东阳江流域农用地表层土壤重金属污染的空间分布特征*

童丽颖， 吴 涛， 蒋国俊, 徐明星, 姚玉霞，刘富强， 朱丽东， 王志刚， 商丽华

(1.浙江师范大学 地理与环境科学学院，浙江 金华 321004，2.浙江省地质调查研究院，浙江 杭州 311203)

0 引 言

随着工业污染物的排放、农业生产活动中农药化肥的大量施用及农村生活污染物的随意倾泻，大量重金属进入农业土壤中.由于微生物并不能降解土壤中的重金属，不易被流水带走，因此，它易在土壤中富集[1].同时，土壤重金属可以通过生物链，将富集在土壤内的重金属由植物到动物最终进入人体，造成严重的危害[2].有专家指出，全国受重金属污染的耕地面积占总面积的1/6，造成超过200亿元的经济损失[3].随着生活水平的提高，越来越多的人开始注重食品与农业安全.但是我国社会食品安全的现状仍较为严峻，例如奶粉三聚氰胺事件、含磷的“发光猪肉”、转基因食品问题等等，国家也出台了一些相应的政策法规，2015年通过并实施的新版《中华人民共和国食品安全法》,同时也进行农业与食品安全项目的国际合作，如：1)亚太食安园的设立;2)中澳农业及食品安全百年合作计划(ASA100);3)中美农业与食品合作项目(Am Cham China)等.

国外学者对土壤重金属研究侧重于污染评价方法的创新[4]及修复技术的提升.针对修复技术进行了研究，美国超级基金于1982—2005年对977个场地进行固定化或淋洗、萃洗等修复，其目的是防止土壤重金属的迁移或去除土壤中的重金属[5].污染评价方法主要分为三大类：指数法[6-9]、模型指数法[10-11]及一些综合评价方法[12-14].Gowd[9]用地理累积指数、富集因子、污染因子和污染程度评估受工业污染的农用地土壤重金属污染的情况.国内目前很多对土壤重金属污染的研究主要集中在北上广深等大城市，而针对中小型城市不同功能区重金属污染状况的研究仍较少[15].杨蕊等[16]以西宁市为研究区，研究土壤重金属分布特征及环境风险，并将西宁市划分为不同的重金属风险区.王兰化等[17]研究华北地区蔬菜基地，发现受污染的土壤不会对人体造成明显的非致癌影响.王幼奇等[18]的研究发现各种人类活动加剧了银川市土壤重金属含量.

东阳江流域近几年发展迅速，人类活动较以往更为频繁，对农业土壤的影响加剧.笔者选取了As，Hg，Cr，Cu，Pb，Cd，Ni，Zn 这8种农用地土壤重金属并计算土壤重金属污染指数，揭示东阳江流域农用地表层土壤重金属污染特征及其空间分布格局，为表层土壤整治和农业规划提供基础数据支持.

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

如图1所示，东阳江流域位于浙江金华中东部地区，主要包括29个乡镇和街道.发源于磐安县，途径东阳、义乌两市，止于金东区.该区主要以丘陵地形为主，属亚热带季风气候，四季分明，年均温17.2 ℃，年均降水量1 419.9 mm，植被以亚热带常绿阔叶林为主[19].该区目前面临的主要环境问题有:人类活动过于频繁;工业企业繁杂，工业污染排放量大；采石业发展；农业化肥施用过多；生活污染物排放量大等.

1.2 数据来源

采集表层土壤样品共4 295个，土壤采样的深度为0～15 cm，采样点通过GPS精确定位.采样综合考虑了研究区域内地形、土地利用类型 (工业区、居民区、交通用地)等因素，实际取样时，对采样点数量和空间分布进行适度调整，间隔300～500 m不等，进行随机取样.

图1 研究区概况

图2 东阳江流域采样点分布图

1.3 样品处理

将野外采样拿回来的土样经过一系列基本处理后，利用美国Innov公司的Xα-4000土壤重金属测量仪进行测量，共检测8种重金属，包括As，Hg，Cr，Cu，Pb，Cd，Ni和Zn.

