耕地土壤重金屬污染時(shí)空變異對(duì)比——以黃淮海平原和長江中游及江淮地區(qū)為例

李宏薇,尚二萍,張紅旗,許爾琪*

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耕地土壤重金屬污染時(shí)空變異對(duì)比——以黃淮海平原和長江中游及江淮地區(qū)為例

李宏薇1,2,尚二萍1,2,張紅旗1,許爾琪1*

(1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101；2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

搜集已發(fā)表文獻(xiàn)中位于黃淮海平原、長江中游及江淮地區(qū)耕地土壤重金屬數(shù)據(jù),利用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)耕地表層土壤重金屬污染程度,分析農(nóng)區(qū)耕地、城郊耕地、工礦附近耕地和污灌區(qū)耕地重金屬污染現(xiàn)狀;并結(jié)合1980s土壤普查數(shù)據(jù),分析1980s~2000s期間研究區(qū)的時(shí)空變異特征.結(jié)果表明:(1)研究區(qū)耕地污染重金屬處于安全水平,黃淮海平原80%以上和長江中游及江淮地區(qū)60%以上的點(diǎn)位處于清潔范圍.(2)長江中游及江淮地區(qū)的重金屬污染比黃淮海平原嚴(yán)重.單因子評(píng)價(jià)結(jié)果表明長江中游及江淮地區(qū)耕地土壤重金屬污染點(diǎn)位超標(biāo)率為35.02%,是黃淮海平原(15.97%)的2倍;內(nèi)梅羅評(píng)價(jià)結(jié)果顯示兩區(qū)污染比例分別為20.29%和13.17%,前者的輕度和重度污染比例均大于后者,其重度污染比重約是后者的3倍.(3)研究區(qū)不同區(qū)位污染比重從大到小依次為工礦附近耕地、污灌區(qū)耕地、農(nóng)區(qū)耕地和城郊耕地.(4)1980s~2000s期間,重金屬污染呈增加趨勢(shì),黃淮海平原Cd、Zn、Hg、As和長江中游及江淮地區(qū)Cd、Ni、Zn、Cu、Hg、As超標(biāo)點(diǎn)位比例分別增加:12.78%、6.34%、1.98%、0.91%和14.02%、11.36%、7.28%、5.49%、1.93%、0.72%;污染加劇主要分布在天津、河北滄州、山東濟(jì)南和湖南岳陽等地.城鎮(zhèn)化、工業(yè)化以及農(nóng)業(yè)發(fā)展進(jìn)程中,黃淮海平原和長江中游及江淮地區(qū)耕地土壤正面臨著重金屬污染的威脅,需對(duì)嚴(yán)重污染區(qū)域采取有效措施,防治重金屬污染.

黃淮海平原；長江中游及江淮地區(qū)；耕地；重金屬污染；時(shí)空變化

土壤重金屬污染是目前面積大、危害嚴(yán)重而且亟待解決的環(huán)境問題之一,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此展開了大量研究[1-4].據(jù)2014年環(huán)境保護(hù)部和國土資源部發(fā)布《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示,目前全國近1/5耕地主要受到重金屬污染.耕地土壤中的重金屬通過食物鏈在人體內(nèi)過量積累,威脅到人類健康[5].人類活動(dòng)是耕地土壤重金屬污染的主要來源[6-7].研究發(fā)現(xiàn)礦物開采[8]、交通[9]、污水灌溉[10]、工業(yè)排放[11]、農(nóng)用化學(xué)品及有機(jī)肥[12-13]的使用均能夠造成耕地土壤中重金屬的積累;另外,土地利用方式[14]、耕作方式[15]和耕作年限[16]等的差異對(duì)土壤重金屬含量和分布具有重大影響.因此,隨著城市化、工業(yè)化和農(nóng)業(yè)集約化的發(fā)展,不同重金屬元素的空間分布特征和重金屬元素在時(shí)間動(dòng)態(tài)變化過程中的污染程度具有一定的差異.近些年,很多學(xué)者研究了我國大尺度農(nóng)田重金屬污染狀況,多集中在靜態(tài)分布和污染狀況上,不能全面及時(shí)地了解重金屬元素動(dòng)態(tài)變化特征[17-18].如利用文獻(xiàn)數(shù)據(jù)探討我國農(nóng)田土壤重金屬空間富集特征,表明西南地區(qū)含量較高,Pb和Cd的含量明顯高于背景值[19].

