新疆于田縣綠洲區(qū)土壤重金屬空間分布特征與影響因素

陳云飛 曾妍妍 周金龍 王松濤 杜江巖 劉延鋒

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院， 烏魯木齊 830052； 2.新疆水文水資源工程技術研究中心， 烏魯木齊 830052；3.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文工程地質(zhì)大隊， 昌吉 831100；4.中國地質(zhì)大學(武漢) 環(huán)境學院， 武漢 430074)

0 引言

土壤重金屬污染是土壤污染的主要形式之一，也是環(huán)境科學領域的熱點問題[1-2]。2014年原國土資源部發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，土壤總的點位超標率為16.1%，其中鎘(Cd)、汞(Hg)、砷(As)、鉛(Pb)、鉻(Cr)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鋅(Zn)8種無機污染物均有超標。土壤重金屬含量主要受自然因素和人為因素的影響，過量的重金屬積累也可能成為地表水、地下水和生物等的污染源[3]。因此，查明土壤重金屬的空間分布特征對土壤生態(tài)環(huán)境保護和修復至關重要。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點分布圖Fig.1 Location of study area and distribution of sampling points

地統(tǒng)計學通過獲得半變異函數(shù)而量化空間分布模式，已經(jīng)被廣泛應用于土壤重金屬空間分布特征研究[4-5]。在地統(tǒng)計學中，由于空間數(shù)據(jù)的復雜性，為使半變異函數(shù)擬合精度高，在擬合時通常會從空間預測中刪除異常值[6-7]。然而，在土壤重金屬評估中，異常值可能代表潛在的嚴重污染區(qū)域[8]?？臻g自相關分析是另一種探求變量在空間內(nèi)分布模式的方法，已被應用于多個領域[9-10]，它可以有效地識別出土壤重金屬含量熱點、空間聚類和空間異常值[11]。HUO等[12]克服半變異函數(shù)的擬合易受到主觀因素的影響，結(jié)合空間自相關理論，提高了傳統(tǒng)地質(zhì)統(tǒng)計學在空間分布探究的準確性。

新疆維吾爾自治區(qū)(簡稱新疆)和田地區(qū)于田縣全縣耕地面積335.8 km2，人均耕地0.116 hm2，是塔里木盆地南緣綠洲帶中一個以農(nóng)為主、農(nóng)牧結(jié)合的國家級扶貧開發(fā)重點縣。目前，許多學者從流域尺度、縣域尺度和農(nóng)田尺度等對新疆博斯騰湖流域、額爾齊斯河流域、渭干河-庫車河綠洲、博爾塔拉河湖流域、艾比湖流域農(nóng)田，以及若羌縣、烏蘇市、奎屯市、獨山子區(qū)和各地州農(nóng)田等開展了土壤重金屬污染現(xiàn)狀和空間分布等方面的研究[13-21]。而對于新疆塔里木盆地南緣綠洲帶的土壤重金屬相關研究較少。

本文基于新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文工程地質(zhì)大隊和新疆農(nóng)業(yè)大學于2015—2018年在新疆和田-若羌綠洲帶展開的1∶25萬土地質(zhì)量地球化學調(diào)查工作成果，采用地統(tǒng)計學結(jié)合空間自相關理論和多元統(tǒng)計分析等技術手段，以于田縣綠洲區(qū)為研究區(qū)，開展土壤重金屬空間分布特征及影響因素研究，以期為當?shù)鼐G洲農(nóng)田綠色或無公害農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、土壤污染防治提供理論依據(jù)，同時為當?shù)剞r(nóng)業(yè)精準扶貧提供有力保障。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

于田縣地處塔克拉瑪干沙漠南緣，昆侖山中部北麓，研究區(qū)位于于田縣中部綠洲區(qū)(東經(jīng)81°9′～82°3′，北緯36°30′～37°5′)，詳見圖1。于田縣東臨民豐縣，西接策勒縣，北與沙雅縣接壤，南北長約466 km，東西寬30～120 km，中部一條主干公路(G315)橫穿東西。于田縣總面積4.032×104km2，其中沙漠、戈壁和山區(qū)面積之和約為總面積的94%。研究區(qū)面積為2.42×103km2，占總面積的6%。屬暖溫帶大陸性干旱氣候，四季分明，干旱少雨，年降水量33.5 mm，多年平均氣溫為12.2℃，全年日照時數(shù)為2 610.6 h，太陽總輻射量5 782～6 343 MJ/m2。春季多風，多年平均風速2.1 m/s，年均大風11.5 d，多年平均沙塵32.9 d，一般集中在3月下旬至5月下旬。土壤類型主要為林灌草甸土、棕漠土和灌淤土。第四紀沉積類型主要為沖積物、風積物和殘坡積物。土地利用方式多樣，以農(nóng)業(yè)種植為主，主要作物有小麥、水稻、玉米、核桃、紅棗、玫瑰花、設施農(nóng)業(yè)大棚蔬菜和肉蓯蓉等。

