基于GIS的農田土壤重金屬空間分布及污染評價*——以南京市江寧區某鄉鎮為例

謝龍濤，潘劍君?，白浩然，張培育，康 翔，王 飛，朱燕香

基于GIS的農田土壤重金屬空間分布及污染評價*——以南京市江寧區某鄉鎮為例

謝龍濤1，潘劍君1?，白浩然1，張培育1，康 翔2，王 飛1，朱燕香1

（1. 南京農業大學資源與環境科學學院，南京 210095；2. 南京農業大學公共管理學院，南京 210095）

土壤污染近年來備受矚目，我國已出臺多項法律法規來規范防治，合理評價不同地區土壤重金屬的污染情況，具有現實和長遠意義。2017年11—12月在研究區采集的29個表層土壤（0～20 cm），分析測定土壤pH、有機質和8種重金屬元素砷（As）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、銅（Cu）、汞（Hg）、鎳（Ni）、鉛（Pb）和鋅（Zn）的含量，采用最新發布的《土壤環境質量—農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618-2018）進行污染評價，運用GIS地統計學方法分析重金屬空間分布特征。結果表明，研究區土壤pH呈現酸性至中性；有機質平均含量為17.73 mg·kg–1，較為缺乏；8種重金屬元素（As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn）的平均含量分別為8.27、0.17、70.84、24.74、0.20、32.07、28.48和73.57 mg·kg–1，除As外，其他重金屬含量均超過南京市江寧區土壤環境背景值，但未超過國家現行標準，總體無重金屬污染。其中Cd、Cu和Hg元素在局部地區達到了警戒線，風險區主要分布在西南部和南部，呈現帶狀分布，農業生產上需引起重視。

GIS；土壤重金屬；表層土壤；空間分布；污染評價

土壤作為組成地球陸地生態系統中的關鍵部分，在多種生命活動中充當著極為重要的媒介作用[1-3]。土壤重金屬本身具有生物毒性、累積性以及不可降解性等特征，使其在土壤中極易產生富集現象，盡管土壤對土壤污染物具有一定的吸收和容納能力，但是由于近年來人類不合理的生產活動，使得產生的大量重金屬通過廢水、大氣沉降持續釋放至周圍環境的表層土壤中[4-5]，而表層土壤又是重金屬重要的遷移、轉化和沉積的場所，不斷累積的重金屬在土壤中通過有機體轉化為有機復合物，最終對自然生態系統和人類健康造成威脅[6-8]。

農田土壤重金屬的污染程度關系到農產品的質量安全和農田生態系統的健康，關于土壤重金屬污染的空間分布與評價已經成為當今世界各國關注的焦點，備受各國政府和科學家的廣泛關注[9-15]。我國農田的土壤重金屬污染形勢十分嚴峻，在2014年4月17日，我國環保部與國土部聯合在《全國土壤污染狀況調查公報》中指出，2014年全國農田土壤的點位超標率約為16.1%，其中8種重金屬As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn的污染占了82.4%[1]。隨后在2016年5月28日，我國國務院在此基礎上又印發了《土壤污染防治行動計劃》，也就是當時所說的“土十條”，當年這一計劃的發布可以說是整個土壤污染修復事業的里程碑事件。最終在2018年8月31日，我國全國人大常委會第五次會議正式通過了《中華人民共和國土壤污染防治法》，從而土壤污染修復事業實現了有法可依，這也是我國首次通過制定專門的法律來規范防治和治理修復土壤污染，均充分體現了國家對土壤污染防治工作的重視。近年來，國內外對于土壤重金屬污染的研究從重要工業城市開始向城市周邊區域擴展，南京市江寧區作為華東最大、全國第二的農副產品物流中心，此前胡文友等[16]曾對南京市郊鎘和汞的累積特征做了一定的研究，但針對此地區的土壤重金屬綜合污染情況鮮有報道。該地區作為南京市重要的糧食產區，有必要對其進行污染調查與評價，本研究通過采用最新發布的GB15618-2018[17]，針對pH分級和不同土地利用類型進行評價，對于全面評估土壤重金屬風險、開展污染等級調查以及土壤修復工作具有十分重要的意義。并且本研究對傳統評價方法進行改進優化，得到一種針對此地區更加科學合理的評價方法，結合GIS的技術特點和空間分析功能，深入分析利用GIS技術評價土壤重金屬污染的合理性，并在此基礎上進一步展望了GIS技術在土壤重金屬研究中的應用趨勢，以期能夠為保障土壤安全和預防土壤潛在風險提供具體措施和科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究區位于江蘇省南京市江寧區湖熟街道周崗社區，地處溧水河的南北兩條分支河流高陽河與二干河之間（31°46′9.07″—31°49′42.27″ N、118°53′41.77″ — 119°0′4.55″ E），總面積約為41 km2（圖1a）。

