土壤是人類賴以生存和發(fā)展的重要資源之一,也是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分。近年來(lái), 隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加快，礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)、金屬加工冶煉、化工生產(chǎn)、污水灌溉以及不合理的化肥農(nóng)藥施用等因素導(dǎo)致重金屬在農(nóng)田土壤中不斷富集[1~4]。重金屬作為土壤環(huán)境中一種具有潛在危害的污染物, 通常不隨水淋濾, 也不能被微生物所降解, 具有易積累、難揮發(fā)、毒性大和隱蔽性強(qiáng)等特點(diǎn)[5~7]。當(dāng)土壤遭受重金屬污染時(shí)，不僅會(huì)影響土壤生物的生長(zhǎng)發(fā)育, 更重要的是重金屬元素還會(huì)通過(guò)食物鏈以及皮膚接觸等方式在人體中積累，嚴(yán)重威脅人體健康[8~10]。文獻(xiàn)[11]顯示,全國(guó)土壤污染物總超標(biāo)率為16.1%，其中耕地土壤點(diǎn)位超標(biāo)率為19.4%,其主要污染物包括鎘、鉻、鉛、銅、汞、砷以及部分有機(jī)污染物,由此可見(jiàn)我國(guó)農(nóng)田土壤污染形勢(shì)較為嚴(yán)峻。

鑒于目前農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂以及重金屬污染的長(zhǎng)期危害性，近年來(lái)農(nóng)田土壤重金屬污染成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。當(dāng)前國(guó)內(nèi)研究多集中在典型耕地[12~14]、蔬菜地[15, 16]、果園[17]和工礦區(qū)[18, 19]等小尺度區(qū)域土壤重金屬的富集特征及空間分布, 而對(duì)中國(guó)農(nóng)田土壤重金屬的污染現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)地評(píng)價(jià)分析相對(duì)較少， 如Wei等[20]匯總了我國(guó)部分城市及農(nóng)田土壤重金屬數(shù)據(jù), 并對(duì)這些數(shù)據(jù)展開(kāi)分析評(píng)價(jià)；宋偉等[21]根據(jù)138個(gè)典型耕地土壤重金屬數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算了我國(guó)耕地土壤重金屬的污染概況, 結(jié)果顯示全國(guó)耕地土壤重金屬的污染率為16.67%；張小敏等[22]采用平均值法對(duì)我國(guó)農(nóng)田土壤鉛、鎘、銅、鋅和鉻這5種重金屬的富集情況及空間分布開(kāi)展研究, 發(fā)現(xiàn)我國(guó)土壤重金屬的空間分布具有明顯區(qū)域特征；陳奕云等[23]基于文獻(xiàn)計(jì)量法對(duì)全國(guó)34個(gè)省級(jí)行政區(qū)農(nóng)田土壤重金屬的污染狀況進(jìn)行分析評(píng)價(jià),結(jié)果顯示全國(guó)Pb和Cd的污染較為嚴(yán)重。總體上全國(guó)農(nóng)田土壤重金屬的空間分布研究存在以個(gè)別樣點(diǎn)值代替區(qū)域平均值、樣點(diǎn)偏少或未展開(kāi)有效評(píng)價(jià)等問(wèn)題, 難以全面反映中國(guó)農(nóng)田土壤重金屬的實(shí)際分布特征水平。因此，本文基于2002年以來(lái)可收集到的中國(guó)各行政區(qū)農(nóng)田土壤重金屬實(shí)測(cè)含量數(shù)據(jù), 采用地理信息系統(tǒng)(GIS)及地統(tǒng)計(jì)法探討我國(guó)各行政區(qū)農(nóng)田土壤不同重金屬：Cr(鉻)、Cd(鎘)、Pb(鉛)、Cu(銅)、Zn(鋅)、As(砷)和Hg(汞)的污染情況及空間分布特征, 同時(shí)采用地累積指數(shù)法對(duì)其污染狀況展開(kāi)評(píng)價(jià)。通過(guò)準(zhǔn)確掌握中國(guó)各行政區(qū)農(nóng)田土壤重金屬的實(shí)際污染狀況, 以期為建立農(nóng)田土壤空間數(shù)據(jù)庫(kù)、全面了解中國(guó)農(nóng)田土壤重金屬污染現(xiàn)狀、分布特征以及對(duì)未來(lái)農(nóng)田污染制定有效的防治策略提供科學(xué)的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

