張家港市農(nóng)業(yè)景觀格局變化及其對(duì)土壤—水稻系統(tǒng)重金屬遷移的影響

摘要：為評(píng)價(jià)張家港土壤—水稻系統(tǒng)重金屬的分布現(xiàn)狀，對(duì)其農(nóng)業(yè)景觀格局變化及土壤—水稻系統(tǒng)中重金屬空間遷移特征展開(kāi)研究。利用衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)結(jié)合PLAND、PD、LPI、ED等景觀指數(shù)，重點(diǎn)對(duì)該市農(nóng)業(yè)用地景觀指數(shù)做進(jìn)一步研究；對(duì)城區(qū)外農(nóng)田進(jìn)行隨機(jī)抽樣，分析土壤和水稻中重金屬的空間分布特征。研究表明，張家港市農(nóng)業(yè)用地整體性良好，但抗干擾能力較弱；農(nóng)業(yè)用地土壤質(zhì)量良好，能夠保障糧食質(zhì)量安全。

關(guān)鍵詞：土壤—水稻系統(tǒng)；重金屬空間遷移；農(nóng)用地景觀指數(shù)；糧食質(zhì)量安全

中圖分類號(hào)： X53；X825 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2013.04.016

Effect of Agricultural Landscape Pattern Change on the Migration of Heavy Metals in Soil-rice System in Zhangjiagang City

HU Xiao-xiao1，LI Jian-long1， GANG Cheng-cheng1， CHEN Yi-zhao1，PAN Bin2，HE Zheng-yue2

（1. College of Life Science， Nanjing University， Nanjing， Jiangsu 210093， China；2. Agricultural Service Center of Fenghuang Town Zhangjiagang City， Zhangjiagang， Jiangsu 215613， China）

Abstract： The agricultural landscape pattern and the heavy metals spatial migration in soil and grain were researched for evaluating heavy metal distribution of soil-rice system in Zhangjiagang. Landscape index of agricultural land was also furtherly studied by combining satellite remote sensing image and the index of PLAND、PD、LPI and ED. Meanwhile， random sampling was used to analyse the heavy metal distribution of soil-rice system in Zhangjiagang. The results showed that the integrity of agricultural land in Zhangjiagang was well， but the anti-interference ability was weak. In general， soil in agricultural land was good for grain quality security.

Key words： soil-rice system； heavy metal spatial migration； landscape index of agricultural land； grain quality security

伴隨著高分辨率衛(wèi)星遙感技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展，景觀生態(tài)學(xué)將生物學(xué)與地理學(xué)相結(jié)合，以景觀指數(shù)作為定量分析指標(biāo)[1]，已經(jīng)被廣泛地運(yùn)用到城市景觀格局演化及城市化進(jìn)程的生態(tài)效應(yīng)研究中[2-3]。通過(guò)分析由多年遙感影像解譯得到的景觀指數(shù)數(shù)據(jù)，可以明顯地反映出土地景觀類型種類的變化[4-5]。農(nóng)業(yè)用地作為一種重要景觀類型，有著非常重要的生態(tài)服務(wù)功能。合理的農(nóng)業(yè)用地景觀格局分布，對(duì)于從面上減少城市地區(qū)的農(nóng)業(yè)污染具有重要作用[6]。農(nóng)業(yè)景觀具有容易受人類活動(dòng)干擾的特點(diǎn)，人類活動(dòng)的變化常常是農(nóng)業(yè)景觀波動(dòng)的主要因素[7-8]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)用地的數(shù)量持續(xù)下降，在城市中的空間格局分布情況也隨之發(fā)生相應(yīng)變化[9]。作為一個(gè)生態(tài)城市，張家港市的城市規(guī)模、城鎮(zhèn)、建設(shè)用地正伴隨著城市化進(jìn)程而快速擴(kuò)張，與此同時(shí)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所必須的土地面積則日趨縮小[10]。農(nóng)業(yè)景觀格局的研究，重點(diǎn)關(guān)注景觀指標(biāo)對(duì)農(nóng)業(yè)景觀標(biāo)度的合理程度及其時(shí)空變化特點(diǎn)，為農(nóng)業(yè)生態(tài)規(guī)劃和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)[11-12]。有學(xué)者采用GIS分析技術(shù)對(duì)土壤重金屬濃度進(jìn)行分析研究，這可以從時(shí)間和空間分布的角度反映土壤的污染狀況[13-14]。鑒于不同地區(qū)的土壤環(huán)境、氣候、作物品種及周邊環(huán)境的差異，還需將土壤、作物作為一個(gè)整體，通過(guò)多期試驗(yàn)，掌控和探索研究區(qū)的重金屬沿土壤—作物系統(tǒng)的積累、轉(zhuǎn)移特點(diǎn)[15-16]。學(xué)術(shù)界對(duì)張家港市農(nóng)業(yè)景觀格局現(xiàn)狀、農(nóng)區(qū)農(nóng)業(yè)重金屬的污染情況，及重金屬沿土壤—作物系統(tǒng)的積累、轉(zhuǎn)移規(guī)律的研究程度尚不夠深入，基于土壤—作物系統(tǒng)的重金屬污染及糧食安全研究尚有待繼續(xù)開(kāi)展。土壤—水稻系統(tǒng)中的重金屬污染具有延遲性、隱蔽性、累積性、不可逆轉(zhuǎn)等特點(diǎn)，土壤污染發(fā)生后，即便控制住污染源也很難在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)，治理難度大、周期長(zhǎng)[17]，研究土壤—水稻系統(tǒng)的重金屬空間分布特點(diǎn)具有重要意義。本研究以土壤—水稻系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用GIS手段對(duì)張家港市重金屬的空間分布進(jìn)行分析，并探索研究重金屬的污染趨勢(shì)及其對(duì)糧食質(zhì)量安全的影響。

