黑土區(qū)土壤重金屬空間分異規(guī)律研究

黑土區(qū)土壤重金屬空間分異規(guī)律研究

隨著城市化和工業(yè)化的發(fā)展，土壤重金屬污染越來越受到重視。自20世紀(jì)80年代以來,不同學(xué)者對全國各地區(qū)的不同類型土壤、不同土地利用方式土壤都進(jìn)行了不同規(guī)模、不同種類、不同程度的重金屬含量調(diào)查研究,但這些研究僅是對有限個數(shù)的土壤樣品的分析數(shù)據(jù)進(jìn)行傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析,其結(jié)果反映的是離散的分布狀況,不能建立區(qū)域性的連續(xù)的整體的概念,不能反映各元素含量的結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性、相關(guān)性和獨(dú)立性。由于基于半方差函數(shù)的地統(tǒng)計(jì)學(xué)能夠給出有限區(qū)域內(nèi)區(qū)域化變量的線性無偏最優(yōu)估計(jì),因而運(yùn)用克立格插值的方法對土壤中的重金屬元素進(jìn)行研究,更有助于了解研究區(qū)域內(nèi)的土壤重金屬含量狀況,充分反映土壤二維的元素分布變化,從而使土壤空間分異規(guī)律研究更加深入、細(xì)致,結(jié)果更加精確。黑土區(qū)是我國重要的商品糧基地,對于我國的糧食安全和國民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定都有著舉足輕重的作用。前人對我國尤其是黑龍江省黑土區(qū)土壤中的重金屬狀況已經(jīng)有了一定研究,但研究主要集中在黑龍江省黑土區(qū)的中部和北部,而對黑龍江省南部黑土區(qū)土壤重金屬元素狀況研究甚少,因此運(yùn)用GIS較強(qiáng)的空間數(shù)據(jù)管理和空間分析等功能,采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法,以黑龍江省南部典型黑土區(qū)雙城市為例,研究該地區(qū)土壤中重金屬元素空間變異特征,繪制出土壤重金屬元素含量的空間分布圖,進(jìn)而為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境管理和決策提供咨詢服務(wù),對發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展都有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1材料和方法1.1農(nóng)業(yè)土壤分布特點(diǎn)雙城市位于黑龍江省黑土區(qū)的南部,地處東經(jīng)125°41′～126°42′,北緯45°08′～45°43′,全境總面積為3103.8km2。該區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年平均溫度為3.5℃～4.5℃,年降水量為400mm～600mm,地勢東高西低,向西南、西北兩側(cè)傾斜,土壤的分布由高向低呈有規(guī)律的分布,即黑土、黑鈣土、草甸土、沼澤土、沙土等依次排列。其中,黑土占總土壤面積的58%左右,是該區(qū)主要的農(nóng)業(yè)土壤。黑土的成土母質(zhì)主要以第四紀(jì)沖擊沉積物黃土狀黏土為主,在河流附近低階地上也有部分沖積物母質(zhì)。1.2樣點(diǎn)布置和分析根據(jù)研究區(qū)主要土壤類型及其面積,兼顧地形、植被、土地利用類型、樣點(diǎn)空間分布和交通條件等因素,布置數(shù)目與密度在滿足地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS空間分析要求的基礎(chǔ)上,于2005年5月在研究區(qū)布置了100個樣點(diǎn)(圖1)。利用GPS記錄采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo),并詳細(xì)記錄其周圍的景觀信息、開墾利用歷史、耕作制度、施肥水平和生產(chǎn)能力等情況。分析測定土壤中主要重金屬元素全量Cu、Zn、Pb、Ni、Cd的含量,測定方法采用王水-高氯酸消化-原子吸收分光光度法。2結(jié)果與分析2.1土壤金屬元素含量的變異性對研究區(qū)100個土壤樣點(diǎn)的全量Cu、Zn、Pb、Ni、Cd含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表1)表明:研究區(qū)土壤5種重金屬元素中,除Cd外,Cu、Zn、Pb和Ni的平均數(shù)與中數(shù)相差不大。