中国农田土壤重金属空间分布特征及污染评价

然而, 由于图 3是在图 2的基础上计算出的区域平均值，因此某个行政区可能会出现在局部具有全国最高(最低)值，但该地区整体平均值并非为全国最高(最低)值。此外, 各行政区农田土壤重金属的平均含量与土壤环境质量标准相比, 除Cd外其余6种重金属的平均含量均在标准限定范围内, 表明当前中国农田土壤重金属的含量基本处于安全范围,各大种植区均可放心种植农作物, 但仍需注意土壤Cd的潜在风险。

2.5 农田土壤重金属污染评价

以各省、直辖市和自治区的土壤背景值为标准, 计算各行政区农田土壤7种重金属的地质累积指数(表 6)。从平均地质累积指数来看(表 7),全国农田土壤地累积指数大小依次为：Cd>Hg>Pb>Cu>Zn>As>Cr。其中各省、直辖市和自治区农田土壤Cr的Igeo值均小于0, 并且各行政区土壤Pb、Cu、Zn和As的Igeo值也多数小于0, 表明这5种重金属主要来源于地质因素；而全国农田土壤Cd和Hg的平均Igeo值分别为0.50和0.44, 表明这2种元素主要来源于人类活动。

地累积指数还考虑到各种重金属的累积程度[40], 综合分析表 6和表7可知,中国农田土壤重金属的污染比重为30.00%, 以福建、广东、海南、浙江、陕西、河南、湖南省和重庆市最为严重。其中, 各行政区土壤Cr的污染等级均属无污染；除部分行政区土壤Pb(浙江、陕西、山西、河南省和重庆市)、Cu(浙江、陕西、河南、吉林省和内蒙古自治区)、Zn(海南和广东省)以及As(黑龙江和海南省)的地累积指数分布在0~1之间外, 其他行政区的Igeo值均小于0, 属无污染；各省、直辖市和自治区的土壤Cd和Hg的地累积污染等级较高, 分别有80.00%和86.67%的区域属轻度污染及以上, 仅云南、山西、青海、贵州、广西和上海的土壤Cd以及湖北、北京、广西和江苏的土壤Hg污染等级属无污染, 而四川、陕西、湖南、河南、天津、海南和福建Cd以及陕西、山西、宁夏、甘肃Hg属中度污染, 表明这些区域农田土壤Cd或Hg污染较重。总体来看, 各省、直辖市和自治区农田土壤Cd与Hg的Igeo值较高, 而平均地累积指数也表明农田土壤Cd和Hg的污染较重, 这与2.4节中各行政区农田土壤重金属的平均含量分布以及Wei等[20]的研究结果一致。

3 讨论

通常土壤重金属主要来自成土母岩, 自然成土过程中各种微量重金属在次生层中的再分配造成了土壤重金属富集[41], 而各行政区成土母质的差异正是造成中国农田土壤重金属空间分布特征存在差异的部分原因.综合分析表 4、表 5和图 3发现, 各行政区的背景值差异导致农田土壤重金属平均含量的空间分布特征与实际超出背景值倍数的分布特征存在显著差异, 例如云南、贵州以及广西农田土壤重金属含量总体偏高,尤其以Cr、Cd、Zn和As最为明显, 而这些区域土壤背景值也同样较高, 因此这三省农田土壤重金属的污染等级并不高。实际上中国西南地区地质构造复杂，火成岩或石灰岩母质中的重金属含量较高, 故而在自然风化过程中土壤Cr、Cd、Zn和As等重金属的平均含量要显著高于风沙母质地区[42, 43]。另外, 由于区域经济的发展也存在一定差异, 因此土壤重金属在空间上的后期累积程度存在略微差异。

随着城市及农村经济的快速发展, 土壤成为承接各种污染物的首要目标,以人为因素为主导的工业活动、污水灌溉以及化肥农药施用等方式产生的重金属直接或间接通过大气沉降、降雨、地表径流以及地下径流等方式进入土壤生态系统, 给土壤环境造成了一定的破坏[44]。

首先,化工、机械制造、电镀及火力发电等工业活动会释放大量的Cd、Cu、Zn、As和Hg等重金属元素, 同时采矿、金属冶炼加工会引起Cd、Pb和Hg等重金属污染[45]。前已叙述, 如福建、广东、海南、湖南、陕西和甘肃等地农田土壤重金属含量与当地背景值相比差值较高, 而这些地区多以第二产业为主导经济, 频繁的工业活动很可能是造成这些区域土壤重金属污染的因素之一。此外另有研究显示中国农田土壤Cd、Cu、Pb和Zn的年大气输入量分别为0.4、10.67、20和64.08 mg·m-2[46], 汽车尾气排放、垃圾焚烧以及能源、冶金和建筑材料粉尘等因素产生的重金属微粒通过特定途径沉降到农田土壤, 进一步加剧土壤重金属污染。

