9-浙北环太湖平原耕地土壤重金属的空间变异特征及其风险评价研究

第44卷第5期

2007年9月

土　壤　学　报

ACT A PE DO LOG IC A SI NIC A

V ol. 44,N o. 5

　Sep. ,2007

浙北环太湖平原耕地土壤重金属的空间变异特征

及其风险评价研究

施加春1　刘杏梅1　于春兰2　朱海平3　赵科理1　吴建军1　徐建明1

(1浙江大学环境与资源学院, 杭州　310029) (2长兴县农业局, 浙江长兴　313100) (3浙江省农业厅土肥站, 杭州　310020)

摘　要　　研究了浙北环太湖平原10Hg 、Cd Cr 、征及其环境风险。结果表明, 土壤Hg 和Cd , 且这种变异更多与外界人为因素的影响密切相关。鉴于34%, 为该区土壤环境质量的主要限制因子, 对土壤Hg (013mg kg -1) 的离析克里格法(Disjunc 2

tive kriging ) , , 说明其与人为

、。研究认为在加快城市化和工业、农业现代化的同时, 、生态安全和人体健康的关系。

关键词　　土壤重金属; 空间变异; 风险评价; 地统计分析; 离析克里格法中图分类号　　S143192;X 13113　　　　　文献标识码　　A

　　我国是耕地资源极其匮乏的国家, 近年来其数量又在不断减少, 另一方面, 随着工农业生产的发展, 耕地土壤环境污染问题越来越突出, 特别是耕地土壤重金属和农药等有机物污染尤为突出, 并已成为限制农业可持续发展的重大障碍。目前我国受镉、砷、铬、铅等重金属污染的耕地面积近2000万hm 2, 约占耕地总面积的1/5, 其中工业“三废”污染

定耕地土壤污染控制措施提供理论依据。

1　材料与方法

111　研究区概况

耕地1000万hm 2[1]。在珠江三角洲农业土壤中, 所有重金属元素的含量均有超标现象, 其中以Hg 、Cd 和Zn 的超标率较高[2]。长江三角洲部分地区的土壤也正遭受严重污染, 其中重金属、持久性有机污染物等有毒物质的污染已恶果初显[3]。江苏、浙江、合肥、大连4省(市) 典型地区土壤污染情况则更为突出[4]。浙北环太湖平原作为中国工业最为集中、经济最为发达的地区之一, 已被列为土壤污染监控的重点。近年来, 因农产品质量不合格导致该地区经济蒙受重大损失的事件时有发生, 因此非常有必要系统地开展该地区土壤污染情况的深入调研。有鉴于此, 本文以浙北环太湖平原耕地土壤为例, 开展了区域内土壤重金属污染的空间变异特征及风险评价的研究, 旨在为保护耕地资源、保障食品安全和人体健康以及制

　　研究区位于浙江省北部地区, 包括湖州市和嘉

兴市, 北临太湖和江苏省, 东接苏州和上海, 西部及南部分别与安徽省、杭州市接壤, 辖有长兴、吴兴、南浔、德清、南湖、秀洲、嘉善、桐乡、海宁、海盐共10个区市县(图1) , 总面积7327km 2, 共有耕地面积28178万hm 2, 土壤类型以水稻土为主。研究区土壤pH 的范围为3156～8150, 平均值6108; 有机质的范围为1118～84113g kg -1, 平均值29186g kg -1; 全氮的范围为0107～3185g kg -1, 平均值1141g kg -1; 速效磷的范围为0105～65417mg kg -1, 平均值24127m g kg -1; 速效钾的范围为15100～1165m g kg -1, 平均值10616mg kg -1;CEC 的范围为3167～79113cm ol kg -1, 平均值16106cm ol kg -1。该区自然条件优越, 工农业生产水平较高, 除了长兴西部、吴兴西南角和德清西部有少量低山丘陵外, 其余均为水网平原, 素有“鱼米之乡、丝绸之路”之称, 是重要的粮油渔桑基地[5,6]。

