東陽江流域農(nóng)用地表層土壤重金屬污染的空間分布特征*

童麗穎， 吳 濤， 蔣國俊, 徐明星, 姚玉霞，劉富強， 朱麗東， 王志剛， 商麗華

(1.浙江師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 金華 321004，2.浙江省地質(zhì)調(diào)查研究院，浙江 杭州 311203)

0 引 言

隨著工業(yè)污染物的排放、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中農(nóng)藥化肥的大量施用及農(nóng)村生活污染物的隨意傾瀉，大量重金屬進入農(nóng)業(yè)土壤中.由于微生物并不能降解土壤中的重金屬，不易被流水帶走，因此，它易在土壤中富集[1].同時，土壤重金屬可以通過生物鏈，將富集在土壤內(nèi)的重金屬由植物到動物最終進入人體，造成嚴重的危害[2].有專家指出，全國受重金屬污染的耕地面積占總面積的1/6，造成超過200億元的經(jīng)濟損失[3].隨著生活水平的提高，越來越多的人開始注重食品與農(nóng)業(yè)安全.但是我國社會食品安全的現(xiàn)狀仍較為嚴峻，例如奶粉三聚氰胺事件、含磷的“發(fā)光豬肉”、轉(zhuǎn)基因食品問題等等，國家也出臺了一些相應(yīng)的政策法規(guī)，2015年通過并實施的新版《中華人民共和國食品安全法》,同時也進行農(nóng)業(yè)與食品安全項目的國際合作，如：1)亞太食安園的設(shè)立;2)中澳農(nóng)業(yè)及食品安全百年合作計劃(ASA100);3)中美農(nóng)業(yè)與食品合作項目(Am Cham China)等.

國外學(xué)者對土壤重金屬研究側(cè)重于污染評價方法的創(chuàng)新[4]及修復(fù)技術(shù)的提升.針對修復(fù)技術(shù)進行了研究，美國超級基金于1982—2005年對977個場地進行固定化或淋洗、萃洗等修復(fù)，其目的是防止土壤重金屬的遷移或去除土壤中的重金屬[5].污染評價方法主要分為三大類：指數(shù)法[6-9]、模型指數(shù)法[10-11]及一些綜合評價方法[12-14].Gowd[9]用地理累積指數(shù)、富集因子、污染因子和污染程度評估受工業(yè)污染的農(nóng)用地土壤重金屬污染的情況.國內(nèi)目前很多對土壤重金屬污染的研究主要集中在北上廣深等大城市，而針對中小型城市不同功能區(qū)重金屬污染狀況的研究仍較少[15].楊蕊等[16]以西寧市為研究區(qū)，研究土壤重金屬分布特征及環(huán)境風(fēng)險，并將西寧市劃分為不同的重金屬風(fēng)險區(qū).王蘭化等[17]研究華北地區(qū)蔬菜基地，發(fā)現(xiàn)受污染的土壤不會對人體造成明顯的非致癌影響.王幼奇等[18]的研究發(fā)現(xiàn)各種人類活動加劇了銀川市土壤重金屬含量.

東陽江流域近幾年發(fā)展迅速，人類活動較以往更為頻繁，對農(nóng)業(yè)土壤的影響加劇.筆者選取了As，Hg，Cr，Cu，Pb，Cd，Ni，Zn 這8種農(nóng)用地土壤重金屬并計算土壤重金屬污染指數(shù)，揭示東陽江流域農(nóng)用地表層土壤重金屬污染特征及其空間分布格局，為表層土壤整治和農(nóng)業(yè)規(guī)劃提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持.

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

如圖1所示，東陽江流域位于浙江金華中東部地區(qū)，主要包括29個鄉(xiāng)鎮(zhèn)和街道.發(fā)源于磐安縣，途徑東陽、義烏兩市，止于金東區(qū).該區(qū)主要以丘陵地形為主，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，年均溫17.2 ℃，年均降水量1 419.9 mm，植被以亞熱帶常綠闊葉林為主[19].該區(qū)目前面臨的主要環(huán)境問題有:人類活動過于頻繁;工業(yè)企業(yè)繁雜，工業(yè)污染排放量大；采石業(yè)發(fā)展；農(nóng)業(yè)化肥施用過多；生活污染物排放量大等.

