基于GIS的流域农产品重金属污染空间分布特征研究*

文｜熊凡 胡丹心 周志军 肖竑 欧锦琼

食品安全直接关系到人类健康和国民生计。改革开放以来，随着人口的急剧增长、工农业生产、城市化和科学技术的飞速发展，人类以前所未有的规模和强度开发资源，使地壳中有毒有害元素大量进入环境，而农产品对重金属具有一定的富集和积累能力，农产品中的重金属元素含量直接影响农业安全及农产品品质，并且会通过食物链给人类健康和生命安全带来潜在危害[1-6]。据研究发现，人体过量累积重金属会导致心血管、肾、神经和骨骼等器官损坏甚至致癌[7-8]。流溪河是珠江流域的一条重要河流，流溪河流域是广州市的“菜篮子”基地，蔬菜种植面积大，是广州市的粮仓之一。近年来，随着经济的发展，使得流域中下游逐渐被开发，旅游业和城镇化的发展，严重影响了中下游地区。目前，整体上，流溪河流域显示出从上游到下游方向自然景观的递减、农业景观和城镇景观递增的梯度变化[9]。这种空间分布特征在珠三角乃至整个华南沿海地区中具有河流流域的典型代表性[10]。整个流域农业、旅游业和城镇化的扩张，导致流域生态环境恶化，水质不断下降，而流域周边的农用地由于取用流溪河的水为灌溉水，势必会对其农产品产生较大的影响。已有的研究中，专家学者虽然有对于农产品重金属的研究，但对于广州市流溪河流域周边农产品的系统研究尤其是对该流域重金属的空间分布研究基本为零。因此，本研究以广州市流溪河流域周边为研究区域，对农产品重金属Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn和Ni含量进行测试分析，对流域农产品进行质量分级和空间分布特征研究，旨在了解和掌握流溪河流域周边农产品重金属污染空间分布特征以及农产品质量等级，为保障农产品安全和人体健康提供科学依据，也为有关部门开展污染防治、土地利用等提供重要支撑。

图1 流溪河流域位置及农产品采样点分布图

1 材料与方法

1.1 采样区域概况

流溪河流域位于广州市北部，珠江三角洲的中北部，是广州市境内最重要的水源保护区。流溪河全长171km，流域总面积2300km2，占广州市面积的31%，流域地理坐标范围为113°10′12′～114°02′00′E，23°12′30′～23°57′36′N。流域属于南亚热带季风性海洋气候，气候温湿，雨量丰沛，多年平均气温约21.2 ℃，平均降水量为1823.6mm。流域整体呈东北—西南向的狭长型，地势东北高，西南低。流域上游主要为山区，土壤类型为黄壤或红壤，土地利用类型主要以种植水源林和用材林为主；中游为丘陵区，土壤类型为赤红壤居多，土地利用主要为园地和旅游区；下游为冲积平原，土壤类型主要为水稻土，土地利用主要以种植蔬菜、花卉和水果为主[11]。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集与保存

在距流溪河河岸600m范围以内，从上至下沿河流两岸每隔2km选取种植面积相对最大的农产品种类分次在其成熟期进行采样，共采集农产品样品63个；同时，考虑到流溪河流域的四个水质监测点附近农产品种植面积较大，属于流域典型蔬菜种植区域，因此，在四个水质监测点附近约2 km范围内，进行加密布点采样，共采集农产品样品20个。则整个流溪河流域共采集农产品样品数83个，其中，新鲜水果类样品29个，谷物（水稻）类样品13个，瓜果类、豆类、叶菜类和根茎类蔬菜样品分别为11个、2个、27个和1个。所有农产品的采集、保存和处理均按照《农、畜、水产品污染监测技术规范》（NY/T 398—2000）[12]执行。

1.2.2 分析方法

农产品中镉、汞、砷、铅、铬、铜、锌、镍共8个重金属总量的测定，采用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）（GB 5009.268—2016）[13]测定。

1.2.3 评价标准及方法

农产品的标准值参照中华人民共和国卫生部颁发的《食品中污染物限量》（GB 2726—2017）[14]中所提供污染物限量标准值。采用单项污染指数和内梅罗综合污染指数对农产品进行重金属污染评价，并依据农产品重金属单项污染指数对农产品进行质量分级。具体方法如下：

