基于分等样地的江苏典型区农用地土壤重金属污染研究

1、第24卷 第5期 农 业 工 程 学 报 Vol.24 No.578 2008年 5月 Transactions of the CSAE May 2008基于分等样地的江苏典型区农用地土壤重金属污染研究周生路1，廖富强1,2，吴绍华1，任 奎1，张红富1，李 志1（1南京大学地理与海洋科学学院，南京 210093； 2江西师范大学地理与环境学院，南昌 330022）摘 要：在江苏农用地分等东台、六合-八卦洲、宜兴、昆山4个典型区样地进行土壤样品采集、测试分析与评价的基础上，采用GIS软件Sufer8.0，通过Kriging插值研究了农用地土壤重金属污染及其空间分布特征与规律。结果表明：1）东台

2、农用地土壤重金属污染总体处于安全水平，六合-八卦洲有一定的污染，但总体尚好，宜兴则面临更高程度的污染危险，而昆山部分已经达到轻度污染，这种分布格局与经济发展形式及水平具有很强的相关性；2）4个典型区内部农用地土壤重金属具有各自的空间分布规律及其相应的形成因素；3）通过在分等标准样地土壤样品采集、测试分析，能够较好地揭示不同类型地区农用地重金属污染状况，从而为农用地环境质量管理和农业清洁生产等提供参考。 关键词：农用地；分等样地；环境质量；重金属污染；江苏省中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2008)-5-0078-06周生路，廖富强，吴绍华，等. 基于分等样地的

3、江苏典型区农用地土壤重金属污染研究J.农业工程学报，2008，24(5)：7883Zhou Shenglu, Liao Fuqiang, Wu Shaohua, et al. Farmland soil heavy metal pollution in typical areas of Jiangsu Province based on classification sample plotsJ. Transactions of the CSAE, 2008,24(5)：7883.(in Chinese with English abstract)0 引 言土壤作为自然圈层之一，是大气、水体、生

4、物中物质迁移、滞留与沉积的重要场所，也是净化环境的过滤器。随着城市化、工业化和农业集约化的发展，土壤污染物含量越来越高1, 2。其中，重金属由于具有残留时间长、隐蔽性强、迁移性小、毒性大、化学行为和生态效应复杂等特点3，并且可能经作物吸收后进入食物链4，通过某些迁移方式进入水体、大气5，威胁人类的健康与其他动物的繁衍生息6，从而受到普遍关注。江苏是中国经济发展最快的省份之一，土壤已受到一定程度的重金属污染，目前该地区有关土壤重金属污染评价、总体状但其分布规律尤其是不同经济发展况等已有较多研究7，类型区土壤重金属污染的变化特征规律及其对比研究很少。为此，本文拟根据江苏农用地分等在东台、六合-八卦

5、洲、宜兴、昆山所设立的4个典型区样地采集的土壤样品，进行重金属含量的测试分析，对其污染状况进行评价，以进一步认识江苏农用地土壤重金属污染状况及其分布特征与规律，为农用地环境质量管理和农业清洁生产等提供参考。1 研究方法1.1 研究区概况江苏位于北纬30°4535°20，东经116°18121°57之间，全境地势平坦，季风气候明显，自然条件具有明显的过渡特征。东台市位于北纬32°3532°57，东经收稿日期：2007-06-21 修订日期：2008-04-11基金项目：国家重点基础研究发展规划项目（2002CB410810）作者简介：周

6、生路（1968），男，江西大余人，教授，博士生导师，主要从事土地资源与环境研究工作。南京 南京大学地理与海洋科学学院，210093。Email: zhousl120°07120°53之间，东濒黄海，地势平坦，全市从无到有、从小到大、从西到东，经历了漫长的泥沙沉积、海岸线向东渐进扩展、沿海滩涂开发利用过程，是一个传统农业大县（市），工业发展相对较慢。宜兴市位于江苏省南部，介于北纬31°0731°37，东经119°30120°03之间，境内乡镇企业发达、农业集约化程度较高。昆山市位于江苏东南端的太湖下游，介于北纬31°0731&

7、#176;33，东经120°48121°09之间，境内南高北低，河网密布，地势平坦，是我国目前经济增长最快、发展最好的县市之一，是典型的快速工业化地区。六合是南京的江北门户，介于北纬32°0932°27，东经118°34119°03之间，境内地势北高南低，多属宁镇扬山区，区内有扬子石化等大型的化工企业，八卦洲处于六合南部，是长江中较大的江心洲。 1.2 样地布设和采样江苏农用地分等标准样地设置时，在按照6大分等指标区结合13个省辖市行政分布，设立24个主副样地8基础上，进一步根据区域经济发展形式以及自然状况、土地开发利用方式、经济和工

