鲍思屹， 徐梦洁*， 朱俐叶， 解菁菁， 庄舜尧

(1．南京农业大学 公共管理学院， 江苏 南京 210095； 2.中国科学院 南京土壤研究所/土壤与农业可持续利用国家重点实验室， 江苏 南京 210008)

土壤重金属污染是我国常见的土壤环境质量问题，研究人员开展了大量研究，涉及重金属污染的空间分布、现状评价、时空动态及治理修复等领域。其中，研究的重要内容是土壤重金属含量的空间变异与不确定性分析[1-5]。由于土壤重金属污染呈高度空间相关性和异质性，地统计学方法可充分考虑地理属性的空间相关性，因此其得以广泛应用于土壤重金属污染的相关研究中[6]。传统的空间插值方法存在平滑效应，会影响重金属空间分布预测的准确度[3]，而地统计学空间随机模拟可以较好地解决该问题。指示克里格法可用于估算土壤重金属污染概率，是常用的空间随机模拟方法，该方法与传统插值方法相结合，有助于进一步探讨重金属污染的不确定性[3，5],从而准确地了解重金属污染状况和界定污染范围。

江西是红壤的主要分布区之一，也是有色金属矿产采选及冶炼大省，土壤重金属污染程度高于全国平均水平[4]，不少学者对此展开了研究[1，7]。鹰潭市余江区位于赣西北，是国家重要的粮食生产区域，近年经济稳步增长，但在发展过程中耕地土壤重金属污染给当地经济社会的可持续发展带来了隐患[7-8]，而目前有关余江区土壤重金属含量的研究较少。因此，依托土壤采样数据，采用地统计学方法分析余江区域耕地土壤重金属Cd、Cr、Cu、Pb、Zn和As的空间变异特征，运用内梅罗污染指数法开展重金属污染评价，并通过指示克里格法揭示土壤重金属污染的不确定性，以期为余江区后续耕地土壤重金属污染治理与修复工作提供参考，从而改善当地的土壤环境，保障食品安全。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

余江区地处江西省东北部(东经116°41′～117°09′，北纬28°04′～28°37′)，土壤类型以红壤和水稻土为主，占比超过90%，此外还有零星分布的潮土。农用地是余江区主要的土地利用类型，包括水田、旱地和林地，约占全区总面积的90%[9]；耕地面积为3.2万hm2，其中水田占比87.5%，主要作物有水稻、油菜、花生及红薯等；此外余江也是瘦肉型生猪生产出口基地。

1.2 土壤样品的采集

采样时间为2018年3月，综合考虑土地利用类型、耕作与种植制度以及产出等情况，在余江区1∶10万的土地利用现状图上，按照2 km×2 km网格进行布点，共布设124个采样点。采样时遵照《农田土壤环境质量监测技术规范》(NY/T 395-2000)的相关要求，采用梅花形采样法布设子样点，采样深度为0～20 cm，每个样点采集土样1.5 kg，耕地土壤样品经充分混合后装入自封袋内，记录每个采样点的精确坐标、高程、耕作现状和周边信息等。去除土壤样品中的杂物，将样品自然风干，碾碎并过20目筛，装入密封袋制成分析样备用。

1.3 测定项目和方法

测定土壤样品中重金属Cd、Cr、Cu、Pb、Zn和As的含量。Cd和Pb含量采用等离子体质谱法测定[10]，Cu、Cr和Zn含量采用等离子体光学发射光谱法测定[11]；As含量采用氢化物-原子荧光法测定[12]。

1.4 数据处理与分析

采用普通克里格法[13]分析研究区耕地重金属含量的空间变异特征。以通过正态检验的土壤样点数据为基础，构建半变异函数，根据模型拟合效果进行普通克里金插值，以获取土壤重金属含量空间分布特征。基于样点数据，参照《土壤环境质量标准》(GB 15618-1995)，以国家Ⅱ级标准值为基准，采用内梅罗综合污染指数法[14]对研究区土壤重金属污染状况进行评价，包括单项污染指数评价和综合污染指数评价。采用指示克里格法[3]揭示土壤重金属污染的不确定性。对污染指数评价结果进行二元转换，再通过指示克里格插值得到重金属污染概率值，继而确定无污染/污染的概率临界值，得到重金属污染的空间分布信息，并与普通克里格插值结果对比综合界定重金属污染区域和不确定区域。

