，產(chǎn)出的蓮子、小龍蝦等產(chǎn)品的重金屬含量均符合《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》（GB 2762-2017）標(biāo)準(zhǔn)[4,5]。“湘蓮+”生態(tài)種養(yǎng)模式的推廣，不僅能有效解決由于土壤重金屬污染導(dǎo)致的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題，還能顯著提高經(jīng)濟(jì)效益。

評(píng)價(jià)土壤重金屬污染的方法眾多[6]，常用于評(píng)價(jià)單一土壤重金屬元素污染程度的方法包括單因子污染指數(shù)法、富集因子法和地累積指數(shù)法等[7]。其中，地累積指數(shù)法在評(píng)價(jià)土壤重金屬污染時(shí)，不僅考慮了環(huán)境地球化學(xué)背景值和人為因素，還考慮了沉積成巖作用對(duì)地球化學(xué)背景值的影響[8]。本研究基于地累積指數(shù)計(jì)算研究區(qū)主要土壤重金屬污染元素Cd 的污染風(fēng)險(xiǎn)，并采用基于多尺度套合模型變異函數(shù)的普通Kriging法進(jìn)行研究區(qū)土壤重金屬Cd 的污染風(fēng)險(xiǎn)的空間插值，綜合考慮“湘蓮+”產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求和功能性，重點(diǎn)聚焦湘蓮種植對(duì)環(huán)境條件的要求和交通便利性，劃分“湘蓮+”種植多級(jí)適宜區(qū)，為因地制宜發(fā)展“湘蓮+”生態(tài)種養(yǎng)產(chǎn)業(yè)提供空間優(yōu)化布局。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖南省湘潭縣湘蓮地理標(biāo)志產(chǎn)品保護(hù)范圍內(nèi)，地理坐標(biāo)介于東經(jīng)111°24′56″～113°02′04″，北緯27°20′25″～27°56′48″。地處湘中丘陵，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣侯，光照充足，年均氣溫16.7～18.3℃，年總?cè)照? 500 h 以上，有利于湘蓮開花結(jié)實(shí)。區(qū)域內(nèi)水資源充足且排灌便利，年均降水量1 300 mm，河流、湖泊、水庫(kù)、池塘密布，湘江、漣水和涓水貫穿全域。土地資源豐富，多為潴育性水稻土，土質(zhì)疏松、肥沃，能夠?yàn)橄嫔彽纳L(zhǎng)提供良好的自然生態(tài)環(huán)境。

1.2 樣品采集與分析

結(jié)合研究區(qū)土壤類型、土地利用類型、地形地貌和實(shí)地調(diào)查情況，采用格網(wǎng)布點(diǎn)法均勻布設(shè)采樣點(diǎn)164個(gè)（圖1），以采樣點(diǎn)位置為中心設(shè)置邊長(zhǎng)為4 m 的正方形樣地，分別采集正方形對(duì)角線上等間距的5 個(gè)點(diǎn)處的土壤樣品各200g并充分混合，采樣深度0～20cm。土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室經(jīng)自然風(fēng)干、剔除雜物、研磨并過篩后，采用微波消解法進(jìn)行前處理，用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定樣品中重金屬Cd 的含量。

圖1 采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of soil sampling

1.3 “湘蓮+”多級(jí)種植區(qū)劃方法

1.3.1 污染重金屬污染評(píng)價(jià)方法 采用地累積指數(shù)法進(jìn)行研究區(qū)主要土壤重金屬污染元素Cd 污染評(píng)價(jià)。地累積指數(shù)法是德國(guó)科學(xué)家Muller 于1969年提出的一種用于評(píng)價(jià)沉積物中重金屬污染程度的定量指標(biāo)[9]。計(jì)算公式為：

其中，Igeo 為地累積指數(shù)，Cn 是重金屬元素的含量，Bn是重金屬元素的地球環(huán)境背景值，本研究依據(jù)湖南省土壤重金屬Cd 背景值取值；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），用來表征沉積特征、巖石地質(zhì)及其他影響。根據(jù)地積累指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，分別以0、1、2 和4 為臨界值，劃分風(fēng)險(xiǎn)區(qū)等級(jí)，見表1。