1.2 數(shù)據(jù)來源

采集表層土壤樣品共4 295個，土壤采樣的深度為0～15 cm，采樣點通過GPS精確定位.采樣綜合考慮了研究區(qū)域內(nèi)地形、土地利用類型 (工業(yè)區(qū)、居民區(qū)、交通用地)等因素，實際取樣時，對采樣點數(shù)量和空間分布進行適度調(diào)整，間隔300～500 m不等，進行隨機取樣.

圖1 研究區(qū)概況

圖2 東陽江流域采樣點分布圖

1.3 樣品處理

將野外采樣拿回來的土樣經(jīng)過一系列基本處理后，利用美國Innov公司的Xα-4000土壤重金屬測量儀進行測量，共檢測8種重金屬，包括As，Hg，Cr，Cu，Pb，Cd，Ni和Zn.

2 研究方法

利用Arc GIS軟件將金華大市范圍的農(nóng)業(yè)表層土壤重金屬采樣點數(shù)據(jù)與東陽江流域行政區(qū)劃圖進行相交分析，得到東陽江流域農(nóng)業(yè)表層土壤重金屬采樣點數(shù)據(jù).將東陽江流域按行政區(qū)劃分為29個鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道，由于佐村鎮(zhèn)沒有設(shè)置采樣點，所以本文研究區(qū)范圍是剔除佐村鎮(zhèn)之外的28個鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道.

2.1 污染評價指數(shù)

采用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法分別計算As,Hg,Cr,Cu,Pb,Cd,Ni和Zn的單因子指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合指數(shù).

2.1.1 單因子指數(shù)法

計算8種重金屬各自的污染指數(shù)，以確定主要的重金屬污染及污染程度.

式(1)中:Pi為i點的土壤重金屬污染指數(shù)；Ci為土壤重金屬含量的實測值，單位為mg/kg；Si為土壤重金屬污染評價標準值，單位為mg/kg.以《土壤無機污染物的環(huán)境質(zhì)量標準》二級標準[20]作為評價標準.

2.1.2 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法能夠全面、綜合地反映土壤的污染程度.

式(2)中:P綜為多種重金屬污染物的綜合污染指數(shù);n為參與評價的重全屬的種類總數(shù).根據(jù)Pi值大小可劃分為4個標準:無污染(≤1.0)、輕度污染(1.0～2.0)、中度污染(2.0～3.0)和重度污染(≥3.0)[21].

2.2 地統(tǒng)計分析

運用Arc GIS軟件中的地統(tǒng)計模塊，計算得出的土壤重金屬污染指數(shù)及土壤重金屬的含量進行反距離加權(quán)插值,得到研究區(qū)表層土壤重金屬污染指數(shù)及等級分布圖，插值掩膜為土地利用類型中的農(nóng)用地，再根據(jù)插值圖對研究區(qū)的土壤重金屬污染進行空間分析.反距離加權(quán)插值是一個加權(quán)平均插值法，可以進行確切的或者圓滑的方式插值[22].

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤重金屬含量的描述性統(tǒng)計

東陽江流域內(nèi)土樣的描述性統(tǒng)計情況如表1所示.As,Hg,Cr,Cu,Pb,Cd,Ni和Zn的平均值分別為6.83,0.10,39.15,18.22,34.28,0.19,11.63和69.28 mg/kg，所有重金屬的平均值都沒有超過國家二級標準.變異系數(shù)反映采樣總體中各樣點之間的平均變異情況，其中小于0.1為弱變異性;0.1～1.0為中等變異性;大于1.0為強變異性[23].8種重金屬的變異系數(shù)大小的順序：Cd>Ni>Cr>Hg>As>Pb>Cu>Zn.除了Cd外其余重金屬均屬于中等變異性.Cd的變異系數(shù)大于1為強變異性，說明Cd容易受到人為活動的影響，工廠建設(shè)、城市發(fā)展、交通道路都是其空間分布差異的原因.Zn的變異程度最低，空間分異較不明顯，受外界人為活動的干擾較其余土壤重金屬小.

