中国粮食主产区耕地土壤重金属时空变化与污染源分析

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中国粮食主产区耕地土壤重金属时空变化与污染源分析2018-10-10 17:5

来源：《环境科学》第39卷第10期、作者及单位：尚二萍、许尔琪、张红旗（中国科学院地理科学与资源研究所陆地表层格局与模拟重点实验室）; 尚二萍（中国科学院大学）;黄彩红（中国环境科学研究院）;

土壤重金属因其不可降解、移动且具毒性的特性，直接或间接通过食物链威胁着粮食安全、生态系统和人类健康。随着城市化和工业化的快速，中国土壤重金属污染事故频发尤其是耕地土壤重金属污染已经引起国内外的广泛关注。

当前对中国土壤重金属污染研究多集中在小尺度或单个区域的现状分析，且多集中在工业区、矿区周边、城郊耕地等，易造成部分地区土壤重金属污染程度评估过高或过低，偏离实际情况；同时也不利于全面摸清具有显著空间异质性的土壤污染“家底”，不如大尺度土壤性质空间分析对土壤空间数据库建立、实现数字化管理更有意义。但当前全国范围多区域的比较研究相对较少，对粮食主产区耕地土壤重金属研究更少，已有研究采用样点数量偏少且多集中在静态分布与评估上，如Niu等仅基于131个包含Pb、Cd、Cr、Za、Cu和Ni这6种重金属的耕地点位，反映中国Cd污染的现状；张小敏等则以每个研究中重金属的平均值作为该点位的值统计中国耕地土壤重金属污染状况，总体上关于耕地土壤重金属污染的动态变化趋势研究，国内仅少数学者在小尺度范围内，通过获取不同时间段样点的土壤重金属实测数据，分析重金属含量的变化，而缺乏大尺度、全国范围内多个区域耕地土壤重金属的时空变化及其对比分析研究，不能全面了解区域耕地土壤重金属差异及动态变化特征。

三江平原、松嫩平原、长江中游及江淮地区、黄淮海平原和四川盆地是中国农业资源条件极为优越的五大粮食主产区（图1），耕地面积约占全国耕地总面积的40.64%以上，粮食产量占全国总产量的58.49%，其中小麦、玉米、稻谷产量分别占全国总产量的70.45%、61.37%和43.61%，在中国粮食生产中拥有重要的战略地位，其耕地的土壤重金属污染情况则直接威胁着中国的粮食安全和国民健康。为此，本文拟以上述五大粮食主产区为研究区，基于2000年以来3006个耕地样点土壤重金属实测数据和20世纪80年代的土壤重金属历史数据,采用单因子指数法,评估耕地土壤重金属(Cd、Pb、As、Ni、Cu、Zn、Cr、Za、Hg)的污染现状和空间分布,探讨其时空变化趋势; 同时,基于样点的区位环境,结合地累积指数法分析土壤重金属的污染源,以期为建立土壤空间数据库,全面了解中国粮食主产区耕地土壤重金属污染状况与动态,查清污染来源,以及制定有效的防治策略提供支撑.

                               
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图1 中国五大粮食主产区空间分布示意

Fig.1 Distribution of China's five major grain producing regions

1 材料与方法

1.1 土壤重金属数据来源与处理

2000年以来的3006个采样点数据(图2),其中1613个样点数据来自于“中国学术期刊全文数据”（http://www.cnki.net/）和”Web of Sciende”(http://www. web of scienceknowledge.com)；其余的1393个样点数据为”外调查采样数据.

