張金蘭， 黃程亮， 黃秋鑫， 陳克海

(1. 廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院測繪遙感信息學(xué)院，廣州 510510； 2. 工業(yè)和信息化部電子第五研究所中國賽寶環(huán)境評估與監(jiān)測中心，廣州 501610)

土壤環(huán)境質(zhì)量與農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量息息相關(guān)，土壤污染物可通過農(nóng)產(chǎn)品富集威脅人類生命健康[1-4]. 伴隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化，中國土壤重金屬污染尤為嚴(yán)重和普遍，對土壤重金屬的研究受到了眾多學(xué)者的關(guān)注. 多年來，對重點(diǎn)關(guān)注的工礦企業(yè)周邊農(nóng)區(qū)、污水灌區(qū)、城市郊區(qū)等土壤重金屬的污染調(diào)查與評價、空間分布、農(nóng)產(chǎn)品污染、污染防治、生態(tài)風(fēng)險評估等研究工作不斷[3-9]，這些區(qū)域的工業(yè)化和城鎮(zhèn)化程度高、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密度高，農(nóng)田周邊污染源清晰且突出，污染防治措施實(shí)施效果明顯. 然而，對于非重點(diǎn)關(guān)注地區(qū)的農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量狀況及潛在污染源解析的研究較少，特別是工業(yè)化和城鎮(zhèn)化水平較低、經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)、環(huán)境管理水平較低的山地地區(qū)，其農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量狀況也隨著當(dāng)?shù)厣鐣墓I(yè)及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，可能正在受到一定的影響.

隨著農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)[10]的正式實(shí)施，農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險評價有了新的定義和要求，特別是對于受人類活動影響較小的山地農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量評價和生態(tài)風(fēng)險評估，可能將迎來全新的質(zhì)量評價和風(fēng)險評估結(jié)論，給出新的污染防治措施建議.

本文選擇廣東省東部某山地區(qū)域內(nèi)水田作為研究對象，該區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量受關(guān)注較少，環(huán)境質(zhì)量狀況及其潛在污染源仍不夠清晰. 本研究調(diào)查了土壤中Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu等6種重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)水平及空間分布情況，并分別基于土壤污染風(fēng)險篩選值和管制值評價了土壤環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀；研究分析了重金屬的主要來源，對該區(qū)域農(nóng)產(chǎn)品的安全保障、工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會公共設(shè)施的工程建設(shè)等具有重要的科學(xué)指導(dǎo)意義.

1 研究區(qū)域及方法

1.1 研究區(qū)域

本文研究區(qū)域(東經(jīng)115°18′～116°02′，北緯23°23′～24°12′)位于梅州市境內(nèi)，地處廣東省東部，四周山嶺為障，境內(nèi)地形復(fù)雜，山地丘陵相間，河谷盆地交錯，地勢西南高、東北低，礦產(chǎn)資源較為豐富，水田面積約450 km2，海拔在88～480 m，平均海拔約160 m；屬低緯度南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候暖濕多雨，多年平均氣溫在21.2 ℃左右；該區(qū)域歷史上存在多種、分散礦產(chǎn)，目前其城鎮(zhèn)化和工業(yè)化水平仍較低，且處于以農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)為建設(shè)重點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展期；屬韓江上游重要的水源涵養(yǎng)區(qū)，是國家農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)、重要的南藥生產(chǎn)基地、廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范基地，“一村一品、一鎮(zhèn)一業(yè)”工作成效突出；交通道路建設(shè)等民生工程發(fā)展迅速，新型工業(yè)區(qū)建設(shè)也在逐步推進(jìn).

1.2 樣品采集方法

根據(jù)研究區(qū)域水田空間分布特征，采用均勻布點(diǎn)法進(jìn)行布點(diǎn)，布點(diǎn)密度約1 km1 km左右，布點(diǎn)結(jié)果如圖1所示. 在整個研究區(qū)域內(nèi)共采集水田表層土壤樣品268個，取樣深度為0～20 cm，采樣時間2017年9—11月. 現(xiàn)場采樣時根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[11-12]要求對采樣點(diǎn)作適當(dāng)調(diào)整，采樣點(diǎn)用米級GPS進(jìn)行精確定位，并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求選擇采用“棋盤法”或“S法”設(shè)置分樣點(diǎn)5～15個；各分樣點(diǎn)樣品采集從上而下耕作層土壤約0.25 kg，全部置于干凈的塑料桶中，充分混合均勻后作為該采樣點(diǎn)的土壤樣品，裝于樣品袋并保存于常溫避光樣品箱中，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測分析.

