鄱陽湖平原區(qū)農(nóng)田土壤重金屬Cd、Hg空間特征及潛在風(fēng)險(xiǎn)影響因素探析

余慧敏 郭 熙

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源與環(huán)境學(xué)院/江西省鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330045)

重金屬是土壤固有的一種成分。 不同母質(zhì)類型下的土壤中或多或少存在著重金屬元素，但受社會(huì)工業(yè)化發(fā)展、農(nóng)藥化肥施用等因素影響，農(nóng)田土壤中重金屬發(fā)生富集，形成土壤重金屬污染[1]。 農(nóng)田土壤重金屬的污染程度與農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)安全以及人體健康息息相關(guān)，因?yàn)橹亟饘俟逃械亩拘?、持久性以及生物積累特性造成了重金屬具有高風(fēng)險(xiǎn)[2-3]，并能通過食物鏈進(jìn)入人體進(jìn)而危害人類健康[4-5]。 目前，對(duì)土壤重金屬來源、空間分布及其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的研究備受各國政府和科學(xué)家的廣泛關(guān)注[6-8]。 國內(nèi)外已開展了較多有關(guān)重金屬污染及其風(fēng)險(xiǎn)的研究，Raj 等[9]對(duì)印度東南沿海恩諾雷地區(qū)鎘(Cd)污染狀況開展研究，發(fā)現(xiàn)Cd 污染主要來源于工業(yè)廢水、城市污水等人為因素。 Olatunji等[10]對(duì)尼日利亞南部農(nóng)業(yè)土壤重金屬Cd 含量狀況進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)Cd 主要來源于施肥、交通或大氣沉降。 Todorova 等[11]對(duì)保加利亞西部、多瑙河流域的沉積物開展了重金屬污染與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究，結(jié)果表明沉積物存在中等程度的重金屬污染，其受到自然水文工業(yè)技術(shù)的共同影響，并具有高風(fēng)險(xiǎn)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。 Tepanosyan 等[12]在埃里溫幼兒園土壤重金屬污染水平及兒童健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究中發(fā)現(xiàn)，Cd、汞(Hg)等重金屬濃度高，可能來源于人為因素，且重金屬污染對(duì)兒童具有不同程度的健康風(fēng)險(xiǎn)。 Hu 等[13]對(duì)我國長三角沿海工業(yè)城市的土壤重金屬潛在健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)成人的致癌風(fēng)險(xiǎn)最高，其次是老年人和兒童，重金屬的攝入是致癌風(fēng)險(xiǎn)的主要暴露途徑，其次是吸入和皮膚暴露。 Jiang 等[14]對(duì)我國鄱陽湖地區(qū)不同來源重金屬污染進(jìn)行多元地統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)與一般農(nóng)田相比，工礦企業(yè)附近以及有污水灌溉和城市活動(dòng)的農(nóng)田土壤中存在Cd 和Hg 富集的現(xiàn)象。 姜鳳成等[15]開展了秦王川盆地土壤重金屬來源、分布及污染評(píng)價(jià)的研究，發(fā)現(xiàn)該區(qū)存在中等程度的土壤Cd 污染，主要受工業(yè)與交通的影響。

綜上可知，已有的土壤重金屬研究中，研究對(duì)象包括工業(yè)土壤、沉積物、農(nóng)業(yè)土壤等眾多類型，研究結(jié)果表明土壤重金屬受到自然、人為因素的影響，但不同地區(qū)重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的影響因素有所不同。 當(dāng)前對(duì)鄱陽湖平原區(qū)農(nóng)田土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)影響因素的探究尚淺。 鄱陽湖平原區(qū)農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量與鄱陽湖生態(tài)區(qū)環(huán)境質(zhì)量息息相關(guān)，因此，開展鄱陽湖平原區(qū)農(nóng)田土壤重金屬的相關(guān)研究對(duì)區(qū)域資源的有效管控、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)綠色發(fā)展、維護(hù)鄱陽湖地區(qū)生態(tài)環(huán)境安全以及保障人類健康具有重要意義。 本研究運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)與地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)相結(jié)合的方法對(duì)鄱陽湖平原區(qū)農(nóng)田土壤重金屬的空間分異特征進(jìn)行研究，采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，利用相關(guān)分析與地理探測(cè)器方法探析重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)因子及其影響程度，以期為鄱陽湖平原區(qū)農(nóng)田土壤污染的防控、資源的有效利用與保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地豐城市位于江西省中部(115°25′～116°27′E、27°42′～28°27′N)，地處贛江中下游，鄱陽湖盆地南端，為江西省試點(diǎn)省直管市，是全國主要糧食生產(chǎn)基地，也是第一批國家農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展試驗(yàn)示范區(qū)。 全市為亞熱帶濕潤氣候區(qū)，氣候溫和，四季分明。 地勢(shì)南高北低，由西南向東北逐漸傾斜，南部為低山區(qū)，中部相對(duì)低平，贛江蜿蜒期間，形成河谷沖擊平原，西北和東南地形起伏，為丘陵地區(qū)。 全市總面積284 500 hm2，2017年耕地面積為82 960 hm2，全市耕地以水田居多，占80%以上，主要種植水稻，以“稻-稻”種植模式為主；旱地較少，主要種植棉花、油菜、花生。 豐城市區(qū)位圖如圖1 所示。

