中国农田土壤重金属空间分布特征及污染评价.docx

中国农田土壤重金属空间分布特征及污染评价土壤是人类赖以生存和发展的重要资源之一也是陆地生态系统重要的组成部分。近几年以来随着我国城市化进程加快矿产资源开发、金属加工冶炼、化工生产、污水灌溉以及不合理的化肥农药施用等因素导致重金属在农田土壤中不断富集[1~4]。重金属作为土壤环境中一种具备潜在危害的污染物通常不随水淋滤也不能被微生物所降解具备易积累、难挥发、毒性大和隐蔽性强等特点[5~7]。当土壤遭受重金属污染时不仅会影响土壤生物的生长发育更重要的是重金属元素还会通过食物链以及皮肤接触等方式在人体中积累严重威胁人体健康[8~10]。文献[11]显示全国土壤污染物总超标率为16.1%其中耕地土壤点位超标率为19.4%其主要污染物包括镉、铬、铅、铜、汞、砷以及部分有机污染物由此可见我国农田土壤污染形势比较严峻。鉴于目前农田土壤环境质量堪忧以及重金属污染的长期危害性近几年以来农田土壤重金属污染成为国内外学者研究的热点。当前国内研究多集中在典型耕地[12~14]、蔬菜地[1516]、果园[17]和工矿区[1819]等小尺度区域土壤重金属的富集特征及空间分布而对中国农田土壤重金属的污染现状进行系统地评价分析相对较少如Wei等[20]汇总了我国部分城市及农田土壤重金属数据并对这些数据展开分析评价；宋伟等[21]根据138个典型耕地土壤重金属数据库计算了我国耕地土壤重金属的污染概况结果显示全国耕地土壤重金属的污染率为16.67%；张小敏等[22]采用平均值法对我国农田土壤铅、镉、铜、锌和铬这5种重金属的富集情况及空间分布开展研究发现我国土壤重金属的空间分布具备明显区域特征；陈奕云等[23]基于文献计量法对全国34个省级行政区农田土壤重金属的污染情况进行分析评价结果显示全国Pb和Cd的污染比较严重。总体上全国农田土壤重金属的空间分布研究存在以个别样点值代替区域平均值、样点偏少或未展开有效评价等问题难以全面反映中国农田土壤重金属的实际分布特征水平。因此本文基于2022年以来可收集到的中国各行政区农田土壤重金属实测含量数据采用地理信息系统(GIS)及地统计法探讨我国各行政区农田土壤不同重金属：Cr(铬)、Cd(镉)、Pb(铅)、Cu(铜)、Zn(锌)、As(砷)和Hg(汞)的污染情况及空间分布特征同时采用地累积指数法对其污染情况展开评价。通过准确掌握中国各行政区农田土壤重金属的实际污染情况以期为建立农田土壤空间数据库、全面了解中国农田土壤重金属污染现状、分布特征以及对未来农田污染制定有效的防治策略提供科学的依据。1材料与方法1.1数据来源与预处理中国农田土壤重金属含量统计数据均通过“某市(县)重金属”关键词搜索同一地区以最新年份文献为准。排除城镇工业用地、大气降尘以及海洋沉积物等非农田土壤重金属研究共选出2022年以来公开发表的文献603篇包括614个典型农田样点重金属实测数据(由于文献资料有限统计地区不包含西藏自治区、中国香港、澳门特别行政区、中国台湾以及南海诸岛)具体的样本点分布见图1。其中样本点坐标为文献中直接标注的采样点或通过反转研究区地理坐标位置获取重金属数据通过提取文献中对应的农田土壤重金属含量或根据污染指数反推得到。总体上各文献多采用随机采样法选择在土壤表层(0~10cm或0~20cm)的深度范围以内取样所有样品经室内风干、压碎、过筛和消解后用电感耦合等离子质谱法以及原子荧光分光光度法等方法测定各样本重金属含量并且保证样品分析测试的平均偏差小于10%。西藏自治区、中国香港及澳门特别行政区、中国台湾和南海诸岛的数据暂缺下同图1农田土壤重金属样本分布示意由于部分研究中采样点受矿区和工业区等因素影响较重可能导致区域某种重金属含量值存在异常而异常值对变异函数的模型拟合具备一定的影响。因此为了进一步保证分析结果的可靠性在展开各项分析前需对重金属样本数据进行检验处理以剔除异常样本本文采用3倍标准差法处理各文献数据以X±3S为标准X表示某重金属所有样点的平均值S为标准差超出该范围的数据则需剔除[24]。结果显示土壤Cr、Cd、Pb、Zn、Cu、As和Hg的异常值数分别为10、14、7、7、9、5和9个。1.2研究方法1.2.1普通克里金插值由于土壤重金属的富集程度在区域内存在空间分异且部分地区无统计资料简单利用样本数据展开分析评价难以准确反映土壤实际情况。克里金法(Kriging)实质上是利用区域化变量的原始数据以及变差函数的结构特点去估计无数据区域的变量值该方法能最大限度地利用样点信息来确定未知样点的估计值这不仅考虑到无数据点与已知样点的空间位置而且还能利用各邻近样点间的位置关系做出线性无偏的最小方差估计使评价结果更精确和更符合实际[2526]。结合前人在土壤重金属空间分布特征方面的研究[27