李文琦， 吳 濤， 蔣國俊， 張建珍， 解雪峰,2

(1.浙江師范大學 地理與環(huán)境科學學院,浙江 金華 321004；2.自然資源部 海岸帶開發(fā)與保護重點實驗室，江蘇 南京 210023)

0 引 言

土壤不僅是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，還是環(huán)境中各組成要素的中心環(huán)節(jié)與紐帶.同時，土壤也是自然環(huán)境的一面“鏡子”，易受環(huán)境變化的影響.目前，重金屬引發(fā)的土壤污染尤其嚴重[1].生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《2020中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》指出：“重金屬是影響我國農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量的主要污染物，其中Cd最為首要”[2].該類污染是指由于人類為滿足自身需要，不加節(jié)制地排放重金屬及其化合物，土壤中重金屬含量持續(xù)增加引起的污染問題[3].鎘、汞、銅等重金屬污染物在進入土壤后具有強隱蔽性、難揮發(fā)、易積累等特征，這使得土壤條件惡化后，污染物經(jīng)過食物鏈等途徑進入人體，嚴重危害人民群眾的生命安全與健康[4].

近年來，國內(nèi)外學者密切關注土壤重金屬的污染問題.在污染評價方面，國內(nèi)外大多集中于對評價方法的研究，主要分為單一元素評價和綜合評價兩類[5-6].學者們根據(jù)相應研究需要選取適合的評價方法，Che等[7]選用綜合評價法分析西藏羊卓克湖盆地沉積物重金屬污染情況，發(fā)現(xiàn)總體重金屬富集程度較低.Aboubakar等[8]運用地累積指數(shù)法、富集因子法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評估雅溫得(喀麥隆)城市農(nóng)業(yè)土壤中重金屬污染程度.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)一半以上區(qū)域存在土壤污染情況，其中Pb元素污染最為嚴重.在污染防治研究上，則主要側(cè)重于污染土壤的修復技術(shù)、管控措施及法律體系建設等方面的研究[9].在污染地塊分區(qū)上，大部分研究集中于農(nóng)業(yè)非點源污染分區(qū)，土壤重金屬污染角度上的安全利用分區(qū)研究較少[10].目前，國內(nèi)還尚未形成在農(nóng)用地土壤重金屬污染評價基礎上結(jié)合污染地塊安全利用分區(qū)標準，進行分區(qū)治理、分區(qū)利用的成熟系統(tǒng).

鑒于此，本文采用描述性統(tǒng)計和地統(tǒng)計等方法分析金華市區(qū)農(nóng)用地土壤重金屬含量的空間分布特征，選用單項污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對金華市區(qū)農(nóng)用地中Cr,Ni,Cu,Zn,As,Cd,Pb,Hg這8種重金屬進行污染評價，繼而提出農(nóng)用地安全利用等級劃分方案，以期針對不同安全利用區(qū)，提出針對性建議對策，為區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)為金華市行政轄區(qū)(28°44′～29°19′ N,119°18′～119°56′ E)，包括婺城區(qū)和金東區(qū)兩區(qū)，市轄區(qū)總面積約為2 050 km2，處于武義江、東陽江和金華江三江交匯處，位于浙江省中部地區(qū)，金衢盆地東部.研究區(qū)屬亞熱帶季風氣候，雨熱同期，干濕季分明，植被類型以亞熱帶常綠闊葉林為主；土壤類型多樣，主要為紅壤、紫色土、黃壤、水稻土和巖性土.金華市是浙江省第四大中心城市，長三角八大區(qū)域的中心城市，農(nóng)業(yè)發(fā)達，是浙江省重要的糧食產(chǎn)區(qū)，2019年糧食產(chǎn)量占浙江省糧食總產(chǎn)量的7%左右.另外，金華市交通通達，鐵路、公路、航空、水路等綜合交通網(wǎng)絡完善.

1.2 樣品采集與分析

金華市市區(qū)農(nóng)用地土壤采樣點分布情況見圖1，樣品采集方法選用網(wǎng)格法，將研究區(qū)以1 km×1 km的網(wǎng)絡劃分若干單元，在研究區(qū)內(nèi)均勻布設土壤采樣點，經(jīng)實地考察去除非農(nóng)用地樣點后，確定最終采樣點為931個，利用多樣混合方法在每個點位附近選取4個表土采集點，將采集土混合作為該點位土樣.采集到的土樣仔細密封保存于聚乙烯袋中，并貼上標簽做好標記.同時記錄各個采樣點的地理坐標，以便后續(xù)數(shù)據(jù)分析.

