环境科学  2014, Vol.35 Issue (2): 692-703   PDF    
引用本文
张小敏, 张秀英, 钟太洋, 江洪. 中国农田土壤重金属富集状况及其空间分布研究[J]. 环境科学, 2014, (2): 692-703.  
ZHANG Xiao-min, ZHANG Xiu-ying, ZHONG Tai-yang, JIANG Hong. Spatial Distribution and Accumulation of Heavy Metal in Arable Land Soil of China[J]. Environmental Science, 2014, (2): 692-703.  
中国农田土壤重金属富集状况及其空间分布研究
张小敏1, 张秀英1 , 钟太洋2, 江洪1    
1. 南京大学国际地球系统科学研究所, 南京 210046;
2. 南京大学国土资源与旅游学系, 南京 210046
收稿日期: 2013-6-16; 修订日期: 2013-8-20.
基金项目： 国家自然科学基金项目（41271190）
作者简介：张小敏(1989~),女,硕士,主要研究方向为大气环境遥感,E-mail:zxm08ygy@163.com
通讯联系人,E-mail:zhangxy@nju.edu.cn
摘要：在统计有关我国农田土壤重金属相关文献数据的基础上，探讨了我国农田土壤重金属Pb、Cd、Cu、Zn和Cr的空间富集现状. 收集到有关土壤Pb、Cd、Cu、Zn和Cr含量的研究分别为173、138、156、139、140个. 首先剔除异常值，然后利用剩余样本进行克里金插值，并统计各省地区重金属含量平均值. 结果表明我国重金属空间分布具有明显的区域特征，西南地区土壤重金属含量较高，其他地区相对较低；与分省的土壤背景值相比较，农田土壤Pb和Cd的含量明显高于背景值. 土壤Pb在云南省超出背景值最高，为背景值的1.91倍；Cd在辽宁省超出背景值最高，为23.02倍；Zn在云南省富集最为严重，是背景值的1.55倍，Cu最高的是广东省，达到背景值的2.92倍.
关键词： 土壤重金属     重金属富集     空间分布     中国农田    
Spatial Distribution and Accumulation of Heavy Metal in Arable Land Soil of China
ZHANG Xiao-min1, ZHANG Xiu-ying1 , ZHONG Tai-yang2, JIANG Hong1    
1. International Institute for Earth System Science, Nanjing University, Nanjing 210046, China;
2. Department of Land Resources and Tourism Sciences, Nanjing University, Nanjing 210046, China
Abstract: Based on the domestic and foreign published papers about soil heavy metal contents, the present study explored the spatial variations of heavy metal contents in agricultural soil in China. Totally, 173 studies on soil Pb, 138 on Cd, 156 on Cu, 139 on Zn and 140 on Cr were collected. Firstly, the abnormal values were selected and removed, then the spatial distributions were obtained through Kriging method and the average values in the provinces were calculated. Results show that the spatial distributions of heavy metals have obvious regional characteristics and the southwest part of China has relatively high heavy metal concentrations in soils. Compared with the background value of soil heavy metal concentrations, nearly all of the provinces have higher Pb, Cd, Cu and Zn concentrations. Pb and Cd have the most obviously higher values than the background values. The highest difference of Pb concentration is in Yunnan Province with 1.91 times of the background, and the highest Cd difference is in Liaoning Province with 23.04 times of the background; The highest Zn enrichment is in Yunnan, with 1.55 times of the background; and the highest Cu difference with 2.92 times of the background value.
Key words: heavy metal     heavy metal accumulation     spatial distribution     Chinese arable land    

土壤是地球生态系统重要的组成部分，土壤生化物质含量影响着地表生物的生长，尤其是各种化学物质含量的超标不但影响植物正常生长，而且通过食物链等途径进入人体及其他动物体内富集，影响人体健康. 自进入工业社会后，工业发展以及城市化进程深入等方面都加重了土壤中重金属的累积，造成土壤重金属污染，并且污染面积逐年扩大. 据农业部进行的调查，我国农田土壤在140万hm2污水灌溉区，遭受重金属污染的土地面积占污灌区面积的64.8%； 每年因重金属污染减产的粮食1000多万t，被重金属污染的粮食每年达到1200万t，合计损失至少200亿元[1]. 农田重金属的富集达到一定程度不仅降低农作物的产量和质量，并且严重威胁生态系统和人类的安全[2, 3]. 人为源是其主要的土壤重金属污染来源，主要包括施肥，动物粪便和生物固体应用，污水灌溉，大气沉降等[4, 5, 6].

