基于土壤重金屬鎘污染評價的“湘蓮+”種植區(qū)劃

曹姍姍，韓昀，安民，孔繁濤，孫偉※

（1.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)信息研究所，北京 100081；2.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；3.中國農(nóng)業(yè)科學院特產(chǎn)研究所，吉林 長春 130112）

湘蓮（Nelumbo nucilfera Gaertn）是源自湖南地區(qū)栽培的子蓮品種的統(tǒng)稱，營養(yǎng)豐富、藥用價值高，2010年獲中國地理標志產(chǎn)品保護，被譽為“中國第一蓮子”。湖南省湘潭縣是湘蓮的主產(chǎn)地、中國湘蓮之鄉(xiāng)及湘潭湘蓮中國特色農(nóng)產(chǎn)品優(yōu)勢區(qū)，湘蓮種植、加工和出口規(guī)模均居全國首位[1]。湘蓮產(chǎn)業(yè)是湘潭縣傳統(tǒng)特色產(chǎn)業(yè)和推動經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。

湘潭縣位于素以“有色金屬之鄉(xiāng)”著稱的湖南省中部偏東、重金屬污染較嚴重的湘江下游西岸，化工及礦業(yè)廢氣、廢水的排放，導致區(qū)域內(nèi)土壤遭受不同程度的重金屬污染，尤其是Cd 污染[2]。種植結(jié)構(gòu)調(diào)整為重金屬污染區(qū)的農(nóng)田治理與利用開辟了新路徑[3]，研究表明，在重金屬污染區(qū)選擇符合條件的水田挖池種蓮、種養(yǎng)結(jié)合，發(fā)展“湘蓮+魚”“湘蓮+蝦”等生態(tài)種養(yǎng)模式，產(chǎn)出的蓮子、小龍蝦等產(chǎn)品的重金屬含量均符合《食品安全國家標準食品中污染物限量》（GB 2762-2017）標準[4,5]?！跋嫔?”生態(tài)種養(yǎng)模式的推廣，不僅能有效解決由于土壤重金屬污染導致的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題，還能顯著提高經(jīng)濟效益。

評價土壤重金屬污染的方法眾多[6]，常用于評價單一土壤重金屬元素污染程度的方法包括單因子污染指數(shù)法、富集因子法和地累積指數(shù)法等[7]。其中，地累積指數(shù)法在評價土壤重金屬污染時，不僅考慮了環(huán)境地球化學背景值和人為因素，還考慮了沉積成巖作用對地球化學背景值的影響[8]。本研究基于地累積指數(shù)計算研究區(qū)主要土壤重金屬污染元素Cd 的污染風險，并采用基于多尺度套合模型變異函數(shù)的普通Kriging法進行研究區(qū)土壤重金屬Cd 的污染風險的空間插值，綜合考慮“湘蓮+”產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求和功能性，重點聚焦湘蓮種植對環(huán)境條件的要求和交通便利性，劃分“湘蓮+”種植多級適宜區(qū)，為因地制宜發(fā)展“湘蓮+”生態(tài)種養(yǎng)產(chǎn)業(yè)提供空間優(yōu)化布局。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖南省湘潭縣湘蓮地理標志產(chǎn)品保護范圍內(nèi)，地理坐標介于東經(jīng)111°24′56″～113°02′04″，北緯27°20′25″～27°56′48″。地處湘中丘陵，屬亞熱帶季風性濕潤氣侯，光照充足，年均氣溫16.7～18.3℃，年總?cè)照? 500 h 以上，有利于湘蓮開花結(jié)實。區(qū)域內(nèi)水資源充足且排灌便利，年均降水量1 300 mm，河流、湖泊、水庫、池塘密布，湘江、漣水和涓水貫穿全域。土地資源豐富，多為潴育性水稻土，土質(zhì)疏松、肥沃，能夠為湘蓮的生長提供良好的自然生態(tài)環(huán)境。