本研究參考覆蓋張家港全市的TM遙感影像，解譯得到土地利用分類圖，并在GIS相關(guān)分析軟件的支持下，對(duì)土地利用分類圖進(jìn)行景觀格局分析，以揭示張家港市各類型特別是農(nóng)業(yè)用地類型空間格局變化的特征與細(xì)節(jié)，并探討其變化的趨勢(shì)與規(guī)律，為進(jìn)一步對(duì)城市化壓力下的農(nóng)業(yè)土地格局規(guī)劃與優(yōu)化，提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1采樣時(shí)間與地點(diǎn)

在2010年12月、2011年10月分別在張家港市采樣2次。前次采樣共設(shè)20個(gè)采樣點(diǎn)，主要采集土壤樣品；后次采樣共設(shè)15個(gè)采樣點(diǎn)，采集土壤及水稻籽粒樣品。

1.2采樣方法與樣品分析

在每個(gè)采樣點(diǎn)先記錄坐標(biāo)，在該處取樣并分別向4個(gè)不同的方向輻射50 m采樣，并混合制成1 kg左右該樣點(diǎn)點(diǎn)樣。采集的土壤樣品為0～20 cm的表層土壤。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室處理風(fēng)干后，過(guò)0.15 mm尼龍網(wǎng)篩并最終稱量約200 g土壤粉末，密封保存作為待測(cè)樣品。2011年采集的水稻籽粒樣品也依照上述野外采樣流程獲取，并經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干、脫殼后粉碎、烘干保存?zhèn)溆谩?/p>

樣品均送南京大學(xué)現(xiàn)代分析中心，利用等離子體原子發(fā)射光譜儀、電感耦合等離子直讀光譜儀（ICP）等儀器，采用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)量樣品的重金屬含量。2010年測(cè)量的重金屬元素為Hg、As、Pb、Cu；2011年測(cè)量的重金屬元素為Cr、Cu、Pb、Zn。

1.3研究方法

1.3.1TM影像與分類選用包含張家港市全域的2010年的TM衛(wèi)星影像，并結(jié)合GIS軟件經(jīng)過(guò)訓(xùn)練工作區(qū)、幾何精校正、典型地物反射波譜分析、圖像特征概貌分析、統(tǒng)計(jì)特征分析、重點(diǎn)子區(qū)處理、圖像增強(qiáng)處理與分類（包括非監(jiān)督分類和監(jiān)督分類）、區(qū)域處理、復(fù)合處理等步驟，得到了土地利用分類圖。圖像按研究需要?jiǎng)澐譃檗r(nóng)業(yè)用地、園林用地、建筑用地、道路用地、水域、裸地和其它用地7類，如圖1。

1.3.2景觀指數(shù)的選擇本研究所選用的景觀指數(shù)及其含義如表1所示。

1.3.3反距離權(quán)重插值為了便于比較土壤及水稻籽粒重金屬含量的空間分布及綜合污染狀況，在ArcGIS10環(huán)境下采用反距離權(quán)重插值方法進(jìn)行空間插值。

1.3.4內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)法內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)法突出了高濃度污染物的作用，可以用來(lái)反映多種污染物的綜合污染情況，其計(jì)算公式為：PN=[（P 2max+P 2avg）/2]1/2。式中：PN為綜合污染指數(shù)；Pmax為各單項(xiàng)污染指數(shù)的最大值；Pavg為各單項(xiàng)污染指數(shù)的平均值。參照土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2。

1.3.5數(shù)據(jù)處理與作圖采用Fragstats3.3軟件計(jì)算景觀指數(shù)；采用ArcGIS10對(duì)土壤—水稻生態(tài)系統(tǒng)的重金屬含量的分布情況，以及各樣點(diǎn)土壤和水稻籽粒綜合污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行空間插值并進(jìn)行作圖。

