松嫩平原北部土壤砷水平空間分異及影響因素研究

張 慧，付 強(qiáng)

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030，2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與建筑學(xué)院，哈爾濱 150030）

砷（As）是自然界中廣泛存在的類金屬，具有較強(qiáng)的致畸、致癌作用。土壤砷通過(guò)影響作物的生長(zhǎng)，進(jìn)而影響農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量[1]，通過(guò)富集在動(dòng)植物體內(nèi)進(jìn)入食物鏈，以無(wú)機(jī)砷元素的形式富集在稻米和蔬菜中[2]，影響糧食產(chǎn)量和質(zhì)量。土壤砷的空間變異特征研究為土壤保護(hù)和農(nóng)業(yè)區(qū)域規(guī)劃提供必要依據(jù)。

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研究[3-4]；土壤砷在植物、動(dòng)物及人類體內(nèi)富集效果的研究[5-6]；人類活動(dòng)對(duì)土壤砷遷移的影響研究[7-8]等。以往對(duì)土壤砷的空間分異規(guī)律的研究通常是以土壤背景值為依據(jù)衡量表層土壤砷的含量變化，并結(jié)合土地利用方式進(jìn)行人為影響因素分析。這種方法在某種程度上忽略了地質(zhì)和其他自然成土因素造成的As含量的空間分異。本文以深層土壤砷含量為依據(jù)來(lái)衡量表層土壤砷含量及土壤砷含量變化量，并對(duì)高度、坡度等地形要素，距河流遠(yuǎn)近等水文因素和土地利用類型等人為影響因素進(jìn)行綜合分析，對(duì)松嫩平原北部土壤砷的水平空間分異規(guī)律進(jìn)行分析。

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，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，是中國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地。

研究區(qū)為松嫩平原北部，總面積為8.15萬(wàn)km2工作區(qū)地理坐標(biāo)為 ① 東經(jīng)122°25′，北緯48°00′；② 東經(jīng)127°45′，北緯48°00′；③ 東經(jīng)122°25′，北緯 45°35′；④ 東經(jīng) 127°45′，北緯 45°35′。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。

2 材料與方法

2.1 樣品的采集與分析

本研究分別采集了表層土壤和深層土壤兩種土壤樣本。表層土壤采集深度為0～20 cm，該土層的As元素含量對(duì)作物的產(chǎn)量、質(zhì)量及人類健康影響較大，并且對(duì)人為干擾較為敏感；深層土壤樣本采樣深度為1 m，有研究表明As元素多被吸附于表層土壤，較難通過(guò)淋溶作用富集到深層土壤，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，樣品布點(diǎn)按照標(biāo)準(zhǔn)格網(wǎng)進(jìn)行均勻布點(diǎn)，表層土壤樣本按4個(gè)點(diǎn)/4 km2的密度進(jìn)行采集，將每4個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行土壤樣本混合，共獲得混合樣本20 701個(gè)。深層土壤樣本4個(gè)點(diǎn)/16 km2的密度進(jìn)行布點(diǎn)，按每4個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行土壤樣本混合，共獲得混合樣品5 301個(gè)。采用原子熒光法對(duì)土壤中As元素含量進(jìn)行測(cè)定[9-10]，檢出限為1 μg·g-1。

2.2 土地利用類型數(shù)據(jù)的獲取

在ERDAS軟件的支持下，以1∶50 000等高線地形圖為依據(jù)對(duì)2009年的中巴資源衛(wèi)星影像（精度為19.8 m）進(jìn)行正射校正。依據(jù)人類對(duì)土壤物理結(jié)構(gòu)的干擾強(qiáng)度將土地利用類型分為7類，包括：耕地、園地、林地、草地、建設(shè)用地、水面、未利用地等。制定土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)，利用監(jiān)督分類提取土地利用類型信息。

2.3 數(shù)值高程模型（DEM）及坡度數(shù)據(jù)的獲取

在ArcGIS軟件的支持下，利用地統(tǒng)計(jì)分析模塊的空間插值法，依據(jù)研究區(qū)的1∶50 000等高線地形圖，生成數(shù)值高程模型（DEM），并通過(guò)三維分析，獲得坡度圖。

2.4 表層和深層土壤砷水平空間分異規(guī)律的模擬

利用ArcGIS軟件的地統(tǒng)計(jì)分析模塊，以表層土壤和深層土壤砷樣本的化驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，對(duì)表層土壤和深層土壤砷的水平空間分布進(jìn)行模擬。以往研究表明，土壤砷含量經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后符合正態(tài)分布[11]。因此在對(duì)表層土壤和深層土壤砷元素進(jìn)行對(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)行預(yù)測(cè)，得到表層土壤和深層土壤砷的水平空間分布圖。

