基于GIS 的江西省耕地土壤重金屬污染評(píng)價(jià)研究

林世滔，李 琳，盧志紅，朱美英

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 國(guó)土資源與環(huán)境學(xué)院，江西 南昌 330045)

隨著工農(nóng)業(yè)和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的發(fā)展，加上礦產(chǎn)的過(guò)度開(kāi)采，金屬加工、機(jī)器制造、冶煉、電鍍等工業(yè)“三廢”的大量排放，農(nóng)藥、化肥及飼料的不合理施用等原因［1-2］，導(dǎo)致耕地的土壤重金屬元素富集，從而引起土壤污染和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的惡化，進(jìn)而影響農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全和人體健康。因此研究區(qū)域土壤重金屬的來(lái)源、含量和空間分布、環(huán)境質(zhì)量和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等污染狀況受到越來(lái)越多的關(guān)注。

江西省礦產(chǎn)資源豐富，在取得巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，由于不合理的排放“三廢”導(dǎo)致重金屬進(jìn)入農(nóng)田，50 年代以來(lái)江西省水稻優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)農(nóng)田污染Cu、Cd 嚴(yán)重并一直呈富集趨勢(shì)，而江西省是國(guó)家重要的糧食生產(chǎn)基地，其糧食產(chǎn)量和品質(zhì)是江西省糧食產(chǎn)量安全的重要保證。近年來(lái)許多學(xué)者對(duì)江西省土壤重金屬污染進(jìn)行了研究，有對(duì)全省土壤重金屬污染研究［3-4］，也有從水稻優(yōu)勢(shì)主產(chǎn)區(qū)［5］，礦區(qū)［6］，城郊［7-8］，茶園［9］等局部區(qū)域進(jìn)行調(diào)查研究。為江西省的土壤重金屬污染狀況研究積累了豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。但是目前缺少對(duì)全省范圍耕地土壤重金屬污染狀況的綜合評(píng)價(jià)，同時(shí)缺少全省污染空間分布狀況的可視化表達(dá)。本文試從全省的角度利用統(tǒng)計(jì)、GIS 等技術(shù)手段，獲得江西省耕地土壤重金屬的污染情況，采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法相結(jié)合進(jìn)行評(píng)價(jià)，最后通過(guò)GIS 的空間插值對(duì)全省耕地土壤重金屬污染狀況進(jìn)行空間表達(dá)，從而為全省耕地的土壤重金屬污染物的控制和修復(fù)提供參考。

1 材料和方法

1.1 樣品采集和處理

本次采樣根據(jù)GPS 定位，充分考慮全省農(nóng)田分布特點(diǎn)，采用代表性地塊定點(diǎn)采樣法選取水田和旱地共370 個(gè)土壤樣點(diǎn)(圖1)，均按5 點(diǎn)采樣法采集土壤耕作層(0～20 cm)的土樣，再按四分法取土樣1 kg 左右。采集樣品進(jìn)行室內(nèi)風(fēng)干、碾碎過(guò)尼龍篩，制備成1 mm 和0.149 mm的分析樣品。

1.2 測(cè)定方法與數(shù)據(jù)處理

土樣重金屬Pb、Zn、Cu 測(cè)定方法參照《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618—1995)［10］完成。再將元素含量測(cè)試分析數(shù)據(jù)整理錄入計(jì)算機(jī)，建立基本的數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)SPSS 19.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)檢驗(yàn)分析，然后利用ArcGIS10.2 進(jìn)行空間插值繪制出江西省耕地土壤重金屬污染狀況分布圖。

1.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

本文評(píng)價(jià)的是江西省耕地土壤重金屬污染狀況，采取的是《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618—1995)的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(農(nóng)業(yè)用地標(biāo)準(zhǔn))，具體標(biāo)準(zhǔn)值見(jiàn)表1。

圖1 全省采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 The distribution map of sampling points in the Jiangxi province