表1 東陽江流域土壤重金屬描述性統(tǒng)計

3.2 高程與土壤重金屬分布規(guī)律

基于東陽江流域4 295個農(nóng)用地表層土壤重金屬采樣點的數(shù)據(jù)及東陽江流域的高程數(shù)據(jù)，利用Arc GIS軟件進行疊合相交分析，得到具有高程信息的采樣點數(shù)據(jù)，分析各高程等級中采樣點的分布情況及隨高程變化重金屬含量均值的變化情況.研究區(qū)內(nèi)表層土壤重金屬的采樣點主要集中在0～200 m的高程范圍.以100 m為間隔，將高程劃分為4個等級，分別為：0～100,100～200,200～300,300～400 m，土壤重金屬含量采用均值，分析結(jié)果如下：土壤重金屬含量一般情況下存在著富集效應(yīng)，即土壤中的重金屬一般會集中在海拔較低的地區(qū)，并且土壤重金屬含量會隨高程的升高而降低.在海拔100 m以下的人類活動頻繁地區(qū)，除金屬As,Pb,Ni,Zn之外其余各金屬的含量都是各個高程級別中最高的，海拔在100～200 m的各種金屬含量與前一個等級相比均有小幅度的下降，但As,Cd,Pb的含量在200～300 m等級中均有不同程度的升高.在300～400 m等級中，Hg和Ni有小幅度的升高，Cr含量大幅度的升高.Cu的含量呈現(xiàn)隨高程的增高而減少的趨勢，但是Zn卻呈現(xiàn)出相反的趨勢.幾種重金屬的含量在200～300,300～400 m處分別有不同幅度的升高.研究發(fā)現(xiàn)，在這2個高程等級中局部地區(qū)土壤重金屬含量出現(xiàn)了高值，主要分布在赤岸鎮(zhèn)和吳寧街道，還有少數(shù)分布在歌山、佛堂和上溪.出現(xiàn)這種特殊現(xiàn)象的原因可能是存在污染源或者是人類活動過于頻繁，例如赤岸鎮(zhèn)內(nèi)有垃圾焚燒廠；佛堂鎮(zhèn)剡溪村附近的吳溪水質(zhì)污染嚴重等.Zn呈現(xiàn)與Cu相反趨勢的原因可能是各級樣點數(shù)差距較為懸殊,海拔高的等級中樣點數(shù)過少，并且Zn在海拔較高處有高值出現(xiàn)及有污染源.所以,雖然筆者采用每個等級樣點重金屬含量的平均數(shù)，但也沒有將其差異性抹掉，使其呈現(xiàn)出相反的趨勢.具體如圖3所示.

3.3 土壤重金屬超標值分布規(guī)律

根據(jù)《土壤無機污染物的環(huán)境質(zhì)量標準》中的二級標準,即保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，維護人體健康的土壤限制值為標準，那么超出二級標準的即為超標值.由于所有樣點中64.24%的樣點pH值≤5.5,pH值為5.5<～6.5的占26.43%,pH值為6.5<～7.5的占6.75%,pH值>7.5的占2.59%，故本文重金屬等級分布圖以國家二級標準中pH值≤5.5的樣點為例.按等級分布分析研究區(qū)各種金屬在國家標準中各等級的分布情況，以及超標值集中出現(xiàn)的地區(qū).

