海南岛农田土壤重金属污染的评价及其来源分析

李福燕，李许明，杨 帆，漆智平

(1.邯郸学院地理与旅游系，河北邯郸056000;2.中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所热带资源与环境研究中心，农业部热带作物种质资源利用重点开放实验室，海南儋州571737)

土壤是人类赖以生存的自然环境和农业生产的重要资源，当前重金属污染已经成为危害土壤的主要因素，为此，笔者调查了海南岛农田土壤重金属污染的现状，以期为海南岛农用地的建设和优化以及污染防治提供科学依据.近年来，前人分别从不同的角度对海南岛土壤重金属的空间分布特征进行了研究［1］，朱维皇等对海南省土壤中Pb，Cd，Zn，Cu的质量含量和生物有效性进行了研究［2］，廖金凤研究了五指山市土壤中重金属元素的质量含量状况［3］，林电等研究了海南香蕉园中重金属的现状及变化趋势［4］，但各项研究仅限于某个角度，且采样点较少，因此这些研究对区域内农田土壤重金属的质量含量状况的代表意义有限.

笔者运用GIS技术和统计学，对海南岛农田土壤5种重金属质量含量的空间变异性进行了定量的描述，探明了5种重金属在土壤中的污染现状，并对重金属污染的状况进行了评价，同时采用因子分析法初步分析了土壤重金属的主要来源，从整体上把握了海南岛农田土壤重金属污染的程度和大致趋势，这为合理利用海南岛农用地提供了理论依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况 海南岛地处中国南部(108°36'～ 111°03'E，18°10'～ 20°10'N)，土地面积 3.39 万km2，是我国第二大岛屿.古生代时，海南岛地区与雷州半岛同属一个沉降带，在经历加里东造山运动、印支运动、燕山运动和喜马拉雅运动后，2个地区之间出现了断裂带并下陷，海南岛地区不断抬升，以后海平面多次升降，海南岛逐渐从大陆分离，形成琼州海峡与海南岛的基本现状.海南岛地形结构貌似倒扣的大锅，以五指山、鹦哥岭为隆起的核心，逐渐向四周降低，形成了以平原、台地、丘陵等构成的环形层状地貌，其梯级结构明显，地形复杂多样.海南岛地处热带，具有热带海洋性气候和热带季风气候，因此，该岛热量充足，降水丰沛，但分布不均.全岛独立入海的河流有154条，充足的降雨量保障了充沛的径流，地下水资源丰富，水资源条件相当优越，但时空分配不均匀.海南岛优越的光、热、水资源为作物生长提供了良好的条件，喜温作物全年均可生长，农作物可一年三熟，特别是其冬季温暖的气候条件最为难得，优越的自然资源亦使海南岛成为全国最大的冬季果蔬基地、热带作物基地、南繁育种基地.海南岛属于砖红壤地带，成土母质主要是花岗岩和砂页岩，还有海相沉积物、玄武岩、安山岩等，由于母质、气候、生物、人为等多种因素的综合作用，逐渐形成了海南岛多样化的土壤类型，从山地至沿海地区形成了土壤的垂直地带性分布.随着现代工业化的不断发展，城镇化水平的不断提高以及国际旅游岛建设的推进，了解海南岛土壤重金属污染的状况，对于该地区的长远发展有着十分重要的意义.

1.2 采样方案 本次采样点的布局充分考虑了土地利用的方式和土壤类型，采用GPS定位，并参考海南省第二次土壤普查的结果，在全岛共布设了311个样点(见图1).为确保采样的准确性，每个样点的土壤一般为15～20个点的土壤混合而成，所采集的土壤为表层(0～20 cm)耕层土壤，均按四分法取大约1 kg的土壤做分析样品，其点在100 m×100 m范围内选择.

1.3 分析方法及评价标准 分析了土壤样品中 Hg，Cd，Cr，Pb 和 As 5 种重金属的质量含量，分析方法见表1，检出 限 分 别 为 0.001 2，0.003，0.002 4，0.02 和 0.018 mg·kg－1，土壤样品测试过程中，采取仪器设备标定、平行样分析和加标样分析等方式进行质量控制.

图1 土壤采样点在海南岛上的分布

表1 土壤重金属分析方法

污染评价采用标准对比法和地质累积指数法(Index of Geoaccumlation，Igeo)2种方法，其中，标准对比法以国家环保局2005年颁布的GB15618－1995为标准，土壤单元素环境质量评价分级含量范围见表2;地质累积指数法［5－7］的基线值参考海南岛土壤重金属背景值: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. 地质累积指数污染评价标准见表 3.

