土壤
—水稻系統(tǒng)重金屬空間異質(zhì)性研究—以浙江省嵊州市為例

高智群,張美劍,趙科理,傅偉軍*,高 偉(.浙江農(nóng)林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,浙江 臨安 3300；.四川阿壩州九寨溝管理局,四川 阿壩 63400)

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土壤
—水稻系統(tǒng)重金屬空間異質(zhì)性研究—以浙江省嵊州市為例

高智群1,張美劍1,趙科理1,傅偉軍1*,高 偉2(1.浙江農(nóng)林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,浙江 臨安 311300；2.四川阿壩州九寨溝管理局,四川 阿壩 623400)

摘要：在嵊州農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地共采集94對土壤—水稻樣品,研究重金屬在土壤-水稻系統(tǒng)的污染特征及空間異質(zhì)性.結(jié)果表明,土壤重金屬Cd、Cu、Ni、Pb和Zn的平均含量分別為0.20、28.64、27.03、38.51和98.74mg/kg,與背景值相比較,這些重金屬在研究區(qū)均有不同程度的累積,局部污染嚴(yán)重,但是水稻重金屬沒有超過國家規(guī)定的食品安全標(biāo)準(zhǔn),仍處于安全水平.土壤重金屬Cd、Cu、Ni、Pb和Zn都屬于中等程度變異,其變異系數(shù)分別為45.00%、46.65%、81.54%、18.07%、32.47%.地統(tǒng)計(jì)學(xué)和局部Moran’s I指數(shù)結(jié)果可識別出這五個(gè)重金屬的污染分布情況.土壤Cd、Cu、Ni和Zn的空間分布較為相似,基本為東西部含量較低,中部較高,這與工業(yè)活動和其他的人為活動有關(guān).土壤--水稻系統(tǒng)重金屬的遷移、吸收主要受土壤重金屬含量和土壤理化性狀的影響.從長遠(yuǎn)來看,重金屬污染對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)和居民健康仍有潛在的威脅.

關(guān)鍵詞：土壤--水稻系統(tǒng)；重金屬；空間變異；Moran's I；地統(tǒng)計(jì)學(xué)

* 責(zé)任作者, 副教授, fuweijun@zafu.edu.cn

近年來,隨著工業(yè)“三廢”排放量不斷增加,以及農(nóng)業(yè)自身污染的加重,土壤污染問題日益嚴(yán)重,其中重金屬作為最常見的一類環(huán)境污染物,其在土壤中的積累和對農(nóng)產(chǎn)品安全性的影響已經(jīng)引起全球的普遍關(guān)注,成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[1-4].

據(jù)報(bào)道,當(dāng)前我國受Cd、As、Cr、Pb等重金屬污染的耕地面積近2000萬hm2,約占總耕地面積的1/5,其中受Cd污染的耕地面積近1.33萬hm2,涉及11個(gè)省25個(gè)地區(qū),導(dǎo)致每年糧食減產(chǎn)1000多萬t,受污染糧食多達(dá)1200多萬t,合計(jì)經(jīng)濟(jì)損失至少達(dá)200億元[5].此外,農(nóng)作物對重金屬有一定的富集作用,其組織器官內(nèi)積累了大量的重金屬,引起農(nóng)作物的重金屬污染,直接影響農(nóng)作物的安全性.人們在長期食用受重金屬污染的農(nóng)作物后,重金屬慢慢在體內(nèi)累積,引發(fā)人體重金屬中毒.早先在日本出現(xiàn)的“痛痛病”,就是污水中的Cd通過食物鏈進(jìn)入到人體內(nèi),引發(fā)腰、腿等關(guān)節(jié)疼痛[6].

許多研究者對土壤--作物系統(tǒng)中重金屬的生物有效性以及空間遷移轉(zhuǎn)化進(jìn)行了研究[7],但是大部分研究是基于盆栽試驗(yàn)和小區(qū)田間試驗(yàn)進(jìn)行的,由于野外作物生長條件遠(yuǎn)比盆栽試驗(yàn)復(fù)雜的多,導(dǎo)致野外調(diào)查結(jié)果與盆栽試驗(yàn)結(jié)果不完全一致[8].