圖3 表層土壤重金屬在不同海拔高程區(qū)分布 圖4 表層土壤重金屬超標分布

根據(jù)圖4分析可以得出以下幾點：1)所有的土壤重金屬主要都在一、二級范圍內(nèi)；2)土壤重金屬超標區(qū)域除研究區(qū)域西部地區(qū)較集中外，其余均呈零星分散的分布；3)東陽江鎮(zhèn)內(nèi)無超標點，超標區(qū)主要分布在赤岸鎮(zhèn)、佛堂鎮(zhèn)、稠江街道、義亭鎮(zhèn)、城西、北苑街道及稠城和江東街道交界處.4 295個農(nóng)業(yè)表層土壤樣品中，Ni,Cd,As,Cu,Cr,Zn,Hg和Pb分別有21,392,16,59,12,38,32和49個超過中國土壤質(zhì)量二級標準，超標率分別為0.49%,9.13%,0.37%,1.37%,0.28%,0.88%,0.75%和1.14%.研究區(qū)內(nèi)72.43%的Cd在國家標準的一級范圍內(nèi)，有392個超標值，主要分布在赤岸鎮(zhèn)、佛堂鎮(zhèn)、義亭鎮(zhèn)、城西及稠江街道等；72.22%的Cu在國家標準的一級范圍內(nèi)，超標值主要分布在赤岸鎮(zhèn)、佛堂鎮(zhèn)、歌山鎮(zhèn)及橫店鎮(zhèn)等；52.43%的Pb在國家標準的一級范圍內(nèi)，超標點主要分布在佛堂鎮(zhèn)和赤岸鎮(zhèn)等；69.85%的Zn在國家標準的一級范圍內(nèi)，超標點主要分布在佛堂鎮(zhèn)、畫水鎮(zhèn)和赤岸鎮(zhèn)；66.19%的Hg在國家標準的一級范圍內(nèi)，超標值主要分布在佛堂鎮(zhèn)、城西街道和吳寧街道；74.60%的Ni在國家標準的一級范圍內(nèi)，超標點主要分布在橫店鎮(zhèn)、歌山鎮(zhèn)及赤岸鎮(zhèn)；73.46%的As在國家標準的一級范圍內(nèi)，此外,超標值主要分布在赤岸鎮(zhèn)、佛堂鎮(zhèn)和白云街道，蘇溪鎮(zhèn)和吳寧街道也各有一個超標值；72.36%的Cr在國家標準的一級范圍內(nèi)，超標值主要分布在橫店鎮(zhèn)、赤岸鎮(zhèn)和江東街道.綜上所述,重金屬超標值主要分布在研究區(qū)西部的赤岸鎮(zhèn)、佛堂鎮(zhèn)、義亭鎮(zhèn)、稠江、城西和北苑街道；少數(shù)分布在蘇溪、稠城、江東、白云、吳寧、歌山、巍山一線及畫水、南市、橫店、湖溪一線，南馬和千祥鎮(zhèn).例如,赤岸鎮(zhèn)內(nèi)有垃圾焚燒廠，垃圾堆放成山及一些排污不達標的小工廠成為該地土壤重金屬污染的污染源；出現(xiàn)高值的區(qū)域內(nèi)還有多處瑩石礦、建筑石料和粘土礦，大量的揚塵造成嚴重的土壤重金屬污染，影響居民的日常生活；佛堂鎮(zhèn)剡溪村附近的吳溪水質(zhì)污染嚴重，用這些水灌溉農(nóng)田，造成土壤重金屬污染嚴重等等.具體如圖2所示.

3.4 東陽江流域土壤重金屬污染評價指數(shù)空間分布規(guī)律

根據(jù)《土壤無機污染物的環(huán)境質(zhì)量標準》，利用Arc GIS的地統(tǒng)計模塊插值得到研究區(qū)表層土壤重金屬污染指數(shù)空間分布圖，表層土壤重金屬污染指數(shù)評價標準參照Wei等[24]制定的四級標準：≤1為清潔；1<～2為輕度污染；2<～3為中度污染；>3為重度污染.由圖5可看出，8種重金屬均有不同程度的污染，但污染的區(qū)域相對較小，且存在一定的空間差異，整體上看，東陽江流域東南部重金屬的污染指數(shù)偏低，說明該區(qū)域基本無污染，西部和中部偏東重金屬的污染指數(shù)較高，說明該區(qū)域污染較為嚴重.