8、业化发展水平等，在代表沿海滩涂开发利用类型地区的东台市、代表乡镇企业与农业集约化类型地区的宜兴市、代表快速工业化类型地区的昆山市、代表大型化学工业类型地区的六合-八卦洲，分别加密布置510个样地，形成共由29个样地组成的典型区农用地质量监测样地（图1）。其中，东台市由内陆向沿海条带状布设7个样地，五烈样地位于西部河网平原，范公、安丰、南沈灶、三仓新五、三仓临海样地位于脱盐平原，弶港样地位于东部沿海滩涂区；宜兴市布设7个样地，官林、万石、徐舍等4个样地土地利用方式为水田，洋溪样地为菜地，湖滏2个样地土地利用方式分别为竹林和茶场；昆山市布设5个样地，分别位于石牌、张浦、淀山湖、蓬朗、花桥5镇；六合

9、-八卦洲第5期 周生路等：基于分等样地的江苏典型区农用地土壤重金属污染研究 79布设10个样地，六合由南往北布设4个样地，环八卦洲布设6个样地。本文在上述样地土壤剖面样品基础上，为更好地揭示各典型区农用地土壤重金属污染的空间分布特征与规律，在宜兴、昆山和六合-八卦洲地区分别补充了13、18和23个样点采集表层土样（图1）。样地土壤剖面采样时，挖成1 m×1 m×1 m的土壤剖面，按020 cm、2040 cm和4060 cm层次，自下而上分层取样。补充样点表层土壤样品采集时，在其周围选取不同位置的5个点位按020 cm 深度采集相同数量土壤，野外充分混合后按四分法取回土样。

10、各样地样点均用GPS纪录其经纬度，并详细记录周围的环境信息。图1 江苏农用地分等样地设置及典型代表区土壤采样点分布Fig.1 Sampling plots of farmland classification in Jiangsu Province and sampling sites of soil survey in typical representative districts1.3 测试与分析方法1.3.1 土壤样品处理与测试所采集的土壤样品捏碎铺于塑料盘上自然风干，捡出石块和植物残体，并避免阳光直晒以及灰尘和酸蒸气、氨气等的污染。土样风干后用玛瑙研钵研碎，分别过20、60和100目

11、尼龙筛，装袋备用。土壤pH采用电位法，Hg和As采用还原气化原子荧光光谱法测定，Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn采用三酸（HF-HNO3-HClO4）消化法制备待测液，Cd采用石墨炉原子吸收法测定，其余采用电感耦合高频等离子体发射光谱法（即ICP法）测定9。为保证分析质量，用国家地球化学标准样进行质量控制。 1.3.2 污染评价方法土壤重金属污染采用中国绿色食品发展中心推荐的单项元素污染指数法与各元素综合污染指数法进行评价。其中，单项元素污染指数法计算公式为：Pi=CiSi；各元素综合污染指数采用内梅罗法计算，公式为：P综=戒区；1P2为轻度污染区；2P3为中度污染区；P3为重度污染区。1.

12、3.3 数据统计与图件制作方法土壤重金属本文采用SPSS11.0进行基本的统计分析。污染指数空间分布图，采用区域变量无偏最佳估算可靠性高的Kriging法进行插值，通过GIS软件Sufer8.0产生。2 结果与分析2.1 各典型代表区农用地土壤重金属污染总体状况4个典型代表区各样地土壤重金属各元素单项污染指数以及综合污染指数评价结果见表1。从表1可以看出，代表沿海滩涂开发利用类型地区的东台市，7个样地土壤Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Hg、As各元素单项与综合污染指数，均远小于0.7。该地区农用地土壤基本上没有受到重金属污染，总体处于安全水平。代表大型化学工业类型地区的六合-八卦洲，10个样地

13、中有4个样地土壤重金属综合污染指数大于0.7处于污染警戒水平，其余6个样地小于0.7处于污染安全范围，但其中4个样地的综合污染指数大于0.6，非常接近污染警戒水平。从单个元素看，Ni含量累积较为明显，8个样地Ni污染指数大于0.7达到污染警戒水平，其中4个样地大于0.9，接近轻度污染。可见，六合-八卦洲地区农用地土壤有一定的重金属污染，但总体尚好。代表乡镇企业与农业集约化类型地区的宜兴市，7个样地中5个样地综合污染指数大于0.7处于污染警戒水平，其中2个样地大P+P2iimax式中 Pi单项元素重金属污染指数，平均值；Pimax单项元素重金属污染指数最大值；Ci 土壤中待评元素含量的实测值；S

