基于GIS的農(nóng)業(yè)土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究*
——以南京市八卦洲為例

宋金茜朱 權(quán)姜小三?趙海燕梁永紅羅永霞王 強(qiáng)趙林麗

（1 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，南京 210095）

（2 江蘇省耕地質(zhì)量與農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)站，南京 210036）

基于GIS的農(nóng)業(yè)土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究*
——以南京市八卦洲為例

宋金茜1朱 權(quán)1姜小三1?趙海燕1梁永紅2?羅永霞1王 強(qiáng)1趙林麗1

（1 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，南京 210095）

（2 江蘇省耕地質(zhì)量與農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)站，南京 210036）

農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境安全受到廣泛關(guān)注，合理評(píng)價(jià)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬的風(fēng)險(xiǎn)狀況，具有現(xiàn)實(shí)和長(zhǎng)遠(yuǎn)意義。以南京市八卦洲農(nóng)業(yè)土壤為例，選取對(duì)人體危害較大的As、Cd、Cr、Hg、Pb五種重金屬元素，對(duì)表層土壤進(jìn)行采樣分析，分別采用傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)方法、農(nóng)業(yè)部發(fā)布的《全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬安全評(píng)估技術(shù)規(guī)定》（產(chǎn)地評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)方法）和改進(jìn)地累積綜合指數(shù)法對(duì)該地區(qū)農(nóng)業(yè)土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，運(yùn)用GIS地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析重金屬風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的分布特征。結(jié)果表明：5種重金屬元素的平均含量分別為11.0、0.38、92.1、0.08和34.5 mg kg-1，除元素Hg以外，均超過(guò)南京市土壤環(huán)境背景值。產(chǎn)地評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)方法表明八卦洲超過(guò)80%的耕地?zé)o重金屬風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)區(qū)零散分布在八卦洲西南部、南部以及東部地區(qū)，Cd和Pb是造成低風(fēng)險(xiǎn)的主要元素；傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)方法僅顯示了Cd元素的超標(biāo)特征；地累積指數(shù)法表明Cd、Cr、Pb三種元素受人為活動(dòng)影響較大，改進(jìn)地累積綜合指數(shù)法表明研究區(qū)總體生態(tài)狀況良好。傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)方法與產(chǎn)地評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)方法能共同識(shí)別無(wú)風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域，而產(chǎn)地評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)方法能更好地評(píng)價(jià)和劃分農(nóng)業(yè)土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，建議與改進(jìn)地累積綜合指數(shù)法結(jié)合使用，共同評(píng)估該地區(qū)農(nóng)業(yè)土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)水平、空間分布以及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)特征。

農(nóng)業(yè)土壤；重金屬；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；GIS

土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要組成部分。土壤重金屬含量與母質(zhì)、土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量以及工業(yè)化、城市化和農(nóng)村集約化程度密切相關(guān)［1］。農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染不僅會(huì)對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)不利影響，同時(shí)也會(huì)關(guān)系到食品安全和潛在的健康風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題［2］。開(kāi)展農(nóng)業(yè)土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作，可以了解農(nóng)業(yè)土壤重金屬的風(fēng)險(xiǎn)程度以及超標(biāo)元素類(lèi)型，為合理劃分農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境土壤安全等級(jí)、有效利用土地資源、土壤修復(fù)工作等提供科學(xué)依據(jù)和指導(dǎo)建議。