圖1 采樣點(diǎn)分布圖

1.3 樣品前處理及檢測分析方法

土壤樣品通過自然風(fēng)干后，去除砂礫、植物殘留物等，四分法取1 kg，經(jīng)碾壓后過1.7 mm (10目)篩；四分法取100 g，再經(jīng)瑪瑙研缽研磨，全部研磨通過150 μm(100目)篩，放置陰涼干燥處，待用.

土壤pH值參考國家標(biāo)準(zhǔn)方法[13]進(jìn)行檢測. 土壤中Cd、Pb、Cr、Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)的檢測分析參考國家的標(biāo)準(zhǔn)方法[14]和相關(guān)研究文獻(xiàn)[15]，采用微波消解法進(jìn)行樣品前處理，電感耦合等離子體質(zhì)譜法檢測；Hg和As質(zhì)量分?jǐn)?shù)的檢測分析參考國家的標(biāo)準(zhǔn)方法[16]，采用微波消解法進(jìn)行樣品前處理，原子熒光法進(jìn)行檢測.

1.4 污染評價方法

采用超標(biāo)率和綜合(內(nèi)梅羅)污染指數(shù)法[12,17]，分別對研究區(qū)域水田土壤的所有樣本及空間分布預(yù)測結(jié)果進(jìn)行污染評價和分級.

1.5 重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的預(yù)測方法

課題組的前期研究[18-20]結(jié)果表明:反距離加權(quán)法(Inverse Distance Weighted, IDW)因操作簡便快速、精度較高、穩(wěn)定性較好等優(yōu)勢，且能夠較好地保留樣本點(diǎn)的極值，可有效避免插值后產(chǎn)生的土壤重金屬空間平滑效應(yīng). 因此，本文在ArcGIS 10.2軟件平臺中，利用IDW法開展區(qū)域內(nèi)土壤重金屬空間分布預(yù)測.

1.6 重金屬來源解析方法

運(yùn)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計軟件(PASW Statistics 18)，對土壤中重金屬數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析、因子分析(主成分分析)等[7]，取得土壤中各重金屬間的空間關(guān)系、特征及主要影響因子；結(jié)合IDW法插值后的空間預(yù)測結(jié)果和區(qū)域中潛在污染源分布情況，研究區(qū)域水田土壤重金屬的空間分布，對各重金屬的主要來源進(jìn)行解析.

2 結(jié)果與討論

2.1 水田土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的統(tǒng)計特征

對土壤中重金屬的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析(表1和表2)，結(jié)果表明：研究區(qū)域內(nèi)水田表層土壤中Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)分別是0.18、0.10、10.7、45.93、39.48、31.05 mg/kg，均低于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值[10]；質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最大值分別為1.61、0.49、70.89、268.44、599.85、878.00 mg/kg，均低于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管制值[10]. 與廣東省土壤背景值[21]相比，w(Cu)的平均值約為廣東省土壤背景值的2倍，w(Pb)的平均值高于廣東省土壤背景值，w(Cd)的平均值略高于廣東省土壤背景值，w(Hg)的平均值與廣東省土壤背景值相當(dāng)，其它2種元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均值低于廣東省土壤背景值.t檢驗(yàn)結(jié)果顯示：該區(qū)土壤中重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與廣東省土壤背景值有顯著性差異(Sig.值<0.05)，且該區(qū)土壤中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變異系數(shù)較大，表明該區(qū)中重金屬可能存在外來源. 與東莞市農(nóng)田土壤中重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值[21]相比，w(Cu)和w(Cd)的平均值稍高于東莞市重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值，其他元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均值均低于東莞市重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值. 與廣州市番禺區(qū)的農(nóng)田中重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[22]相比，除w(Pb)的平均值處于相當(dāng)水平外，其它元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均值均低于廣州市番禺區(qū)重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值；w(Cr)和w(Hg)的平均值均低于佛山市順德區(qū)農(nóng)田土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均值[4]，也低于全國主要大中城市土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均值[23]. 由此可見，與經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人類活動頻繁的地區(qū)相比，該區(qū)農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量總體較好.

