福建省明溪县农地土壤重金属的空间分异和潜在生态风险评价

康智明，王 彬，祝文烽，，王松良，Claude Caldwell，王建明

(1.福建农林大学作物科学学院，福建福州350002;2.加拿大戴尔豪西大学农学院，特鲁罗B2N5E3)

土壤重金属污染及其带来的食品安全和健康问题是世界性环境难题之一[1].与大气污染和水污染不同，土壤重金属污染具有易累积、难消除、隐蔽性和毒性强的特点.土壤的重金属累积一旦超过其承载力，可导致土壤质量恶化，并通过食物链的浓缩作用造成食品安全问题，危及人类健康[2].重金属在食品中的残留问题目前已成为我国食品安全一大难题.据估测，包括福建省在内，我国10%以上的耕地土壤受到工矿污染物中重金属的污染.全国每年受重金属污染的粮食高达1200万t，每年因重金属污染而减产的粮食达1000多万t，直接经济损失超过200亿元[3].因此，调查和评价土壤重金属污染状况，进而采用适当的治理措施，对农业安全生产和保障食品安全具有十分重要的意义.

福建省三明市明溪县是全国重点林区和杉木中心产区，又是全国商品粮食基地县之一，素有“绿海粮仓”之称.近年来，随着工业化的快速发展和农药、化肥等在农业上的大量使用以及生活垃圾污染农地和污水灌溉，使得明溪县的农地土壤污染也有日益加重的趋势.因此，为了保证该县农林业的安全、健康和稳定发展，对其农地土壤重金属污染进行调查和评价势必先行.然而，目前国内同类研究大多是针对工业区周边的蔬菜土壤等重金属污染严重或特殊的田块[4－10]，而对农业主产区特别是县域农地土壤重金属污染现状的调查和风险评价研究较少[11－12].本研究通过测定明溪县农地耕层土壤的重金属含量，利用ArcGIS技术分析和展示其土壤重金属的空间变异规律，采用Hakanson潜在生态危险指数法对研究区域土壤重金属的潜在生态风险进行评价，旨在推进土壤重金属风险评估研究，从而为农业(粮食)主产区的农业政策、土地使用及保护提供依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

明溪县位于福建省西北部，北纬26°08'－26°39'，东经116°47'－117°35'，海拔高度为180 －1500 m;境内四面环山，峰峦重叠，山地和丘陵面积占总面积的91.91%，小平原面积占6.98%，水面积占1.11%.全县总面积170860 hm2，耕地面积约为118971.49 hm2，以水稻土为主，常年种植的作物为水稻、烟草、花生、甘蔗等;属亚热带海洋性季风气候，年平均气温18℃，年平均降雨量1800 mm，年平均无霜期261 d.

1.2 样品的采集与处理

根据研究区域的实际农地分布情况，从雪峰镇、盖洋镇、胡坊镇、瀚仙镇、城关乡、沙溪乡、夏阳乡、夏坊乡、枫溪乡中采集农田耕作层(0－20 cm)的土样88个(图1).采样过程中手持便携式GPS定位仪器，以各农用地块为单位，因地布点，分别采用对角线法、梅花点法、棋盘式法以及蛇形法等进行布点取样.每份土样混合均匀，按四分法得到1 kg混合样品[5].样品采集后置于聚乙烯塑料样品袋内，带回实验室自然风干，剔除植物根系、有机残渣以及可见侵入体，然后经玛瑙研钵研磨后分别过20目和100目(孔径0.15 mm)的尼龙筛，分别装瓶待测.

1.3 样品重金属含量的测定

按照土壤环境质量标准[13]对土壤样品进行前处理，其中，Cd和Cu元素的土样经“盐酸－硝酸－高氯酸”消解后分别用石墨炉原子吸收分光光度法和火焰原子吸收分光光度法测定含量;重金属Pb元素的土样经“盐酸－硝酸－氢氟酸－高氯酸”消解后用火焰原子吸收分光光度法测定含量[13].采用Excel、SPSS 18.0以及GS+3.1统计软件对所测数据进行统计分析，在 ArcGIS 10.0桌面系统上展示和分析研究区域农地土壤重金属的空间分异规律.