表1 地積累指數(shù)及區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification standard of land accumulation index and regional risk

1.3.2 普通Kriging 插值 普通Kriging 插值是最常用且穩(wěn)健的地統(tǒng)計(jì)空間插值方法，在土壤屬性空間插值研究領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。與反距離權(quán)重法、樣條函數(shù)法等非地統(tǒng)計(jì)空間插值方法相比，普通Kriging 插值法基于變異函數(shù)理論對(duì)有限區(qū)域內(nèi)的區(qū)域化變量進(jìn)行無(wú)偏最優(yōu)估值，不僅考慮樣品點(diǎn)間的空間距離關(guān)系，而且結(jié)合樣品點(diǎn)間的位置關(guān)系及空間分布特征，能有效避免系統(tǒng)誤差，使估算結(jié)果更精確[10]。計(jì)算公式：

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬Cd含量特征

根據(jù)研究區(qū)164 個(gè)土壤樣品的重金屬Cd含量的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2，平均值略高于湖南省背景值和《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618-1995）Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值，表明重金屬Cd 在該區(qū)域存在不同程度的累積現(xiàn)象。變異系數(shù)（CV）可在無(wú)需考慮數(shù)據(jù)量綱的情況下度量采樣數(shù)據(jù)的離散程度，根據(jù)變異系數(shù)分級(jí)，研究區(qū)土壤重金屬Cd 含量的變異系數(shù)56.18（CV>36%）為高度變異，表明其空間分布的差異性顯著[11]。

表2 土壤重金屬鎘描述性統(tǒng)計(jì)Table 2 Descriptive statistics of heavy metal Cd in soil（mg/kg）

2.2 土壤重金屬Cd污染評(píng)價(jià)

以湖南省土壤重金屬Cd 背景值為參考值，應(yīng)用地積累指數(shù)法計(jì)算研究區(qū)164 個(gè)土壤樣品的重金屬Cd 的污染指數(shù)。采用普通Kriging 法對(duì)研究區(qū)土壤重金屬Cd 的污染指數(shù)進(jìn)行空間插值，為提高插值精度，改進(jìn)傳統(tǒng)單一尺度變異函數(shù)，構(gòu)建基于多尺度套合模型變異函數(shù)的普通Kriging 法。根據(jù)插值結(jié)果的誤差評(píng)價(jià)指標(biāo)（表3），與基于單一尺度變異函數(shù)的普通Kriging法相比，基于多尺度套合模型變異函數(shù)的普通Kriging法的平均絕對(duì)誤差（mean absolute error,MAE）更小、降低了98.77%，標(biāo)準(zhǔn)化平均誤差（mean standardized error,MSE）降低了41.35%，平均標(biāo)準(zhǔn)誤差（average standard error,ASE）和均方根誤差（rootmeansquare error,RMSE）更接近、標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差（root mean square standardized error,RMSSE）更接近于1，基于多尺度套合模型變異函數(shù)的普通Kriging 法的插值結(jié)果的誤差更小、更穩(wěn)定[12]。

表3 基于不同變異函數(shù)的普通Kriging 插值精度比較Table 3 Accuracy comparison of Ordinary Kriging based on different variogram

結(jié)合研究區(qū)土壤重金屬Cd 的污染指數(shù)的空間插值結(jié)果和地累積指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（表1），劃分研究區(qū)土壤重金屬Cd 污染的多級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。根據(jù)劃分結(jié)果（圖2），整個(gè)研究區(qū)的土壤重金屬Cd 的污染指數(shù)均大于0，其中，除東北地區(qū)以外的大部分區(qū)域?yàn)轱L(fēng)險(xiǎn)較低的一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，占研究區(qū)總面積的82.73%；二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占比16.92%，主要位于研究區(qū)東北部的湘江流域和人口密度較大的城鄉(xiāng)住宅區(qū)附近，且距離湘江流域和城鄉(xiāng)住宅區(qū)越近，土壤重金屬Cd 的污染指數(shù)越高；三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)位于湘潭縣中心城區(qū)附近，僅占研究區(qū)總面積的0.35%。