对研究区耕地土壤重金属的描述性统计分析采用SPSS 22.0完成，地统计空间分析功能通过ArcGIS 10.2和GS+9.0实现。

2 结果与分析

2.1 耕地土壤重金属的含量及变异情况

由表1可知，研究区耕地土壤中6种重金属元素的变幅均较大，其中，最大值超过国家II级标准《土壤环境质量标准》(GB 15618-1995)的重金属包括Cd、Cu和Zn，分别约为国家II级标准的17倍、1.5倍和1倍；最大值介于国家I级和II级标准的重金属包括Cr、Pb和As。除Cd外，研究区内其他重金属含量的均值均低于国家I级标准；除As外，其他重金属平均含量均高于江西省土壤环境背景值[15]，表明研究区土壤存在相应的重金属累积现象，而Cd的富集状况尤为突出。

参照变异系数的划分标准[16]，Pb为弱变异(10%～40%)，Cr、Cu、Zn和As属于中等变异(40%～100%)，而Cd呈高度变异(>100%)，表明Cd在土壤中的累积受到随机因素的较大影响，很可能是周边工业企业形成的点源性污染[2]。

2.2 重金属含量的相关性

从表2看出，研究区耕地土壤中Cd的含量与Cu、Pb和Zn的含量呈极显著正相关；Cr的含量与Cu、Zn和As的含量呈极显著或显著正相关；Cu的含量与Pb、Zn和As的含量呈极显著或显著正相关；Pb与Zn的含量呈极显著正相关。Zn与Cu、Zn与Pb的相关系数高达0.682与0.723，表明3种元素的污染来源基本相同[2]；其余元素的相关系数变幅为0.221～0.483，说明污染源可能部分重合。此外，对土壤重金属含量与高程的相关性分析结果显示，Cr、Cu和Zn含量与高程的相关系数分别为0.432、0.441和0.303，均呈显著正相关，表明这3种重金属在土壤中的累积可能与高程存在关联。

表1 余江区耕地土壤重金属含量及变异系数

表2 余江区耕地土壤重金属元素含量的Pearson相关系数

注：*和**分别为0.05水平上和0.01水平上显著和极显著相关。

Note:* and ** indicate significance of difference atP<0.05 andP<0.01 level respectively.

2.3 土壤重金属含量的空间变异特征

2.3.1 半变异函数拟合 对余江区土壤样本中重金属含量值进行的K-S检验结果表明,除Pb含量为正态分布外(P=0.200)，其余的重金属在耕地土壤中的含量均不符合标准正态分布(P<0.05)，因此对原始数据进行对数转换，使之符合正态分布后(P>0.05)再构建半变异函数。采用球状模型、指数模型和高斯模型加以拟合，根据模型的判别标准[17]确定土壤中6种重金属含量的最佳拟合模型及相应参数(表3)。

块基比[C0/(C0+C1)]，可用于反映土壤属性的空间相关性[17]。土壤属性是结构性和随机性因素共同作用的结果，其中结构性因素包括各类自然地理要素，其会增强土壤属性的空间相关程度；随机性因素包括各种人为活动，倾向于削弱土壤属性的空间相关程度[17]。参照CAMBARDELLA等[17]提出的块基比值标准，As的分布呈较强的空间相关性(<25%)，其他重金属元素则呈中等强度的空间相关性(25%～75%)。因此，结构性因素对研究区As元素分布的空间变异性起主导作用，而其他5种重金属元素则受到自然因素和人类活动的共同影响。

表3 耕地土壤重金属半变异函数模型参数

2.3.2 土壤重金属含量空间分布 根据土壤重金属的半变异函数模型进行普通克里格插值，并以余江区耕地分布图为基准进行掩膜提取，得到研究区耕地土壤重金属空间分布图。由图2可知，研究区内6种重金属元素的空间分布特征较为相似，中部均为低值区，但仍存在一定差异。其中Cd呈南高北低态势，Pb和As大体呈高低值交错分布的形态，而Cu、Cr和Zn则表现为南北部较高，其他区域含量较低的特点。