圖1 研究區地理位置圖（a）、高程圖（b）和采樣點分布圖（c）

研究區位于北亞熱帶，氣候屬于北亞熱帶暖濕氣候，研究區屬于秦淮河平原的一部分，絕對高程范圍在6～43 m，總體地勢為中間高、四周低（圖1b）。研究區主要土壤類型有水稻土、黃棕壤、新積土和石質土，其中水稻土占絕大部分。居民點主要分布于地勢較高的微高地和坡度平緩的崗地區域。

1.2 數據來源

研究區影像是由中國資源衛星高分一號影像應用中心提供，時間為2017年4月22日，產品等級為1A級產品，包括全色波段影像和多光譜波段影像各一景，用于提取研究區的地貌類型；Google影像來源于Google Earth平臺，通過多期影像拼接合成的柵格數據，該影像共有紅色、綠色和藍色三個波段，輸出像元大小為0.29 m×0.29 m，用于矢量化研究區耕地地塊邊界（圖1c）；周崗鎮行政邊界矢量圖用于確定研究區的范圍；土地利用圖用于確定各個具體土地利用類型和微域景觀分類；研究區DEM數據像元大小為5 m×5 m，用于制作研究區地貌類型圖。

1.3 試驗設計

關于樣點布設和采集路線的確定，根據《土壤環境監測技術規范》（HJ/T166-2004）的規定，土壤采樣點布點方法一般分為三種，分別為：簡單隨機法、分塊隨機法、系統隨機法，其中系統隨機法更具代表性，為了全面了解研究區土壤重金屬含量，同時體現采樣點的典型性、代表性、均勻性，利用ArcGIS 10.3軟件在數字底圖上按照規則網格進行采樣點的布設，土壤樣品采集時間為2017年10-11月，研究內容為農田表層土壤pH、土壤有機質和8種土壤重金屬元素As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn，農田以水稻田為主。采集到的0～20 cm表層土壤，等量混合后用四分法取約1 kg裝入聚乙烯密封袋內，用GPS記錄實地坐標，并對環境拍照記錄，采樣工具為竹勺[17-19]。經過自然風干后的土壤樣品，用瑪瑙研缽進行研磨，過0.25 mm孔徑篩后繼續研磨，使之全部通過0.074 mm孔徑篩，然后采用HNO3-HCl-HF-HClO4法消煮后，測定pH、有機質和8種重金屬項目；其中pH采用pH計測定法測定，有機質采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定，Cr、Cu、Ni、Pb和Zn采用等離子體原子發射光譜法（ICP-OES）測定，Cd采用石墨爐原子吸收分光光度法（GF-AAS）測定，As和Hg采用原子熒光光譜法（HG-AFS）測定[20-21]。所有分析方法的準確度和精密度均采用國家一級土壤標準物質（GBW系列）進行檢驗[22]，并且保證測試結果均符合監控要求。

通過標準偏差百分數（RSD）來評價土壤重金屬分析測試結果的精密度。一般而言，土壤中重金屬的RSD在20%以內是可以接受的。本研究針對土壤樣品和平行樣品分別進行相對標準偏差的計算。RSD的計算公式如下：

式中，RSD為相對標準偏差，SD為標準偏差，′表示測量數據的平均值。將樣品及平行樣品的分析結果進行比對并計算相對標準偏差百分數，具體結果見表1。

表1 重金屬分析的質量控制結果

①Quality control samples；②Control group.