本文以浙江省嵊州市的土壤--水稻系統(tǒng)為研究對象,以GIS技術(shù)為基礎(chǔ),結(jié)合半方差函數(shù)和克里格插值等空間分析方法,系統(tǒng)研究水稻產(chǎn)區(qū)中土壤環(huán)境質(zhì)量與稻米重金屬含量的空間相關(guān)關(guān)系,探討重金屬元素的生物有效性、富集性和空間分布,為提高產(chǎn)地土壤環(huán)境質(zhì)量,指導(dǎo)水稻安全生產(chǎn)布局,保障農(nóng)產(chǎn)品安全和進(jìn)行人體健康的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià),提供必要的理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)與采樣地概況

嵊州市地處浙江中部偏東,地理坐標(biāo)為東經(jīng)120°49′,北緯29°35′,境內(nèi)四面環(huán)山,西北地勢較高,中部到東南地勢較低,中為盆地.全市總面積1789km2,總?cè)丝?3.4萬人.嵊州市屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候,年平均氣溫16.4℃,年平均降水量1446.8mm,糧食種植以水稻為主.嵊州市是全國第一批經(jīng)濟(jì)開放縣(市)、全國縣域經(jīng)濟(jì)基本競爭力百強(qiáng)縣市,有中國廚具之都、電聲零件之都等稱號.

在水稻收獲季節(jié),在嵊州采集了水稻籽粒及對應(yīng)的水稻田土壤樣品94對,由于水稻種植區(qū)域分布的地理位置特殊性,采樣點(diǎn)在空間分布上具有一定的不均勻性.采集時(shí)利用GPS導(dǎo)航和定位,采集土壤耕層土(0～15cm)和對應(yīng)的水稻樣品,在每個(gè)采樣點(diǎn)周圍的10m半徑圓形范圍內(nèi)設(shè)置5個(gè)子采樣點(diǎn),各子采樣點(diǎn)用竹鏟子采取耕層土壤1kg左右,對應(yīng)的水稻樣品500g左右,混勻子采樣點(diǎn)樣品.將GPS 定位數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī),利用ArcGIS對記載的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,形成采樣點(diǎn)分布圖(圖1).

1.2 樣品測定分析

土壤樣品在室溫情況下自然風(fēng)干,研磨過2mm尼龍篩子用于土壤理化分析.再從2mm的土壤樣品中取出一部分,用瑪瑙研缽研磨過100目的篩子,用塑封帶裝好,保存?zhèn)溆?

土壤理化性狀測定均采用常規(guī)分析方法[9].土壤pH和電導(dǎo)率分別采用1:2.5和1:5的土水比測定;土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測定;土壤機(jī)械組成采用比重計(jì)沉降法測定;土壤重金屬全量采用HF-HNO3-HClO4三酸消解法,重金屬Cu、Ni、Pb和Zn的含量采用火焰原子吸收分光光度法(FAAS,Perkin Elmer AA800,USA)測定,Cd含量采用石墨爐原子吸收分光光度法(GFAAS,Perkin Elmer AA800,USA)測定.

水稻植株樣品在烘箱內(nèi)105℃殺青1h,在70℃下烘干至恒重.然后脫殼,去精,磨碎,用塑封袋裝好,保存?zhèn)溆?水稻重金屬采用HNO3-H2O2消解法,重金屬Zn的含量采用火焰原子吸收分光光度法(FAAS,Perkin Elmer AA800,USA)測定,Cd、Cu、Ni和Pb含量采用石墨爐原子吸收分光光度法(GFAAS,Perkin Elmer AA800,USA)測定.