根據(jù)變異系數(shù)的大小可粗略估計(jì)變量的變異程度:變異系數(shù)小于10%為弱變異性;變異系數(shù)在10%～100%為中等變異性;變異系數(shù)大于100%為強(qiáng)變異性。變異系數(shù)以Cd(107.1%)為最大,其次是Cu(27.1%),而其他3種元素含量的變異系數(shù)均小于17.0%,表明土壤Cd和Cu的中心趨向分布可能被異常值所影響,導(dǎo)致其非正態(tài)分布。研究區(qū)土壤各重金屬元素除Cd屬強(qiáng)變異性外,其它都屬中等變異性。從偏度和峰度的值可以看出,研究區(qū)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)的偏度和峰度與0相差較大,說明Cu和Cd不符合正態(tài)分布。2.2cu導(dǎo)數(shù)轉(zhuǎn)換、cd平方根轉(zhuǎn)換的模型擬合對數(shù)據(jù)經(jīng)K-S檢驗(yàn)表明,Zn、Pb、Ni服從正態(tài)分布,Cu、Cd不服從正態(tài)分布,這與數(shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計(jì)分析(表1)中的偏度和峰度值所表現(xiàn)出的現(xiàn)象相吻合。對Cu進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換、對Cd進(jìn)行平方根轉(zhuǎn)換后,均服從正態(tài)分布。因此使用Zn、Pb、Ni的原始數(shù)據(jù),Cu對數(shù)轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)、Cd平方根轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)進(jìn)行半方差函數(shù)模型的擬合(圖2)。研究區(qū)土壤各重金屬元素含量在空間上具有明顯的差別,隨著兩點(diǎn)間的距離增大,這種差別也在增加,即在空間位置上越相近的兩點(diǎn)差異越小。土壤重金屬中Cu、Pb、Ni、Cd的理論模型很好地符合球狀模型,而Zn的理論模型很好地符合指數(shù)模型。2.2.1土壤各重金屬元素的空間分布特征從結(jié)構(gòu)性因素的角度來看,塊金值與基臺值之比C0/(C0+C)可以表明系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性程度,若比值<25%,說明系統(tǒng)具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性;若比值在25%～75%之間,表明系統(tǒng)具有中等的空間相關(guān)性;若比值>75%說明系統(tǒng)空間相關(guān)性很弱。在研究區(qū)內(nèi),土壤各重金屬元素的C0/(C0+C)在0.06%～45.02%范圍內(nèi)變化(圖2)。土壤中Zn、Ni和Cd具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性,由隨機(jī)因素引起的空間異質(zhì)性分別占總空間異質(zhì)性的18.37%、13.22%和0.06%,表明受土壤內(nèi)在屬性如母質(zhì)、母巖、土壤礦物及地形的影響較大,而受人為因素如耕作措施及施肥等的影響較小;土壤中Cu和Pb具有中等強(qiáng)度的空間相關(guān)性,由隨機(jī)因素引起的空間異質(zhì)性分別占總空間異質(zhì)性的42.58%、45.02%,表明空間異質(zhì)性由隨機(jī)因素和空間結(jié)構(gòu)共同起作用,即與土壤內(nèi)在屬性(如母質(zhì)、母巖、土壤礦物和地形)和人為因素(如耕作措施及施肥、種植制度等)均有關(guān)系。2.2.2cd與zn、ni空間變異變程給出了隨機(jī)變量在空間上的自相關(guān)性尺度,表明屬性因子空間自相關(guān)范圍的大小,它與觀測尺度以及在取樣尺度上影響土壤元素的各種生態(tài)過程相互作用有關(guān)。研究區(qū)5種土壤重金屬元素的空間自相關(guān)范圍具有明顯的差異,變程在7300m～68790m范圍內(nèi)變化,該值遠(yuǎn)大于在小面積地球化學(xué)異常區(qū)內(nèi)進(jìn)行高密度采樣獲得的土壤元素含量半變異函數(shù)的變程。