黑土区土壤重金属空间分异规律研究

黑土区土壤重金属空间分异规律研究

随着城市化和工业化的发展，土壤重金属污染越来越受到重视。自20世纪80年代以来,不同学者对全国各地区的不同类型土壤、不同土地利用方式土壤都进行了不同规模、不同种类、不同程度的重金属含量调查研究,但这些研究仅是对有限个数的土壤样品的分析数据进行传统的统计分析,其结果反映的是离散的分布状况,不能建立区域性的连续的整体的概念,不能反映各元素含量的结构性和随机性、相关性和独立性。由于基于半方差函数的地统计学能够给出有限区域内区域化变量的线性无偏最优估计,因而运用克立格插值的方法对土壤中的重金属元素进行研究,更有助于了解研究区域内的土壤重金属含量状况,充分反映土壤二维的元素分布变化,从而使土壤空间分异规律研究更加深入、细致,结果更加精确。黑土区是我国重要的商品粮基地,对于我国的粮食安全和国民经济的稳定都有着举足轻重的作用。前人对我国尤其是黑龙江省黑土区土壤中的重金属状况已经有了一定研究,但研究主要集中在黑龙江省黑土区的中部和北部,而对黑龙江省南部黑土区土壤重金属元素状况研究甚少,因此运用GIS较强的空间数据管理和空间分析等功能,采用地统计学的方法,以黑龙江省南部典型黑土区双城市为例,研究该地区土壤中重金属元素空间变异特征,绘制出土壤重金属元素含量的空间分布图,进而为农业生产、环境管理和决策提供咨询服务,对发展绿色农业及区域可持续发展都有重要的现实意义。1材料和方法1.1农业土壤分布特点双城市位于黑龙江省黑土区的南部,地处东经125°41′～126°42′,北纬45°08′～45°43′,全境总面积为3103.8km2。该区属温带大陆性季风气候,年平均温度为3.5℃～4.5℃,年降水量为400mm～600mm,地势东高西低,向西南、西北两侧倾斜,土壤的分布由高向低呈有规律的分布,即黑土、黑钙土、草甸土、沼泽土、沙土等依次排列。其中,黑土占总土壤面积的58%左右,是该区主要的农业土壤。黑土的成土母质主要以第四纪冲击沉积物黄土状黏土为主,在河流附近低阶地上也有部分冲积物母质。1.2样点布置和分析根据研究区主要土壤类型及其面积,兼顾地形、植被、土地利用类型、样点空间分布和交通条件等因素,布置数目与密度在满足地统计学和GIS空间分析要求的基础上,于2005年5月在研究区布置了100个样点(图1)。利用GPS记录采样点的经纬度坐标,并详细记录其周围的景观信息、开垦利用历史、耕作制度、施肥水平和生产能力等情况。分析测定土壤中主要重金属元素全量Cu、Zn、Pb、Ni、Cd的含量,测定方法采用王水-高氯酸消化-原子吸收分光光度法。2结果与分析2.1土壤金属元素含量的变异性对研究区100个土壤样点的全量Cu、Zn、Pb、Ni、Cd含量进行描述性统计,统计结果(表1)表明:研究区土壤5种重金属元素中,除Cd外,Cu、Zn、Pb和Ni的平均数与中数相差不大。根据变异系数的大小可粗略估计变量的变异程度:变异系数小于10%为弱变异性;变异系数在10%～100%为中等变异性;变异系数大于100%为强变异性。变异系数以Cd(107.1%)为最大,其次是Cu(27.1%),而其他3种元素含量的变异系数均小于17.0%,表明土壤Cd和Cu的中心趋向分布可能被异常值所影响,导致其非正态分布。研究区土壤各重金属元素除Cd属强变异性外,其它都属中等变异性。从偏度和峰度的值可以看出,研究区土壤Zn、Pb和Ni的偏度和峰度接近于0,而Cu(3.496和2.698)和Cd(23.867和9.656)的偏度和峰度与0相差较大,说明Cu和Cd不符合正态分布。2.2cu导数转换、cd平方根转换的模型拟合对数据经K-S检验表明,Zn、Pb、Ni服从正态分布,Cu、Cd不服从正态分布,这与数据的描述性统计分析(表1)中的偏度和峰度值所表现出的现象相吻合。对Cu进行对数转换、对Cd进行平方根转换后,均服从正态分布。因此使用Zn、Pb、Ni的原始数据,Cu对数转换后数据、Cd平方根转换后数据进行半方差函数模型的拟合(图2)。研究区土壤各重金属元素含量在空间上具有明显的差别,随着两点间的距离增大,这种差别也在增加,即在空间位置上越相近的两点差异越小。土壤重金属中Cu、Pb、Ni、Cd的理论模型很好地符合球状模型,而Zn的理论模型很好地符合指数模型。2.2.1土壤各重金属元素的空间分布特征从结构性因素的角度来看,块金值与基台值之比C0/(C0+C)可以表明系统变量的空间相关性程度,若比值<25%,说明系统具有强烈的空间相关性;若比值在25%～75%之间,表明系统具有中等的空间相关性;若比值>75%说明系统空间相关性很弱。