贵阳乌当区喀斯特地区耕地土壤的镉污染评价及空间分布特征

黄月美，崔文刚，李云路，张宏泽，刘绥华，刘 芳

(贵州师范大学 地理与环境科学学院，贵州 贵阳 550025)

土壤是人类赖以生存和栖息的场所，人类的发展离不开土壤，良好的土壤环境是推进生态文明建设和维护国家生态安全的重要内容[1-2]. 中国南方喀斯特地貌分布广泛的地区，其成土过程缓慢，水土流失严重，且地形起伏较大，多为坡耕地类型[3]，而耕地的质量既是粮食生产安全的源头保证，也是农产品质量安全的立地条件[4]. 随着城市化的发展，土壤不断受到重金属污染，其中Cd 元素在无机污染物中最为严重，在全国土壤污染普查中的点位超标率为7.0%[5]，并且镉较易被植物吸收，若耕地土壤中存在超标的Cd 元素，不仅会影响农作物的正常生长，还会被农作物吸收，最终导致人类的身体健康受到严重危害.

在国际的研究中，针对工业型城市土壤的重金属污染评价较为常见，如Lemmel 等[6]研究哈萨克斯坦城市Cd 污染的来源，认为Cd 元素对人类健康的影响较大； El-Anwar[7]对埃及两个地区的土壤和底层沉积物的重金属污染评价进行比较研究，结果表明Cd 污染生态风险极高. 随着国内越发注重土壤污染问题，对耕地土壤重金属污染的研究也越来越多，如王信凯等[8]研究了位于长江三角洲的江苏省张家港市的农田土壤重金属累积特征与来源，其中Cd 污染较为严重；在喀斯特山区，孙兆帅等[9]研究了三七种植地的土壤重金属污染情况，其中Cd 元素污染较为普遍，不管是沿海还是山区，Cd 污染情况都较为严峻；2003 年刘元生等[10]对贵阳市乌当区耕地土壤重金属污染状况做出评价时，该区域Cd 因子综合污染处于警戒级，在较长时间的发展过程中，该区域医药制造产业发展迅速，航天、航空等高新技术产业加速集聚，城市发展造成土壤环境污染. 本文从喀斯特地区的耕地重金属污染角度出发进行研究，对该区土壤Cd 污染现状进行调查、分析及评价，分析讨论在不同时间条件下，Cd 污染的变化差异特征，以期对区域耕地土壤的保护起到现实的指导性意义.

1 研究区概况

研究区位于贵州省中部，地势北高南低，起伏较大，海拔在872～1 659 m 之间，森林覆盖率达到59.48%，地形主要为水坝、丘陵、山地，其中丘陵面积占总面积的40.1%，山地面积最大，约占总面积的53.1%. 出露地层由新到老依次为第四系、侏罗系、三叠系、二叠系、石炭系，该区地质构造比较复杂，主要构造方向为北东向；全区成土母岩分布了白云岩、紫色页岩、普通砂岩、紫红色泥岩、泥页岩、石灰岩等；区域内矿藏丰富，主要有煤、铁、硫铁矿、铝土矿、白云矿、重晶石、硅矿、大理石、高岭土等多种矿产；河流河床狭窄、水流湍急，属于长江流域乌江水系. 研究区位置示意图见图1.A 区与G 区土壤类型多发育红壤，其次为水稻土；B 区、C 区与D 区酸性粗骨土、水稻土及黑岩泥土交错分布；E 区大部分区域分布水稻土；F 区水稻土与黄壤相间分布. C 区经济发展最好，A、E、F、G 四个区域距离乌当区行政中心较远，耕地分布广泛，有利于发展农业，D 区是贵阳市近郊大量生产果蔬的农业区域，B 区主要发展旅游业[11].