2 研究方法

利用Arc GIS软件将金华大市范围的农业表层土壤重金属采样点数据与东阳江流域行政区划图进行相交分析，得到东阳江流域农业表层土壤重金属采样点数据.将东阳江流域按行政区划分为29个乡镇街道，由于佐村镇没有设置采样点，所以本文研究区范围是剔除佐村镇之外的28个乡镇街道.

2.1 污染评价指数

采用单因子指数法和内梅罗综合指数法分别计算As,Hg,Cr,Cu,Pb,Cd,Ni和Zn的单因子指数和内梅罗综合指数.

2.1.1 单因子指数法

计算8种重金属各自的污染指数，以确定主要的重金属污染及污染程度.

式(1)中:Pi为i点的土壤重金属污染指数；Ci为土壤重金属含量的实测值，单位为mg/kg；Si为土壤重金属污染评价标准值，单位为mg/kg.以《土壤无机污染物的环境质量标准》二级标准[20]作为评价标准.

2.1.2 内梅罗综合指数法

内梅罗综合指数法能够全面、综合地反映土壤的污染程度.

式(2)中:P综为多种重金属污染物的综合污染指数;n为参与评价的重全属的种类总数.根据Pi值大小可划分为4个标准:无污染(≤1.0)、轻度污染(1.0～2.0)、中度污染(2.0～3.0)和重度污染(≥3.0)[21].

2.2 地统计分析

运用Arc GIS软件中的地统计模块，计算得出的土壤重金属污染指数及土壤重金属的含量进行反距离加权插值,得到研究区表层土壤重金属污染指数及等级分布图，插值掩膜为土地利用类型中的农用地，再根据插值图对研究区的土壤重金属污染进行空间分析.反距离加权插值是一个加权平均插值法，可以进行确切的或者圆滑的方式插值[22].

3 结果与分析

3.1 土壤重金属含量的描述性统计

东阳江流域内土样的描述性统计情况如表1所示.As,Hg,Cr,Cu,Pb,Cd,Ni和Zn的平均值分别为6.83,0.10,39.15,18.22,34.28,0.19,11.63和69.28 mg/kg，所有重金属的平均值都没有超过国家二级标准.变异系数反映采样总体中各样点之间的平均变异情况，其中小于0.1为弱变异性;0.1～1.0为中等变异性;大于1.0为强变异性[23].8种重金属的变异系数大小的顺序：Cd>Ni>Cr>Hg>As>Pb>Cu>Zn.除了Cd外其余重金属均属于中等变异性.Cd的变异系数大于1为强变异性，说明Cd容易受到人为活动的影响，工厂建设、城市发展、交通道路都是其空间分布差异的原因.Zn的变异程度最低，空间分异较不明显，受外界人为活动的干扰较其余土壤重金属小.

表1 东阳江流域土壤重金属描述性统计

3.2 高程与土壤重金属分布规律

基于东阳江流域4 295个农用地表层土壤重金属采样点的数据及东阳江流域的高程数据，利用Arc GIS软件进行叠合相交分析，得到具有高程信息的采样点数据，分析各高程等级中采样点的分布情况及随高程变化重金属含量均值的变化情况.研究区内表层土壤重金属的采样点主要集中在0～200 m的高程范围.以100 m为间隔，将高程划分为4个等级，分别为：0～100,100～200,200～300,300～400 m，土壤重金属含量采用均值，分析结果如下：土壤重金属含量一般情况下存在着富集效应，即土壤中的重金属一般会集中在海拔较低的地区，并且土壤重金属含量会随高程的升高而降低.在海拔100 m以下的人类活动频繁地区，除金属As,Pb,Ni,Zn之外其余各金属的含量都是各个高程级别中最高的，海拔在100～200 m的各种金属含量与前一个等级相比均有小幅度的下降，但As,Cd,Pb的含量在200～300 m等级中均有不同程度的升高.在300～400 m等级中，Hg和Ni有小幅度的升高，Cr含量大幅度的升高.Cu的含量呈现随高程的增高而减少的趋势，但是Zn却呈现出相反的趋势.几种重金属的含量在200～300,300～400 m处分别有不同幅度的升高.研究发现，在这2个高程等级中局部地区土壤重金属含量出现了高值，主要分布在赤岸镇和吴宁街道，还有少数分布在歌山、佛堂和上溪.出现这种特殊现象的原因可能是存在污染源或者是人类活动过于频繁，例如赤岸镇内有垃圾焚烧厂；佛堂镇剡溪村附近的吴溪水质污染严重等.Zn呈现与Cu相反趋势的原因可能是各级样点数差距较为悬殊,海拔高的等级中样点数过少，并且Zn在海拔较高处有高值出现及有污染源.所以,虽然笔者采用每个等级样点重金属含量的平均数，但也没有将其差异性抹掉，使其呈现出相反的趋势.具体如图3所示.