GIS技術(shù)應(yīng)用于土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)實(shí)現(xiàn)了從點(diǎn)狀數(shù)據(jù)到面狀信息的表達(dá)［3-4］，其中地統(tǒng)計(jì)分析被廣泛應(yīng)用于土壤重金屬的空間變異研究［5-6］。在使用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)評(píng)價(jià)指數(shù)進(jìn)行插值分析時(shí)，針對(duì)不同的目標(biāo)，對(duì)特定土地利用類(lèi)型的研究較為普遍，然而大多數(shù)研究未對(duì)相應(yīng)土地利用類(lèi)型的面積進(jìn)行提取分析，這可能會(huì)對(duì)插值評(píng)價(jià)結(jié)果中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域面積、范圍的判斷產(chǎn)生一定的影響。八卦洲是江北新區(qū)的一部分，以農(nóng)業(yè)和生態(tài)旅游業(yè)為主要發(fā)展特色，是重要的糧食蔬菜生產(chǎn)基地，對(duì)其農(nóng)業(yè)土壤進(jìn)行重金屬現(xiàn)狀風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)十分必要。我國(guó)學(xué)者在參考不同的標(biāo)準(zhǔn)和方法的基礎(chǔ)上，對(duì)八卦洲不同區(qū)域土壤重金屬的濃度以及分布特征分別進(jìn)行了研究［7-11］，雖取得了一些研究成果，但缺乏對(duì)評(píng)價(jià)方法以及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)和創(chuàng)新。而且由于采樣時(shí)期、區(qū)域、評(píng)價(jià)方法以及標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的差異，研究結(jié)果難以進(jìn)行比較，尚沒(méi)有一種公認(rèn)的可廣泛接受的模型或方法能全面評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)土壤重金屬的風(fēng)險(xiǎn)程度［12-13］。鑒于農(nóng)業(yè)部于2015年10月發(fā)布了《全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬安全評(píng)估技術(shù)規(guī)定》，其中修改了相關(guān)重金屬元素在農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤中的含量限值，并在單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上提出了最大單項(xiàng)指數(shù)法，用于采樣點(diǎn)多種重金屬元素的綜合評(píng)價(jià)，因此，有必要采用該產(chǎn)地評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)八卦洲農(nóng)業(yè)土壤重金屬進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，并對(duì)原有評(píng)價(jià)方法進(jìn)行改進(jìn)，與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)方法評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行比較。

本研究針對(duì)八卦洲農(nóng)業(yè)土壤中As、Cd、Cr、Hg、Pb五種重金屬元素，分別以南京市背景值、國(guó)家土壤環(huán)境二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值和農(nóng)業(yè)部發(fā)布的“農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤安全評(píng)估參比值”為基準(zhǔn)，采用單因子與多因子結(jié)合的評(píng)價(jià)方法，對(duì)該地區(qū)農(nóng)業(yè)土壤重金屬進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，并通過(guò)ArcGIS10.2的地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)各綜合評(píng)價(jià)指數(shù)進(jìn)行插值分析，劃分風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分布區(qū)，綜合評(píng)價(jià)八卦洲農(nóng)業(yè)土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)狀況，比較各評(píng)價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

八卦洲位于30°10′N(xiāo)、118°49′E，行政區(qū)域面積56 km2，處于南京市棲霞區(qū)西北部，與六合區(qū)、浦口區(qū)共同組成南京江北新區(qū)，是長(zhǎng)江中僅次于崇明島和揚(yáng)中島的第三大島。八卦洲屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，具有四季分明、溫暖濕潤(rùn)、雨量集中的特點(diǎn)，降雨過(guò)程多發(fā)生在6—9月，其多年平均降雨量為1 000～1 100mm，多年平均氣溫為15.4℃，常年盛行東南風(fēng)和東北風(fēng)。洲上地勢(shì)低平，總體呈現(xiàn)西北略高、東南略低的格局。土壤類(lèi)型主要有水稻土和灰潮土，成土母質(zhì)主要為長(zhǎng)江沖積物，以種植特種蔬菜為主，是江蘇省最大的“野八鮮”生產(chǎn)基地，有“江中綠島”和“中國(guó)蘆蒿第一鄉(xiāng)”之稱(chēng)。洲兩岸匯聚了許多大型企業(yè)，洲東南有南京新生圩港和南京新港開(kāi)發(fā)區(qū)，洲北有南京鋼鐵集團(tuán)、南京熱電廠、華能南京電廠、南化集團(tuán)、揚(yáng)子石化等國(guó)家特大型企業(yè)。

1.2 采樣點(diǎn)布設(shè)