3国家重点基础研究发展规划项目(2005C B121104) 、浙江省科技项目(2005E10004) 和国家自然科学基金项目(40601051) 共同资助

通讯作者,E 2mail :jmxu@zju. edu. cn ;T el :0571-86971955;Fax :0571-86971955

作者简介:施加春(1976～) , 男, 博士, 主要研究方向为地理信息系统与遥感技术收稿日期:2006-06-28; 收到修改稿日期:2007-04-30

5期　　施加春等:浙北环太湖平原耕地土壤重金属的空间变异特征及其风险评价研究　825

性无偏最优估计的一种方法[8～10]。本研究是在数

据经过正态分布检验, 应用半方差分析软件G S +710软件(G amma Design S oftware C o 1,US A ) 进行半方差分析后, 采用软件ArcGIS 813中G eostatistical Analyst (地统计分析) 模块, 用普通克里格法对研究区中土壤重金属含量进行最优、无偏空间插值, 同时采用离析克里格法(Disjunctive kriging ) 进行风险评价, 阈值依据国家规定的土壤环境质量二级标准。

2图1　研究区位置图

Fig 11　Location of 1112　考虑到采样分布的均匀性, 根据土壤类型不同,

共布设2631个采样点(图2) 。各采样点均经G PS 准确定位, 采样深度0～20cm 。采集的样品风干后, 研磨, 分别过10目、60目和100目筛备用。土壤理化性状分析参照常规方法进行[7], 测定了土壤pH 、全氮、有机质、速效磷、速效钾。重金属全量采用H NO 32HCI O 42HF 消化法测定, 消化提取液经ICP 2MS (美国热电公司) 测定Cd 、Cr 、Pb 和Cu 含量, 采用AFS (中国科学院地球物理地球化学勘查研究所) 测

定As 、Hg 含量

。

图2　研究区采样点位分布图

Fig 12　Distribution of sam pling points

113　空间插值分析

空间插值是空间数据分析的常用方法之一, 而克里格法是最常用的空间插值方法之一, 该方法实质上是利用区域化变量的原始数据和半变异函数的结构特点, 对未采样点的区域化变量的取值进行线

　　浙北环太湖平原各区县市土壤重金属含量的描述统计分析结果见表1。从各区县市情况看,Hg 的变异性最大,C V 平均0168, 最高在海盐, 达到1105, 最低在德清, 也有0144, 其变异程度顺序为:海盐>桐乡>南浔>长兴>秀洲>南湖>海宁>吴兴>嘉善>德清;Cd 在各县市间的变异情况也比较突出, C V 平均达到0138, 尤其在海盐、长兴、南湖等地显现较高变异性; 比较而言,As 、Cu 、Pb 和Cr 的变异相对较小, 其中Cr 最小, 平均仅0115。六种重金属的平均变异程度顺序为:Hg >Cd >As >Cu >Pb >Cr 。Hg 和Cd 的含量显现出较大的空间异质特征, 明显不同于其余四种重金属。由于研究区域内各区市县土壤地形地貌、母质类型、利用方式等没有太大的差异, 因而认为Hg 和Cd 在总体分布上的空间异质性与外界人为因素的影响密切相关。212　土壤重金属的空间分布特征

土壤重金属污染的空间变异通过半方差函数来描述, 半方差函数反映了不同距离的观测值之间的变化[11,12]。表2是反映土壤中不同重金属含量的半方差函数理论模型及其相关参数。就块基比(从结构性因素的角度来看, 块基比可表示系统变量的空间相关性程度[13]) 而言,As 和Pb 远小于25%, 表现出极强的空间相关性, 而Hg 、Cd 、Cu 和Cr 介于25%与75%之间, 说明此四种元素在研究区土壤中的含量仅中等空间相关; 另外从块基比(从随机性因素的角度来看, 由人为随机因素引起的空间变异性占系统总变异的比例[13]) 而言, 特别就Cd 和Hg 而言, 块基比最大, 说明受人为因素的影响更为突出[13～16], 此外, 土壤中Cu 和Cr 两种重金属的变程较大而块基比较小, 表明该研究区内土壤Cu 和Cr 的含量受土壤母质等结构性因素的影响较大, 而受随机的人为因素的影响较小。

826　　土　　壤　　学　　报44卷

5期　　施加春等:浙北环太湖平原耕地土壤重金属的空间变异特征及其风险评价研究

表2　土壤重金属含量的半方差函数理论模型及其相关参数

T able 2　Theoretical sem ivariogram m odels for heavy metals in the studied area and their corresponding parameters