1.1.1 2000年以来已发表文献采样点数据

已发表文献采样点土壤重金属含量数据,主要通过”土壤重金属”关键词搜索的4000个文献中,排除人文社科类期刊,排除工业用地、城市用地、建设用地、公园绿地、水、底泥沉积物等非耕地的重金属的研究,同时文献中土壤样品的分解方法、土壤元素理化性质测试方法基本与20世纪80年代全国土壤环境背景值调查或GB 15618-1995标准中推荐的方法吻合,样品分析测试的质量控制也均小于10%的研究,以及能够直接或通过计算获取点位坐标与相应重金属含量的研究,共筛选出2000年Zn、Cr、Cd、Ni的含量.所有的重金属含量均采用地球化学参考资料（GSS系列）进行质量控制，平均偏差小于10%的研究,以及能够直接或通过计算获取点位坐标与相应重金属含量的研究,共筛选出2000年以来发表的满足标准的关于耕地土壤重金属含量数据的380篇文献.

文献数据提取主要通过以下4种方式：一是直接获取.部分文献中直接标注采样点地理坐标与相应土壤重金属含量.二是地名反转坐标.查找文中地点，利用天地图和Google Earth获取详细地理坐标.三是公式反推.通过采样点污染指数及公式反推重金属含量.四是数字化.利用Getdata和ArcGIS等软件提取文献中具有污染物分布数据的柱状图、散点图或空间分布数据.

1.1.2 2000年以来野外调查采样点数据

为了与文献数据相融合，实测采样点重点是针对五大粮食主产区耕地分布范围内没有或少量文献采样点的县级行政单元内，应用随机采样方法，进行补充采样，尽量保证点位在五大粮食主产区大面积耕地区县全覆盖.每个采样单元进行多点采样，取其中心点和4个顶点的0~20cm表层土壤，从现场等量均匀混合的样品中选择1.0kg为该采样点的样品.共计员1393个采样点，均采用GPS定位，同时记录采样点周边区位环境(工矿区、污灌区、城郊区、农区).

所有样品均在室温下风干，压碎，然后筛过100目尼龙筛.按照GB 15618-1995标准中推荐的方法测量土壤重金属含量，如Cd、Cr、Pb、As、Cu、Zn、Ni经HNO3、HCLO4、HF消解，Hg以H2SO4和HNO3用原子荧光光谱法（atomic fluorescence spectrometry,AFS）分析 Hg和As的含量，以及利用电感耦合等离子质谱（inductivelycoupled plasma-mass spectrometry,ICP-MS）测定Cu、Pb、Zn、Cr、Ni的含量.所有的重金属含量均采用地球化学参考资料（GSS系列）进行质量控制，平均偏差小于10%.

1.1.3 20世纪80年代的历史数据

本研究所用的20世纪80年代的土壤样点数据来源于《中华人民共和国土壤环境背景值图集》中的8幅1：200万的20世纪80年代中国土壤重金属单元素（Cd、Pb、As、Ni 、Cu、Zn、Cr、Hg）分级点位图，样点主要采用网格法，并依据顺序统计量（5%、10%、25%、50%、75%、90%、95%、100%），将每种重金属含量划分为8~9个区间（表1）.本研究利用AGIS10.1软件的数字化功能获取其空间分布矢量数据，共提取656个采样点数据（图2），为后续的土壤重金属含量的时空变化研究做支撑.

                               
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1.2 研究方法

1.2.1 土壤重金属污染评价方法

Pi=Ci/Si

式中，Pi为土壤中单项重金属i的污染指数; Ci为重金属i的实测值（mg.kg-1）; Si为根据需要选取的重金属i评价标准（mg.kg-1），本文采用中国广泛使用的（GB 15618-1995）二级标准作为评价标准：清洁（0< Pi≤0.7）、尚清洁（0.7< Pi≤1）、轻度污染（1< Pi≤2）、中度污染（2< Pi≤3）、重度污染（Pi>3）.

1.2.2土壤重金属污染源识别方法

地质累积指数（Igeo）自20世纪60年代末起就开始使用，重点考虑了环境地球化学背景值，以及自然活动对背景值的影响.利用地累积指数法判别土壤重金属受自然背景和人为污染的影响程度，为后续的污染源识别研究做基础.计算公式如下：

式中,Ci是土壤样品的重金属的含量（mg.kg-1）,Bi是重金属的自然背景值（mg.kg-1）,1.5是考虑各地岩石差异可能会引起背景值的变动而取的系数，Igeo值越大,污染越严重,当Igeo值>0表示土壤中的金属来自人为活动而不是来源于自然地壳的贡献.