中國(guó)農(nóng)田土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)均通過(guò)“某市(縣)重金屬”關(guān)鍵詞搜索，同一地區(qū)以最新年份文獻(xiàn)為準(zhǔn)。排除城鎮(zhèn)工業(yè)用地、大氣降塵以及海洋沉積物等非農(nóng)田土壤重金屬研究，共選出2002年以來(lái)公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)603篇，包括614個(gè)典型農(nóng)田樣點(diǎn)重金屬實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(由于文獻(xiàn)資料有限，統(tǒng)計(jì)地區(qū)不包含西藏自治區(qū)、中國(guó)香港、澳門特別行政區(qū)、中國(guó)臺(tái)灣以及南海諸島)，具體的樣本點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。其中樣本點(diǎn)坐標(biāo)為文獻(xiàn)中直接標(biāo)注的采樣點(diǎn)或通過(guò)反轉(zhuǎn)研究區(qū)地理坐標(biāo)位置獲取, 重金屬數(shù)據(jù)通過(guò)提取文獻(xiàn)中對(duì)應(yīng)的農(nóng)田土壤重金屬含量或根據(jù)污染指數(shù)反推得到。總體上各文獻(xiàn)多采用隨機(jī)采樣法，選擇在土壤表層(0~10cm或0~20cm)的深度范圍內(nèi)取樣，所有樣品經(jīng)室內(nèi)風(fēng)干、壓碎、過(guò)篩和消解后，用電感耦合等離子質(zhì)譜法以及原子熒光分光光度法等方法測(cè)定各樣本重金屬含量，并且保證樣品分析測(cè)試的平均偏差小于10%。

西藏自治區(qū)、中國(guó)香港及澳門特別行政區(qū)、中國(guó)臺(tái)灣和南海諸島的數(shù)據(jù)暫缺，下同

圖 1 農(nóng)田土壤重金屬樣本分布示意

由于部分研究中采樣點(diǎn)受礦區(qū)和工業(yè)區(qū)等因素影響較重, 可能導(dǎo)致區(qū)域某種重金屬含量值存在異常, 而異常值對(duì)變異函數(shù)的模型擬合具有一定的影響。因此為保證分析結(jié)果的可靠性, 在展開(kāi)各項(xiàng)分析前需對(duì)重金屬樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)處理以剔除異常樣本，本文采用3倍標(biāo)準(zhǔn)差法處理各文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，以X±3S為標(biāo)準(zhǔn), X表示某重金屬所有樣點(diǎn)的平均值，S為標(biāo)準(zhǔn)差，超出該范圍的數(shù)據(jù)則需剔除[24]。結(jié)果顯示,土壤Cr、Cd、Pb、Zn、Cu、As和Hg的異常值數(shù)分別為10、14、7、7、9、5和9個(gè)。

1.2 研究方法

1.2.1 普通克里金插值

由于土壤重金屬的富集程度在區(qū)域內(nèi)存在空間分異, 且部分地區(qū)無(wú)統(tǒng)計(jì)資料，簡(jiǎn)單利用樣本數(shù)據(jù)展開(kāi)分析評(píng)價(jià)難以準(zhǔn)確反映土壤實(shí)際狀況?？死锝鸱?Kriging)實(shí)質(zhì)上是利用區(qū)域化變量的原始數(shù)據(jù)以及變差函數(shù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)去估計(jì)無(wú)數(shù)據(jù)區(qū)域的變量值，該方法能最大限度地利用樣點(diǎn)信息來(lái)確定未知樣點(diǎn)的估計(jì)值，這不僅考慮到無(wú)數(shù)據(jù)點(diǎn)與已知樣點(diǎn)的空間位置, 而且還能利用各鄰近樣點(diǎn)間的位置關(guān)系做出線性無(wú)偏的最小方差估計(jì), 使評(píng)價(jià)結(jié)果更精確和更符合實(shí)際[25,26]。結(jié)合前人在土壤重金屬空間分布特征方面的研究[27~29]，本文選取克里金算法中的普通克里金法(Ordinary Kriging)確定中國(guó)農(nóng)田土壤重金屬的空間分布特征。

