基于GIS的農(nóng)業(yè)土壤鎘污染時空演變特征

曾海波 雷帆 童潛明 肖莉 曹里 李娜

摘要 [目的]研究農(nóng)業(yè)土壤中鎘（Cd）污染時空演變特征。[方法]以湖南省瀏陽市小溪河流域為研究區(qū)域，在研究區(qū)內(nèi)采集土壤樣本并測定不同土層深度土壤中的Cd含量，利用不同評價標(biāo)準(zhǔn)與評價方法對農(nóng)業(yè)土壤中的Cd污染狀況進行評價，同時借助地統(tǒng)計和GIS空間插值方法，以可視化的方式對研究區(qū)內(nèi)土壤中Cd含量的空間分布狀況進行綜合分析。[結(jié)果]土壤中Cd含量不論是以國家二級標(biāo)準(zhǔn)還是以自然背景值為參考評價標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)域淺層耕地層0～10 cm土壤中Cd含量均超過污染指標(biāo)，說明淺層耕地層受人類活動干擾較大。[結(jié)論]該地區(qū)農(nóng)業(yè)土壤中主要Cd污染來源為磷肥中的Cd，這對該區(qū)域水庫水源地的水質(zhì)產(chǎn)生潛在風(fēng)險。

關(guān)鍵詞 GIS；空間分析；鎘污染

中圖分類號 X53 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）06-0054-04

The spatial-temproal Evolution Characteristic of Cd Pollution in the Agricultural Soil Based on GIS

ZENG Hai-bo，LEI Fan，TONG Qian-ming et al

（Hunan Planning Institute of Land and Resources，Changsha， Hunan 410007）

Abstract [Objective ] To study the spatial-temproal evolution characteristic of Cd pollution in the agricultural soil.[Method] Taking Xiaoxi river basin of Liuyang in Hunan Province as the study area， soil samples were collected according to the soil depth for determination of cadmium content in the soil. Using different evaluation standards and methods， cadmium pollution in agricultural soil was evaluated. With the aid of statistical and GIS spatial interpolation method， spatial distribution of soil cadmium content were analyzed within the scope of the study area in the form of visual. [Result]The result showed that reference criteria of the soil cadmium content using the national secondary standard or the natural background value evaluation standard， the heavy metal cadmium content in the shallow layer from 0 to 10 cm depth cultivated soils exceeded the pollution index， which indicated in shallow layer soil interference by human activities was larger. [Conclusion] Major source of cadmium pollution is the cadmium in phosphate fertilizer， it results in enormous potentially risky to water quality.

Key words GIS；Spatial analysis；Cd pollution

目前，我國土壤環(huán)境總體狀況堪憂，部分地區(qū)污染較為嚴(yán)重[1]，而農(nóng)業(yè)土壤鎘（Cd）污染對我國食品安全具有潛在威脅，是阻礙我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)化發(fā)展的重要制約因素。對農(nóng)業(yè)土壤Cd污染物綜合客觀的評價是對土壤環(huán)境質(zhì)量優(yōu)劣的定量描述，是開展農(nóng)業(yè)環(huán)境管理和規(guī)劃工作的基礎(chǔ)，可以全面掌握當(dāng)前農(nóng)業(yè)土壤環(huán)境質(zhì)量，為國家環(huán)境部門在農(nóng)業(yè)污染源排放管理及農(nóng)業(yè)土壤鎘污染的治理上提供參考。筆者以湖南省瀏陽市小溪河流域為研究區(qū)域，采用GIS技術(shù)分析農(nóng)業(yè)土壤Cd污染時空演變特征。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于瀏陽市境內(nèi)，范圍涉及瀏陽河源流小溪河流域以及大圍山附近的株樹橋水庫，該區(qū)域?qū)儆趪壹壣止珗@和國家級地質(zhì)公園，氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候，年平均氣溫16.7 ℃，多年平均降雨量1 601 mm，地勢由東北向西南傾斜遞降，土壤類型以紅壤為主，土壤肥沃，光照充足。具體范圍見圖1。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

1.2.1 土壤樣品采集。

根據(jù)研究區(qū)范圍內(nèi)土壤類型分布情況，在搜集歷史土壤樣品數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用規(guī)則網(wǎng)格釆樣法[2]實地采集土壤樣本，對于耕作土壤較多的區(qū)域進行加密取樣，收集和實測的有效樣點共計168個。按照不同土層深度采集土壤樣品：0～10、15～25、30～40 cm各取1 kg，對所有采樣點進行編號并用手持GPS記錄樣點坐標(biāo)以及采樣時間、深度等，所有樣品均由湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)化檢測中心檢測，檢測結(jié)果經(jīng)中國國家計量認(rèn)證，樣點分布見圖2。