為了全面調(diào)查研究區(qū)土壤重金屬含量狀況和減少局部突變性信息的遺漏［14］，采用ArcGIS10.2進(jìn)行網(wǎng)格布點(diǎn)。具體步驟：（1）創(chuàng)建大小為0.667 km2的網(wǎng)格（Create Fishnet）：在八卦洲行政邊界圖上創(chuàng)建816.5m×816.5m的網(wǎng)格，并與該地土地利用圖合并（Union）；（2）生成中心點(diǎn)（Feature To Point）：將八卦洲的耕地選中為目標(biāo)區(qū)塊，在網(wǎng)格內(nèi)部生成中心點(diǎn)；（3）篩選（Select by Attributes）：每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)僅保留一個(gè)中心點(diǎn)，保證該點(diǎn)所代表的區(qū)塊面積大于0.334 km2；（4）校驗(yàn)：使用該地區(qū)高精度的遙感圖逐點(diǎn)校正采樣點(diǎn)的位置，根據(jù)高清顯示的地物信息適當(dāng)刪除或移動(dòng)采樣點(diǎn)。最終生成66個(gè)采樣點(diǎn)，對(duì)其轉(zhuǎn)換坐標(biāo)并添加經(jīng)緯度屬性，分幅制作采樣點(diǎn)位置圖以及相應(yīng)的經(jīng)緯度信息表。

1.3 樣品采集與分析

土壤樣品采集時(shí)間為2015年6月，將采樣點(diǎn)位置的相關(guān)圖表交由江蘇省耕地質(zhì)量與農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)站，由相關(guān)工作人員完成采樣，中心點(diǎn)由差分GPS定位并記錄，導(dǎo)入到ArcGIS10.2中根據(jù)經(jīng)緯度信息生成實(shí)際采樣點(diǎn)分布圖，見(jiàn)圖1。每個(gè)樣點(diǎn)采用梅花形采樣法采集5個(gè)以上子樣組成一個(gè)混合樣品，采樣深度為0～20cm，剔除土壤樣品與金屬采樣器接觸的部分后，放入聚乙烯塑料袋內(nèi)保存。將土壤樣品自然風(fēng)干，剔除樣品中植物根系、殘?jiān)翱梢?jiàn)侵入體，用木制工具碾碎，用瑪瑙研缽研磨過(guò)100目尼龍篩［15］。土樣的測(cè)定分析所用試劑、標(biāo)準(zhǔn)溶液配置以及儀器工作參數(shù)均遵循相關(guān)技術(shù)要求規(guī)范［16］，分析數(shù)據(jù)由江蘇省耕地質(zhì)量與農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)站提供。As、Hg含量用氫化物發(fā)生原子熒光光譜法（HG-AFS）分析；Cd含量用石墨爐原子吸收光譜法（GF-AAS）分析；Cr、Pb含量采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICP-AES）分析。樣品分析質(zhì)量水平由重復(fù)性檢驗(yàn)的方式監(jiān)控。

圖1 八卦洲采樣點(diǎn)分布及地理位置圖Fig. 1 Distribution map of soil sampling points and geographical location map of the Baguazhou

1.4 評(píng)價(jià)方法

評(píng)價(jià)方法包括單因子評(píng)價(jià)和多因子綜合評(píng)價(jià)，常用的單因子評(píng)價(jià)方法包括單因子指數(shù)法和地累積指數(shù)法等［17］。單因子指數(shù)法對(duì)土壤中的某一元素的風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，其計(jì)算公式為：

式中，Pi為土壤中該元素的單因子指數(shù)；Ci為元素的實(shí)測(cè)濃度；Si為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表1）。農(nóng)業(yè)部發(fā)布的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬安全評(píng)估參比值，在國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了修改和調(diào)整。由表1可以看出，農(nóng)業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)對(duì)元素As、Pb、Cr按照水稻地、蔬菜地及其他農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地進(jìn)行分類(lèi)，有別于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中按照水田和旱地進(jìn)行分類(lèi)，并且對(duì)于元素Pb的限值進(jìn)行了較大的修改，其他元素的限值也進(jìn)行了不同幅度的調(diào)整。因此本文分別采用兩種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行單因子指數(shù)的計(jì)算，以比較新老標(biāo)準(zhǔn)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。

