福建省明溪縣農(nóng)地土壤重金屬的空間分異和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

康智明，王 彬，祝文烽，，王松良，Claude Caldwell，王建明

(1.福建農(nóng)林大學(xué)作物科學(xué)學(xué)院，福建福州350002;2.加拿大戴爾豪西大學(xué)農(nóng)學(xué)院，特魯羅B2N5E3)

土壤重金屬污染及其帶來的食品安全和健康問題是世界性環(huán)境難題之一[1].與大氣污染和水污染不同，土壤重金屬污染具有易累積、難消除、隱蔽性和毒性強(qiáng)的特點(diǎn).土壤的重金屬累積一旦超過其承載力，可導(dǎo)致土壤質(zhì)量惡化，并通過食物鏈的濃縮作用造成食品安全問題，危及人類健康[2].重金屬在食品中的殘留問題目前已成為我國食品安全一大難題.據(jù)估測，包括福建省在內(nèi)，我國10%以上的耕地土壤受到工礦污染物中重金屬的污染.全國每年受重金屬污染的糧食高達(dá)1200萬t，每年因重金屬污染而減產(chǎn)的糧食達(dá)1000多萬t，直接經(jīng)濟(jì)損失超過200億元[3].因此，調(diào)查和評價(jià)土壤重金屬污染狀況，進(jìn)而采用適當(dāng)?shù)闹卫泶胧瑢r(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)和保障食品安全具有十分重要的意義.

福建省三明市明溪縣是全國重點(diǎn)林區(qū)和杉木中心產(chǎn)區(qū)，又是全國商品糧食基地縣之一，素有“綠海糧倉”之稱.近年來，隨著工業(yè)化的快速發(fā)展和農(nóng)藥、化肥等在農(nóng)業(yè)上的大量使用以及生活垃圾污染農(nóng)地和污水灌溉，使得明溪縣的農(nóng)地土壤污染也有日益加重的趨勢.因此，為了保證該縣農(nóng)林業(yè)的安全、健康和穩(wěn)定發(fā)展，對其農(nóng)地土壤重金屬污染進(jìn)行調(diào)查和評價(jià)勢必先行.然而，目前國內(nèi)同類研究大多是針對工業(yè)區(qū)周邊的蔬菜土壤等重金屬污染嚴(yán)重或特殊的田塊[4－10]，而對農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)特別是縣域農(nóng)地土壤重金屬污染現(xiàn)狀的調(diào)查和風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究較少[11－12].本研究通過測定明溪縣農(nóng)地耕層土壤的重金屬含量，利用ArcGIS技術(shù)分析和展示其土壤重金屬的空間變異規(guī)律，采用Hakanson潛在生態(tài)危險(xiǎn)指數(shù)法對研究區(qū)域土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)，旨在推進(jìn)土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)評估研究，從而為農(nóng)業(yè)(糧食)主產(chǎn)區(qū)的農(nóng)業(yè)政策、土地使用及保護(hù)提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

明溪縣位于福建省西北部，北緯26°08'－26°39'，東經(jīng)116°47'－117°35'，海拔高度為180 －1500 m;境內(nèi)四面環(huán)山，峰巒重疊，山地和丘陵面積占總面積的91.91%，小平原面積占6.98%，水面積占1.11%.全縣總面積170860 hm2，耕地面積約為118971.49 hm2，以水稻土為主，常年種植的作物為水稻、煙草、花生、甘蔗等;屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年平均氣溫18℃，年平均降雨量1800 mm，年平均無霜期261 d.

1.2 樣品的采集與處理

根據(jù)研究區(qū)域的實(shí)際農(nóng)地分布情況，從雪峰鎮(zhèn)、蓋洋鎮(zhèn)、胡坊鎮(zhèn)、瀚仙鎮(zhèn)、城關(guān)鄉(xiāng)、沙溪鄉(xiāng)、夏陽鄉(xiāng)、夏坊鄉(xiāng)、楓溪鄉(xiāng)中采集農(nóng)田耕作層(0－20 cm)的土樣88個(gè)(圖1).采樣過程中手持便攜式GPS定位儀器，以各農(nóng)用地塊為單位，因地布點(diǎn)，分別采用對角線法、梅花點(diǎn)法、棋盤式法以及蛇形法等進(jìn)行布點(diǎn)取樣.每份土樣混合均勻，按四分法得到1 kg混合樣品[5].樣品采集后置于聚乙烯塑料樣品袋內(nèi)，帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，剔除植物根系、有機(jī)殘?jiān)约翱梢娗秩塍w，然后經(jīng)瑪瑙研缽研磨后分別過20目和100目(孔徑0.15 mm)的尼龍篩，分別裝瓶待測.

