雙流縣不同地形條件下Cu、Zn的空間變異特征

郭其靈

摘要

以雙流縣耕地為例，通過常規(guī)統(tǒng)計(jì)分析、正態(tài)分布檢驗(yàn)，并且利用國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同地形條件下耕地土壤重金屬Cu、Zn的污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，在不同地形條件下耕地土壤2種元素含量均值未超過土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（GB156182-1995），土壤Cu、Zn含量服從正態(tài)分布；以半變異函數(shù)為主要工具，通過GS+軟件對(duì)Cu、Zn擬合得到Cu 與Zn 的半方差函數(shù)模型， 且在一定范圍內(nèi)存在空間相關(guān)性；采用Kriging 內(nèi)插法對(duì)未測點(diǎn)重金屬進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，所繪制的Kriging 插值圖能較好地反映該區(qū)耕地土壤重金屬Cu 和Zn 的空間變異特征。

關(guān)鍵詞 Cu；Zn；半方差函數(shù)模型；克里格插值；空間變異

中圖分類號(hào) S153.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）26-08976-03

Spatial Variability of Cu， Zn under Different Landforms in Shuangliu County

GUO Qi-ling

（Soil Fertilizer Station of Rural Development Council in Shuangliu County， Shuangliu， Sichuan 610200）

Abstract Taking farmland in Shuangliu County as an example， by the method of conventional statistical analysis and normal distribution test， the spatial variability of the heavy metal including copper（Cu） and zinc（Zn） pollution situation was obtained. The results showed that the contents of Cu and Zn in arable soil did not exceed the second level criterion of the soil environmental quality standard（GB156182-1995） for different landforms. The contents of Cu and Zn followed the normal distribution.The semi-variogram models for the Cu and Zn were correlated in a certain spatial range by GS+ software. The optimal estimation was performed for the no determination of heavy metals including Cu and Zn using the method of Kriging interpolation. The map of Kriging interpolation reflected the spatial variability of the Cu and Zn for the arable soil well in Shuangliu County.

Key words Cu； Zn； Semi-variogram models； Kriging interpolation； Spatial variability

受成土母質(zhì)、地形及人類活動(dòng)等自然和人為因素的影響，土壤成為不均一的連續(xù)體，并且具有高度的空間變異性。認(rèn)識(shí)土壤空間變異，對(duì)于評(píng)價(jià)和有效利用土壤都是十分重要的。土壤環(huán)境中的污染物積累及其在食物鏈中的遷移、轉(zhuǎn)化是影響食品安全的重大科學(xué)問題^[1]。重金屬污染因滯留持久、高富集等特性，易于通過食物鏈進(jìn)入農(nóng)產(chǎn)品中，影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，危害人類健康。因此，對(duì)農(nóng)田土壤中的重金屬累積狀況進(jìn)行調(diào)查和評(píng)價(jià)，已是國內(nèi)外廣泛關(guān)注的問題。

我國是耕地資源極其匱乏的國家。近年來，耕地資源數(shù)量不斷減少。隨著工農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，農(nóng)田受重金屬污染的壓力越來越大。重金屬在農(nóng)田的大量累積會(huì)破壞土壤的正常功能，阻礙作物生長，被作物吸收富集后通過食物鏈危害人類的身體健康^[2]。耕地土壤環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重，其中耕地土壤重金屬和農(nóng)藥等有機(jī)污染尤其突出，已成為限制我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一。目前，我國受鎘、砷、鉻、鉛等重金屬污染的耕地面積近2 000萬hm2，約占耕地面積的1/5，其中工業(yè)“三廢”污染耕地1 000 萬hm2。重金屬、持久性有機(jī)污染物等有毒物質(zhì)的污染惡果已初顯^[3]。

利用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)土壤重金屬含量進(jìn)行分析只能在一定程度上反映樣本總體的特征，而不能定量地反映重金屬含量在空間的結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性，難以描述其空間分布狀態(tài)。地統(tǒng)計(jì)學(xué)在定量描述重金屬含量空間變異方面具有其獨(dú)特的優(yōu)勢。隨著GIS空間分析能力的加強(qiáng)，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS技術(shù)，研究區(qū)域較大尺度的農(nóng)田重金屬含量空間變異成為可能。對(duì)耕地土壤重金屬的空間變異性進(jìn)行研究，探究其在不同地形條件下的變化特征和規(guī)律，對(duì)保護(hù)耕地、保障食品安全和人體健康以及制定耕地土壤重金屬污染防控措施具有十分重要的意義^[4-7]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