14、i 待评元素含量的国家二级评价标准（GB156181995）；P综 各元素综合污染指数。污染分区标准为：P0.7为安全区；0.7P1为警80 农业工程学报 2008年于0.9，接近轻度污染，其余2个样地虽然尚处于安全范围，但也非常接近警戒水平。单个元素上，Cu污染较为严重，7个样地中6个处于污染警戒水平，1个达到轻度污染；除洋溪样地Hg达到轻度污染外，其它重金属元素污染尚处于安全水平。可见，宜兴地区农用地已面临比前述两个典型区更高程度的重金属污染危险。代表快速工业化类型地区的昆山市，除张浦样地综合污染指数小于0.7处于安全水平外，其余4个样地均超过警戒水平，其中2个样地超过1.0达到了轻度污染

15、。单个元素方面，Hg、Ni污染突出，分别有4个和2个样地达到了轻度污染。可见，昆山地区农用地已经受到一定程度的重金属污染威胁，部分已达到轻度污染。4个典型代表区土壤重金属综合污染指数大小总体排序，昆山（0.926）宜兴（0.765）六合-八卦洲（0.664）东台（0.254）。这种空间分布格局与地区经济发展形式及水平之间，具有很强的相关性。表1 各样地土壤重金属污染评价结果Table 1 Evaluated results of heavy metal pollution of soils in sampling plots典型代表区样地 五烈 范公 安丰沿海滩涂开发利用类型区（东台）南沈灶

16、三仓新五 三仓临海 弶港 平均 八卦州-01 八卦州-02 八卦州-03 八卦州-04 八卦州-05大型化学工业类型区 （六合-八卦洲）八卦州-06 六合-玉带 六合-瓜埠 六合-雄州 六合-八百桥平均 万石1(水田) 万石2(水田) 官林(水田)乡镇企业与农业集约化类型区（宜兴）徐舍(水田) 洋溪(菜地) 湖滏(竹林) 湖滏(茶场) 平均 石牌 张浦快速工业化类型区（昆山）淀山湖 蓬朗 花桥 平均PCdPCrPCuPNiPPbPHgPAsP综0.202 0.199 0.371 0.546 0.061 0.579 0.281 0.455 0.082 0.139 0.310 0.234 0.03

17、7 0.053 0.264 0.241 0.087 0.110 0.071 0.195 0.076 0.067 0.164 0.153 0.087 0.223 0.075 0.224 0.031 0.067 0.176 0.177 0.063 0.169 0.055 0.170 0.032 0.036 0.254 0.192 0.082 0.144 0.093 0.212 0.027 0.019 0.372 0.276 0.075 0.099 0.328 0.188 0.028 0.010 0.378 0.284 0.097 0.155 0.186 0.253 0.042 0.119 0.27

18、0 0.254 0.362 0.385 0.564 0.902 0.089 0.065 0.587 0.704 0.253 0.293 0.434 0.624 0.071 0.061 0.463 0.494 0.310 0.293 0.470 0.620 0.073 0.049 0.560 0.500 0.603 0.425 0.475 0.873 0.104 0.138 0.400 0.688 0.573 0.430 0.480 0.859 0.107 0.152 0.448 0.681 0.310 0.434 0.617 0.938 0.102 0.080 0.483 0.727 0.33

19、7 0.345 0.633 0.851 0.095 0.304 0.428 0.673 0.547 0.532 0.664 0.992 0.113 0.143 0.245 0.774 0.362 0.491 0.687 0.936 0.111 0.263 0.199 0.735 0.362 0.456 0.584 0.833 0.116 0.240 0.587 0.661 0.402 0.408 0.561 0.843 0.098 0.150 0.440 0.664 0.333 0.187 0.915 0.482 0.072 0.333 0.220 0.700 0.567 0.386 0.88

20、3 0.675 0.074 0.600 0.329 0.716 0.333 0.192 0.991 0.489 0.069 0.400 0.234 0.751 1.167 0.229 0.930 0.636 0.109 0.27 0.261 0.902 0.333 0.396 1.228 0.513 0.150 1.07 0.128 0.951 0.133 0.390 0.893 0.417 0.043 0.43 0.264 0.681 0.433 0.299 0.844 0.445 0.075 0.333 0.218 0.654 0.471 0.297 0.955 0.522 0.085 0

21、.491 0.236 0.765 0.387 0.783 0.640 0.368 0.4070.446 0.412 0.309 0.256 0.2680.374 0.217 0.680 0.427 0.6261.174 0.687 1.220 0.544 0.8950.177 0.141 0.207 0.133 0.1511.280 0.830 1.200 1.510 1.1600.357 1. 001 0.344 0.681 0.427 0.983 0.565 1.135 0.257 0.9040.517 0.338 0.465 0.904 0.162 1.196 0.390 0.9262.