因此,本文以黃淮海平原和長江中游及江淮地區(qū)耕地表層土壤為研究對(duì)象,利用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對(duì)兩大糧食產(chǎn)區(qū)耕地表層土壤重金屬污染程度進(jìn)行現(xiàn)狀評(píng)價(jià),并分析在1980s~2000s期間兩大糧食產(chǎn)區(qū)的時(shí)空變異特征,以期為兩大糧食產(chǎn)區(qū)的耕地保護(hù)和重金屬污染防治提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 黃淮海平原和長江中游及江淮地區(qū)空間分布

參照《中國綜合農(nóng)業(yè)區(qū)劃》的黃淮海平原和長江中游及江淮地區(qū)的范圍作為研究區(qū)域(圖1).黃淮海平原位于約113°E至東海岸線,32°00′N~40°30′N之間,在行政區(qū)上包括山東省的全部,北京市、天津市、河北省、江蘇省、安徽省、河南省等6個(gè)省市的部分縣市[20](表1).在中國綜合農(nóng)業(yè)區(qū)劃中,黃淮海平原屬于一級(jí)農(nóng)業(yè)區(qū)[21],主要種植小麥、玉米.長江中游及江淮地區(qū)位于110°E~123°E、28°N~34°N,在行政區(qū)上包括江蘇省、湖南省、湖北省、江西省和安徽省的部分縣市(見表1).主要種植稻米、小麥、棉花和油菜等,是我國糧、油及水產(chǎn)養(yǎng)殖的重要生產(chǎn)基地.兩大糧食產(chǎn)區(qū)農(nóng)作物種植面積占全國的40%以上,是我國糧食的重要來源.

表1 研究區(qū)涵蓋地區(qū)

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 數(shù)據(jù)獲取 本研究1980s的土壤重金屬數(shù)據(jù)參考《中華人民共和國土壤環(huán)境背景值圖集》,該圖集在黃淮海平原和長江中游及江淮地區(qū)共有443個(gè)土壤A層的樣點(diǎn)數(shù)據(jù),其中北京市、天津市、河北省、山東省、江蘇省、安徽省、河南省、湖南省、湖北省、江西省等10個(gè)省市的樣點(diǎn)數(shù)分別為:9、15、78、113、58、46、48、23、36、17,包含重金屬元素Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Hg的含量,圖集經(jīng)矢量化以及配準(zhǔn)后用于對(duì)比分析.2000s所用的數(shù)據(jù)均來自“中國學(xué)術(shù)期刊全文數(shù)據(jù)庫”和“Web of Science”中2000~2016年耕地表層土壤重金屬污染的文獻(xiàn),搜索關(guān)鍵詞為“重金屬”、“耕地”、“土壤”、“heavy metal”、“heavy metal pollution”、“soil”、“agricultural soils”和“farmland”等,年限限定為2000~2016年,排除水、大氣、沉積物、植物等重金屬研究,分別得到黃淮海平原和長江中游及江淮地區(qū)645和414個(gè)點(diǎn)位數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較.

1.2.2 樣品處理方法 為保證數(shù)據(jù)的可比性,在篩選文獻(xiàn)數(shù)據(jù)時(shí)從樣品的采樣方法和化驗(yàn)分析方法兩個(gè)方面進(jìn)行限定.

①采樣方法:文獻(xiàn)中樣品均取自耕地的表層土壤(0~20cm),土樣混合后利用四分法處理,樣品的混合、裝袋等處理都避免與金屬器皿的直接接觸,采用塑料、瑪瑙或者木料材質(zhì)工具.

②化驗(yàn)分析方法:土壤樣品的重金屬元素Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Hg的分析測(cè)定按照國家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,使用優(yōu)級(jí)純?cè)噭?并加入國家標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品(GSS-1)進(jìn)行分析質(zhì)量控制[22-24].

1.3 研究方法

1.3.1 重金屬污染評(píng)價(jià)方法 單因子污染指數(shù)法是測(cè)算評(píng)價(jià)土壤中單個(gè)污染元素的污染指數(shù),以《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-1995)[25]的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作為土壤污染評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)(S).其公式為[26]:

式中:P為土壤中污染物的環(huán)境質(zhì)量指數(shù);C為污染物的實(shí)測(cè)濃度,mg/kg;S為污染物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).指數(shù)越大表明土壤重金屬累積程度越高(見表2).