1.3 土壤重金屬污染評價(jià)

土壤重金屬元素單項(xiàng)污染因子污染指數(shù)計(jì)算公式為:

式中:Pi為土壤中污染物i的環(huán)境質(zhì)量指數(shù);Ci為污染物i的實(shí)測值,mg/kg;Si為污染物i的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),mg/kg.當(dāng)Pi≤ 1時(shí),表示土壤未受污染;當(dāng)Pi> 1 時(shí),表示土壤受污染,且Pi值越大污染越嚴(yán)重.

土壤重金屬元素綜合污染評價(jià)采用尼梅羅綜合污染指數(shù),其計(jì)算公式為:

式中:I為土壤綜合污染指數(shù),Pimax為土壤污染指數(shù)最大值,Piave為土壤污染指數(shù)平均值.尼梅羅綜合污染指數(shù)分為5個(gè)等級,當(dāng)I ≤ 0.7時(shí),表示土壤未受污染;當(dāng)0.7 < I < 1.0,表示土壤處于預(yù)警值水平;當(dāng)1.0 < I ≤ 2.0,表示土壤輕度污染;當(dāng)2.0 < I ≤ 3.0,表示土壤中等程度污染;當(dāng)I > 3.0,表示土壤重度污染.

1.4 空間自相關(guān)性分析

空間自相關(guān)是指同一個(gè)變量在不同空間位置上的相關(guān)性,是空間單元屬性值聚集程度的一種度量[10-12].空間自相關(guān)分析的基本測度是Moran’s I指數(shù),通常使用全局和局部兩種指標(biāo),全局指標(biāo)用于探測整個(gè)研究區(qū)域的空間模式,使用單一的值來反映該區(qū)域的自相關(guān)程度;局部指標(biāo)計(jì)算每一個(gè)空間單元與鄰近單元就某一屬性的相關(guān)程度,局部空間自相關(guān)(LISA)類型圖來體現(xiàn)局部Moran’s I的自相關(guān)水平,其公式是:

I標(biāo)準(zhǔn)化后可以檢驗(yàn)其顯著性水平,在Geoda分析中,I主要受權(quán)重和異常數(shù)據(jù)的影響.當(dāng)I > 0 時(shí),表示目標(biāo)樣點(diǎn)與鄰近樣點(diǎn)的觀測值比較相似,即空間集聚區(qū);當(dāng)I < 0時(shí),表示空間區(qū)域異常.

1.5 地統(tǒng)計(jì)分析

地統(tǒng)計(jì)學(xué)是以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ),以變異函數(shù)為主要工具,研究那些在空間分布上既有隨機(jī)性又有結(jié)構(gòu)性,或空間相關(guān)性和依賴性的自然現(xiàn)象的科學(xué)[10,13-17].

區(qū)域化變量的空間結(jié)構(gòu)特征,可以用半方差與偏離間距相對應(yīng)的相關(guān)曲線圖定量化,該相關(guān)曲線圖稱為半方差圖.半方差圖有3個(gè)代表性參數(shù):塊金值C0、基臺值C0+C、變程a.C0是間距為0時(shí)的半方差函數(shù)值,表示由實(shí)驗(yàn)誤差和小于實(shí)驗(yàn)取樣尺度上的隨機(jī)因素引起的變異,屬于隨機(jī)性變異;C0+C是半方差值隨間距遞增到一定程度后出現(xiàn)的平穩(wěn)值,表示系統(tǒng)內(nèi)總的變異,基臺值越大則總的空間變異程度越高;C是結(jié)構(gòu)方差,是基臺值與塊金值之間的差值,是由結(jié)構(gòu)性因素引起的,屬于結(jié)構(gòu)性變異;a是隨機(jī)變量在空間上的自相關(guān)尺度[18-19].

地統(tǒng)計(jì)學(xué)最基本的核心是克里格(Kriging)空間插值法,是一種對待估點(diǎn)值進(jìn)行的一種線性無偏最優(yōu)估計(jì).本研究利用普通克里格方法繪制重金屬空間分布圖[20-21].該方法要求數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布,根據(jù)峰度、偏度結(jié)合Kolmogorov-Smirnovc(K-S)聯(lián)合法檢驗(yàn),土壤以及水稻Pb和Zn符合正態(tài)分布,土壤Cd、Cu和Ni以及水稻Cd和Ni則不符合正態(tài)分布,因此對其進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后較好地符合正態(tài)分布,可用于克里格空間插值.

