基于普通克里格的中山市農(nóng)田土壤砷的空間變異特性

(中山市環(huán)境監(jiān)測站，廣東中山，528400)

1 引言

砷屬于常見毒性較高的重金屬之一，土壤中的砷的天然濃度一般較低，據(jù)調(diào)查中國表層土壤中砷的濃度范圍在0.01×10-6～626×10-6mg/m3之間，主要集中于2.5×10-6～33.5×10-6mg/m3之間[1]。含砷農(nóng)藥的施用，礦山、工廠含砷廢水的排放以及燃煤、冶煉排出的含砷飄塵的降落是導(dǎo)致土壤中砷的累積的主要因素[2-3]，通過植物的吸收并逐漸累積進(jìn)入食物鏈的高級(jí)環(huán)節(jié)，具有極大的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。因此，了解砷在土壤中的累積及分布情況對有效防止砷污染具有非常重要的作用。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域概況

中山市位于珠三角中心地區(qū)，經(jīng)度范圍由東至西113.1506°-113.7667°，緯度范圍由北至南22.1867°- 22.7764°，總面積約1800km2。地域形狀為“南北狹長，東西短窄”，轄區(qū)內(nèi)北部和南部為平原區(qū)、中部為山地區(qū)。同時(shí)，隨著中山經(jīng)濟(jì)的長期高速增長，北部工業(yè)化和中部城市化規(guī)模較高，農(nóng)田主要集中分布于東北部和南部，該區(qū)域主要為珠江沖積平源，主要土壤類型為水稻土、赤紅壤、基水地。

2.2 采樣與分析

2.2.1 布點(diǎn)與采樣

點(diǎn)位布設(shè)采用網(wǎng)格法與半隨機(jī)相結(jié)合的方式，同時(shí)考慮與省級(jí)以上交通干線距離大于150米，與居民聚居區(qū)距離大于300米，與典型污染源距離大于600米，與房屋、小道路、溝渠、糞坑、墳?zāi)沟染嚯x大于50米等限制條件，在1980m×1980m網(wǎng)格內(nèi)選取合適的農(nóng)田采集樣品。以采樣點(diǎn)中心劃定20m×20m采樣區(qū)域，采集0～20cm表層土壤至少采集5個(gè)分點(diǎn)樣品混合，共計(jì)58個(gè)土壤樣品。

圖1 研究區(qū)域及土壤點(diǎn)位分布圖

2.2.2 制樣與分析

土壤除去雜質(zhì)后在陰涼處自然風(fēng)干；全部樣品手工粗磨后過2mm篩，用四分法分樣和稱重，其中三份樣品留樣，另一份繼續(xù)手工細(xì)磨過孔徑0.15mm(100目)篩。按照《土壤檢測土壤質(zhì)量 總汞、總砷、總鉛的測定 原子熒光法 第2部分 土壤中總砷的測定》(GB/T 22105.2-2008)對土壤中砷進(jìn)行檢測。

2.3 研究方法

變異函數(shù)作為地統(tǒng)計(jì)學(xué)的主要研究工具，有塊金值(Nugget)、基臺(tái)值(Sill)和變程(Range)三個(gè)主要參數(shù)。通過這三個(gè)參數(shù)反應(yīng)了變量在空間隨機(jī)性、結(jié)構(gòu)性以及空間相關(guān)性和依賴性關(guān)系。當(dāng)變異函數(shù)的間隔距離為0時(shí)，變異函數(shù)為一個(gè)恒定的常數(shù)，該值稱為塊金值，塊金值表示隨機(jī)部分的空間變異性。隨間隔距離的增大，從非零值達(dá)到一個(gè)相對穩(wěn)定的常數(shù)時(shí)，該常數(shù)稱為基臺(tái)值。變異函數(shù)達(dá)到基臺(tái)值時(shí)的間隔距離稱為變程[4-7]。

