基于最適空間插值的崇州市典型農(nóng)田土壤重金屬污染特征分析與評(píng)價(jià)

袁 宏，趙 利，薛 勇

(四川省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，四川 成都 610061)

0 引 言

崇州市位于四川省岷江中上游川西平原西部，東鄰溫江、雙流，西與大邑相接，南同新津毗連，北與都江堰市相依，西北部與汶川縣接壤，東距成都25 km。崇州市享有“天府糧倉(cāng)”的美譽(yù)，在成都平原是一個(gè)重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地[1]。自2013年以來(lái)，崇州市積極推進(jìn)建設(shè)10萬(wàn)畝糧食高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)高效綜合示范基地，目前已建成10萬(wàn)畝高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田、58公里稻鄉(xiāng)旅游環(huán)線(xiàn)，連續(xù)承辦五屆“四川自駕賞花節(jié)”，舉辦油菜花節(jié)活動(dòng)，取得了好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及生態(tài)效益。但是，近年來(lái)的研究表明，崇州市土壤環(huán)境和農(nóng)作物品質(zhì)均有不同程度的污染[2-4]。

土壤是人類(lèi)賴(lài)以生存的主要自然資源之一，土壤重金屬問(wèn)題現(xiàn)已受到廣泛關(guān)注[5-7]。2011年以來(lái)，我國(guó)對(duì)土壤污染加大了修復(fù)治理的投入，并逐步完善和修訂了相關(guān)法律、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程。《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-1995)[8]于1995年發(fā)布至今，已不滿(mǎn)足形勢(shì)發(fā)展需要。2018年，我國(guó)新頒布了《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB15618-2018)[9]，它規(guī)定了風(fēng)險(xiǎn)篩選值和風(fēng)險(xiǎn)管制值兩套值，改變了以往的判定標(biāo)準(zhǔn)，與土壤環(huán)境內(nèi)在規(guī)律吻合，對(duì)農(nóng)用地安全利用更具有科學(xué)指導(dǎo)意義。本研究以崇州市典型農(nóng)田區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，通過(guò)采樣分析，結(jié)合地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法和最新標(biāo)準(zhǔn)，分析了研究區(qū)土壤重金屬污染特征，對(duì)土壤環(huán)境進(jìn)行了評(píng)價(jià)，以期為該區(qū)域土壤安全利用提供支撐，對(duì)當(dāng)?shù)馗咂焚|(zhì)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)包括榿泉鎮(zhèn)和龍興鎮(zhèn)(103°36′30″～103°40′52″E，30°30′33″～30°36′02″N)，地處崇州市南部，面積約為37.3 hm2。研究區(qū)位于崇州市10萬(wàn)畝糧食高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)高效綜合示范基地核心區(qū)域，區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，主要為水旱輪作的高品質(zhì)農(nóng)田，具體范圍如圖1所示。研究區(qū)屬四川盆地，亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年平均氣溫15.9 ℃，成土母質(zhì)主要有紫色沉積物、紫灰沉積物、再積黃壤和岷江灰色沉積物[1]。

1.2 土壤樣品采集與分析

根據(jù)《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166-2004)[10]和《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)估技術(shù)要求(試行)》(DD2008-06)[11]等標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，結(jié)合研究區(qū)平原的地形特點(diǎn)，采用網(wǎng)格布點(diǎn)法對(duì)土壤采樣點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)，網(wǎng)格大小為700 m×700 m。同時(shí)，對(duì)照研究區(qū)遙感影像圖，剔除位于居民建筑的采樣點(diǎn)，共設(shè)置50個(gè)土壤采樣點(diǎn)位，如圖1所示。每個(gè)采樣點(diǎn)以取樣點(diǎn)為中心按5點(diǎn)混合四分法取樣，重量約1 kg。樣品采樣時(shí)間為2018年12月。

土樣由西南冶金地質(zhì)測(cè)試所進(jìn)行分析檢測(cè)，檢測(cè)依據(jù)為L(zhǎng)Y/T 1239-1999、DZG20-06-2004、DZG20-05-1990，運(yùn)用玻璃電極法、質(zhì)譜法、X熒光法、原子熒光法及等離子發(fā)射光譜法測(cè)定土壤樣品重金屬含量。

1.3 分析方法

采用Excel對(duì)研究區(qū)土壤重金屬進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用SPSS 20.0進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，利用GS+7.0進(jìn)行變異函數(shù)擬合，結(jié)合Surfer 14.0按照擬合模型進(jìn)行空間插值制得As、Cd含量空間分布圖，運(yùn)用加權(quán)內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)以《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB15618-2018)[9]中農(nóng)用地的風(fēng)險(xiǎn)篩選值分析研究區(qū)農(nóng)田土壤質(zhì)量狀況。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤樣品檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