表2 海南岛农田土壤重金属污染评价标准 mg·kg－1

表3 地质累积指数污染评价标准

2 结果与分析

2.1 土壤重金属元素的统计特征值 由表4中的峰度系数和偏度可以看出，海南岛农田土壤中5种重金属元素的质量含量经对数转换后均服从正态分布.研究区中，Hg，Cd，Pb，As和Cr 5种重金属元素的质量含量的平均值均低于GB15618－1995Ⅱ级标准限值.研究区中，Hg质量含量的最大值为1.63 mg·kg－1，Cd 的最大值达 0.64 mg·kg－1，Cr最大值为 586.70 mg·kg－1，其质量含量均超过国家土壤环境质量的Ⅱ级标准值.统计分析表明，311个样点中，8个点的Cr质量含量、3个点的Cd质量含量和1个点的Hg质量含量高于国家土壤环境质量的Ⅱ级标准值，分别占采样总数的2.57%、0.96%和0.32%.分析表明:土壤中2种重金属—Cr和As的平均质量含量均低于海南岛土壤重金属的背景值，其中As的质量含量仅为背景值的35%，但其最大值为背景值的1.5倍;Cr的平均值与背景值相差不大，但其最大值是最小背景值的592倍，差异较大.通过分析还发现，8个重金属Cr的超标点均聚集在海口市周围，这说明海南岛的农田土壤已受到外源重金属Cr的影响，这可能与市区工业生产和人类活动有着密切的关系.重金属元素 Hg，Cd 和 Pb 的平均质量含量分别为0.056 0，0.090 和 21.060 mg·kg－1，均超过其背景值的 2.43，3.33，1.07倍，最大值与最小值之间相差较大，其中Hg达543倍，Pb的差异较小，且Pb质量含量分布较高点均与公路相毗邻，这说明交通工具所排放的大量有毒有害气体和物质已扩散于公路两侧，其中所含的铅通过大气沉降、雨水径流和植物吸收等方式最终沉积在土壤中.重金属Cd的变异系数为0.67，Pb的变异系数为0.61，均属于中等变异强度，其余3种重金属元素的变异系数均大于1，属高等变异强度，表明土壤受这3种外来重金属的污染较大.

表4 海南岛农田土壤重金属元素的统计特征值

2.2 土壤重金属污染的评价

2.2.1 基于土壤环境质量标准的评价 结合表2和表5可以看出:海南岛表层土壤重金属质量含量相对较低，其中一类土含量均在85%以上，其中As状况最好，一类土达98.4%，且无三类土和超三类土的存在，而重金属Cr，一类土含量低于90%，二类土含量9.7%，超三类仅占2.6%，表明研究区内部分地区的重金属Cr积累较明显.Cd和Hg的区域环境质量较好，分析样点中95%以上属于一类土，仅有1.3%的样点中重金属Cd的含量属于三类土，研究区内Pb有12.6%的轻度污染，结合空间分布图发现，Pb质量含量高的地区主要是东线高速公路和海口市区，说明Pb质量含量主要受城区工业生产、居民生活垃圾及汽车尾气等的影响.

表5 海南岛农田土壤环境质量的评价结果(标准对比法)%

2.2.2 基于地质累积指数法的评价 根据海南岛农田土壤311个样点的5种重金属的质量含量，通过地质累积指数计算，统计出其不同污染的级别和面积，得出重金属污染的状况(见表6)，结果表明:对于重金属元素As，96.8%的面积属于无污染区，3.2%属于轻度污染区，该结果与表5结果几乎一致，另外，重金属Cr和Pb的评价结果表明，2种评价方法的结果基本一样，一类土面积均在80%以上，其中，重金属Cr的三级土壤面积为2.58%，表明研究区内存在区域性的轻度污染，重金属Pb无三类土;2种评价结果中，重金属Hg有一定的差异，当采用农田土壤评价标准时，Hg的一类土占到95.2%，而在地质累积指数评价中，一类土仅为48.71%，二类土占28.71%.

表6 海南岛农田土壤重金属环境质量评价结果(地质累积指数法)%

2.3 土壤重金属质量含量的来源分析 因子分析方法可以用来判别土壤中重金属的来源［8－11］，本文对所分析的5种重金属元素进行了因子分析.由表7的分析结果，可将5种元素划分为3个因子，解释了总方差的72%.表8的分析结果显示，Hg，Cr和Pb 3种元素主要属于因子1，结合表3可知，3种元素的质量含量值均较低，与该区背景值相当.土壤中重金属Ni和Cr的质量含量主要受地球化学成因影响，Boruvka等人的研究也认为，土壤中Cr，Cu，Ni和Zn等重金属元素主要为地质来源［11］.故因子1所包括的Hg，Cr和Pb 3种重金属元素可能主要来源于成土母质.土壤中重金属元素Cd一般可作为农业活动(如施用农药和化肥等)的标识元素［12－13］，故从表6中可以看出，因子2主要包括了Cd元素.海南岛丰富的水热资源不但为作物提供了优越的生长环境，同时也为病虫害的发生提供了条件，另外，海南岛农用地的利用程度较高，化肥农药的使用量较大，据统计，2007年海南岛N，P，K肥的施用量高达83万t，其施用量远高于全国的平均用量，且化肥、农药的利用率极低，大约有30%可利用，有70%流失掉了［14］，流失的化肥和农药中的重金属Cd也因此大量累积于土壤中.此外，研究表明，Cd的另外一个重要来源是工业活动［15］，但由于海南岛的工业较少，因此可认为Cd主要来源于施加化肥和农药等农业活动.As元素在因子3中占有较大的因子载荷，结合海南岛的成土母质及地形特点可以看出，分布的低值区位于五指山市、陵水县、乐东县、定安县等地区，其质量含量大约在0.170～0.630 mg·kg－1之间，As分布的高值区主要是三亚市、东方市、琼中县等地区，其质量含量大约在3.284～21.060 mg·kg－1之间，经初步推测，当前海南岛农田土壤的As的质量含量可能与土壤成土母质相关，这与翁焕新等的研究结果一致［16］.