在單因子指數(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的多因子綜合評(píng)價(jià)方法包括最大單項(xiàng)指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法等。其中最大單項(xiàng)指數(shù)法是農(nóng)業(yè)部環(huán)境檢測(cè)總站針對(duì)全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤規(guī)定的綜合評(píng)估方法，即按點(diǎn)位單項(xiàng)指數(shù)Pi的最大值Pimax來(lái)確定各個(gè)點(diǎn)位的安全等級(jí)。內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法［17］同時(shí)考慮了污染物的平均值和最大值，其計(jì)算公式如下：

地累積指數(shù)法由德國(guó)海德堡大學(xué)沉積物研究所的科學(xué)家Muller［19］在1969年提出，用于定量評(píng)價(jià)沉積物中的重金屬污染程度。該指數(shù)不僅反映了重金屬分布的自然變化特征，而且可以判別人為活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響［20］。其計(jì)算公式為：

式中，Igeo為地累積指數(shù)；Ci為元素的實(shí)測(cè)濃度；K是考慮各地巖石差異可能會(huì)引起背景值的變動(dòng)而取的系數(shù)（一般取值為K =1.5）；Bi為該元素的地球化學(xué)背景值。

在分別使用最大單項(xiàng)指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對(duì)研究區(qū)土壤重金屬進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分時(shí)，為了進(jìn)一步比較多因子評(píng)價(jià)方法的結(jié)果差異，本研究在地累積指數(shù)法的基礎(chǔ)上創(chuàng)建了改進(jìn)地累積綜合指數(shù)法。該方法考慮了重金屬的潛在生態(tài)毒性［21-22］，對(duì)各元素的地累積指數(shù)進(jìn)行加權(quán)求和，以評(píng)價(jià)采樣區(qū)域由于人為因素對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的綜合風(fēng)險(xiǎn)程度，計(jì)算公式為：

表1 土壤重金屬元素相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［18］Table 1 Relevant standards for heavy metals in soil

式中，I為改進(jìn)地累積綜合指數(shù)；Igeo為各元素的地累積指數(shù)；Ti為元素i的毒性因子權(quán)重；Tir為元素i的毒性系數(shù)［23］（As 、Cd、 Cr、 Hg、 Pb的毒性系數(shù)分別為10、30、2、40、5）；T為這五種重金屬毒性系數(shù)的和。表2為以上每種評(píng)價(jià)指數(shù)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

表2 評(píng)價(jià)指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 The classification standard of evaluation index

1.5 統(tǒng)計(jì)分析與制圖

利用Microsoft Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和統(tǒng)計(jì)分析，采用SPSS 20進(jìn)行重金屬元素的相關(guān)性分析。點(diǎn)位風(fēng)險(xiǎn)率只能揭示采樣點(diǎn)的重金屬風(fēng)險(xiǎn)特征，要對(duì)八卦洲農(nóng)業(yè)土壤進(jìn)行全面評(píng)價(jià)需借助軟件ArcGIS10.2中的地統(tǒng)計(jì)分析（Geostatistical Analyst）模塊進(jìn)行空間預(yù)測(cè)以及誤差驗(yàn)證。本研究側(cè)重對(duì)評(píng)價(jià)方法的比較以及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的空間分布特征，因此分別對(duì)P、Pimax、I三種綜合評(píng)價(jià)指數(shù)進(jìn)行空間插值分析，選擇的空間預(yù)測(cè)模型為反距離權(quán)重（Inverse Distance Weighting，IDW）空間插值法。該方法是基于Tobler定理提出的一種空間確定性插值方法，其原理是通過(guò)計(jì)算未測(cè)量點(diǎn)附近各個(gè)點(diǎn)的測(cè)量值的加權(quán)平均來(lái)進(jìn)行插值，根據(jù)空間自相關(guān)性原理，在空間上越靠近的事物或現(xiàn)象越相似，則其在最近點(diǎn)處取得的權(quán)值最大［24］。反距離權(quán)重插值法僅考慮已知樣點(diǎn)與未知樣點(diǎn)的距離遠(yuǎn)近，而不考慮它們之間的空間分布及方位關(guān)系，適用于樣本數(shù)較少的空間插值。針對(duì)本研究目標(biāo)，選擇反距離權(quán)重插值方法，插值底圖為八卦洲1∶2萬(wàn)耕地分布圖（2009年）［25］，為了解插值的精度，對(duì)其進(jìn)行誤差驗(yàn)證。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)的空間分布制圖具體步驟為：①插值（IDW）：創(chuàng)建訓(xùn)練子集和測(cè)試子集，樣本數(shù)分別為60和6，將訓(xùn)練子集進(jìn)行反距離權(quán)重插值；②驗(yàn)證（Validation）：使用測(cè)試子集進(jìn)行驗(yàn)證，統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)值與真實(shí)值之間的平均誤差（ME）和均方根誤差（RMSE），ME接近0，RMSE越小，則預(yù)測(cè)誤差越小，精度越高；③輸出（Export）：將插值結(jié)果輸出為柵格單元大小為50 m×50 m的圖層，并用八卦洲的耕地分布圖對(duì)其進(jìn)行掩模提??；④重分類(lèi)（Reclassify）：按照評(píng)價(jià)指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（表2）對(duì)風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)行分級(jí)，根據(jù)各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)的像元個(gè)數(shù)計(jì)算該等級(jí)所占面積百分比，進(jìn)而制得八卦洲農(nóng)業(yè)土壤重金屬綜合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分布圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤重金屬含量特征