1.2.2 土壤污染評(píng)價(jià)

土壤污染評(píng)價(jià)方法采用國(guó)內(nèi)外普遍使用地累積指數(shù)法(Igeo),該法是由Muller在20世紀(jì)60年代提出的一種能夠定量評(píng)價(jià)土壤重金屬污染水平的方法, 地累積指數(shù)不僅能充分反映土壤各元素的自然分布特征和累積程度, 而且還能判斷土壤環(huán)境受自然背景和人類活動(dòng)的影響[30~32],其計(jì)算公式為：

式中,Igeo指土壤重金屬i的地累積指數(shù)；Ci指土壤重金屬i的實(shí)際含量(mg·kg-1)；Si指土壤重金屬i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值(mg·kg-1), 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用各省、直轄市和自治區(qū)的土壤背景值；1.5是考慮各行政區(qū)土壤巖石差異引起背景值變動(dòng)的修正系數(shù)。地累積指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表 1, 土壤重金屬i的Igeo值越大, 污染越嚴(yán)重；當(dāng)Igeo值大于0時(shí), 表明土壤重金屬主要來(lái)源于人類活動(dòng)而非成土母質(zhì)等自然因素。

表 1 土壤地累積指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 19.0軟件對(duì)土壤重金屬樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性分析和正態(tài)分布檢驗(yàn), 地統(tǒng)計(jì)分析在GS+9.0軟件中完成,克里金插值及空間分布圖的制作在ArcGIS 10.2軟件中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量的描述性統(tǒng)計(jì)

剔除異常值后的中國(guó)農(nóng)田土壤重金屬描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表 2, 其中土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)采用《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618-2018)中農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值的較嚴(yán)格項(xiàng)。結(jié)果顯示, 農(nóng)田土壤Cr、Cd、Pb、Cu、Zn、As和Hg的樣本平均值分別為59.97、0.240、32.73、28.91、86.52、10.40和0.118 mg·kg-1, 其中全國(guó)土壤Cr和As的平均含量均未超出中國(guó)土壤背景值,而Cd、Pb、Cu、Zn以及Hg的平均含量分別超出中國(guó)土壤背景值2.47、1.26、1.11、1.17和1.82倍, 此外各元素的平均含量均未超過(guò)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。變異系數(shù)可以反映區(qū)域重金屬元素的分布差異,農(nóng)田土壤7種重金屬元素的變異系數(shù)大小順序?yàn)椋篐g>Cd>Pb>As>Cu>Zn>Cr,均屬中等程度變異(0.10<CV<1.00)[33], 其中Cd和Hg的變異系數(shù)均超過(guò)0.75, 表明Cd和Hg受外界干擾比較大, 含量分布不均勻, 變異性較強(qiáng)；其余5種重金屬元素的變異系數(shù)較低, 說(shuō)明它們受外源影響相對(duì)較小，從偏度和峰度值來(lái)看, 土壤Cd和Hg的偏度和峰度值較高, 表明土壤Cd和Hg呈現(xiàn)高累積狀態(tài)。