從表1可知，研究區(qū)土壤As介于6.74～23.0 mg·kg-1，平均值為11.7 mg·kg-1；Cd介于0.19～0.96 mg·kg-1，平均值為0.42 mg·kg-1；Cr介于59.3～105 mg·kg-1，平均值為93.5 mg·kg-1；Cu介于21.6～62.6 mg·kg-1，平均值為38.5 mg·kg-1；Hg介于0.06～0.26 mg·kg-1，平均值為0.17 mg·kg-1；Ni介于21.5～39.8 mg·kg-1，平均值為34.0 mg·kg-1；Pb介于20.1～63.5 mg·kg-1，平均值為41.9 mg·kg-1；Zn介于56.9～199 mg·kg-1，平均值為105 mg·kg-1。研究區(qū)農(nóng)田土壤As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb及Zn平均值均超過(guò)了四川土壤背景值(1990年)[12]，平均值分別為背景值的1.13倍、5.32倍、1.18倍、1.24倍、2.79倍、1.04倍、1.35倍、1.21倍。

表1 樣品數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Data statistics of samples

注：土壤環(huán)境背景值參考《中國(guó)土壤元素背景值》(四川部分)[12]。

Note: The background value of soil environment refers to the background value of soil elements in China (Sichuan part)[12].

變異系數(shù)是統(tǒng)計(jì)數(shù)波動(dòng)特征的參數(shù)，相同背景條件下其大小可以反映土壤中元素含量分布的均勻性程度，間接反映土壤中元素的污染特性[13]。從變異系數(shù)看，研究區(qū)土壤重金屬按變異系數(shù)大小排序?yàn)椋篫n(5.47)>Pb(1.36)>Cu(1.28)>As(0.93)>Cr(0.68)>Ni(0.37)>pH(0.09)>Cd(0.05)>Hg(0.01)?？梢?jiàn)，Zn的變異性最大為5.47，與Pb、Cu均表現(xiàn)為強(qiáng)變異性，說(shuō)明Zn、Pb、Cu在研究區(qū)分布較不均勻，受人為活動(dòng)影響較大。As、Cr和Ni為中等變異性，pH、Cd和Hg為弱變異性，Hg的變異性最小。

對(duì)照《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB15618-2018)[9]中農(nóng)用地的風(fēng)險(xiǎn)篩選值，研究區(qū)土壤重金屬污染狀況如圖2所示。

可見(jiàn)，研究區(qū)土壤存在As、Cd兩種重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，其中以Cd污染風(fēng)險(xiǎn)最大。As含量最大為23.0 mg·kg-1，為風(fēng)險(xiǎn)篩選值的1.15倍，超過(guò)污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值的樣品數(shù)占比4.0%。Cd含量最大達(dá)0.96 mg·kg-1，為風(fēng)險(xiǎn)篩選值的3.19倍，超過(guò)污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值的樣品數(shù)達(dá)到了樣品總量的42.0%。另外，參照《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB15618-2018)[9]中農(nóng)用地的風(fēng)險(xiǎn)管制值，研究區(qū)土壤As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn均未超過(guò)風(fēng)險(xiǎn)管制值。可見(jiàn)，研究區(qū)土壤存在重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，采取安全利用措施。

2.2 相關(guān)性分析

從表2可知，研究區(qū)土壤As與Cr、Cu、Ni之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；Cd與Cu、Hg、Pb及Zn之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；Cr與Cu、Hg、Ni、Pb及Zn之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；Cu與Hg、Ni、Pb及Zn之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；Hg與Pb、Zn之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；Ni與Pb及Zn之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；Pb與Zn之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。

表2 重金屬含量相關(guān)性分析Table 2 Correlations matrix for the heavy metals in soils

注：*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

Note: * means significant difference at 0.05 level (bilateral); ** means significant difference at 0.01 level (bilateral).

2.3 地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)，也稱(chēng)地統(tǒng)計(jì)學(xué)，是一門(mén)研究具有隨機(jī)性、結(jié)構(gòu)性、空間相關(guān)性和依賴(lài)性的自然現(xiàn)象的一門(mén)科學(xué)[14-17]。變異函數(shù)是描述隨機(jī)場(chǎng)和隨機(jī)過(guò)程空間相關(guān)性的統(tǒng)計(jì)量，被定義為空間內(nèi)兩空間點(diǎn)之差的方差。

變異函數(shù)在穩(wěn)定過(guò)程中存在許多經(jīng)典模型[18]，包括球狀模型、指數(shù)模型、高斯模型及線(xiàn)性模型等。模型的確定需要對(duì)樣本數(shù)據(jù)曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，以選擇最佳的穩(wěn)定模型。我們利用GS+軟件對(duì)研究區(qū)土壤存在污染風(fēng)險(xiǎn)的As、Cd樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行了變異函數(shù)模型分析(表3，圖3)。

