湖南矿区县域耕地重金属污染空间特征及潜在风险评价

周俊驰，铁柏清，刘孝利，雷 鸣，叶长城

（湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙 410128）

湖南矿区县域耕地重金属污染空间特征及潜在风险评价

周俊驰，铁柏清，刘孝利，雷 鸣，叶长城

（湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙 410128）

运用单因子指数法和潜在生态危害指数法，借助GIS技术，对研究区耕地土壤Cd、Cr、Pb、As和Hg的污染状况进行了评价和预警。单因子指数评价结果显示，研究区各重金属的污染指数大小依次为Cd＞As＞Hg＞Cr＞Pb；潜在生态风险评价结果显示，研究区各重金属单项潜在生态风险系数大小依次为：Cd＞Hg＞As＞Pb＞Cr，其中八团乡和高垅镇的Cd污染风险相对较大；研究区耕地土壤重金属的综合潜在生态风险程度中等，各个乡镇的综合潜在生态风险指数从大到小依次为：高垅镇＞八团乡＞潞水镇＞思聪乡＞平水镇＞严塘镇＞秩堂镇＞腰陂镇＞火田镇＞洣江乡＞虎踞镇＞下东乡；综合潜在生态风险预警结果显示，巨警区主要集中在高垅镇、八团乡、潞水镇、平水镇、思聪乡以及桃坑乡。研究结果可为研究区域的重金属污染综合防控和农业安全生产布局提供科学依据。

单因子评价；潜在生态风险评价；重金属；GIS

重金属是一种毒性大、潜伏期长，且能通过食物链在人体内富集的污染物，对人体健康构成极大威胁[1-3]。近年来，耕地土壤中重金属污染问题受到学术界以及社会广泛关注[4-6]，湖南是“有色金属之乡”，同时也是“鱼米之乡”，因有色金属矿山开采导致Pb、Cd、Hg、As等重金属污染的土地面积达2.8×104km2，占湖南省总面积的13%[7]，耕地土壤的重金属污染严重影响了农产品质量，诸多学者针对湖南地区的耕地重金属污染问题在污染区开展了风险评价相关研究[8-9]。

土壤重金属常用的评价方法可归纳为指数法、模型指数法和基于重金属形态分析、有效态含量和总量、人体健康风险以及GIS和地统计学的评价方法[10]。其中单因子指数法可确定沉积物中主要的污染因子，潜在生态危害指数法可定量评价潜在生态危害程度[11]，两种评价方法应用广泛[12]。

研究以湖南省典型矿区某县域为研究对象，以单因子指数法和潜在生态危害指数法为评价方法，并借助GIS技术，对研究区耕地土壤中Cd、Cr、Pb、As和Hg这5种典型有毒有害元素含量的污染状况进行评价，对综合污染潜在生态风险进行预警，以期为研究区域的重金属污染综合防控和农业安全生产布局提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于湖南省东南部，北抵长沙，南通广州，西接衡郴，东邻江西，属株洲市辖区，位于东经113°20′～113°65′，北纬26°30′～27°7′之间，县域面积2 506 km2。该县属于亚热带季风湿润气候，气候温和，雨量充沛，冬寒期短，年平均气温17.9℃。地貌类型以山地为主，占该县总面积的49.73%；丘陵次之，占21.48%。县内主要河流为洣江，属湘江水系，全县地表水径流总量4.43×10 m，流域面积2 495 km2，洣江的主要支流有茶水、洮水、沤江和文江。

研究区有色金属资源富饶，已发现煤、铁、铅、锌、铜、锰、钨、锡、锑、金、银、铌、钽、饰面花岗石、石灰石、萤石、硅石、透辉石、粘土和砂砾石等26种矿产，占湖南省已发现矿种的22.5%。其中钽铌矿储量居全国第一、亚洲第二，花岗岩资源储量达1.7亿m3。

1.2 样品采集与分析

研究采样时间为2013年，样点的布设遵循“随机”与“等量”原则，采用系统随机布点法，将研究区划分为面积相等的采样单元，原则上每22.93 hm2为一个采样单元，每个采样单元设置5个二级采样区，每个采样区的范围控制在约200 m2，以二级采样区为单位采集混合样品，单个混合样品的采集采用对角线法，根据前期调研情况，对污染较突出的区域加密采样点的布设。采样深度为0～20 cm，均匀混合后用四分法从中选取1 kg土样作为代表该点的混合样品，并用标签纸记录采样点相关信息，用GPS记录经纬度，总共采集耕地土壤样本451个，具体采样点位分布见图1。