對(duì)土壤重金屬含量實(shí)測(cè)值進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表3。5種重金屬元素的含量均值分別為11.0、0.38、92.1、0.08、34.5 mg kg-1，標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.44、0.16、16.71、0.06、7.28 mg kg-1，除Hg以外，其余四種重金屬元素的含量均值和中值均超過(guò)南京地區(qū)土壤元素背景值。變異系數(shù)介于0.18～0.69之間，可以反映元素在土壤中的變異性和均勻性。變異程度大小為Hg＞Cd＞As＞Pb＞Cr，其中Hg和Cd的變異系數(shù)均達(dá)到0.4以上，分別屬于強(qiáng)變異和中等變異，空間變異相對(duì)顯著，易受人為活動(dòng)影響；As、Cr、Pb的變異系數(shù)均在0.2左右，屬于弱變異性，說(shuō)明這三種元素受外界影響比較小，空間變異相對(duì)不顯著，可能具有同源性。偏度是統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分布偏斜方向和程度的度量，偏度為零表示數(shù)值相對(duì)均勻地分布在平均值的兩側(cè)，5種元素的偏度系數(shù)均為正，說(shuō)明數(shù)據(jù)為右偏離，可能是由于人為活動(dòng)等造成重金屬元素不斷富集的現(xiàn)象。峰度表征概率密度分布曲線在平均值處峰值高低的特征數(shù)，峰度系數(shù)表明Cd、Hg的數(shù)據(jù)分布較為集中，As、Cr、Pb的數(shù)據(jù)分布較為分散。Pearson相關(guān)性分析表明（表4）：As與Cr、Pb相互之間有極顯著相關(guān)性，進(jìn)一步證明了這三種元素的同源性。Cd、Cr、Hg和Pb相互之間相關(guān)性極顯著，容易有復(fù)合污染或同源性。

表3 八卦洲土壤重金屬含量基本統(tǒng)計(jì)特征Table 3 Statistical characteristics of soil heavy metal contents in Baguazhou（n=66）

表4 不同重金屬之間的相關(guān)性Table 4 Pearson correlation analysis of the 5 heavy metals in the soil（n=66）

2.2 土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)