表1 《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618—1995)含量限值Tab.1 "Soil Environmental Quality Standard"(GB15618-1995)limits of content mg/kg

1.4 評(píng)價(jià)方法

本研究采用單因子污染指數(shù)法［11］和內(nèi)梅羅(Nemerow)污染綜合指數(shù)法［12］相結(jié)合對(duì)研究區(qū)土壤重金屬進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(1)單因子污染指數(shù)法是根據(jù)該污染物的單項(xiàng)污染指數(shù)對(duì)土壤中某一污染物的污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法。按下式進(jìn)行計(jì)算:

其中:Pi表示土壤污染物i 的單因子污染指數(shù);Ci為土壤中污染物i 的實(shí)測(cè)值;Si為污染物i 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值。

單因子污染指數(shù)法可以按土壤環(huán)境質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)大致分為5 個(gè)等級(jí):無(wú)污染、輕微污染、輕度污染、中度污染、重度污染，詳見(jiàn)表2。

表2 單因子指數(shù)土壤環(huán)境質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Single factor index of soil environmental quality grading standards

(2)內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法是指對(duì)多種污染物同時(shí)污染某一區(qū)域的土壤進(jìn)行綜合污染水平的評(píng)價(jià)方法。一般采用下式計(jì)算:

式中Pn表示內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù);Pi表示單因子污染指數(shù)平均值;Pimax單因子污染指數(shù)的最大值。很多學(xué)者還對(duì)內(nèi)梅羅綜合指數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，避免評(píng)價(jià)結(jié)果的片面性。姚志麒通過(guò)將式(2)中的平均值賦予較大權(quán)系數(shù)x/y(x 表示Pimax，y 表示Pi)的方法［13］，將式子改進(jìn)為:

本論文運(yùn)用改進(jìn)后的式(3)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法也按土壤環(huán)境質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)大致分為5 個(gè)等級(jí):無(wú)污染、輕微污染、輕度污染、中度污染、重度污染，詳見(jiàn)表3。

表3 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)土壤環(huán)境質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Nemerow index of soil environmental quality grading standards

2 結(jié)果和分析

2.1 土壤重金屬元素的統(tǒng)計(jì)特征值

測(cè)定370 個(gè)采樣點(diǎn)土壤pH＞7.5 的有10 個(gè)，占全部樣點(diǎn)的2.7%，pH＜6.5～7.5 的有31 個(gè)，pH＜6.5 的有329 個(gè)，占到全部樣點(diǎn)的88.92%。

對(duì)江西省耕地土壤重金屬含量的描述性統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。從變異系數(shù)來(lái)看，Pb、Zn、Cu 的變異系數(shù)范圍為0.55～0.80，變異程度由大到小為Zn＞Pb＞Cu，可見(jiàn)Pb、Cu 變異系數(shù)相對(duì)較小，Zn 的變異系數(shù)較大，說(shuō)明Zn 的空間分布差異較大。從偏度和峰度來(lái)看，Pb、Zn、Cu 含量均不符合正態(tài)分布。從最小值和最大值來(lái)看，Pb、Zn、Cu 的極差較大，這可能與耕地種植作物種類(lèi)差異、農(nóng)藥、肥料施用不同、人為因素等原因造成的。從平均值看，Pb 屬于無(wú)污染清潔狀態(tài)，Zn 和Cu 的含量高于國(guó)家農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)國(guó)家農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，土壤中Pb、Zn、Cu 樣品超標(biāo)率分別為1.89%、61.08%和42.43%。

表4 江西省耕地土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)性描述Tab.4 The statistical description of heavy metal content in cultivated soil in Jiangxi Province