（1）单项污染指数

Pi=Ci/Si

式中：Pi为污染物i的单项污染指数；Ci为污染物i的含量，mg·kg-1；Si为污染物i的评价标准值，mg·kg-1。

对于单项污染指数评价，若Pi≤1，则表示农产品未受污染，属于安全水平；若Pi＞1，则表示农产品受到污染，Pi值越大，说明受到的重金属污染越严重[15-16]。

（2）内梅罗综合污染指数（综合污染指数）

式中：P综是内梅罗综合污染指数；Pimax为样点重金属污染物单项污染指数中的最大值；Piave为样点各项重金属污染物单项污染指数的平均值。

根据内梅罗综合污染指数分级标准进行分级，分级标准见表1。

表1 基于内梅罗综合污染指数法的重金属污染分级标准

（3）农产品质量分级

根据中华人民共和国农业行业标准《农、畜、水产品污染监测技术规范》（NY/T 398—2000）[12]，农产品质量分级按最大单项污染指数最终评定，划定质量的级别，农产品质量分级标准见表2。

表2 农产品质量分级标准

以上数据均采用Excel 2010、SPSS22.0进行数据统计分析，采用ArcMap10.1进行作图。

2 结果与讨论

2.1 农产品中重金属含量及超标统计

本研究中，根据2011年第3号中国国家标准公告，卫生部和国家标准化管理委员会已于2011年1月联合发文取消《食品中铜限量卫生标准》（GB 15199—1994）[22]《食品中锌限量卫生标准》（GB 13106—1991）[23]等标准，不再将铜、锌作为污染物管理，转而作为营养强化剂管理。另外，目前《食品安全国家标准 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）[14]中对于镍也仅规定了油脂及其制品中的限值。因此，本文不对农产品中铜、锌和镍作污染超标评价，仅作含量特征评价。

由表3可知，流溪河流域周边83个农产品样品重金属Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn和Ni的平均含量依次为0.023、0.001、0.028、0.038、0.161、1.154、6.001和0.154 mg·kg-1，均值由高到低排序为Zn＞Cu＞Cr＞Ni＞Pb＞As＞Cd＞Hg。流溪河流域不同点位农产品重金属含量变异系数介于0.614～1.864，其中，以Cd的变异系数最大，Cr次之，Hg最小。从点位超标率来看，除Cu、Zn和Ni不参与污染超标评价外，Cd和Cr各有2个点位的样品重金属含量超出食品中污染物限值，超标率均为2.41%，其余重金属各点位均未超过标准限值。

表3 流溪河流域农产品重金属总量函数统计

本研究中，流溪河流域83个点位农产品重金属含量变异系数介于0.614～1.864，表明该流域周边农产品中重金属含量空间分布差异显著，重金属来源受外界干扰影响相对较大。同时，根据学者[17]对海南省农产品重金属计算出的变异系数的研究，可得海南省不同样点变异系数介于0.588～2.279，对比研究结果，可知不同地域、不同点位以及不同农产品之间重金属含量差异比较大。

2.2 农产品质量分级

通过计算各个农产品单项污染指数，并依据最大单项污染指数最终评定，统计结果如图2所示。流溪河流域周边83个农产品样品中，一级产品数量为71个，占比为85.54%；二级产品数量为7个，占比为8.43 %；三级产品数量为5个，占比为6.02 %。对于不同类别下农产品质量分级，新鲜水果类一级、二级和三级产品数量分别为27个、1个和1个，占比分别为93.10 %、3.45 %和3.45 %；谷物类一级、二级和三级产品数量分别为4个、5个和4个，占比分别为30.77%、38.46%和30.77%；瓜果类蔬菜一级、二级和三级产品数量分别为10个、1个和0个，占比分别为90.91 %、9.09 %和0 %；豆类蔬菜、叶菜类蔬菜和根茎类蔬菜三种类别中所采集的样品总数量分别为2个、27个和1个，所有样品全部为一级产品，占比均为100 %。由此可见，流溪河流域周边农产品整体为优质的一级产品，仅有个别产品受到污染，质量较差，主要分布于新鲜水果和谷物类农产品中。

图2 流溪河流域周边农产品质量分级图

2.3 农产品重金属污染指数空间分布

运用ArcGIS软件，将采样点GPS定位数据与遥感图像解译资料叠加，根据采样点的监测分析数据，研究农产品重金属污染的空间分布情况。

由表4可知，流溪河流域周边83个农产品样品重金属Cd、Hg、As、Pb和Cr的单项污染指数均值均小于1，整体属于安全水平，单项污染指数从高到低依次为Pb＞Cr＞Cd＞As＞Hg。

表4 流域周边农产品重金属单项污染指数

从图3 （a、b、c、d、e）可以看出，农产品重金属Cd、Hg、As、Pb和Cr污染指数大小在流溪河流域周边的分布整体上较为分散，其中，Cd、Hg、As和Cr的污染指数整体明显小于0.1，远低于评价标准值1。对于农产品重金属Cd，单项污染指数较大的点位主要分布于太平水质监测断面以上，即处于流域的上、中游；对于农产品重金属Hg，单项污染指数较大的点位主要分布于太平水质监测断面以下，即处于流域的下游；对于农产品重金属As，单项污染指数较大的点位主要分布于太平水质监测断面以上，即处于流域的上、中游，且仅有个别点位砷污染指数在0.37及以上；对于农产品重金属Pb，单项污染指数较大的点位相对较为分散；对于农产品重金属Cr，单项污染指数较大的点位主要分布于太平水质监测断面以上，即处于流域的上、中游。

