基于GIS的流域農產品重金屬污染空間分布特征研究*

文｜熊凡 胡丹心 周志軍 肖竑 歐錦瓊

食品安全直接關系到人類健康和國民生計。改革開放以來，隨著人口的急劇增長、工農業生產、城市化和科學技術的飛速發展，人類以前所未有的規模和強度開發資源，使地殼中有毒有害元素大量進入環境，而農產品對重金屬具有一定的富集和積累能力，農產品中的重金屬元素含量直接影響農業安全及農產品品質，并且會通過食物鏈給人類健康和生命安全帶來潛在危害[1-6]。據研究發現，人體過量累積重金屬會導致心血管、腎、神經和骨骼等器官損壞甚至致癌[7-8]。流溪河是珠江流域的一條重要河流，流溪河流域是廣州市的“菜籃子”基地，蔬菜種植面積大，是廣州市的糧倉之一。近年來，隨著經濟的發展，使得流域中下游逐漸被開發，旅游業和城鎮化的發展，嚴重影響了中下游地區。目前，整體上，流溪河流域顯示出從上游到下游方向自然景觀的遞減、農業景觀和城鎮景觀遞增的梯度變化[9]。這種空間分布特征在珠三角乃至整個華南沿海地區中具有河流流域的典型代表性[10]。整個流域農業、旅游業和城鎮化的擴張，導致流域生態環境惡化，水質不斷下降，而流域周邊的農用地由于取用流溪河的水為灌溉水，勢必會對其農產品產生較大的影響。已有的研究中，專家學者雖然有對于農產品重金屬的研究，但對于廣州市流溪河流域周邊農產品的系統研究尤其是對該流域重金屬的空間分布研究基本為零。因此，本研究以廣州市流溪河流域周邊為研究區域，對農產品重金屬Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn和Ni含量進行測試分析，對流域農產品進行質量分級和空間分布特征研究，旨在了解和掌握流溪河流域周邊農產品重金屬污染空間分布特征以及農產品質量等級，為保障農產品安全和人體健康提供科學依據，也為有關部門開展污染防治、土地利用等提供重要支撐。

圖1 流溪河流域位置及農產品采樣點分布圖

1 材料與方法

1.1 采樣區域概況

流溪河流域位于廣州市北部，珠江三角洲的中北部，是廣州市境內最重要的水源保護區。流溪河全長171km，流域總面積2300km2，占廣州市面積的31%，流域地理坐標范圍為113°10′12′～114°02′00′E，23°12′30′～23°57′36′N。流域屬于南亞熱帶季風性海洋氣候，氣候溫濕，雨量豐沛，多年平均氣溫約21.2 ℃，平均降水量為1823.6mm。流域整體呈東北—西南向的狹長型，地勢東北高，西南低。流域上游主要為山區，土壤類型為黃壤或紅壤，土地利用類型主要以種植水源林和用材林為主；中游為丘陵區，土壤類型為赤紅壤居多，土地利用主要為園地和旅游區；下游為沖積平原，土壤類型主要為水稻土，土地利用主要以種植蔬菜、花卉和水果為主[11]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與保存

在距流溪河河岸600m范圍以內，從上至下沿河流兩岸每隔2km選取種植面積相對最大的農產品種類分次在其成熟期進行采樣，共采集農產品樣品63個；同時，考慮到流溪河流域的四個水質監測點附近農產品種植面積較大，屬于流域典型蔬菜種植區域，因此，在四個水質監測點附近約2 km范圍內，進行加密布點采樣，共采集農產品樣品20個。則整個流溪河流域共采集農產品樣品數83個，其中，新鮮水果類樣品29個，谷物（水稻）類樣品13個，瓜果類、豆類、葉菜類和根莖類蔬菜樣品分別為11個、2個、27個和1個。所有農產品的采集、保存和處理均按照《農、畜、水產品污染監測技術規范》（NY/T 398—2000）[12]執行。

1.2.2 分析方法

農產品中鎘、汞、砷、鉛、鉻、銅、鋅、鎳共8個重金屬總量的測定，采用電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）（GB 5009.268—2016）[13]測定。

1.2.3 評價標準及方法

農產品的標準值參照中華人民共和國衛生部頒發的《食品中污染物限量》（GB 2726—2017）[14]中所提供污染物限量標準值。采用單項污染指數和內梅羅綜合污染指數對農產品進行重金屬污染評價，并依據農產品重金屬單項污染指數對農產品進行質量分級。具體方法如下：

