松嫩平原北部土壤砷水平分異特征分析1)

張慧付強(qiáng)林佳

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150030)

砷(As)是一種在自然界中廣泛存在的具有較強(qiáng)毒性、致畸和致癌作用的類金屬元素，其性質(zhì)無(wú)色無(wú)味、易溶于水，易于對(duì)生態(tài)環(huán)境和生物健康產(chǎn)生危害［1-2］。土壤砷通過(guò)影響作物的生長(zhǎng)從而影響農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量［3］，并且通過(guò)富集在動(dòng)植物體內(nèi)進(jìn)入食物鏈，從而影響糧食質(zhì)量［4］。松嫩平原是我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地，掌握其土壤砷元素梯度變化及其影響因素，對(duì)區(qū)域生態(tài)安全和人類健康有重要意義，對(duì)我國(guó)糧食安全和社會(huì)穩(wěn)定有著深遠(yuǎn)影響。國(guó)內(nèi)外對(duì)于土壤砷的研究主要包括:土壤砷分布特征［5-7］，不同土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)植物、動(dòng)物和人體砷元素富集的影響［8-10］，人類活動(dòng)對(duì)土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的影響［11-13］。人類活動(dòng)對(duì)土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響的分析多在中小尺度上進(jìn)行，以表層土壤砷為研究對(duì)象，著重分析不同的人類活動(dòng)對(duì)土壤砷富集的差異影響，研究方法主要是將不同人類活動(dòng)影響下的土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)直接進(jìn)行對(duì)比分析，忽視了由成土母質(zhì)和地形要素等自然影響因素造成的表層土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異。本研究在較大尺度上分析表層土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的梯度變化，并以深層土壤砷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為依據(jù)對(duì)表層土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化量進(jìn)行影響因素分析，較為充分地兼顧了自然和人為影響因素對(duì)土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的影響。

1 研究區(qū)概況

松嫩平原位于黑龍江省西南部和吉林省西北部，是由松花江和嫩江沖積而成的平原，與烏克蘭大草原和美國(guó)密西西比河流域黑土帶并稱世界三大黑土帶之一。松嫩平原地處中溫帶，夏季溫?zé)岫嘤?，冬季寒冷漫長(zhǎng)。土地遼闊，土壤肥沃，耕種歷史悠久。本研究區(qū)為松嫩平原北部，總面積為8.15萬(wàn)km2的黑龍江省內(nèi)部分，在哈爾濱、大慶、齊齊哈爾、綏化管轄范圍內(nèi)，共涉及28個(gè)市縣。土壤類型以黑土、黑鈣土和草甸土為主。地勢(shì)總體上呈現(xiàn)出西北高、東南低的趨勢(shì)，區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，僅在山脈與平原相接處發(fā)育有丘陵、漫崗。根據(jù)松嫩平原的氣候、地形、地質(zhì)地貌等特征，將松嫩平原北部劃分為2個(gè)亞區(qū)，即松嫩高平原區(qū)和松嫩低平原區(qū)，如圖1所示。

圖1 研究區(qū)示意圖

2 研究方法

2.1 土壤樣品的采集與分析

分別采集表層土壤(0～20 cm)和深層土壤(1 m)樣本。表層土壤的砷元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)作物的產(chǎn)量、質(zhì)量及人類健康影響較大，而且對(duì)人為干擾較為敏感［14-15］;深層土壤受人為干擾影響較小，它的主要成分受成土母質(zhì)和自然成土因素影響較大。土壤樣本采集時(shí)間為2005—2007年，用4 km2的標(biāo)準(zhǔn)格網(wǎng)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行區(qū)域劃分，采樣點(diǎn)位于格網(wǎng)中心。表層土壤樣本按每4 km21個(gè)點(diǎn)的密度進(jìn)行采集，共獲得表層土壤樣品20 701個(gè)。深層土壤樣本按每16 km21個(gè)點(diǎn)的密度進(jìn)行布點(diǎn)，即4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)格網(wǎng)為一個(gè)采樣單元，共獲得深層土壤樣品5301個(gè)，布點(diǎn)圖見(jiàn)圖2。采用原子熒光法對(duì)土壤中砷元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)定［16-17］，檢出限為 1 μg/g。

圖2 深層土壤、表層土壤樣本采集布點(diǎn)圖

2.2 研究區(qū)土壤砷分布梯度變化規(guī)律的模擬和分析

采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的空間異質(zhì)性分析對(duì)表層土壤砷和深層土壤砷的空間變異特征進(jìn)行分析?？臻g異質(zhì)性是產(chǎn)生空間格局的主要原因，主要通過(guò)空間格局的強(qiáng)度、尺度及空間結(jié)構(gòu)來(lái)反映［18-20］。參數(shù)主要包括塊金值、結(jié)構(gòu)方差、基臺(tái)值、塊金系數(shù)和變程等。塊金值(Co)代表了隨機(jī)因素造成的異質(zhì)性;結(jié)構(gòu)方差(C)代表由結(jié)構(gòu)性因素引起的變異;基臺(tái)值(Co+C)表示系統(tǒng)內(nèi)總的變異;塊金系數(shù)(Co/(Co+C))是反映區(qū)域化變量空間異質(zhì)性程度的重要指標(biāo)，塊金系數(shù)高說(shuō)明由隨機(jī)因素引起的空間變異性程度較大，相反則由結(jié)構(gòu)性因素引起的空間變異性程度較大。

