新田縣重金屬元素空間變異及空間分布特征

劉顯麗，劉賢紅，黃逢秋

（湖南省地球物理地球化學(xué)勘查院，湖南 長(zhǎng)沙 410116）

長(zhǎng)期以來(lái)，伴隨著人類對(duì)自然干預(yù)和土地索取的增強(qiáng)，土地安全問(wèn)題備受關(guān)注。為了保障工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展，對(duì)土壤中重金屬元素狀況進(jìn)行檢測(cè)并掌握其空間變異特征極為重要[1]。

選取湖南新田縣為研究區(qū)，通過(guò)地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS空間分析來(lái)研究土壤中重金屬元素的空間變異特征及空間分布情況[2]，為地區(qū)土地利用規(guī)劃調(diào)整、土壤環(huán)境保護(hù)等提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

新田縣位于湖南省永州市東南部，地處陽(yáng)明山南麓，地理坐標(biāo)為:東經(jīng)112°02'～112°23'，北緯25°40'～26°06'，土地總面積1022平方公里。該縣地貌類型復(fù)雜，全區(qū)大體呈現(xiàn)“五分山丘、三分崗地、二分平原和水面”的格局，處于季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)域。農(nóng)業(yè)是縣域經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，全縣土地農(nóng)業(yè)利用率達(dá)83.32%。近年來(lái)新田縣大力發(fā)展特色農(nóng)業(yè)、生態(tài)健康養(yǎng)殖業(yè)，立足優(yōu)質(zhì)土地資源，將生態(tài)、綠色、富硒農(nóng)業(yè)做大做強(qiáng)，已成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民脫貧致富的重要途徑之一。

2 樣品采集與分析方法

數(shù)據(jù)來(lái)自“湖南新田縣土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)估”項(xiàng)目，工作時(shí)間為2011-2014，共有表層土壤數(shù)據(jù)4440條。

土壤采樣密度為4.05個(gè)點(diǎn)/km2，采集地表下20厘米內(nèi)連續(xù)的A層（耕作層）土柱。野外采樣點(diǎn)位使用GPS并結(jié)合地形圖定點(diǎn)，在選擇的采樣位置周圍20m~50m范圍內(nèi)等量采集5個(gè)子樣，通過(guò)縮份組成一個(gè)樣品。上述樣品采樣重量大于1000g，樣品經(jīng)自然干燥后過(guò)20目（<0.84mm）篩，送實(shí)驗(yàn)室加工至-200(<0.074mm)目進(jìn)行分析測(cè)試。土壤pH值采用過(guò)10目（<2mm）篩后進(jìn)行樣品測(cè)定。土壤樣品中As、Hg采用原子熒光光譜法分析；Cd采用ICP-MS法分析；Cu、Pb、Zn采用X熒光光譜法分析。

采用PASWStatistics18統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)對(duì)原始數(shù)據(jù)的樣本數(shù)、最大值、最小值、算術(shù)平均值、幾何平均值、眾值、中位值、離差、幾何離差等等地球化學(xué)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。為避免產(chǎn)生比例效應(yīng)，在進(jìn)行半方差分析之前應(yīng)確保數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布。使用GeoChem Studio軟件多次剔除數(shù)據(jù)中的離群值（或）后，再采用K-S方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)。如果數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化，將數(shù)據(jù)的分布類型轉(zhuǎn)換為正態(tài)分布或接近正態(tài)分布，以滿足半方差分析的要求[2]。

采用GIS軟件對(duì)符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行半方差函數(shù)分析和模型的選擇，得到土壤重金屬元素半方差函數(shù)的理論模型及相關(guān)參數(shù)[2]。利用GeoExpl軟件，進(jìn)行元素地球化學(xué)圖的制作。