1.2.2 樣品分析。

將采集的土壤樣品在室內(nèi)風(fēng)干、磨碎，過尼龍篩，所有樣品經(jīng)過混合、裝袋、粉粹、研磨等處理后，對土壤樣品進行消煮，利用石墨爐原子吸收分光光度法對Cd含量進行測定，所用儀器為原子吸收光譜儀。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用HJ SPSS 9.0和Excel 2016進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，采用GS+9.0地統(tǒng)計分析軟件相關(guān)模塊對土壤中Cd含量進行評估，同時基于GIS分析方法進行空間插值并輸出反映研究區(qū)土壤Cd含量分布狀況插值圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤樣品基本統(tǒng)計

小溪河流域耕作土壤不同土層深度Cd含量見表1。由表1可知，不同土層深度0～10、15～25、30～40 cm土壤中的Cd含量均值分別為0.25、0.18、0.14 mg/kg，與該區(qū)域土壤中Cd含量的背景值相比，僅0～10 cm土層深度Cd含量高于背景值（0.20 mg/kg），說明在土壤深度0～10 cm存在Cd積累。在0～40 cm土層，隨著土層深度的增加其Cd含量呈遞減趨勢，說明0～10 cm土層中Cd含量受人為影響較大。

2.2 小溪河流域Cd含量污染評價

2.2.1 土壤標(biāo)準(zhǔn)。

《中華人民共和國土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（修訂）GB/5618—2008》按照保護目標(biāo)[3]，將土壤分為3級標(biāo)準(zhǔn)值，其中1級是環(huán)境背景值，即為“基本上保護土壤處于環(huán)境背景水平，是保護土壤環(huán)境質(zhì)量的理想目標(biāo)，主要適用于國家規(guī)定的自然保護區(qū)、集中式生活飲用水源地、菜場、牧場和其他需要特別保護的土壤”。1級土壤環(huán)境質(zhì)量的重金屬含量執(zhí)行1級標(biāo)準(zhǔn)（表2），其中集中式生活飲用水源地土壤Cd<0.20 mg/kg。

研究區(qū)包括株樹橋水庫及大圍山部分風(fēng)景區(qū)，株樹橋水庫是長沙市百萬市民生活飲用水第2供應(yīng)地，其水源地應(yīng)是《土壤環(huán)境質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》中“集中式生活飲用水源地”，土壤重金屬含量按GB/5618—1995應(yīng)達到1級標(biāo)準(zhǔn)的要求，即Cd<0.20 mg/kg；按GB/5618—2008則應(yīng)是“環(huán)境背景水平”。

2.2.2 基于累計污染指數(shù)評價。

由于地區(qū)差異，累積污染指數(shù)[4]更能反映人為活動對土壤中Cd含量的影響。采用累積污染指數(shù)對小溪河流域耕作土壤Cd含量的累積狀態(tài)進行評價。累積污染指數(shù)計算公式：Pi=Ci/Si（1）式中， Pi為污染物i的累積污染指數(shù)， Ci為污染物實測值， Si為污染物背景值。

為了準(zhǔn)確地評價人類活動對該區(qū)域耕作土壤帶來的環(huán)境壓力，參照國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，將Pi≤1的土壤樣點定義為清潔無污染，13定義為嚴(yán)重污染（表4）。在0～10和15～25 cm的樣點中，分別有部分樣點超過國家1級標(biāo)準(zhǔn)，處于污染狀態(tài)，其中土層深度為0～10 cm的土壤環(huán)境狀況較差，有24.87%的樣點處于污染狀態(tài)，而土層深度為15～25 cm土壤中Cd含量超過國家1級標(biāo)準(zhǔn)處于污染狀態(tài)的樣點較少，為12.50%，土層深度為30～40 cm土壤中Cd不存在超過背景值的情況（表3）。但土層深度為0～10和15～25 cm的土壤中Cd含量均不存在中度污染和嚴(yán)重污染狀態(tài)。由此可知，盡管在0～10 cm土層深度中Cd累積現(xiàn)象較嚴(yán)重，但其含量超過國家2級標(biāo)準(zhǔn)的樣點卻較少。累積污染指數(shù)評價方法顯示土壤中Cd污染不嚴(yán)重，Cd含量超過國家2級標(biāo)準(zhǔn)的樣點占總樣點數(shù)的3.57%（表4）。因此，應(yīng)防止人類活動導(dǎo)致土壤中Cd含量繼續(xù)增加而出現(xiàn)更多污染。