圖1 金華市市區(qū)農(nóng)用地土壤采樣點分布圖

帶回實驗室的土樣需要進行預處理，在無塵環(huán)境下室溫自然風干，風干之后進行粉碎，選取適合孔徑的套篩過篩.土壤Cr,Cd,Cu,Pb,Ni和Zn用酸消解，然后利用ICP-AES測定.As,Hg采用王水-水浴消解，利用ICP-AF測定樣品.隨機選取平行土樣(占各批次的20%)重復實驗，確保誤差低于5%.樣品分析的標準參比物質(zhì)選用GSS 24.

1.3 研究方法

1.3.1 插值方法

克里金插值法是基于變差函數(shù)無偏估計的方法[11],反距離加權(quán)(inverse distance weighted,IDW)插值是一種確定性插值方法，它以未知點與已知點之間的距離作為權(quán)重[12].2種插值方法的最大區(qū)別是IDW中采樣點的預測值與實測值一致，插值過程中保留了采樣點的極值.本文基于前人研究，結(jié)合研究需要，采用普通克里金插值法分析重金屬空間分布特征，采用反距離權(quán)重插值分析污染空間分布[13].

1.3.2 評價方法

1)單項污染指數(shù)法.該方法應用廣泛，直觀反映區(qū)域內(nèi)單一重金屬元素的污染情況，是一種實用且簡單靈活的評價方法[14-15]：

Pi=Ci/Si.

(1)

式(1)中：Pi為單項污染指數(shù)；Ci為元素實測值，單位為mg·kg-1；Si采用的評價標準參考《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB15618—2018)和《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境評價標準》(HJ/T 332—2006)[16-17].根據(jù)規(guī)定將單項污染指數(shù)Pi劃分為 5個等級，具體見表1.

表 1 單項污染指數(shù)等級劃分標準

2)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法.該方法是一種基于單因子污染指數(shù)，兼顧極值或突出最大值的計權(quán)型的方法[18],具體方法為

(2)

3)潛在生態(tài)危害指數(shù)法.該方法主要特點是計算過程中引入了重金屬的毒性系數(shù)[20]，

(3)

1.3.3 安全利用等級劃分方法

本文采用前述3種評價方法獲得的評價結(jié)果，通過無量綱等級的形式分別表征各自內(nèi)涵.為了盡可能避免安全利用等級劃分的人為主觀性及傳統(tǒng)取最值導致的結(jié)果偏差，本文在劃定安全利用等級時基于統(tǒng)計學排列組合原理，對5×5×4=100種現(xiàn)狀進行排列組合并分類歸項，參考了文獻[21],最后確定了5個安全利用等級(用D表示)：清潔安全區(qū)(Ⅰ)，該區(qū)和P綜等級加和為3，土壤重金屬污染情況處于安全水平，低于相關重金屬元素評價標準值；基本清潔區(qū)(Ⅱ)，該區(qū)和P綜等級加和不超過4，土壤重金屬污染情況處于安全水平，整體土壤重金屬出現(xiàn)少量積累，略超出重金屬元素評價標準值；風險監(jiān)控區(qū)(Ⅲ)，該區(qū)和P綜等級加和不超過8，土壤重金屬污染情況處于低風險，整體土壤重金屬出現(xiàn)一定量積累，超出重金屬元素評價標準值；風險預警區(qū)(Ⅳ)，該區(qū)和P綜等級加和不超過11，土壤重金屬污染情況處于中風險，整體土壤重金屬出現(xiàn)一定量積累，明顯超出重金屬元素評價標準值；嚴格管制區(qū)(Ⅴ)，該區(qū)和P綜等級加和不超過14，土壤重金屬污染情況處于較高、高風險，整體土壤重金屬出現(xiàn)一定量積累，嚴重超出重金屬元素評價標準值(見表4).

表2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)等級劃分標準

表3 潛在生態(tài)危害指數(shù)等級劃分標準

表4 安全利用等級劃分方案及表達

1.4 數(shù)據(jù)處理

本文描述性統(tǒng)計分析和正態(tài)分布檢驗在SPSS 25.0中進行，地統(tǒng)計分析在GS+9.0中完成；普通克里金和反距離加權(quán)插值等均在ArcGIS 10.5中完成.

