基于ARCGIS的商洛煙區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量評價

摘要：參照農(nóng)業(yè)部頒布的農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范（NY/T395-2000），通過實地調(diào)查、土壤樣品采集、測試分析、ARCGIS手段以及修正后的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法，探討了商洛市煙草用地表層土壤重金屬污染程度及其環(huán)境質(zhì)量。結(jié)果表明，①商洛市煙草用地土壤重金屬Pb、Cd、Cr、As、Hg的含量普遍偏低，Cd含量較高（Cd>0.3 mg/kg）的用地面積僅為總煙草用地的13.33%。②土壤重金屬Pb、Cr、As、Hg的單因子指數(shù)較低，未對土壤造成污染；重金屬Cd污染嚴(yán)重和中污染的土壤達(dá)到了2.28%，輕污染的達(dá)到了11.04%。③清潔的煙草用地占到了全部煙田的97.06%；尚清潔和清潔的煙草用地共占縣域煙田總面積的99.7%；輕污染的煙草用地主要分布在米糧基地單元的柞水部分區(qū)域。綜上所述，商洛市煙草用地的土壤Cd含量應(yīng)該引起重視，降低人為因素導(dǎo)致的污染。

關(guān)鍵詞：商洛煙區(qū)；土壤；重金屬；環(huán)境質(zhì)量評價

中圖分類號：X825 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）17-4476-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.17.030

Abstract： Refer to the standard of NY/T395-2000 and according to field investigation，soil samples collection，test and analysis，ARCGIS means and Nemerow index methodand，we evaluated the heavy metal pollution in surface soil and environmental quality of tobacco area in Shangluo. Results showed that ①Heavy metal Pb，Cd，As and Hg was generally on the low side in Shangluo tobacco land. The land area which had a higher contents of Cd>0.3 mg/kg had reached 13.33% of the total area of totacco. ②The single factor index of heavy metal Pb，Cd，As and Hg was at low level，so the soil had not been polluted. The soils of serious and moderate pollution of metal Cd reached 2.28%，and the soils of light pollution reached 11.04%. ③Cleaning farmland of tobacco accounted for 97.06% in all tobacco land. Moderate cleaning and cleaning farmland of tobacco accounted for 99.70% in all tobacco land. Light pollution tobacco land was mainly distributed in some regions of Zhashui county of the Miliang base unit.In summary， soil Cd contents of Shangluo tobacco land should be pay more attention，and we should reduce the polluted soil that caused by human factors.

Key words： tobacco area of Shangluo；soil；heavy metal；evaluation of soil environment quality

近年來，隨著工業(yè)和農(nóng)業(yè)的發(fā)展，各種人為釋放的重金屬在土壤中不斷累積，由于重金屬-土壤-生物之間存在復(fù)雜動態(tài)的相互作用，部分土壤重金屬能被生物吸收利用。而土壤環(huán)境質(zhì)量下降及土壤遭受污染的問題日益突出，嚴(yán)重影響到農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和人民群眾的身體健康。

“綠色食品”作為一種無污染、優(yōu)質(zhì)、營養(yǎng)性食品日益受到人們重視[1-3]。煙草是一種嗜好品，其安全性也愈來愈引起關(guān)注，其安全性不僅體現(xiàn)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)上，產(chǎn)地的土壤環(huán)境質(zhì)量尤其備受關(guān)注。以往相關(guān)研究多限于糧食作物、蔬菜與水果生長的土壤環(huán)境質(zhì)量的分析與檢測[4-6]，而對煙草的種植土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與評價卻鮮有報道。商洛地區(qū)作為中國重要的煙草種植基地，在煙草卷煙重點骨干品牌建設(shè)中發(fā)揮了重要作用。為進(jìn)一步提高煙葉安全性，對其產(chǎn)地土壤環(huán)境進(jìn)行實地調(diào)查、采樣、檢測和評價，給煙草生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