表1 水田土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的統(tǒng)計特征Table 1 The statistics of heavy metal contents in paddy field soil

注:t檢驗(yàn)Sig.值為水田土壤重金屬檢測結(jié)果與廣東省土壤背景值的單樣本t檢驗(yàn)Sig.(雙側(cè))值，置信區(qū)間百分比為95%.

表2 不同研究區(qū)域水田(農(nóng)業(yè))土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均值Table 2 The mean contents of heavy metals in agricultural soil of different areas

土壤pH檢測結(jié)果(表3)表明：該區(qū)域土壤以酸性及弱酸性為主. 根據(jù)農(nóng)田土壤污染風(fēng)險篩選值[10]，對該區(qū)域土壤樣本超標(biāo)率進(jìn)行統(tǒng)計(表3)，結(jié)果表明：除w(Hg)均未超標(biāo)外，其它元素均有不同程度的少量土壤樣本超出篩選值，超標(biāo)率由高到低依次是Cd(9.0%)、Pb(8.6%)、Cu(7.1%)、As(5.2%)、Cr(0.7%)，各指標(biāo)超標(biāo)率明顯低于東莞等地區(qū)[21].

此外，根據(jù)農(nóng)田土壤污染風(fēng)險管制值[10]，所有樣本均未超標(biāo)，表明該區(qū)域總體食用農(nóng)產(chǎn)品不符合質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險低. 因此本文后續(xù)不再根據(jù)管制值進(jìn)行研究.

表3 基于重金屬污染風(fēng)險篩選值的樣品超標(biāo)率統(tǒng)計Table 3 The statistics of over-standard rate of heavy metals based on Soil Pollution Risk Filter Values

2.2 土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的空間分布特征

利用IDW法對6種重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行空間插值預(yù)測，各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的空間分布均有一定的特征，且高質(zhì)量分?jǐn)?shù)區(qū)域較為集中，對各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行分段統(tǒng)計(圖2)，結(jié)果顯示：區(qū)域的w(Cd)絕大部分都低于0.30 mg/kg(圖2A)，高質(zhì)量分?jǐn)?shù)集中在西南部，中、北部存在零星小區(qū)域高于0.30 mg/kg；w(As)高于20.0 mg/kg的區(qū)域集中分布在西南部(圖2B)；區(qū)域的w(Pb)絕大部分都低于80.0 mg/kg，僅北部和西南部極小面積的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高(圖2C)；w(Cu)高于50.0 mg/kg的區(qū)域集中分布在東南部和北部(圖2D)；w(Cr)高于250.0 mg/kg的區(qū)域僅分布在北部極小區(qū)域范圍(圖2E)；區(qū)域的w(Hg)均低于0.005 mg/kg(圖2F).

2.3 水田土壤重金屬超標(biāo)的空間分布

利用IDW法對pH進(jìn)行空間分布預(yù)測，并與重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行空間疊加分析，根據(jù)土壤污染風(fēng)險篩選值[10]進(jìn)行統(tǒng)計，各元素超標(biāo)的土壤空間分布情況(圖3)與質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布一致，超標(biāo)區(qū)域比較集中：w(Cd)超標(biāo)主要集中于西南部(圖3A)；w(Pb)在西南部和北部存在小面積超標(biāo)現(xiàn)象(圖3B)；w(As)在西南部存在小面積超標(biāo)現(xiàn)象(圖3C)；w(Cu)超標(biāo)主要集中在東南部和北部(圖3D)；w(Cr)在北部存在小面積超標(biāo)現(xiàn)象(圖3E)；w(Hg)均未超標(biāo)(圖未繪制). 由此可以看出：該區(qū)水田表層土壤重金屬的環(huán)境質(zhì)量整體較好，中部土壤環(huán)境質(zhì)量最優(yōu)，南部和北部存在重金屬超標(biāo)現(xiàn)象.