22、2 各典型代表区农用地土壤重金属污染空间分布4个典型代表区农用地土壤重金属含量、综合污染指数的空间分布见图2、图3。第5期 周生路等：基于分等样地的江苏典型区农用地土壤重金属污染研究81图2 东台样地土壤剖面重金属元素空间分布变化Fig.2Spatial distribution of heavy metal contents in soil profiles of Dongtai sampling plots图3 典型代表区土壤重金属综合污染指数空间分布Fig.3 Spatial distribution of aggregative index of soil heavy metal po

23、llution in typical representative districts东台市农用地土壤重金属含量由西部内陆向东部沿海条带状分布特征明显。处于西部江淮河网平原区的五烈样地土壤重金属含量，除As外，均明显高于中部脱盐平原及东部沿海滩涂的其他样地，其中处于沿海滩涂的弶港样地含量最低。东台西部江淮河网平原农用地基本为水田，农业开发历史长，土地利用强度、复种指数高，土壤有机质、粘粒含量高，对重金属元素的吸附性强，致使其土壤重金属含量相对较高。中部脱盐平原，农用地基本为旱地，农业开发历史相对较短，土地利用强度、复种指数明显低于江淮河网平原，土壤有机质较低，质82 农业工程学报 2008年地

24、以粉沙为主、黏粒含量较少；而沿海滩涂农用地则新近开辟，利用粗放，土壤重金属主要源于自然背景，外来极少。As的空间分布与其他元素有所不同，由西往东升高，这可能与As的性质随碱性增强，活动性增强有 生、累积与分布等具有影响11-13，土地利用类型与集约利用程度是引起和表征农用地土壤重金属污染的重要方面。根据昆山市土地利用及工业企业分布特点，按纺织关10。土地利用强度、农业开发历史及土壤理化性质，是导致东台市农用地土壤重金属含量上述空间变化的主要原因。六合-八卦洲农用地土壤重金属综合污染指数的高值区出现在南部和西北部。单个元素含量的空间分布变化上，Cd、Cu、Pb、Hg、As由南往北递减，Cr、Ni

25、南、北高，中部低。这种空间分布格局，一方面与该地区为中国重要的大型化工区，分布有扬子石化、南京化学集团等大型化工企业有关。南部正好位于该大型化工园区的下风向，重金属污染物随烟尘排出，顺风向迁移至该地区，致使土壤重金属含量增高。另一方面，这种空间分布格局也与该地区的地质环境背景有关。该地区的六合西北部有铁矿分布，而Ni、Cr是亲铁元素，采矿和选矿将Ni、Cr带出地表，在附近土壤富集。由此可知，六合-八卦洲地区农用地土壤重金属空间分布格局，受到大型化工企业及地质环境背景的双重影响。宜兴市农用地土壤重金属综合污染指数高值区分布在西北部。单个元素污染指数，Cd、Cu、Ni的空间分布规律大体一致，西北部

26、高于东南部，从西北往东南递减；Hg含量东北高于西南。Cd、Cu、Ni污染指数西北部较高，与该地区为中国重要的电缆生产基地，存在众多电缆生产企业有关。Hg污染指数在东北部周铁镇等地较高，与该地区分布大量的机械铸造、电镀类企业，具有较强的空间相关性。可见，工矿企业分布是宜兴市农用地土壤重金属污染空间分布的重要影响因素。昆山市农用地土壤重金属综合污染指数，由中东部平原区同时也是城市工业集中分布区，向西北洼区、西南湖荡区递减，中东部的大部分农用地土壤重金属污染达到警戒水平，只有小部分仍处于安全范围。单个元素污染指数的空间分布，Cd、As、Cr规律相似，呈北高南低，西北往东南递减；Ni污染指数呈岛状分布

27、，最高值出现在中部地区，其次是西北部和东南部地区；Cu、Hg污染指数高值区出现在中东部，其中Hg在这些地区的污染指数均都已超过1.0，处于轻度污染状态，Cu在这些地区的污染指数介于0.71.0之间，处于污染警戒水平。城市与工业园区分布、地貌分异及与之相应的成土母质，直接影响着该市农用地土壤重金属污染的空间变化。 2.3 重金属污染与土地利用、工业类型的关系从表1可以看出，宜兴不同类型农用地之间其土壤重金属污染存在较明显的差异，综合污染指数排序为：菜地水田竹林、茶场。其中，集约利用程度高，大量使用化肥、农药的菜地，其重金属污染接近轻度污染水平；集约利用程度相对较低，但生产中也普遍使用化肥、农药的