圖2 土壤重金屬Cd 污染多級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)Fig.2 Potential ecological risk area of soil heavy metal pollution

2.3 “湘蓮+”種植區(qū)多級(jí)區(qū)劃

蓮田種植區(qū)多以潴育性水稻土為主，綜合考慮“湘蓮+”產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求和功能性，重點(diǎn)聚焦湘蓮種植對(duì)環(huán)境條件的要求和交通便利性?；谘芯繀^(qū)土地利用類型，選擇適用于水生作物種植的水田作為“湘蓮+”種植備選區(qū)。結(jié)合土壤重金屬Cd 污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和最近主干道距離（表4），將“湘蓮+”種植備選區(qū)劃分為三級(jí)適宜區(qū)（圖3）。一級(jí)適宜區(qū)是“湘蓮+”種植的最佳候選區(qū)，占備選區(qū)總面積的95.41%，幾乎覆蓋全部備選區(qū)，該區(qū)域土壤重金屬Cd 的污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)相對(duì)較低（非風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)）、與最近主干道的距離較近（＜3 km）；二級(jí)適宜區(qū)是“湘蓮+”種植的較優(yōu)候選區(qū)，占研究區(qū)總面積的4.28%，該區(qū)域土壤重金屬Cd 的污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)不高或與最近主干道的距離相對(duì)稍遠(yuǎn)，包括風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)不高于一級(jí)但主干道距離≥3km、風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)三級(jí)但主干道距離＜3 km 的區(qū)域；三級(jí)適宜區(qū)是“湘蓮+”種植的欠佳候選區(qū)，僅占研究區(qū)總面積的0.31%，位于研究區(qū)東北角的工業(yè)發(fā)展聚集區(qū)附近，該區(qū)域主要以土壤重金屬Cd 的區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高的備選區(qū)為主，包括區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)二級(jí)以上且與最近主干道的距離≥3 km 的備選區(qū)。

圖3 “湘蓮+”種植適宜區(qū)多級(jí)區(qū)劃Fig.3 Multilevel regionalization of "Xianglian+"planting suitable zone

表4 “湘蓮+”種植適宜區(qū)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Classification standard of suitable zone for "Xianglian+" planting

3 討論

“湘蓮+”產(chǎn)業(yè)是實(shí)現(xiàn)重金屬污染耕地的種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的有效措施，“湘蓮+”種植多級(jí)適宜區(qū)劃分可為因地制宜推廣“湘蓮+”生態(tài)種養(yǎng)模式提供重要支撐。根據(jù)劉瑞雪[2]、霍明珠等[13]的研究結(jié)果，湘潭縣農(nóng)田土壤的8 種重金屬鎘（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、銅（Cu）、鋅（Zn）和鎳（Ni），只有Cd 含量的平均值高于風(fēng)險(xiǎn)篩選值。葉宏萌等[5]檢測(cè)荷塘底泥重金屬含量超過限值的蓮池中，蓮子及蓮葉的重金屬含量均符合食品中污染物限量標(biāo)準(zhǔn)。歲珂等[14]檢測(cè)重金屬污染水質(zhì)中生存的小龍蝦，其可食用部分的重金屬含量在限值以內(nèi)。因此，本研究基于土壤重金屬Cd 污染評(píng)價(jià)開展“湘蓮+”種植區(qū)劃分研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