將實驗室獲得的pH、有機質和重金屬含量在SPSS 22.0中進行極值、均值和標準偏差基本數據的統計，并用GS+9.0軟件求出變異函數，根據國家土壤背景值和國家土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）（GB 15618-2018）進行基本統計數據的分析。

1.4 評價方法

評價方法采用內梅羅指數法中的單因子指數法和綜合指數法[23]。

其中單因子指數法的優勢在于可以快速確定主要重金屬的污染和危害程度[23]。一般通過污染指數來表示，通過重金屬含量實測值和評價標準相比除去量綱來計算污染指數：

式中，P為重金屬元素的污染指數；C為重會屬元素含量實測值；I為土壤環境質量國家二級標準值。

而綜合指數法的優勢在于既兼顧了單因子污染指數的平均值和最高值，又能著重突出研究區污染較嚴重的重金屬污染物的污染程度。綜合指數法計算方法如下：

1.5 制圖步驟

土壤重金屬的空間分布制圖具體步驟[24-25]：（1）插值（IDW）：通過創建訓練子集和測試子集，樣本數分別為29和3，將訓練子集進行反距離加權插值；（2）驗證（Validation）：通過使用測試子集進行驗證，統計預測值與真實值之間的平均誤差（ME）和均方根誤差（RMSE），ME越接近0，RMSE越小，則預測誤差越小，精度就越高；（3）輸出（Export）：將插值結果輸出為柵格圖層，并用研究區的地形邊界圖對其進行掩模提取，進而制得研究區農田土壤重金屬分布格局圖。

2 結果與討論

2.1 土壤重金屬的描述性統計

通過表2可以看出，該研究區土壤pH介于4.82～7.02，呈現酸性至中性；有機質含量范圍為9.32～39.28 mg·kg–1，參照全國第二次土壤普查養分分級標準，總體處于較缺乏的水平；As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn含量范圍分別為5.99～14.63 mg·kg–1、0.07～0.33 mg·kg–1、56.40～91.73 mg·kg–1、15.18～38.27 mg·kg–1、0.074～0.420 mg·kg–1、23.44～41.02 mg·kg–1、24.14～34.85 mg·kg–1和54.18～100.09 mg·kg–1，參照南京市江寧區土壤背景值[23]和GB 15618-2018，只有As的平均值低于土壤背景值，Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn均高于南京市江寧區的土壤背景值，但低于國家標準。并且8種重金屬的最大值也低于國家標準，說明該地區土壤目前尚未受到重金屬污染。變異系數（CV）反映數據間的離散程度，也直觀反映出樣本的空間變異性大小。一般認為，CV＜10%為弱變異，10%～100%中等強度變異，CV≥100%為強變異[18]。根據表2可知，pH和有機質分別為9%和4%，為弱變異，說明二者受外界影響比較小，空間變異相對不顯著，可能具有同源性。As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn的變異系數分別為24%、32%、14%、15%、40%、15%、10%和16%，Hg>Cd>As>Zn>Cr>Cu、Ni>Pb，8種重金屬均呈中等強度變異，空間變異相對顯著，可能受人為活動影響。由此可知，該地區土壤重金屬含量不只是受土壤本底值影響，還可能受到輕微外來干擾，具體情況需要通過相關性分析來驗證。

表2 土壤指標描述統計特征及相關標準

2.2 土壤重金屬的相關性

通過以往研究表明，土壤重金屬來源于成土母質和人類活動，同一來源的重金屬之間可能存在著相關性，根據相關性可以判斷土壤重金屬污染來源是否相同，如果重金屬之間存在顯著正相關，則其來源可能相同，否則來源可能不止一個[23]。由表3可知，該研究區土壤pH、有機質和重金屬間存在一定的相關性。其中，土壤pH與土壤中有機質含量呈極顯著負相關，進一步說明了二者具有同源性，可以確定二者與土壤本底值密切相關；土壤中有機質與土壤中Pb含量呈極顯著正相關，與土壤中Cu含量呈顯著正相關，說明該研究區土壤中有機質與Cu、Pb之間可能具有同源性，但重金屬有背景值、面源和工礦源等不同來源，來源分析仍需要進一步驗證；土壤中Cd、Cr、Cu、Ni和Zn含量均呈極顯著正相關，可以推測它們之間可能存在同源性。