商洛地區(qū)地處陜西東南部，秦嶺東段南麓，位于東經(jīng)108°34′-110°1′25″、北緯33°5′30″-34°25′40″，轄商州市和洛南、丹鳳、商南、山陽、鎮(zhèn)安、柞水6縣?？偯娣e193萬hm2，地勢西北高、東南低，海拔215.4～2 802.1 m。屬東部季風(fēng)氣侯區(qū)亞熱帶與暖溫帶的交界地域。境內(nèi)除洛南屬黃河水系外，其他5縣1市均屬長江水系。全區(qū)四季分明，氣侯溫和，雨量充沛，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑。年平均氣溫7.8～13.9 ℃，年平均降雨量710～930 mm，年平均日照1 860～ 2 130 h，無霜期約200 d。

商洛煙葉始種于20世紀(jì)80年代末期，目前已建成覆蓋洛南、商州、鎮(zhèn)安、柞水三縣一區(qū)的南北兩大煙區(qū)，以洛南為主的北部丘陵山地?zé)焻^(qū)（包括靈口、石門、永豐和景村4個基地單元），種植面積穩(wěn)定在大約4 667 hm2，產(chǎn)量大約1 000萬kg；以鎮(zhèn)安為主的南部秦嶺生態(tài)煙區(qū)（包括米糧和云鎮(zhèn)2個基地單元），種植面積穩(wěn)定在2 000～2 667 hm2，產(chǎn)量大約500萬kg。

1.2 土壤樣品采集與分析

根據(jù)商洛煙草基地面積的大小、區(qū)域的地質(zhì)地貌、土壤類型狀況布設(shè)了大約300個采樣點。根據(jù)《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，為了保證采集土壤樣品的代表性，每點以S型采取5個樣點0～20 cm的土壤樣品并進(jìn)行混合，按照測定項目作相應(yīng)的處理。測定項目包括土壤中Pb、Cd、Cr、As、Hg，土壤全量Pb、Cd、Cr、Hg測定方法為王水-高氯酸消煮-原子吸收光譜法，土壤全量As測定用氫化物發(fā)生原子吸收光譜法。

2 評價方法及資料

2.1 評價方法

首先利用單項污染指數(shù)，對各元素的污染程度加以分析，然后采用綜合污染指數(shù)法中的修正內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法進(jìn)行土壤環(huán)境質(zhì)量等級劃分。

1）單項污染指數(shù)法。

Pi=Ci/Si （1）

式中，Pi為土壤中污染物i的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；Ci為污染物i的實測值；Si為污染物i的評價標(biāo)準(zhǔn)。采用土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB l5618—1995）中的2級標(biāo)準(zhǔn)（pH 6.5～7.5，耕作方式為旱田），其中Pb、Cd、Cr、As、Hg的單因子污染標(biāo)準(zhǔn)值見表1。

2）內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法及其參數(shù)修正。

式中，PN為內(nèi)梅羅綜合指數(shù)；Pimax為Pi單項污染指數(shù)的最大值；Piave為Pi單項污染指數(shù)的算術(shù)平均值。

內(nèi)梅羅指數(shù)法在污染評價中過分強(qiáng)調(diào)了最大污染指數(shù)產(chǎn)生的影響，而忽視了其他評價因子造成的危害等因素。由于土壤本身的復(fù)雜性和多樣性，致使同一種污染物在不同的土壤中會顯示出不同的危害，因此，在內(nèi)梅羅污染指數(shù)法修正中引入Pi加權(quán)平均代替Piave，以期在反映土壤污染物平均污染水平的同時，還體現(xiàn)出土壤不同污染物的相關(guān)性以及同一種污染物在不同土壤中的差異性。