　827

土壤重金属

Heavy metals

理论模型

Theory m odel

块金常数

Nugget

C 0

基台值

S ill

C +C 0

块基比

Nug/S ill ratio

C 0/C +C 0

变程

Range (km ) 26130

决定系数

Determ inative coefficient R 2

01970

分布类型

Distribution

球状模型

S pherical m odel

[**************]

对数正态

Log 2normal

线性模型

Linear m odel

[***********]9801859

对数正态

Log 2normal

指数模型

Exponential m odel

[**************]49

正态

N ormal

指数模型

Exponential m odel

[***********]

正态

N ormal

S pherical m [***********]1201912

正态

N ormal

指数模型

Exponential m odel

[***********]1001891

正态

N ormal

　　同时, 由表2可知, 研究调查的六种重金属元

素, 除Pb 的半方差函数理论模型拟合的决定系数较小(R 2=01749) 外, 其余重金属的半方差函数模型拟合度均达到0185以上, 说明半方差函数模型的选取基本符合要求。另外依据数据符合正态分布与有空间相关性是进行空间插值的基本前提, 通过对数据进行正态分布检验, 认为数据是符合正态分布或对数正态分布, 另外通过土壤重金属含量的空间变异函数的计算和模型模拟结果表明, 土壤重金属含量的空间分布具有空间相关性, 同时也能用模型来较好的拟合实验变异函数, 可以证明所做的结果是可靠的。因此, 继续对土壤重金属含量进行空间插值, 分析结果示于图3。从图3可知, Hg 含量超过

(国家土壤环境质量标准》(G 013mg kg -1《B156182

1995) 二级标准) 的区域主要分布在长兴雉城附近、南浔东部、桐乡西南角大麻镇附近和南湖北部附近, 超标率高达10134%, 说明土壤重金属Hg 的污染较为普遍, 且污染程度在不同区域间存在明显差异, 应引起高度的重视。土壤Cd 含量超过013mg kg -1的区域主要分布在长兴煤山镇附近和李家巷一带、及嘉善的少量区域, 超标率达2174%。其他土壤重金属尽管未超标, 但其在分布上仍存在地区间的规律性, 例如Cu 和Cr , 嘉兴地区明显高于湖州地区, 而Pb 的情况则刚好相反。213　土壤H g 的环境风险评价

基于上述研究结果, 发现研究区内Hg 含量的

超标率高达10134%, 已成为严重影响该区域土壤环境质量的主要因子, 因此进一步对土壤Hg 用超过国家规定的土壤环境质量二级标准(013mg kg -1) 的离析克里格法进行了风险评价研究。

离析克里格法是一种获取测量的指示变量高于某一预设容许水平的条件概率的方法[17]。本研究采用此法对土壤Hg 进行风险评价, 阈值依据国家规定的土壤环境质量二级标准(013mg kg -1) 。土壤Hg >013mg kg -1的风险评价等值线图示于图4, 以T M 遥感影像图为底图。图4中, 遥感影像上紫红色区域主要为城镇和工矿企业聚集区。因此, 依据图4可以推断:土壤Hg 的风险高低与城镇和工矿企业的分布相关性较好, 例如长兴的高Hg 风险区主要分布在雉城镇和工业开发区(包括华能电厂) 周边, 风险性呈辐射状向外慢慢降低。又如嘉兴和湖州高Hg 风险区也均在城镇的周边, 呈同心圆状向外辐射逐渐减少。这与前述相关空间分布特征分析所得Hg 受人为因素影响较大的研究结果能较好地吻合。王文兴和邹海明等研究曾提出, 大气Hg 沉降是土壤Hg 污染的主要来源[18,19]。土壤Hg 含量与大气Hg 浓度的相关系数为01741, 可见大气Hg 含量对土壤Hg 污染的贡献较大。同时, 宏观尺度的研究表明, 由于Hg 具有独特的大气远距离传输特性, 被公认为全球性的污染物。据估计, 全球地表释放到大气的总Hg 量约为6000～7500t a -1, 其中50%～