利用ArcGIS軟件對(duì)表層土壤砷和深層土壤砷進(jìn)行普通克里金插值分析，模擬表層土壤砷和深層土壤砷的空間分布特征。克里金法是以半方差函數(shù)為理論基礎(chǔ)，對(duì)區(qū)域化變量進(jìn)行無(wú)偏估值的一種方法［23］。為保證克里金插值結(jié)果的精度，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布驗(yàn)證。以往研究表明，土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后符合正態(tài)分布［24］。因此在對(duì)表層土壤和深層土壤砷元素進(jìn)行了對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換并通過(guò)了正態(tài)分布檢驗(yàn)后，利用普通克里金插值對(duì)表層土壤和深層土壤砷的水平分異規(guī)律進(jìn)行模擬，得到表層土壤和深層土壤砷的水平空間分布圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)特征

表層土壤中砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值為41.0 mg/kg，最小值為 1.4 mg/kg，幾何平均值為 8.68 mg/kg，在自然中砷的背景值(5～10 mg/kg)范圍內(nèi)［9-10］，低于中國(guó)第1次土壤普查數(shù)據(jù)中幾何平均值9.2 mg/kg。根據(jù)《中國(guó)環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)表層土壤砷元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)，研究區(qū)內(nèi)98.7%的區(qū)域?qū)儆谝患?jí)區(qū)，在中國(guó)屬于砷元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低、較為清潔健康的區(qū)域。深層土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值為170.5 mg/kg，最小值為 1.0 mg/kg，幾何平均值為 9.33 mg/kg，與自然中砷的背景值水平相當(dāng)(5～10 mg/kg)，略高于中國(guó)第1次土壤普查數(shù)據(jù)中幾何平均值9.2 mg/kg。深層土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于表層土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)，土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化幅度也相對(duì)較大。有研究表明砷在土壤中的垂直遷移能力較差，水體中的砷多被吸附在表層土壤中［24］，因此深層土壤中砷的主要來(lái)源為成土母質(zhì)，而不是由于淋溶造成的表層土壤砷富集于深層土壤中(表1)。

3.2 土壤砷空間格局強(qiáng)度

表層土壤砷的塊金值、結(jié)構(gòu)方差和基臺(tái)值都明顯小于深層土壤砷的相關(guān)指標(biāo)，在水平空間上表層土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化幅度要小于深層土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化幅度。表層土壤砷的塊金系數(shù)在25%～50%(表2)，說(shuō)明表層土壤砷的分布具有中等空間自相關(guān)性;深層土壤砷的＜25%，說(shuō)明具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，具有非常明顯的空間結(jié)構(gòu)性。表層土壤砷和深層土壤砷的變程也有較明顯的差異，表層土壤砷的變程為168 km，深層土壤砷的變程為705 km，深層土壤砷在水平方向上的差異影響范圍遠(yuǎn)大于表層土壤砷的差異影響范圍。以上因素對(duì)于土壤砷的分布格局的影響表現(xiàn)為，在研究區(qū)內(nèi)表層土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化幅度較小，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖(圖3)中圖斑面積較小，而且圖形較為破碎，深層土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化幅度較大，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖(圖4)中圖斑面積較大，圖形相對(duì)完整。由此可見(jiàn)，深層土壤砷的空間格局強(qiáng)度較大，表層土壤砷的空間格局強(qiáng)度相對(duì)較小。

3.3 土壤砷空間格局

經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，表層土壤砷和深層土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本服從正態(tài)分布(圖3、圖4)。在研究區(qū)內(nèi)土壤砷元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)水平梯度變化，水平空間分布格局也較為相似，質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低區(qū)域主要集中在松花江、嫩江主干流和齊齊哈爾、大慶湖泊密集區(qū)，土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出向研究區(qū)北部、東部逐漸增大的趨勢(shì)。

表1 表層土壤、深層土壤砷元素質(zhì)量分?jǐn)?shù) mg·kg-1

表2 松嫩平原北部表層土壤和深層土壤砷空間自相關(guān)特征

圖3 表層土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)空間分布圖

圖4 深層土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)空間分布圖

3 結(jié)論

依據(jù)中國(guó)環(huán)境質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，松嫩平原北部98.7%的面積表層土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)屬于一級(jí)區(qū)，是土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低、較為清潔健康的區(qū)域。深層土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于表層土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并且深層土壤砷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異較大，結(jié)構(gòu)性因素造成的空間變異非常明顯，其水平空間分異格局強(qiáng)度較大;表層土壤砷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異相對(duì)較小，結(jié)構(gòu)性因素引起的空間變異較為明顯，隨機(jī)性因素對(duì)其空間變異結(jié)構(gòu)造成一定干擾，其水平空間分異格局強(qiáng)度相對(duì)較小。表層土壤砷和深層土壤砷的水平空間分布格局較為相似，均呈現(xiàn)出土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)由松花江、嫩江主干流和齊齊哈爾、大慶湖泊、濕地密集區(qū)向周圍逐漸增加的趨勢(shì)，松嫩高平原區(qū)土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于松嫩低平原區(qū)土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