析取克里格主要是用來估計(jì)土壤重金屬含量超過指定閾值的可能性.它是基于這樣一個(gè)假設(shè),二階平穩(wěn)過程能夠在二維分布中實(shí)現(xiàn).二階平穩(wěn)性假設(shè)意味著協(xié)方差函數(shù)的存在,且變異函數(shù)是有界的.假設(shè)重金屬的濃度是一個(gè)隨機(jī)變量Z(x),x表示兩個(gè)維度的空間坐標(biāo).定義一個(gè)閾值濃度Zc,將其分割兩類,作為判斷預(yù)測值的標(biāo)準(zhǔn).將0和1分配給這兩類,作為一個(gè)新的二進(jìn)制變量或指標(biāo),用?[Z(x)≥Zc]表示.事實(shí)上,對任意點(diǎn)x0近似條件概率的估測值Z(x)等于或超過Zc[22-23].利用析取克里格描繪潛在污染區(qū)域.

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤--水稻系統(tǒng)重金屬含量

表1為嵊州產(chǎn)區(qū)水稻田土壤、水稻樣品重金屬含量的描述統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果.土壤中重金屬Cd的含量為0.07～0.80mg/kg,其平均含量為0.20mg/ kg,其余重金屬Cu、Ni、Pb和Zn的平均含量分別為28.64、27.03、38.51和98.74mg/kg.與浙江省土壤背景值[24]相比較發(fā)現(xiàn),土壤Cd、Pb的平均含量已經(jīng)超過了背景值,而土壤Cu、Ni和Zn的平均值含量尚在背景值以下.

變異系數(shù)是用來描述研究變量的變異程度.從表1中可見,土壤重金屬Cd、Cu、Ni、Pb和Zn的變異系數(shù)分別為45.00%、46.65%、81.54%、18.07%、32.47%,根據(jù)Zhang 等[25]對變異程度的分類,變異系數(shù)<10%表示弱變異,10%～90%表示中等變異,>90%表示高度變異,則土壤Cd、Cu、Ni 、Pb和Zn都屬于中等程度變異.土壤Cd具有較大的變異系數(shù)和相對較高的平均值,表明該研究區(qū)某些土壤Cd的高度富集累積特征,預(yù)示該地區(qū)土壤已受到了一定程度的Cd污染.

水稻重金屬Cd、Cu、Ni和Zn的平均含量分別為0.09、2.98、0.35、22.41mg/kg,根據(jù)中國《食品中污染物限量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 2762-2005)[26],未超過國家規(guī)定的食品安全標(biāo)準(zhǔn).而水稻Cd最大值0.64,超過標(biāo)準(zhǔn)值3倍多,表明研究區(qū)部分水稻樣品存在重金屬Cd的污染風(fēng)險(xiǎn).由表1可知,水稻重金屬Cd、Cu、Ni和Zn的變異系數(shù)分別為111.11%、36.24%、79.43%、15.80%,其中Cd的變異性最大,Zn的變異性最小.該研究區(qū)水稻Cd、Cu和Ni含量具有高度的變異性,Zn的含量則表現(xiàn)為中等程度變異性.

表1 土壤-水稻重金屬描述統(tǒng)計(jì)分析(mg/kg)Table 1 Descriptive statistics for heavy metals in soils and rice (mg/kg)

2.2 土壤重金屬富集效應(yīng)及污染分析

《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-1995)[27],是國內(nèi)普遍采用的評價(jià)土壤質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn).其中,二級標(biāo)準(zhǔn)為保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn),維護(hù)人體健康的土壤限制值.本研究中,嵊州產(chǎn)區(qū)的土壤pH值平均值為5.52,屬于酸性土壤,據(jù)此,以浙江省土壤重金屬背景值和《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-1995)[27]中二級pH<6.5的含量限值作為污染判斷閾值.

