湖南典型矿区耕地土壤重金属空间特征研究

周俊驰，刘孝利，雷 鸣，叶长城，铁柏清*

（1.湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙 410128）

近年来世界范围的农田重金属污染已成为影响农业安全生产的重要障碍[1]。根据2014年全国土壤污染状况调查公报显示，我国耕地土壤环境质量堪忧，土壤点位超标率为19.4%，其主要污染物包括镉、镍、铜、砷、汞、铅等金属元素[2]。湖南省是中国的“有色金属之乡”，矿产资源丰富，矿产累年采冶与三废粗放排放管理导致了严重的土壤重金属污染。有调查表明，湖南省因有色金属矿山开采被Pb、Cd、Hg、As等金属元素污染的土地面积达2.8×104km2，占全省总面积的13%[3]。湖南也是中国著名的“鱼米之乡”，稻谷产量达到2.32×107t，占全国稻谷产量的12.7%，居全国之首[4]。但近年来频繁曝出的湖南重金属超标大米事件，让湖南的粮食安全生产受到挑战，严重影响了湖南的农业发展。目前，针对湖南地区的重金属污染问题，在土壤重金属修复[5-7]、灌溉水重金属去除[8,9]、农产品吸收积累重金属机理[10-12]、重金属污染区的风险评价[13,14]等方面进行了大量研究，但针对湖南典型污染地区耕地土壤重金属元素空间分布特征的研究还鲜有报道。

地统计学方法融合了经典统计方法的优点，能充分描述空间数据的结构性及随机性，分析污染物空间分布状况[15,16]。地统计学中的普通克里格法应用广泛，但在数据偏态的情况下会严重影响变异函数的稳健性，而其中的指示克立格法应用相对较少，是处理偏态数据的有效方法[17]。

本文以湖南省典型矿区茶陵县为研究对象，以ArcGIS10.2和GS+9.0为技术手段，利用地统计学指示克里金法，对研究区耕地土壤中Cd、Cr、Pb、As、Hg等5种典型有毒有害元素含量的空间特征进行探究，对污染现状进行评价及预警，以期为研究区域的重金属污染综合防控和农业安全生产布局提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

茶陵县地处湖南省东南部，隶属株洲市，面积2 500km2多，地处 113°20′～113°65′E、26°30′～27°7′N之间，属于亚热带季风湿润气候。地貌类型以山地为主，占全县总面积的49.73%；丘陵次之，占21.48%。山地主要为砂页岩、变质岩、花岗岩和石灰岩，中部西南部主要为红岩和第四纪松散堆积物。茶陵县矿产资源较丰富，截至2015年底，已发现煤、铁、铅、锌、铜、锰、钨、锡、锑、金、银、铌、钽、饰面花岗石、石灰石、萤石、硅石、透辉石、粘土、砂砾石等26种矿产，占全省已发现矿种的22.5%；其中钽铌资源矿储量居全国第一、亚洲第二，花岗岩资源储量达1.7亿m3。在采矿、化工及矿业生产过程中的工业排放以及重金属尘降，产生的污水用于农田灌溉，造成了耕地的重金属污染。

1.2 样品采集与分析

本研究采样时间为2013年，采样点主要集中于茶陵县矿产资源丰富以及采矿冶炼活动频繁的中部和北部地区，并根据前期调研和统计数据以及现场实际情况，对污染较突出的区域加密采样点的布设。单个采样点采用对角线采样法，采样深度为0～20 cm，均匀混合后用四分法从中选取1 kg土样作为代表该点的混合样品，装入双层塑料袋内，并用标签纸记录采样点相关信息，用GPS记录经纬度。为防止样品污染，在采样、样品保存和样品处理过程中，避免与金属器皿直接接触。总共采集耕地土壤样本451个，具体采样点位分布见图1。

采集的土壤样品在室内常温风干、磨碎后过100目尼龙筛，重金属Cd、Pb采用石墨炉原子吸收分光光度法测定，Hg、As采用原子荧光法测定，Cr采用火焰原子吸收分光光度法测定。

图1 土壤采样点分布

1.3 研究方法

指示克里格法（Indicator Kriging）是非参数地统计学方法的一种，能对随机函数在待估值点的不确定性作出估计[18]。它无需假设数值来自某种特定分布的总体，也无需对原始数据进行变换，可以在不去掉重要的而实际又存在的特异值的情况下处理各种不同的现象，保持变异函数的稳健性。设区域化变量Z（x），对于任意给定的阈值z，引入指示函数I（x,z）：

