湖南典型礦區耕地土壤重金屬空間特征研究

周俊馳，劉孝利，雷 鳴，葉長城，鐵柏清*

（1.湖南農業大學資源環境學院，湖南 長沙 410128）

近年來世界范圍的農田重金屬污染已成為影響農業安全生產的重要障礙[1]。根據2014年全國土壤污染狀況調查公報顯示，我國耕地土壤環境質量堪憂，土壤點位超標率為19.4%，其主要污染物包括鎘、鎳、銅、砷、汞、鉛等金屬元素[2]。湖南省是中國的“有色金屬之鄉”，礦產資源豐富，礦產累年采冶與三廢粗放排放管理導致了嚴重的土壤重金屬污染。有調查表明，湖南省因有色金屬礦山開采被Pb、Cd、Hg、As等金屬元素污染的土地面積達2.8×104km2，占全省總面積的13%[3]。湖南也是中國著名的“魚米之鄉”，稻谷產量達到2.32×107t，占全國稻谷產量的12.7%，居全國之首[4]。但近年來頻繁曝出的湖南重金屬超標大米事件，讓湖南的糧食安全生產受到挑戰，嚴重影響了湖南的農業發展。目前，針對湖南地區的重金屬污染問題，在土壤重金屬修復[5-7]、灌溉水重金屬去除[8,9]、農產品吸收積累重金屬機理[10-12]、重金屬污染區的風險評價[13,14]等方面進行了大量研究，但針對湖南典型污染地區耕地土壤重金屬元素空間分布特征的研究還鮮有報道。

地統計學方法融合了經典統計方法的優點，能充分描述空間數據的結構性及隨機性，分析污染物空間分布狀況[15,16]。地統計學中的普通克里格法應用廣泛，但在數據偏態的情況下會嚴重影響變異函數的穩健性，而其中的指示克立格法應用相對較少，是處理偏態數據的有效方法[17]。

本文以湖南省典型礦區茶陵縣為研究對象，以ArcGIS10.2和GS+9.0為技術手段，利用地統計學指示克里金法，對研究區耕地土壤中Cd、Cr、Pb、As、Hg等5種典型有毒有害元素含量的空間特征進行探究，對污染現狀進行評價及預警，以期為研究區域的重金屬污染綜合防控和農業安全生產布局提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

茶陵縣地處湖南省東南部，隸屬株洲市，面積2 500km2多，地處 113°20′～113°65′E、26°30′～27°7′N之間，屬于亞熱帶季風濕潤氣候。地貌類型以山地為主，占全縣總面積的49.73%；丘陵次之，占21.48%。山地主要為砂頁巖、變質巖、花崗巖和石灰巖，中部西南部主要為紅巖和第四紀松散堆積物。茶陵縣礦產資源較豐富，截至2015年底，已發現煤、鐵、鉛、鋅、銅、錳、鎢、錫、銻、金、銀、鈮、鉭、飾面花崗石、石灰石、螢石、硅石、透輝石、粘土、砂礫石等26種礦產，占全省已發現礦種的22.5%；其中鉭鈮資源礦儲量居全國第一、亞洲第二，花崗巖資源儲量達1.7億m3。在采礦、化工及礦業生產過程中的工業排放以及重金屬塵降，產生的污水用于農田灌溉，造成了耕地的重金屬污染。

1.2 樣品采集與分析

本研究采樣時間為2013年，采樣點主要集中于茶陵縣礦產資源豐富以及采礦冶煉活動頻繁的中部和北部地區，并根據前期調研和統計數據以及現場實際情況，對污染較突出的區域加密采樣點的布設。單個采樣點采用對角線采樣法，采樣深度為0～20 cm，均勻混合后用四分法從中選取1 kg土樣作為代表該點的混合樣品，裝入雙層塑料袋內，并用標簽紙記錄采樣點相關信息，用GPS記錄經緯度。為防止樣品污染，在采樣、樣品保存和樣品處理過程中，避免與金屬器皿直接接觸。總共采集耕地土壤樣本451個，具體采樣點位分布見圖1。

采集的土壤樣品在室內常溫風干、磨碎后過100目尼龍篩，重金屬Cd、Pb采用石墨爐原子吸收分光光度法測定，Hg、As采用原子熒光法測定，Cr采用火焰原子吸收分光光度法測定。

圖1 土壤采樣點分布

1.3 研究方法

指示克里格法（Indicator Kriging）是非參數地統計學方法的一種，能對隨機函數在待估值點的不確定性作出估計[18]。它無需假設數值來自某種特定分布的總體，也無需對原始數據進行變換，可以在不去掉重要的而實際又存在的特異值的情況下處理各種不同的現象，保持變異函數的穩健性。設區域化變量Z（x），對于任意給定的閾值z，引入指示函數I（x,z）：