2結(jié)果與分析

2.12010年農(nóng)業(yè)用地在張家港市景觀格局空間分布現(xiàn)狀

對(duì)2010年的張家港市土地利用現(xiàn)狀圖的分析，反映出張家港市農(nóng)用地在當(dāng)前景觀空間分布的現(xiàn)狀（圖2）。

2.1.1斑塊所占景觀面積比例（PLAND）在所劃分的七大類別中，農(nóng)業(yè)用地占比23.172%，園林用地占比3.490 7%，兩者合占比26.662 7%，構(gòu)成了張家港市主要的綠色斑塊。建筑用地占比已經(jīng)超過(guò)了農(nóng)業(yè)用地和園林用地的總和。

2.1.2斑塊密度（PD）與其它用地類型相比，農(nóng)業(yè)用地的斑塊密度值較低，說(shuō)明農(nóng)業(yè)用地的破碎度較低，更加容易受到外界環(huán)境變化的影響，抗干擾能力相對(duì)較弱。

2.1.3最大斑塊占景觀面積比例（LPI）農(nóng)業(yè)用地的最大斑塊占景觀面積比例值相對(duì)較低，僅0.16，這可能是因?yàn)檗r(nóng)田被農(nóng)用道路分割的結(jié)果。

2.1.4邊緣密度（ED）農(nóng)業(yè)用地的邊緣密度值達(dá)到了89.9，說(shuō)明農(nóng)業(yè)用地的邊緣破碎程度較高，農(nóng)業(yè)用地呈較為零碎的分布。

2.1.5斑塊凝聚度（CONTAGION）農(nóng)業(yè)用地的斑塊凝聚度值高達(dá)95.7，目前農(nóng)業(yè)用地的空間連通性程度較高。建筑用地的斑塊凝聚度值比農(nóng)業(yè)用地的值略高，說(shuō)明建筑用地的空間連通度性程度較高，也處于較高水平。

城市建設(shè)資金的投入、人口壓力和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)化調(diào)整等外在驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)著土地利用類型的轉(zhuǎn)化。隨著城市化的擴(kuò)張以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，農(nóng)業(yè)用地特別是靠近道路、接近城鎮(zhèn)的部分容易向經(jīng)濟(jì)價(jià)值更高的城市類用地轉(zhuǎn)化。而這些損失的農(nóng)業(yè)用地往往是比較肥沃、質(zhì)量較高的土地，城市化對(duì)農(nóng)業(yè)用地的影響不僅僅表現(xiàn)在數(shù)量上的損失，也表現(xiàn)在質(zhì)量上的降低。從景觀分析的結(jié)果來(lái)看，張家港市農(nóng)業(yè)用地的邊緣破碎程度較高，隨著城市類用地的擴(kuò)張，極易受人類活動(dòng)影響的農(nóng)業(yè)用地的生態(tài)服務(wù)功能也有逐漸衰弱的可能。

2.2土壤—水稻系統(tǒng)重金屬的時(shí)空分布與比較

城市化對(duì)農(nóng)業(yè)用地的影響不僅表現(xiàn)在景觀類型向城市類用地轉(zhuǎn)化上，也表現(xiàn)在因?yàn)楣I(yè)滲透導(dǎo)致的工業(yè)區(qū)與農(nóng)業(yè)區(qū)接近甚至混雜的局面。這一現(xiàn)象不可避免地將重金屬引入農(nóng)業(yè)用地及土壤—作物系統(tǒng)。

從2010年、2011年的農(nóng)地土壤Cu、Pb的反距離權(quán)重插值結(jié)果（圖3）來(lái)看，2011年土壤的Cu、Pb含量較2010年全面上升。從全局上看，近兩年內(nèi)Cu在研究區(qū)南部地區(qū)、Pb在南部和東部地區(qū)的土壤中含量較低。但僅有這2年的空間插值結(jié)果尚未明顯反映出研究區(qū)Cu、Pb在土壤中的空間演變規(guī)律。

比較土壤與水稻籽粒中的Cr、Cu與Zn的插值結(jié)果（圖4）來(lái)看，Cr并未表現(xiàn)出空間分布上的相似性。土壤中較高濃度的Cr在研究區(qū)內(nèi)呈分散分布，而在水稻籽粒中Cr僅在北部地區(qū)有明顯集中。Cu在空間分布上表現(xiàn)出一定的相似性，土壤和水稻籽粒中都表現(xiàn)為西部、東部濃度較高。在研究區(qū)西部，土壤和水稻籽粒中的Zn濃度較低；土壤中的Zn濃度中部地區(qū)比東部地區(qū)總體略高，且高濃度區(qū)分布分散；水稻籽粒中的Zn濃度東部地區(qū)比中部地區(qū)總體略高，且在中部偏東南區(qū)域有一個(gè)相對(duì)高濃度區(qū)的集中。