另外，如果Pimax特別大，即使其他Pi較低，也會導(dǎo)致PN偏高，這種一票否決式的評價方法在評價工作要求日趨科學(xué)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)漠?dāng)今顯然是不客觀的。同時，各種污染物對環(huán)境及人體的危害程度有很大差別，而Pimax因子未必是最具危害性的，而且只考慮最大值的影響，忽略了次大值等其他Pi較高因子的影響。為此，將Pimax用Pimax′代替，既突出了最大污染因子的影響，同時還提高了毒理性指標(biāo)以及次大值等Pi值的作用。修正后的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法為：

P′N=（P′imax2+P′i加權(quán)平均2）（3）

3）內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法的修正方法。①基于多元線性回歸的土壤重金屬污染指數(shù)平均值Piave修正。利用多元回歸，以每項評價因子為因變量，以其他評價因子為自變量計算復(fù)相關(guān)系數(shù)，R越大，復(fù)相關(guān)系數(shù)越大，重復(fù)信息越多，對應(yīng)的權(quán)數(shù)值應(yīng)越小。取復(fù)相關(guān)系數(shù)的倒數(shù)作為得分，再經(jīng)歸一化處理即得權(quán)重Wi，即：

Pi加權(quán)平均=W1P1+W2P2+W3P3+……+WmPm （4）

②基于毒性權(quán)重的最大污染指數(shù)Pimax的修正。

式中，Piw為所選取的m項重金屬Pi的平均值；m為重金屬個數(shù)。

2.2 評價資料與數(shù)據(jù)處理

2013年獲得的煙田調(diào)查點資料（包括采樣點坐標(biāo)、農(nóng)戶調(diào)查、基本耕種情況、土壤養(yǎng)分、環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)）；2009年開始進(jìn)行的耕地地力評價項目所獲得的煙田調(diào)查點資料（包括采樣點坐標(biāo)、基本耕種情況、縣鄉(xiāng)村基本情況統(tǒng)計以及相關(guān)文本資料和數(shù)據(jù)資料）；空間數(shù)據(jù)包括1∶50 000土壤圖、地形圖、土地利用現(xiàn)狀圖以及行政邊界圖等。利用ACCESS數(shù)據(jù)庫軟件、SPSS統(tǒng)計分析軟件、ARCGIS地理信息系統(tǒng)軟件和縣域耕地資源管理信息系統(tǒng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和計算，點數(shù)據(jù)形成面數(shù)據(jù)采用克里金差值。

3 土壤環(huán)境質(zhì)量評價

3.1 煙草用地重金屬含量分布

由表2可知，商洛市煙草用地中的重金屬Pb、Cd、Cr、As、Hg的含量普遍偏低，其中重金屬Pb含量在15～35 mg/kg范圍內(nèi)的用地面積達(dá)到總煙草用地的94.89%，Cd含量在0.06～0.3 mg/kg范圍內(nèi)的用地面積達(dá)到總煙草用地的86.67%；Cr含量在14～25 mg/kg范圍內(nèi)的用地面積達(dá)到總煙草用地的74.31%；As含量在9～18 mg/kg范圍內(nèi)的用地面積達(dá)到總煙草用地的94.13%；Hg含量在0.03～0.18 mg/kg范圍內(nèi)的用地面積達(dá)到總煙草用地的92.44%。

3.2 煙草用地土壤環(huán)境質(zhì)量評價

土壤污染分級標(biāo)準(zhǔn)參照土壤環(huán)境質(zhì)量、農(nóng)業(yè)部頒布的NY/T395—2000農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范，制定了本研究土壤重金屬元素綜合評價的分級標(biāo)準(zhǔn)（表3、表4）。