国内外在土壤重金属方面已经做了大量研究，针对城市土壤、 菜园土壤、 果园土壤以及矿区周边农田土壤的重金属的含量、 对农作物的影响以及空间分布等进行研究. 我国农田土壤重金属研究，大都是选取某些典型区域，选取样点采集土壤和植被样本通过化学分析等确定重金属含量并进行相关分析[7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 120, 121, 122, 123, 124, 125, 126, 127, 128, 129, 130, 131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139, 140],但是对中国农田土壤中重金属含量的整体分析目前还鲜见报道.

在总结前人研究的基础上，本研究从空间分析的角度出发，收集全国农田土壤重金属含量数据[7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 120, 121, 122, 123, 124, 125, 126, 127, 128, 129, 130, 131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139, 140]. 利用克里金插值获得全国农田土壤Pb、 Cd等重金属的空间分布，探讨了我国农田土壤重金属的富集程度，并分析其主要来源.

1 材料与方法
1.1 数据收集和整理

从公开发表的文献中，收集了2000~2013年全国农作物土壤重金属含量数据，部分数据来源于中国土壤数据库(http://www.soil.csdb.cn/). 共收集到有关土壤Pb含量的研究173个，Cd研究138个，Cu研究156个，Zn研究139个和Cr研究140个. 分布如图 1所示.

图 1 收集到的全国土壤重金属样本Fig.1Spatial distribution of collected soil heavy metal samples

将每个研究中重金属的平均值作为该点位的值，然后人工剔除异常样本. 把样本数据中重金属含量明显超出其附近值的样本剔除，因为这些样本可能受矿区等因素影响而导致高值.

1.2 研究方法

确定需要插值的样本数据，进行地统计学分析后应用克里金方法空间插值. 克里金插值法，又称为空间自协方差最佳插值法，是空间插值的一种最优内插法. 它是根据样本空间位置不同，样本间相关程度的不同，对每个样本赋予不同的权，进行滑动加权平均.

假设x1,…,xn为区域上的一系列观测点，z(x1),…,z(xn)为相应的观测值. 区域化变量在x0处的值z*(x0)可采用一个线性组合来估计：

式中，λi为第i个样本的权值.

克里金插值得到中国区域重金属的空间分布，分省统计农田土壤重金属含量平均值，并与背景值作对比，将高出背景值的量与背景值作比，得到各重金属超出背景值的倍率，以此分析中国农田土壤重金属富集程度.

2 结果与分析
2.1 半方差分析

将预处理的土壤重金属含量数据及其坐标数据导入地统计学软件进行半方差分析，模拟出土壤重金属含量半方差方程，计算Kriging插值最优模型参数(表1). 结果显示土壤Cd、 Cu、 Pb和Zn含量严重偏离正态分布，采用取对数方法进行标准化处理； Cr采用原始数据. 在各向同性的情况下运用指数模型插值有较大的相关系数及较小的方差. 根据模拟的半方差模型参数进行克里金插值(图 2)，得到重金属土壤含量的空间分布.

表1 土壤重金属的半方差模型模拟参数 Table 1 Semi-variogram model parameters of soil heavy metal

图 2土壤重金属含量半方差函数Fig.2Semi-variogram diagram of heavy metal concentrations in soils
2.2 农田土壤重金属的空间分布

将收集的全国土壤样本重金属含量点位数据，经过Kriging插值得到全国范围农田土壤重金属的空间分布图(图 3). 土壤Pb含量在空间分布上西南部出现高值，在西藏东部以及云南、 四川地区，广东西北与湖南交界以及辽宁环渤海土壤Pb含量较高，其他区域变化不明显，且分布比较均匀； 西北部新疆地区含量较少. 相对于Pb，Cd的空间分布则出现多个高值区域，西部Cd含量平均较大； 在中国南部地区Cd出现多个高值区，说明在该些区域可能存在重点污染源. Cu在全国的分布中出现连片的高值区域，尤其在四川和云南北部，广东省和湖南交界有较大范围Cu的高值区，而在华北的河北南部，山西、 山东和河南Cu的土壤含量较低； 另外在甘肃中部、 安徽南部与湖北交界和辽宁环渤海有较小范围的土壤重金属Cu的高值区. 土壤Zn的含量在中国区域与Pb有着相似的空间分布，在西南部出现高值，广东西北与湖南交界含量较高，其他地区土壤Zn含量变化平缓，中国西北部与北部地区(内蒙古东北部和黑龙江、 吉林大部)含量较低. 由Cr的空间分布来看，Cr在中国区域的含量空间分布比较复杂，由云南向东北方向直到江苏地区出现连续高值，在环黄渤海地区尤其京津唐地区出现次高值区.