1.2.3 格网分析法

为保证进行空间统计分析或表达时不会遗漏任何一个点位重金属超标信息,同时降低空间插值对空间分布的不确定性,并减小因两期点位基数及分布不对称造成的误差,采用格网分析法分析土壤重金属的时空分布变化格局.在保证足够精度下,创建与研究区范围相同且与20世纪80年代采样相似的50km*50km格网;识别(Identity)每个点位所归属的公里格网,统计每个公里格网的点位超标率,形成20世纪80年代和2000年以来两个时期的土壤重金属点位超标格网空间分布图.

1.3数据分析

利用Origin 2017软件进行重金属含量箱式图的绘制;SPSS 18.0软件进行描述性统计分析;ArcGIS 10.1制作空间分布图及公里格网分布图.

2 结果与分析

2.1 粮食主产区土壤重金属污染现状

五大粮食主产区耕地土壤污染点位超标率平均为21.49%,高于全国耕地19.40%的平均水平.土壤重金属污染程度总体上以轻度为主,其中轻度、中度、重度污染点位比例分别为13.97%、2.5%和5.02%.污染物以Cd、Ni、Cu、Zn和Hg为主,污染比重分别为17.39%、8.41%、4.04%、2.84%和2.56%,其他污染物比重仅在0.14%~0.89%之间(图3).

                               
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南方粮食主产区土壤重金属污染重于北方.从点位超标率看(图4和图5),四川盆地和长江中游及江淮地区的耕地点位超标率分别为43.55%和30.64%,高于黄淮海平原、松嫩平原和三江平原的12.22%、9.35%和1.67%.从污染等级看,四川盆地、长江中游及江淮地区、黄淮海平原轻度污染比重较高,分别为34.57%、21.61%和5.78%,约占其总超标比重的79.37%、70.54%和47.27%;松嫩平原以中、重度污染为主,污染比重分别为3.97%和3.40%,占其总超标比重的42.42%和36.36%;三江平原仅存在中度污染,超标比重为1.67%(图5).此外,分析各粮食主产区的重度污染点位发现,长江中游及江淮地区重度污染点位比重最大,为7.11%,主要分布在该区的西北、南端和北部,如江汉平原东北部、鄱阳湖平原南部、巢湖西部平原和淮河中游;黄淮海平原重度污染次之,比重为5.11%,主要分布在中部、北部和东南部的部分地区,如山东丘陵区、豫北平原、京津唐地区、黄泛平原等;四川盆地重度污染点位仅为3.52%,主要分布在成都平原中部;松嫩平原重污染点位比重为3.40%,主要集中在哈尔滨、长春等地区;三江平原尚无重度污染.

                               
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图4 五大粮食主产区不同污染等级样点数占总点数的比重

Fig.4 Percentages of sites at different pollution levels in five major grain producing regions

                               
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在8种重金属中,Cd是五大粮食主产区最主要的污染物,超标比重在1.72%~34.90%之间(图6).其中四川盆地Cd污染超标最为严重,达34.90%,主要分布在重庆东部地区;长江中游及江淮地区Cd点位超标比重为21.88%,重度污染点位超标为5.21%,主要分布在北部的淮河下游地区和西部的江汉平原;黄淮海平原Cd的点位超标率为10.75%,鲁北平原南部、黄泛平原、京津唐地区、豫北平原西部等地区污染较重.其次,Ni和Cu主要分布于南方粮食主产区.其中,四川盆地Ni和Cu超标分别为30.32%和9.34%,以轻度污染为主,仅中部鄂州,及西南鄄东北沿线存在少量的中、重度污染点位;长江中游及江淮地区的超标比重分别为16.46%和8.28%,也是以轻度污染为主,空间分布与四川盆地相似,比重较低的中、重度污染分布在西南鄄东北沿线一带的地区.Zn和Hg在黄淮海平原、长江中游及江淮地区存在一定程度污染,污染比重分别在2.86%~4.62%和0.71%~1.00%之间,但均以轻度污染为主,少量的重度污染分布在洞庭湖平原、淮河下游平原、京津冀地区、黄泛平原和济焦新山前平原等地区.

