基于土壤重金属镉污染评价的“湘莲+”种植区划

曹姗姗，韩昀，安民，孔繁涛，孙伟※

（1.中国农业科学院农业信息研究所，北京 100081；2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；3.中国农业科学院特产研究所，吉林 长春 130112）

湘莲（Nelumbo nucilfera Gaertn）是源自湖南地区栽培的子莲品种的统称，营养丰富、药用价值高，2010年获中国地理标志产品保护，被誉为“中国第一莲子”。湖南省湘潭县是湘莲的主产地、中国湘莲之乡及湘潭湘莲中国特色农产品优势区，湘莲种植、加工和出口规模均居全国首位[1]。湘莲产业是湘潭县传统特色产业和推动经济发展的支柱产业。

湘潭县位于素以“有色金属之乡”著称的湖南省中部偏东、重金属污染较严重的湘江下游西岸，化工及矿业废气、废水的排放，导致区域内土壤遭受不同程度的重金属污染，尤其是Cd 污染[2]。种植结构调整为重金属污染区的农田治理与利用开辟了新路径[3]，研究表明，在重金属污染区选择符合条件的水田挖池种莲、种养结合，发展“湘莲+鱼”“湘莲+虾”等生态种养模式，产出的莲子、小龙虾等产品的重金属含量均符合《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762-2017）标准[4,5]。“湘莲+”生态种养模式的推广，不仅能有效解决由于土壤重金属污染导致的农产品质量安全问题，还能显著提高经济效益。

评价土壤重金属污染的方法众多[6]，常用于评价单一土壤重金属元素污染程度的方法包括单因子污染指数法、富集因子法和地累积指数法等[7]。其中，地累积指数法在评价土壤重金属污染时，不仅考虑了环境地球化学背景值和人为因素，还考虑了沉积成岩作用对地球化学背景值的影响[8]。本研究基于地累积指数计算研究区主要土壤重金属污染元素Cd 的污染风险，并采用基于多尺度套合模型变异函数的普通Kriging法进行研究区土壤重金属Cd 的污染风险的空间插值，综合考虑“湘莲+”产业发展需求和功能性，重点聚焦湘莲种植对环境条件的要求和交通便利性，划分“湘莲+”种植多级适宜区，为因地制宜发展“湘莲+”生态种养产业提供空间优化布局。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于湖南省湘潭县湘莲地理标志产品保护范围内，地理坐标介于东经111°24′56″～113°02′04″，北纬27°20′25″～27°56′48″。地处湘中丘陵，属亚热带季风性湿润气侯，光照充足，年均气温16.7～18.3℃，年总日照1 500 h 以上，有利于湘莲开花结实。区域内水资源充足且排灌便利，年均降水量1 300 mm，河流、湖泊、水库、池塘密布，湘江、涟水和涓水贯穿全域。土地资源丰富，多为潴育性水稻土，土质疏松、肥沃，能够为湘莲的生长提供良好的自然生态环境。

1.2 样品采集与分析

结合研究区土壤类型、土地利用类型、地形地貌和实地调查情况，采用格网布点法均匀布设采样点164个（图1），以采样点位置为中心设置边长为4 m 的正方形样地，分别采集正方形对角线上等间距的5 个点处的土壤样品各200g并充分混合，采样深度0～20cm。土壤样品带回实验室经自然风干、剔除杂物、研磨并过筛后，采用微波消解法进行前处理，用火焰原子吸收分光光度法测定样品中重金属Cd 的含量。

图1 采样点分布Fig.1 Distribution of soil sampling

1.3 “湘莲+”多级种植区划方法

1.3.1 污染重金属污染评价方法 采用地累积指数法进行研究区主要土壤重金属污染元素Cd 污染评价。地累积指数法是德国科学家Muller 于1969年提出的一种用于评价沉积物中重金属污染程度的定量指标[9]。计算公式为：

其中，Igeo 为地累积指数，Cn 是重金属元素的含量，Bn是重金属元素的地球环境背景值，本研究依据湖南省土壤重金属Cd 背景值取值；k 为考虑各地岩石差异可能会引起背景值的变动而取的系数（一般取值为1.5），用来表征沉积特征、岩石地质及其他影响。根据地积累指数分级标准，分别以0、1、2 和4 为临界值，划分风险区等级，见表1。

表1 地积累指数及区域风险分级标准Table 1 Classification standard of land accumulation index and regional risk