重金属Cd、Pb采用石墨炉原子吸收分光光度法测定，Hg、As采用微波消解/原子荧光法测定，Cr采用火焰原子吸收分光光度法测定。

1.3 研究方法

1.3.1 单因子指数法 采用单因子指数法对研究区耕地土壤中的Cd、Cr、Pb、As和Hg的污染状况进行评价，公式如下：

式（1）中，Pi为土壤中某种重金属的污染指数；Ci为某种重金属的实测平均含量；Co为某种重金属的参比值。研究采用表1所示的《土壤环境质量标准》二级标准作为参比值，将污染程度划分为4个等级：清洁（P＜1）、轻度污染（1≤P＜2）、中度污染（2≤P＜3）、重度污染（P≥3）[13]。

表1 土壤环境质量标准

1.3.2 潜在生态危害指数法 潜在生态危害指数法由瑞典著名地球化学家Hakanson[14]在1980年提出，此方法综合考虑了重金属毒性对人体的危害。其计算公式如下：

某种重金属污染因子：

式（2）中，Ci为某种重金属的实测平均含量，Ce为某种重金属的参比值，研究采用《土壤环境质量标准》二级标准作为参比值。

某种重金属的潜在生态风险系数：

式（3）中，Ti为Hakanson制定的某种重金属的毒性响应参数，Cd、Cr、Pb、As和Hg的毒性响应参数分别为30、2、5、10和40。

重金属综合潜在生态风险指数：

式（4）中，RI为综合潜在生态风险指数，RI的大小与参评污染物的种类和数量呈正相关。因此在应用RI进行生态风险评价时，应根据参评污染物的数量和种类来对其进行调整，研究的RI值分级标准调整如表2所示[15-16]。

表2 重金属Ei和RI分级标准

1.3.3 指示克里格法 指示克里格法（Indicator Kriging）是属于非参数地统计学方法的一种，能对随机函数在待估值点的不确定性做出估计[17]。它无需假设数值来自某种特定分布的总体，也无需对原始数据进行变换，可以在不去掉重要的而实际又存在的特异值的情况下处理各种不同的现象，保持变异函数的稳健性[18-19]。

进行指示克里格法插值的一般步骤为：（1）根据实际研究情况，确定阈值，根据指示函数将原数据转换为0或1；（2）用GS+9.0进行指示变异函数计算，并进行拟合；（3）利用ArcGIS 10.2地统计学模块，以模型拟合结果为参数，进行指示克里格插值，得到研究变量的概率空间分布图[20]。

2 结果与分析

2.1 总量特征分析

经测定，研究区耕地土壤pH值偏酸性，平均pH值为5.35。由表3可知，除重金属Cd以外，其余4种重金属采样点监测值的平均值及中值均小于《土壤环境质量标准》二级标准值，说明从整体来看研究区耕地土壤Cd超标更加明显；除了重金属Cr，其他4种重金属的最大值都大于国家二级标准值，说明局部地区耕土壤中Pb、As、Hg存在超标情况。Cd含量的平均值是国家二级标准值的2.5倍，且点位超标率达到了98%，污染相对比较严重，这是长期的采矿和冶炼活动所导致的；As、Hg的点位超标率分别为8%和3%，局部地区存在污染；只有2个采样点存在Pb超标情况；Cr的点位超标率为0。重金属Cr、Hg的变异系数为36%和51%，属于中等强度变异，Cd、Pb、As的变异系数都大于100%，属于强变异，说明这3种重金属元素污染的区域差异大，受人为因素影响的可能性大[21]。

2.2 单因子评价

研究区耕地土壤中重金属的单因子指数评价结果如表4所示，从整体情况来看，耕地土壤重金属的污染指数从大到小排列为Cd＞As＞Hg＞Cr＞Pb，重金属Cd污染最为严重，污染程度达到中度污染，而其他4种重金属污染的程度都处于清洁水平。从各种重金属的污染指数区间可以看出研究区耕地土壤Cd、As和Pb的含量差异相对较大，说明这3种重金属在该县耕地土壤中污染程度的空间差异性较大；此外，Cd、Pb和As重度污染样点数分别为63、1和10个，占总样点数的13.97%、0.22%和2.22%。