1.2 數(shù)據(jù)采集

依據(jù)均勻分布、典型區(qū)域適當(dāng)加密布點(diǎn)的原則，兼顧經(jīng)濟(jì)性和可行性，按照網(wǎng)格布設(shè)樣點(diǎn)取樣，采集研究區(qū)0～20 cm 表層土壤，每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)取3 ～5 個(gè)樣點(diǎn)，將土壤樣品混合作為最終樣品，將土壤裝袋并編號(hào)，同時(shí)采用GPS 定位，記錄經(jīng)緯度信息，共計(jì)采集283 個(gè)樣點(diǎn)。 采樣點(diǎn)分布如圖1 所示。

將采集的土壤樣品在室溫下自然風(fēng)干，去雜、研磨、過篩，制備試驗(yàn)樣品。 對(duì)樣品中重金屬Cd、Hg 含量進(jìn)行檢測(cè)，Cd 含量的測(cè)定采用石墨爐原子吸收分光光度法，Hg 含量的測(cè)定采用冷原子吸收分光光度法[16]。 對(duì)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)用三倍標(biāo)準(zhǔn)差法[17-18]剔除異常值11 個(gè)，實(shí)際利用樣點(diǎn)數(shù)為272 個(gè)。

參考文獻(xiàn)[19-20]，結(jié)合數(shù)據(jù)的可獲得性與可行性，選取土壤性質(zhì)(耕層質(zhì)地、土壤類型、pH 值、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、)、地形因子(坡度、高程)、距離(采樣點(diǎn)與河流、居民點(diǎn)、道路、鐵路及采礦用地間的距離)作為本研究土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的影響因素。

1.3 研究方法

1.3.1 地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 土壤重金屬空間變異特征采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法進(jìn)行研究。 地統(tǒng)計(jì)學(xué)是利用半變異函數(shù)來描述區(qū)域變量的空間相關(guān)性的工具[21]。 半方差函數(shù)也稱半變異函數(shù)，可以表示區(qū)域化變量在一定尺度上的空間變異和相關(guān)程度，是研究土壤性質(zhì)空間變異性的關(guān)鍵，同時(shí)也是進(jìn)行精確普通克里金(kringing)插值的基礎(chǔ)[22]，根據(jù)公式進(jìn)行計(jì)算:

式中，r(h)為半方差函數(shù)；h為分隔距離；N(h)為以h為分隔距離的數(shù)據(jù)點(diǎn)的成對(duì)數(shù)目；Z(x)為區(qū)域化變量在空間位置x處的值；Z(x+h)為區(qū)域化變量在x+h處的值。

區(qū)域化變量的空間結(jié)構(gòu)特征中，變異系數(shù)(coefficient of variation，CV)表征數(shù)據(jù)間的離散程度，同時(shí)直觀反映出樣本空間變異性的大小[23]。 一般認(rèn)為，CV＜10%為弱變異，10%～100%為中等強(qiáng)度變異，CV≥100%為強(qiáng)變異[24]。 塊金效應(yīng)C0/(C0+C)表示隨機(jī)部分空間變異性占總空間變異性的程度，能夠反映變量的空間自相關(guān)程度，比值較大說明隨機(jī)部分起主要作用，比值較小說明非人為結(jié)構(gòu)因素起主要作用[25]，若比值＜25%，表示變量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性；若比值介于25%～75%之間，表示具有中等程度的空間相關(guān)性；若比值＞75%，表示具有較弱的空間相關(guān)性[26]。