1.3 樣品重金屬含量的測定

按照土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[13]對土壤樣品進(jìn)行前處理，其中，Cd和Cu元素的土樣經(jīng)“鹽酸－硝酸－高氯酸”消解后分別用石墨爐原子吸收分光光度法和火焰原子吸收分光光度法測定含量;重金屬Pb元素的土樣經(jīng)“鹽酸－硝酸－氫氟酸－高氯酸”消解后用火焰原子吸收分光光度法測定含量[13].采用Excel、SPSS 18.0以及GS+3.1統(tǒng)計(jì)軟件對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，在 ArcGIS 10.0桌面系統(tǒng)上展示和分析研究區(qū)域農(nóng)地土壤重金屬的空間分異規(guī)律.

1.4 土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的評價(jià)方法

采用瑞典科學(xué)家Hakanson提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法[5]，以陳振金等[14]測定的福建省土壤背景值為參考值，參考徐爭啟等[15]提出的重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)值(表1)，評價(jià)福建省明溪縣農(nóng)地土壤重金屬潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).計(jì)算公式如下:

圖1 土壤采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution graph of soil samples

表1 土壤重金屬的土壤背景值和毒性響應(yīng)系數(shù)Table 1 Environmental background and toxicity coefficient of soil heavy metals

根據(jù)Hakanson劃分的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級分級標(biāo)準(zhǔn)，將單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級分為輕度、中度、較強(qiáng)、很強(qiáng)和極強(qiáng)5個(gè)等級，其風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分別為0－40、40－80、80－160、160－320、＞320;多因子重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級分為輕度、中度、較強(qiáng)和很強(qiáng)4個(gè)等級，其風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分別為0－150、150－300、300－600、＞600.

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)農(nóng)用土壤的重金屬含量

研究區(qū)域農(nóng)地土壤88個(gè)樣點(diǎn)Cd、Cu和Pb等3種重金屬含量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2.分別以陳振金等[14]測定的福建省土壤背景值和國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)作為參考值，對研究區(qū)域農(nóng)地土壤重金屬含量進(jìn)行描述性分析.從表4可看出，研究區(qū)域農(nóng)地土壤重金屬含量變異幅度為22% －386%，從大到小排列順序?yàn)镃d＞Pb＞Cu，其中Cd的變異系數(shù)超過100%，屬于強(qiáng)變異類型.變異系數(shù)反映了元素在土壤中的分布狀況，系數(shù)值越大，表明該元素含量在空間上分布得越不均勻，受人類活動的干擾越大[16－19].Cd、Cu和Pb等3種重金屬含量變異范圍較大，其中Cd含量的變異范圍為0.0011－0.3355 mg·kg－1，Cu含量的變異范圍為10.0300 －22.5850 mg·kg－1，Pb 含量的變異范圍為 1.1645 －35.5390 mg·kg－1，但其平均值均未超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn).同時(shí)，3種重金屬超過福建土壤背景值樣點(diǎn)數(shù)的百分?jǐn)?shù)分別為5.58%、3.41%和1.14%.Cd元素含量的最大值為0.3355 mg·kg－1，超過了國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)(0.30 mg·kg－1).可見，研究區(qū)域部分農(nóng)地土壤已受到外源農(nóng)藥和化肥等攜帶的重金屬的污染，需對其空間變異和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià).

表2 土壤重金屬含量的統(tǒng)計(jì)性描述Table 2 Descriptive statistics for heavy metal contents in soil mg·kg－1

2.2 研究區(qū)域農(nóng)用土壤重金屬的空間分異

重金屬含量變異函數(shù)能夠反映不同距離樣點(diǎn)重金屬觀測值間的變化[20].經(jīng)過GS+3.1正態(tài)分布檢驗(yàn)，Cu元素的變異函數(shù)計(jì)算采用對數(shù)轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)，Cd和Pb含量均采用原始數(shù)據(jù)[19]，并通過對比各擬合檢驗(yàn)參數(shù)，分別篩選出Cd、Cu和Pb等3種重金屬元素的最佳擬合模型及其擬合參數(shù)(表3).表4比較了不同擬合模型變異參數(shù)，結(jié)果表明研究區(qū)域農(nóng)地土壤重金屬Cd、Cu和Pb等3種元素的塊金(Nugget)值 C0分別為 0.0012、0.0180 和6.5165，基臺(Sill)值(C0+C)分別為 0.0035、0.0555 和 38.5769，塊基比C/(C0+C)為0.6571、0.6757 和0.8311;Cd 和 Cu 2 種重金屬塊基比均為0.25 －0.75，表明 Cd 和 Pb 2 種重金屬元素具有中等空間相關(guān)性;重金屬Pb元素塊基比大于0.75，表明Pb元素空間相關(guān)性較弱;Cu元素的變程A0最小(A0=0.0383)，說明Cu在小范圍內(nèi)的變異強(qiáng)，而Cd和Pb元素空間分布的均一性較強(qiáng).