1）煙草用地重金屬單因子污染指數(shù)。如表5所示，商洛市煙草主產(chǎn)區(qū)耕地土壤中重金屬Pb、Cr、As、Hg的單因子指數(shù)較低，未對土壤造成污染。重金屬Cd含量幅度較大，范圍0.283 2～3.217 0 mg/kg，污染嚴(yán)重的土壤達(dá)到了0.20%，主要分布于米糧基地單元的柞水縣鳳凰鎮(zhèn)和杏坪鎮(zhèn)；中污染的土壤達(dá)到了2.08%，同樣也是分布在柞水縣的鳳凰鎮(zhèn)、杏坪鎮(zhèn)、小嶺鎮(zhèn)和瓦房口鄉(xiāng)，其中鳳凰鎮(zhèn)中度污染土壤范圍最大，占58.19%，其次是杏坪鎮(zhèn)，占到34.92%；輕污染的土壤達(dá)到11.04%，其中柞水縣占到了其面積的50.01%，主要分布在瓦房口鄉(xiāng)、杏坪鎮(zhèn)、鳳凰鎮(zhèn)、柴莊鄉(xiāng)等，其中鳳凰鎮(zhèn)的受污染范圍最大，占44.13%。洛南縣的重金屬Cd輕污染范圍比柞水縣少，占到了49.60%，主要分布在柏峪寺鄉(xiāng)、古城鎮(zhèn)、景村鎮(zhèn)、廟坪鄉(xiāng)、石門鎮(zhèn)、石坡鎮(zhèn)、靈口鎮(zhèn)等，其中柏峪寺鄉(xiāng)受污染面積最大，其次是古城鎮(zhèn)，兩鄉(xiāng)鎮(zhèn)占洛南縣Cd輕污染的67%。

2）煙草用地重金屬修正綜合污染指數(shù)?？傮w上，清潔的煙草用地為7 998.08 hm2，占到了全部煙田的97.06%；尚清潔的煙草用地為217.48 hm2，兩者共占縣域煙田總面積的99.7%，主要位于四個縣的低山丘陵地區(qū)，是本區(qū)域的煙田主體；輕污染的煙草用地為24.71 hm2，占總煙草用地面積的0.3%，主要分布在米糧基地單元的柞水部分區(qū)域（表6）。

其中，鎮(zhèn)安縣的云鎮(zhèn)基地單元、洛南縣的石門基地單元和永豐基地單元的煙草用地均未受到污染，屬于清潔級；洛南縣的景村基地單元和靈口基地單元除清潔用地外有部分煙草用地處于尚清潔級，其中景村基地單元有12.36 hm2，分布在景村鎮(zhèn)，占總煙草用地面積的0.15%，靈口基地單元尚清潔用地有167.23 hm2，分布在柏峪寺鄉(xiāng)和廟坪鄉(xiāng)，占總煙草用地面積的2.03%，其中柏峪寺鄉(xiāng)的尚清潔煙草用地面積占最多，有149.93 hm2；在商洛市6個煙草基地單元中，僅有米糧基地單元有少許的煙草用地達(dá)到了輕污染級別，分布在柞水縣的杏坪鎮(zhèn)，占總煙草用地面積的0.30%。

在清潔的煙草用地中，石門基地單元面積占比最大，達(dá)到26.31%；云鎮(zhèn)基地單元占比最小，達(dá)到8.88%，其余煙草基地單元都處在13%～19%之間。僅有2.64%的煙草用地處在尚清潔級別上，0.30%的耕地屬于輕污染，輕污染煙草用地范圍在柞水縣杏坪鎮(zhèn)。分析輕污染的原因可能是柞水縣內(nèi)金錢河攜帶上游溶解于河內(nèi)的重金屬沉積于杏坪鎮(zhèn)等地，對土壤造成影響。

4 小結(jié)與討論

土壤中的重金屬主要來源于地質(zhì)因素和土壤母質(zhì)因素，但工礦業(yè)生產(chǎn)、城市化垃圾廢棄物的排放等因素均可導(dǎo)致土壤重金屬含量的增加。此外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的污水灌溉、化肥、農(nóng)藥等不合理使用，也可顯著影響到土壤重金屬的存在形式和含量[7]。目前中國農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染的總體特征是污染的程度逐步加劇污染的面積逐年擴(kuò)大，污染源呈現(xiàn)多元化發(fā)展趨勢，截至2011年底中國受Cd、As、Cr、Pb等重金屬污染的耕地面積近2 000萬hm2，約占耕地總面積的1/5，每年被重金屬污染的糧食達(dá)到1 200萬t。