（1）單項污染指數

Pi=Ci/Si

式中：Pi為污染物i的單項污染指數；Ci為污染物i的含量，mg·kg-1；Si為污染物i的評價標準值，mg·kg-1。

對于單項污染指數評價，若Pi≤1，則表示農產品未受污染，屬于安全水平；若Pi＞1，則表示農產品受到污染，Pi值越大，說明受到的重金屬污染越嚴重[15-16]。

（2）內梅羅綜合污染指數（綜合污染指數）

式中：P綜是內梅羅綜合污染指數；Pimax為樣點重金屬污染物單項污染指數中的最大值；Piave為樣點各項重金屬污染物單項污染指數的平均值。

根據內梅羅綜合污染指數分級標準進行分級，分級標準見表1。

表1 基于內梅羅綜合污染指數法的重金屬污染分級標準

（3）農產品質量分級

根據中華人民共和國農業行業標準《農、畜、水產品污染監測技術規范》（NY/T 398—2000）[12]，農產品質量分級按最大單項污染指數最終評定，劃定質量的級別，農產品質量分級標準見表2。

表2 農產品質量分級標準

以上數據均采用Excel 2010、SPSS22.0進行數據統計分析，采用ArcMap10.1進行作圖。

2 結果與討論

2.1 農產品中重金屬含量及超標統計

本研究中，根據2011年第3號中國國家標準公告，衛生部和國家標準化管理委員會已于2011年1月聯合發文取消《食品中銅限量衛生標準》（GB 15199—1994）[22]《食品中鋅限量衛生標準》（GB 13106—1991）[23]等標準，不再將銅、鋅作為污染物管理，轉而作為營養強化劑管理。另外，目前《食品安全國家標準 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）[14]中對于鎳也僅規定了油脂及其制品中的限值。因此，本文不對農產品中銅、鋅和鎳作污染超標評價，僅作含量特征評價。

由表3可知，流溪河流域周邊83個農產品樣品重金屬Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn和Ni的平均含量依次為0.023、0.001、0.028、0.038、0.161、1.154、6.001和0.154 mg·kg-1，均值由高到低排序為Zn＞Cu＞Cr＞Ni＞Pb＞As＞Cd＞Hg。流溪河流域不同點位農產品重金屬含量變異系數介于0.614～1.864，其中，以Cd的變異系數最大，Cr次之，Hg最小。從點位超標率來看，除Cu、Zn和Ni不參與污染超標評價外，Cd和Cr各有2個點位的樣品重金屬含量超出食品中污染物限值，超標率均為2.41%，其余重金屬各點位均未超過標準限值。

表3 流溪河流域農產品重金屬總量函數統計

本研究中，流溪河流域83個點位農產品重金屬含量變異系數介于0.614～1.864，表明該流域周邊農產品中重金屬含量空間分布差異顯著，重金屬來源受外界干擾影響相對較大。同時，根據學者[17]對海南省農產品重金屬計算出的變異系數的研究，可得海南省不同樣點變異系數介于0.588～2.279，對比研究結果，可知不同地域、不同點位以及不同農產品之間重金屬含量差異比較大。

2.2 農產品質量分級

通過計算各個農產品單項污染指數，并依據最大單項污染指數最終評定，統計結果如圖2所示。流溪河流域周邊83個農產品樣品中，一級產品數量為71個，占比為85.54%；二級產品數量為7個，占比為8.43 %；三級產品數量為5個，占比為6.02 %。對于不同類別下農產品質量分級，新鮮水果類一級、二級和三級產品數量分別為27個、1個和1個，占比分別為93.10 %、3.45 %和3.45 %；谷物類一級、二級和三級產品數量分別為4個、5個和4個，占比分別為30.77%、38.46%和30.77%；瓜果類蔬菜一級、二級和三級產品數量分別為10個、1個和0個，占比分別為90.91 %、9.09 %和0 %；豆類蔬菜、葉菜類蔬菜和根莖類蔬菜三種類別中所采集的樣品總數量分別為2個、27個和1個，所有樣品全部為一級產品，占比均為100 %。由此可見，流溪河流域周邊農產品整體為優質的一級產品，僅有個別產品受到污染，質量較差，主要分布于新鮮水果和谷物類農產品中。

圖2 流溪河流域周邊農產品質量分級圖

2.3 農產品重金屬污染指數空間分布

運用ArcGIS軟件，將采樣點GPS定位數據與遙感圖像解譯資料疊加，根據采樣點的監測分析數據，研究農產品重金屬污染的空間分布情況。

由表4可知，流溪河流域周邊83個農產品樣品重金屬Cd、Hg、As、Pb和Cr的單項污染指數均值均小于1，整體屬于安全水平，單項污染指數從高到低依次為Pb＞Cr＞Cd＞As＞Hg。

表4 流域周邊農產品重金屬單項污染指數

從圖3 （a、b、c、d、e）可以看出，農產品重金屬Cd、Hg、As、Pb和Cr污染指數大小在流溪河流域周邊的分布整體上較為分散，其中，Cd、Hg、As和Cr的污染指數整體明顯小于0.1，遠低于評價標準值1。對于農產品重金屬Cd，單項污染指數較大的點位主要分布于太平水質監測斷面以上，即處于流域的上、中游；對于農產品重金屬Hg，單項污染指數較大的點位主要分布于太平水質監測斷面以下，即處于流域的下游；對于農產品重金屬As，單項污染指數較大的點位主要分布于太平水質監測斷面以上，即處于流域的上、中游，且僅有個別點位砷污染指數在0.37及以上；對于農產品重金屬Pb，單項污染指數較大的點位相對較為分散；對于農產品重金屬Cr，單項污染指數較大的點位主要分布于太平水質監測斷面以上，即處于流域的上、中游。