表2 嵊州產(chǎn)區(qū)土壤重金屬單因子污染指數(shù)評價(jià)結(jié)果Table 2 Assessment of soil heavy metal contamination in Shenzhou based on single factor pollution index

在表2中,以浙江省土壤背景值為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),嵊州土壤重金屬Cd、Pb的單因素污染指數(shù)平均值大于1,表明該研究區(qū)土壤已經(jīng)有重金屬Cd和Pb的累積趨勢.根據(jù)污染指數(shù),5種重金屬富集程度分別為Pb>Cd>Zn>Cu>Ni.在所有重金屬中,Pb超過背景值的樣品數(shù)最多,超標(biāo)率為90.34%,其次是Cd,超標(biāo)率為86.17%,其他重金屬也有不同程度的超標(biāo),表明該研究產(chǎn)區(qū)已受人為活動影響造成重金屬在土壤里的累積.與國家二級標(biāo)準(zhǔn)相比,該研究產(chǎn)區(qū)重金屬污染指數(shù)均值都小于1,表明重金屬在土壤中的累積還沒有威脅人體和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的安全,但是Cd、Cu、Ni、Zn仍有部分樣超過國家二級標(biāo)準(zhǔn).其中以Cd和Ni居多,分別為8.51%和17.02%,表明該地局部地區(qū)已受到了這些重金屬的污染,應(yīng)引起重視.

在表3中,為尼梅羅綜合污染指數(shù)評價(jià)結(jié)果.以背景值為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),76%的樣品數(shù)為輕度污染,10%為中度污染.以國家二級標(biāo)準(zhǔn)評價(jià),71%的樣品處在清潔等級,13%的樣品處于尚清潔等級,仍有部分樣品屬于輕度污染和中度污染,分別為14%和2%.表明嵊州土壤已較大范圍的受到重金屬污染,部分地區(qū)污染較為嚴(yán)重.

表3 嵊州產(chǎn)區(qū)土壤重金屬污染總體評價(jià)結(jié)果(%)Table 3 Overall assessment of heavy metal contamination in Shengzhou (%)

2.3 相關(guān)性分析

表4 土壤-水稻系統(tǒng)重金屬濃度與土壤理化性狀的非參數(shù)相關(guān)關(guān)系Table 4 The non-parametric correlations between heavy metals concentrations in soil-rice system and soil properties

為了說明土壤重金屬含量對水稻重金屬含量的直接影響,以及不同土壤環(huán)境生長的水稻對重金屬吸收能力的影響,引入富集系數(shù)概念,即水稻重金屬含量與土壤重金屬含量的比值.富集系數(shù)(EI)是一個(gè)用于衡量水稻對土壤重金屬遷移累積能力的重要指標(biāo)[16,23].表4為研究區(qū)土壤-水稻系統(tǒng)重金屬含量與理化性質(zhì)的Spearsman相關(guān)系數(shù)矩陣.土壤pH值是土壤重要的理化性質(zhì)之一,并被認(rèn)為是影響植物對土壤重金屬吸收的最主要因素之一[27-29].由表可知土壤pH值與除Pb以外的其余土壤重金屬含量有極顯著正相關(guān)性,并且與Cd的富集系數(shù)呈顯著相關(guān),Zn的富集系數(shù)呈極顯著相關(guān).土壤有機(jī)質(zhì)與土壤重金屬Pb含量存在極顯著相關(guān)性,與Cu的富集系數(shù)有顯著相關(guān)性,而與其他土壤重金屬沒有顯著相關(guān).土壤電導(dǎo)率與土壤重金屬Cd、Cu、Pb、Zn存在極顯著相關(guān)性,而與土壤Ni沒有顯著相關(guān)性,與Cd、Cu、Ni、Zn的富集系數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系.土壤重金屬及其富集系數(shù)和土壤理化性質(zhì)存在顯著相關(guān)性,表明作物對于重金屬的吸收與富集不僅受土壤重金屬的影響,而且與土壤理化有著密切聯(lián)系.前人研究[30-31]表明,土壤pH值和有機(jī)質(zhì)對作物吸收重金屬具有顯著性影響,并被認(rèn)為是最重要的影響因子,這與本研究一致.此外,根據(jù)土壤中重金屬含量之間的相關(guān)性可知,Cd和Cu,Pb, Zn含量極顯著相關(guān)(P<0.01),說明這4種重金屬的污染來源有可能相似[32].