其中Zn和Ni的變程相對較大(分別為68790m和41860m),而Cd的變程最小(7300m),Cd的特殊性或許只是因?yàn)檩^大的測定誤差造成的極度隨機(jī)性掩蓋了它的真實(shí)結(jié)構(gòu)特征。土壤性質(zhì)的自相關(guān)性尺度同時也反映了其影響因子的范圍,因而Cd、Pb和Cu可能主要受到相對較小尺度因子的影響,而Zn和Ni的主要影響因子的空間變異的尺度相對較大。2.3最高值空間變異總體特征為了更直觀地了解研究區(qū)土壤各重金屬元素的空間分布特征,在所得半方差函數(shù)理論模型的基礎(chǔ)上,進(jìn)行克立格插值,對研究區(qū)土壤各重金屬含量克立格插值結(jié)果進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)(表2),并得出研究區(qū)土壤各重金屬元素的空間分布圖(圖3)。克立格插值結(jié)果的平均值與實(shí)測數(shù)據(jù)(表1)的平均值相近;同時估值結(jié)果的極差變小,表明克立格插值法有使估值結(jié)果分布趨于集中的特點(diǎn);從標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)上看,估值結(jié)果比實(shí)測數(shù)據(jù)(表1)要明顯減小,表明克立格插值法對數(shù)據(jù)具有平滑作用。土壤Cu空間變異總體特征(圖3a)是:具有明顯的連續(xù)分布的特點(diǎn),呈現(xiàn)與地勢相似的趨勢,即東高西低。東部的大部分地區(qū)高于克立格插值的平均值,而西部的大部分地區(qū)低于平均值。最高值分布在雙城市區(qū)附近及雙城市東部地區(qū),這可能與人類活動以及市區(qū)西南部分布的一些工廠如化肥廠、紡織廠等造成的污染有關(guān);最低值分布在水域附近及西部地區(qū),這可能與其地勢低洼有關(guān)。土壤Zn(圖3b)總體沒有明顯的規(guī)律,表現(xiàn)出塊狀分布的特點(diǎn),東北部和東南部的兩塊成片地區(qū)的Zn值高于克立格插值的平均值,而西北部和南部的兩塊成片地區(qū)的全鋅值低于平均值。最高值分布在離哈爾濱市區(qū)較近地區(qū)和鐵路附近的兩塊地方,其附近分布的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)如紡織廠等排放的各類廢物,可能是導(dǎo)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勢低洼地區(qū)。土壤Pb(圖3c)空間變異總體特征是:具有明顯的塊狀和連續(xù)分布的特點(diǎn)呈現(xiàn)南高北低的趨勢。南部的大部分地區(qū)高于克立格插值的平均值,而北部的大部分地區(qū)低于平均值。最高值分布在雙城市區(qū)附近,這與市區(qū)周圍車輛繁華所產(chǎn)生的汽車尾氣以及周圍火葬場、建材廠、硝酸鉀廠分布有極大關(guān)系,交通揚(yáng)塵及汽車尾氣在城市周邊地區(qū)及主要交通沿線的沉降,可導(dǎo)致土壤全Pb含量增加,火葬場及各種工廠所排放的各類廢物也是導(dǎo)致土壤鉛含量較高的主要原因;最低值分布在北部及東北部的部分地區(qū),這與這些地區(qū)交通相對不繁華有關(guān)。土壤Ni(圖3d)空間變異總體特征與土壤Cu類似,具有明顯的連續(xù)分布的特點(diǎn),呈現(xiàn)與地勢相似的趨勢,即東高西低。東部的大部分地區(qū)高于克立格插值的平均值,而西部的大部分地區(qū)低于平均值。最高值分布在研究區(qū)的東北部,這可能與該地區(qū)人類活動頻繁和市區(qū)東南部分布的一些工廠如化肥廠、紡織廠等排放一些工業(yè)廢水、廢氣、廢渣造成的污染有關(guān);最低值分布在地勢低洼的水域附近的地區(qū),這可能與地勢低洼有關(guān)。土壤Cd(圖3e)空間變異沒有明顯的趨勢性特點(diǎn),呈現(xiàn)島狀分布。大部分Cd都在0.006mg/kg～0.124mg/kg范圍內(nèi),只有極少數(shù)地區(qū)出現(xiàn)高值,如西南部的地勢低洼的地區(qū)。西南部、中部、東南部也有零星高值分布,這可能與道路、火葬場、硝酸鉀廠等分布有關(guān),也有可能與部分含鎘肥料造成的污染有關(guān)。3土壤各重金屬元素的空間分布特征研究區(qū)土壤各重金屬的半方差函數(shù)模型均可用球狀模型和指數(shù)模型較好地?cái)M合。其中Zn、Ni和Cd具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性,表明這3種重金屬元素受土壤內(nèi)在屬性影響較大;Cu和Pb具有中等強(qiáng)度的空間相關(guān)