1.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法 采用Hakanson 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)重金屬污染進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[27-28]。該方法以土壤中重金屬的元素背景值為基準(zhǔn)，結(jié)合重金屬的生物毒性(毒性系數(shù))、環(huán)境效應(yīng)(污染指數(shù))計(jì)算其綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(risk index，RI):

式中，為土壤中重金屬元素i的實(shí)測(cè)含量；為參照值；為重金屬元素i的毒性系數(shù)；為重金屬元素i的污染指數(shù)；為重金屬元素i的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，依據(jù)可將土壤潛在生態(tài)危害程度劃分為輕微(＜40)、中度(40≤＜80)、強(qiáng)度(80≤＜160)、很強(qiáng)(160≤＜320)和極強(qiáng)(320≤)5 個(gè)等級(jí)；RI 表示土壤環(huán)境中重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，依據(jù)RI 可將土壤潛在生態(tài)危害程度劃分為輕微(RI ＜150)、中度(150≤RI＜300)、強(qiáng)度(300≤RI＜600)和很強(qiáng)(RI≥600)4 個(gè)等級(jí)[4，29]。 本研究中，Cd、Hg 的毒性系數(shù)分別為30、40[30]。

1.3.3 地理探測(cè)器方法 空間分異性是地理現(xiàn)象的基本特點(diǎn)之一，地理探測(cè)器是探測(cè)空間分異性并揭示其背后驅(qū)動(dòng)力的一組統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[31]。 運(yùn)用地理探測(cè)器的因子探測(cè)(factor detector，F(xiàn)D)方法，定量研究某影響因子對(duì)土壤重金屬空間分異的影響程度，用q值度量[32]，根據(jù)公式計(jì)算:

60例硬膜外麻醉下?lián)衿谛谢啬c造口關(guān)閉術(shù)患者，年齡18～65歲，美國麻醉醫(yī)師協(xié)會(huì)（ASA）分級(jí)Ⅰ～Ⅱ級(jí)，體質(zhì)量指數(shù)（BMI）18～30 kg/m2。排除標(biāo)準(zhǔn)：精神疾病，嚴(yán)重心肺肝腎疾患，糖尿病、甲亢等內(nèi)分泌疾患，硬膜外穿刺失敗或麻醉平面不能滿足手術(shù)要求者。本研究獲中山大學(xué)附屬第六醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)（2017ZSLYEC-042）并在https：//clinicaltrials.gov注冊(cè)（ChiCT-IOR-16008901）。所有患者簽署了研究知情同意書。資料收集于2018年4月～2018年8月，在中山大學(xué)附屬第六醫(yī)院完成。通過隨機(jī)數(shù)字法將患者分為鎮(zhèn)靜組（P組）和對(duì)照組（C組），每組30例。

式中，q為某影響因子對(duì)土壤重金屬空間分布的影響力，其值介于0～1 之間，q值越大表示該風(fēng)險(xiǎn)因子對(duì)土壤重金屬的影響程度越大，反之則越小。h=1，…，L為該影響因子的分類，Nh和N分別為類h和全區(qū)的單元數(shù)；和σ2分別是類h和全區(qū)的土壤重金屬值的方差。SSW和SST分別為層內(nèi)方差之和(within sum of squares)和全區(qū)總方差(total sum of squares)。

q值滿足非中心F～(L-1，N-L；λ)分布:

風(fēng)險(xiǎn)區(qū)探測(cè):用于判斷2 個(gè)子區(qū)域間的屬性均值是否有顯著差別，用t統(tǒng)計(jì)量來檢驗(yàn):

式中，表示子區(qū)域h內(nèi)的屬性均值，此研究為某重金屬元素含量；nh為子區(qū)域h內(nèi)樣本數(shù)量，Var表示方差。 統(tǒng)計(jì)量t近似地服從t分布，其中自由度的計(jì)算方法為:

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 22. 0 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、K-S 正態(tài)分布檢驗(yàn)，對(duì)不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換使之符合正態(tài)分布，并采用SPSS 22. 0 進(jìn)行土壤重金屬元素含量與影響因素之間的相關(guān)分析。

采用GS+7.0 軟件對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行半方差函數(shù)分析及模型擬合，以半方差分析結(jié)果中模型的擬合決定系數(shù)(R2) 最大、殘差平方和(residual sum of squares，RSS)最小為最優(yōu)插值理論模型和參數(shù)；然后根據(jù)最優(yōu)半方差模型參數(shù)運(yùn)用ArcGIS 10.2 軟件進(jìn)行普通克里金插值，繪制重金屬元素空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤Cd、Hg 含量統(tǒng)計(jì)特征

豐城市土壤Cd、Hg 含量的描述性統(tǒng)計(jì)如表1 所示。 2 種重金屬元素含量的最大值與最小值之間的差距較大；Cd、Hg 含量原始數(shù)據(jù)均為非正態(tài)分布(圖2)，經(jīng)過處理后，Cd 含量近似對(duì)數(shù)正態(tài)分布，Hg 含量符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布；Cd、Hg 含量的變異系數(shù)處于10%～100%之間，均為中等程度變異。

表1 農(nóng)田土壤Cd、Hg 含量描述性統(tǒng)計(jì)Table 1 The descriptive statistics of Cd and Hg concentrations in farmland soils

圖2 農(nóng)田土壤重金屬Cd 和Hg 含量的頻率分布直方圖Fig.2 Histogram of frequency distribution of heavy metals Cd and Hg in farmland soil

2.2 土壤Cd、Hg 空間結(jié)構(gòu)與分布特征

表2 土壤Cd、Hg 含量的半方差函數(shù)理論模型及其擬合參數(shù)Table 2 The optimal models and fitting parameters for Cd and Hg concent rations in farmland soils

2.2.2 土壤Cd、Hg 空間分布特征 利用半方差函數(shù)可以解釋土壤重金屬含量的空間結(jié)構(gòu)，反映空間變化特征，但其提供的信息存在一定的局限性[33]。 為進(jìn)一步表征研究區(qū)2 種重金屬元素的空間分布特征，根據(jù)元素對(duì)應(yīng)的最優(yōu)擬合模型在ARCGIS 10.2 中分別進(jìn)行普通克里金插值，繪制2 種重金屬元素的空間分布圖(圖3)。

江西省土壤Cd、Hg 元素的背景值分別為0.108、0.084 mg·kg-1[28]，Cd、Hg 的全國農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值分別為0.3、0.5 mg·kg-1[16]。 由圖3 可知，全市農(nóng)田土壤中Cd、Hg 的分布差異較為明顯。 少部分土壤Cd 含量未超過江西省土壤元素背景值的農(nóng)田主要集中在全市的北部地區(qū)，分布較為分散；極少數(shù)Cd 含量超過全國農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值的農(nóng)田分布在西北部；全市大部分地區(qū)Cd 含量超過江西省土壤元素背景值但未達(dá)到全國農(nóng)田地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值的水平，其中含量處于最高區(qū)間值(0.300 ～0.342 mg·kg-1)的農(nóng)田較少，成斑塊狀分布。 市域農(nóng)田土壤中Hg 含量由南向北逐漸升高；少部分土壤Hg 含量在江西省土壤元素背景值以內(nèi)的農(nóng)田分布在市域的南部；其余樣點(diǎn)Hg 含量基本均超過江西省元素背景值，但仍在全國農(nóng)田地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值范圍內(nèi)，其中含量處于最高區(qū)間值(0.167 ～0.206 mg·kg-1)的農(nóng)田呈斑塊狀主要分布于市域的中部、東部及東北部地區(qū)。

圖3 農(nóng)田土壤Cd、Hg 的空間分布圖Fig.3 Spatial distributions of Cd and Hg concentrations in farmland soils