指示函數I（x,z）將原始數據轉換為0或1，此二值是后續指示克里格方法計算的基礎。區域化變量z（x）對于不同的閾值z對應不同的轉換函數，也就可能得到不同的轉換值，因此在使用克里格法時，需要根據數據特點和研究需要確定閾值z。指示克里格法變異函數模型的精度取決于決定系數（R2）和殘差平方和（RSS），R2代表變異函數模型所能解釋的因變量變異性的百分比，能判斷變異函數模型擬合的優劣，值在0～1之間，值越大擬合越好，這是模型精度判斷優先考慮的因素；RSS代表剩余誤差，其取值沒有范圍，值越小模型擬合效果越好。有關指示克里格法的詳細介紹可以參考文獻[19,20]。

本研究以地統計學中的指示克里格法為基礎，用GS+9.0對研究區域耕地土壤重金屬含量進行指示變異函數分析，空間插值計算采用ArcGIS10.2。運用GS+和GIS進行指示克里格法插值的一般步驟為：①根據實際研究情況確定閾值，根據指示函數將原數據轉換為0或1；②利用轉換的數據計算指示變異函數；③用GS+9.0進行指示變異函數計算，并進行擬合；④利用ArcGIS10.2地統計學模塊，以模型擬合結果為參數，進行指示克里格插值，得到研究變量的概率空間分布圖[21]。

表1 土壤重金屬統計特征

2 結果與分析

2.1 典型金屬元素統計特征分析

茶陵縣耕地土壤5種重金屬含量統計特征分析結果見表1，除重金屬Cd以外，其余4種重金屬含量的平均值及中值均小于《土壤環境質量標準》二級標準值。Cd的污染情況較為明顯，其平均值是國家二級標準值的2.5倍，點位超標率達到98%；As、Hg的點位超標率分別為8%和3%，只存在局部地區的污染；只有兩個采樣點存在Pb超標情況；而Cr的點位超標率為零。重金屬Cr、Hg的變異系數為36%和51%，屬于中等強度變異，Cd、Pb、As的變異系數都大于100%，屬于強變異，說明這3種重金屬元素污染的區域差異大，受人為因素影響的可能性大[22]。通過K-S檢驗5種重金屬元素監測值都不符合正態分布或對數正態分布，在這種情況下，指示克里格法并不用考慮原始數據的分布情況，能充分發揮它處理偏態數據的優勢[23]。

2.2 閾值的選擇

取耕地土壤Cd采樣點監測值含量0.1～0.9分位數以及《土壤環境質量標準》二級標準值共10個值作為閾值，分別為 0.330 mg·kg-1、0.358 mg·kg-1、0.398 mg·kg-1、0.445 mg·kg-1、0.483 mg·kg-1、0.528 mg·kg-1、0.588 mg·kg-1、0.728 mg·kg-1、1.145 mg·kg-1以及0.3mg·kg-1，計算小于各閾值條件的指示變異函數。指示克里格插值精度在中位數時取得最大值，在精度容許的情況下，研究時閾值盡量選取超過中位數的偏大值[24]，這與表2的計算結果一致。根據決定系數最大和殘差平方和最小的原則，并結合數據特點和研究需要，將0.483 mg·kg-1作為重金屬Cd指示克里格變異函數計算的閾值；重金屬Cr、Pb、As、Hg指示變異函數計算選擇的閾值分別為90 mg·kg-1、40.7 mg·kg-1、15 mg·kg-1、0.142 mg·kg-1，其分析選擇的過程和重金屬Cd一致。

表2 各閾值條件下指示變異函數的擬合參數

2.3 典型金屬元素指示變異函數分析

表3中，塊金值C0通常表示由隨機部分引起的空間變異；基臺值Sill通常表示系統內總的變異；塊金系數（塊金值C0/基臺值Sill）表示隨機部分引起的空間變異占系統總變異的比例，它反映了土壤屬性的空間依賴性，常被用作研究變量空間相關的分類依據[25]。當塊金系數＜0.25，表明變量的空間變異以結構性變異為主，變量有很強的空間相關性；當0.25≤塊金系數＜0.75時，變量表現為中等程度空間相關；而塊金系數≥0.75時，變異以隨機性變異為主，變量的空間自相關性則很弱，不適合采用空間插值方法進行空間預測。變程的大小反映了區域化變量影響范圍的大小，反映了變量自相關范圍的大小，也可以說變程是區域化變量空間變異尺度或空間自相關尺度。5種重金屬元素Cd、Cr、Pb、As、Hg的變異函數模型通過GS+自動計算分析并擬合后全部符合指數模型，所有元素的決定系數均大于0.542，而 RSS均較小，說明模型計算及擬合的效果較好。各變量的變程介于2 970～3 3210 m之間，Cr的變程最大，表明在更大尺度上存在空間自相關性，其次為As、Pb、Hg、Cd，相較于研究尺度而言，都具有較好的空間自相關尺度。研究區耕地土壤重金屬Cr塊金系數為49.94%，體現為中等強度的空間相關性，這說明在當前閾值條件下，土壤重金屬含量空間分布是由隨機性因素（如灌溉、耕作措施和土壤改良等各種人為活動）和結構性因素（如氣候、地形、土壤類型等）共同作用的結果。而研究區耕地土壤重金屬Cd、Pb、As和Hg的塊金系數分別為11.6%、11.46%、12.65%和11%，體現為較強的空間自相關性，這說明在當前閾值條件下，土壤重金屬含量的空間分布主要是由結構性因素所決定的[26]。