成土母質(zhì)中砷元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)及砷元素的水平遷移是研究區(qū)內(nèi)土壤砷水平空間格局的主要影響因素。水體為土壤砷水平遷移的主要載體。人類活動(dòng)對(duì)土壤砷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和空間格局強(qiáng)度都有較為明顯的影響。主要表現(xiàn)為，人類活動(dòng)加速了土壤砷的流失，導(dǎo)致了土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低。人類活動(dòng)對(duì)土壤砷的水平遷移的范圍造成了影響，縮短了土壤砷的遷移距離。因此，人類活動(dòng)在一定程度上降低了研究區(qū)內(nèi)土壤砷的空間格局強(qiáng)度。

［1］Jones F T.A broad view of arsenic［J］.Poultry Science，2007，86:2-14.

［2］Kaiser J.Toxicologists shed new light on old poisons［J］.Science，1998，279:1850-1851.

［3］李宇.湘江武水河沿岸稻田的砷毒危害調(diào)查及對(duì)策［J］.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2006，22(1):85-87.

［4］Mandal B K，Suzuki K T.Arsenic round the world:a review［J］.Talanta，2002，58:201-235.

［5］Papastergios G，F(xiàn)ernandez-Turiel J L，eorgakopoulos A，et al.Arsenic background concentrations in surface soils of Kavala raea，northern Greece［J］.Water Air Soil Pollut，2010，209:323-331.

［6］Nimick D A.Arsenic hydrogeochemistry in an irrigated river valley-a reevaluation［J］.Ground Water，1998，36(5):743-753.

［7］師榮光，趙玉杰，周啟星，等.蘇北優(yōu)勢(shì)農(nóng)業(yè)區(qū)土壤砷含量空間變異性研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24(1):80-84.

［8］Khan M A，Islam M R，Panaullah G M，et al.Accumulation of arsenic in soil and rice under wetland condition in Bangladesh［J］.Plant and Soil，2010，333(1/2):263-274.

［9］劉文菊，朱永官，胡瑩，等.來(lái)源于土壤和灌溉水的砷在水稻根表及其體內(nèi)的富集特征［J］.環(huán)境科學(xué)，2008，29(4):862-868.

［10］王玲梅，韋朝陽(yáng)，楊林生，等.兩個(gè)品種水稻對(duì)砷的吸收富集與轉(zhuǎn)化特征及其健康風(fēng)險(xiǎn)［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30(4):832-840.

［11］陳同斌，鄭袁明，陳煌，等.北京市不同土地利用類型的土壤砷含量特征［J］.地理研究，2005，24(2):229-235.

［12］Chirenje T，Ma L Q，Szulczewski M，et al.Arsenic distribution in Florida urban soils:comparison between Gainesville and Miami［J］.Journal of Environmental Quality，2003，32:109-119.

［13］Gunes A，Pilbeam D，Inal A.Effect of arsenic-phosphorus interaction on arsenic-induced oxidative stress in chickpea plants［J］.Plant and Soil，2009，314(1/2):211-220.

［14］Reimann C，F(xiàn)ilzmoser P，Garrett R G.Background and threshold:critical comparison of methods of determination［J］.The Science of the Total Environment，2005，346(1/3):1-16.

［15］Lubin J H，Beane Freeman L E，Cantor K P.Inorganic arsenic in drinking water:an evolving public health concern［J］.J Natl Cancer Inst，2007，99(12):906-907.

［16］朱志良，秦琴.痕量砷的形態(tài)分析方法研究進(jìn)展［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2008，28(5):1176-1180.

［17］王碧，王坤余，舒子斌，等.砷的形態(tài)和痕量分析研究新進(jìn)展［J］.理化檢驗(yàn):化學(xué)分冊(cè)，2002，38(12):639-643.

［18］Cliff A D，Ord J K.Spatial processes:models and applaications［M］.London:Pion，1981.

［19］Martin D.An aeeseement of surface and zonalm odels of population［J］.International Journal of Geographic Information Systems，1996，10(8):973-989.

［20］霍霄妮，李紅，孫丹峰，等.北京耕作土壤重金屬含量的空間自相關(guān)分析［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29(6):1339-1344.

［21］李亮亮，依艷麗，凌國(guó)鑫，等.地統(tǒng)計(jì)學(xué)在土壤空間變異研究中的應(yīng)用［J］.土壤通報(bào)，2005(2):265-268.

［22］Bowen H J M，Ure A M，Berrow M L.The elemental constituents of soils［M］.London:Environmental Chemistry，1982.