2.2 正態(tài)分布檢驗(yàn)及半方差函數(shù)模型

普通克里金插值是區(qū)域化變量的線性估計(jì), 它假設(shè)數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布, 認(rèn)為區(qū)域化的變量是未知的, 因此在插值前需對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn), 而對(duì)于非正態(tài)分布序列則需通過(guò)轉(zhuǎn)換才能得到相應(yīng)序列，正態(tài)分布檢驗(yàn)的結(jié)果表明(表 3), 除Cr元素外, 其余6種重金屬含量均偏離正態(tài)分布, 因此需采用對(duì)數(shù)方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。經(jīng)檢驗(yàn), 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布, 在此基礎(chǔ)上采用半方差函數(shù)模型計(jì)算中國(guó)農(nóng)田土壤7種重金屬元素的半方差函數(shù)值, 在各向同性的情況下根據(jù)殘差平方和(RRS)最小以及決定系數(shù)(R2)最大的原則獲取最佳空間變異函數(shù)理論模型[34, 35]。結(jié)果顯示，只有Cd元素符合球形模型(Spherical)，其余6種重金屬元素均為指數(shù)模型(Exponential)。從塊基比看, 7種重金屬元素的C/(C+C0)值均大于0.5，較好反映了各自空間變異的結(jié)構(gòu)特征,為空間擬合的最佳模型。

2.3 中國(guó)農(nóng)田土壤重金屬空間分布特征

利用ArcGIS 10.2軟件分別對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的全國(guó)各省、直轄市和自治區(qū)的土壤重金屬含量數(shù)據(jù)進(jìn)行普通克里金插值, 得到中國(guó)農(nóng)田土壤重金屬含量的空間插值圖(圖2)。結(jié)果顯示,云南、四川、上海以及福建和江西交界有大范圍的Cr高值區(qū),甘肅、陜西、山西和湖北等地出現(xiàn)次高值區(qū), 而青海和海南兩省土壤Cr含量較低；Cd在甘肅中部、新疆和江蘇北部、云南、廣西與貴州三省交界、河南與湖北交界、安徽與江西交界以及湖南出現(xiàn)高值, 表明這些區(qū)域可能存在明顯的Cd污染源, 全國(guó)其他地區(qū)土壤Cd含量較低且分布較為平均；總體上南方土壤Pb含量明顯高于北方, 其中以新疆農(nóng)田土壤的Pb含量最低, 而遼寧西部、陜西中部、重慶、云南、湖南、安徽以及福建等地則有較大范圍的高值區(qū)；土壤Cu含量在空間上分布較為均勻, 僅在新疆、內(nèi)蒙古中部、陜西、河南、天津、云南以及湖南等地含量較高；土壤Zn在全國(guó)多地出現(xiàn)連片高值區(qū), 包括四川、廣西、貴州、湖南、福建、廣東、浙江以及云南北部, 東北三省、內(nèi)蒙古、寧夏和陜西北部地區(qū)土壤Zn含量較低；As的空間分布較為復(fù)雜, 云南、四川和貴州三省交界土壤As含量最高, 湖南、廣西、廣東中部、青海南部、新疆和黑龍江北部以及內(nèi)蒙古東部存在次高值區(qū), 四川中部以及華北和華東地區(qū)的土壤As含量較低；Hg的高值區(qū)主要分布在浙江東部、廣東中部以及福建、湖南和貴州, 其他省份土壤Hg含量相對(duì)較低，從空間分布特征情況來(lái)看，土壤Cr、Pb、Cu、Zn和As的空間分布特征明顯, 而土壤Cd和Hg在空間分布上十分相似。

圖 2 中國(guó)農(nóng)田土壤重金屬含量插值

2.4 中國(guó)農(nóng)田土壤重金屬平均含量分布

在克里金插值基礎(chǔ)上利用ArcGIS軟件的區(qū)域分析工具對(duì)中國(guó)農(nóng)田土壤重金屬含量的插值結(jié)果進(jìn)行分省統(tǒng)計(jì), 得到各省、直轄市和自治區(qū)的農(nóng)田土壤重金屬含量平均值(表 4和圖 3)。其中土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)采用《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618-2018)中農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值的較嚴(yán)格項(xiàng)。