表3 不同土壤指標之間的相關性

注：**在0 .01 水平上顯著相關，*在 0.05 水平上顯著相關。Note：**：Significantly correlated at the 0.01 level，and*：Significantly correlated at the 0.05 level.

2.3 土壤重金屬的污染評價指數

將8種重金屬元素的單因子指數與綜合指數分別進行統計（表4），通過對比內梅羅指數法的污染程度分級標準（表5和表6），得到單因子指數的最大值imax均小于1，均未超標，說明該地區土壤目前尚未受到重金屬污染，總體上符合農業生產要求；綜合指數的平均值綜a均小于1，未超標；綜合指數的最大值綜max中Cd、Cu、Hg達到了警戒線，農業生產中應注意防范，綜合指數綜均處于安全水平，說明該地區土壤總體屬于清潔土壤?？傮w而言，該地區土壤中Cd、Cu和Hg在局部采樣點達到了警戒線，在農業生產上需要引起重視，通過重金屬分布特征來確定污染點和污染源。

2.4 土壤重金屬的空間分布特征

將綜合評價方法得到的結果，利用半方差模型對土壤重金屬進行反距離加權插值，得到8種重金屬的空間分布格局，分級標準依據污染程度等級劃分。通過圖2可以看出，該研究區土壤重金屬空間格局的突出特征分布斑塊大、分布規律明顯。其中土壤中As含量的分布呈現出西部和中部高、東部低的趨勢；土壤中Cd、Cr、Cu、Ni和Zn含量的分布呈現出西北部和南部高、東北部低的趨勢；土壤中Hg含量的分布呈現出中西部高、東部低的趨勢，土壤中Pb含量的分布呈現出西南部和東北部高、中部和北部低的趨勢。土壤中Cd、Cr、Cu、Ni和Zn的分布類似，結合之前的相關性分析，可以初步斷定，該研究區土壤重金屬Cd、Cr、Cu、Ni和Zn存在同源性，這可能與穿過研究區的溧水河有關，而溧水河作為南京市秦淮河的一個分支，具體風險來源有待進一步研究。

注：綜a，綜平均值；綜max，綜最大值。Note：綜a，average value of綜.綜max，maximum value of綜.

表5 土壤單項污染程度分級標準

表6 土壤綜合污染程度分級標準

3 結 論

南京市江寧區湖熟街道周崗社區農田土壤總體無重金屬污染，但Cd、Cu和Hg元素在局部地區達到了警戒線，具有潛在污染風險，在農業生產上需要引起重視。風險區分布以西南部和南部較為嚴重，并呈現帶狀分布，其中Cd、Cr、Cu、Ni和Zn具有同源性。土壤重金屬污染評價的方法中，其單因子指數法簡單直觀，對于土壤調查中單項重金屬的超標判定以及風險級別的劃分具有良好的適用性；綜合指數法可以更加全面的對土壤重金屬污染進行評價，更具科學合理性；兩種方法的結合使用對于全面評估土壤重金屬風險、開展污染等級調查以及土壤修復工作具有十分重要的意義。

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GIS-Based Spatial Distribution and Risk Assessment of Heavy Metals in Farmland Soils: A Case Study of a Town of Jiangning, Nanjing

XIE Longtao1, PAN Jianjun1?, BAI Haoran1, ZHANG Peiyu1, KANG Xiang2, WANG Fei1, ZHU Yanxiang1

(1. College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China; 2. School of Public Administration, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