將單因子指數(shù)與綜合評(píng)價(jià)指數(shù)分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表5），可以看出：根據(jù)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)得到單因子指數(shù)P1的平均值大小為Cd＞As＞Cr＞Hg＞Pb，均小于1，說(shuō)明土壤中五種重金屬元素的濃度均值均不超標(biāo)，總體上符合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求；內(nèi)梅羅綜合指數(shù)P的平均值為0.62，小于0.7，屬于安全生產(chǎn)級(jí)別。按照農(nóng)業(yè)部發(fā)布的《全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬安全評(píng)估技術(shù)規(guī)定》中的限值計(jì)算的單因子指數(shù)P2的平均值大小為Cd＞As＞Pb＞Cr＞Hg，均小于1，屬于無(wú)風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，與P1相比，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)元素Pb的規(guī)定更加嚴(yán)格；最大單項(xiàng)指數(shù)Pimax的均值為0.87，小于1，說(shuō)明采樣區(qū)整體土壤重金屬狀況良好。地累積指數(shù)Igeo的平均值大小為Cd＞Cr＞Pb＞As＞Hg，其中只有Cd和Cr的地累積指數(shù)均值大于0，分別為0.36和0.03，具有輕微風(fēng)險(xiǎn)，改進(jìn)地累積綜合指數(shù)平均值為-0.52，小于0，說(shuō)明總體上人為活動(dòng)對(duì)重金屬的輸入未造成八卦洲農(nóng)業(yè)土壤生態(tài)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)評(píng)價(jià)指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（表2）計(jì)算有風(fēng)險(xiǎn)的樣本所占總體樣本的百分比，用點(diǎn)位風(fēng)險(xiǎn)率表示?？傮w來(lái)看，大部分有風(fēng)險(xiǎn)的點(diǎn)位處于Ⅱ級(jí)低風(fēng)險(xiǎn)水平。其中，P1顯示分別有13個(gè)和1個(gè)樣本的Cd元素處于Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)水平，元素Cd的點(diǎn)位風(fēng)險(xiǎn)率約為21.2%；P2顯示元素Cd和Pb的點(diǎn)位風(fēng)險(xiǎn)率分別為19.7%和7.6%，除一個(gè)樣點(diǎn)外均處于Ⅱ級(jí)水平；Igeo顯示約80%、59%和32%的土壤樣點(diǎn)分別存在Cd、Cr和Pb元素輕微風(fēng)險(xiǎn)。內(nèi)梅羅綜合指數(shù)、最大單項(xiàng)指數(shù)以及改進(jìn)地累積綜合指數(shù)顯示分別有10.6%、23%和3%的土壤樣點(diǎn)處于風(fēng)險(xiǎn)水平。其中有極個(gè)別樣點(diǎn)達(dá)到Ⅲ級(jí)或Ⅳ級(jí)，即中等—高風(fēng)險(xiǎn)，需加密布點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

表5 土壤重金屬評(píng)價(jià)指數(shù)結(jié)果Table 5 Statistics of evaluation indices of soil heavy metals

2.3 土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分布特征

將三種綜合評(píng)價(jià)方法得到的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)P、I、Pimax分別進(jìn)行空間插值（圖2）?？梢钥闯觯趦?nèi)梅羅綜合指數(shù)P得到該區(qū)域有三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)：無(wú)風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域占八卦洲耕地的70.2%，符合安全生產(chǎn)級(jí)別；低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)所占面積為27.5%，屬于安全生產(chǎn)的警戒線，這些地區(qū)的土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)需引起關(guān)注，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)工作；高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)所占面積僅為2.3%，主要分布在八卦洲南部和東部，分布較零散，主要受元素Cd的分布影響，這可能與八卦洲東南有較多大型工廠企業(yè)的分布有關(guān)，需加緊污染源的排查和管控，開(kāi)展土壤修復(fù)工作。基于改進(jìn)地累積綜合指數(shù)I同樣得出三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)：八卦洲約98.7%的耕地處于Ⅰ級(jí)，即考慮到各元素的生態(tài)毒性差異，大部分耕地的重金屬累積程度未對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境造成危害；西南角極少地區(qū)有較為突出的重金屬累積以及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，可能與元素Cd、Pb以及Cr的復(fù)合污染有關(guān)?；谧畲髥雾?xiàng)指數(shù)Pimax得到該地區(qū)有四個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)：Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)的區(qū)域面積分別占八卦洲耕地的81.5%和17.9%，其中Ⅱ級(jí)，即低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在八卦洲南部和東部，Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)的區(qū)域面積共占0.6%，位于西南角地區(qū)，主要是Cd和Pb兩種元素的超標(biāo)導(dǎo)致了最大單項(xiàng)指數(shù)的風(fēng)險(xiǎn)分布特征。對(duì)插值精度進(jìn)行驗(yàn)證得到，P、I、Pimax三項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的預(yù)測(cè)值平均誤差ME分別為-0.05、-0.11、-0.02，即反距離權(quán)重插值法對(duì)三種評(píng)價(jià)指數(shù)的預(yù)測(cè)結(jié)果略微低于實(shí)測(cè)水平，均方根誤差RMSE分別為0.24、0.26、0.21，結(jié)果均在0.25左右，在允許的誤差范圍之內(nèi)。