空間變異性主要由隨機(jī)性變異和結(jié)構(gòu)性變異組成。如果塊金值較大，表明較小尺度(500m范圍內(nèi))上具有某種不可忽略的因素[8]，必須引起足夠的重視。塊金效應(yīng)(C0/C0+C)是塊金值與基臺(tái)值的比，比值越小空間相關(guān)性越強(qiáng)：比值小于25%，說明具有強(qiáng)烈的相關(guān)性；比值大于75%，表明幾乎不具有空間相關(guān)性。塊金效應(yīng)反映了空間異質(zhì)性，表明隨機(jī)變異性部分占總空間變異的程度，塊金效應(yīng)越強(qiáng)，則隨機(jī)性因素越強(qiáng)，空間自相關(guān)程度則越弱。變程反映空間自相關(guān)的作用范圍，它與觀測以及采樣尺度上的各種過程的相互作用有關(guān)。在變程范圍內(nèi)，變量有空間自相關(guān)性，反之則無空間自相關(guān)性，可以在一定程度上反映土壤重金屬的主要變異過程的變化。

2.4 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS軟件實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計(jì)、及正態(tài)分布檢驗(yàn)；用GS+軟件實(shí)現(xiàn)對半變異函數(shù)的擬合，利用Arcgis軟件做插值分析并繪制預(yù)測分布圖。

3 結(jié)果與討論

3.1 描述性統(tǒng)計(jì)特征

研究區(qū)58個(gè)土壤樣品分析結(jié)果見表1。由表1知，土壤中砷的濃度范圍為10.1～27.7mg/kg；但全部樣品均達(dá)到《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-1995)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；土壤中砷的平均值為19.1，高于廣東省土壤砷背景值8.9[9]，說明近年來中山市土壤中砷已有一定程度的富積；Shapiro-Wilk檢驗(yàn)sig.值為0.59，符合正態(tài)分布。

表1 砷的描述性統(tǒng)計(jì)量

3.2 空間異質(zhì)性分析

砷的監(jiān)測結(jié)果符合正態(tài)分布，因此直接對數(shù)據(jù)進(jìn)行半變異函數(shù)模型擬合，擬合結(jié)果見圖2。由圖2知，砷的空間結(jié)構(gòu)性不佳，最佳擬合模型為高斯模型，其塊金值為7.48，基臺(tái)值為20.9，r2值為0.34。塊金值與基臺(tái)值之比為35.8%，屬于中等強(qiáng)度相關(guān)，說明砷的空間異質(zhì)性受土壤內(nèi)在屬性以及人為因素共同作用。另外，因?yàn)樽兂梯^小，說明砷的空間自相關(guān)性尺度較小。

圖2 砷的半變異擬合圖函數(shù)擬合模型圖

3.3 空間分布特征

由以上模擬模型及參數(shù)進(jìn)行普通克里格空間插值，插值結(jié)果及其誤差分布分別見圖3和圖4。因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)位分布的密度不同，在中部和北部的誤差相對偏高(圖4深色部分)，因此，圖3在東北部和南部地區(qū)的分布特性表現(xiàn)得更好。又圖3可以看出，砷的空間部分特征具有一定的連續(xù)性，整體上表現(xiàn)為東部高于西部、南部高于北部。從實(shí)際用地功能看，圖3中的高濃度地區(qū)主要是大面積的農(nóng)田分布區(qū)，低濃度地區(qū)主要是工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)，可以大致表明中山農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對砷的富集影響高于工業(yè)生產(chǎn)，砷可能主要來源于施肥及含砷農(nóng)藥的使用等。

圖3 土壤砷的空間克里格插值圖(mg/kg)

圖4 土壤砷的空間克里格插值誤差分布圖

4 結(jié)論

(1)半方差函數(shù)表明砷的空間異質(zhì)性為中等強(qiáng)度等級(jí)，空間自相關(guān)性尺度較小，受土壤內(nèi)在屬性以及人為因素共同作用。

(2)砷的分布特征呈東高西低、南高北低的態(tài)勢，大致表明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對砷的富集影響高于工業(yè)生產(chǎn)，砷可能主要來源于施肥及含砷農(nóng)藥的使用等。