雙流縣位于成都平原東南部，地處E 103°43′～104°15′，N 30°13′～30°40′，東西寬46 km，南北長49 km，面積1 071.82 km2。多年來，雙流縣一直為四川省第一經(jīng)濟(jì)強(qiáng)縣，全縣轄26個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）、3個(gè)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，人口90.64萬。氣候?yàn)閬啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，年均氣溫16.2 ℃，年均降雨量>985.1 mm。地形有平原、丘陵和山地，母質(zhì)多為沖積物和紫色巖風(fēng)化物，土壤以水稻土、黃壤和紫色土為主，主產(chǎn)水稻、小麥和油菜，多為一年兩熟。

1.2 研究方法

1.2.1

樣點(diǎn)采集。在保證土壤樣品代表性的前提下，采樣點(diǎn)在研究區(qū)分布盡量均勻，同時(shí)兼顧土壤類型和地形特點(diǎn)，在人為活動(dòng)強(qiáng)烈的平原區(qū)加密布點(diǎn)。每個(gè)土樣以取土點(diǎn)為中心，在10 m半徑內(nèi)取5～10個(gè)0～20 cm耕層土樣混合而成，同時(shí)用GPS （Garmin 72）記錄中心點(diǎn)的位置，全縣共采集土樣623個(gè)（圖1）。

1.2.2

室內(nèi)分析方法。土壤Cu、Zn含量的測定采用HNO₃-HF-HClO₄三酸消化—火焰原子吸收分光光度法。

1.2.3

數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析。利用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、正態(tài)性檢驗(yàn)等經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，采用GS+軟件計(jì)算半方差函數(shù)、半方差模型，并且進(jìn)行Kriging插值^[8-11]。

半方差函數(shù)計(jì)算公式為：

式中，r（h）為間隔距離h的半方差，也是以h為間距所有觀測點(diǎn)的成對(duì)數(shù)目；N（h）為間距h的計(jì)算對(duì)數(shù)；Z（xi）和Z（xi+h）分別為區(qū)域化變量Z（x）和Z（x+h）在空間位置xi和xi+h處的實(shí)測值。由此可以得到實(shí)驗(yàn)半方差函數(shù)散點(diǎn)圖，對(duì)實(shí)驗(yàn)半方差函數(shù)散點(diǎn)圖進(jìn)行擬合，得到半方差函數(shù)的最佳理論模型^[12-16]。

克里格估值可表示為：

式中，Z*（x₀）為待估點(diǎn)x₀處的估計(jì)值；Z（xi）為實(shí)測值；λi為分配給每個(gè)實(shí)測值的權(quán)重且Σλi=1；n為參與點(diǎn)估值的實(shí)測值的數(shù)目^[16-19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量描述統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)623個(gè)不同地形條件下樣點(diǎn)Cu、Zn含量進(jìn)行經(jīng)典統(tǒng)計(jì)描述。由表1可知，在不同地形條件下2種重金屬均值都未超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；在平原、丘陵、山地地形條件下Cu的變異系數(shù)分別為19%、26%、27%，Zn分別為29%、34%、28%，都屬于中等偏低變異程度，其中變異系數(shù)最大的是丘陵Cu，最小的平原Cu。變異系數(shù)的大小主要受當(dāng)?shù)胤N植方式施肥習(xí)慣和自然因素的影響。