研究区耕地土壤的Cr含量均小于国家II级标准(250 mg/kg)，含量为50～70 mg/kg的面积占比为40.06%，低于土壤环境背景值(48 mg/kg)的面积约为34.90%。Cu含量在国家II级标准(50 mg/kg)以内的面积占98.96%，含量为10～30 mg/kg的面积达93.25%，低于土壤环境背景值(20.8 mg/kg)的面积占53.56%。Pb含量均小于国家II级标准(250 mg/kg)，含量为20～40 mg/kg的面积占90.41%，低于土壤环境背景值(32.1 mg/kg)的面积约为61.40%。Zn与Cu的空间分布相似，高值区主要分布于画桥镇北部与马荃镇南部，Zn含量基本处于国家II级标准(200 mg/kg)以内(99.95%)，低于70 mg/kg的面积占51.07%，70 mg/kg～110 mg/kg的面积占45.29%，低于土壤环境背景值(69 mg/kg)的面积占49.76%。As含量均小于国家II级标准(30 mg/kg)，含量为4～8 mg/kg的面积占91.06%，低于土壤环境背景值(10.4 mg/kg)的面积占99.70%。

虽然研究区内大部分(54.54%)耕地土壤的Cd含量低于国家II级标准(0.3 mg/kg)，但仍有3.9%的区域污染程度较高(>0.5 mg/kg)，而低于土壤环境背景值(0.1 mg/kg)的面积比重仅为0.01%。Cd的高值区主要集中于南部的马荃镇和中部的锦江镇，低值区主要分布于北部和中部。

2.4 土壤重金属污染评价

2.4.1 单项评价 研究区耕地土壤中重金属元素Cd、Cr、Cu、Pb、Zn和As的单项污染指数变幅分别为0.240～16.710、0.080～0.690、0.180～1.520、0.050～0.350、0.130～1.030和0.060～0.470；其均值分别为1.248、0.247、0.486、0.131、0.403和0.172。其中，所有土样中的Cr、Pb和As的含量均为清洁状态；清洁状态和轻微污染的土样Cu含量分别占95.24%和4.76%、Zn含量分别占99.05%和0.95%；Cd含量处于轻微污染、轻度污染、中度污染与重度污染的土样分别占比36.19%、2.86%、2.86%和1.90%，污染比重累计达43.81%。研究区耕地土壤中Cd元素的污染比例最高，且污染程度最严重，Cu与Zn元素为轻微污染，Cr、Pb和As属清洁状态。

2.4.2 综合评价 余江区耕地土壤内梅罗综合污染指数PN的均值为0.953，整体处于较清洁(警戒限)水平，但仍有部分样点污染超标严重。综合指数的变幅为0.200～12.030，其极大值属于重度污染状态；变异系数为强变异(126.44%)，表明人为因素(随机因素)是导致污染的主要成因。研究区的耕地土壤样点中，处于清洁(PN≤0.7)、较清洁(警戒限)(0.73)的比重分别为46.67%、30.48%、18.10%、1.90%和2.85%，污染样点比重累计达22.85%。

2.5 土壤重金属污染评价不确定性

在污染评价结果的基础上进行指示克里格插值，以揭示研究区耕地土壤重金属污染概率的空间分布特征，并展开不确定性分析。

2.5.1 单项污染指数 单项污染指数值大于1.0即为污染，因此研究以1.0为阈值对评价结果进行二元转换后，再通过指示克里格插值得到6种重金属的污染概率分布 (图2)。其中Cr、Pb、Zn和As的污染概率均处于0～0.2；Cu在大部分区域的污染概率为0～0.2，仅有小部分区域达0.6～0.8；Cd在大部分区域的污染概率都超出0.4。

按概率值从0.1～1.0，以0.1为单位递进，逐一对照插值得到的污染面积比重与单项污染指数结果，确定无污染/污染的临界概率。Cu的临界概率综合确定为0.35，而其他重金属元素的临界概率均为0.5。以临界概率值进行重采样，得到研究区耕地土壤重金属元素污染分布结果(图3)显示，研究区耕地土壤中Cd和Cu的污染面积分别占36.04%和1.87%，其他重金属元素无污染现象。