根據(jù)研究區(qū)土壤中重金屬Cd 含量的采樣檢測(cè)結(jié)果的描述性統(tǒng)計(jì)，其平均值略高于湖南省背景值和國(guó)家土壤質(zhì)量Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值、且變異系數(shù)較高，表明研究區(qū)土壤重金屬Cd 的累積受人為因素影響較大[11]。結(jié)合土壤重金屬Cd 污染多級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分結(jié)果，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)稍高的二級(jí)以上風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占研究區(qū)總面積的17.27%，主要位于研究區(qū)東北部的湘江流域和人口密度較大的城鄉(xiāng)住宅區(qū)附近，且距離湘江流域和城鄉(xiāng)住宅區(qū)越近，土壤重金屬Cd 的污染指數(shù)越高，表明研究區(qū)土壤重金屬Cd 的累積主要來源于工業(yè)生產(chǎn)、大氣沉降、交通運(yùn)輸、湘江流域重金屬污染以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中污水灌溉、農(nóng)藥、化肥和塑料薄膜的使用等[2]。

根據(jù)“湘蓮+”種植適宜區(qū)多級(jí)區(qū)劃結(jié)果，最適宜“湘蓮+”產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一級(jí)適宜區(qū)幾乎覆蓋全部備選區(qū)，土壤重金屬Cd 的污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較低且交通便利，適宜打造“種養(yǎng)+旅游+科普”于一體的特色農(nóng)業(yè)觀光旅游基地，實(shí)現(xiàn)湘蓮產(chǎn)業(yè)和旅游資源的有機(jī)融合；二級(jí)適宜區(qū)的土壤重金屬Cd 的污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)稍高或與最近主干道距離相對(duì)稍遠(yuǎn)，零散分布于研究區(qū)西南角和東南角，與現(xiàn)有全國(guó)規(guī)模最大的湘蓮加工貿(mào)易市場(chǎng)距離較近，是“種養(yǎng)+加工+貿(mào)易”于一體的“種養(yǎng)加”綜合發(fā)展區(qū)的優(yōu)選之地；三級(jí)適宜區(qū)的土壤重金屬Cd 的區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高且與最近主干道的距離相對(duì)較遠(yuǎn)，宜優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，探索促進(jìn)“湘蓮+”各產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展的新模式。

4 結(jié)論

本研究以湖南省湘潭湘蓮中國(guó)特色農(nóng)產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)區(qū)的“湘蓮+”產(chǎn)業(yè)的優(yōu)化布局為研究目標(biāo)，建立了基于土壤重金屬Cd 污染評(píng)價(jià)的“湘蓮+”種植區(qū)劃方法。以適用于水生作物種植的水田為“湘蓮+”種植備選區(qū)，結(jié)合“湘蓮+”產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求和功能性，將研究區(qū)“湘蓮+”種植多級(jí)適宜區(qū)劃分為三級(jí)，其中，一級(jí)適宜區(qū)和二級(jí)適宜區(qū)是“湘蓮+”產(chǎn)業(yè)發(fā)展的首選區(qū)域。最適宜“湘蓮+”產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一級(jí)適宜區(qū)幾乎覆蓋全部備選區(qū)，占備選區(qū)總面積的95.41%，該區(qū)域土壤重金屬Cd 的污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)相對(duì)較低（非風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)）且與最近主干道的距離較近（< 3 km），是以“湘蓮+”產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)的農(nóng)旅融合發(fā)展區(qū)的最佳優(yōu)選；二級(jí)適宜區(qū)占研究區(qū)總面積的4.28%，該區(qū)域土壤重金屬Cd 的污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)稍高或與最近主干道的距離相對(duì)稍遠(yuǎn)，是“湘蓮+”種養(yǎng)加綜合發(fā)展區(qū)的優(yōu)選區(qū)域；三級(jí)適宜區(qū)是“湘蓮+”種植的欠佳候選區(qū)，僅占研究區(qū)總面積的0.31%，土壤重金屬Cd 的區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高且與最近主干道的距離相對(duì)較遠(yuǎn)，可逐步優(yōu)化調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。本研究提出的基于土壤重金屬Cd 污染評(píng)價(jià)的“湘蓮+”種植區(qū)劃方法和多級(jí)區(qū)劃結(jié)果，能夠?yàn)橐虻刂埔税l(fā)展“湘蓮+”特色生態(tài)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)提供空間優(yōu)化布局。