3.3 土壤重金属超标值分布规律

根据《土壤无机污染物的环境质量标准》中的二级标准,即保障农业生产，维护人体健康的土壤限制值为标准，那么超出二级标准的即为超标值.由于所有样点中64.24%的样点pH值≤5.5,pH值为5.5<～6.5的占26.43%,pH值为6.5<～7.5的占6.75%,pH值>7.5的占2.59%，故本文重金属等级分布图以国家二级标准中pH值≤5.5的样点为例.按等级分布分析研究区各种金属在国家标准中各等级的分布情况，以及超标值集中出现的地区.

图3 表层土壤重金属在不同海拔高程区分布 图4 表层土壤重金属超标分布

根据图4分析可以得出以下几点：1)所有的土壤重金属主要都在一、二级范围内；2)土壤重金属超标区域除研究区域西部地区较集中外，其余均呈零星分散的分布；3)东阳江镇内无超标点，超标区主要分布在赤岸镇、佛堂镇、稠江街道、义亭镇、城西、北苑街道及稠城和江东街道交界处.4 295个农业表层土壤样品中，Ni,Cd,As,Cu,Cr,Zn,Hg和Pb分别有21,392,16,59,12,38,32和49个超过中国土壤质量二级标准，超标率分别为0.49%,9.13%,0.37%,1.37%,0.28%,0.88%,0.75%和1.14%.研究区内72.43%的Cd在国家标准的一级范围内，有392个超标值，主要分布在赤岸镇、佛堂镇、义亭镇、城西及稠江街道等；72.22%的Cu在国家标准的一级范围内，超标值主要分布在赤岸镇、佛堂镇、歌山镇及横店镇等；52.43%的Pb在国家标准的一级范围内，超标点主要分布在佛堂镇和赤岸镇等；69.85%的Zn在国家标准的一级范围内，超标点主要分布在佛堂镇、画水镇和赤岸镇；66.19%的Hg在国家标准的一级范围内，超标值主要分布在佛堂镇、城西街道和吴宁街道；74.60%的Ni在国家标准的一级范围内，超标点主要分布在横店镇、歌山镇及赤岸镇；73.46%的As在国家标准的一级范围内，此外,超标值主要分布在赤岸镇、佛堂镇和白云街道，苏溪镇和吴宁街道也各有一个超标值；72.36%的Cr在国家标准的一级范围内，超标值主要分布在横店镇、赤岸镇和江东街道.综上所述,重金属超标值主要分布在研究区西部的赤岸镇、佛堂镇、义亭镇、稠江、城西和北苑街道；少数分布在苏溪、稠城、江东、白云、吴宁、歌山、巍山一线及画水、南市、横店、湖溪一线，南马和千祥镇.例如,赤岸镇内有垃圾焚烧厂，垃圾堆放成山及一些排污不达标的小工厂成为该地土壤重金属污染的污染源；出现高值的区域内还有多处莹石矿、建筑石料和粘土矿，大量的扬尘造成严重的土壤重金属污染，影响居民的日常生活；佛堂镇剡溪村附近的吴溪水质污染严重，用这些水灌溉农田，造成土壤重金属污染严重等等.具体如图2所示.