1.3.2 普通Kriging 插值 普通Kriging 插值是最常用且稳健的地统计空间插值方法，在土壤属性空间插值研究领域应用广泛。与反距离权重法、样条函数法等非地统计空间插值方法相比，普通Kriging 插值法基于变异函数理论对有限区域内的区域化变量进行无偏最优估值，不仅考虑样品点间的空间距离关系，而且结合样品点间的位置关系及空间分布特征，能有效避免系统误差，使估算结果更精确[10]。计算公式：

2 结果与分析

2.1 土壤重金属Cd含量特征

根据研究区164 个土壤样品的重金属Cd含量的描述性统计结果见表2，平均值略高于湖南省背景值和《土壤环境质量标准》（GB 15618-1995）Ⅱ级标准值，表明重金属Cd 在该区域存在不同程度的累积现象。变异系数（CV）可在无需考虑数据量纲的情况下度量采样数据的离散程度，根据变异系数分级，研究区土壤重金属Cd 含量的变异系数56.18（CV>36%）为高度变异，表明其空间分布的差异性显著[11]。

表2 土壤重金属镉描述性统计Table 2 Descriptive statistics of heavy metal Cd in soil（mg/kg）

2.2 土壤重金属Cd污染评价

以湖南省土壤重金属Cd 背景值为参考值，应用地积累指数法计算研究区164 个土壤样品的重金属Cd 的污染指数。采用普通Kriging 法对研究区土壤重金属Cd 的污染指数进行空间插值，为提高插值精度，改进传统单一尺度变异函数，构建基于多尺度套合模型变异函数的普通Kriging 法。根据插值结果的误差评价指标（表3），与基于单一尺度变异函数的普通Kriging法相比，基于多尺度套合模型变异函数的普通Kriging法的平均绝对误差（mean absolute error,MAE）更小、降低了98.77%，标准化平均误差（mean standardized error,MSE）降低了41.35%，平均标准误差（average standard error,ASE）和均方根误差（rootmeansquare error,RMSE）更接近、标准化均方根误差（root mean square standardized error,RMSSE）更接近于1，基于多尺度套合模型变异函数的普通Kriging 法的插值结果的误差更小、更稳定[12]。

表3 基于不同变异函数的普通Kriging 插值精度比较Table 3 Accuracy comparison of Ordinary Kriging based on different variogram

结合研究区土壤重金属Cd 的污染指数的空间插值结果和地累积指数分级标准（表1），划分研究区土壤重金属Cd 污染的多级风险区。根据划分结果（图2），整个研究区的土壤重金属Cd 的污染指数均大于0，其中，除东北地区以外的大部分区域为风险较低的一级风险区，占研究区总面积的82.73%；二级风险区占比16.92%，主要位于研究区东北部的湘江流域和人口密度较大的城乡住宅区附近，且距离湘江流域和城乡住宅区越近，土壤重金属Cd 的污染指数越高；三级风险区位于湘潭县中心城区附近，仅占研究区总面积的0.35%。

图2 土壤重金属Cd 污染多级风险区Fig.2 Potential ecological risk area of soil heavy metal pollution

2.3 “湘莲+”种植区多级区划

莲田种植区多以潴育性水稻土为主，综合考虑“湘莲+”产业发展需求和功能性，重点聚焦湘莲种植对环境条件的要求和交通便利性。基于研究区土地利用类型，选择适用于水生作物种植的水田作为“湘莲+”种植备选区。结合土壤重金属Cd 污染风险等级和最近主干道距离（表4），将“湘莲+”种植备选区划分为三级适宜区（图3）。一级适宜区是“湘莲+”种植的最佳候选区，占备选区总面积的95.41%，几乎覆盖全部备选区，该区域土壤重金属Cd 的污染风险等级相对较低（非风险区、一级风险区和二级风险区）、与最近主干道的距离较近（＜3 km）；二级适宜区是“湘莲+”种植的较优候选区，占研究区总面积的4.28%，该区域土壤重金属Cd 的污染风险等级不高或与最近主干道的距离相对稍远，包括风险指数不高于一级但主干道距离≥3km、风险指数三级但主干道距离＜3 km 的区域；三级适宜区是“湘莲+”种植的欠佳候选区，仅占研究区总面积的0.31%，位于研究区东北角的工业发展聚集区附近，该区域主要以土壤重金属Cd 的区域风险等级较高的备选区为主，包括区域风险等级二级以上且与最近主干道的距离≥3 km 的备选区。