图1 研究区位置示意图Fig. 1 Location diagram of the study area

2 数据与研究方法

2.1 土样采集处理 选取贵阳市乌当区耕地分布较多的7 个地区，采集了2 503 个研究样本，检测土样pH 值以及重金属质量分数. 根据研究区的耕地分布，于2017—2018 年运用GPS 定位，在耕地表层采集土样（0～20 cm），采样时土壤剖面规格一般为长1.5 m，宽0.8 m，深1.2 m. 由于区域土壤分布不够均匀，破碎度大，且地势不平坦，运用蛇形法布设点位并进行采样. 采样后用白色搪瓷盘盛装并自然风干，再进行玛瑙研钵磨样，尼龙筛过筛，最终用具塞磨口玻璃瓶装样. 运用石墨炉原子吸收分光光度法测定Cd 元素，最终获得w（Cd）值，单位：mg·kg-1.

2.2 分析方法

2.2.1 Cd 元素污染指数法 Cd 元素土壤污染指数是实测值与标准值之比，用P表示；Cd 元素综合污染指数是指区域内Cd 元素的所有单因子污染分指数的算术平均值[10]. 以土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）(GB15618—2018）中的土壤Cd 污染筛选值作为评价标准[12]，P大于1 即为污染. 具体限值见表1，评价结果的分级标准见表2.

表1 国家标准Cd 污染筛选值统计Tab. 1 Statistical table of Cd pollution screening values in GB 15618-2018 (mg·kg-1)

2.2.2 土壤Cd 污染累积指数法 地域背景不同使得土壤各项属性差异明显，探究土壤污染被人类干扰的程度大小，运用土壤污染累积指数评价更加合适. 土壤污染累积指数是Cd 元素实测值与背景值之比，用M表示，土壤Cd 污染综合累积指数是指区域内Cd 元素污染的所有分指数的算术平均值，贵州Cd 元素背景值为0.659 mg·kg-1[13]，是全国Cd 背景值的9.1 倍[14]. 评价结果分级标准见表2.

2.2.3 Cd 金属潜在生态危害评价法 Cd 元素潜在生态危害指数是用Cd 元素的毒性响应系数与土壤污染累积指数的乘积计算，用Er表示[15]. 镉金属综合潜在生态危害评价是指区域内所有分指数的算术平均值，该评价方法用于判断Cd 元素的毒理性对环境的危害程度，反映Cd 元素对环境可能造成的潜在威胁. 每种重金属元素的毒性是不同的，因而不同重金属元素的毒性响应系数亦不相同，Cd 元素的毒性响应系数是30[16]，评价结果分级标准见表2.

表2 污染评价结果分级标准Tab. 2 Grading criteria of pollution evaluation results

3 结果与分析

3.1 研究区耕地土壤Cd 质量分数特征与空间分析 从表3 可知，研究区耕地土壤实测Cd 质量分数值范围在0.035～6.306 mg·kg-1之间，最低的实测质量分数值出现在E 区，最高值分布在C 区，最高值是最低值的180 倍，质量分数变化差异大，总体数据的算术平均值是0.426 mg·kg-1，其中A 区、B 区和F 区实测w（Cd）平均值低于研究区总体平均值；C 区、D 区、E 区和G 区实测w（Cd）算数平均值高于研究区总体的算数平均值；全区酸性、中性和碱性土壤皆有分布，耕地土壤pH 值的范围在4.04～8.33 之间，平均值为6.14，总体呈酸性，极强酸性样品出现在D 区，样品pH 最大值分布在E 区；全区域w（Cd）的变异系数为0.89，其中C 区的变异系数是所有分区中最大的，为1.02；B 区的变异系数最小，只有0.49.

表3 研究区耕地土壤Cd 质量分数实测结果统计Tab. 3 Statistical table of measured results of Cd mass fraction in cultivated soil in the study area

由于原始数据不呈正态分布，进行对数转换后经检验依然不呈正态分布，实测数据为点数据，为了计算面域上的土壤Cd 污染概率情况，运用指示克里金法[17]，以贵州w（Cd）背景值为阈值分析研究区土壤污染概率. 结合研究区2018 年土地利用类型分布数据，运用ArcGIS10.8 软件分析工具模块的擦除工具，擦除区域内除耕地以外的地域，得到耕地土壤Cd 污染概率，见图2 (a). 全区低概率污染土壤分布广泛，较高概率和中概率污染土壤在全区散乱分布，高概率污染土壤大多分布在接近边缘区域，在研究区北部、西部和东部分布突出.