2 結(jié)果與分析

2.1 金華市農(nóng)用地土壤重金屬含量特征

2.1.1 金華市農(nóng)用地重金屬含量統(tǒng)計分析

研究區(qū)8種土壤重金屬中，Hg,Cu,Pb,Zn和Cd重金屬元素含量平均值高于浙江土壤重金屬背景值，分別超出了背景值的1.20，1.05，1.10，1.50和3.14倍，Cd平均含量超出較多，表明金華市市區(qū)農(nóng)用地土壤中已經(jīng)存在重金屬累積(見表5).標準差反映了數(shù)據(jù)的離散程度，研究區(qū)重金屬含量標準差都較小，說明重金屬含量分布范圍較為集中.研究區(qū)中，8種重金屬偏度、峰度均大于0，可知研究區(qū)土壤8種重金屬含量的數(shù)據(jù)分布比正態(tài)分布高且狹窄，數(shù)據(jù)都集中在左邊，表明研究區(qū)8種重金屬分布類型為偏態(tài)分布.變異系數(shù)可以揭示數(shù)據(jù)離散程度，反映了人類活動強度，數(shù)值越大,表明受到人為活動的影響越強[22].研究區(qū)中8種重金屬變異系數(shù)均大于36%，屬于中等變異；其中As變異系數(shù)最大，達到了105.4%，屬于強變異,說明研究區(qū)中受到較強的人為活動影響.

表5 金華市市區(qū)農(nóng)用地土壤重金屬含量描述性統(tǒng)計數(shù)據(jù)

2.1.2 金華市農(nóng)用地重金屬含量空間分布

金華市農(nóng)用地土壤重金屬元素半變異函數(shù)擬合結(jié)果見表6.研究區(qū)的As,Hg,Pb和Cd模型擬合結(jié)果為指數(shù)模型，其余重金屬則為球狀.塊金值C0反映系統(tǒng)受隨機性(人為)因素影響程度[24].基臺值反映系統(tǒng)受隨機性與結(jié)構(gòu)性(自然)影響的總變異[25].塊金系數(shù)(C0/(C0+C))指示了空間自相關性，Cr,Ni,Cu,Pb,Zn和Cd塊金系數(shù)為0.25～0.75，其空間自相關性程度表現(xiàn)中等，表明在空間變異上既受氣候、地形和成土母質(zhì)等自然因素的作用，也受農(nóng)業(yè)活動、工業(yè)污染和交通污染等人為因素的影響[26].As和Hg的塊金系數(shù)均大于0.75，變量的空間自相關性較弱，說明這2種金屬元素區(qū)域化變量主要表現(xiàn)在隨機性變異作用方面[27].半變異函數(shù)的模型擬合效果根據(jù)擬合優(yōu)度R2最大值及殘差平方和RSS最小值2個原則進行檢驗.As,Hg,Cr,Ni,Cu,Pb,Zn和Cd重金屬元素擬合優(yōu)度為0.778～0.990，接近于1，說明擬合精度較高，擬合效果好，能夠較準確地反映重金屬空間特征.

表6 金華市市區(qū)農(nóng)用地土壤重金屬半變異函數(shù)擬合參數(shù)