通过计算农产品样品重金属综合污染指数可知，流溪河流域周边83个农产品样品重金属综合污染指数范围为0.06～1.30，均值为0.28，小于0.7，总体处于安全级别。由图3 （f）可得，流溪河流域周边农产品整体处于清洁（安全）水平，仅有1个点位处于轻度污染水平，有5个点位处于尚清洁（警戒线）水平。其中，处于轻度污染水平的点位主要处于流溪河山庄和太平水质监测断面之间，需要重点关注；处于尚清洁（警戒线）水平的点位主要分布于太平水质监测断面以上，即流域上、中游，这些点位应当加强监督，防止恶化，致使农产品受到更为严重的污染。

图3 农产品重金属单项污染指数及综合污染指数空间分布图

2.4 农产品质量分级空间分布

根据点位农产品各重金属最高单项污染指数，对点位农产品进行质量分级，然后通过ArcGIS软件制作流溪河流域周边农产品质量分级空间分布图。农产品的分级质量中，一级产品为优质未污染产品，二级产品为次优质未污染产品，三级产品为受重金属污染产品。

由图4可见，流溪河流域周边农产品整体上多为一级产品，有7个点位农产品为二级产品，二级产品主要分布于流域上游和下游；有4个点位农产品为三级产品，三级产品主要分布于流域的上中游。广州市流溪河地处热带－亚热带区域，早些年，流溪河流域上游源头受到人类活动干扰程度较轻，水质状况及生境条件也相对较好，下游则人口活动密集，工矿企业相对上游较为集中。但近年来，随着城镇化的迅猛发展，流域上游人类活动逐渐加剧，流溪河中游钟落潭逐渐成为轻纺以及皮革加工等劳动密集型产业发达的城镇，竹料地区则演变为白云区重要的农业种植、养殖区与沙发制造、制衣和染织等工业区，这使得流溪河流域中游钟落潭镇、竹料镇的水质污染不断加剧[18-19]。大量研究[20-22]表明，农产品中重金属除来源于成土母质外，其含量也受土壤污染、灌溉水污染、工业“三废”污染、化肥农药超高量使用、人类活动等因素的影响。并且，也有研究[23-24]显示，在靠近工矿企业周边、污水灌溉区等附近种植的农产品，其重金属含量往往偏高。本研究中，轻度污染的点位和受重金属污染的三级产品主要集中在上、中游，一方面可能是由于上、中游土壤成土母质的含量相对较高，另一方面可能与近些年上、中游化肥农药的超高量使用、位于工矿企业周边以及污水灌溉等有关。

图4 流溪河流域周边农产品质量分级空间分布图

综上所述，流溪河流域周边农产品整体处于安全水平，较适宜发展无公害农产品。但仍应重点关注流域内谷物类的重金属含量以及中、上游的人为活动状况，建议一方面加强谷物类农产品检测或适当调整农产品种植结构与品种；另一方面在流域中上游通过采取化肥农药减量增效技术、农业面源污染防治技术、清洁生产工艺技术，杜绝污水灌溉等措施，降低农产品中重金属的含量，提前防范农产品污染，确保农产品质量安全。

3 结论

本文采用单项与综合污染指数法，对广州市流溪河流域83个农产品样品重金属Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn和Ni含量进行了调查与分析，并运用GIS分析与作图，研究重金属污染空间分布特征。结果表明：流溪河流域农产品各项重金属的平均含量值均低于《食品安全国家标准 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）中规定的限值，但个别监测点位的农产品中重金属Cd和Cr含量有超标现象。除Cu、Zn和Ni不参与污染评价外，流域农产品重金属单项污染指数从高到低依次为Pb＞Cr＞Cd＞As＞Hg，综合污染指数范围为0.06～1.30，均值为0.28，整体处于清洁（安全）水平。从空间分布来看，重金属Cd、As、Cr单项污染指数较大的点位主要分布于太平水质监测断面以上，即处于流域上、中游，重金属Hg单项污染指数较大的点位主要分布于太平水质监测断面以下，即处于流域的下游，而重金属Pb单项污染指数较大的点位相对较为分散。农产品质量分级结果显示，流溪河流域周边农产品整体为优质的一级产品，占比为85.54%，仅有个别产品受到污染，主要分布于流域的上、中游，建议加强流域上、中游的农产品重金属检测与分析，并在上、中游采取相关措施，防范农产品重金属污染，保障农产品质量安全。