Heavy metals pollution level in farmland soil is related to quality and safety of the agricultural produce and health of the farmland ecosystems. Spatial distribution and evaluation of heavy metal pollution of the soils has become the focus of concerns all over the world, and attracted wide attentions from the governments and scientists of all the countries. In recent years, the situation of soil heavy metal pollution in farmland in China is getting so serious that it has aroused country-wide concerns. To address the problem, China has promulgated the “”, which is an act of long-term realistic significance to regulation, control, and reasonable evaluation of the pollution of heavy metals in soils of China.Jiangning District of Nanjing City, the largest agricultural produce and sideline product logistics center in East China and the second in the country, has rarely been reported about the issue before. It is, therefore, necessary to perform investigations and evaluations of any heavy metal pollution problems in this region. For this study, samples of topsoil (0～20 cm) were collected from 29 pieces of farmland scattered in the region during November and December, 2017 for analysis of soil pH, organic matter and contents of 8 heavy metals, such as arsenic (As), cadmium (Cd) and chromium (Cr), Copper (Cu), mercury (Hg), nickel (Ni), lead (Pb) and zinc (Zn), and heavy metals pollution of the soil was evaluated in line with the newly released “” with a view to improving and optimizing the traditional evaluation methods for pollution assessment, and developing a more scientific and reasonable region-specific evaluation method, which combines the technical characteristics and spatial analysis function of GIS, and makes use of the geostatistics method in analyzing spatial distribution characteristics of the heavy metals pollution.Results show that the soils in the study area varied in the range from acidic to neutral in soil pH, lacked organic matter, and contained 8.27, 0.17, 70.84, 24.74, 0.20, 32.07, 28.48 and 73.57 mg·kg–1of As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb and Zn, respectively, all of which except for As, were higher than their respective background values of the soil environment of the region, but still within the safe ranges specified in the current standards of the nation for agricultural environment quality. So on the whole, the region is not polluted with heavy metals.In certain areas of the region, soil Cd, Cu and Hg has reached their respective alert threshold, posing pollution risks, which calls for serious attention in agricultural production. The risks are quite high in the southwest and south parts of the region, forming a band in distribution. In that band, Cd, Cr, Cu, Ni and Zn are found to have come from the same source, potentially the Lishui River running through the study area. The upper reaches of the Lishui River is the Qinhuai River flowing through the urban area of Nanjing. Further studies should be done as to specific sources of the risks. Comparison of the methods for evaluating heavy metal pollution in soil shows that the single factor index method is simple, intuitive and highly adoptable to determination of whether a single item of heavy metal in soil has surpassed the criterion in soil survey and to grading of the risk; the comprehensive index method is more scientific and reasonable for comprehensive evaluation of soil heavy metal pollution; The newly promulgated “” is aimed at soil pollution assessment of farmland in the light of soil pH and type of land use. The promulgation of the standard is of great significance to comprehensive risk assessment of soil heavy metal pollution of farmland soils, survey and grading of soil pollution and remediation of polluted soils.

GIS; Soil heavy metals; Surface soil; Spatial distribution; Pollution assessment

X82

A

10.11766/trxb201809010441

謝龍濤，潘劍君，白浩然，張培育，康翔，王飛，朱燕香. 基于GIS的農田土壤重金屬空間分布及污染評價——以南京市江寧區某鄉鎮為例[J]. 土壤學報，2020，57（2）：316–325.

XIE Longtao，PAN Jianjun，BAI Haoran，ZHANG Peiyu，KANG Xiang，WANG Fei，ZHU Yanxiang. GIS-Based Spatial Distribution and Risk Assessment of Heavy Metals in Farmland Soils：A Case Study of a Town of Jiangning，Nanjing[J]. Acta Pedologica Sinica，2020，57（2）：316–325.

* 國家自然科學基金項目（41771247）資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 41771247）

，E-mail：jpan@njau.edu.cn

謝龍濤（1993—），男，山東青島人，碩士，主要從事土壤信息技術方面研究。E-mail：953635319@qq.com

2018–09–01；

2018–11–23；

優先數字出版日期（www.cnki.net）：2019–01–02

（責任編輯：盧 萍）