828　　土　　壤　　学　　报44卷

75%以上源于人为活动。散发到大气中的Hg 经过

一定距离的传输, 大约有9317%回降于陆地, 其中土壤库是大气Hg 的最大受体。此外, 实验室微观尺度上的室内模拟实验结果也表明, 大气Hg 可直接沉降于土壤并被其吸附而积累, 也可通过植物吸收向土壤中传输。大气Hg 污染较重的燃煤火电厂、Hg 矿冶炼厂、联碱厂和温度计厂附近土壤、植物系统Hg 含量明显高于对照, 且大气中的Hg 通过干

湿沉降进入土壤环境后, 由于土壤中的黏土矿物和有机物的吸附作用, 使绝大部分Hg 迅速被土壤吸持或固定, 富集于土壤表层, 造成土壤Hg 含量增加[20～25]。因此, 根据本研究的分析结果, 我们认为, 由于燃煤人为造成大量的粉尘、产生大量Hg 的挥发, 最终以大气沉降的形式污染土壤, 长此以往造成土壤中Hg 的大量累积; 另外也不排除大量工业废弃物和城镇生活垃圾的影响[26～

29]。

图3　土壤重金属含量空间分布图

Fig 13　S patial variability of s oil heavy metals in the study area

5期　　施加春等:浙北环太湖平原耕地土壤重金属的空间变异特征及其风险评价研究　829

图4>013maps risk of s oil Hg produced by disjunctive kriging

Problems of s oil environmental security in China (In Chinese ) . Envi 2

3　结　论

近年来, 随着城乡工矿企业的发展和城市化水

平的提高, 工业三废排放量不断增加, 农药、化肥等农用化学物质的大量施用, 致使浙北环太湖平原土壤环境受到不同程度的污染和破坏。其中就重金属污染而言, 以Hg 最为严重, 已成为本区域土壤环境质量的主要污染因子。通过风险评价, 高风险区域的分布与城镇和工矿企业的分布具有很好的相关性, 分析其原因可能主要与城镇和工矿企业大量人为活动因素的影响有关。因此在加快城市化和工业、农业现代化建设的同时, 还应该考虑土壤污染与农产品质量、生态安全和人体健康问题, 否则后患无穷, 而且短期内无法解决。参考文献

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SPATIA L VARIABI LIT Y AN D RISK EVA L UATION OF SOI L HEAV Y META LS IN TAIHU

LAKE REGION OF N ORTH ZHEJIANG PR OVINCE

Shi Jiachun 1　Liu X ingmei 1　Y u Chunlan 2　Zhu Haiping 3　Zhao K eli 1　Wu Jianjun 1　Xu Jianm ing 1

(1College o f Environmental and Resource Sciences , Zhejiang Univer sity , Hangzhou 　310029, China )

(2Changxing Agricultural Bureau , Changxing , Zhejiang 　313100, China ) (3Soil and F ertilizer Station o f Zhejiang Province , Hanzhou 　310020, China )

Abstract 　A total of 2631soil sam ples were collected from 10counties of the T aihu Lake region of N orth Zhejiang Province , China , in the study to characterize spatial variability and environmental risks of Hg , Cd , Cr , Pb , Cu and As. Results clearly show strong spatial variability of Hg and Cd , suggesting its close relationship w ith anthropogenic factors. M eanwhile , sta 2tistical analysis of the test results indicate that concentrations of the heavy metals in the soils were in the range of the safety values

of the national soil quality criteria w ith the exception of Hg and Cd. C om pared w ith Cd (2. 62%) slight in risk , Hg in 10. 34%of the soil sam ples exceeded the environmental safety criteria of the national soil quality standard , suggesting that Hg m ight be considered as a dom inant element causing soil heavy metal pollution in the study area. The disjunctive kriging technique was thus used to quantify the risk of Hg pollution , and revealed that polluted areas were concentrated around cities and towns and industri 2al plants and m ining , suggesting that the pollution is closely related to air 2particle deposition as well as discharge of industrial solid waste and urban garbage. The results of this study provide some insight into risk assessment of environmental pollution and decision 2making for agriculture and industry.

K ey w ords 　S oil heavy metals ; S patial variability ; Risk evaluation ; G eostatistics ; Disjunctive kriging