2.4 空間聚類和空間異常值分析

圖2 土壤中Cu、Ni和Zn濃度的LISA局部空間自相關(guān)類型Fig.2 Local indicators of spatial association in terms of Cu, Ni and Zn concentrations in soil

圖2為土壤重金屬LISA局部空間自相關(guān)類型圖.土壤重金屬Cu、Ni、Zn在0.01水平下顯著,顯示正的空間相關(guān)性,表明在近鄰的空間位置上重金屬含量的高低與周圍樣點(diǎn)有因果關(guān)系.重金屬Cd、Pb因變程短,在0.05水平下不顯著,故不顯示.

土壤重金屬Cu、Ni和Zn高值集聚區(qū)主要分布在研究區(qū)北部和中部地區(qū),這主要與北部的工業(yè)活動相關(guān),例如,電子工業(yè)的發(fā)展,小機(jī)電零件的生產(chǎn),這些人類活動造成了周邊土壤環(huán)境中重金屬的積累.低值集聚區(qū)主要分布在西南地區(qū)和東南地區(qū),這是由于這些地區(qū)遠(yuǎn)離工業(yè)活動,仍然保持傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn),土壤受外部重金屬的污染較少.高值異常值出現(xiàn)在低值聚集區(qū)附近,這大概是由于交通污染導(dǎo)致該區(qū)域的重金屬含量較高[33].低值異常值分布在高值聚集區(qū)周圍.出現(xiàn)高低值的原因可能與人為活動有關(guān),城市化的發(fā)展,交通道路的修建,與日增多的交通污染,以及工業(yè)園區(qū)在嵊州產(chǎn)區(qū)的分布,工業(yè)污水的排放等等,這些造成了土壤重金屬污染.

2.5 土壤-水稻系統(tǒng)重金屬的空間變異結(jié)構(gòu)與空間分布

采用地統(tǒng)計(jì)方法,對嵊州研究產(chǎn)區(qū)土壤重金屬進(jìn)行半方差函數(shù)擬合,選擇最優(yōu)模型,對其空間結(jié)構(gòu)和變異程度進(jìn)行分析.嵊州產(chǎn)區(qū)土壤重金屬Cd、Cu、Pb、Ni、Zn均符合指數(shù)模型,水稻重金屬Cd、Cu、Ni也符合指數(shù)模型,而Zn則符合球狀模型(表5).

塊基比(C0/(C0+C))表示隨機(jī)部分引起的空間異質(zhì)性在系統(tǒng)總變異中所占的比例,通常可以用它來衡量變量的空間相關(guān)性,比值越小,說明空間相關(guān)性越強(qiáng).若比值<25%,則表明變量具有強(qiáng)烈空間相關(guān)性;比值介于25%～75%之間,則為中等程度空間相關(guān)性;比值>75%,則表示弱空間相關(guān)性[32].變程是分析空間變異時(shí)的重要參數(shù)和指標(biāo),反映在一定尺度下,空間相關(guān)性的作用范圍.表5顯示,重金屬Cd、Ni、Pb具有強(qiáng)空間相關(guān)性,其塊基比分別為13.9%、3.0%和7.5%,表明其空間變異主要受結(jié)構(gòu)性因素的影響,但Cd和Pb的變程最小,分別為4.74和3.30km,可以看出受人為活動如農(nóng)業(yè)施肥和工業(yè)活動的影響,其空間相關(guān)性已被大大削弱.Ni的變程最大,為12.45km,表明Ni受到土壤母質(zhì)等結(jié)構(gòu)性因素的影響較大.重金屬Cu、Zn則是中等程度空間相關(guān)性,表明其受結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性雙重因素的影響,其變程分別為10.29km和6.69km,說明受自然和人為活動的影響,比Ni的空間相關(guān)性要弱.