1.4 土壤重金属生态风险的评价方法

采用瑞典科学家Hakanson提出的潜在生态危害指数法[5]，以陈振金等[14]测定的福建省土壤背景值为参考值，参考徐争启等[15]提出的重金属毒性响应系数值(表1)，评价福建省明溪县农地土壤重金属潜在的生态风险.计算公式如下:

图1 土壤采样点分布Fig.1 Distribution graph of soil samples

表1 土壤重金属的土壤背景值和毒性响应系数Table 1 Environmental background and toxicity coefficient of soil heavy metals

根据Hakanson划分的潜在生态风险等级分级标准，将单因子潜在生态风险等级分为轻度、中度、较强、很强和极强5个等级，其风险指数分别为0－40、40－80、80－160、160－320、＞320;多因子重金属综合潜在生态风险等级分为轻度、中度、较强和很强4个等级，其风险指数分别为0－150、150－300、300－600、＞600.

2 结果与分析

2.1 研究区农用土壤的重金属含量

研究区域农地土壤88个样点Cd、Cu和Pb等3种重金属含量的统计结果见表2.分别以陈振金等[14]测定的福建省土壤背景值和国家土壤环境质量二级标准作为参考值，对研究区域农地土壤重金属含量进行描述性分析.从表4可看出，研究区域农地土壤重金属含量变异幅度为22% －386%，从大到小排列顺序为Cd＞Pb＞Cu，其中Cd的变异系数超过100%，属于强变异类型.变异系数反映了元素在土壤中的分布状况，系数值越大，表明该元素含量在空间上分布得越不均匀，受人类活动的干扰越大[16－19].Cd、Cu和Pb等3种重金属含量变异范围较大，其中Cd含量的变异范围为0.0011－0.3355 mg·kg－1，Cu含量的变异范围为10.0300 －22.5850 mg·kg－1，Pb 含量的变异范围为 1.1645 －35.5390 mg·kg－1，但其平均值均未超过国家土壤环境质量二级标准.同时，3种重金属超过福建土壤背景值样点数的百分数分别为5.58%、3.41%和1.14%.Cd元素含量的最大值为0.3355 mg·kg－1，超过了国家土壤环境质量二级标准(0.30 mg·kg－1).可见，研究区域部分农地土壤已受到外源农药和化肥等携带的重金属的污染，需对其空间变异和生态风险进行评价.

表2 土壤重金属含量的统计性描述Table 2 Descriptive statistics for heavy metal contents in soil mg·kg－1

2.2 研究区域农用土壤重金属的空间分异

重金属含量变异函数能够反映不同距离样点重金属观测值间的变化[20].经过GS+3.1正态分布检验，Cu元素的变异函数计算采用对数转化后的数据，Cd和Pb含量均采用原始数据[19]，并通过对比各拟合检验参数，分别筛选出Cd、Cu和Pb等3种重金属元素的最佳拟合模型及其拟合参数(表3).表4比较了不同拟合模型变异参数，结果表明研究区域农地土壤重金属Cd、Cu和Pb等3种元素的块金(Nugget)值 C0分别为 0.0012、0.0180 和6.5165，基台(Sill)值(C0+C)分别为 0.0035、0.0555 和 38.5769，块基比C/(C0+C)为0.6571、0.6757 和0.8311;Cd 和 Cu 2 种重金属块基比均为0.25 －0.75，表明 Cd 和 Pb 2 种重金属元素具有中等空间相关性;重金属Pb元素块基比大于0.75，表明Pb元素空间相关性较弱;Cu元素的变程A0最小(A0=0.0383)，说明Cu在小范围内的变异强，而Cd和Pb元素空间分布的均一性较强.