28、水田，其重金属污染基本上处于警戒水平；而施肥以有机肥为主，很少使用化肥、农药的竹林、茶场，其土壤重金属污染则处于安全水平。由此可见，土地利用作为人类生产活动的综合反映，对土壤重金属污染产印染、化工、冶金电镀、菜地、养殖等类型区统计相应采样点土壤重金属污染指数平均值，结果见表2。各类型区土壤重金属元素污染综合指数排序为：纺织印染区（1.021）化工区（1.011）冶金电镀区（0.804）菜地区（0.799）养殖区（0.643）。工业企业纺织印染区、化工区污染综合指数均大于1.0，其农用地土壤重金属污染明显，已达到轻度污染水平；电镀区和菜地区介于0.71.0之间，处于警戒水平；养殖区土壤重金属污染

29、相对较轻，处于安全范围。其中，纺织印染区Hg污染指数超过了1.0，与印染业所使用的染料中含有多种金属络合直接染料和金属络合活性染料有关14；化工区Ni的污染指数远远高于其他元素的污染指数，说明该类型区土壤的重金属污染主要由Ni造成；冶金电镀区Ni和Hg的污染指数介于0.71.0之间，处于警戒范围，电镀行业含重金属废水排放是其重金属污染的主要来源15；菜地区的Ni污染指数较高，与周围工业污染物伴随农业灌溉富集在土壤内有关；养殖区Ni的污染指数为0.797，超过警戒水平，与饲料中普遍采用含重金属元素的添加剂有关，随粪便排出体外进入土壤造成污染16。表2 昆山市不同土地利用和工业类型区土壤重金属污染

30、指数 Table 2 Soil heavy metal pollution indexes for different land usepatterns and industry type areas in Kunshan City类型区 PCdPCrPCuPNiPPbPHgPAsP综纺织印染区0.6080.4980.539 0.833 0.140 1.2560.5311.021化工区 0.7590.5240.624 1.234 0.182 0.7940.5441.011冶金电镀区0.5500.4290.590 0.852 0.119 0.9720.6200.804菜地区 0.6290.670

31、0.464 1.001 0.102 0.5330.5420.799养殖区0.4530.3760.452 0.797 0.088 0.6720.5030.643由此可见，农用地土壤重金属污染程度和元素，与土地利用类型、土地集约利用程度、工业企业类型和分布之间，存在很强的关联性。3 结论与讨论1）4个典型区农用地土壤重金属污染，东台总体处于安全水平，六合-八卦洲有一定的污染，但总体尚好，宜兴则面临更高程度的污染危险，而昆山的部分农用地已经达到轻度污染。江苏农用地土壤重金属污染的这种分布格局，与地区经济发展形式及水平之间具有很强的相关性。2）4个典型区内部农用地土壤重金属污染，具有各自的空间分布规律

32、及其相应的形成因素。其中，东台总体呈由陆向海降低分布，农业开发历史、土地利用强度及土壤理化性质变化是其主要原因；六合-八卦洲的空间分布格局，受到大型化工企业及地质环境背景的双重影响；工矿企业分布与土地集约利用，是宜兴地区农用地土壤重金属污染及其分布的重要影响因素；而城市与工第5期 周生路等：基于分等样地的江苏典型区农用地土壤重金属污染研究 83业发展、地貌分异则是影响昆山农用地土壤重金属污染及空间变化的主要因素。3）农用地土壤重金属污染程度和元素，与土地利用类型、土地集约利用程度、工业企业类型及分布之间，存在很强的关联性。4）通过在分等标准样地土壤样品采集、测试分析，能够较好地揭示不同类型地区

33、农用地土壤重金属污染状况，从而为农用地环境质量管理和农业清洁生产等提供参考。但是由于分等标准样地主要根据农用地资源质量最优等原则进行布设，其空间覆盖类型与范围有限，在分析研究农用地环境质量空间分布及其特征和规律时，仍需进一步补充设置样点采集样品，并进行相应的测试分析。1 23 45metalsJ. Nature (London)，1988，333：134139 6 Qian S X, Wang Z, Tu Q. Distribution and plant availabilityof heavy metals in different particle-size fractions of s

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39、ng1,2, Wu Shaohua1, Ren Kui1, Zhang Hongfu1, Li Zhi1(1. School of Geographic and Oceanographic Sciences, Nanjing University, Nanjing 210093, China; 2. College of Geography and Environment, Jiangxi Nomal Universit, Nanchang 330022, China)Abstract: On the basis of collecting, testing, analyzing and evaluat