指示函数I（x,z）将原始数据转换为0或1，此二值是后续指示克里格方法计算的基础。区域化变量z（x）对于不同的阈值z对应不同的转换函数，也就可能得到不同的转换值，因此在使用克里格法时，需要根据数据特点和研究需要确定阈值z。指示克里格法变异函数模型的精度取决于决定系数（R2）和残差平方和（RSS），R2代表变异函数模型所能解释的因变量变异性的百分比，能判断变异函数模型拟合的优劣，值在0～1之间，值越大拟合越好，这是模型精度判断优先考虑的因素；RSS代表剩余误差，其取值没有范围，值越小模型拟合效果越好。有关指示克里格法的详细介绍可以参考文献[19,20]。

本研究以地统计学中的指示克里格法为基础，用GS+9.0对研究区域耕地土壤重金属含量进行指示变异函数分析，空间插值计算采用ArcGIS10.2。运用GS+和GIS进行指示克里格法插值的一般步骤为：①根据实际研究情况确定阈值，根据指示函数将原数据转换为0或1；②利用转换的数据计算指示变异函数；③用GS+9.0进行指示变异函数计算，并进行拟合；④利用ArcGIS10.2地统计学模块，以模型拟合结果为参数，进行指示克里格插值，得到研究变量的概率空间分布图[21]。

表1 土壤重金属统计特征

2 结果与分析

2.1 典型金属元素统计特征分析

茶陵县耕地土壤5种重金属含量统计特征分析结果见表1，除重金属Cd以外，其余4种重金属含量的平均值及中值均小于《土壤环境质量标准》二级标准值。Cd的污染情况较为明显，其平均值是国家二级标准值的2.5倍，点位超标率达到98%；As、Hg的点位超标率分别为8%和3%，只存在局部地区的污染；只有两个采样点存在Pb超标情况；而Cr的点位超标率为零。重金属Cr、Hg的变异系数为36%和51%，属于中等强度变异，Cd、Pb、As的变异系数都大于100%，属于强变异，说明这3种重金属元素污染的区域差异大，受人为因素影响的可能性大[22]。通过K-S检验5种重金属元素监测值都不符合正态分布或对数正态分布，在这种情况下，指示克里格法并不用考虑原始数据的分布情况，能充分发挥它处理偏态数据的优势[23]。

2.2 阈值的选择

取耕地土壤Cd采样点监测值含量0.1～0.9分位数以及《土壤环境质量标准》二级标准值共10个值作为阈值，分别为 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，计算小于各阈值条件的指示变异函数。指示克里格插值精度在中位数时取得最大值，在精度容许的情况下，研究时阈值尽量选取超过中位数的偏大值[24]，这与表2的计算结果一致。根据决定系数最大和残差平方和最小的原则，并结合数据特点和研究需要，将0.483 mg·kg-1作为重金属Cd指示克里格变异函数计算的阈值；重金属Cr、Pb、As、Hg指示变异函数计算选择的阈值分别为90 mg·kg-1、40.7 mg·kg-1、15 mg·kg-1、0.142 mg·kg-1，其分析选择的过程和重金属Cd一致。

表2 各阈值条件下指示变异函数的拟合参数

2.3 典型金属元素指示变异函数分析

表3中，块金值C0通常表示由随机部分引起的空间变异；基台值Sill通常表示系统内总的变异；块金系数（块金值C0/基台值Sill）表示随机部分引起的空间变异占系统总变异的比例，它反映了土壤属性的空间依赖性，常被用作研究变量空间相关的分类依据[25]。当块金系数＜0.25，表明变量的空间变异以结构性变异为主，变量有很强的空间相关性；当0.25≤块金系数＜0.75时，变量表现为中等程度空间相关；而块金系数≥0.75时，变异以随机性变异为主，变量的空间自相关性则很弱，不适合采用空间插值方法进行空间预测。变程的大小反映了区域化变量影响范围的大小，反映了变量自相关范围的大小，也可以说变程是区域化变量空间变异尺度或空间自相关尺度。5种重金属元素Cd、Cr、Pb、As、Hg的变异函数模型通过GS+自动计算分析并拟合后全部符合指数模型，所有元素的决定系数均大于0.542，而 RSS均较小，说明模型计算及拟合的效果较好。各变量的变程介于2 970～3 3210 m之间，Cr的变程最大，表明在更大尺度上存在空间自相关性，其次为As、Pb、Hg、Cd，相较于研究尺度而言，都具有较好的空间自相关尺度。研究区耕地土壤重金属Cr块金系数为49.94%，体现为中等强度的空间相关性，这说明在当前阈值条件下，土壤重金属含量空间分布是由随机性因素（如灌溉、耕作措施和土壤改良等各种人为活动）和结构性因素（如气候、地形、土壤类型等）共同作用的结果。而研究区耕地土壤重金属Cd、Pb、As和Hg的块金系数分别为11.6%、11.46%、12.65%和11%，体现为较强的空间自相关性，这说明在当前阈值条件下，土壤重金属含量的空间分布主要是由结构性因素所决定的[26]。