比較Cr、Zn兩種元素在土壤和水稻籽粒的空間插值結(jié)果（圖4）發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是在土壤還是在水稻籽粒中，Cr與Zn的空間分布情況都十分相似，高濃度區(qū)的位置也比較接近。另外，無(wú)論是在土壤還是在水稻籽粒中，對(duì)各種重金屬元素的插值結(jié)果都反映出研究區(qū)南部地區(qū)的濃度普遍較其他地區(qū)要低。

2.3張家港市農(nóng)地土壤與水稻籽粒綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)分析

2011年土壤與水稻籽粒的綜合污染指數(shù)的空間插值結(jié)果（圖5），直觀地反映出研究區(qū)的土壤和糧食污染的分布現(xiàn)狀。其中，土壤沒(méi)有顯著綜合污染指數(shù)高值聚集區(qū)域，而水稻籽粒除在中東部地區(qū)綜合污染指數(shù)的插值結(jié)果略高外，其它地區(qū)的結(jié)果值也較低。從全局上來(lái)看，研究區(qū)農(nóng)地土壤及糧食安全狀況比較理想。由于重金屬污染物的不可降解性，重金屬一旦造成污染將會(huì)造成持續(xù)性的影響。雖然當(dāng)前重金屬尚未在研究區(qū)構(gòu)成污染，但對(duì)于空間上局部化工、鋼鐵等污染企業(yè)集中的區(qū)域仍需密切監(jiān)測(cè)，以防止這些區(qū)域形成重金屬的積累，進(jìn)而造成污染，危害農(nóng)地土壤以及糧食作物的質(zhì)量安全。

3結(jié)論與討論

城市化過(guò)程中城鎮(zhèn)建設(shè)用地的擴(kuò)張使得農(nóng)業(yè)用地逐年下降。到2010年，農(nóng)業(yè)用地占比為23.172%，低于建筑用地的28.28%；農(nóng)業(yè)用地的斑塊密度僅為6.04%，破碎度較低，處于較易受到干擾的狀態(tài)。

2010年采樣點(diǎn)土壤中，Cu的濃度范圍為12.5～22.9 mg·kg-1，Pb的濃度范圍為11.8～17.8 mg·kg-1；2011年采樣點(diǎn)土壤中的Cu的濃度范圍為13.8～35.6 mg·kg-1，Pb的濃度范圍為14.1～42.8 mg·kg-1。從時(shí)間上看，Cu、Pb元素在土壤中的含量范圍有向上浮動(dòng)的傾向。Cu在土壤和水稻籽粒中的插值結(jié)果在空間上表現(xiàn)出一定的相似性，Cr、Zn兩種元素在土壤和水稻籽粒中的空間分布都十分相似，這兩種元素可能有共同的途徑進(jìn)入土壤環(huán)境中。研究區(qū)南部地區(qū)各類重金屬的含量普遍較其它地區(qū)要低，該區(qū)域的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果也最理想。

研究區(qū)土壤和糧食安全綜合評(píng)價(jià)結(jié)果理想，土壤環(huán)境良好，糧食質(zhì)量安全可以得到保障。張家港市作為一個(gè)處于快速城市化時(shí)期的中小城市，人們對(duì)于糧食產(chǎn)品要求的不斷提升，水稻生產(chǎn)應(yīng)逐漸開(kāi)始從數(shù)量型向質(zhì)量型轉(zhuǎn)化。鑒于近年來(lái)張家港市工業(yè)發(fā)展迅速，城市擴(kuò)張導(dǎo)致的潛在污染威脅不斷增大，應(yīng)繼續(xù)研究當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)用地景觀格局的變化趨勢(shì)，了解重金屬在土壤—作物系統(tǒng)中的遷移規(guī)律，從而進(jìn)一步認(rèn)識(shí)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律，以確保當(dāng)?shù)丶Z食作物的質(zhì)量安全。

本研究探索了研究區(qū)農(nóng)業(yè)景觀格局變化及土壤重金屬的時(shí)空演變趨勢(shì)，對(duì)維持當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的良好運(yùn)轉(zhuǎn)提供了有益參考，同時(shí)為幫助當(dāng)?shù)厣a(chǎn)部門進(jìn)行科學(xué)決策，從綠色、生態(tài)農(nóng)業(yè)的角度，以土壤—糧食生態(tài)系統(tǒng)為著手點(diǎn)，積極尋求降低重金屬污染、保障糧食作物安全生產(chǎn)的有效途徑。

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