圖 3 中國(guó)農(nóng)田土壤重金屬平均含量及超出背景值的倍率

根據(jù)中國(guó)農(nóng)田土壤重金屬平均含量統(tǒng)計(jì),7種重金屬含量最高的行政區(qū)分別為：Cr 74.90 mg·kg-1(上海市)、Cd 0.400 mg·kg-1(重慶市)、Pb 52.48 mg·kg-1(福建省)、Cu 35.50 mg·kg-1(湖南省)、Zn 107.98 mg·kg-1(廣西壯族自治區(qū))、As 14.17 mg·kg-1(廣西壯族自治區(qū))以及Hg 0.225 mg·kg-1(福建省)。其中湖南、云南、貴州、四川、福建、廣西以及上海市農(nóng)田土壤重金屬平均含量總體較高, 而內(nèi)蒙古、黑龍江、青海、新疆、遼寧、吉林以及寧夏回族自治區(qū)的平均含量較低。

以各省、直轄市和自治區(qū)的土壤背景值為標(biāo)準(zhǔn)(表5), 計(jì)算各行政區(qū)農(nóng)田土壤重金屬含量超出當(dāng)?shù)乇尘爸档谋堵?圖3)。結(jié)果顯示，各行政區(qū)農(nóng)田土壤Cr、Cd、Pb、Cu、Zn、As和Hg的平均含量超出當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸档谋壤?平均倍數(shù))分別為36.67%(0.93倍)、96.67%(2.33倍)、80.00%(1.28倍)、83.33%(1.23倍)、90.00%(1.20倍)、40.00%(1.03倍)以及93.33%(2.24倍)；農(nóng)田土壤平均含量超出背景值最多的行政區(qū)分別為：Cr1.25倍(內(nèi)蒙古自治區(qū))、Cd 4.44倍(福建省)、Pb 2.15倍(重慶市)、Cu 1.69倍(內(nèi)蒙古自治區(qū))、Zn 2.06倍(廣東省)、As 2.29倍(海南省)以及Hg 4.19倍(甘肅省)。其中土壤Cr和As在全國(guó)各行政區(qū)的超標(biāo)率僅為36.67%和40.00%, 平均超標(biāo)倍數(shù)也均低于其他幾種重金屬；各行政區(qū)Cd和Hg遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于當(dāng)?shù)剞r(nóng)田土壤背景值,如福建和海南省的土壤Cd以及甘肅和山東省的土壤Hg均超出當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸档?倍以上, 僅貴州(0.55倍)的Cd以及廣西(0.95倍)和江蘇(0.42倍)的Hg元素未超出背景值, 表明全國(guó)范圍內(nèi)農(nóng)田土壤Cd和Hg存在明顯富集；土壤Pb除云南、新疆、山東、吉林、黑龍江和北京，Cu除云南、四川、湖北、貴州和廣西, Zn除吉林、黑龍江和北京外, 全國(guó)其他行政區(qū)的農(nóng)田土壤重金屬含量也均高于背景值, 但相對(duì)于Cd和Hg, 各行政區(qū)超出背景值的倍數(shù)相對(duì)較低。

然而, 由于圖 3是在圖 2的基礎(chǔ)上計(jì)算出的區(qū)域平均值，因此某個(gè)行政區(qū)可能會(huì)出現(xiàn)在局部具有全國(guó)最高(最低)值，但該地區(qū)整體平均值并非為全國(guó)最高(最低)值。此外, 各行政區(qū)農(nóng)田土壤重金屬的平均含量與土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相比, 除Cd外其余6種重金屬的平均含量均在標(biāo)準(zhǔn)限定范圍內(nèi), 表明當(dāng)前中國(guó)農(nóng)田土壤重金屬的含量基本處于安全范圍,各大種植區(qū)均可放心種植農(nóng)作物, 但仍需注意土壤Cd的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