1.2 土樣采集與測試

取樣時間2016年7月，控制面積約2 420 km2。土壤樣品的采樣深度為0～20 cm，按照網(wǎng)格法取樣，農(nóng)用地取樣716組，取樣密度為1點/km2；非農(nóng)用地取樣449組，取樣密度為1點/(4 km2)。共計1 165組，詳見圖1。

樣品由國土資源部烏魯木齊礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心(新疆維吾爾自治區(qū)礦產(chǎn)實驗研究所)進行測試。全量測試項目及其測試方法、檢出限見表1。

表1 土壤重金屬元素全量測試方法及檢出限Tab.1 Determination and detection limit of soil heavy metal elements

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1變異函數(shù)

變異函數(shù)是地統(tǒng)計學所特有的基本工具，其能夠清楚地描述區(qū)域化變量的結(jié)構(gòu)特性和隨機性變化，是地統(tǒng)計學計算的基礎[22-23]。關于地統(tǒng)計學的基本理論和具體計算方法詳見文獻[24]。

地統(tǒng)計學中的半變異函數(shù)計算公式為

(1)

式中h——兩樣本點空間分隔距離

γ*(h)——實驗變異函數(shù)

N(h)——樣點對的個數(shù)

本文計算半變異函數(shù)借助SPSS 23.0 軟件中的Kolmogorov-Smirnov 正態(tài)性檢驗模塊對1 165組土壤重金屬元素進行正態(tài)分布檢驗，若服從正態(tài)分布，則采用GS+9.0軟件進行半變異函數(shù)的計算和高斯模型、球狀模型等理論模型的擬合。如果數(shù)據(jù)不服從正態(tài)分布，則需對其進行對數(shù)轉(zhuǎn)換使其接近于正態(tài)分布后進行相關計算分析。

1.3.2空間自相關分析

空間自相關分析是指鄰近空間區(qū)域單位上某變量的同一屬性值之間的相關程度，包括全局空間自相關分析和局部空間自相關分析。全局空間自相關分析主要用莫蘭指數(shù)(Moran’sI)來反映土壤重金屬元素在整個研究區(qū)域范圍內(nèi)的空間聚集程度[25]。Moran’sI計算公式為

(2)

式中I——莫蘭指數(shù)

n——土壤重金屬元素含量空間的區(qū)域數(shù)

xi——第i個區(qū)域內(nèi)的土壤重金屬元素含量

xj——第j個區(qū)域內(nèi)的土壤重金屬元素含量

Wij——空間權(quán)重矩陣，一般為對稱陣

局域空間自相關指標(Local indicators of spatial association，LISA)反映一個采樣區(qū)域土壤有機碳與鄰近采樣區(qū)域土壤有機碳的相關程度[26]。Moran’sI的LISA計算公式為

(3)

式中S——xi的標準差

Ii——局域空間自相關指標

全局空間自相關分析主要由Moran’sI反映采樣區(qū)域土壤重金屬元素在于田縣區(qū)域上的空間分布情況，Moran’sI的范圍在[-1,1]之間。若Moran’sI大于0，則說明研究區(qū)域存在空間正相關；反之Moran’sI小于0，則說明研究區(qū)域存在空間負相關；若Moran’sI等于0，則說明研究區(qū)域不存在自相關性，呈隨機分布。為方便空間自相關計算分析，本文將取樣點生成泰森多邊形(圖1)后借助GeoDA空間分析軟件進行土壤重金屬元素含量空間自相關分析，并將計算結(jié)果導入ArcGIS 10.4軟件中進行相關圖件的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量描述性統(tǒng)計特征

本文中于田縣綠洲區(qū)全部土壤取樣點個數(shù)為1 165個，其中農(nóng)用地土壤取樣點為716個，非農(nóng)用地取樣點449個。利用SPSS 23.0分別對于田縣綠洲區(qū)土壤取樣點、農(nóng)用地土壤取樣點和非農(nóng)用地土壤取樣點的8種重金屬元素含量進行統(tǒng)計分析(表2)。合理采樣數(shù)由95%顯著性水平對應的正態(tài)分布法確定，計算公式為