1.2 樣品采集與分析

結(jié)合研究區(qū)土壤類型、土地利用類型、地形地貌和實地調(diào)查情況，采用格網(wǎng)布點法均勻布設采樣點164個（圖1），以采樣點位置為中心設置邊長為4 m 的正方形樣地，分別采集正方形對角線上等間距的5 個點處的土壤樣品各200g并充分混合，采樣深度0～20cm。土壤樣品帶回實驗室經(jīng)自然風干、剔除雜物、研磨并過篩后，采用微波消解法進行前處理，用火焰原子吸收分光光度法測定樣品中重金屬Cd 的含量。

圖1 采樣點分布Fig.1 Distribution of soil sampling

1.3 “湘蓮+”多級種植區(qū)劃方法

1.3.1 污染重金屬污染評價方法 采用地累積指數(shù)法進行研究區(qū)主要土壤重金屬污染元素Cd 污染評價。地累積指數(shù)法是德國科學家Muller 于1969年提出的一種用于評價沉積物中重金屬污染程度的定量指標[9]。計算公式為：

其中，Igeo 為地累積指數(shù)，Cn 是重金屬元素的含量，Bn是重金屬元素的地球環(huán)境背景值，本研究依據(jù)湖南省土壤重金屬Cd 背景值取值；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），用來表征沉積特征、巖石地質(zhì)及其他影響。根據(jù)地積累指數(shù)分級標準，分別以0、1、2 和4 為臨界值，劃分風險區(qū)等級，見表1。

表1 地積累指數(shù)及區(qū)域風險分級標準Table 1 Classification standard of land accumulation index and regional risk

1.3.2 普通Kriging 插值 普通Kriging 插值是最常用且穩(wěn)健的地統(tǒng)計空間插值方法，在土壤屬性空間插值研究領域應用廣泛。與反距離權重法、樣條函數(shù)法等非地統(tǒng)計空間插值方法相比，普通Kriging 插值法基于變異函數(shù)理論對有限區(qū)域內(nèi)的區(qū)域化變量進行無偏最優(yōu)估值，不僅考慮樣品點間的空間距離關系，而且結(jié)合樣品點間的位置關系及空間分布特征，能有效避免系統(tǒng)誤差，使估算結(jié)果更精確[10]。計算公式：

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬Cd含量特征

根據(jù)研究區(qū)164 個土壤樣品的重金屬Cd含量的描述性統(tǒng)計結(jié)果見表2，平均值略高于湖南省背景值和《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 15618-1995）Ⅱ級標準值，表明重金屬Cd 在該區(qū)域存在不同程度的累積現(xiàn)象。變異系數(shù)（CV）可在無需考慮數(shù)據(jù)量綱的情況下度量采樣數(shù)據(jù)的離散程度，根據(jù)變異系數(shù)分級，研究區(qū)土壤重金屬Cd 含量的變異系數(shù)56.18（CV>36%）為高度變異，表明其空間分布的差異性顯著[11]。

表2 土壤重金屬鎘描述性統(tǒng)計Table 2 Descriptive statistics of heavy metal Cd in soil（mg/kg）

2.2 土壤重金屬Cd污染評價

以湖南省土壤重金屬Cd 背景值為參考值，應用地積累指數(shù)法計算研究區(qū)164 個土壤樣品的重金屬Cd 的污染指數(shù)。采用普通Kriging 法對研究區(qū)土壤重金屬Cd 的污染指數(shù)進行空間插值，為提高插值精度，改進傳統(tǒng)單一尺度變異函數(shù)，構(gòu)建基于多尺度套合模型變異函數(shù)的普通Kriging 法。根據(jù)插值結(jié)果的誤差評價指標（表3），與基于單一尺度變異函數(shù)的普通Kriging法相比，基于多尺度套合模型變異函數(shù)的普通Kriging法的平均絕對誤差（mean absolute error,MAE）更小、降低了98.77%，標準化平均誤差（mean standardized error,MSE）降低了41.35%，平均標準誤差（average standard error,ASE）和均方根誤差（rootmeansquare error,RMSE）更接近、標準化均方根誤差（root mean square standardized error,RMSSE）更接近于1，基于多尺度套合模型變異函數(shù)的普通Kriging 法的插值結(jié)果的誤差更小、更穩(wěn)定[12]。

表3 基于不同變異函數(shù)的普通Kriging 插值精度比較Table 3 Accuracy comparison of Ordinary Kriging based on different variogram