基于半變異函數(shù)擬合結(jié)果插值，筆者獲取了土壤重金屬含量空間分布圖(見圖2).8種重金屬含量高值區(qū)大體分布較集中，多分布在金華市市區(qū)東北、西北及南部，低值區(qū)則大多位于中部，其中部分重金屬分布有一定差異.土壤重金屬As元素在研究區(qū)中高值區(qū)面積較小，僅在東南部和北部有零星分布，As元素高值區(qū)內(nèi)有水田、旱地、園地分布.有研究表明，農(nóng)藥(除草劑、殺蟲劑和殺菌劑等)和有機肥(秸稈、禽畜糞便、豆粕等)常含有As元素，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中會導致土壤中As元素含量的增加[28].土壤重金屬Pb元素高值區(qū)分布較廣，主要集中在研究區(qū)的南部和西部地區(qū)，其中部分位于金西經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，該地以發(fā)展工業(yè)為主，包括汽摩配件、五金、紡織服裝業(yè)等.Pb元素是交通排放的主要指示元素，研究區(qū)土壤中Pb元素的來源可能包括工業(yè)“三廢”排放和交通污染排放[29].土壤重金屬Cd,Ni和Zn在研究區(qū)中則呈現(xiàn)出相似的分布格局，北部、西北部和南部地區(qū)含量較高，中部地區(qū)含量較低，其中Cd和Zn含量高值區(qū)多集中分布在南部，Ni元素高值區(qū)集中分布在北部、西部和西北部地區(qū).另外，Cd,Ni和Zn高值區(qū)內(nèi)交通線路十分密集，浙贛鐵路、杭金衢高速、金義中線等路線都穿越了高值區(qū).相關研究表明，汽車剎車片和輪胎磨損會釋放Zn,Ni,Cu和Cd等重金屬，通過大氣降塵等途徑進入土壤[30].Cr,Cu元素呈現(xiàn)出了北部含量高，中部、南部含量較低的分布格局，在研究區(qū)中的分布較為相似，說明土壤中Cr,Cu元素可能擁有較為相似的來源.北部的高值區(qū)位于金東經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，主要包括通用設備制造業(yè)、小商品加工等產(chǎn)業(yè)，這可能是使得研究區(qū)北部土壤Cr,Cu元素含量偏高的主要原因.土壤重金屬Hg元素含量高值區(qū)呈零星狀散布在研究區(qū)，北部高值區(qū)分布相較南部更為密集.土壤中Hg的來源較廣,包括工農(nóng)業(yè)活動中含Hg廢水排放、含Hg固體廢棄物堆積、大氣Hg沉降及土壤母質(zhì)等，通過聯(lián)系Hg元素空間相關性較弱，推斷其可能主要受到人為活動的影響[31].

圖2 金華市市區(qū)農(nóng)用地的土壤重金屬含量空間分布圖

2.2 金華市農(nóng)用地土壤重金屬污染評價

2.2.1 單項污染指數(shù)法

單項污染指數(shù)法的評價結(jié)果表明(見圖3)，雖然在研究區(qū)的土壤樣本重金屬存在一定的污染情況，但主要以無污染等級為主，只有少量的輕微污染，極少量的輕度污染和中度污染，不存在重度污染的情況.研究區(qū)Cr和Ni無污染等級占比100.00%；Zn無污染等級占比99.68%，污染區(qū)域分布在中部和東南部；Hg無污染等級占比99.46%，污染區(qū)主要分布在研究區(qū)東北部；As無污染占比99.03%，污染區(qū)分布在北部、東南部；Cu無污染占比98.71%，污染區(qū)主要分布在東北部；Pb無污染占比98.60%，污染區(qū)分布在南部和東南部；Cd元素污染最嚴重，無污染占比86.14%，污染地區(qū)主要零星分布在研究區(qū)西北部、南部及東南部，該地土地利用類型主要以林地、水田、旱地為主.相關研究表明，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中無論是磷酸二銨等磷肥的使用還是地膜中含Cd熱穩(wěn)定劑的添加都會導致土壤Cd污染的加劇[32].Cd污染區(qū)成土母質(zhì)主要為侵入巖類風化物，金華地區(qū)侵入巖類風化物中Cd含量略高，在成土過程中可能引起土壤中Cd元素增加.另外，部分Cd污染區(qū)植物覆被度較高，而植物對Cd的富集也可能是土壤中Cd含量較高的一大原因.基于污染各等級占比率分析污染程度，由大到小依次為Cd，Pb，Cu，As，Hg，Zn，Cr及Ni.

2.2.2 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法

根據(jù)內(nèi)梅綜合指數(shù)法對研究區(qū)土壤重金屬污染狀況進行評價(見圖4)，結(jié)果表明，總體上土壤樣本污染情況以清潔水平為主(79.81%)，但仍有20.19%的農(nóng)用地遭受不同程度的污染，污染區(qū)域主要集中分布在研究區(qū)的南部、北部及東北部，其余地區(qū)有零散分布.這些污染區(qū)域靠近金華市中心城區(qū)，污染來源較多，工農(nóng)業(yè)排放、汽車尾氣排放及生活垃圾堆積等原因都可能使得污染源附近土壤出現(xiàn)重金屬污染情況[33].