表3 土壤重金屬指示變異函數

2.4 典型金屬元素空間特征分析

在特定的閾值條件下，以指示變異函數分析結果為基礎，利用ArcGIS 10.2對研究區域重金屬變量進行指示克里格插值。本研究運用等間距法[26]，將污染風險等級分為低風險（P≤0.2）、較低風險（0.2＜P≤0.4）、中等風險（0.4＜P≤0.6）、較高風險（0.6＜P≤0.8）與高風險（0.8＜P≤1）5類。

茶陵縣耕地土壤重金屬污染風險概率如圖2～5所示，其分布特征“斑塊狀”化明顯。結合表4可知，研究區北部的八團鄉、高垅鎮以及西部的平水鎮，耕地土壤重金屬Cd污染風險概率達到了0.8～1，屬于污染高風險區域；重金屬Cr污染高風險區域位于西北部的潞水鎮、平水鎮；重金屬Pb污染高風險區域主要位于平水鎮、七地鄉、八團鄉、高垅鎮、堯水鄉以及嚴塘鎮；重金屬As污染高風險區域主要位于高垅鎮、桃坑鄉、嚴塘鎮以及平水鎮；重金屬Hg污染風險概率分布最為破碎，高風險區主要集中在平水鎮和秩堂鄉。5種重金屬Cd、Cr、Pb、As、Hg的污染高風險區域面積分別為 126.87 km2、4.65 m2、556.30 km2、148.53 km2、48.10 km2，分別占到茶陵縣總面積的5.06%、0.19%、22.19%、5.93%、1.92%，高風險區域應作為耕地土壤重金屬污染綜合防控的重點關注區域。其中茶陵縣Cd污染風險概率大于0.4的區域面積達到1 105.74km2，占茶陵總面積的44.11%，考慮到重金屬Cd的指示克里格分析閾值設置較高，超過《土壤環境質量標準》國家二級標準值，所以Cd污染中等風險以上的區域都應該引起重視。

通過綜合分析幾種重金屬污染風險的空間分布情況可以發現，重金屬污染風險相對較高的區域都主要集中在茶陵縣中北部地區，尤其是集中在八團鄉、嚴塘鎮、火田鎮、高垅鎮。首先這與茶陵縣礦產資源的分布狀況密切相關，茶陵縣礦產資源主要分布于縣域中部及以北地區，且相對集中，南部地區礦產資源相對貧乏。尤其是錫田鎢錫、鉛鋅、銅、鈮鉭等多金屬礦產基地，主要位于研究區北部的八團鄉、高垅鎮、火田鎮、嚴塘鎮境內，面積387.01 km2，區內已設采礦權29個。其次，茶陵縣礦業開采行業發展迅速，茶陵縣已設采礦權76個，其中，省級發證27個；市級發證2個；縣級發證47個。中型礦山2個，中型礦山比例為2.63%。采掘從業人員2 692人，采掘業產值10 892萬元。此外，中北部地區經濟相對發達、人口密集，工農業活動頻繁，交通排放、濫用化肥以及污水灌溉等也是造成耕地土壤污染的原因之一[27]。

表4 污染風險統計

圖2 Cd污染風險概率圖

圖3 Cr污染風險概率圖

圖4 Pb污染風險概率圖

圖5 As污染風險概率圖

圖6 Hg污染風險概率圖

3 結 語

1）茶陵縣5種重金屬Cd、Cr、Pb、As、Hg的采樣點含量點位超標率分別為98.00%、0.00%、0.00%、8.00%、3.00%，耕地重金屬Cd污染明顯；重金屬Cd、Pb、As的變異性強，Cr、Hg的變異性中等。

2）茶陵縣5種重金屬元素Cd、Cr、Pb、As、Hg的指示變異函數最佳模型全都為指數模型；Cr體現為中等強度的空間相關性，其土壤重金屬含量空間分布是由隨機性因素和結構性因素共同作用的結果，Cd、Pb、As和Hg體現為較強的空間自相關性，土壤重金屬含量的空間分布主要是由結構性因素所決定的。

3）茶陵縣Cd污染高風險區域位于八團鄉、高垅鎮以及平水鎮，Cr污染高風險區域位于潞水鎮、平水鎮；Pb污染風險較高的區域主要位于平水鎮、七地鄉、八團鄉、高垅鎮、堯水鄉以及嚴塘鎮，As污染風險較高的區域主要位于高垅鎮、桃坑鄉、嚴塘鎮以及平水鎮；Hg污染高風險區主要集中在平水鎮和秩堂鄉；Cd、Cr、Pb、As、Hg的污染高風險區域面積分別為 126.87 km2、4.65 km2、556.30 km2、148.53 km2、48.10 km2，分別占到茶陵縣總面積的5.06%、0.19%、22.19%、5.93%、1.92%，應當引起重視。