表7 因子特征值

表8 方差最大正交旋转法得到的因子和全部解释变量

3 讨论

污染评价表明:采用标准对比法与地质累积指数法进行评价，Cd与Hg在土壤中的质量含量存在着较大差异，标准对比法中Cd和Hg 2种元素的一类土面积均占调查总面积的95%以上，而地质累积指数法的评价结果显示，一类土中Cd的质量含量仅为18.71%，而Hg为48.71%，二类土和三类土的比例明显增多，其差异的原因是:GB15618－1995中的分级指标采用了全国土壤环境质量的标准值，各项指标的确定主要依据全国土壤环境重金属背景值和生物生态效应指标来制定，其在生物生态效应指标方面有侧重，强调了土壤重金属含量对生物可能产生的生态影响［17］.而Igeo评价方法所采用的标准值是研究区域的背景值，它主要针对地方区域背景值的评价，其结果反映了2个方面的内容:一是相对于地区背景值土壤重金属元素的空间分布规律与异常特征;二是人为活动叠加造成了土壤中的重金属污染.

采用GB15618－1995评价海南岛农田土壤重金属(Cd，As，Hg)的质量含量，结果表明:该区3种重金属元素的清洁区达到90%以上，中度及中度以上污染区的比例小于1.5%，说明研究区土壤中重金属(As，Cd，Hg)的质量含量水平较低，不会对该地区的生态环境造成不良影响.郭宇等人的研究表明，在文昌、琼海和万宁的菠萝种植基地的土壤中，Cd和Hg的质量含量均在自然背景值水平［18］;谭业华等人的调查分析表明，海南槟榔园土壤As和Hg的质量含量均未超出国家Ⅰ级土壤环境质量标准［19］.由于海南岛农田土壤重金属元素Cd和Hg的质量含量的背景值远低于全国农田土壤的背景值，因此，采用Igeo评价时，以上2种元素的轻度污染区比例较大，中度污染区比例略有增加，其区域为相对于该地区自然背景的高异常区.

从保障海南土壤资源的可持续利用上看，亟需开展以下的研究，即在海南岛热带环境条件下工业生产、交通运输、居民生活和农业生产等活动，对土壤中重金属含量的影响方式、实际影响程度及相关的监管防治措施等研究.本研究中对重金属的来源分析主要参考了海南岛土壤的自然背景值及地理空间分布状况，对全岛农田土壤成土母质的重金属含量状况尚缺乏分析，对农田土壤中As的主要来源还需要进行实地调查和采样分析，以进一步验证重金属的实际来源.

综上可见，2种评价结果具有较强的可比性.2种方法评价Cd和Hg时出现的差异主要是由于2种评价方法所选用的背景值差异较大的缘故，Igeo的评价结果主要侧重了研究区自然背景值的影响，能更好地反映区域内人为污染的程度.针对本研究的不足，在后期的研究中还需开展农田土壤母质及其周边环境污染源的调查取证.区域土壤污染的系统调查与实时监控，目前尚属于中大型系统工程，但随着生活水平的不断提高及技术的进步，针对农田土壤污染的调查与监控将成为一项常规性的工作，所在在今后的土壤重金属的调查研究中，应进一步地侧重调查方案的总体设计，同时应开展多目标、系统化、多学科结合的调研和采样工作，通过系统化的科研成果多方位地服务于区域发展.

4 结论

1)311个采样点的重金属特征值表明:海南岛农田土壤的总体质量较好，所分析的5种重金属元素的平均质量含量均低于《国家土壤环境质量标准》(GB156182－1995)的Ⅱ级标准限值.

2)2种评价结果表明:海南岛农田土壤的环境质量总体上较好，GB15618－1995的评价结果表明:海南岛耕作层土壤As，Cd，Hg的区域环境质量较好，一类土占全区面积的95%以上，有小面积的Cd三类及超三类土，但比例小于1.3%，As和Pb均无三类及超三类土.但采用地质累积指数评价时，轻度至中度污染的土壤约占50%.

3)土壤重金属来源的因子分析表明:Hg，Cr和Pb 3种元素可能主要受自然成土条件的影响，Cd主要来源于工农业活动，As质量含量可能与成土母质关系密切.

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