2.2.3 基于內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價。

內(nèi)梅羅（Nemerow）污染指數(shù)[5]能評價不同土層深度土壤中Cd含量綜合污染程度，反映了Cd污染對土壤環(huán)境的作用，同時突出了高濃度污染物對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響，可用于將區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量作為一個整體與外區(qū)域或歷史資料進行比較。內(nèi)梅羅指數(shù)計算公式：P=（i）2+max（Pi）2式中，P為土壤綜合污染指數(shù)；為土壤中Cd污染不同土層深度污染指數(shù)平均值；max（Pi）為土壤Cd污染物的最大污染指數(shù)。具體分級標(biāo)準(zhǔn)見表5。

對研究區(qū)不同土層土壤Cd含量進行內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評價，結(jié)果見表6。由表6可知，不同土層深度中Cd內(nèi)梅羅污染指數(shù)分別為1.47、0.86、0.53，其中土層深度0～10 cm的Cd內(nèi)梅羅污染指數(shù)值最大，土層深度30～40 cm的內(nèi)梅羅污染指數(shù)值最小。土層深度0～10 cm的Cd含量處于輕度污染狀態(tài)，土層深度15～25 cm的Cd含量處于尚清潔狀態(tài)，土層深度30～40 cm的Cd含量處于清潔狀態(tài)。這說明人類活動對土壤表層Cd含量有較大影響，應(yīng)加強對該地區(qū)Cd污染的控制。

2.2.4 基于地積累指數(shù)評價。

地積累指數(shù)（Index of geo-accumulation）又稱Mull指數(shù)法[6]，可以定量評價沉積物中的重金屬污染程度，也可用來評價土壤中重金屬的污染程度及其分級情況。該方法不僅考慮到人為污染因素、環(huán)境地球化學(xué)背景值，還考慮到由于自然成巖作用可能會引起背景值變動的因素。

地積累指數(shù)計算公式：Igeo=log2（CnKBn）式中，Cn為—個監(jiān)測樣本的某重金屬實際含量；Bn為該重金屬元素的地球化學(xué)背景值，該研究取研究區(qū)域地球化學(xué)背景值（通過采集自然土壤樣品測定該區(qū)域Cd含量背景值為0.13）；K為考慮各地巖石差異可能會引起背景值的變動而取的系數(shù)（一般取值為1.5）。地積累指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)見表7。

由表8可知，土層深度30～40 cm的地積累指數(shù)平均值均小于0，處于無污染狀態(tài)，而土層深度為0～10和15～25 cm的Cd含量均值在0～1.00，處于輕度—中等污染狀態(tài)。

2.2.5 不同污染評價方法對比。

不同污染評價方法，由于評價等級劃分標(biāo)準(zhǔn)、權(quán)重系數(shù)、背景值等因素影響[7]，導(dǎo)致對土壤中Cd評價結(jié)果出現(xiàn)差異，但無論采取哪一種評估方法，評估結(jié)果均顯示，土層深度0～10 cm土壤存在輕度污染，且土層深度30～40 cm土壤中不存在污染現(xiàn)象；土層深度15～25 cm土壤中，內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價方法顯示處于尚清潔的狀態(tài)，而累積污染指數(shù)與地累積污染指數(shù)顯示處于輕度污染狀態(tài)，說明該土層深度中的土壤存在污染風(fēng)險（表9）。

2.3 Cd含量空間分布可視化表達

土壤是一個不均勻、具有高度空間變異性的混合體[8]，而監(jiān)測點僅代表監(jiān)測點本身的土壤Cd含量狀況，單純地以各監(jiān)測點的平均值表示區(qū)域土壤污染的程度存在較大誤差， 為了更加準(zhǔn)確直觀地表達研究區(qū)土壤中Cd含量空間分布狀況，采用GIS空間插值的方法，對不同土層深度的土壤Cd含量進行空間插值，并對插值結(jié)果進行可視化表達，結(jié)果見圖3。由圖3可知，在土層深度0～10和15～25 cm的土壤中Cd含量在空間分布上存在相對較多的小斑塊，而土層深度30～40 cm土壤中的Cd含量則呈相對均一的連片分布，且隨著土層深度的增加，土壤中的Cd含量在垂直方向上存在遞減趨勢。這佐證了上述研究結(jié)果，即研究區(qū)域土層深度0～10和15～25 cm的土壤監(jiān)測樣點大部分處于清潔無污染狀態(tài)，僅有少量處于輕度污染狀態(tài)，且這些存在污染狀態(tài)的位置多屬于受人類影響較大的耕地[9]，而在土層深度30～40 cm的土壤中基本不存在Cd污染狀況。