表3 重金属空间分布拟合模型及其检验参数Table 3 Fitting models of heavey metal spatial distribution and their validation coefficients

表4 不同拟合模型变异参数比较Table 4 Comparison of variation parameters for different fitting models

采用ArcGIS 10.0软件结合地统计学模块的Kriging插值法[21]，绘出研究区域内Cd、Cu和Pb 3种重金属含量的空间分布图(图2－4).从图2、3可以看出，研究区域内仅有小部分地区土壤的Cd、Pb含量相对较高，其中Cd含量的高值区位于瀚仙镇北部和城关乡东北部;Pb的高含量区则分布在雪峰镇和城关乡以北地带以及沙溪乡东面.如图4所示，Cu的高含量区主要位于枫溪、夏坊二乡和盖洋、瀚仙二镇，雪峰镇、城关乡和沙溪乡的局部地区.

2.3 研究区域农用土壤重金属潜在生态风险评价

2.3.1 单种重金属的潜在生态风险评价 采用瑞典Hankason潜在生态风险指数法[13]，对土壤重金属单项生态风险指数进行统计、评价.从表5、6可以看出:研究区域农地土壤Cd、Cu和Pb 3种重金属元素的单项生态风险指数平均值均小于40，整体处于低度风险水平;Cd元素的单项风险指数最大值(Er)为189.91(160≤Er＜320)，局部地区处于很强风险水平;Cu和Pb 2种重金属元素全部样点处于低度生态风险水平;Cd元素全部样点的97.72%样品处于低度风险水平，1.14%样品处于较强风险水平，1.14%样品处于很强风险水平.

图2 明溪县农田土壤Cd含量空间分布Fig.2 Spatial variability of Cd in Mingxi County

图3 明溪县农田土壤Cu含量空间分布Fig.3 Spatial variability of Cu in Mingxi County

图4 明溪县农地土壤Pb含量空间分布Fig.4 Spatial variability of Pb in Mingxi County

表5 土壤重金属单项生态风险指数统计Table 5 Statistical analysis of single ecological risk index of soil heavy metals

表6 土壤重金属单项生态风险指数的样点分布频数统计分析Table 6 Statistical analysis of distribution frequency of samples in single ecological risk index of soil heavy metals

2.3.2 多种重金属的综合潜在生态风险评价 研究区域农地土壤重金属Cd、Cu和Pb等3种元素的综合潜在生态风险指数(RI)为3.36－196.54，平均值为11.03，说明研究区域整体处于低度潜在生态风险等级.从表7可以看出，研究区域农地土壤的98.86%样品中的重金属为低度潜在生态风险等级(Ri＜150)，1.14%为中度生态风险等级(150≤RI＜300).

表7 区域土壤重金属潜在生态风险指数统计分析Table 7 Statistical analysis of potential ecological risk index of soil heavy metals

3 小结

通过测定研究区域的Cd、Cu和Pb 3种重金属含量的空间变异，以及对其生态污染进行评价，得到以下结论:(1)农地土壤Cd、Cu和Pb 3种重金属含量均未超过国家土壤环境质量标准的二级水平，其中Cd元素含量上限为0.3355 mg·kg－1，超过了国家土壤环境质量标准二级标准(0.3 mg·kg－1)，局部地区存在Cd污染，受到农药和化肥的外源污染;(2)3种重金属含量变异系数为22% －386%，大小顺序为Cd＞Pb＞Cu，其中Cd含量的变异系数超过100%，属于强变异类型，受人为干扰较大;(3)重金属Cd和Cu的块基比为25% －75%，Pb的块基比大于75%，说明Cd和Cu 2种重金属具有中等空间相关性，Pb的空间相关性较弱.Cd元素的高值区集中在瀚仙镇北部和城关乡东北部，Pb元素的高含量区分布在雪峰镇和城关乡以北地带以及沙溪乡东面，Cu元素的高含量区位于枫溪、夏坊二乡和盖洋、瀚仙二镇;(4)研究区农地土壤重金属的潜在生态风险处于低度等级.

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