图 3土壤重金属含量的空间分布Fig.3Spatial distribution of heavy metal concentration in soils

总体来看，在中国的西南部地区，包括云南、 四川，各种土壤重金属含量普遍较高，其他重金属土壤含量较高的地区为广东省北部与湖南交界和环渤海地区，再之在湖北、 安徽等地土壤重金属含量偏高. 中国区域土壤Pb和Zn含量在空间分布上相似.

2.3 全国分省重金属平均含量分布及其与各省背景值比较分析

对全国土壤重金属空间分布图进行分省统计，获得各省农田土壤重金属含量的平均值，同时查阅文献[141]得到我国各省、 自治区、 直辖市(重庆市背景值数据来源于文献[142])土壤重金属元素背景值作对比，见表2，并将农田土壤重金属含量的平均值与各省土壤重金属含量背景值作差，得到超出 背景值重金属含量分布，图 4所示.

表2 各省行政区土壤重金属含量背景值 1)/mg ·kg-1

Table 2 Soil heavy metal background values in administrative area of different provinces/mg ·kg-1

图 4土壤各重金属含量与背景值之间的差值Fig.4Difference between soil heavy metal contents and background value in 30 provinces

各省份平均土壤重金属含量显示，云南省和四川省各种重金属的含量均最高，除Cr和Cd外其他重金属在中国南部土壤含量均较高. Cu在中国北部的辽宁省也存在高分布，除个别省份外，土壤Cr和Cd含量在中国其他区域均较高分布. 各农田土壤重金属含量最高的省份分别是：云南省Pb 118.29 mg ·kg-1，辽宁省 Cd 2.59 mg ·kg-1，广东省 Cu 66.70 mg ·kg-1，云南省 Zn 228.82 mg ·kg-1，上海市 Cr 79.78 mg ·kg-1.

从背景值看，云南省、 四川省、 贵州省、 福建省和广东省均是Pb的高分布区，与插值统计的结果相同，表明土壤成土母质对高土壤重金属Pb含量起着重要作用. 各省农田土壤Pb、 Zn和Cr含量与各省背景值在空间分布上基本相同，但土壤Pb、 Zn值明显普遍偏高. 同样，Cd在中国西南部和西北部分布较高，内蒙古、 山东和辽宁偏高外，其他区域与背景值高值分布基本相同. 土壤Cu含量在西南部背景值和插值结果均有高值分布，且土壤Cu的背景值在中国西部区域较高，而在插值结果显示分省土壤Cu均值含量次高值则分布在中国东部区域，表明土壤Cu的空间分布在某种程度上受到人为活动的干扰.

图 4插值结果分省平均值与各省份背景值的差值分布，除土壤Cr外其他4种重金属的插值结果均明显高于背景值，说明中国农田土壤均遭受到不同程度不同重金属的富集. 其中Pb和Cd在全国范围内均高于各省土壤重金属含量背景值，说明Pb和Cr在全国范围普遍存在人为引入的重金属富集. 图 5表示各省份重金属平均含量超过背景值部分与背景值的比率. 其中广西、 四川、 辽宁和云南Pb超过背景值比较高，其超出背景值部分分别达到了背景值的1.33， 1.42， 1.59和1.91倍； 而Cd含量则超过背景值更高，除上海、 江苏、 贵州和山西，其他省份Cd含量超出背景值部分均达到了背景值的1倍以上，其中西藏、 广西达到10倍以上，辽宁达到23.02倍. 土壤Cu含量除山西、 山东，Zn除西藏外，全国其他区域均高于背景值. 吉林、 辽宁和广东Cu超出背景值部分均达到背景值的1倍以上，广东达到2.92倍，Zn在四川、 云南和广东超出背景值部分均达到背景值1倍以上，广东超出2.22倍. Cr在全国区域基本不超标，只有福建省土壤Cr平均值超出背景值2.80倍.