3.2 重金属污染评价

3.2.1 Cd 元素污染指数评价及其空间分布 研究区耕地表层土壤Cd 元素污染评价见表4 与图2 (b)，全区Cd 元素污染指数范围在0.12～21.02 之间，最大值约是最小值的175 倍，最低值出现在E 区，最高值分布在C 区，平均值是1.22，全区总体评价处于轻度污染级. 7 个研究区域中，都存在处于极强污染级的样品，全区只有F 区Cd 元素综合污染指数等于1.0，处于警戒级，其余区域都在1.0～2.0 之间，处于轻度污染级.

3.2.2 Cd 污染累积指数评价其空间分布 研究区土壤Cd 元素污染累积指数范围在0.05～9.57 之间，最大值是最小值的191.4 倍，平均值是0.65，指数未达到0.7，总体区域土壤Cd 元素综合污染累积评价处于安全等级. 研究区的各个区域中，土壤Cd 元素综合污染累积指数达到警戒级的是C 区和D 区，其余区域均在安全级，见表4 与图2 (c).

3.2.3 Cd 金属潜在生态危害评价 研究区镉金属潜在生态危害指数范围在3.50～630.60 之间，最大值是最小值的180.2 倍，最低值出现在E 区，最高值分布在C 区，平均值为36.46（未达到40），全区整体综合潜在生态危害指数是轻度生态危害. 其中，A 区、C 区、D 区、F 区和G 区等5 个区域存在极高生态危害级别的样品，见表4 与图2 (d).

表4 贵阳市乌当区土壤Cd 污染评价结果Tab. 4 Evaluation results of Cd pollution in soil in Wudang District of Guiyang

图2 贵阳乌当区耕地土壤Cd 污染概率、污染指数、累积指数和生态危害评价分布Fig. 2 Distribution of Cd pollution probability, pollution index, accumulation index and ecological hazard assessment of cultivated land soil in Wudang District of Guiyang

4 Cd 金属来源分析

结合其他重金属元素数据分析土壤Cd 元素来源更加全面，因此运用SPSS22.0 软件对Cd、Hg、As、Pb、Cr 五种重金属的质量分数进行相关性分析（结果见表5），推测Cd 元素的来源. 从表5 中可知，Cd 在0.05 水平（双侧）上与As 具有相关性，在0.01 水平（双侧）上与Pb、Cr 呈现相关性，据以往研究[8]，Cd 与As、Pb、Cr 等3 种重金属可能存在相同来源.*表示在0.05水平（双侧）上显著相关，**表示在0.01水平（双侧）上显著相关.

表5 Cd 元素质量分数Spearman 相关系数Tab. 5 Spearman correlation coefficient of Cd content

表6 是对5 种重金属质量分数数据进行主成分分析后的结果，共提取3 个主成分，累计贡献率达74.05%，可以反映原始数据的大部分信息. Cd元素在第1 主成分（PC1）的载荷为0.010，在第2 主成分（PC2）中的载荷达到0.947，在第3 主成分中载荷为-0.022，说明研究区整体的Cd 元素大部分来源因素只有一个，根据何腾兵等[18]的研究显示乌当区在不同母质（岩）发育的土壤中w（Cd）与w（Cr）特征有相似性，在沉积岩类及风化物发育的土壤中w（Cd）高于其他母质发育的土壤，结合研究区岩性分布数据，采样点大于背景值的点分别处于泥页岩、砂页岩、石灰岩和红色风化壳上，研究结果与之大致吻合，推测PC2 是自然成土母质因素.

