基于最适空间插值的崇州市典型农田土壤重金属污染特征分析与评价

袁 宏，赵 利，薛 勇

(四川省核工业地质调查院，四川 成都 610061)

0 引 言

崇州市位于四川省岷江中上游川西平原西部，东邻温江、双流，西与大邑相接，南同新津毗连，北与都江堰市相依，西北部与汶川县接壤，东距成都25 km。崇州市享有“天府粮仓”的美誉，在成都平原是一个重要的农业生产基地[1]。自2013年以来，崇州市积极推进建设10万亩粮食高产稳产高效综合示范基地，目前已建成10万亩高标准农田、58公里稻乡旅游环线，连续承办五届“四川自驾赏花节”，举办油菜花节活动，取得了好的经济、社会及生态效益。但是，近年来的研究表明，崇州市土壤环境和农作物品质均有不同程度的污染[2-4]。

土壤是人类赖以生存的主要自然资源之一，土壤重金属问题现已受到广泛关注[5-7]。2011年以来，我国对土壤污染加大了修复治理的投入，并逐步完善和修订了相关法律、标准和规程。《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)[8]于1995年发布至今，已不满足形势发展需要。2018年，我国新颁布了《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-2018)[9]，它规定了风险筛选值和风险管制值两套值，改变了以往的判定标准，与土壤环境内在规律吻合，对农用地安全利用更具有科学指导意义。本研究以崇州市典型农田区域为研究对象，通过采样分析，结合地统计学分析方法和最新标准，分析了研究区土壤重金属污染特征，对土壤环境进行了评价，以期为该区域土壤安全利用提供支撑，对当地高品质农业发展具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区包括桤泉镇和龙兴镇(103°36′30″～103°40′52″E，30°30′33″～30°36′02″N)，地处崇州市南部，面积约为37.3 hm2。研究区位于崇州市10万亩粮食高产稳产高效综合示范基地核心区域，区内地势平坦，主要为水旱轮作的高品质农田，具体范围如图1所示。研究区属四川盆地，亚热带湿润季风气候，年平均气温15.9 ℃，成土母质主要有紫色沉积物、紫灰沉积物、再积黄壤和岷江灰色沉积物[1]。

1.2 土壤样品采集与分析

根据《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166-2004)[10]和《土地质量地球化学评估技术要求(试行)》(DD2008-06)[11]等标准的相关要求，结合研究区平原的地形特点，采用网格布点法对土壤采样点进行布设，网格大小为700 m×700 m。同时，对照研究区遥感影像图，剔除位于居民建筑的采样点，共设置50个土壤采样点位，如图1所示。每个采样点以取样点为中心按5点混合四分法取样，重量约1 kg。样品采样时间为2018年12月。

土样由西南冶金地质测试所进行分析检测，检测依据为LY/T 1239-1999、DZG20-06-2004、DZG20-05-1990，运用玻璃电极法、质谱法、X荧光法、原子荧光法及等离子发射光谱法测定土壤样品重金属含量。

1.3 分析方法

采用Excel对研究区土壤重金属进行描述性统计分析，运用SPSS 20.0进行Pearson相关性分析，利用GS+7.0进行变异函数拟合，结合Surfer 14.0按照拟合模型进行空间插值制得As、Cd含量空间分布图，运用加权内梅罗指数评价以《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-2018)[9]中农用地的风险筛选值分析研究区农田土壤质量状况。

2 结果与分析

2.1 土壤样品检测数据统计

从表1可知，研究区土壤As介于6.74～23.0 mg·kg-1，平均值为11.7 mg·kg-1；Cd介于0.19～0.96 mg·kg-1，平均值为0.42 mg·kg-1；Cr介于59.3～105 mg·kg-1，平均值为93.5 mg·kg-1；Cu介于21.6～62.6 mg·kg-1，平均值为38.5 mg·kg-1；Hg介于0.06～0.26 mg·kg-1，平均值为0.17 mg·kg-1；Ni介于21.5～39.8 mg·kg-1，平均值为34.0 mg·kg-1；Pb介于20.1～63.5 mg·kg-1，平均值为41.9 mg·kg-1；Zn介于56.9～199 mg·kg-1，平均值为105 mg·kg-1。研究区农田土壤As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb及Zn平均值均超过了四川土壤背景值(1990年)[12]，平均值分别为背景值的1.13倍、5.32倍、1.18倍、1.24倍、2.79倍、1.04倍、1.35倍、1.21倍。

表1 样品数据统计Table 1 Data statistics of samples

注：土壤环境背景值参考《中国土壤元素背景值》(四川部分)[12]。

Note: The background value of soil environment refers to the background value of soil elements in China (Sichuan part)[12].

变异系数是统计数波动特征的参数，相同背景条件下其大小可以反映土壤中元素含量分布的均匀性程度，间接反映土壤中元素的污染特性[13]。从变异系数看，研究区土壤重金属按变异系数大小排序为：Zn(5.47)>Pb(1.36)>Cu(1.28)>As(0.93)>Cr(0.68)>Ni(0.37)>pH(0.09)>Cd(0.05)>Hg(0.01)。可见，Zn的变异性最大为5.47，与Pb、Cu均表现为强变异性，说明Zn、Pb、Cu在研究区分布较不均匀，受人为活动影响较大。As、Cr和Ni为中等变异性，pH、Cd和Hg为弱变异性，Hg的变异性最小。

对照《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-2018)[9]中农用地的风险筛选值，研究区土壤重金属污染状况如图2所示。