N=3.84(CV/k)2

(4)

式中CV——每種土壤重金屬元素的變異系數(shù)

k——相對誤差，取5%[27]

課堂中的所有元素都應該相互協(xié)同合作的，教師和學生作為課堂中的兩個參與者，師生之間的互動交流是不可缺少的?？v觀當前的高中英語課堂，教學氛圍比較壓抑，師生之間的交流不多，一般總是教師單方面的滔滔不絕的講述，學生沒有參與其中，只是被動的接受知識灌輸，實際上只有在師生之間友好交流的過程中，才能帶動學生參與學習，達到高效教學的效果，同時也增進了師生感情。因此，教師應該注重搭建師生互動平臺，在教學中要設計更多師生之間交流反饋的機會，比如可以開展小組合作學習，讓學生自主討論出一篇課文中比較難以理解的詞匯釋義或者句型語法，然后教師再引導他們進行解決，這有助于鍛煉學生的感知力和表達能力，真正實現(xiàn)師生協(xié)調(diào)發(fā)展。

由表2可看出，于田縣綠洲區(qū)8種土壤重金屬含量均值整體上比較低，除As存在個別超標點外，其余元素均未超過風險篩選值。As大于風險篩選值的采樣點分布在農(nóng)用地范圍內(nèi)的加依鄉(xiāng)和阿熱勒鄉(xiāng)，詳見圖1。整體上來看，土壤重金屬含量均值與新疆背景值相比，除Cd和Hg外，其余6種重金屬元素含量均值低于新疆土壤背景值；非農(nóng)用地8種土壤重金屬元素含量均值均低于新疆土壤背景值；農(nóng)用地8種土壤重金屬元素含量均值中Cd、Hg和Cr均值大于新疆土壤背景值，其余重金屬元素均值低于新疆背景值。非農(nóng)用地土壤重金屬元素含量均值均低于農(nóng)用地重金屬元素含量均值。從變異系數(shù)來看，除Pb呈弱變異性(CV<10%)，其余7種土壤重金屬元素呈中等變異性(10%

表2 土壤重金屬含量(質(zhì)量比)描述統(tǒng)計特征Tab.2 Descriptive statistics of heavy metal content in soils

注：風險篩選值依據(jù)GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量-農(nóng)用地土壤污染風險管控標準》，新疆背景值參照文獻[28-32]。

2.2 土壤重金屬含量的空間變異特征

通過Kolmogorov-Smirnov正態(tài)性檢驗，表3可以看出于田縣綠洲區(qū)土壤重金屬元素含量均屬于正態(tài)分布(P(K-S)>0.05)?；贕S+9.0軟件對土壤重金屬元素含量的變異函數(shù)和相關參數(shù)的計算結(jié)果詳見表3。半變異函數(shù)理論模型主要為指數(shù)模型和球狀模型等，主要參數(shù)包括塊金值(C0)、基臺值(C0+C)、決定系數(shù)(R2)和殘差(RSS)等?？臻g變異性強弱可以根據(jù)塊金值與基臺值的比值，即塊金系數(shù)進行劃分。塊金效應表示由隨機部分引起的空間變異性占總體變異的比例，塊金系數(shù)小于25%說明土壤重金屬元素有很強的空間相關性，25%～50%說明土壤重金屬元素有明顯的空間相關性，50%～75%說明土壤重金屬元素有中等的空間相關性，大于75%時土壤重金屬元素空間相關性弱，變異主要由隨機變異組成[32]。

表3 土壤重金屬元素含量的理論變異函數(shù)模型及相關參數(shù)Tab.3 Theoretical variogram model and related parameters of soil heavy metal content

由表3可看出，Cd和Pb的變異函數(shù)理論模型為指數(shù)模型，Hg、As、Cr、Cu、Ni、Zn的變異函數(shù)理論模型為球狀模型。于田縣綠洲區(qū)土壤重金屬元素中Cd塊金系數(shù)小于25%，說明Cd有強的空間相關性，受到人為干擾影響較小，這主要是自然因素作用的結(jié)果；其他元素塊金系數(shù)介于25%～50%之間，說明其是人為因素和自然因素共同作用的結(jié)果。所有土壤重金屬元素的R2都在0.60之上且RSS均較小，說明8種土壤重金屬元素變異函數(shù)理論模型擬合結(jié)果合理。