圖3 單項污染指數(shù)評價結(jié)果空間分布圖

圖4 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評價結(jié)果空間分布圖

2.2.3 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

根據(jù)潛在生態(tài)危害指數(shù)法對土壤重金屬污染狀況進行評價(見圖5).總體上看，研究區(qū)主要以低風險區(qū)域(44.47%)及中風險地區(qū)(49.95%)為主，部分地區(qū)為較高風險地區(qū)(5.59%).較高風險地區(qū)為耕地集中分布區(qū)，且靠近城鎮(zhèn)和工礦用地.研究認為，土地利用方式影響了土壤的重金屬水平，農(nóng)業(yè)用地及城鎮(zhèn)、工礦用地重金屬含量較林地等土地利用方式的重金屬含量水平更高[34].金華市農(nóng)用地土壤已存在一定的潛在生態(tài)危害風險，但不存在嚴重的潛在生態(tài)危害風險.

圖5 潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價結(jié)果空間分布圖

2.3 金華市農(nóng)用地安全利用分區(qū)

根據(jù)安全利用等級劃分方案，對金華市農(nóng)用地進行安全利用分區(qū)，劃分為清潔安全區(qū)、基本清潔區(qū)、風險監(jiān)控區(qū)、風險預警區(qū)和嚴格管制區(qū)(見圖6).具體劃分結(jié)果表述如下：

圖6 金華市市區(qū)農(nóng)用地安全利用分區(qū)圖

1)清潔安全區(qū).該區(qū)面積為399.45 km2，約占農(nóng)用地面積的35.99%，多分布在研究區(qū)西南和東北部.建議優(yōu)先保護該區(qū)土壤，嚴防污染物輸入，以維持土壤安全.

2)基本清潔區(qū).該區(qū)面積為0.54 km2，約占農(nóng)用地面積的0.05%，小面積散布在研究區(qū)南部和東北部.建議加強土壤防治，嚴控土壤污染源頭，維護土壤生命力.

3)風險監(jiān)控區(qū).該區(qū)面積為680.01 km2，約占農(nóng)用地面積的61.27%，分布廣且較為集中.建議設置防治結(jié)合的策略，重視該區(qū)的污染監(jiān)控，因地制宜采取土壤綜合治理手段，從源頭切斷污染物質(zhì)輸入，以期消除風險并預防新污染源出現(xiàn).

4)風險預警區(qū).該區(qū)面積為29.88 km2，約占農(nóng)用地面積的2.69%，零散分布于研究區(qū)中部.建議控制該區(qū)域內(nèi)的農(nóng)業(yè)活動強度，限制種植高積累農(nóng)作物，對污染地塊進行深度調(diào)查及治理，確保該地農(nóng)作物食品安全.

5)嚴格管制區(qū).該區(qū)面積為0.003 km2，約占農(nóng)用地面積的0.001%，小面積集中分布在研究區(qū)南部.建議對該區(qū)采取嚴格管制策略，確定直接責任人和單位,由其負責管控治理，在對土壤修復前嚴禁種植可食用農(nóng)作物，同時該區(qū)可以設置自動監(jiān)控設備，從而有效把控土壤質(zhì)量.

3 結(jié) 論

本文對金華市農(nóng)用地土壤重金屬含量空間特征、污染程度進行了探討，進而對其安全利用進行分區(qū).結(jié)果表明，總體上研究區(qū)土壤重金屬污染并不嚴重，但部分區(qū)域仍存在重金屬污染.研究區(qū)8種重金屬含量的變異系數(shù)均為中等，受到一定人類活動的影響；As,Cr,Ni,Cu,Pb,Zn和Cd含量的高值區(qū)分布較集中，多位于研究區(qū)東北、西北和南部，Hg則呈島狀，分布零散.研究區(qū)中，Cd的單因子污染指數(shù)最高，污染區(qū)分布范圍最廣，需要相關部門對此重視；內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)污染水平等級主要為清潔，北部、南部地區(qū)出現(xiàn)中度和重度污染情況；潛在生態(tài)危害指數(shù)風險水平等級主要為低、中風險，無高風險地區(qū).根據(jù)污染評價結(jié)果制定安全利用等級劃分方案，結(jié)果顯示，各類分區(qū)占地面積由大到小依次為風險監(jiān)控區(qū)、清潔安全區(qū)、風險預警區(qū)、基本清潔區(qū)、嚴格管制區(qū).金華市農(nóng)用地重金屬污染評價與安全利用分區(qū)為研究區(qū)后續(xù)土壤重金屬污染治理提供了一定的參考方向.