各乡镇耕地土壤中重金属的单因子指数评价结果如表5所示，高垅镇和八团乡的耕地土壤Cd污染指数分别达到了5.71和3.89，属于重度污染，受重金属Cd污染影响最大，潞水镇、平水镇、思聪乡耕地土壤Cd污染程度为中度，其余乡镇也受到轻度Cd污染；耕地土壤As污染最严重的乡镇是高垅镇，污染指数为1.91，属于轻度污染，其他乡镇的As污染不明显，污染程度属于清洁级；耕地土壤Cr、Pb、Hg污染指数最高的乡镇分别为潞水镇、八团乡和高垅镇，但污染程度仅为清洁。可见Cd是各乡镇耕地土壤重金属污染的主要污染因子，其次是As，高垅镇和八团乡各重金属污染指数之和分别为8.73和5.38，耕地土壤重金属污染情况最为突出。

2.3 潜在生态风险评价

研究区耕地土壤重金属单项潜在生态风险系数和综合潜在生态风险指数见表6，各重金属潜在生态风险从大到小依次为：Cd＞Hg＞As＞Pb＞Cr，这与单因子评价的结果有些差异，主要原因是Hg比As的毒性响应系数大。其中，研究区耕地土壤Cd污染的潜在生态风险最大，其潜在生态风险系数介于40～80之间，存在中等程度潜在生态风险，而Cr、Pb、As、Hg污染的潜在生态风险很小，潜在生态风险程度仅为轻微。

研究区耕地土壤样点的重金属污染的综合潜在生态风险指数的范围在24.26～1 577.68之间，潜在生态风险程度达到极强的采样点占5.32%。RI均值为102.08，说明该县耕地土壤重金属污染存在中等程度的潜在生态风险，其中Cd对综合风险指数的贡献率最高，占73.12%，其次是Hg，占18.70%。

表3 土壤重金属统计特征

表4 耕地重金属污染指数

表5 各乡镇耕地重金属污染指数

表6 耕地重金属的潜在生态风险评价

从各乡镇的重金属污染潜在生态风险评价结果来看（表7），高垅镇和八团乡耕地土壤Cd污染的潜在生态风险系数分别为171.38和116.81，潜在生态风险程度分别达到很强和强，Cd污染风险明显高于其他乡镇；而各乡镇耕地土壤其他4种重金属污染的潜在生态风险均较小，都仅存在轻微程度的潜在生态风险。

各乡镇耕地土壤重金属污染的RI从大到小依次为高垅镇＞八团乡＞潞水镇＞思聪乡＞平水镇＞严塘镇＞秩堂镇＞腰陂镇＞火田镇＞洣江乡＞虎踞镇＞下东乡，其中高垅镇的RI为218.86，耕地重金属综合污染的潜在生态风险最大，八团乡和潞水镇的RI为141.66和101.24，综合污染潜在生态风险次之，其他乡镇的综合污染潜在生态风险程度都仅为轻微。

表7 各乡镇耕地重金属的潜在生态风险评价

2.4 综合潜在生态风险预警

借助ArcGIS 10.2和GS+9.0技术平台，对研究区耕地土壤重金属污染综合潜在生态风险指数进行插值和可视化展示，并对耕地土壤重金属综合污染潜在生态风险进行预警分析。通过K-S检验，各采样点位RI值不符合正态分布或对数正态分布，而运用指示克里格法进行插值并不用考虑原始数的分布情况，能充分发挥其处理偏态数据的优势[22]，根据指示变异函数模型拟合结果最优为原则，设置阈值为72.589 2。研究运用等间距法[23]，根据阈值概率，将研究区耕地土壤重金属的综合潜在生态风险预警类型分为5级：无警（≤20）、轻警（20～40）、中警（40～60）、重警（60～80）和巨警（80～100）。

指示克里格插值结果如图2所示，其分布特征“斑块状”化明显。其中，无警区、轻警区、中警区、重警区和巨警区面积分别为158.62、97.70、94.81、74.72和23.23 km2，分别占县内耕地总面积的35.32%、21.76%、21.11%、16.64%和5.17%。其中，巨警区域主要集中在该县北部的高垅镇、八团乡，中西部的平水镇和思聪乡以及北部的潞水镇，这与潜在生态危害指数法评价的结果一致。