2.3 土壤Cd、Hg 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

根據(jù)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果，識(shí)別出Cd、Hg 的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位圖，不同級(jí)別下Cd、Hg 的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的樣點(diǎn)數(shù)量如圖4 所示。 結(jié)果表明，Cd、Hg 的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均包括4 個(gè)級(jí)別，Cd 的潛在生態(tài)危害程度處于輕微級(jí)別(1 級(jí))居多，樣點(diǎn)數(shù)達(dá)143 個(gè)，占比52.57%，僅1 個(gè)樣點(diǎn)具有很強(qiáng)級(jí)別(4 級(jí))的潛在生態(tài)危害程度；Hg 的潛在生態(tài)危害程度為中度級(jí)別(2級(jí))居多，樣點(diǎn)數(shù)共計(jì)158 個(gè)，占比58.09%，潛在生態(tài)危害程度處于很強(qiáng)級(jí)別(4 級(jí))的樣點(diǎn)僅占1.1%，數(shù)量最少。

根據(jù)重金屬元素Cd、Hg 的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算出各樣點(diǎn)的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，各級(jí)別綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)下的樣點(diǎn)數(shù)比例如圖5 所示，綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)共分為2 個(gè)級(jí)別，其中以綜合潛在生態(tài)危害程度為輕微級(jí)別(1 級(jí))的樣點(diǎn)數(shù)較多，共計(jì)243 個(gè)，所占比例高達(dá)89.34%。

利用Arcgis 軟件制作出研究區(qū)土壤的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分區(qū)圖(圖6)。 研究區(qū)農(nóng)田土壤綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在65.63 ～210.51 之間，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，處于輕微潛在生態(tài)危害程度(1 級(jí)，RI＜150)的耕地居多，占99.28%。 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)處于最低區(qū)間值(65.63～100.00)的區(qū)域在空間分布上呈現(xiàn)出較為分散的塊狀分布，具有中度潛在生態(tài)危害程度的區(qū)域分布也較為分散，研究區(qū)土壤重金屬的綜合潛在生態(tài)危害程度總體較低。

2.4 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)影響因素分析

圖4 土壤Cd、Hg 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果點(diǎn)位圖Fig.4 Classification of sampling points associated with different potential ecological risk levels of Cd and Hg in farmland soils

圖5 農(nóng)田土壤Cd、Hg 不同潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平采樣點(diǎn)數(shù)量Fig.5 Number of sampling points associated with different potential ecological risk levels of Cd and Hg in farmland soils

2.4.1 相關(guān)性分析 研究區(qū)農(nóng)田土壤Cd、Hg 均受到外來因素的影響，但影響土壤重金屬的因素較為復(fù)雜多樣。 由表3 可知，土壤性質(zhì)因素中的土壤質(zhì)地、土壤類型與全氮3 個(gè)因素以及距離因素中的距居民點(diǎn)的距離對(duì)2 種重金屬的潛在風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和土壤綜合潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均未表現(xiàn)出顯著相關(guān)性；其余因素則至少與其中1 種元素達(dá)到顯著相關(guān)水平。 Cd 的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)與pH 值呈極顯著正相關(guān)，表明pH 值對(duì)Cd 具有重要影響，這可能是因?yàn)橥寥纏H 值能直接影響Cd 在土壤中的存在形態(tài)進(jìn)而對(duì)其含量產(chǎn)生影響；Cd 的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)與全鉀、距道路的距離呈極顯著負(fù)相關(guān)，說明農(nóng)業(yè)施肥、交通會(huì)對(duì)土壤Cd 含量產(chǎn)生影響。 Hg 的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)與全磷、坡度、高程、距鐵路的距離等呈極顯著負(fù)相關(guān)，與有機(jī)質(zhì)、距采礦用地的距離呈顯著負(fù)相關(guān)，表明土壤Hg 含量受人為因素的影響較為明顯。 RI 與全磷、高程呈極顯著負(fù)相關(guān)，與pH 值呈顯著正相關(guān)，與坡度、距河流、道路的距離呈顯著負(fù)相關(guān)。

表3 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)與影響因素的相關(guān)性Table 3 Correlations between the potential ecological risks of heavy metals and associated influencing factors in farmland soils