3 討論

株樹橋水庫水源地?zé)o重金屬自然污染源和人為工業(yè)污染源，出露的地層巖石是冷家溪群板頁巖和雪峰期花崗巖，通過區(qū)域地質(zhì)調(diào)查和礦產(chǎn)勘查，未發(fā)現(xiàn)任何重金屬礦產(chǎn)和重金屬元素地球化學(xué)異常，無自然污染源。這與毗鄰的北部大溪河支流寶山河流域鮮成對照，寶山河上游有中型七寶山銅鉛鋅多金屬礦，從明朝開始采選和冶煉，特別是1958年采選礦最盛，致使寶山河的底泥及沿岸0～400 m寬的農(nóng)田土壤重金屬含量很高。

株樹橋水庫水源地的河底泥、稻土和稻米的Cd等重金屬含量大都低于寶山河流域，表明其沒有自然和人為的工礦業(yè)重金屬污染[10]，但耕作層土壤Cd含量升高，以致于超過集中式生活飲用水的國家標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)實地調(diào)查，超標(biāo)區(qū)域有大面積的農(nóng)田分布，而農(nóng)戶施用化學(xué)磷肥，而磷肥均含Cd，Cd隨施用進入農(nóng)田土壤，一部分被農(nóng)作物攝取進入農(nóng)產(chǎn)品中，一部分溶解于水中成為水的污染源，大部分則被土壤吸收成為土壤Cd的主要來源，導(dǎo)致耕作層中的Cd含量累積，因而施用化學(xué)磷肥是造成研究區(qū)土壤淺層Cd含量顯著高于深層土壤的主要原因。

截至目前，株樹橋水庫水除有富營養(yǎng)化傾向、偶爾有大腸桿菌等有機質(zhì)污染外，尚無重金屬污染，在水庫水質(zhì)檢測中，水質(zhì)符合國標(biāo)1級飲用水標(biāo)準(zhǔn)，但由于株樹橋水源地上層土壤Cd超標(biāo)，且少部分稻米Cd超標(biāo)的現(xiàn)象，這對橋水庫水源地水質(zhì)是一個潛在危害。

為了減少化肥、農(nóng)藥的農(nóng)業(yè)面源污染，目前，國內(nèi)外都致力于提高化肥的氮、磷利用率和限制使用礦物磷肥，以及嚴(yán)格控制磷肥中的Cd含量。而對一些如水源保護的特殊功能區(qū)，上述措施不能解決問題時，要調(diào)整生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，發(fā)展不施用化肥、農(nóng)藥的觀光農(nóng)業(yè)[11]。

4 結(jié)論

（1）小溪河流域土層深度30～40 cm土壤中Cd含量空間變異性相對較小。從土壤監(jiān)測樣點Cd的綜合評估結(jié)果看，研究區(qū)域土壤中的Cd含量隨著土層深度的增加，Cd含量逐漸遞減，且在土層深度0～10和15～25 cm土壤中Cd含量出現(xiàn)一定的累積，且部分樣點超過國家1級標(biāo)準(zhǔn)，處于輕度污染狀態(tài)，說明其受人為活動影響較大。

（2）研究區(qū)范圍內(nèi)無人為工業(yè)污染源，通過區(qū)域地質(zhì)調(diào)查和礦產(chǎn)勘查，無任何重金屬礦產(chǎn)和重金屬元素地球化學(xué)異常，無自然污染源，在Cd超標(biāo)樣點分布區(qū)域存在使用化肥、農(nóng)藥的現(xiàn)象，因此可以判斷污染的主要因素在于人工施肥及農(nóng)藥，導(dǎo)致部分樣點Cd存在超標(biāo)現(xiàn)象，建議在該區(qū)域大力提倡綠色農(nóng)業(yè)，提倡施用綠肥，以保護生態(tài)環(huán)境與水資源。

（3）針對農(nóng)業(yè)土壤中Cd含量的空間分布研究，能更好地了解研究區(qū)域土壤中Cd含量的分布特征，為適時調(diào)整人類經(jīng)濟活動實現(xiàn)土地資源的合理、可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。實踐證明，以遙感和GIS作為信息獲取和處理的技術(shù)手段，將景觀生態(tài)學(xué)理論與方法和傳統(tǒng)的土地利用變化研究方法相結(jié)合，用土地利用指數(shù)與景觀格局指數(shù)來量化表達區(qū)域的景觀動態(tài)變化特征。

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