2.5 表層和深層土壤砷水平空間分異差異分析方法

分別對(duì)表層土壤砷、深層土壤砷、土地利用類型數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，將疊加分析結(jié)果與高程信息、坡度信息進(jìn)行整合，并計(jì)算出每一個(gè)面要素的中心點(diǎn)距最近的河流、湖泊等水面的直線距離。表層土壤和深層土壤樣本的采樣密度不同，在進(jìn)行疊加分析時(shí)用土壤樣本含量代替采樣?xùn)鸥駜?nèi)的土壤含量值，即表層和深層土壤樣本單元格網(wǎng)內(nèi)砷含量為均值。

利用R軟件對(duì)表深層土壤砷含量差值、高程、坡度等因素進(jìn)行了相關(guān)分析。土地利用類型為分類數(shù)據(jù)，對(duì)表深層土壤砷含量差值與土地利用類型進(jìn)行Kruskal-Wallis檢驗(yàn)，以驗(yàn)證對(duì)土壤的人為定向干預(yù)對(duì)土壤砷含量變化是否有影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 表層土壤砷和深層土壤砷水平空間分異特征

表層土壤中As含量最大值為41.0mg·kg-1，最小值為 1.4 mg·kg-1，幾何平均值為 8.68 mg·kg-1，與自然中As的背景值水平相當(dāng)（5～10 mg·kg-1），低于中國(guó)第一次土壤普查數(shù)據(jù)中幾何平均值9.2 mg·kg-1。根據(jù)中國(guó)環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)表層土壤砷元素含量進(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As元素含量較低、較為清潔健康的區(qū)域。

從圖2中的正態(tài)Q-Q分布圖中，可以發(fā)現(xiàn)表層土壤砷元素含量經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后基本服從正態(tài)分布。利用空間插值對(duì)研究區(qū)進(jìn)行表層土壤砷含量模擬，并依據(jù)含量累積頻率均勻分為十等，生成表層土壤砷含量空間分布圖（見圖1）。如圖1所示，在研究區(qū)內(nèi)土壤砷含量呈漸變趨勢(shì)：松花江、嫩江主要干流、支流沿線和湖泊廣布的大慶市土壤砷元素含量較低；土壤砷含量較高區(qū)域主要分布在地勢(shì)相對(duì)較高的北部地區(qū)（甘南縣、龍江縣、依安縣、拜泉縣）和東部部分地區(qū)；其余地區(qū)土壤砷含量處于過(guò)渡水平。

圖1 表層土壤砷含量空間分布Fig.1 Arsenic concentration in surface soil

深層土壤砷含量最大值為170.5mg·kg-1，最小值為1.0mg·kg-1，幾何平均值為9.33mg·kg-1，與自然中As的背景值水平相當(dāng)（5～10 mg·kg-1），略高于中國(guó)第一次土壤普查數(shù)據(jù)中幾何平均值9.2mg·kg-1。深層土壤砷含量高于表層土壤砷含量，土壤砷含量的變化幅度也相對(duì)較大。

如圖2所示，深層土壤砷的水平分布趨勢(shì)與表層土壤砷分布格局較為相似，說(shuō)明深層土壤砷含量對(duì)表層土壤砷含量有較大影響。對(duì)表層土壤砷含量和深層土壤砷含量進(jìn)行相關(guān)分析，得到相關(guān)系數(shù)為0.49，說(shuō)明表層土壤砷含量與深層土壤砷含量存在較為明顯的相關(guān)性，表層土壤砷含量表現(xiàn)出較為明顯的繼承性。但深層土壤和表層土壤砷含量的空間分異強(qiáng)度存在較大差異。與表層土壤砷空間分布圖相比，深層土壤砷含量空間分布圖中圖斑面積較大，并且圖形較相對(duì)完整，空間分異較為明顯，空間分異強(qiáng)度較大。從表層土壤和深層土壤砷的空間分布可知，As在水平空間的遷移能力較強(qiáng)，并且水是主要的遷移載體。

3.2 表層土壤砷和深層土壤砷含量變化量水平空間分異特征

對(duì)表層土壤砷元素含量、深層土壤中As元素含量和表層土壤與深層土壤砷含量差值進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明表層土壤砷含量與深層土壤砷含量的變化量較大。變化量為正值，說(shuō)明土壤砷表現(xiàn)為富集，變化量為負(fù)值，說(shuō)明土壤砷出現(xiàn)流失現(xiàn)象。土壤砷富集最大值為31.4 mg·kg-1，土壤砷流失最大值為162.3 mg·kg-1。表層土壤中As元素的含量的幾何平均值和幾何中位值都低于深層土壤中含量，說(shuō)明表層土壤砷比深層土壤砷含量低，主要表現(xiàn)為土壤砷流失。在研究區(qū)內(nèi)表層土壤中As元素含量的標(biāo)準(zhǔn)差小于深層土壤中As元素含量的標(biāo)準(zhǔn)差，說(shuō)明表層土壤砷含量較深層土壤砷含量的差異有變小的趨勢(shì)。詳見表1。