內(nèi)梅羅污染指數(shù)法主要用于評(píng)價(jià)土壤綜合污染程度,其計(jì)算公式為[26]:

式中綜為土壤綜合污染指數(shù);P為土壤中各污染物的指數(shù)平均值;max(P)為土壤中單項(xiàng)污染物的最大污染指數(shù);分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表2.

表2 土壤重金屬污染程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

由于不同pH值條件下土壤重金屬的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)具有一定的差異,本文中在計(jì)算和分析時(shí)所使用的《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-1995)[25]二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)因土壤pH值不同而有所差異(見表3).

1.3.2 反距離加權(quán)插值 本文利用插值方法得到8種重金屬空間分布圖,并分析1980s~2000s期間土壤重金屬污染變異特征.在研究多種重金屬空間分布并比較污染水平時(shí),反距離加權(quán)插值法比Kriging插值方法更適用[27].因此,本文選用反距離加權(quán)插值法進(jìn)行分析.

反距離加權(quán)插值(IDW),是以插值點(diǎn)與樣本點(diǎn)間的距離為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均的方法,離插值點(diǎn)越近的樣本點(diǎn)賦予的權(quán)重越大.計(jì)算公式為[28-29]:

式中:(x)為x處待插點(diǎn)的估算值;(x)為x處的實(shí)際觀測(cè)值;d為x~x的距離;為參與計(jì)算的實(shí)測(cè)樣本個(gè)數(shù);為距離的冪,一般取值為2.

表3 耕地表層土壤重金屬描述性統(tǒng)計(jì)

本研究以單個(gè)數(shù)據(jù)為點(diǎn)位進(jìn)行IDW插值,設(shè)定的冪值為2,其中研究區(qū)耕地土壤重金屬數(shù)據(jù)不存在位置重疊情況.用于插值的重金屬元素Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Hg樣點(diǎn)數(shù)分別為714、240、813、612、516、899、961、445.

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)特征

長江中游及江淮地區(qū)各元素均值均未超過《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[25]二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),黃淮海平原除Cd超過外,其余均在二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),說明兩大糧食產(chǎn)區(qū)耕地土壤重金屬安全水平較高.黃淮海平原耕地表層土壤重金屬元素Hg、Ni、Zn和Cr含量平均值均大于長江中游及江淮地區(qū),分別超過后者均值的105.31%、8.44%、3.47%和1.44%,Cd和Cu變異系數(shù)較大,用算術(shù)平均值比較意義不大,因此采用中位數(shù)進(jìn)行比較:黃淮海平原耕地表層土壤Cd的中位數(shù)含量超出長江中游及江淮地區(qū)的42.86%,而Cu低于后者中位數(shù)的12.18%.從峰度和偏度系數(shù)來看[30],黃淮海平原重金屬元素含量均呈正偏且高于正態(tài)分布,集中分布在小于中位數(shù)一側(cè);長江中游及江淮地區(qū)只有Ni呈負(fù)偏且低于正態(tài)分布,但是峰度和偏度系數(shù)較小,只有-0.34和-0.03,集中分布在大于中位數(shù)一側(cè).不同重金屬變異程度不同,黃淮海平原變異程度較大的是Cd(2.23)、Ni(2.80)、Hg(1.95)和Zn(1.46),長江中游及江淮地區(qū)的是Cu(3.00)、Zn(1.92)、Cd(1.42)和Hg(0.99),說明這些元素空間分異較大,可能受到人類活動(dòng)影響.從背景值來看,兩大糧食產(chǎn)區(qū)各元素均有一定比重的點(diǎn)位超過背景值,說明已經(jīng)受到人類活動(dòng)的影響.其中,Cr、As超背景值的樣點(diǎn)比例較小,在20%~30%之間;另外,黃淮海平原Cd超背景值樣點(diǎn)的比例最大,為83.70%,長江中游及江淮地區(qū)Cu超背景值樣點(diǎn)的比例最大,為73.30%.

對(duì)黃淮海平原和長江中游及江淮地區(qū)的8種重金屬元素進(jìn)行數(shù)據(jù)探索分析,發(fā)現(xiàn)黃淮海平原元素Cd、Ni、Zn、Hg經(jīng)對(duì)數(shù)處理后正態(tài)分布,元素Pb、As、Cu、Cr經(jīng)開方處理后正態(tài)分布;長江中游及江淮地區(qū)Cd、Cu、Hg經(jīng)對(duì)數(shù)處理后正態(tài)分布,Pb、As、Ni、Cr經(jīng)開方處理后正態(tài)分布,Zn經(jīng)正弦變換處理后正態(tài)分布.