在研究区内,土壤各重金属元素的C0/(C0+C)在0.06%～45.02%范围内变化(图2)。土壤中Zn、Ni和Cd具有强烈的空间相关性,由随机因素引起的空间异质性分别占总空间异质性的18.37%、13.22%和0.06%,表明受土壤内在属性如母质、母岩、土壤矿物及地形的影响较大,而受人为因素如耕作措施及施肥等的影响较小;土壤中Cu和Pb具有中等强度的空间相关性,由随机因素引起的空间异质性分别占总空间异质性的42.58%、45.02%,表明空间异质性由随机因素和空间结构共同起作用,即与土壤内在属性(如母质、母岩、土壤矿物和地形)和人为因素(如耕作措施及施肥、种植制度等)均有关系。2.2.2cd与zn、ni空间变异变程给出了随机变量在空间上的自相关性尺度,表明属性因子空间自相关范围的大小,它与观测尺度以及在取样尺度上影响土壤元素的各种生态过程相互作用有关。研究区5种土壤重金属元素的空间自相关范围具有明显的差异,变程在7300m～68790m范围内变化,该值远大于在小面积地球化学异常区内进行高密度采样获得的土壤元素含量半变异函数的变程。其中Zn和Ni的变程相对较大(分别为68790m和41860m),而Cd的变程最小(7300m),Cd的特殊性或许只是因为较大的测定误差造成的极度随机性掩盖了它的真实结构特征。土壤性质的自相关性尺度同时也反映了其影响因子的范围,因而Cd、Pb和Cu可能主要受到相对较小尺度因子的影响,而Zn和Ni的主要影响因子的空间变异的尺度相对较大。2.3最高值空间变异总体特征为了更直观地了解研究区土壤各重金属元素的空间分布特征,在所得半方差函数理论模型的基础上,进行克立格插值,对研究区土壤各重金属含量克立格插值结果进行描述性统计(表2),并得出研究区土壤各重金属元素的空间分布图(图3)。克立格插值结果的平均值与实测数据(表1)的平均值相近;同时估值结果的极差变小,表明克立格插值法有使估值结果分布趋于集中的特点;从标准差和变异系数上看,估值结果比实测数据(表1)要明显减小,表明克立格插值法对数据具有平滑作用。土壤Cu空间变异总体特征(图3a)是:具有明显的连续分布的特点,呈现与地势相似的趋势,即东高西低。东部的大部分地区高于克立格插值的平均值,而西部的大部分地区低于平均值。最高值分布在双城市区附近及双城市东部地区,这可能与人类活动以及市区西南部分布的一些工厂如化肥厂、纺织厂等造成的污染有关;最低值分布在水域附近及西部地区,这可能与其地势低洼有关。土壤Zn(图3b)总体没有明显的规律,表现出块状分布的特点,东北部和东南部的两块成片地区的Zn值高于克立格插值的平均值,而西北部和南部的两块成片地区的全锌值低于平均值。最高值分布在离哈尔滨市区较近地区和铁路附近的两块地方,其附近分布的乡镇企业如纺织厂等排放的各类废物,可能是导致土壤Zn含量高值形成的主要原因;最低值分布在水域附近的地势低洼地区。土壤Pb(图3c)空间变异总体特征是:具有明显的块状和连续分布的特点呈现南高北低的趋势。南部的大部分地区高于克立格插值的平均值,而北部的大部分地区低于平均值。最高值分布在双城市区附近,这与市区周围车辆繁华所产生的汽车尾气以及周围火葬场、建材厂、硝酸钾厂分布有极大关系,交通扬尘及汽车尾气在城市周边地区及主要交通沿线的沉降,可导致土壤全Pb含量增加,火葬场及各种工厂所排放的各类废物也是导致土壤铅含量较高的主要原因;最低值分布在北部及东北部的部分地区,这与这些地区交通相对不繁华有关。土壤Ni(图3d)空间变异总体特征与土壤Cu类似,具有明显的连续分布的特点,呈现与地势相似的趋势,即东高西低。东部的大部分地区高于克立格插值的平均值,而西部的大部分地区低于平均值。最高值分布在研究区的东北部,这可能与该地区人类活动频繁和市区东南部分布的一些工厂如化肥厂、纺织厂等排放一些工业废水、废气、废渣造成的污染有关;最低值分布在地势低洼的水域附近的地区,这可能与地势低洼有关。土壤Cd(图3e)空间变异没有明显的趋势性特点,呈现岛状分布。大部分Cd都在0.006mg/kg～0.124mg/kg范围内,只有极少数地区出现高值,如西南部的地势低洼的地区。西南部、中部、东南部也有零星高值分布,这可能与道路、火葬场、硝酸钾厂等分布有关,也有可能与部分含镉肥料造成的污染有关。3土壤各重金属元素的空间分布特征研究区土壤各重金属的半方差函数模型均可用球状模型和指数模型较好地拟合。其中Zn、Ni和Cd具有强烈的空间相关性,表明这3种重金属元素受土壤内在属性影响较大;Cu和Pb具有中等强度的空间相关