表6 研究区土壤重金属质量分数主成分分析结果Tab. 6 Principal component analysis results of heavy metal mass fraction in soil in the study area

根据Cd 元素污染累积指数评价，整个区域内有66 个重度污染和极强污染点，结合该区土地利用类型数据发现66 个点中49 个点的相邻地块或邻近地块是村庄，且部分分布有设施农用地；4 个点分布在采矿用地周边，这些Cd 污染大的区域可能受人为干扰大.

5 讨论

5.1 2003 年与2020 年Cd 元素污染指数评价对比

单一元素污染指数评价运用的标准值是国家按照全国水平制定，由于地区差异，贵州Cd 元素背景值是全国背景值的9.1 倍，因此研究区各区Cd元素综合指数评价都处于轻污染状态. 根据2003年刘元生等[10]的研究，与2020 年Cd 元素综合污染指数评价的比较见图3. 2003 年是根据1995 年颁布的土壤环境质量标准的二级标准选取评价限值，2020 年是根据2018 年颁布的农用地土壤质量标准中的筛选值作为评价限值. 由图3 可知，2020年研究区总体和各区域Cd 元素综合污染指数均大于2003 的指数，土壤Cd 污染情况明显加重，指数等级由警戒级变为轻度污染. 其中A、C、D 区和G 区的污染指数变化较大，可能是因为这些区域分布了w（Cd）极高的样品点位，由于区域耕地破碎度高的特点，加大了采样密度，高质量分数的样品增多，而单因子污染指数是根据区域所有样品质量分数的均值计算，因此2020 年A、C、D 区和G区的Cd 元素综合污染指数变化较大.

图3 2003 年与2020 年Cd 元素综合污染指数Fig. 3 Cd composite pollution index in 2003 and 2020

5.2 极高Cd 污染区域的农产品抽样检验 在出现极高Cd 污染概率的区域随机采集39 件农产品（表7），检验Cd 元素与食品中污染物限量标准（GB 2762—2017）相比[19]，有3 件样品质量分数超过限量标准，超标率为7.69%. 可见，在研究区极高Cd 污染概率的区域，大部分农产品中w（Cd）处于限量标准以下，表明Cd 元素的活性较小，转移能力不强，农作物对人体健康造成危害的概率较小.乌当区土壤总体呈现弱酸性，Cd 元素在酸性土壤中的活性更大，对土壤的危害更大，所以区域内的Cd 污染问题值得重视，对于Cd 污染较严重的酸性水稻田可以通过使用石灰、梅泡石和沸石等碱性材料提高pH，使有效Cd 减低[20]，也可以种植富集Cd 的植物，如东南景天、龙葵、粗毛牛膝菊等[21-24]；针对Cd 污染严重的区域，需要人为调控，实施休耕、退耕还林还草等措施.

表7 农产品Cd 质量分数统计Tab. 7 Statistical table of Cd mass fraction in agricultural products

6 结论

（1）全区w（Cd）实测值的平均值为0.426 mg·kg-1，未超过贵州省的背景值，但是有部分样品远远超过背景值；全区土壤pH 呈酸性；区域w（Cd）变异系数为0.89；全区大部分土壤的污染概率是低等级，中概率和较高概率污染土壤在全区分布较为分散，高概率污染土壤主要分布在北部、西南部、西部以及东部的边缘地带.

（2）研究区域内Cd 元素综合土壤污染指数评价处于轻度污染等级；Cd 元素污染综合累积指数评价结果显示，区域内仍然处于安全等级；综合潜在生态危害指数评价结果是轻度生态危害；样品总体超标率为12.40%，评价后的结果对了解区域土壤Cd 污染有重大意义.

（3）Cd 元素与As、Pb 元素和Cr 元素具有相关性，推测其大部分来源是自然成土母质，在Cd元素高质量分数区域受人为干扰程度大；各区域都存在污染严重的样品点，需要对这部分地块进行人为调控，加强管控措施.