對(duì)表層土壤砷和深層土壤砷含量變化量進(jìn)行插值分析，依據(jù)累積頻率均勻分為十等，模擬研究區(qū)內(nèi)表層土壤砷和深層土壤砷含量變化狀況（見圖3）。

圖2 深層土壤砷含量空間分布Fig.2 Arsenic concentration in deep soil

表1 表層土壤、深層土壤砷元素含量對(duì)比Table 1 Arsenic concentrations in surface soil and deep soil and the change value of Arsenic concentrations (mg·kg-1)

圖3 As元素含量差值空間分布Fig.3 Change value of Arsenic concentrations

研究區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)表現(xiàn)為表層土壤砷較深層土壤砷含量下降，僅在小范圍內(nèi)出現(xiàn)土壤砷含量增加的現(xiàn)象，并且圖中圖斑圖形較為破碎，分布無(wú)明顯規(guī)律。

3.3 表層土壤砷和深層土壤砷含量變化量影響因素分析

利用R軟件對(duì)土壤砷含量差值和高程、坡度和距水面最近距離分別進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果分別為0.047、0.035、0.036，無(wú)顯著相關(guān)性，說(shuō)明地形因素和水文因素不是造成表層和深層土壤砷含量差異的主要原因。對(duì)土壤砷含量差值和7種土地利用分類進(jìn)行Kruskal-Wallis檢驗(yàn)，以0.05為顯著性水平，得出P＜2.2×10-16，由此可知各土地利用類型間土壤砷含量差值有較大差別，即人類對(duì)土壤的不同方式的定向干預(yù)對(duì)土壤砷含量差值的影響較大，是造成土壤砷含量差值無(wú)規(guī)律分布的主要原因。

從表2可知，土壤砷含量變化量最大的為耕地，并且方差也最大，未利用地的土壤砷含量差值變化最小，方差也為最小。在以上7種用地類型中，耕地是對(duì)土壤結(jié)構(gòu)破壞最為嚴(yán)重的，也表現(xiàn)出土壤砷含量變化最為劇烈，其次為建設(shè)用地、林地、園地、草地，人為干擾對(duì)土壤結(jié)構(gòu)影響最小的是未利用地，未利用地的土壤砷含量也表現(xiàn)出最小的變化幅度。河流湖泊的沉積物中的砷含量變化主要受到水體中砷含量的影響，而水體中砷的含量與其他6種地類的土壤砷的流失密切相關(guān)。由此可見，人類的生產(chǎn)、生活活動(dòng)通過(guò)改變土壤空隙從而影響土壤砷的遷移速度和遷移距離，人類對(duì)土壤結(jié)構(gòu)干預(yù)的強(qiáng)度直接影響著土壤砷含量的變化。

表2 各土地利用類型的土壤砷含量差值對(duì)比Table 2 Change value of As concentration between surface soil and deep soil in different land use types

4 討論與結(jié)論

本研究在進(jìn)行土壤砷的水平空間分異研究時(shí)，分別對(duì)表層土壤和深層土壤進(jìn)行采樣，對(duì)比分析土壤砷的空間分異特征和土壤砷含量差值的空間分異特征，較為客觀地分析了土壤砷在發(fā)育過(guò)程中的空間繼承性；在進(jìn)行影響因素分析時(shí)，通過(guò)對(duì)土壤砷含量變化量反映表層土壤中砷元素的富集和流失狀況，并從高程、坡度、距河流距離和土地利用類型等方面進(jìn)行影響因素分析，并進(jìn)一步解釋表層土壤砷空間分異的強(qiáng)度變化。對(duì)土壤砷空間格局的影響因素的進(jìn)一步研究可以地質(zhì)、地貌、氣候和水文等影響因素進(jìn)行分析，以彌補(bǔ)本研究中對(duì)土壤砷空間分異研究的不足。

研究區(qū)內(nèi)土壤砷的水平遷移活動(dòng)較為明顯，水是主要遷移載體。深層土壤砷的空間分布格局與表層土壤砷的空間分布格局較為相似，均表現(xiàn)為土壤砷含量從地勢(shì)低平的松花江、嫩江干流向地勢(shì)較高地帶呈逐漸增加的趨勢(shì)。深層土壤砷的空間分異強(qiáng)度比表層土壤砷的空間分異強(qiáng)度高。表層土壤砷含量及空間分布表現(xiàn)出對(duì)深層土壤砷的較明顯的繼承性。人類的生產(chǎn)生活活動(dòng)加速了表層土壤砷的流失，人類對(duì)土地干擾程度的差別，是造成土壤砷含量變化量在水平空間無(wú)規(guī)律分布的主要原因，因此在表層土壤中，砷元素表現(xiàn)出流失和富集的無(wú)序分布的狀態(tài)。

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