3 土壤重金屬元素地球化學(xué)參數(shù)特征

新田縣表層土壤中As、Hg、Cd、Cu、Pb、Zn含量的統(tǒng)計(jì)及正態(tài)分布性檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示。變異系數(shù)的大小表示土壤特性空間變異性的大小[2]，各重金屬元素變異系數(shù)大小依次為Hg（45.66%）＞As（44.42%）＞Zn（40.12%）＞Cu（33.98%）＞Pb（33.14%）＞Cd（28.48%），按照變異系數(shù)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)土壤中重金屬元素含量在空間上均為中等變異，元素分布較不均勻。

表1 土壤重金屬元素地球化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

偏度系數(shù)表示數(shù)據(jù)分布偏離對(duì)稱性程度的參數(shù)，偏度系數(shù)越接近0，原始數(shù)據(jù)越服從正態(tài)分布。As、Hg、Cd、Cu、Pb、Zn的偏度系數(shù)都偏大，只有Cd最接近0。峰度系數(shù)則是度量數(shù)據(jù)在中心聚集程度，峰度系數(shù)越接近0，原始數(shù)據(jù)越服從正態(tài)分布。重金屬數(shù)據(jù)中僅有Cu的峰度系數(shù)為0.02，最接近0。對(duì)以上重金屬元素的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行K-S正態(tài)檢驗(yàn),結(jié)果顯示這些元素均不服從正態(tài)分布。將重金屬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，使數(shù)據(jù)基本服從正態(tài)分布[4]。

4 土壤重金屬元素空間變異特征

本研究利用半方差函數(shù)來(lái)表征土壤元素的空間變異程度，利用GS+7.0軟件對(duì)重金屬元素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行半方差分析，擬合出精度較高的半方差函數(shù)模型及相應(yīng)的參數(shù)。最佳模型的選擇主要依據(jù)決定系數(shù)，其次依據(jù)塊金系數(shù)和變程[4]。由表2可知，研究區(qū)土壤重金屬元素?cái)M合最佳模型均是指數(shù)模型，As、Cd、Hg、Cu、Zn擬合效果均比較理想，Pb擬合效果稍差，決定系數(shù)為0.653。

圖1 新田縣Cd、Hg元素空間分布圖

圖2 新田縣Pb、As、Cu、Zn元素空間分布圖

空間變異性主要由隨機(jī)部分(隨機(jī)性因素)和自相關(guān)部分(結(jié)構(gòu)性因素)兩部分組成。塊金系數(shù)C0/C0+C表示隨機(jī)性因素引起的空間變異占系統(tǒng)內(nèi)總變異的比例，塊金系數(shù)小于25%,表明變量有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性;塊金系數(shù)介于25%和75%之間,表明變量有中等程度的空間相關(guān)性;塊金系數(shù)大于75%,表明變量空間相關(guān)性較弱[5]。

表2 土壤重金屬元素半方差函數(shù)的擬合模型與參數(shù)

由表2可知，他們的空間變異規(guī)律為：塊金常數(shù)與基臺(tái)值比率Cu（50.00 %）>Cd（46.97%）>Hg（37.80%）>Zn（30.50%）>As（28.66 %）>Pb（10.85%）。As、Cd、Hg、Cu、Zn具中等強(qiáng)度的空間相關(guān)性，其空間相關(guān)由土壤的結(jié)構(gòu)性因素(氣候、母質(zhì)、地形、土壤類型等)和隨機(jī)性因素（施肥、耕作、種植制度等）共同作用的結(jié)果，且結(jié)構(gòu)性因素所占的比例略大[5]。Pb的塊金系數(shù)為10.85%，具強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，它的分布特征受土壤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響強(qiáng)烈，隨機(jī)性因素影響較小。

變程反映空間相關(guān)性的最大距離，在變程范圍內(nèi)，變量之間具有空間相關(guān)性，當(dāng)超過(guò)變程時(shí)，認(rèn)為變量是相互獨(dú)立的[2]。由表2可知，土壤重金屬元素的變程差異很大，其中Cu的變程最大，達(dá)到74.97km；Pb的變程最小，為為2.88km，空間相關(guān)性范圍較小。