2.2 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

由表5 單因子污染指數(shù)可知，單因子污染指數(shù)大于1 視為超標(biāo)，江西省耕地土壤Pb 的超標(biāo)率最小，為2.16%，僅8 個(gè)點(diǎn)位輕微污染，其余362 個(gè)點(diǎn)位無(wú)污染;Cu 的超標(biāo)率為41.62%，有124 個(gè)點(diǎn)位輕微污染，30 個(gè)點(diǎn)位為中度污染，其余216 個(gè)點(diǎn)位無(wú)污染;Zn 的超標(biāo)率達(dá)到61.35%，其中有143 個(gè)點(diǎn)位無(wú)污染，88 個(gè)點(diǎn)位輕微污染，27 個(gè)點(diǎn)位輕度污染，62 個(gè)點(diǎn)位中度污染，50 個(gè)點(diǎn)位重度污染。進(jìn)一步分析可知Pb、Zn、Cu 單因子污染指數(shù)平均值分別為0.4、2.23 和0.99，但最大值和最小值之間相差較大。根據(jù)單因子指數(shù)土壤環(huán)境質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可知:Pb 處于清潔無(wú)污染狀態(tài)，說(shuō)明全省耕地土壤尚未受到Pb 的污染。Zn 屬于輕度污染狀態(tài)，因其單因子指數(shù)Pi值最大值為7.64，說(shuō)明局部地區(qū)Zn 污染較為嚴(yán)重;Cu 介于輕微污染和輕度污染之間，說(shuō)明大部分耕地Cu 污染較輕，少數(shù)地區(qū)污染較重。表5 表明江西省耕地土壤重金屬內(nèi)梅羅污染指數(shù)為1.64，根據(jù)表3 可知全省耕地土壤Pb、Zn、Cu 綜合污染等級(jí)為輕度污染。

表5 土壤重金屬污染因子評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.5 Soil heavy metal pollution factor evaluation results

2.3 耕地土壤重金屬污染分布

空間插值能夠較好地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間表達(dá)，將采樣的點(diǎn)狀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成面狀數(shù)據(jù)，從而更好地預(yù)測(cè)模擬區(qū)域的土壤重金屬分布狀況，將全省耕地土壤重金屬Pb、Zn、Cu 空間分布狀況進(jìn)行可視化表達(dá)。樣點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)正態(tài)分布檢驗(yàn)后，Pb、Cu 適用變異函數(shù)模型進(jìn)行擬合，利用普通克里格(OK)［14］進(jìn)行插值，Zn 不符合正態(tài)分布，用此方法進(jìn)行擬合的結(jié)果不具有代表性，所以使用ArcGIS10.2 下地統(tǒng)計(jì)模塊中的反距離加權(quán)插值(IDW)［15］進(jìn)行研究。在ArcGIS 10.2 下采用Geostatistical Analyst 地統(tǒng)計(jì)模塊進(jìn)行空間插值，結(jié)果見(jiàn)圖2～4。

圖2 土壤重金屬Pb 的污染評(píng)價(jià)Fig.2 The evalution evaluation of Pb in soil

圖3 土壤重金屬Zn 的污染評(píng)價(jià)Fig.3 The pollution evaluation of Zn in soil

圖4 土壤重金屬Cu 的污染評(píng)價(jià)Fig.4 The pollution evaluation of Cu in soil

從圖2 可以看出:江西省耕地土壤重金屬Pb 的Pi值集中在0～1，污染水平為無(wú)污染，較少地區(qū)輕微污染，在圖上插值效果不明顯，表明土壤重金屬Pb較為清潔。

圖3 所示江西省耕地相當(dāng)一部分土壤Zn 的Pi值在2 以上，污染狀況不容樂(lè)觀(guān)，圖上插值效果明顯，在空間表現(xiàn)上為:贛中北地區(qū)污染較為嚴(yán)重，如九江的德安市、九江縣、星子縣、都昌縣周邊，景德鎮(zhèn)的大部分地區(qū)，宜春的靖安市、奉新縣、豐城市，撫州西北地區(qū)的東鄉(xiāng)、臨川和吉安市的安福、吉安縣、吉水縣、永豐縣等地區(qū)，而贛南土壤重金屬污染相對(duì)較輕，區(qū)域內(nèi)污染較為嚴(yán)重的有大余、安遠(yuǎn)、會(huì)昌地區(qū)，其它地方Zn 污染相對(duì)較輕。