表2 東陽江流域土壤重金屬含量各等級占比情況 %

重金屬一級標準二級標準( 不同pH值)≤5.55.5<～6.56.5<～7.5>7.5超標As73.461.7224.1034.3818.750.37Cd72.437.296.8021.2114.009.13Cu72.221.8223.9622.9910.421.37Cr72.362.9324.1930.4418.410.28Hg66.198.0123.9147.5723.010.75Pb52.4319.1225.0350.6931.301.14Ni74.600.8424.0012.000.000.49Zn69.853.1224.7545.4727.560.88

圖5 表層土壤重金屬標準等級分布圖

所有重金屬中除了Cd外，大部分為輕、中度污染區(qū)，其他重金屬都是以清潔為主.分開來看，As和Cr,Pb和Cr,Cu和Hg的空間分布格局相似.Cu和Hg主要呈現(xiàn)點綴狀分布，主要的污染區(qū)分別位于赤岸鎮(zhèn)與佛堂鎮(zhèn)交界處、城東街道與歌山鎮(zhèn)交界處和佛堂鎮(zhèn)、吳寧街道.其余重金屬主要呈塊狀分布，研究區(qū)內(nèi)Cd的污染情況最為嚴重，重度污染區(qū)主要分布在吳寧街道和稠城街道的中南部，輕中度污染區(qū)主要在稠江街道、北苑街道和城西街道交界處及赤岸鎮(zhèn)、佛堂鎮(zhèn)；Pb以清潔為主，重度污染區(qū)主要在江東街道中部及吳寧街道西部，輕中度污染也主要在此范圍；Zn也以清潔為主，中度及重度污染區(qū)主要分布在吳寧街道西部；As的污染情況不嚴重，輕中度污染的范圍比較集中,且主要分布在赤岸鎮(zhèn)；Cr以輕度污染為主，污染的區(qū)域主要位于橫店鎮(zhèn)及歌山鎮(zhèn)和城東街道的交界處；Ni與Cr的污染區(qū)域分布較為相似.由綜合8種重金屬的單因子污染指數(shù)P綜的分布圖可知,東陽江流域重金屬污染區(qū)大概有4個區(qū)域：赤岸與佛堂鎮(zhèn)的交界處，吳寧街道，北苑、城西與稠江街道的交界處，稠城與江東街道的交界處.以上區(qū)域以輕度污染為主，重度污染點主要在城西與稠江街道的交界處.說明這幾個區(qū)域可能存在一些排放重金屬污染的工廠、企業(yè)，并且人類活動過于頻繁.

圖6 表層土壤重金屬污染指數(shù)反距離加權(quán)插值圖

4 結(jié) 論

1)從垂直分布規(guī)律來看，除了重金屬Cu之外,其他土壤重金屬并沒有隨著高度的增加而減少，反而在人類活動較為密集的地區(qū)出現(xiàn)了高值，這些高值主要分布在赤岸鎮(zhèn)，還有少數(shù)分布在馬宅鎮(zhèn)、佛堂鎮(zhèn)、歌山鎮(zhèn)和吳寧街道.

2)東陽江流域表層土壤重金屬的空間分布表明，研究區(qū)中西部地區(qū)土壤重金屬污染情況較為嚴重，主要集中在赤岸與佛堂鎮(zhèn)的交界處，吳寧街道，北苑、城西與稠江街道的交界處，稠城與江東街道的交界處.結(jié)合水平和垂直的分布特征可知,研究區(qū)土壤重金屬污染區(qū)主要分布在赤岸鎮(zhèn)、佛堂鎮(zhèn)、稠江街道及北苑街道、江東街道和稠城街道的交界處等.這些地區(qū)土壤重金屬污染較其他地區(qū)更為嚴重的原因可能是存在污染源,或者是人類活動頻繁.

3)研究區(qū)內(nèi)8種重金屬均有不同程度的污染，但是污染的區(qū)域相對較小，且存在一定的空間差異，整體上看，東陽江流域的東南部重金屬的污染指數(shù)偏低，說明該區(qū)域基本無污染，西部和中部偏東重金屬的污染指數(shù)較高，說明該區(qū)域污染較為嚴重.所有重金屬中除了Cd外,大部分為輕、中度污染區(qū)，Zn輕度污染區(qū)較多，其他重金屬都是以清潔為主.