研究区耕地土壤重金属污染巨警区主要集中在中北部地区，这与矿产资源的分布状况密切相关。县内有色金属资源主要分布于中部及以北地区，且相对集中，南部地区矿产资源相对贫乏；研究区耕地土壤污染最为严重的重金属Cd多与铅矿、锌矿等以共、伴生形式存在，而锡田钨锡、铅锌、铜、铌钽等多金属矿产基地，主要位于研究区北部的八团乡和高垅镇境内；其次，该县中北部地区经济发达，人口密集，交通工农业活动频繁，有研究指出，大气沉降对长株潭地区土壤中重金属积累的物源作用最强[25]；此外，滥用化肥以及污水灌溉等也是造成耕地土壤污染的原因之一[26]。

图2 综合潜在生态风险概率图

3 结 论

（1）研究区耕地土壤中5种重金属Cd、Cr、Pb、As和Hg的点位超标率分别为98.00%、0.00%、0.00%、8.00%和3.00%；重金属Cr、Hg的变异强度中等，Cd、Pb、As的变异性强。

（2）研究区耕地土壤重金属的单因子污染指数从大到小排列为Cd＞As＞Hg＞Cr＞Pb；重金属Cd污染达到中度污染水平，其余4种重金属污染属于清洁水平。耕地土壤各重金属污染潜在生态风险大小依次为：Cd＞Hg＞As＞Pb＞Cr；其中八团乡和高垅镇的Cd污染潜在生态风险程度高于其他乡镇，其他4种重金属潜污染的潜在生态风险程度仅为轻微。

（3）研究区耕地土壤重金属综合污染潜在生态风险程度为中等，Cd对综合污染风险指数贡献率最高，占73.12%。各乡镇的综合污染潜在生态风险从大到小依次为高垅镇＞八团乡＞潞水镇＞思聪乡＞平水镇＞严塘镇＞秩堂镇＞腰陂镇＞火田镇＞洣江乡＞虎踞镇＞下东乡。

（4）研究区耕地土壤重金属综合污染的巨警区面积为23.23 km2，占县域耕地总面积的5.17%；其中，巨警区主要集中在高垅镇、八团乡、潞水镇、平水镇以及思聪乡。

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（责任编辑：肖彦资）

Spatial Characteristics and Potential Risk Assessment of Heavy Metal Pollution in Farmland in Hunan Mining Area

ZHOU Jun-chi，TIE Bo-qing，LIU Xiao-li，LEI Ming，YE Chang-cheng

（College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128,PRC）

The pollution status of Cd, Cr, Pb, As, and Hg in cultivated land in County was evaluated and analyzed by using the single factor index method and potential ecological risk index method, with the help of GIS technology. The results of single factor index showed that the pollution index of each heavy metal in the study area is Cd, As, Hg, Cr, Pb. The potential ecological risk assessment results indicated that the potential ecological risk coefficient of each heavy metal in the study area was Cd, Hg, As, Pb, Cr, and the risk of Cd pollution in the Batuan town and the Gaolong town was relatively large. The comprehensive ecological risk of heavy metals in the cultivated soil of County was moderate, its index of each township from high to low is Gaolong Town, Batuan Town, Lushui Town, Sicong Town, Pingshui Town, Zhitang Town, Yantang Town, Yaopi Town, Huotian Town, Mijiang Town, Huju Town, Xiadong Town; The results of the risk warning showed that the giant police areas are mainly concentrated in Gaolong town, Batuan Township, Lushui Town, Pingshui Town, Sicong Town and Taokeng Town. The results can provide a scientific basis for the comprehensive prevention and control of heavy metal pollution and the layout of agricultural safety production in the study area.

Single-factorial Evaluation; Ecological Risk Assessment; Heavy Metal; GIS

X53

A

1006-060X（2017）04-0075-05

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.004.020

2017-02-08

农业部财政部专项（20160606）；农业部财政部专项（20160418）；国家科技支撑计划（2015BAD05B02-07；2015BAD05B02）；湖南省重点研发计划（2015NK3015）

周俊驰（1991-），男，湖南常德市人，硕士研究生，研究方向为区域环境规划与管理。

铁柏清