                               
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2.2土壤重金属污染的时空变化趋势

20世纪80年代~2000年以来,五大粮食主产区耕地土壤重金属点位超标率从7.16%增至21.49%,20多年间快速增长了14个百分点.除三江平原外,耕地土壤重金属点位超标率增加趋势显著(图7).四川盆地从17.68%增至43.55%,增长了近25个百分点,变化量最大;其他3个主产区点位超标率约增长了9~11个百分点,其中松嫩平原从0.52%增至9.35%,约增长了9个百分点;黄淮海平原从3.06%增至12.22%,增长了近9个百分点;长江中游及江淮地区从19.38%增至30.64%,增长了约11个百分点.

                               
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应用格网法分析各区土壤重金属污染超标变化趋势的结果表明(图8),四川盆地在西部的成都平原绵阳、雅安、眉山、乐山等地区,以及中部盆地中丘陵南部地区重金属点位超标率增加了50.00%以上,而在东南部盆地东低山丘陵增加了30.00%~50.00%之间.其次是松嫩平原,增加的超标点位主要分布在东部和南部边界,增加比重分别在5.00%~30.00%.黄淮海平原则东南的徐淮低平原、皖北平原和中部的黄海平原超标点位增加显著,增加比重30.00%以上,部分地区增加比重在50.00%以上;而在西南的豫东平原和北部的京津唐平原,超标比重增加量低于20.00%.长江中游及江淮地区在北部沿线的淮南沿海平原、江淮丘陵,以及西部的洞庭湖平原重金属污染增加趋势最为显著,变化量在50.00%以上,其次是洞庭湖平原的岳阳、江汉平原的孝感、江淮丘陵的巢湖、淮南沿海平原的盐城、太湖杭嘉湖平原南通和镇江超标比重增加了30.00%~50.00%之间.

                               
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图8 20世纪80年代以来五大粮食主产区50km格网耕地土壤点位超标空间分布

Fig.8 Spatial distribution of percentages of sites with heavy metals exceeding the standard at 50 km grid from the 1980s to the 2000

绝大多数重金属元素污染比重呈上升趋势.其中,Cd的污染比重增加趋势最为显著,从1.32%增至17.39%,20多年间增加了16.07%,Ni、Cu、Zn和Hg分别增加了4.56%、3.68%、2.24%和1.96%;而Pb和Cr的污染比例稍有降低,分别降低了0.01%和0.03%(表2).

                               
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从区域层面上看(图9),除三江平原变化趋势不明显外,南方地区的Cd、Ni和Cu重金属超标比重变化量重于北方,而Hg和Cr增速北方重于南方.20多年间,四川盆地,长江中游及江淮地区的Cd污染比重增加了16~35个百分点,其中,四川盆地从0增加至34.90%,长江中游及江淮地区从5.41%到21.88%;高于松嫩平原和黄淮海平原的变化量,其中松嫩平原则从0增至9.75%,黄淮海平原从0.40%增至10.75%,两地区均增长了10个百分点.Ni变化量四川盆地、长江中游及江淮地区较大,分别增加了4和19个百分点,高于松嫩平原和黄淮海平原的1个百分点.Cu在南方粮食主产区超标比重增加近9个百分点,而在北方增加不足1个百分点.北方粮食主产区Hg和Cr的超标比重趋势重于南方.Hg在黄淮海平原的超标比重从0增至2.81%,增加了近3个百分点,而在长江中游及江淮地区和四川盆地仅增加了1.6个百分点.Cr的变化趋势较小,但其在北方的黄淮海平原污染比重小幅度增加了0.24%,而在长江中游及江淮地区还小幅度降低了0.81%.

                               
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