2.3 土壤重金屬含量的空間自相關分析

2.3.1土壤重金屬含量全局相關性分析

于田縣綠洲區(qū)土壤重金屬元素含量全局自相關分析結(jié)果詳見表4。于田縣土壤重金屬元素含量的Moran’sI均大于0，從全局角度來看，土壤重金屬元素含量在于田縣縣域尺度內(nèi)具有一定的空間正相關分布，即土壤重金屬元素含量高的土壤周圍土壤重金屬元素含量也較高，土壤重金屬元素含量低的土壤周圍土壤重金屬元素含量也較低。同時也說明土壤重金屬元素含量在研究區(qū)存在一定的聚集分布，土壤重金屬元素含量屬于高高聚集和低低聚集，其中高值指該取樣區(qū)域值大于均值，低值指該取樣區(qū)域值小于均值。

為了驗證Moran’sI是否顯著，選取蒙特卡羅迭代法對Moran’sI系數(shù)進行假設檢驗，迭代次數(shù)為999次，得到土壤重金屬元素全局自相關結(jié)果(表4)：Z值均大于1.96，P值均小于0.05，表明研究對象的空間自相關Moran’sI指數(shù)具有統(tǒng)計學意義。

表4 土壤重金屬元素含量Moran’s I和蒙特卡洛假設 檢驗結(jié)果Tab.4 Moran’s I of soil heavy metal content and results of Monte Carlo hypothesis test

2.3.2土壤重金屬含量局部空間相關性分析

對于田縣綠洲區(qū)土壤重金屬元素含量進行局部空間自相關分析，結(jié)果詳見圖2。從圖2可看出土壤重金屬元素含量分布呈現(xiàn)不同的特性。采樣區(qū)域8種土壤重金屬元素含量高、周圍含量高(高-高)，這類區(qū)域主要分布在研究區(qū)中部農(nóng)用地；采樣區(qū)域土壤重金屬元素含量低、周圍含量低(低-低)，這類區(qū)域主要分布在研究區(qū)西北和東南非農(nóng)用地；采樣區(qū)域土壤重金屬元素含量低、周圍含量高(低-高)和采樣區(qū)域土壤重金屬元素含量高、周圍含量低(高-低)，這兩類區(qū)域主要零星分布在高-高區(qū)或低-低區(qū)周圍；其他區(qū)域則為無顯著自相關性。

圖2 局域空間自相關聚集圖Fig.2 Aggregation maps of local indicators of spatial association

2.4 土壤重金屬含量空間分布特征

圖3 土壤重金屬含量空間分布Fig.3 Spatial distribution maps of heavy metal content in soils

由圖3可看出，于田縣綠洲區(qū)土壤重金屬元素含量空間分布格局總體呈從研究區(qū)中心向四周含量逐漸減小的趨勢，同時土壤重金屬元素含量在農(nóng)用地和非農(nóng)用地呈現(xiàn)明顯的分界性。Cd高值區(qū)主要分布在縣城區(qū)域、木尕拉鎮(zhèn)和奧依托格拉克鄉(xiāng)；Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn高值區(qū)主要分布在縣城區(qū)域、木尕拉鎮(zhèn)和加依鄉(xiāng)。另外，通過圖2和圖3的對比可以看出，由普通克里金插值法預測的土壤重金屬元素含量的空間分布情況與局部空間相關性分布情況結(jié)果基本一致，說明在縣域尺度下，于田縣綠洲區(qū)土壤重金屬元素在半變異函數(shù)計算范圍和空間自相關距離一致時含量呈現(xiàn)顯著的空間異質(zhì)性和空間相關性。

2.5 土壤重金屬元素含量影響因素

土壤重金屬元素分布主要受成土母質(zhì)、土壤類型和土地利用方式等因素的影響[35-36]。由上文可知，于田縣綠洲區(qū)土壤重金屬元素含量中僅有3個取樣點的As含量超過國家標準風險篩選值，從8種土壤重金屬元素含量分布特征可以看出，高值區(qū)域和空間自相關性的高-高區(qū)域集中分布在研究區(qū)農(nóng)用地或人類活動頻繁的縣城區(qū)域。因此，本節(jié)僅針對農(nóng)用地范圍內(nèi)的取樣點開展土壤重金屬元素含量影響因素分析，將8種土壤重金屬元素均值含量按照不同成土母質(zhì)、土壤類型和土地利用類型進行統(tǒng)計，結(jié)果詳見表5。

表5 不同成土母質(zhì)、土壤類型和土地利用類型的土壤重金屬平均含量Tab.5 Average content of heavy metals in soils of different soil parent materials, soil types and land use patterns mg/kg