2.5 農(nóng)田土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

以各省、直轄市和自治區(qū)的土壤背景值為標(biāo)準(zhǔn), 計(jì)算各行政區(qū)農(nóng)田土壤7種重金屬的地質(zhì)累積指數(shù)(表 6)。從平均地質(zhì)累積指數(shù)來(lái)看(表 7),全國(guó)農(nóng)田土壤地累積指數(shù)大小依次為：Cd>Hg>Pb>Cu>Zn>As>Cr。其中各省、直轄市和自治區(qū)農(nóng)田土壤Cr的Igeo值均小于0, 并且各行政區(qū)土壤Pb、Cu、Zn和As的Igeo值也多數(shù)小于0, 表明這5種重金屬主要來(lái)源于地質(zhì)因素；而全國(guó)農(nóng)田土壤Cd和Hg的平均Igeo值分別為0.50和0.44, 表明這2種元素主要來(lái)源于人類活動(dòng)。

地累積指數(shù)還考慮到各種重金屬的累積程度[40], 綜合分析表 6和表7可知,中國(guó)農(nóng)田土壤重金屬的污染比重為30.00%, 以福建、廣東、海南、浙江、陜西、河南、湖南省和重慶市最為嚴(yán)重。其中, 各行政區(qū)土壤Cr的污染等級(jí)均屬無(wú)污染；除部分行政區(qū)土壤Pb(浙江、陜西、山西、河南省和重慶市)、Cu(浙江、陜西、河南、吉林省和內(nèi)蒙古自治區(qū))、Zn(海南和廣東省)以及As(黑龍江和海南省)的地累積指數(shù)分布在0~1之間外, 其他行政區(qū)的Igeo值均小于0, 屬無(wú)污染；各省、直轄市和自治區(qū)的土壤Cd和Hg的地累積污染等級(jí)較高, 分別有80.00%和86.67%的區(qū)域?qū)佥p度污染及以上, 僅云南、山西、青海、貴州、廣西和上海的土壤Cd以及湖北、北京、廣西和江蘇的土壤Hg污染等級(jí)屬無(wú)污染, 而四川、陜西、湖南、河南、天津、海南和福建Cd以及陜西、山西、寧夏、甘肅Hg屬中度污染, 表明這些區(qū)域農(nóng)田土壤Cd或Hg污染較重?？傮w來(lái)看, 各省、直轄市和自治區(qū)農(nóng)田土壤Cd與Hg的Igeo值較高, 而平均地累積指數(shù)也表明農(nóng)田土壤Cd和Hg的污染較重, 這與2.4節(jié)中各行政區(qū)農(nóng)田土壤重金屬的平均含量分布以及Wei等[20]的研究結(jié)果一致。

3 討論

通常土壤重金屬主要來(lái)自成土母巖, 自然成土過(guò)程中各種微量重金屬在次生層中的再分配造成了土壤重金屬富集[41], 而各行政區(qū)成土母質(zhì)的差異正是造成中國(guó)農(nóng)田土壤重金屬空間分布特征存在差異的部分原因.綜合分析表 4、表 5和圖 3發(fā)現(xiàn), 各行政區(qū)的背景值差異導(dǎo)致農(nóng)田土壤重金屬平均含量的空間分布特征與實(shí)際超出背景值倍數(shù)的分布特征存在顯著差異, 例如云南、貴州以及廣西農(nóng)田土壤重金屬含量總體偏高,尤其以Cr、Cd、Zn和As最為明顯, 而這些區(qū)域土壤背景值也同樣較高, 因此這三省農(nóng)田土壤重金屬的污染等級(jí)并不高。實(shí)際上中國(guó)西南地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，火成巖或石灰?guī)r母質(zhì)中的重金屬含量較高, 故而在自然風(fēng)化過(guò)程中土壤Cr、Cd、Zn和As等重金屬的平均含量要顯著高于風(fēng)沙母質(zhì)地區(qū)[42, 43]。另外, 由于區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也存在一定差異, 因此土壤重金屬在空間上的后期累積程度存在略微差異。