表5 嵊州產(chǎn)區(qū)土壤-水稻重金屬濃度的變異函數(shù)理論模型及其相關(guān)參數(shù)Table 5 Summary of the theoretical semivariogram models and the corresponding parameters for soil and rice heavy metals in Shengzhou

水稻重金屬除了Ni和Zn具有強(qiáng)空間相關(guān)性,Cd和Cu都為中等程度的空間相關(guān)性,塊基比分別為7.2%、18.5%、46.9%和38.4%.水稻Cd、Cu、Ni和Zn的變程分別為5.79、4.62、2.74和2.37km,空間自相關(guān)范圍較小,除了水稻Cd變程略高于土壤Cd,其余水稻重金屬的變程都低于土壤的,說明水稻重金屬可能受水稻本身以及環(huán)境因素的影響,削弱了空間相關(guān)性.

土壤Cd、Cu、Ni和Zn的空間分布較為相似,基本為東西部含量較低,中部較高,尤其Ni在中部地區(qū)有一塊明顯的含量較高的圖斑(圖3),位于城市中心,三界鎮(zhèn)和仙巖鎮(zhèn)等地,具調(diào)查三界鎮(zhèn)是國內(nèi)廚具和鏈輪重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)基地之一,仙巖鎮(zhèn)則五金、汽摩配件、機(jī)械制造等工業(yè)發(fā)展迅速,工業(yè)的迅猛發(fā)展帶來了重金屬污染嚴(yán)重,造成了土壤重金屬積累.這與孫銳等[33]研究相似,在其研究中,鉛鋅礦區(qū)周邊水稻土重金屬含量明顯偏高.土壤Cd由于變程較短,所以其分布圖斑較為破碎.土壤Pb的空間布局與其他重金屬相比有所不同,呈現(xiàn)西部地區(qū)含量高,中東部地區(qū)含量低.這可能因?yàn)槭芡鈦硪蛩氐挠绊戄^廣,使土壤Pb呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)性特征,削弱了其隨機(jī)性的特征.

水稻重金屬的空間布局與土壤重金屬的空間布局在一定程度上有些相似(圖4),水稻Cd在東部和西部有兩個(gè)明顯的高值區(qū),Cu和Ni都為從中間向兩邊擴(kuò)散,Zn則是在中北部含量高,南部含量低.說明土壤重金屬含量對水稻重金屬的累積有一定程度的影響,但也受其他因素的影響.

圖3 土壤重金屬含量的空間分布Fig.3 Spatial distribution of the heavy metals concentrations in soil

圖4 水稻土壤重金屬含量的空間分布Fig.4 Spatial distribution of the heavy metals concentrations in rice

現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了工農(nóng)業(yè)活動的活躍,據(jù)調(diào)查,嵊州產(chǎn)區(qū)重金屬含量較高的地區(qū),都為各工業(yè)園區(qū)所在地,同時(shí),嵊州也是農(nóng)業(yè)發(fā)展大市,農(nóng)藥、化肥的大量使用,導(dǎo)致重金屬在土壤中的積累.可見,工業(yè)化、城市化的發(fā)展與土壤重金屬的累積有著密切關(guān)系.