綜上所述，三種綜合評(píng)價(jià)方法均能識(shí)別八卦洲北部以及西部土壤安全區(qū)域，對(duì)于西南部重金屬風(fēng)險(xiǎn)較高的點(diǎn)位同樣能識(shí)別，后期需對(duì)該點(diǎn)加密監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步勘察。內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法與最大單項(xiàng)指數(shù)法在采用不同的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上得出的風(fēng)險(xiǎn)分布規(guī)律大體相似，前者結(jié)合單因子指數(shù)的最大值與平均值進(jìn)行綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，平均值會(huì)削弱風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，對(duì)于某些整體狀況良好，然而存在個(gè)別元素含量較高的區(qū)域判定可能有一定的影響，而后者通過(guò)最大值的方法可以很好地揭示有任何元素超標(biāo)的區(qū)域分布特征，對(duì)于土壤風(fēng)險(xiǎn)的排查以及重金屬元素的超標(biāo)統(tǒng)計(jì)具有重要意義。改進(jìn)地累積綜合指數(shù)法從人為活動(dòng)以及生態(tài)危害的角度評(píng)價(jià)土壤重金屬的風(fēng)險(xiǎn)特征，顯示了該地區(qū)的總體生態(tài)環(huán)境處于良好的狀態(tài)。

圖2 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)分級(jí)圖（a）、改進(jìn)地累積綜合指數(shù)分級(jí)圖（b）與最大單項(xiàng)指數(shù)分級(jí)圖（c）Fig. 2 Grading map of Nemerow comprehensive pollution index（a），Improved geo-accumulation comprehensive index（b）and Maximum single factor index（c）

3 結(jié) 論

八卦洲農(nóng)業(yè)土壤中元素Cd、Cr、Pb均有不同程度的超標(biāo)，其中Cd元素的風(fēng)險(xiǎn)狀況應(yīng)引起重視。風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布以西南地區(qū)最嚴(yán)重，其次為南部和東部的部分地區(qū)，這可能與八卦洲岸邊分布的大中型工廠企業(yè)有關(guān)，具體風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源有待進(jìn)一步研究。針對(duì)與人類(lèi)生活飲食緊密相關(guān)的糧食蔬菜產(chǎn)地，農(nóng)業(yè)部產(chǎn)地評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)對(duì)土壤中部分元素的監(jiān)控更加嚴(yán)格，對(duì)農(nóng)業(yè)土壤普查和重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作更加適宜。最大單項(xiàng)指數(shù)法簡(jiǎn)單直觀，針對(duì)土壤調(diào)查中超標(biāo)區(qū)域的判定以及風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別的劃分有較好的適用性，改進(jìn)地累積綜合指數(shù)法可以反應(yīng)人為活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的影響，兩種方法可結(jié)合使用，全面評(píng)價(jià)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)與生態(tài)環(huán)境安全，對(duì)農(nóng)業(yè)土壤的安全生產(chǎn)等級(jí)調(diào)查以及土壤修復(fù)工作具有十分重要的意義。

致 謝感謝江蘇省耕地質(zhì)量與農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)站提供數(shù)據(jù)支撐，感謝國(guó)家地球系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)（http：//nnu.geodata.cn）提供地理數(shù)據(jù)。

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GIS-Based Heavy Metals Risk Assessment of Agricultural Soils —A Case Study of Baguazhou，Nanjing