5 土壤重金屬元素空間分布特征

為了更直觀的了解研究區(qū)土壤重金屬元素的空間分布特征，精準(zhǔn)地為新田縣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、土地利用、土地管理提供可靠依據(jù)，利用GeoExpl軟件，采用指數(shù)加權(quán)法進(jìn)行數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，以累積頻 率0.5%、1.5%、4%、8%、15%、25%、40%、60%、75%、85%、92%、96%、98.5%、99.5%相對(duì)應(yīng)的15級(jí)含量繪制出土壤重金屬元素的地球化學(xué)圖（見(jiàn)圖1、圖2）。

Cd的高背景區(qū)主要分布在冷水井鄉(xiāng)-毛里鄉(xiāng)-龍泉鎮(zhèn)-蓮花鄉(xiāng)一帶以及石羊鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。南部地區(qū)的鎘元素含量明顯比北部高，門樓下鄉(xiāng)東部低值區(qū)最為明顯。Hg的高值區(qū)主要分布在新田縣城周圍、新圩鎮(zhèn)東部-高山鄉(xiāng)-陶嶺鄉(xiāng)、十字鄉(xiāng)西部，低含量區(qū)位于門樓下鄉(xiāng)南部以及金陵鎮(zhèn)北部等地區(qū)。Pb的高含量區(qū)主要分布在毛里鄉(xiāng)東北部-龍泉鎮(zhèn)-新田縣城西部、石羊鎮(zhèn)等地區(qū)；低含量區(qū)主要分布在肥沅水庫(kù)向東一帶、金陵鎮(zhèn)等地區(qū)。As的高值區(qū)主要分布在龍泉鎮(zhèn)-新田縣城之間、新圩鎮(zhèn)東南部、石羊鎮(zhèn)中部及南部。低值區(qū)主要分布在新田縣北部，以冀村鎮(zhèn)較為明顯。Cu的高值區(qū)位于新田縣城及東偏北方向的蓮花鄉(xiāng)、金陵水庫(kù)東部，低值區(qū)主要分布在肥沅水庫(kù)往東方向及金陵鎮(zhèn)北部等地區(qū)。Zn的高值區(qū)位于龍泉鎮(zhèn)-毛里鄉(xiāng)一帶，石羊鎮(zhèn)也有高值分布；低值區(qū)位于冀村鎮(zhèn)至金陵鎮(zhèn)一帶，金陵鎮(zhèn)與門樓下鄉(xiāng)分界線之間低值背景尤為明顯。其中，Cd、Pb、As、Zn的空間分布大致相似。

研究區(qū)表層土壤Cd、Hg、Pb、As、Cu、Zn的空間分布圖表明，重金屬元素含量總體上呈現(xiàn)北部地區(qū)含量少，中部和南部略高的趨勢(shì)。表明研究區(qū)的中部和南部地區(qū)存在有相對(duì)較高的土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)，警示人為活動(dòng)要避免造成或加重土壤重金屬污染。

6 小結(jié)

（1）統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，研究區(qū)土壤中重金屬元素均為中等變異，元素分布較不均勻。

（2）研究區(qū)土壤Cd、Hg、Pb、As、Cu、Zn等元素含量的空間變異函數(shù)均為指數(shù)模型。其中，As、Cd、Hg、Cu、Zn具中等強(qiáng)度的空間相關(guān)性，其變異是由土壤的結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素共同作用的結(jié)果，顯示有人為作用的參與。Pb具強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，它的分布特征受土壤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響強(qiáng)烈，人為因素的干擾影響較小。

（3）地球化學(xué)圖有效地反映出研究區(qū)土壤重金屬元素的空間分布格局。Cd、Hg、Pb、As、Cu、Zn具有總體上呈現(xiàn)北部地區(qū)含量少，中部和偏南部地區(qū)含量略高的趨勢(shì)。在土地管理、土地開發(fā)利用中應(yīng)對(duì)這種趨勢(shì)加以重視。