2.4.2 地理探測(cè)器分析 利用地理探測(cè)器的因子探測(cè)來衡量影響因子對(duì)土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的影響強(qiáng)度，探測(cè)結(jié)果如表4 所示。 各因子對(duì)Cd 的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)解釋力大小依次為:pH 值(5.11%) ＞全鉀(3.31%)＞坡度(2.35%)＞距道路距離(2.32%)＞耕層質(zhì)地(1.63%)＞距河流距離(1.49%)，其中僅pH 值、全鉀對(duì)其具有顯著影響；各因子對(duì)Hg 的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的解釋能力大小依次為:全磷(5.69%)＞土壤類型(4.08%)＞高程(2.86%)＞坡度(2.11%)＞耕層質(zhì)地(1.90%)＞距河流距離(1.90%)，除全磷外其他影響因子對(duì)其均無顯著影響；各因子對(duì)RI 的解釋能力大小依次為:全磷(5.48%)＞pH 值(3.95%)＞土壤類型(3.44%)＞距河流距離(2.80%)＞高程(2.32%)＞耕層質(zhì)地(2.27%)。

圖6 研究區(qū)農(nóng)田土壤Cd、Hg 的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分區(qū)圖Fig.6 Zonation of the comprehensive potential ecological risk level of Cd and Hg in farmland soils across the study region

3 討論

本研究采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法進(jìn)行研究區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，該法引入毒性響應(yīng)系數(shù)，將重金屬的生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)與毒理學(xué)聯(lián)系起來，能夠綜合反映重金屬對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響潛力，為后期土壤環(huán)境治理與保護(hù)、保障與促進(jìn)人體健康提供科學(xué)依據(jù)。

研究區(qū)土壤Cd、Hg 的空間分布具有一定的差異。以江西省元素背景值、全國農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值為分級(jí)閾值，研究區(qū)土壤Cd 含量共分為3 種水平，少數(shù)土壤Cd 含量在江西省土壤元素背景值之內(nèi)的樣點(diǎn)分布在市域的北區(qū)，其余地區(qū)Cd 含量均超過江西省元素背景值，其中市域西北部有極少數(shù)地區(qū)Cd 含量超過全國農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值；而Hg 含量包括2 種水平，Hg 含量未超過江西省土壤元素背景值的農(nóng)田分布在市域的南部，其余均處在2 個(gè)閾值之間且含量由南向北逐漸升高。 查看豐城市土地利用現(xiàn)狀圖發(fā)現(xiàn)，市域道路交通路網(wǎng)主要集中在市域的中北部，全市以新型能源、光伏電子機(jī)械等為主的新興工業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)位于市域中部。 Cd、Hg 含量在人為因素的影響下均表現(xiàn)出一定的富集作用，Cd 含量最高的地區(qū)臨近昌樟高速，遠(yuǎn)離工業(yè)園區(qū)，除成土母質(zhì)之外，Cd 主要來源于大氣沉降、農(nóng)業(yè)施肥等人類活動(dòng)[34]。 另外，該區(qū)少數(shù)農(nóng)田土壤Cd 含量的富集可能受尾氣沉降、采樣與檢測(cè)過程中的偶然誤差的綜合影響；市域南部遠(yuǎn)離工業(yè)園區(qū)與道路交通用地，受到人為因素的影響相對(duì)較少，因此Hg 含量低。 上述結(jié)果說明，土壤重金屬除來源于土壤本底外，外部人類活動(dòng)如工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)施肥、生活行為等多因素的綜合影響也會(huì)導(dǎo)致外來重金屬元素進(jìn)入農(nóng)田逐漸富集，最終使農(nóng)田土壤重金屬含量超過其背景值，形成重金屬污染[35]。

表4 土壤重金屬前六大影響因子解釋力及其顯著性統(tǒng)計(jì)Table 4 The explanatory power and statistical significance of the top six major factors influencing the potential ecological risks of Cd and Hg in farmland soils

研究區(qū)土壤Cd、Hg 樣點(diǎn)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平包括4 個(gè)級(jí)別，均以潛在生態(tài)危害程度為很強(qiáng)級(jí)別(4級(jí))的樣點(diǎn)數(shù)最少，Cd 以潛在生態(tài)危害程度為輕微級(jí)別(1 級(jí))的樣點(diǎn)居多，而Hg 以潛在生態(tài)危害程度為中等級(jí)別(2 級(jí))的樣點(diǎn)居多。 Cd 通過食物鏈進(jìn)入人體后，會(huì)對(duì)人體腎、腦、骨骼及神經(jīng)系統(tǒng)等產(chǎn)生損傷，造成急性或慢性中毒，甚至癌變[36-37]。 Hg 容易被人體皮膚、呼吸道和消化系統(tǒng)吸收，在生物體內(nèi)積累后對(duì)人類大腦和肝臟造成損害，給人類帶來嚴(yán)重的健康風(fēng)險(xiǎn)[38]。 研究區(qū)Hg 含量水平相對(duì)Cd 含量較低，但其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平較高，因此，有必要采取適宜的防范措施來防止農(nóng)田土壤Hg 含量升高導(dǎo)致的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平的提高。 土壤綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平以輕微危害程度居多，受2 種重金屬的綜合影響，中部地區(qū)土壤的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平高于南部和北部地區(qū)，且受人為活動(dòng)的影響較大。