2.2 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

2.2.1 單因子指數(shù)評(píng)價(jià) 總體上,兩大糧食產(chǎn)區(qū)耕地污染重金屬處于安全水平,黃淮海平原80%以上的點(diǎn)位處于清潔范圍,長江中游及江淮地區(qū)60%以上的點(diǎn)位處于清潔范圍,有部分區(qū)域存在超標(biāo)現(xiàn)象.黃淮海平原耕地表層土壤重金屬污染點(diǎn)位超標(biāo)率(點(diǎn)位超標(biāo)率是指采用單因子評(píng)價(jià)法,土壤重金屬超標(biāo)點(diǎn)位的數(shù)量占調(diào)查點(diǎn)位總數(shù)量的比例)為15.97%,長江中游及江淮地區(qū)為35.02%,約是前者的2倍.污染土壤中,黃淮海平原以輕度和重度污染為主,點(diǎn)位比例分別為7.91%和5.27%;長江中游及江淮地區(qū)輕度污染點(diǎn)位比例為23.67%,是主要的污染等級(jí),且重度污染比例也達(dá)到8.70%,仍高于黃淮海平原.這說明長江中游及江淮地區(qū)的重金屬污染情況要比黃淮海平原嚴(yán)重,與2014年全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)的結(jié)果南方土壤污染重于北方相一致.

從圖2可以看出,Pb和Cr在兩大糧食產(chǎn)區(qū)是100%在清潔及尚清潔范圍.Cd和Zn均存在重度污染點(diǎn)位,Cd在黃淮海平原和長江中游及江淮地區(qū)的點(diǎn)位超標(biāo)率分別為14.29%和24.08%,均以輕度和重度污染為主;Zn在黃淮海平原和長江中游及江淮地區(qū)點(diǎn)位超標(biāo)率分別為3.11%和8.14%,以輕度污染為主;Cd和Zn污染集中分布在天津、濟(jì)南、徐州、揚(yáng)州、岳陽和南昌等市.Cu在黃淮海平原100%屬于清潔范圍,在長江中游及江淮地區(qū)有12.57%的點(diǎn)位超標(biāo)率,以輕度污染為主,重度污染比例為2.09%,集中分布在岳陽、南昌和滁州.Ni在長江中游及江淮地區(qū)有高達(dá)31.08%的尚清潔和36.49%的輕度污染等級(jí),分布在揚(yáng)州市、淮安市和六安市,汽車尾氣[31]、煤燃燒排放廢氣和粉煤灰[32]中都會(huì)將Ni帶入土壤中,這些城市交通發(fā)達(dá),礦區(qū)和煤炭開發(fā)具有一定的歷史,而且地質(zhì)背景是基性偏超基性火山巖[33],因此Ni含量偏高是成土母質(zhì)和人類活動(dòng)共同影響的結(jié)果.

2.2.2 內(nèi)梅羅綜合評(píng)價(jià)及區(qū)位差異 從內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果來看,研究區(qū)在清潔及尚清潔范圍內(nèi)比例較大,長江中游及江淮地區(qū)和黃淮海平原的污染比例分別為20.29%和13.17%,但仍存在重度污染,前者重度污染比重約是后者的3倍;兩大糧食產(chǎn)區(qū)重金屬污染均以輕度污染為主.

兩大糧食產(chǎn)區(qū)不同區(qū)位耕地污染比重(污染比重是指采用內(nèi)梅羅評(píng)價(jià)法，輕度污染、中度污染和重度污染點(diǎn)位的總數(shù)量占調(diào)查點(diǎn)位總數(shù)量的比例)由高到低依次為工礦附近耕地、污灌區(qū)耕地、農(nóng)區(qū)耕地和城郊耕地,樣本數(shù)分別為64、99、702、194.黃淮海平原污染比重分別為70.27%、27.17%、9.77%和6.67%,長江中游及江淮地區(qū)為70.37%、57.14%、35.51%和17.31%,后者污染比重均大于前者,也表明了長江中游及江淮地區(qū)重金屬污染比黃淮海平原嚴(yán)重.