表3 重金屬空間分布擬合模型及其檢驗(yàn)參數(shù)Table 3 Fitting models of heavey metal spatial distribution and their validation coefficients

表4 不同擬合模型變異參數(shù)比較Table 4 Comparison of variation parameters for different fitting models

采用ArcGIS 10.0軟件結(jié)合地統(tǒng)計(jì)學(xué)模塊的Kriging插值法[21]，繪出研究區(qū)域內(nèi)Cd、Cu和Pb 3種重金屬含量的空間分布圖(圖2－4).從圖2、3可以看出，研究區(qū)域內(nèi)僅有小部分地區(qū)土壤的Cd、Pb含量相對較高，其中Cd含量的高值區(qū)位于瀚仙鎮(zhèn)北部和城關(guān)鄉(xiāng)東北部;Pb的高含量區(qū)則分布在雪峰鎮(zhèn)和城關(guān)鄉(xiāng)以北地帶以及沙溪鄉(xiāng)東面.如圖4所示，Cu的高含量區(qū)主要位于楓溪、夏坊二鄉(xiāng)和蓋洋、瀚仙二鎮(zhèn)，雪峰鎮(zhèn)、城關(guān)鄉(xiāng)和沙溪鄉(xiāng)的局部地區(qū).

2.3 研究區(qū)域農(nóng)用土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

2.3.1 單種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià) 采用瑞典Hankason潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法[13]，對土壤重金屬單項(xiàng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、評價(jià).從表5、6可以看出:研究區(qū)域農(nóng)地土壤Cd、Cu和Pb 3種重金屬元素的單項(xiàng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均值均小于40，整體處于低度風(fēng)險(xiǎn)水平;Cd元素的單項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最大值(Er)為189.91(160≤Er＜320)，局部地區(qū)處于很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)水平;Cu和Pb 2種重金屬元素全部樣點(diǎn)處于低度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平;Cd元素全部樣點(diǎn)的97.72%樣品處于低度風(fēng)險(xiǎn)水平，1.14%樣品處于較強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)水平，1.14%樣品處于很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)水平.

圖2 明溪縣農(nóng)田土壤Cd含量空間分布Fig.2 Spatial variability of Cd in Mingxi County

圖3 明溪縣農(nóng)田土壤Cu含量空間分布Fig.3 Spatial variability of Cu in Mingxi County

圖4 明溪縣農(nóng)地土壤Pb含量空間分布Fig.4 Spatial variability of Pb in Mingxi County

表5 土壤重金屬單項(xiàng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistical analysis of single ecological risk index of soil heavy metals

表6 土壤重金屬單項(xiàng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的樣點(diǎn)分布頻數(shù)統(tǒng)計(jì)分析Table 6 Statistical analysis of distribution frequency of samples in single ecological risk index of soil heavy metals

2.3.2 多種重金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià) 研究區(qū)域農(nóng)地土壤重金屬Cd、Cu和Pb等3種元素的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)為3.36－196.54，平均值為11.03，說明研究區(qū)域整體處于低度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級.從表7可以看出，研究區(qū)域農(nóng)地土壤的98.86%樣品中的重金屬為低度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(Ri＜150)，1.14%為中度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(150≤RI＜300).

表7 區(qū)域土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)統(tǒng)計(jì)分析Table 7 Statistical analysis of potential ecological risk index of soil heavy metals

3 小結(jié)

通過測定研究區(qū)域的Cd、Cu和Pb 3種重金屬含量的空間變異，以及對其生態(tài)污染進(jìn)行評價(jià)，得到以下結(jié)論:(1)農(nóng)地土壤Cd、Cu和Pb 3種重金屬含量均未超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的二級水平，其中Cd元素含量上限為0.3355 mg·kg－1，超過了國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)二級標(biāo)準(zhǔn)(0.3 mg·kg－1)，局部地區(qū)存在Cd污染，受到農(nóng)藥和化肥的外源污染;(2)3種重金屬含量變異系數(shù)為22% －386%，大小順序?yàn)镃d＞Pb＞Cu，其中Cd含量的變異系數(shù)超過100%，屬于強(qiáng)變異類型，受人為干擾較大;(3)重金屬Cd和Cu的塊基比為25% －75%，Pb的塊基比大于75%，說明Cd和Cu 2種重金屬具有中等空間相關(guān)性，Pb的空間相關(guān)性較弱.Cd元素的高值區(qū)集中在瀚仙鎮(zhèn)北部和城關(guān)鄉(xiāng)東北部，Pb元素的高含量區(qū)分布在雪峰鎮(zhèn)和城關(guān)鄉(xiāng)以北地帶以及沙溪鄉(xiāng)東面，Cu元素的高含量區(qū)位于楓溪、夏坊二鄉(xiāng)和蓋洋、瀚仙二鎮(zhèn);(4)研究區(qū)農(nóng)地土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)處于低度等級.

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