通過計算農產品樣品重金屬綜合污染指數可知，流溪河流域周邊83個農產品樣品重金屬綜合污染指數范圍為0.06～1.30，均值為0.28，小于0.7，總體處于安全級別。由圖3 （f）可得，流溪河流域周邊農產品整體處于清潔（安全）水平，僅有1個點位處于輕度污染水平，有5個點位處于尚清潔（警戒線）水平。其中，處于輕度污染水平的點位主要處于流溪河山莊和太平水質監測斷面之間，需要重點關注；處于尚清潔（警戒線）水平的點位主要分布于太平水質監測斷面以上，即流域上、中游，這些點位應當加強監督，防止惡化，致使農產品受到更為嚴重的污染。

圖3 農產品重金屬單項污染指數及綜合污染指數空間分布圖

2.4 農產品質量分級空間分布

根據點位農產品各重金屬最高單項污染指數，對點位農產品進行質量分級，然后通過ArcGIS軟件制作流溪河流域周邊農產品質量分級空間分布圖。農產品的分級質量中，一級產品為優質未污染產品，二級產品為次優質未污染產品，三級產品為受重金屬污染產品。

由圖4可見，流溪河流域周邊農產品整體上多為一級產品，有7個點位農產品為二級產品，二級產品主要分布于流域上游和下游；有4個點位農產品為三級產品，三級產品主要分布于流域的上中游。廣州市流溪河地處熱帶－亞熱帶區域，早些年，流溪河流域上游源頭受到人類活動干擾程度較輕，水質狀況及生境條件也相對較好，下游則人口活動密集，工礦企業相對上游較為集中。但近年來，隨著城鎮化的迅猛發展，流域上游人類活動逐漸加劇，流溪河中游鐘落潭逐漸成為輕紡以及皮革加工等勞動密集型產業發達的城鎮，竹料地區則演變為白云區重要的農業種植、養殖區與沙發制造、制衣和染織等工業區，這使得流溪河流域中游鐘落潭鎮、竹料鎮的水質污染不斷加劇[18-19]。大量研究[20-22]表明，農產品中重金屬除來源于成土母質外，其含量也受土壤污染、灌溉水污染、工業“三廢”污染、化肥農藥超高量使用、人類活動等因素的影響。并且，也有研究[23-24]顯示，在靠近工礦企業周邊、污水灌溉區等附近種植的農產品，其重金屬含量往往偏高。本研究中，輕度污染的點位和受重金屬污染的三級產品主要集中在上、中游，一方面可能是由于上、中游土壤成土母質的含量相對較高，另一方面可能與近些年上、中游化肥農藥的超高量使用、位于工礦企業周邊以及污水灌溉等有關。

圖4 流溪河流域周邊農產品質量分級空間分布圖

綜上所述，流溪河流域周邊農產品整體處于安全水平，較適宜發展無公害農產品。但仍應重點關注流域內谷物類的重金屬含量以及中、上游的人為活動狀況，建議一方面加強谷物類農產品檢測或適當調整農產品種植結構與品種；另一方面在流域中上游通過采取化肥農藥減量增效技術、農業面源污染防治技術、清潔生產工藝技術，杜絕污水灌溉等措施，降低農產品中重金屬的含量，提前防范農產品污染，確保農產品質量安全。

3 結論

本文采用單項與綜合污染指數法，對廣州市流溪河流域83個農產品樣品重金屬Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn和Ni含量進行了調查與分析，并運用GIS分析與作圖，研究重金屬污染空間分布特征。結果表明：流溪河流域農產品各項重金屬的平均含量值均低于《食品安全國家標準 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）中規定的限值，但個別監測點位的農產品中重金屬Cd和Cr含量有超標現象。除Cu、Zn和Ni不參與污染評價外，流域農產品重金屬單項污染指數從高到低依次為Pb＞Cr＞Cd＞As＞Hg，綜合污染指數范圍為0.06～1.30，均值為0.28，整體處于清潔（安全）水平。從空間分布來看，重金屬Cd、As、Cr單項污染指數較大的點位主要分布于太平水質監測斷面以上，即處于流域上、中游，重金屬Hg單項污染指數較大的點位主要分布于太平水質監測斷面以下，即處于流域的下游，而重金屬Pb單項污染指數較大的點位相對較為分散。農產品質量分級結果顯示，流溪河流域周邊農產品整體為優質的一級產品，占比為85.54%，僅有個別產品受到污染，主要分布于流域的上、中游，建議加強流域上、中游的農產品重金屬檢測與分析，并在上、中游采取相關措施，防范農產品重金屬污染，保障農產品質量安全。