兩大糧食產(chǎn)區(qū)的工礦附近耕地污染比重相近,但其污染程度遠(yuǎn)輕于后者;黃淮海平原工礦附近耕地以輕度污染為主,比重為40.54%,長江中游及江淮地區(qū)以重度污染(40.74%)為主,比重約是黃淮海平原的4倍.主要原因有兩方面:一是湖南、江西等具有豐富的金屬類礦產(chǎn)資源,在礦山開采、冶煉和運(yùn)送過程中,富含重金屬的廢渣、廢氣和廢水會(huì)對(duì)附近耕地產(chǎn)生重大影響[34-35],導(dǎo)致重金屬在耕地土壤中富集;同時(shí),礦區(qū)開采還會(huì)造成大量礦業(yè)廢棄地,廢棄地中大量重金屬化合物在外界作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放出重金屬[36],造成周圍土壤污染.二是改革開放以來江蘇省等沿海城市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,電子制造業(yè)、化工行業(yè)和紡織業(yè)等重金屬污染型企業(yè)分布密集[37],工廠“三廢”不合理排放造成重金屬在土壤中的積累并逐漸周圍擴(kuò)散,其中Cd、Pb和Hg富集嚴(yán)重[38].

圖4 基于內(nèi)梅羅指數(shù)的土壤重金屬污染評(píng)價(jià)結(jié)果

表4 基于內(nèi)梅羅指數(shù)的土壤重金屬污染評(píng)價(jià)結(jié)果(%)

2.3 土壤重金屬時(shí)空變化特征

1980s~2000s期間,黃淮海平原與長江中游及江淮地區(qū)耕地土壤重金屬含量變化趨勢(shì)有一定的相似性,都表現(xiàn)為增加,且Pb和Cr增加后的含量均在二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi),但是增加的幅度和范圍有所差異.研究區(qū)域耕地土壤中Pb和Cr均在清潔及尚清潔等級(jí)范圍內(nèi),黃淮海平原Cd、Hg、Zn和As超標(biāo)點(diǎn)位比例分別增加12.78%、6.34%、1.98%、0.91%,而Cu和Ni減少了1.56%和8.28%;長江中游及江淮地區(qū)Cd、Ni、Zn、Cu、Hg和As分別增加14.02%、11.36%、7.28%、5.49%、1.93%和0.72%.

黃淮海平原Cd增加主要為輕度和重度污染等級(jí),分別增加5.22%和5.14%,集中在天津市,河北滄州、衡水、保定、石家莊,山東北部的濱州、東營、淄博、濟(jì)南,河南東部的商丘、周口,安徽省北部的毫州、阜陽,江蘇省中部的淮安等地.Hg和Zn增加多為輕度污染等級(jí),比例分別為5.14%和2.54%,Hg增加集中分布在天津、山東濟(jì)南、河北東部的滄州等地,Zn增加分布在天津、河北東部的滄州和保定、河南北部新鄉(xiāng)等地.Cd、Hg和Zn來源于電子制造、塑料等工廠排放廢水,礦物開采也可將Cd和Zn帶入土壤[8,39];同時(shí),污水灌溉也是其主要污染源,我國90%的污水灌溉面積分布在水資源短缺的北方[40],而且灌溉歷史長,Ortega-larrocea等研究發(fā)現(xiàn)土壤中重金屬的富集程度與污灌時(shí)間密切相關(guān)[10].因此,污水灌溉以及工業(yè)發(fā)展向黃淮海平原耕地表層土壤輸入Zn、Hg和Cd,導(dǎo)致部分區(qū)域重金屬污染加劇.

圖6 1980s~2000s期間重金屬含量對(duì)比及其空間分布

長江中游及江淮地區(qū)Cd、Ni、Zn、Cu、Hg和As點(diǎn)位超標(biāo)率的增加均以輕度污染為主,分別增加8.50%、11.36%、4.86%、3.89%、1.43%和0.72%,同時(shí),Cd、Cu和Zn的重度污染等級(jí)比例分別增加了3.99%、1.60%和1.39%,Cd增加集中分布在安徽六安和滁州、湖南益陽和岳陽、湖北荊州,Cu增加主要分布在江蘇南通、安徽安慶和九江、湖南岳陽,Zn增加則主要分布在湖南岳陽、江蘇揚(yáng)州、安徽安慶.這些區(qū)域重金屬污染加劇,除了礦產(chǎn)開采和工業(yè)開發(fā)外,還與長期的農(nóng)業(yè)活動(dòng)有關(guān).農(nóng)業(yè)大量使用農(nóng)藥化肥,農(nóng)藥中含有Cd、Cu和As,塑料薄膜和大棚中有Cd和Hg,化肥中有As、Ni和Cd[12],污染了耕地土壤;畜禽飼料中的Zn、Cu和As等利用率低而隨糞便作為有機(jī)肥施用到農(nóng)田中[30-31];污水灌溉和污泥施肥也將Cd、Ni、Zn、Cu、Hg和As等帶入農(nóng)田.