一般認(rèn)為，較低濃度的重金屬對煙草生長有利，高濃度時則對煙草的生長有抑制作用。研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的Cr對煙草生長有利，但高濃度的Cr可抑制75%的煙葉生長。溫室試驗結(jié)果也顯示，每千克土壤中施Pb 10 g才顯著降低煙葉產(chǎn)量。低濃度的Cd可增加煙草葉片可溶性糖和煙堿含量，降低蛋白質(zhì)，并對品質(zhì)有改善作用，但濃度的增加對煙葉品質(zhì)越來越不利[8]。沈曉明等[9]比較了來自美國、日本和國產(chǎn)卷煙中Pb的含量，發(fā)現(xiàn)不同產(chǎn)地的卷煙中Pb的含量差別很大，并且隨著卷煙檔次的降低，金屬元素的含量有升高的趨勢，但都足以造成被動吸煙者血Pb水平的升高。煙草對Pb、Cd、Cr等重金屬也有較強(qiáng)的吸收性[10]。因此，科學(xué)工作者對煙草用地的土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了相應(yīng)的評價[11]。本次調(diào)查的商洛市煙草分布區(qū)主要在農(nóng)村，遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)用地，但由于旅游業(yè)的發(fā)展對其造成了一定的影響，如鳳凰古鎮(zhèn)和柞水溶洞兩個較為著名的風(fēng)景區(qū)均在柴莊鄉(xiāng)和杏坪鎮(zhèn)的上游方向，導(dǎo)致其部分區(qū)域重金屬Cd的含量稍微超標(biāo)，綜合評價達(dá)到了輕污染。分析輕污染的原因可能是柞水縣內(nèi)金錢河攜帶上游溶解于河內(nèi)的重金屬沉積于杏坪鎮(zhèn)等地對土壤造成影響。

商洛市煙草用地土壤環(huán)境質(zhì)量評價結(jié)果表明：

1）商洛市煙草用地中的重金屬Pb、Cd、Cr、As、Hg的含量普遍偏低，Cd含量較高（Cd>0.3 mg/kg）的用地面積僅占總煙草用地的13.33%。

2）商洛市煙草主產(chǎn)區(qū)耕地土壤中重金屬Pb、Cr、As、Hg的單因子指數(shù)較低，未對土壤造成污染。重金屬Cd含量差異較大，污染嚴(yán)重和中污染的土壤達(dá)到了2.28%，主要分布在柞水縣的鳳凰鎮(zhèn)、杏坪鎮(zhèn)、小嶺鎮(zhèn)和瓦房口鄉(xiāng)；輕污染的土壤達(dá)到11.04%，主要分布在瓦房口鄉(xiāng)、杏坪鎮(zhèn)、鳳凰鎮(zhèn)、柴莊鄉(xiāng)等。洛南縣的重金屬Cd輕污染占到了49.60%，主要分布在柏峪寺鄉(xiāng)、古城鎮(zhèn)、景村鎮(zhèn)、廟坪鄉(xiāng)、石門鎮(zhèn)、石坡鎮(zhèn)、靈口鎮(zhèn)等。

3）綜合評價結(jié)果表明，清潔的煙草用地占到了全部煙田的97.06%；尚清潔和清潔的煙草用地共占99.7%，主要位于4個縣的低山丘陵地區(qū)；輕污染的煙草用地主要分布在米糧基地單元的柞水部分區(qū)域。在清潔的煙草用地中石門基地單元達(dá)到26.31%，云鎮(zhèn)基地單元占比例僅8.88%；僅2.64%的煙草用地處在尚清潔級別；0.30%屬于輕污染，其煙草用地范圍在柞水縣杏坪鎮(zhèn)。

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