圖2 土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的空間分布

圖3 基于土壤重金屬污染風(fēng)險篩選值的超標(biāo)空間分布

對水田土壤面積超標(biāo)率進(jìn)行統(tǒng)計(表4)，超標(biāo)率從高到低依次為Cu、Cd、Pb、As、Cr. 該結(jié)果與水田土壤樣本超標(biāo)率統(tǒng)計結(jié)果(表3)有一定差異，其中Cu、Cd面積超標(biāo)率明顯高于樣本超標(biāo)率，Pb、As面積超標(biāo)率明顯低于樣本超標(biāo)率，Cr則兩者相當(dāng).

表4基于重金屬污染風(fēng)險篩選值的面積超標(biāo)率統(tǒng)計

Table4Theareastatisticsofover-standardrateofheavymetalsbasedonSoilPollutionRiskFilterValues

統(tǒng)計指標(biāo)CuCdPbAsCr超標(biāo)面積/km274.2765.496.023.062.85總面積/km2458.35458.35458.35458.35458.35面積超標(biāo)率/%16.2014.291.310.670.62

2.4 土壤重金屬綜合污染指數(shù)評價及等級劃分

根據(jù)土壤污染風(fēng)險篩選值[10]，使用綜合污染指數(shù)法進(jìn)行統(tǒng)計分析，取得該區(qū)域水田土壤樣本的綜合污染指數(shù)，利用IDW法進(jìn)行綜合污染指數(shù)的空間分布預(yù)測(圖4、表5)，結(jié)果顯示絕大部分水田土壤處理于安全或警戒限等級，污染主要集中在南部和北部.

圖4 基于重金屬污染風(fēng)險篩選值的污染等級空間分布

Figure 4 The spatial distribution of pollution class of heavy metals based on Soil Pollution Risk Filter Values

對各等級的水田土壤面積進(jìn)行統(tǒng)計(表5)，安全面積占64.66%，警戒限面積占13.66%，輕度污染面積占18.93%，中度污染面積占2.00%，重度污染面積占0.75%.

表5基于重金屬污染風(fēng)險篩選值的污染等級面積統(tǒng)計

Table5TheareastatisticsofpollutionclassofheavymetalsbasedonSoilPollutionRiskFilterValues

污染等級面積/km2占比/%安全295.7964.66警戒限62.4813.66輕度污染86.5818.93中度污染9.162.00重度污染3.450.75

2.5 土壤重金屬相關(guān)性及來源分析

通過對6種重金屬元素進(jìn)行Pearson相關(guān)性檢驗(yàn)(0.01水平雙側(cè))，結(jié)果顯示：3種重金屬Cd、As、Pb呈顯著相關(guān)，可能有類似來源；Cr、Cu顯著相關(guān)，可能有類似來源；而Hg元素與其他重金屬元素之間無顯著相關(guān)，表明其可能有較獨(dú)立的來源.

針對以上相關(guān)性分析取得的3種可能存在的不同重金屬來源，通過因子分析(主成分分析)，采用具有Kaiser標(biāo)準(zhǔn)化的正交旋轉(zhuǎn)法旋轉(zhuǎn)，提取3個主成分因子(特征值均大于1)，主成分因子方差(貢獻(xiàn)率)依次為26.624%、22.759%、17.145%，累積方差為66.528%(表6). 對各主成分的影響及重金屬來源分析如下：

(1)Cd、As、Pb主要受第1主成分因子影響，成分得分依次為0.477、0.471、0.417(表6). 結(jié)合廣東省土壤背景值和當(dāng)?shù)匚廴驹礌顩r，與其他學(xué)者研究相似[24]，其主要來源可能為成土母質(zhì)有關(guān)，南部地區(qū)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高可能因有較大的人類活動影響所致，如抽水蓄能電站等大型民生工程項目施工產(chǎn)生的大面積土壤母質(zhì)揚(yáng)塵、農(nóng)藥化肥大面積施用等[21]；此外，Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變異系數(shù)明顯較低(表1)，成分得分系數(shù)也明顯較低(表6)，與Cd、As相比，受到的人類活動干擾因素較單一、穩(wěn)定. 因此，第1主成分因子很可能為受人為干擾的土壤成土母質(zhì)因素.