研究區(qū)土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀況受到自然與人為因素的共同影響，而人為活動(dòng)因素超出自然本底對(duì)重金屬的影響[39-40]。 本研究中農(nóng)田土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)受全磷與pH 值的影響較大，這可能是因?yàn)榛?、農(nóng)藥的施用會(huì)導(dǎo)致農(nóng)田土壤pH 值與肥力的改變，同時(shí)其含有的重金屬成分會(huì)直接殘留在土壤中，影響重金屬Cd、Hg 在土壤中的遷移、轉(zhuǎn)化，改變其含量[41]，進(jìn)而影響其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀況。 高程也是本研究的農(nóng)田土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的影響因素之一，原因在于海拔作為表征地貌特征的重要指標(biāo)，也對(duì)農(nóng)田土壤重金屬有一定的影響，不同地貌特征影響著土壤的水熱條件及其再分布，進(jìn)而影響土壤中物質(zhì)能量的變化[39]，從而影響土壤中重金屬的Cd、Hg 的活動(dòng)狀況與健康風(fēng)險(xiǎn)水平。 城鎮(zhèn)交通中，道路上機(jī)動(dòng)車尾氣、車輛輪胎磨損等釋放的重金屬元素在降雨等氣候因素的影響下沉降進(jìn)入農(nóng)田，也會(huì)導(dǎo)致重金屬Cd、Hg 在農(nóng)田中的富集[19，42]，因而農(nóng)田與道路的距離也是影響重金屬潛在生態(tài)狀況的原因之一。 總體而言，重金屬Cd、Hg 的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀況并非單一因素獨(dú)立作用的結(jié)果，而是多種因素綜合作用的結(jié)果，且不同影響因子對(duì)其影響程度不相同。

對(duì)于重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平而言，不同的影響因子解釋力q 差異較小，說明2 種重金屬元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀況受到多種因素的共同作用。 通過地理探測(cè)器的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別可知，影響Cd 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的前兩類因子主要為pH 值5.5 ～6.0 和全鉀≤10 g·kg-1，影響Hg 的主要為全磷≤0.4 g·kg-1和土壤類型(潴育型水稻土)，該結(jié)果對(duì)后期區(qū)域土壤重金屬污染的治理與管控具有支撐性的作用[19]。 但受數(shù)據(jù)的限制，本研究選取的重金屬影響因素具有局限性，今后應(yīng)開展更為全面的研究。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，豐城市農(nóng)田土壤Cd、Hg 均為中等程度變異，人為因素對(duì)2 種重金屬空間分布的影響大于自然因素的影響，大部分地區(qū)農(nóng)田土壤Cd、Hg 濃度超過江西省土壤元素背景值，但未達(dá)到全國農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值。 研究區(qū)Cd 以輕微潛在生態(tài)危害程度居多，主要受pH 值5.5 ～6.0、全鉀≤10 g·kg-1的影響；Hg 則以中度潛在生態(tài)危害程度居多，受全磷≤0.4 g·kg-1、土壤類型(潴育型水稻土)的影響為主；重金屬綜合潛在生態(tài)危害程度較低，主要受到全磷≤0.4 g·kg-1和pH 值5.5 ～6.0 的影響。 在實(shí)際田間耕種過程中，可以采取肥料合理配施、施用土壤改良劑等來改善土壤環(huán)境。 本研究僅對(duì)研究區(qū)農(nóng)田土壤重金屬的空間分異特征及其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)影響因素進(jìn)行探究，各因素對(duì)重金屬的影響機(jī)理未做分析，今后應(yīng)進(jìn)一步開展相關(guān)研究。