結(jié)合研究區(qū)土壤重金屬Cd 的污染指數(shù)的空間插值結(jié)果和地累積指數(shù)分級標準（表1），劃分研究區(qū)土壤重金屬Cd 污染的多級風險區(qū)。根據(jù)劃分結(jié)果（圖2），整個研究區(qū)的土壤重金屬Cd 的污染指數(shù)均大于0，其中，除東北地區(qū)以外的大部分區(qū)域為風險較低的一級風險區(qū)，占研究區(qū)總面積的82.73%；二級風險區(qū)占比16.92%，主要位于研究區(qū)東北部的湘江流域和人口密度較大的城鄉(xiāng)住宅區(qū)附近，且距離湘江流域和城鄉(xiāng)住宅區(qū)越近，土壤重金屬Cd 的污染指數(shù)越高；三級風險區(qū)位于湘潭縣中心城區(qū)附近，僅占研究區(qū)總面積的0.35%。

圖2 土壤重金屬Cd 污染多級風險區(qū)Fig.2 Potential ecological risk area of soil heavy metal pollution

2.3 “湘蓮+”種植區(qū)多級區(qū)劃

蓮田種植區(qū)多以潴育性水稻土為主，綜合考慮“湘蓮+”產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求和功能性，重點聚焦湘蓮種植對環(huán)境條件的要求和交通便利性。基于研究區(qū)土地利用類型，選擇適用于水生作物種植的水田作為“湘蓮+”種植備選區(qū)。結(jié)合土壤重金屬Cd 污染風險等級和最近主干道距離（表4），將“湘蓮+”種植備選區(qū)劃分為三級適宜區(qū)（圖3）。一級適宜區(qū)是“湘蓮+”種植的最佳候選區(qū)，占備選區(qū)總面積的95.41%，幾乎覆蓋全部備選區(qū)，該區(qū)域土壤重金屬Cd 的污染風險等級相對較低（非風險區(qū)、一級風險區(qū)和二級風險區(qū)）、與最近主干道的距離較近（＜3 km）；二級適宜區(qū)是“湘蓮+”種植的較優(yōu)候選區(qū)，占研究區(qū)總面積的4.28%，該區(qū)域土壤重金屬Cd 的污染風險等級不高或與最近主干道的距離相對稍遠，包括風險指數(shù)不高于一級但主干道距離≥3km、風險指數(shù)三級但主干道距離＜3 km 的區(qū)域；三級適宜區(qū)是“湘蓮+”種植的欠佳候選區(qū)，僅占研究區(qū)總面積的0.31%，位于研究區(qū)東北角的工業(yè)發(fā)展聚集區(qū)附近，該區(qū)域主要以土壤重金屬Cd 的區(qū)域風險等級較高的備選區(qū)為主，包括區(qū)域風險等級二級以上且與最近主干道的距離≥3 km 的備選區(qū)。

圖3 “湘蓮+”種植適宜區(qū)多級區(qū)劃Fig.3 Multilevel regionalization of "Xianglian+"planting suitable zone

表4 “湘蓮+”種植適宜區(qū)分級標準Table 4 Classification standard of suitable zone for "Xianglian+" planting

3 討論

“湘蓮+”產(chǎn)業(yè)是實現(xiàn)重金屬污染耕地的種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的有效措施，“湘蓮+”種植多級適宜區(qū)劃分可為因地制宜推廣“湘蓮+”生態(tài)種養(yǎng)模式提供重要支撐。根據(jù)劉瑞雪[2]、霍明珠等[13]的研究結(jié)果，湘潭縣農(nóng)田土壤的8 種重金屬鎘（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、銅（Cu）、鋅（Zn）和鎳（Ni），只有Cd 含量的平均值高于風險篩選值。葉宏萌等[5]檢測荷塘底泥重金屬含量超過限值的蓮池中，蓮子及蓮葉的重金屬含量均符合食品中污染物限量標準。歲珂等[14]檢測重金屬污染水質(zhì)中生存的小龍蝦，其可食用部分的重金屬含量在限值以內(nèi)。因此，本研究基于土壤重金屬Cd 污染評價開展“湘蓮+”種植區(qū)劃分研究具有現(xiàn)實意義。