綜上所述,黃淮海平原污染較為嚴(yán)重的區(qū)域是天津、河北滄州和山東濟(jì)南,均有Cd、Hg和Zn的超標(biāo)點(diǎn)位分布,長江中游及江淮地區(qū)Cd、Cu和Zn超標(biāo)點(diǎn)位均有分布的是湖南岳陽.

3 討論

土壤重金屬污染在空間上分布復(fù)雜,在時(shí)間上具有顯著的積累效應(yīng),同時(shí)由于成土母質(zhì)以及人類活動(dòng)的影響,局部特征差異明顯.因此,有必要探討土壤重金屬時(shí)空變異特征以及人類活動(dòng)對(duì)其的影響,為重金屬污染防治提供借鑒.目前,我國學(xué)者對(duì)土壤重金屬時(shí)空變異研究的方法主要采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,例如克里格插值[41]和反距離加權(quán)插值[42].還有學(xué)者將一些傳統(tǒng)模型用于研究土壤中重金屬空間變異,張紅等[43]利用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)了太原土壤中重金屬Cr、Cd、Hg的空間變異,發(fā)現(xiàn)該模型在樣本數(shù)有限的情況下比普通克里格精度更高;曾菁菁等[44]發(fā)現(xiàn)改進(jìn)的LUR模型更適用于污染較低、變異較小的重金屬空間分布預(yù)測(cè).因此,對(duì)于大樣本且變異度較高的重金屬時(shí)空變異研究,采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法更為穩(wěn)妥.

在對(duì)土壤重金屬時(shí)空變異特征原因分析上,學(xué)者將重點(diǎn)放在了污染源分析[45-46].在諸多研究中,研究者利用主成分分析方法探討土壤重金屬污染來源,主要有工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通和礦業(yè)[47].本研究通過主成分分析得到黃淮海平原的可以累積反映61.65%信息的兩個(gè)主成分,第一主成分包括Cd、As、Ni、Cr、部分Cu和部分Zn,主要來源于污水灌溉,其中電鍍、塑料、電池、電子工業(yè)等廢水中含有Cd、Ni、Cr、Cu和Zn,畜禽養(yǎng)殖廢水、污泥施用會(huì)造成As的富集;第二主成分包括Pb、Hg、部分Cu和部分Zn,主要來源于農(nóng)業(yè)活動(dòng)中畜禽糞肥、化肥農(nóng)藥、殺菌劑以及地膜的使用.長江中游及江淮地區(qū)的4個(gè)主成分可以累計(jì)反應(yīng)91.92%的信息,第一主成分反映Pb、As和部分Ni的富集,可能來源于農(nóng)業(yè)活動(dòng);第二主成分反映Cu、Cr和部分Ni的富集,可能來源于污水灌溉;第三主成分反映Hg和Cd的富集,可能來源于燃煤、工業(yè)排放等工業(yè)活動(dòng);第四主成分反映Zn的富集,可能來源于礦區(qū)采礦.

4 結(jié)論

4.1 整體上來看,兩大糧食產(chǎn)區(qū)的重金屬含量較低,基本處于安全水平.黃淮海平原和長江中游及江淮地區(qū)處于清潔范圍點(diǎn)位比重分別達(dá)到80%和60%以上;長江中游及江淮地區(qū)各元素均值均未超過《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),黃淮海平原除Cd超過外,其余均在《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi).