其次, 我国普遍存在利用工业废水及生活污水灌溉农田,这些污水通常含有微量Cr、Zn、Cu和Cd等重金属元素, 长期灌溉必然会造成土壤重金属富集[47]。相关资料显示[48],中国污水灌溉面积占全国农田总面积的7.3%, 这些污灌区主要分布于水资源严重短缺的海、辽、黄、淮四大流域, 并且面积还在不断增加, 如何趋利避害及实现水资源的最大化利用将成为未来防治农田土壤重金属污染的重大课题。

第三, 化肥农药的不合理施用也是造成农田土壤污染的途径之一,化肥农药中通常含有微量Cd、Zn、Cu、As和Hg等重金属元素,即便是符合国家标准的化肥农药, 在长期施用的过程中农田土壤也会不断富集重金属。例如, 作为一个工业欠发达地区, 海南省除Cr元素外其余重金属都具有较低的土壤背景值, 但相比于其他省份海南农田土壤污染指数偏高。据统计[49],海南岛农用地利用程度较高, 化肥农药的施用量远高于全国平均值, 而且其利用率极低,约有70%的化肥和农药在雨水淋溶作用下随渗滤水向四周土壤迁移，造成土壤Cd和As大量富集。此外, 使用含Cu、Zn和As的饲料添加剂, 含Cd和Pb的地膜覆盖物等同样会影响土壤环境, 直接或间接威胁到土壤生物甚至人类的生命健康安全。

总体来看, 当前中国农田土壤重金属空间分布的特征差异十分明显。从平均值分布来看,南方农田土壤重金属含量明显高于北方；而从农田土壤污染等级来看, 福建、广东、海南、浙江、湖南、陕西、甘肃、河南、重庆、山西、天津、内蒙古以及安徽等地农田土壤重金属富集程度较高。综合土壤重金属的分布特征及污染评价结果可以确定Cd和Hg元素为农田土壤优先控制重金属。然而, 由于资料限制, 本研究采用的样本数据分布并不完全均匀, 如中国东部地区样本点较密集, 而西部的青海省和内蒙古自治区样本数较少且分散；此外, 已发表文献多倾向于在具有一定污染的区域展开研究, 或农业与工业园区的界限模糊以及存在土壤性质以及气候差异等因素, 因此最终评价结果可能会存在一些偏差。但农田土壤重金属污染依旧不可忽视, 针对当前我国农田土壤重金属的分布特征及污染现状, 人们应采取更多切实有效的措施来防治农田土壤污染, 如重视工业生产运输过程中重金属的泄漏问题、取缔无法处理重金属污染的工厂、合理采用达到农业回用水质标准的污水灌溉、减少或避免含高重金属化肥的使用以及提高化肥农药的利用率等,从各行业的角度来改变现状, 推进农田土壤重金属污染防治工作。

4 结论

(1)克里金插值结果表明，湖南、云南、贵州、四川、福建、广西以及上海市农田土壤重金属的平均含量较高，而内蒙古、黑龙江、青海、新疆、辽宁、吉林和宁夏的平均含量较低。其中, 上海市Cr含量最高, Pb和Hg则在福建省达到最高值, Zn和As在广西壮族自治区含量最高, 而Cd和Cu含量最高的省份分别为重庆市和湖南省。从空间分布特征情况来看,土壤Cr、Pb、Cu、Zn和As的空间分布特征明显, 而土壤Cd和Hg在空间分布上十分相似。

(2) 以各省、直辖市和自治区的土壤背景值为标准,中国各行政区农田土壤重金属含量超出当地背景值的比例分别为36.67%(Cr)、96.67%(Cd)、80.00%(Pb)、83.33%(Cu)、90.00%(Zn)、40.00%(As)以及93.33%(Hg)。其中全国各行政区土壤Cd和Hg的平均含量与当地背景值相比差值相对较高, 表明全国农田土壤Cd和Hg存在明显富集, 而各行政区土壤Cr和As含量基本低于或略高于当地背景值。总体而言, 除重金属Cd外, 各行政区农田土壤重金属的平均含量均在中国农业土壤污染物的最高允许浓度标准限定之内。

(3) 土壤污染评价结果表明,中国农田土壤7种重金属的污染程度大小依次为：Cd>Hg>Pb>Cu>Zn>As>Cr, 其中福建、广东、海南、浙江、湖南、陕西、甘肃、河南、重庆、山西、天津、内蒙古以及安徽等地农田土壤重金属富集程度较高；各行政区农田土壤Cd与Hg的地累积指数较高, 平均地累积指数也表明农田土壤Cd和Hg的污染较重。