综合2种克里格插值的结果(表4)，研究区农田土壤中Cr、Pb和As 3种元素均属于清洁状态；Cd的污染不确定性范围较大，污染主要集中于南部的杨溪乡、马荃镇、洪湖乡以及中北部的锦江镇，南部较北部更为严重；Cu的不确定范围很小，污染区域零星分布于画桥镇、锦江镇与马荃镇；Zn基本处于安全状态，仅马荃镇南部有不确定区域分布(图4)。

表4 研究区耕地土壤重金属污染面积百分比

2.5.2 综合污染指数 以1.0为阈值对综合污染指数结果进行指示克里格插值。插值结果(图5)显示高概率(污染)区主要位于锦江镇、洪湖乡、马荃镇和杨溪乡，低概率区主要位于画桥镇、黄庄乡及中部的乡镇。经过插值结果对比，以0.4为临界概率，得到研究区农田土壤重金属综合污染分布结果(图6)显示，研究区内重金属污染的耕地占21.15%。

综合2种克里格插值的结果，研究区耕地土壤中未污染、污染与不确定区域的面积比重分别为70.97%、18.33%与10.70%，污染区域主要集中在南部的杨溪乡、马荃镇、洪湖乡及中部的锦江镇，而不确定区域主要分布于锦江镇、马荃镇和杨溪乡(图7)。

3 结论与讨论

研究区耕地土壤6种重金属元素中，最大值超过国家II级标准《土壤环境质量标准》(GB 15618-1995)的重金属包括Cd、Cu和Zn，介于国家I级和II级标准的重金属包括Cr、Pb和As；重金属均值含量除Cd外，其他均低于国家I级标准；研究区土壤存在相应的重金属累积现象，而Cd的富集状况尤为突出。Zn与Cu、Zn与Pb的相关系数高达0.682与0.723，3种元素的污染来源基本相同；其余元素的相关系数变幅为0.221～0.483，污染源可能部分重合。

余江区耕地土壤中存在Cd、Cr、Cu、Pb和Zn 5种重金属的累积现象，其中Cd超标严重,As的空间分布主要受自然因素的影响，而其他3种重金属元素的分布受到自然因素和人类活动的共同影响。普通克里格插值结果表明，Cr、Pb和As无污染现象，Cu和Zn存在轻微污染且占比面积极小，Cd污染现象较严重，面积占45.46%，集中于中北部和南部乡镇。耕地土壤重金属综合污染指数为0.953，整体尚处于较清洁水平，污染面积约占26.21%；Cd是主要的污染元素，指示克里格法插值结果显示Cd和Cu的污染面积比重分别为36.04%和1.87%。其他重金属元素无污染现象，综合污染的耕地占21.15%。结合2种插值的结果，约71%的区域未被污染，污染和不确定区域的面积占比近30%。对于污染状况不确定区域，需要增设采样点，进一步了解相关数据，以便对其污染状况进行准确判断，从而划定明确的污染范围，形成更完善的土壤环境信息。

余江区耕地土壤的Cd污染问题最为突出，污染程度严重且范围较广，亟需采取有效措施加以缓解和治理，推动对重金属的污染治理与修复工作。一方面，管理部门应当及时开展企业调研，进而淘汰重污染的落后产业，促进当地产业转型升级；另一方面，固体废弃物跨省堆积事件也对土壤环境造成了危害，应加强生态监测，对破坏生态环境的行为加以惩处。在严格控制工企业点源污染的同时，由于重金属污染程度会因红壤酸化而加剧，可以从酸性土壤改良着手，通过施肥和管理措施的调整，减缓、遏制乃至逆转耕地土壤酸化的趋势。此外，余江是瘦肉型生猪生产出口基地，2010年被列入江西省“十强”养猪大县，区域生猪养殖业过度发展使得局部地区承受了较高的环境负荷，致使水质恶化，土壤养分严重失衡，重金属Cu和Zn在土壤中显著累积[8]，应合理控制生猪养殖规模，以粪污无害化为目标，促进规模养殖业的可持续发展。