由表5可以看出，Cd在4種成土母質(zhì)類型下的含量均值一樣，為0.13 mg/kg；Hg、As、Pb、Cr和Ni不同成土母質(zhì)類型按照其均值由大到小排序為風積物、沖積物、殘坡積物、沼澤沉積物；Cu不同成土母質(zhì)類型按照其均值由大到小排序為殘坡積物、沖積物、風積物、沼澤沉積物；Zn不同成土母質(zhì)類型按照其均值由大到小排序為沖積物、風積物、殘坡積物、沼澤沉積物。Cd、Cu和Ni在不同土壤類型下均值含量由大到小排序分別為棕漠土和灌淤土、林灌草甸土，灌淤土、棕漠土、林灌草甸土，林灌草甸土、灌淤土、棕漠土；Hg、As、Pb、Cr和Zn不同成土母質(zhì)類型按照其均值由大到小排序均為灌淤土、林灌草甸土、棕漠土。土壤重金屬元素含量在不同土地利用類型按照其均值的大小排序結(jié)果表明，土地利用方式為居民區(qū)、果園林地、高覆蓋草地和旱田土壤重金屬元素含量相對較高；土地利用類型為低覆蓋草地、中覆蓋草地和灌林地土壤重金屬元素含量相對較低。綜上所述，于田縣綠洲區(qū)農(nóng)用地土壤重金屬在不同成土母質(zhì)、土壤類型和土地利用類型下呈現(xiàn)的分布特征也不同，這也間接表明于田縣綠洲區(qū)農(nóng)用地土壤重金屬受自然因素和人為因素共同作用。

3 討論

通過對于田縣綠洲區(qū)土壤重金屬含量進行統(tǒng)計，其含量總體較低，As點位超標率為0.26%，遠低于《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》結(jié)果。根據(jù)普通克里金插值空間分布結(jié)果，可以看出高值區(qū)分布在農(nóng)用地且靠近縣城或周邊人類活動密集區(qū)域。為進一步查明土壤重金屬元素之間是否同源或者與土壤母質(zhì)之間是否互相影響，對土壤重金屬元素和Al2O3、Fe2O3和Corg等土壤質(zhì)地代表性元素做相關分析，結(jié)果見表6[37]。由表6可看出，除Cd以外，其余7種重金屬元素之間存在一定的相關性，同時這7種重金屬元素與Al2O3、Fe2O3和Corg之間存在相對良好的相關性，說明它們具有相同來源的可能性較大，同時含量的高低受土壤質(zhì)地的影響。前文提到As存在3個超風險篩選值取樣點，3個點呈現(xiàn)點狀分布，這可能是由人為農(nóng)業(yè)活動作用疊加造成。

表6 土壤重金屬、土壤質(zhì)地指標間相關系數(shù)Tab.6 Correlation coefficient between content of soil heavy metals and soil texture indicators

注：** 表示在0.01級別(雙尾)，相關性顯著。

4 結(jié)論

(1)新疆于田縣綠洲區(qū)土壤重金屬含量較低，除As外，其余元素均未超過風險篩選值。非農(nóng)用地土壤重金屬元素含量均值均低于新疆土壤背景值；農(nóng)用地中Cd、Hg和Cr含量均值大于新疆土壤背景值。Pb呈弱變異性，其余7種土壤重金屬元素呈中等變異性。

(2)Cd和Pb的變異函數(shù)理論模型為指數(shù)模型，Hg、As、Cr、Cu、Ni、Zn的變異函數(shù)理論模型為球狀模型。Cd塊金系數(shù)小于25%，說明Cd有較強的空間相關性，受到人為干擾影響較小，這主要是自然因素作用的結(jié)果；其他元素塊金系數(shù)介于25%～50%之間，這是人為因素和自然因素共同作用的結(jié)果。于田縣土壤重金屬空間自相關Moran’sI均大于0，在縣域尺度內(nèi)具有一定的空間正相關分布。

(3)于田縣綠洲區(qū)土壤重金屬元素含量空間分布格局總體呈從研究區(qū)中心向四周含量逐漸減小的趨勢，同時土壤重金屬元素含量在農(nóng)用地和非農(nóng)用地呈現(xiàn)明顯的分界性。

(4)于田縣綠洲區(qū)土壤重金屬在不同成土母質(zhì)、土壤類型和土地利用類型下呈現(xiàn)的分布特征也不同，Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn具有相同的來源，含量受土壤質(zhì)地的影響，As元素存在點狀污染，這可能與人為農(nóng)業(yè)活動有關。