可见，研究区土壤存在As、Cd两种重金属污染风险问题，其中以Cd污染风险最大。As含量最大为23.0 mg·kg-1，为风险筛选值的1.15倍，超过污染风险筛选值的样品数占比4.0%。Cd含量最大达0.96 mg·kg-1，为风险筛选值的3.19倍，超过污染风险筛选值的样品数达到了样品总量的42.0%。另外，参照《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-2018)[9]中农用地的风险管制值，研究区土壤As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn均未超过风险管制值。可见，研究区土壤存在重金属污染风险，应加强监测，采取安全利用措施。

2.2 相关性分析

从表2可知，研究区土壤As与Cr、Cu、Ni之间存在显著的正相关关系(P<0.05)；Cd与Cu、Hg、Pb及Zn之间存在极显著的正相关关系(P<0.01)；Cr与Cu、Hg、Ni、Pb及Zn之间存在极显著的正相关关系(P<0.01)；Cu与Hg、Ni、Pb及Zn之间存在极显著的正相关关系(P<0.01)；Hg与Pb、Zn之间存在极显著的正相关关系(P<0.01)；Ni与Pb及Zn之间存在极显著的正相关关系(P<0.01)；Pb与Zn之间存在极显著的正相关关系(P<0.01)。

表2 重金属含量相关性分析Table 2 Correlations matrix for the heavy metals in soils

注：*表示在0.05水平(双侧)上显著相关；**表示在0.01水平(双侧)上显著相关。

Note: * means significant difference at 0.05 level (bilateral); ** means significant difference at 0.01 level (bilateral).

2.3 地质统计学分析

地质统计学，也称地统计学，是一门研究具有随机性、结构性、空间相关性和依赖性的自然现象的一门科学[14-17]。变异函数是描述随机场和随机过程空间相关性的统计量，被定义为空间内两空间点之差的方差。

变异函数在稳定过程中存在许多经典模型[18]，包括球状模型、指数模型、高斯模型及线性模型等。模型的确定需要对样本数据曲线进行拟合，以选择最佳的稳定模型。我们利用GS+软件对研究区土壤存在污染风险的As、Cd样本数据进行了变异函数模型分析(表3，图3)。

表3 土壤样本变异函数Table 3 Variation function of germanium in soil samples

从表3可知，研究区土壤As、Cd具有不同的变异函数模型，分别为指数模型、高斯模型。块金值与总基台值的比值为空间相关度，表示可度量空间自相关的变异所占的比例，表明系统变量的空间相关性的程度[19]。从表3可知，研究区土壤As、Cd的空间相关度均小于25%，表现为强烈空间相关性。

2.4 空间分析

运用surfer软件对研究区土壤As、Cd进行空间插值与综合分析，结果表明，基于最适空间插值和普通线性插值的结果差异明显(图4和图5)。研究区土壤As基于最适空间插值的结果更能表现出研究区土壤As的低值区域，更加符合研究区土壤As超过污染风险筛选值的样品数仅占比4.00%的实际情况。此外，Cd基于最适空间插值的结果更能表现出研究区土壤Cd分布较均匀的情况，与土壤样品Cd数据为弱变异性的特征更加一致。

2.5 土壤质量评价

考虑到不同重金属对土壤环境、生态环境的影响不同，采用加权计算法求平均值，进而进行内梅罗指数评价[20]。本研究参考Swaine基于重金属对环境的影响程度确定权重[21]，将重金属元素分成了三类，分别赋值为3、2、1作为权重[21]。

经过空间插值，研究区土壤重金属内梅罗指数空间分布可看出，研究区大部分地区土壤都具有重金属污染风险，大部分区域处于警戒线和轻度污染等级风险水平(图6)。

3 结 论

(1)研究区土壤As平均值为11.7 mg·kg-1、Cd平均值为0.42 mg·kg-1、Cr平均值为93.5 mg·kg-1、Cu平均值为38.5 mg·kg-1、Hg平均值为0.17 mg·kg-1、Ni平均值为34.0 mg·kg-1、Pb平均值为41.9 mg·kg-1、Zn平均值为105 mg·kg-1，均超过了四川土壤背景值(1990年)，平均值分别为背景值的1.13倍、5.32倍、1.18倍、1.24倍、2.79倍、1.04倍、1.35倍、1.21倍。

(2)从变异系数看，研究区土壤Zn的变异性最大为5.47，与Pb、Cu均表现为强变异性，说明Zn、Pb、Cu在研究区分布较不均匀，受人为活动影响较大。As、Cr和Ni为中等变异性，pH、Cd和Hg为弱变异性，Hg的变异性最小。

(3)对照《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-2018)中农用地的风险筛选值，研究区农田土壤存在As、Cd污染风险，超过污染风险筛选值的样品数分别达到了样品总量的4.0%、42.0%。As含量最大为23.0 mg·kg-1，为风险筛选值的1.15倍。Cd含量最大达0.96 mg·kg-1，为风险筛选值的3.19倍。此外8项重金属均未超过风险管制值，说明研究区土壤重金属状况对农产品质量安全、农作物生长或土壤生态环境存在风险，应加强土壤环境监测和农产品协同监测，原则上应当采取安全利用措施。

(4)研究区农田土壤As、Cd的最适模型分别为指数模型、高斯模型，且As、Cd的空间相关度均小于25%，表现为强烈空间相关性。研究区土壤As高值区在空间上主要位于西侧，土壤Cd在空间上分布较广泛，大部分区域土壤Cd均表现为高值；研究区大部分地区土壤都具有重金属污染风险，大部分区域处于警戒线和轻度污染等级风险水平。