图3 “湘莲+”种植适宜区多级区划Fig.3 Multilevel regionalization of "Xianglian+"planting suitable zone

表4 “湘莲+”种植适宜区分级标准Table 4 Classification standard of suitable zone for "Xianglian+" planting

3 讨论

“湘莲+”产业是实现重金属污染耕地的种植结构调整的有效措施，“湘莲+”种植多级适宜区划分可为因地制宜推广“湘莲+”生态种养模式提供重要支撑。根据刘瑞雪[2]、霍明珠等[13]的研究结果，湘潭县农田土壤的8 种重金属镉（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、铅（Pb）、铬（Cr）、铜（Cu）、锌（Zn）和镍（Ni），只有Cd 含量的平均值高于风险筛选值。叶宏萌等[5]检测荷塘底泥重金属含量超过限值的莲池中，莲子及莲叶的重金属含量均符合食品中污染物限量标准。岁珂等[14]检测重金属污染水质中生存的小龙虾，其可食用部分的重金属含量在限值以内。因此，本研究基于土壤重金属Cd 污染评价开展“湘莲+”种植区划分研究具有现实意义。

根据研究区土壤中重金属Cd 含量的采样检测结果的描述性统计，其平均值略高于湖南省背景值和国家土壤质量Ⅱ级标准值、且变异系数较高，表明研究区土壤重金属Cd 的累积受人为因素影响较大[11]。结合土壤重金属Cd 污染多级风险区划分结果，风险等级稍高的二级以上风险区占研究区总面积的17.27%，主要位于研究区东北部的湘江流域和人口密度较大的城乡住宅区附近，且距离湘江流域和城乡住宅区越近，土壤重金属Cd 的污染指数越高，表明研究区土壤重金属Cd 的累积主要来源于工业生产、大气沉降、交通运输、湘江流域重金属污染以及农业生产过程中污水灌溉、农药、化肥和塑料薄膜的使用等[2]。

根据“湘莲+”种植适宜区多级区划结果，最适宜“湘莲+”产业发展的一级适宜区几乎覆盖全部备选区，土壤重金属Cd 的污染风险等级较低且交通便利，适宜打造“种养+旅游+科普”于一体的特色农业观光旅游基地，实现湘莲产业和旅游资源的有机融合；二级适宜区的土壤重金属Cd 的污染风险等级稍高或与最近主干道距离相对稍远，零散分布于研究区西南角和东南角，与现有全国规模最大的湘莲加工贸易市场距离较近，是“种养+加工+贸易”于一体的“种养加”综合发展区的优选之地；三级适宜区的土壤重金属Cd 的区域风险等级较高且与最近主干道的距离相对较远，宜优化产业结构，探索促进“湘莲+”各产业协调发展的新模式。

4 结论

本研究以湖南省湘潭湘莲中国特色农产品优势区的“湘莲+”产业的优化布局为研究目标，建立了基于土壤重金属Cd 污染评价的“湘莲+”种植区划方法。以适用于水生作物种植的水田为“湘莲+”种植备选区，结合“湘莲+”产业发展需求和功能性，将研究区“湘莲+”种植多级适宜区划分为三级，其中，一级适宜区和二级适宜区是“湘莲+”产业发展的首选区域。最适宜“湘莲+”产业发展的一级适宜区几乎覆盖全部备选区，占备选区总面积的95.41%，该区域土壤重金属Cd 的污染风险等级相对较低（非风险区、一级风险区和二级风险区）且与最近主干道的距离较近（< 3 km），是以“湘莲+”产业为主导的农旅融合发展区的最佳优选；二级适宜区占研究区总面积的4.28%，该区域土壤重金属Cd 的污染风险等级稍高或与最近主干道的距离相对稍远，是“湘莲+”种养加综合发展区的优选区域；三级适宜区是“湘莲+”种植的欠佳候选区，仅占研究区总面积的0.31%，土壤重金属Cd 的区域风险等级较高且与最近主干道的距离相对较远，可逐步优化调整产业结构。本研究提出的基于土壤重金属Cd 污染评价的“湘莲+”种植区划方法和多级区划结果，能够为因地制宜发展“湘莲+”特色生态农业产业提供空间优化布局。