圖5為土壤重金屬超過標(biāo)準(zhǔn)值(表1)估計(jì)概率.由圖5可以看出,重金屬Cd高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布在北部地區(qū),其估計(jì)概率?[Cd≥0.3mg/kg]為0.103～0.107.根據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)土壤中Cd濃度超過0.3mg/kg,將導(dǎo)致環(huán)境污染,最終威脅植物和人體健康.但是,估計(jì)概率低值地區(qū)對于農(nóng)作物生長仍是安全的.重金屬Cu超過標(biāo)準(zhǔn)值100mg/kg概率的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)出現(xiàn)北部地區(qū),而且在中部區(qū)域有兩塊明顯高風(fēng)險(xiǎn)圖斑,這是由于該地區(qū)大量的工業(yè)活動.因此,高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)應(yīng)當(dāng)引起重視,加強(qiáng)防范和管理,保障農(nóng)作物生長安全.

圖5 土壤重金屬Cd和Cu估計(jì)概率Fig.5 The estimated probability map of Cd and Cu distribution in soil

3 結(jié)論

3.1 與浙江省土壤重金屬背景值相比,嵊州產(chǎn)區(qū)土壤重金屬Cd、Cu、Ni、Pb和Zn均有不同程度的累積.與國家二級標(biāo)準(zhǔn)相比,研究產(chǎn)區(qū)的土壤環(huán)境質(zhì)量總體上符合農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)的要求,但是,局部土壤污染較為嚴(yán)重.農(nóng)業(yè)化學(xué)品的長期過量使用,結(jié)合城市化與工業(yè)化等人類活動是造成嵊州土壤重金屬積累的重要原因.

3.2 土壤重金屬含量和理化性狀對水稻重金屬生物有效性有著重要影響.土壤--水稻系統(tǒng)重金屬具有明顯的空間變異結(jié)構(gòu),空間分布格局相一致.根據(jù)析取克里格分析,工業(yè)活動活躍地區(qū),也是重金屬污染高風(fēng)險(xiǎn)區(qū),說明重金屬積累威脅人體健康的潛在風(fēng)險(xiǎn)較大,因此應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控和防治.

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Heavy metal contamination in soil-rice system and its spatial variation in Shengzhou City.

GAO Zhi-qun1, ZHANG Mei-jian1, ZHAO Ke-li1, FU Wei-jun1*, GAO Wei2(1.School of Environmental and Resource Sciences, Zhejiang A&F University, Lin’an 311300, China；2.Jiuzhaigou National Park administration, Aba Autonomous Prefecture, Sichuan Province, Aba 623400, China).China Environmental Science, 2016,36(1)：215～224

Abstract：There was a total of 94 pairs of soil and rice samples were collected from Shengzhou, Zhejiang Province.The results indicated that the mean soil concentrations of five heavy metals including Cd, Cu, Ni, Pb and Zn were 0.20, 28.64, 27.03, 38.51 and 98.74mg/kg, respectively.Compared with the National Guidelines, the heavy metals were enriched in paddy soils of the study area.Part of paddy farmland was seriously contaminated by heavy metals in Shengzhou city.However, the heavy metals in rice still remained at a safe level.The Cd, Cu, Ni, Pb, Zn concentrations in paddy soil had a moderate variability coefficients of 45.00%, 46.65%, 81.54%, 18.07%, 32.47%, respectively.Kriging interpolation and the Local Moran's I were used to identify the contaminated hotspots of these five metals.It was found out that the soil Cd, Cu, Ni, Zn had a very similar spatial pattern-higher concentrations located in the middle part of the study area while relatively lower levels in the eastern and western regions, which could be attributed to industrialization and other anthropogenic activities.The accumulation and bioavailability of heavy metals in the soil-rice system may be influenced by both soil heavy metal concentrations and soil physico-chemical properties.It may pose a potential threat to local ecosystem and human health as a long-term effect.

Key words：soil-rice system；heavy metals；spatial variation；Moran's I；geostatistics

中圖分類號：X53,X171.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-6923(2016)01-0215-10

收稿日期：2015-05-27

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(41201538)

作者簡介：高智群(1992-),女,江蘇揚(yáng)州人,浙江農(nóng)林大學(xué)碩士研究生,主要研究電子垃圾重金屬時(shí)空演替特征.