(2)Cr、Cu主要受第2主成分因子影響，成分得分依次為0.595、0.620(表6). 結(jié)合當(dāng)?shù)匚廴驹礌顩r，北部地區(qū)土壤可能主要受到電線電纜工業(yè)污染的影響，導(dǎo)致Cu、Cr在土壤中的累積. 東南部地區(qū)可能主要受到新型建筑材料工業(yè)污染的影響，導(dǎo)致Cu在土壤中的累積. 因此，第2主成分因子很可能為工業(yè)污染因素.

(3)Hg主要受第3主成分因子影響，成分得分高達(dá)0.917(表6). 全區(qū)Hg無超風(fēng)險篩選值現(xiàn)象，平均值與廣東省背景值基本一致，表明其幾乎不受外部因素干擾. 因此，第3主成分因子很可能為無干擾的土壤成土母質(zhì)因素.

注:加粗字體得分?jǐn)?shù)所對應(yīng)的元素為主成分影響元素.

由于以上3個主成分累積方差僅為66.528%(表6)，為進(jìn)一步解析其它影響因子，提取第4主成分(特征值為0.760)，方差(貢獻(xiàn)率)為12.666%，累積方差為79.194%(表6). 重新提取4個主成分分析后，Pb明顯受到第4主成分的影響，得分高達(dá)1.029，而As和Cd受第1主成分影響,得分也分別提高到0.621和0.628，表明影響更為突顯；第2主成分和第3主成分的影響和得分基本不變，表明其與第4主成分無明顯關(guān)系. 結(jié)合當(dāng)?shù)匚廴驹礌顩r，第4主成分很可能為汽車尾氣等交通污染因素，說明Pb可能受到成土母質(zhì)影響的同時，也受到當(dāng)?shù)仄囄矚獾冉煌ㄓ绊?

3 結(jié)論

(1)研究區(qū)域水田土壤環(huán)境中Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，平均值與廣東省土壤背景值水平相當(dāng)，且均存在明顯低于廣州、東莞等大中城市農(nóng)田土壤中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的情況；各元素基于農(nóng)田土壤污染風(fēng)險篩選值的樣本超標(biāo)率均在10%以下，Hg未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)點(diǎn)位，且均未超過農(nóng)田土壤污染風(fēng)險管制值；中度和重度污染面積占比在3%以下，土壤環(huán)境質(zhì)量總體良好，農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標(biāo)風(fēng)險低.

(2)通過相關(guān)性分析和主成分分析，結(jié)合重金屬空間分布特征，得出重金屬的4個可能污染源因素為受人為干擾的土壤成土母質(zhì)因素、工業(yè)污染因素、無干擾的土壤成土母質(zhì)因素和交通污染因素，分別影響土壤中Cd和As、Cr和Cu、Hg、Pb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和空間變化特征. 建議該區(qū)域在發(fā)展工業(yè)經(jīng)濟(jì)、工程建設(shè)時應(yīng)該做好環(huán)境規(guī)劃和管理；交通干線等設(shè)置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離重要的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地區(qū)，并設(shè)置有效的環(huán)境屏障.

(3)研究區(qū)域內(nèi)水田宜作為“名特優(yōu)新”農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地，建議對輕度和中度污染土壤采取進(jìn)一步的生態(tài)風(fēng)險評估和農(nóng)產(chǎn)品協(xié)同監(jiān)測機(jī)制，如進(jìn)一步分析土壤重金屬形態(tài)[25]，保證農(nóng)產(chǎn)品安全；對極少數(shù)重度污染土壤采取改種非食用農(nóng)作物的措施，并加強(qiáng)環(huán)境管理和定期監(jiān)測，防止污染擴(kuò)散. 此外，土壤環(huán)境以酸性和弱酸性為主，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中也應(yīng)注意選擇合適的生產(chǎn)工藝及方式，注重種養(yǎng)結(jié)合，對土壤采取適當(dāng)?shù)恼{(diào)理措施，避免重金屬活性增強(qiáng)以向農(nóng)產(chǎn)品富集遷移.