图 5土壤各重金属含量与背景值之间的差值Fig.5Difference between soil heavy metal contents and background value in 30 provinces

我国西南部地区Pb的富集更为严重，而Cd在全国均有一定的富集，但南部地区较为明显，其中Pb最高超出背景值77.69 mg ·kg-1，超出云南省背景值1.91倍，Cd最高超出背景值2.49 mg ·kg-1，超出辽宁省背景值23.02倍. 农田土壤Zn在中国南部污染严重，最高超出背景值139.12 mg ·kg-1，超出云南省背景值1.55倍，Cu最高超出49.70 mg ·kg-1，超出广东省背景值2.92倍.

3 讨论

以上全国土壤重金属的分布现状，我国农田土壤重金属含量空间分异特征明显，Pb、 Cd、 Cu和Zn的含量均明显高于背景值，表明不同程度地受到人为活动干扰.

各地区成土母质的差异，背景值的不同是造成我国土壤重金属含量在空间上分布差异的初始原因. 同时由于经济的区域发展差异以及不同地区发展模式及产业类型造成土壤重金属含量在空间上后期累计程度不同，从而导致土壤重金属含量在空间上分布差异.

土壤重金属含量的增加主要是由于人为活动的影响造成的，如重工业或者矿区的开发等都会使大量的重金属流入表层土壤，导致该区域土壤中重金属含量剧增. 另外有研究表明，据估计在农用土壤每年的Cu、 Zn和Cd总含量中农业活动造成的比重分别为79.6%、 56%和63%； 而对于Pb和Cr则来自于与工业过程有关的大气沉降，比重分别为85%和43%[6]. 例如，Cd的分布在几个地区出现高值点，说明人类活动的影响严重，四川、 湖南、 湖北、 江苏和广东等地均出现Cd分布高值点，致使这几个省的Cd的平均含量增高. 辽宁地区自改革以来一直是我国的重工业基地和钢铁产量大省，所受重工业的影响是其土壤重金属污染的主要原因. 在我国西南地区出现土壤重金属的高值分布，不仅由于其原始较高背景值分布，同时西南地区，如四川盆地、 云贵地区和两广地区，更是由于重工业发展和人类活动等造成土壤重金属的富集.

土壤所含的重金属可以通过多种途径进入水体，还可以以扬尘为载体在全球范围内传播. 所以针对我国土壤的重金属污染状况，人们应该采取多种措施，综合防止和治理土壤的重金属污染. 首先，防止重金属富集的加剧，在重金属富集严重的区域，应向多产业方向发展，取缔具有重金属严重污染能力的工厂，发展服务业等其他无或较低重金属污染的产业. 同时应用高新科技技术减少重金属流入土壤等环境，将废液废渣中的重金属进行收集再利用. 其次，提高人们对重金属污染的认识，完善我国土壤环境质量标准体系，健全法律法规，从各个方面将重金属污染的防治工作做到位.

本研究主要采用查阅文献数据，采集到有限的农田土壤样本重金属数据，通过分析插值得到中国地区农田土壤重金属的空间分布. 其中在中国东部地区由于研究比较多，所以样本点较多且集中，而在中国西部地区由于相关的研究较少，样本点数据也较少. 这在某种程度上给结果造成一定的影响，如西藏地区，样本点稀少，在插值分析时受到西南云贵和四川的重金属高值分布的影响，使其土壤重金属含量整体偏高. 在查阅的文献研究中，多是将农田土壤受到重金属污染明显的地区作为研究区，所以在本研究中所得到的结果不可避免地会偏高.

4 结论

通过对5种重金属的插值空间分布分析，我国土壤重金属含量较高，且各区域重金属含量分布存在较大差异. 重金属背景值在区域上的差异是造成地区重金属含量差异的初始原因，人类活动引入的土壤重金属是重金属富集的主要原因. 中国区域农田土壤Pb、 Cd、 Cu和Zn的含量均有不同程度的富集. 通过与背景值的比较，Cd的富集最为严重，其次是Pb，超标现象在全国普遍存在. Pb和Zn的富集在云南省达到最高，均是超出其背景值最高的省份，但是Zn超出背景值倍数最高的是广东省. Cd超出背景值最高的是辽宁省，同时是Cd超出背景值倍数最高的省份. 广东省Cu的富集最严重，是Cu含量超其背景值最高的省份. 总体上看，中国西南部地区土壤重金属富集值较高，其次是两广和辽宁地区. 各区域土壤重金属的富集程度与类型受到当地农业活动和工业发展等的影响，如重金属含量高的省份地区，东北的辽宁，西南的四川、 云贵地区等重金属的污染受到重工业的影响严重.

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