4.2 長江中游及江淮地區(qū)的重金屬污染比黃淮海平原嚴(yán)重.從單因子指數(shù)評(píng)價(jià)看,長江中游及江淮地區(qū)耕地土壤重金屬污染點(diǎn)位超標(biāo)率為35.02%,是黃淮海平原(15.97%)的2倍.從內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果來看,前者的輕度和重度污染比例均大于后者,重度污染約是后者的3倍.長江中游及江淮地區(qū)工礦附近耕地、污灌區(qū)耕地、農(nóng)區(qū)耕地和城郊耕地的污染比重70.37%、57.14%、35.51%、17.31%均比黃淮海平原的70.27%、27.17%、9.77%、6.67%大.污染較重的Cd和Zn集中分布在天津、濟(jì)南、徐州、揚(yáng)州、岳陽和南昌等市,Cu集中分布在岳陽、南昌和滁州.

4.3 1980s~2000s期間,兩大糧食產(chǎn)區(qū)耕地土壤中Pb和Cr均在清潔及尚清潔范圍內(nèi),黃淮海平原除Cu和Ni外,其余重金屬超標(biāo)點(diǎn)位比例均增加,Cd、Hg、Zn和As超標(biāo)點(diǎn)位比例分別增加12.78%、6.34%、1.98%、0.91%;長江中游及江淮地區(qū)Cd、Ni、Zn、Cu、Hg和As分別增加14.02%、11.36%、7.28%、5.49%、1.93%和0.72%.黃淮海平原Cd的增加以輕度污染和重度污染為主,Hg和Zn以輕度污染為主,主要由于長期污灌和工業(yè)化發(fā)展;長江中游及江淮地區(qū)耕地土壤重金屬增加大多數(shù)為輕度污染等級(jí),源于礦產(chǎn)開采、工業(yè)開發(fā)以及農(nóng)業(yè)活動(dòng)等的污染.

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Comparative research on spatio-temporal variability of heavy metal pollution in cultivated soils—A case study of Huang- Huai-Hai Plain and middle reaches of the Yangtze River and Jianghuai Region.

LI Hong-wei1,2, SHANG Er-ping1,2, ZHANG Hong-qi1, XU Er-qi1*

(1.Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China；2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)., 2018,38(9)：3464~3473

Taking the Huang-Huai-Hai Plain (HHHP) and middle reaches of the Yangtze River and Jianghuai Region (MYJR) as the study area, the data of heavy metals in the cultivated soil were collected from published literatures. The single factor index method and Nemerow synthesis index method were used to evaluate the pollution degree of heavy metals. Combined with the soil survey data in the 1980s, the spatial and temporal variation characteristics during the period of the 1980s and 2000s was analyzed. Results showed that: (1) The heavy metals in cultivated soils in the study area were at a safe level, and more than 80% of the HHHP and more than 60% of the MYJR were at the clean level. (2) Heavy metal pollution in the MYJR was more serious than that of the HHHP. The single factor index evaluation results showed that the exceedance percentages of soil heavy metals pollution was 35.02% in MYJR, which is twice that of 15.97% in the HHHP. The Nemerow synthesis index method found that there were 20.29% and 13.17% in the pollution levels, where the proportion of light and serious pollution in the MYJR was larger than that in the HHHP and the proportion of serious pollution in the MYJR was three times that in the HHHP. (3) The order of proportions of pollution at the different location was as follows: the farmland soils near the industrial and mining area, the farmland soils in the sewage irrigation area, the farmland soils in the main agricultural production area, and the suburban farmland soils. (4) The heavy metal pollution proportion increased during the 1980s and 2000s. The increased exceedance percentages of Cd, Zn, Hg, and As in the HHHP were 6.34%, 1.98%, 12.78%, and 0.91%, respectively. And those of Cd, Ni, Zn, Cu, Hg, and As in the MYJR were 14.02%, 11.36%, 7.28%, 5.49%, 1.93%, and 0.72%, respectively. Area of worsening pollution were mainly located in Tianjin, Cangzhou in Hebei, Ji'nan in Shandong and Yueyang in Hunan. In the process of urbanization, industrialization and agricultural development, the cultivated soils are threatened by the heavy metal pollution in the study area, which calls for the effective measures to prevent and remedy heavy metals pollution.

Huang-Huai-Hai Plain；the middle reaches of the Yangtze River and the Jianghuai region；farmland；heavy metal pollution；spatial-temporal variability

X53

A

1000-6923(2018)09-3464-10

李宏薇(1994-),女,河北張家口人,中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所博士研究生,主要研究方向?yàn)橥恋乩眉捌渖鷳B(tài)效應(yīng).發(fā)表論文1篇.

2018-03-11

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41601095);國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2015CB452702)

* 責(zé)任作者, 副研究員, xueq@igsnrr.ac.cn