3.4 东阳江流域土壤重金属污染评价指数空间分布规律

根据《土壤无机污染物的环境质量标准》，利用Arc GIS的地统计模块插值得到研究区表层土壤重金属污染指数空间分布图，表层土壤重金属污染指数评价标准参照Wei等[24]制定的四级标准：≤1为清洁；1<～2为轻度污染；2<～3为中度污染；>3为重度污染.由图5可看出，8种重金属均有不同程度的污染，但污染的区域相对较小，且存在一定的空间差异，整体上看，东阳江流域东南部重金属的污染指数偏低，说明该区域基本无污染，西部和中部偏东重金属的污染指数较高，说明该区域污染较为严重.

表2 东阳江流域土壤重金属含量各等级占比情况 %

重金属一级标准二级标准( 不同pH值)≤5.55.5<～6.56.5<～7.5>7.5超标As73.461.7224.1034.3818.750.37Cd72.437.296.8021.2114.009.13Cu72.221.8223.9622.9910.421.37Cr72.362.9324.1930.4418.410.28Hg66.198.0123.9147.5723.010.75Pb52.4319.1225.0350.6931.301.14Ni74.600.8424.0012.000.000.49Zn69.853.1224.7545.4727.560.88

图5 表层土壤重金属标准等级分布图

所有重金属中除了Cd外，大部分为轻、中度污染区，其他重金属都是以清洁为主.分开来看，As和Cr,Pb和Cr,Cu和Hg的空间分布格局相似.Cu和Hg主要呈现点缀状分布，主要的污染区分别位于赤岸镇与佛堂镇交界处、城东街道与歌山镇交界处和佛堂镇、吴宁街道.其余重金属主要呈块状分布，研究区内Cd的污染情况最为严重，重度污染区主要分布在吴宁街道和稠城街道的中南部，轻中度污染区主要在稠江街道、北苑街道和城西街道交界处及赤岸镇、佛堂镇；Pb以清洁为主，重度污染区主要在江东街道中部及吴宁街道西部，轻中度污染也主要在此范围；Zn也以清洁为主，中度及重度污染区主要分布在吴宁街道西部；As的污染情况不严重，轻中度污染的范围比较集中,且主要分布在赤岸镇；Cr以轻度污染为主，污染的区域主要位于横店镇及歌山镇和城东街道的交界处；Ni与Cr的污染区域分布较为相似.由综合8种重金属的单因子污染指数P综的分布图可知,东阳江流域重金属污染区大概有4个区域：赤岸与佛堂镇的交界处，吴宁街道，北苑、城西与稠江街道的交界处，稠城与江东街道的交界处.以上区域以轻度污染为主，重度污染点主要在城西与稠江街道的交界处.说明这几个区域可能存在一些排放重金属污染的工厂、企业，并且人类活动过于频繁.

图6 表层土壤重金属污染指数反距离加权插值图

4 结 论

1)从垂直分布规律来看，除了重金属Cu之外,其他土壤重金属并没有随着高度的增加而减少，反而在人类活动较为密集的地区出现了高值，这些高值主要分布在赤岸镇，还有少数分布在马宅镇、佛堂镇、歌山镇和吴宁街道.

2)东阳江流域表层土壤重金属的空间分布表明，研究区中西部地区土壤重金属污染情况较为严重，主要集中在赤岸与佛堂镇的交界处，吴宁街道，北苑、城西与稠江街道的交界处，稠城与江东街道的交界处.结合水平和垂直的分布特征可知,研究区土壤重金属污染区主要分布在赤岸镇、佛堂镇、稠江街道及北苑街道、江东街道和稠城街道的交界处等.这些地区土壤重金属污染较其他地区更为严重的原因可能是存在污染源,或者是人类活动频繁.

3)研究区内8种重金属均有不同程度的污染，但是污染的区域相对较小，且存在一定的空间差异，整体上看，东阳江流域的东南部重金属的污染指数偏低，说明该区域基本无污染，西部和中部偏东重金属的污染指数较高，说明该区域污染较为严重.所有重金属中除了Cd外,大部分为轻、中度污染区，Zn轻度污染区较多，其他重金属都是以清洁为主.