2.2 半方差函數(shù)分析

半方差函數(shù)要求數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布或近似正態(tài)分布，否則可能存在比例效應(yīng)，使得實(shí)際變異函數(shù)值畸變，估計(jì)精度降低，甚至?xí)谏w其固有結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致某些結(jié)構(gòu)特征不明顯。K-S 檢驗(yàn)表明，Cu、Zn 呈正態(tài)分布，可以對(duì)土壤Cu、Zn含量采用半方差函數(shù)進(jìn)行分析。該研究采用GS+軟件分析，利用半變異函數(shù)的計(jì)算公式，分別用不同模型擬合，得到模型的相關(guān)參數(shù)值。選取標(biāo)準(zhǔn)平均值（MS）接近于0，均方根預(yù)測誤差（RMS）與平均標(biāo)準(zhǔn)誤差（ASE）越接近，標(biāo)準(zhǔn)均方根預(yù)測誤差（RMSS）接近于1的理論模型。半方差模型及其參數(shù)值見表2。表中，C0稱為塊金方差（nugget variance），表示間距為0時(shí)的半方差，代表隨機(jī)因素引起的變異，通常由測定誤差或土壤性質(zhì)的微變異所造成；C₀+C為基臺(tái)值（sil1），是半方差函數(shù)隨間距遞增到一定程度后出現(xiàn)的平衡值，表示系統(tǒng)內(nèi)總的變異；a為變程（arange），表示半方差達(dá)到基臺(tái)值時(shí)的樣本距離，當(dāng)樣本的某變量觀測值之間的距離大于該值時(shí)，說明它們之間是相互獨(dú)立的；若小于該值時(shí)，則說明它們之間存在著空間相關(guān)關(guān)系；土壤重金屬各元素的空間變異性可根據(jù)塊金值與基臺(tái)值的比值（即塊金系數(shù)C₀/（C₀+C））進(jìn)行劃分。塊金系數(shù)表示由隨機(jī)部分引起的空間變異性占總體變異的比例。若塊金系數(shù)<25%，則說明變量有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性；若比值25%～50%，則說明變量有明顯的空間自相關(guān)；若比值50%～75%，則說明變量有中等空間自相關(guān)；若比值>75%，則說明變量空間自相關(guān)弱，變異主要由隨機(jī)變異組成。

2.3 土壤重金屬Cu、Zn含量的空間分布特征

土壤重金屬銅、鋅含量的正態(tài)分布保證了Kriging插值的有效性。ArcGIS交互檢驗(yàn)結(jié)果表明，土壤重金屬銅、鋅含量半方差函數(shù)最佳模型的標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差在平原區(qū)分別為1.087 0、0.993 5，在丘陵區(qū)分別為1.123 0、1.007 0，在山地條件下分別為1.004 0、0.999 7，表明土壤重金屬銅、鋅含量選用模型的預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確性較高（接近1）。根據(jù)上述各元素得到的半方差函數(shù)模型，應(yīng)用普通克立格（Ordinary Kriging） 法進(jìn)行最優(yōu)內(nèi)插，繪制不同地形重金屬元素的空間分布格局圖（圖2）。銅含量呈條帶狀分布，平原地區(qū)東南方和西南方含量較高，并且從兩側(cè)向中間逐漸降低；丘陵地區(qū)西北方和南方含量較高，從西北方和南方向中間逐漸降低；山地西北方含量最高，并且從西北方向東南方逐漸降低。鋅含量呈塊狀分布，平原地區(qū)以北方和西南方最高，向中心逐漸降低；丘陵地區(qū)是以東南方和東北方最高，從中心向東西兩側(cè)逐漸降低；山地北方含量最高，其次是中心地區(qū)再向北方和南方逐漸降低。

3 結(jié)論

（1）對(duì)研究區(qū)域623個(gè)樣點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行計(jì)算，重金屬含量的均值未超過土壤環(huán)境質(zhì)量（GB1561821995）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。按不同地形對(duì)其變異系數(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)Cu元素在平原、丘陵、山地地形條件下的變異系數(shù)分別為19%、26%、27%，Zn元素分別為29%、34%、28%，都屬于中等偏低變異程度，其中變異系數(shù)最大的是丘陵Cu，最小的是平原Cu。

（2）根據(jù)半方差函數(shù)模擬，可得平原Cu含量的塊金常數(shù)/基臺(tái)值介于25%～50%，有明顯的空間自相關(guān)；平原Zn、山地Cu和丘陵Zn比值介于50%～75%，有中等空間自相關(guān)；丘陵Cu和山地Zn比值大于75%，說明變量空間自相關(guān)弱，其原因可能是某些隨機(jī)性因素如耕作、管理措施、種植制度和污染等人為活動(dòng)的影響較大，而削弱其空間相關(guān)性。

（3）用普通Kriging方法對(duì)不同地形Cu、Zn含量進(jìn)行空間局部插值，發(fā)現(xiàn)銅含量呈條帶狀分布，平原地區(qū)東南方和西南方含量較高，并且從兩側(cè)向中間逐漸降低；丘陵地區(qū)西北方和南方含量較高，從西北方和南方向中間逐漸降低；山地西北方含量最高，并且從西北方向東南方逐漸降低。鋅含量呈塊狀分布，平原地區(qū)以北方和西南方最高，向中心逐漸降低；丘陵地區(qū)以東南方和東北方最高，從中心向東西兩側(cè)逐漸降低在向兩側(cè)降低；山地北方含量最高，其次是中心地區(qū)再向北方和南方逐漸降低。

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