圖4 表明江西省耕地土壤重金屬Cu 的Pi值基本上在2 以下，極少數(shù)輕度污染，部分地區(qū)輕微污染，多數(shù)地區(qū)為無(wú)污染狀況，插值效果較差，輕微污染地區(qū)主要集中在贛北的宜春東部、上饒、九江東部地區(qū)。

3 結(jié)論

(1)土壤重金屬元素的統(tǒng)計(jì)特征值表明:本研究370 個(gè)樣點(diǎn)土壤重金屬中Pb、Zn、Cu 的平均含量分別為104.55、456.05、53.44 mg/kg。而樣點(diǎn)pH 值小于6.5 的有329 個(gè)，占到全部樣點(diǎn)的88.92%。說(shuō)明江西省耕地土壤中Pb 含量低于國(guó)家農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，Cu 含量略高于國(guó)家農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，而Zn 含量是國(guó)家農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)1.82 倍。但土壤中重金屬Pb、Zn、Cu 含量存在一定程度的空間變異，其中Zn 的變異程度最大。

(2)根據(jù)江西省耕地土壤重金屬中Pb、Zn、Cu 單因子污染指數(shù)可知:江西省耕地土壤Pb 的超標(biāo)率最小，為2.16%，僅8 個(gè)點(diǎn)位輕微污染，其余362 個(gè)點(diǎn)位無(wú)污染;Cu 的超標(biāo)率為41.62%，有124 個(gè)點(diǎn)位輕微污染，30 個(gè)點(diǎn)位為中度污染，其余216 個(gè)點(diǎn)位無(wú)污染;Zn 的超標(biāo)率達(dá)到61.35%，其中有143 個(gè)點(diǎn)位無(wú)污染，88 個(gè)點(diǎn)位輕微污染，27 個(gè)點(diǎn)位輕度污染，62 個(gè)點(diǎn)位中度污染，50 個(gè)點(diǎn)位重度污染。說(shuō)明全省耕地土壤尚未受到Pb 的污染。Zn 屬于輕度污染狀態(tài)，因其單因子指數(shù)Pi值最大值為7.64，說(shuō)明局部地區(qū)Zn 污染較為嚴(yán)重;Cu 介于輕微污染和輕度污染之間，大部分耕地Cu 污染較輕，少數(shù)地區(qū)污染較重。而全省耕地土壤重金屬內(nèi)梅羅污染指數(shù)為1.64，說(shuō)明全省耕地土壤Pb、Zn、Cu 綜合污染等級(jí)為輕度污染。

(3)根據(jù)江西省耕地土壤重金屬Pb、Zn、Cu 空間分布圖可知:江西省耕地土壤重金屬Pb 地域分布上基本為無(wú)污染，較少地區(qū)輕微污染，空間插值不明顯;Zn 的污染狀況較為嚴(yán)重，在空間表現(xiàn)上各個(gè)污染水平均有體現(xiàn)，整體污染范圍廣，在礦區(qū)周邊污染嚴(yán)重。Cu 極少數(shù)地區(qū)輕度污染，部分地區(qū)輕微污染，多數(shù)地區(qū)無(wú)污染。