隨著城市及農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展, 土壤成為承接各種污染物的首要目標(biāo),以人為因素為主導(dǎo)的工業(yè)活動(dòng)、污水灌溉以及化肥農(nóng)藥施用等方式產(chǎn)生的重金屬直接或間接通過(guò)大氣沉降、降雨、地表徑流以及地下徑流等方式進(jìn)入土壤生態(tài)系統(tǒng), 給土壤環(huán)境造成了一定的破壞[44]。

首先,化工、機(jī)械制造、電鍍及火力發(fā)電等工業(yè)活動(dòng)會(huì)釋放大量的Cd、Cu、Zn、As和Hg等重金屬元素, 同時(shí)采礦、金屬冶煉加工會(huì)引起Cd、Pb和Hg等重金屬污染[45]。前已敘述, 如福建、廣東、海南、湖南、陜西和甘肅等地農(nóng)田土壤重金屬含量與當(dāng)?shù)乇尘爸迪啾炔钪递^高, 而這些地區(qū)多以第二產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)經(jīng)濟(jì), 頻繁的工業(yè)活動(dòng)很可能是造成這些區(qū)域土壤重金屬污染的因素之一。此外另有研究顯示中國(guó)農(nóng)田土壤Cd、Cu、Pb和Zn的年大氣輸入量分別為0.4、10.67、20和64.08 mg·m-2[46], 汽車尾氣排放、垃圾焚燒以及能源、冶金和建筑材料粉塵等因素產(chǎn)生的重金屬微粒通過(guò)特定途徑沉降到農(nóng)田土壤, 進(jìn)一步加劇土壤重金屬污染。

其次, 我國(guó)普遍存在利用工業(yè)廢水及生活污水灌溉農(nóng)田,這些污水通常含有微量Cr、Zn、Cu和Cd等重金屬元素, 長(zhǎng)期灌溉必然會(huì)造成土壤重金屬富集[47]。相關(guān)資料顯示[48],中國(guó)污水灌溉面積占全國(guó)農(nóng)田總面積的7.3%, 這些污灌區(qū)主要分布于水資源嚴(yán)重短缺的海、遼、黃、淮四大流域, 并且面積還在不斷增加, 如何趨利避害及實(shí)現(xiàn)水資源的最大化利用將成為未來(lái)防治農(nóng)田土壤重金屬污染的重大課題。

第三, 化肥農(nóng)藥的不合理施用也是造成農(nóng)田土壤污染的途徑之一,化肥農(nóng)藥中通常含有微量Cd、Zn、Cu、As和Hg等重金屬元素,即便是符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的化肥農(nóng)藥, 在長(zhǎng)期施用的過(guò)程中農(nóng)田土壤也會(huì)不斷富集重金屬。例如, 作為一個(gè)工業(yè)欠發(fā)達(dá)地區(qū), 海南省除Cr元素外其余重金屬都具有較低的土壤背景值, 但相比于其他省份海南農(nóng)田土壤污染指數(shù)偏高。據(jù)統(tǒng)計(jì)[49],海南島農(nóng)用地利用程度較高, 化肥農(nóng)藥的施用量遠(yuǎn)高于全國(guó)平均值, 而且其利用率極低,約有70%的化肥和農(nóng)藥在雨水淋溶作用下隨滲濾水向四周土壤遷移，造成土壤Cd和As大量富集。此外, 使用含Cu、Zn和As的飼料添加劑, 含Cd和Pb的地膜覆蓋物等同樣會(huì)影響土壤環(huán)境, 直接或間接威脅到土壤生物甚至人類的生命健康安全。