SONG Jinxi1ZHU Quan1JIANG Xiaosan1?ZHAO Haiyan1LIANG Yonghong2?LUO Yongxia1WANG Qiang1ZHAO Linli1
（1 College of Resources and Environmental Sciences，Nanjing Agricultural University，Nanjing 210095，China）
（2 Jiangsu Station of Farmland Quality and Agricultural Environment Protection，Nanjing 210036，China）

【Objective】Safety of agricultural producing areas has become an extensive concern. Heavy metal pollution of agricultural soils not only brings about adverse effects on the soil ecosystem，but also is closely related to food safety and potential health hazard. How to assessment the risk of heavy metals pollution of agricultural soils is of some practical and far-reaching significance. Therefore，it is a very urgent task to investigate the status of heavy metals in agricultural soils and assess the risk with a variety of assessment methods. The findings in this study may help decision-makers select appropriate assessment methods for rational assessment and zoning of the agricultural producing area and remedy contaminated soils scientifically. 【Method】Taking the agricultural soil in Baguazhou Town of Nanjing as an example，this study focused on the five heavy metal elements，i.e. As，Cd，Cr，Hg and Pb，that are relatively more harmful than the others to the human body and analyzed the soil samples collected from the surface soil layer（0～20cm）in 2015. In October 2015，the Chinese Ministry of Agriculture promulgated the“National technical regulations for safety assessment of heavy metals in agricultural producing areas”（Standard Methods for Producing Areas），which has modified the criteria of some relevant elements and specified the use of a new method called the maximum single factor index method for assessing integrated risk of heavy metals in agricultural soils. It is necessary to adopt the specific standard and method to do the assessment. The study used the Traditional Standard Method（T-SM）and the Standard Method for Producing Areas（PA-SM）to assess the risk of heavy metals in the study area and compared the two methods for differences. Furthermore，an Improved Geoaccumulation Comprehensive Index Method（IG-M）was created to assess the ecological risk of heavy metals in the study area. With the aid of GIS geostatistics，spatial distribution of different heavy metals risk levels was characterized. The inverse distance weighting interpolation method was used in this study.【Result】Results show that the average concentration of As，Cd，Cr，Hg and Pb was11.0，0.38，92.1，0.08 and 34.5 mg kg-1，respectively. All of them，except for Hg，were beyond their background values in Nanjing. The elements of Cd，Cr and Pb exceeded the criteria for soil quality to a varying extent，especially Cd，which should be paid more attention to. The use of PA-SM found that over 80% of arable land in Baguazhou was riskfree and Cd and Pb were the main factors that posed a low risk. Risk areas scattered across the southwest，south and east parts of Baguazhou，which may be associated with the distribution of large and medium factories and plants，while the use of T-SM displayed that only Cd exceeded the standard. The use of PASM revealed that the risks of Cd，Cr and Pb were relatively high due to human activities，while the use of the IG-M disclosed that the study area as a whole was good in ecology.【Conclusion】Generally speaking，the agricultural environment of Baguazhou was good，but the risk area in the south needs intensive monitoring andadoption of pollution control measures. T-SM and PA-SM can work together to identify risk-free region，but PA-SM can better evaluate and divide risk areas. Therefore，it is recommended to use PA-SM in conjunction with IG-M to assess risk levels，spatial distribution and ecological risk of the heavy metals in the agricultural soil of the region.

Agricultural soil；Heavy metals；Risk assessment；GIS

X82

A

10.11766/trxb201603100033

（責(zé)任編輯：檀滿(mǎn)枝）

* 國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)（2012ZX07101-009）和江蘇省農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地安全智慧管控系統(tǒng)項(xiàng)目（JSZC-G2015-039）共同資助 Supported by the National water pollution control and management technology major projects（2012ZX07101-009）and Intelligent management system for safety of agricultural producing area of Jiangsu Province，China（JSZC-G2015-039）

? 通訊作者 Corresponding author，E-mail：gis@njau.edu.cn；1597152683@qq.com

宋金茜（1994—），女，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，主要從事土壤資源環(huán)境遙感與信息系統(tǒng)研究。E-mail：412883774@qq.com

2016-03-10；

2016-07-30；優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2016-09-19