表3 土壤重金属指示变异函数

2.4 典型金属元素空间特征分析

在特定的阈值条件下，以指示变异函数分析结果为基础，利用ArcGIS 10.2对研究区域重金属变量进行指示克里格插值。本研究运用等间距法[26]，将污染风险等级分为低风险（P≤0.2）、较低风险（0.2＜P≤0.4）、中等风险（0.4＜P≤0.6）、较高风险（0.6＜P≤0.8）与高风险（0.8＜P≤1）5类。

茶陵县耕地土壤重金属污染风险概率如图2～5所示，其分布特征“斑块状”化明显。结合表4可知，研究区北部的八团乡、高垅镇以及西部的平水镇，耕地土壤重金属Cd污染风险概率达到了0.8～1，属于污染高风险区域；重金属Cr污染高风险区域位于西北部的潞水镇、平水镇；重金属Pb污染高风险区域主要位于平水镇、七地乡、八团乡、高垅镇、尧水乡以及严塘镇；重金属As污染高风险区域主要位于高垅镇、桃坑乡、严塘镇以及平水镇；重金属Hg污染风险概率分布最为破碎，高风险区主要集中在平水镇和秩堂乡。5种重金属Cd、Cr、Pb、As、Hg的污染高风险区域面积分别为 126.87 km2、4.65 m2、556.30 km2、148.53 km2、48.10 km2，分别占到茶陵县总面积的5.06%、0.19%、22.19%、5.93%、1.92%，高风险区域应作为耕地土壤重金属污染综合防控的重点关注区域。其中茶陵县Cd污染风险概率大于0.4的区域面积达到1 105.74km2，占茶陵总面积的44.11%，考虑到重金属Cd的指示克里格分析阈值设置较高，超过《土壤环境质量标准》国家二级标准值，所以Cd污染中等风险以上的区域都应该引起重视。

通过综合分析几种重金属污染风险的空间分布情况可以发现，重金属污染风险相对较高的区域都主要集中在茶陵县中北部地区，尤其是集中在八团乡、严塘镇、火田镇、高垅镇。首先这与茶陵县矿产资源的分布状况密切相关，茶陵县矿产资源主要分布于县域中部及以北地区，且相对集中，南部地区矿产资源相对贫乏。尤其是锡田钨锡、铅锌、铜、铌钽等多金属矿产基地，主要位于研究区北部的八团乡、高垅镇、火田镇、严塘镇境内，面积387.01 km2，区内已设采矿权29个。其次，茶陵县矿业开采行业发展迅速，茶陵县已设采矿权76个，其中，省级发证27个；市级发证2个；县级发证47个。中型矿山2个，中型矿山比例为2.63%。采掘从业人员2 692人，采掘业产值10 892万元。此外，中北部地区经济相对发达、人口密集，工农业活动频繁，交通排放、滥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 污染风险统计

图2 Cd污染风险概率图

图3 Cr污染风险概率图

图4 Pb污染风险概率图

图5 As污染风险概率图

图6 Hg污染风险概率图

3 结 语

1）茶陵县5种重金属Cd、Cr、Pb、As、Hg的采样点含量点位超标率分别为98.00%、0.00%、0.00%、8.00%、3.00%，耕地重金属Cd污染明显；重金属Cd、Pb、As的变异性强，Cr、Hg的变异性中等。

2）茶陵县5种重金属元素Cd、Cr、Pb、As、Hg的指示变异函数最佳模型全都为指数模型；Cr体现为中等强度的空间相关性，其土壤重金属含量空间分布是由随机性因素和结构性因素共同作用的结果，Cd、Pb、As和Hg体现为较强的空间自相关性，土壤重金属含量的空间分布主要是由结构性因素所决定的。

3）茶陵县Cd污染高风险区域位于八团乡、高垅镇以及平水镇，Cr污染高风险区域位于潞水镇、平水镇；Pb污染风险较高的区域主要位于平水镇、七地乡、八团乡、高垅镇、尧水乡以及严塘镇，As污染风险较高的区域主要位于高垅镇、桃坑乡、严塘镇以及平水镇；Hg污染高风险区主要集中在平水镇和秩堂乡；Cd、Cr、Pb、As、Hg的污染高风险区域面积分别为 126.87 km2、4.65 km2、556.30 km2、148.53 km2、48.10 km2，分别占到茶陵县总面积的5.06%、0.19%、22.19%、5.93%、1.92%，应当引起重视。