表3 土壤樣本變異函數(shù)Table 3 Variation function of germanium in soil samples

從表3可知，研究區(qū)土壤As、Cd具有不同的變異函數(shù)模型，分別為指數(shù)模型、高斯模型。塊金值與總基臺(tái)值的比值為空間相關(guān)度，表示可度量空間自相關(guān)的變異所占的比例，表明系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性的程度[19]。從表3可知，研究區(qū)土壤As、Cd的空間相關(guān)度均小于25%，表現(xiàn)為強(qiáng)烈空間相關(guān)性。

2.4 空間分析

運(yùn)用surfer軟件對(duì)研究區(qū)土壤As、Cd進(jìn)行空間插值與綜合分析，結(jié)果表明，基于最適空間插值和普通線(xiàn)性插值的結(jié)果差異明顯(圖4和圖5)。研究區(qū)土壤As基于最適空間插值的結(jié)果更能表現(xiàn)出研究區(qū)土壤As的低值區(qū)域，更加符合研究區(qū)土壤As超過(guò)污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值的樣品數(shù)僅占比4.00%的實(shí)際情況。此外，Cd基于最適空間插值的結(jié)果更能表現(xiàn)出研究區(qū)土壤Cd分布較均勻的情況，與土壤樣品Cd數(shù)據(jù)為弱變異性的特征更加一致。

2.5 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

考慮到不同重金屬對(duì)土壤環(huán)境、生態(tài)環(huán)境的影響不同，采用加權(quán)計(jì)算法求平均值，進(jìn)而進(jìn)行內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)[20]。本研究參考Swaine基于重金屬對(duì)環(huán)境的影響程度確定權(quán)重[21]，將重金屬元素分成了三類(lèi)，分別賦值為3、2、1作為權(quán)重[21]。

經(jīng)過(guò)空間插值，研究區(qū)土壤重金屬內(nèi)梅羅指數(shù)空間分布可看出，研究區(qū)大部分地區(qū)土壤都具有重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)，大部分區(qū)域處于警戒線(xiàn)和輕度污染等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)水平(圖6)。

3 結(jié) 論

(1)研究區(qū)土壤As平均值為11.7 mg·kg-1、Cd平均值為0.42 mg·kg-1、Cr平均值為93.5 mg·kg-1、Cu平均值為38.5 mg·kg-1、Hg平均值為0.17 mg·kg-1、Ni平均值為34.0 mg·kg-1、Pb平均值為41.9 mg·kg-1、Zn平均值為105 mg·kg-1，均超過(guò)了四川土壤背景值(1990年)，平均值分別為背景值的1.13倍、5.32倍、1.18倍、1.24倍、2.79倍、1.04倍、1.35倍、1.21倍。

(2)從變異系數(shù)看，研究區(qū)土壤Zn的變異性最大為5.47，與Pb、Cu均表現(xiàn)為強(qiáng)變異性，說(shuō)明Zn、Pb、Cu在研究區(qū)分布較不均勻，受人為活動(dòng)影響較大。As、Cr和Ni為中等變異性，pH、Cd和Hg為弱變異性，Hg的變異性最小。

(3)對(duì)照《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB15618-2018)中農(nóng)用地的風(fēng)險(xiǎn)篩選值，研究區(qū)農(nóng)田土壤存在As、Cd污染風(fēng)險(xiǎn)，超過(guò)污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值的樣品數(shù)分別達(dá)到了樣品總量的4.0%、42.0%。As含量最大為23.0 mg·kg-1，為風(fēng)險(xiǎn)篩選值的1.15倍。Cd含量最大達(dá)0.96 mg·kg-1，為風(fēng)險(xiǎn)篩選值的3.19倍。此外8項(xiàng)重金屬均未超過(guò)風(fēng)險(xiǎn)管制值，說(shuō)明研究區(qū)土壤重金屬狀況對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、農(nóng)作物生長(zhǎng)或土壤生態(tài)環(huán)境存在風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)加強(qiáng)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)和農(nóng)產(chǎn)品協(xié)同監(jiān)測(cè)，原則上應(yīng)當(dāng)采取安全利用措施。

(4)研究區(qū)農(nóng)田土壤As、Cd的最適模型分別為指數(shù)模型、高斯模型，且As、Cd的空間相關(guān)度均小于25%，表現(xiàn)為強(qiáng)烈空間相關(guān)性。研究區(qū)土壤As高值區(qū)在空間上主要位于西側(cè)，土壤Cd在空間上分布較廣泛，大部分區(qū)域土壤Cd均表現(xiàn)為高值；研究區(qū)大部分地區(qū)土壤都具有重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)，大部分區(qū)域處于警戒線(xiàn)和輕度污染等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)水平。