根據(jù)研究區(qū)土壤中重金屬Cd 含量的采樣檢測結(jié)果的描述性統(tǒng)計，其平均值略高于湖南省背景值和國家土壤質(zhì)量Ⅱ級標準值、且變異系數(shù)較高，表明研究區(qū)土壤重金屬Cd 的累積受人為因素影響較大[11]。結(jié)合土壤重金屬Cd 污染多級風險區(qū)劃分結(jié)果，風險等級稍高的二級以上風險區(qū)占研究區(qū)總面積的17.27%，主要位于研究區(qū)東北部的湘江流域和人口密度較大的城鄉(xiāng)住宅區(qū)附近，且距離湘江流域和城鄉(xiāng)住宅區(qū)越近，土壤重金屬Cd 的污染指數(shù)越高，表明研究區(qū)土壤重金屬Cd 的累積主要來源于工業(yè)生產(chǎn)、大氣沉降、交通運輸、湘江流域重金屬污染以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中污水灌溉、農(nóng)藥、化肥和塑料薄膜的使用等[2]。

根據(jù)“湘蓮+”種植適宜區(qū)多級區(qū)劃結(jié)果，最適宜“湘蓮+”產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一級適宜區(qū)幾乎覆蓋全部備選區(qū)，土壤重金屬Cd 的污染風險等級較低且交通便利，適宜打造“種養(yǎng)+旅游+科普”于一體的特色農(nóng)業(yè)觀光旅游基地，實現(xiàn)湘蓮產(chǎn)業(yè)和旅游資源的有機融合；二級適宜區(qū)的土壤重金屬Cd 的污染風險等級稍高或與最近主干道距離相對稍遠，零散分布于研究區(qū)西南角和東南角，與現(xiàn)有全國規(guī)模最大的湘蓮加工貿(mào)易市場距離較近，是“種養(yǎng)+加工+貿(mào)易”于一體的“種養(yǎng)加”綜合發(fā)展區(qū)的優(yōu)選之地；三級適宜區(qū)的土壤重金屬Cd 的區(qū)域風險等級較高且與最近主干道的距離相對較遠，宜優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，探索促進“湘蓮+”各產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展的新模式。

4 結(jié)論

本研究以湖南省湘潭湘蓮中國特色農(nóng)產(chǎn)品優(yōu)勢區(qū)的“湘蓮+”產(chǎn)業(yè)的優(yōu)化布局為研究目標，建立了基于土壤重金屬Cd 污染評價的“湘蓮+”種植區(qū)劃方法。以適用于水生作物種植的水田為“湘蓮+”種植備選區(qū)，結(jié)合“湘蓮+”產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求和功能性，將研究區(qū)“湘蓮+”種植多級適宜區(qū)劃分為三級，其中，一級適宜區(qū)和二級適宜區(qū)是“湘蓮+”產(chǎn)業(yè)發(fā)展的首選區(qū)域。最適宜“湘蓮+”產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一級適宜區(qū)幾乎覆蓋全部備選區(qū)，占備選區(qū)總面積的95.41%，該區(qū)域土壤重金屬Cd 的污染風險等級相對較低（非風險區(qū)、一級風險區(qū)和二級風險區(qū)）且與最近主干道的距離較近（< 3 km），是以“湘蓮+”產(chǎn)業(yè)為主導的農(nóng)旅融合發(fā)展區(qū)的最佳優(yōu)選；二級適宜區(qū)占研究區(qū)總面積的4.28%，該區(qū)域土壤重金屬Cd 的污染風險等級稍高或與最近主干道的距離相對稍遠，是“湘蓮+”種養(yǎng)加綜合發(fā)展區(qū)的優(yōu)選區(qū)域；三級適宜區(qū)是“湘蓮+”種植的欠佳候選區(qū)，僅占研究區(qū)總面積的0.31%，土壤重金屬Cd 的區(qū)域風險等級較高且與最近主干道的距離相對較遠，可逐步優(yōu)化調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。本研究提出的基于土壤重金屬Cd 污染評價的“湘蓮+”種植區(qū)劃方法和多級區(qū)劃結(jié)果，能夠為因地制宜發(fā)展“湘蓮+”特色生態(tài)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)提供空間優(yōu)化布局。