總體來(lái)看, 當(dāng)前中國(guó)農(nóng)田土壤重金屬空間分布的特征差異十分明顯。從平均值分布來(lái)看,南方農(nóng)田土壤重金屬含量明顯高于北方；而從農(nóng)田土壤污染等級(jí)來(lái)看, 福建、廣東、海南、浙江、湖南、陜西、甘肅、河南、重慶、山西、天津、內(nèi)蒙古以及安徽等地農(nóng)田土壤重金屬富集程度較高。綜合土壤重金屬的分布特征及污染評(píng)價(jià)結(jié)果可以確定Cd和Hg元素為農(nóng)田土壤優(yōu)先控制重金屬。然而, 由于資料限制, 本研究采用的樣本數(shù)據(jù)分布并不完全均勻, 如中國(guó)東部地區(qū)樣本點(diǎn)較密集, 而西部的青海省和內(nèi)蒙古自治區(qū)樣本數(shù)較少且分散；此外, 已發(fā)表文獻(xiàn)多傾向于在具有一定污染的區(qū)域展開(kāi)研究, 或農(nóng)業(yè)與工業(yè)園區(qū)的界限模糊以及存在土壤性質(zhì)以及氣候差異等因素, 因此最終評(píng)價(jià)結(jié)果可能會(huì)存在一些偏差。但農(nóng)田土壤重金屬污染依舊不可忽視, 針對(duì)當(dāng)前我國(guó)農(nóng)田土壤重金屬的分布特征及污染現(xiàn)狀, 人們應(yīng)采取更多切實(shí)有效的措施來(lái)防治農(nóng)田土壤污染, 如重視工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程中重金屬的泄漏問(wèn)題、取締無(wú)法處理重金屬污染的工廠、合理采用達(dá)到農(nóng)業(yè)回用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的污水灌溉、減少或避免含高重金屬化肥的使用以及提高化肥農(nóng)藥的利用率等,從各行業(yè)的角度來(lái)改變現(xiàn)狀, 推進(jìn)農(nóng)田土壤重金屬污染防治工作。

4 結(jié)論

(1)克里金插值結(jié)果表明，湖南、云南、貴州、四川、福建、廣西以及上海市農(nóng)田土壤重金屬的平均含量較高，而內(nèi)蒙古、黑龍江、青海、新疆、遼寧、吉林和寧夏的平均含量較低。其中, 上海市Cr含量最高, Pb和Hg則在福建省達(dá)到最高值, Zn和As在廣西壯族自治區(qū)含量最高, 而Cd和Cu含量最高的省份分別為重慶市和湖南省。從空間分布特征情況來(lái)看,土壤Cr、Pb、Cu、Zn和As的空間分布特征明顯, 而土壤Cd和Hg在空間分布上十分相似。

(2) 以各省、直轄市和自治區(qū)的土壤背景值為標(biāo)準(zhǔn),中國(guó)各行政區(qū)農(nóng)田土壤重金屬含量超出當(dāng)?shù)乇尘爸档谋壤謩e為36.67%(Cr)、96.67%(Cd)、80.00%(Pb)、83.33%(Cu)、90.00%(Zn)、40.00%(As)以及93.33%(Hg)。其中全國(guó)各行政區(qū)土壤Cd和Hg的平均含量與當(dāng)?shù)乇尘爸迪啾炔钪迪鄬?duì)較高, 表明全國(guó)農(nóng)田土壤Cd和Hg存在明顯富集, 而各行政區(qū)土壤Cr和As含量基本低于或略高于當(dāng)?shù)乇尘爸??？傮w而言, 除重金屬Cd外, 各行政區(qū)農(nóng)田土壤重金屬的平均含量均在中國(guó)農(nóng)業(yè)土壤污染物的最高允許濃度標(biāo)準(zhǔn)限定之內(nèi)。

(3) 土壤污染評(píng)價(jià)結(jié)果表明,中國(guó)農(nóng)田土壤7種重金屬的污染程度大小依次為：Cd>Hg>Pb>Cu>Zn>As>Cr, 其中福建、廣東、海南、浙江、湖南、陜西、甘肅、河南、重慶、山西、天津、內(nèi)蒙古以及安徽等地農(nóng)田土壤重金屬富集程度較高；各行政區(qū)農(nóng)田土壤Cd與Hg的地累積指數(shù)較高, 平均地累積指數(shù)也表明農(nóng)田土壤Cd和Hg的污染較重。