綜上所述，江西省耕地土壤重金屬Pb 較為清潔，說(shuō)明城市汽車(chē)尾氣排放及大氣降塵對(duì)土壤中的Pb基本上沒(méi)有造成污染，Pb 的含量主要還是受土壤母質(zhì)等因素影響。土壤重金屬Cu 的整體狀況較好，根據(jù)空間分布特征，Cu 含量高的地區(qū)除受土壤母質(zhì)和地形等因素的影響外，主要受采礦、冶煉及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中長(zhǎng)期使用含銅的農(nóng)藥波爾多液及畜禽糞便等影響［16］。土壤重金屬Zn 的污染較為嚴(yán)重，其變異系數(shù)較大，一般鉛鋅礦區(qū)周?chē)寥酪蚴懿傻V、冶煉等活動(dòng)排放的廢渣、廢水的影響，其Zn 含量很高，其次農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥、農(nóng)藥、畜禽糞便等的不合理使用導(dǎo)致耕地土壤Zn 含量升高?？梢?jiàn)，對(duì)江西省耕地土壤重金屬Zn 或Cu 污染嚴(yán)重的地區(qū)，需引起當(dāng)?shù)卣闹匾?，加?qiáng)對(duì)Zn、Cu 污染地區(qū)的治理和修復(fù)，對(duì)未污染地區(qū)更需加強(qiáng)保護(hù)，進(jìn)一步確保江西省耕地質(zhì)量，提高糧食生產(chǎn)安全。

［1］馬永剛.鉛污染現(xiàn)狀、原因及對(duì)策［J］.中國(guó)資源綜合利用，2001(2):26-28.

［2］張乃明.土壤—植物系統(tǒng)重金屬污染研究現(xiàn)狀與展望［J］.環(huán)境科學(xué)進(jìn)展，1998，7(4):330-331.

［3］黃國(guó)勤.江西省土壤重金屬污染研究［A］.中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì).2011 中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集(第二卷)，2011:1731-1736.

［4］徐昌旭，蘇全平，李建國(guó)，等.江西耕地土壤重金屬含量與污染狀況評(píng)價(jià)［A］.全國(guó)耕地土壤污染監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)研討會(huì)論文集，2006:144-148.

［5］余進(jìn)祥，劉婭菲，堯娟.江西省水稻優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)重金屬污染及累積規(guī)律［J］.江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2008，20(12):57-60.

［6］朱志軍，聶逢君，胡青華，等.江西省德興礦區(qū)土壤重金屬污染的綜合評(píng)價(jià)分析［J］.東華理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，30(4):332-336

［7］朱美英，羅運(yùn)闊，趙小敏，等.南昌市近郊蔬菜基地土壤和蔬菜中重金屬污染狀況調(diào)查與評(píng)價(jià)［J］.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27(5):781-784.

［8］劉紹貴，張?zhí)伊?，王興祥，等.南昌市城郊表層土壤重金屬污染特征研究［J］.土壤通報(bào)，2010，41(2):463-466.

［9］熊春紅.基于GIS 和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)評(píng)價(jià)江西主要茶區(qū)土壤和茶鮮葉重金屬狀況及其預(yù)測(cè)［D］.南昌:南昌大學(xué)，2011.

［10］中華人民共和國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局、國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局.GB15618-1995.中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1996-03-01.

［11］高軍俠，黨宏斌，鄭敏，等.鄭州市郊農(nóng)田土壤重金屬污染評(píng)價(jià)［J］.中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2013，29(21):116-120.

［12］胡明.大荔縣農(nóng)田土壤重金屬分布特征與污染評(píng)價(jià)［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2014，28(1):79-84.

［13］鄒建美，孫江，戴偉，等.北京近郊耕作土壤重金屬狀況評(píng)價(jià)分析［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，35(1):132-138.

［14］Seyed Hamid Ahmadi，Abbas Sedghamiz.Application and evaluation of kriging and cokriging methods on groundwater depth mapping［J］.Environ Monit Assess，2008，138:357-368.

［15］Thomas R A，Bradley S.Spatial interpolation and image-integrative geostatistical prediction of mosquitovectors for arboviral surveillance［J］.Geocarto International，2008，23(4):311-325.

［16］李伊勝，吳文暉，李佩耕，等.張家界市耕地土壤重金屬污染狀況分析及評(píng)價(jià)［J］.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2009，25(3):107-111.