松嫩平原北部土壤砷水平分異特征分析1)

張慧付強林佳

(東北農業大學，哈爾濱，150030)

砷(As)是一種在自然界中廣泛存在的具有較強毒性、致畸和致癌作用的類金屬元素，其性質無色無味、易溶于水，易于對生態環境和生物健康產生危害［1-2］。土壤砷通過影響作物的生長從而影響農產品的產量［3］，并且通過富集在動植物體內進入食物鏈，從而影響糧食質量［4］。松嫩平原是我國重要的商品糧生產基地，掌握其土壤砷元素梯度變化及其影響因素，對區域生態安全和人類健康有重要意義，對我國糧食安全和社會穩定有著深遠影響。國內外對于土壤砷的研究主要包括:土壤砷分布特征［5-7］，不同土壤砷質量分數對植物、動物和人體砷元素富集的影響［8-10］，人類活動對土壤砷質量分數變化的影響［11-13］。人類活動對土壤砷質量分數影響的分析多在中小尺度上進行，以表層土壤砷為研究對象，著重分析不同的人類活動對土壤砷富集的差異影響，研究方法主要是將不同人類活動影響下的土壤砷質量分數直接進行對比分析，忽視了由成土母質和地形要素等自然影響因素造成的表層土壤砷質量分數的差異。本研究在較大尺度上分析表層土壤砷質量分數的梯度變化，并以深層土壤砷的質量分數為依據對表層土壤砷質量分數變化量進行影響因素分析，較為充分地兼顧了自然和人為影響因素對土壤砷質量分數變化的影響。

1 研究區概況

松嫩平原位于黑龍江省西南部和吉林省西北部，是由松花江和嫩江沖積而成的平原，與烏克蘭大草原和美國密西西比河流域黑土帶并稱世界三大黑土帶之一。松嫩平原地處中溫帶，夏季溫熱多雨，冬季寒冷漫長。土地遼闊，土壤肥沃，耕種歷史悠久。本研究區為松嫩平原北部，總面積為8.15萬km2的黑龍江省內部分，在哈爾濱、大慶、齊齊哈爾、綏化管轄范圍內，共涉及28個市縣。土壤類型以黑土、黑鈣土和草甸土為主。地勢總體上呈現出西北高、東南低的趨勢，區內地勢平坦，僅在山脈與平原相接處發育有丘陵、漫崗。根據松嫩平原的氣候、地形、地質地貌等特征，將松嫩平原北部劃分為2個亞區，即松嫩高平原區和松嫩低平原區，如圖1所示。

圖1 研究區示意圖

2 研究方法

2.1 土壤樣品的采集與分析

分別采集表層土壤(0～20 cm)和深層土壤(1 m)樣本。表層土壤的砷元素質量分數對作物的產量、質量及人類健康影響較大，而且對人為干擾較為敏感［14-15］;深層土壤受人為干擾影響較小，它的主要成分受成土母質和自然成土因素影響較大。土壤樣本采集時間為2005—2007年，用4 km2的標準格網對研究區進行區域劃分，采樣點位于格網中心。表層土壤樣本按每4 km21個點的密度進行采集，共獲得表層土壤樣品20 701個。深層土壤樣本按每16 km21個點的密度進行布點，即4個標準格網為一個采樣單元，共獲得深層土壤樣品5301個，布點圖見圖2。采用原子熒光法對土壤中砷元素質量分數進行測定［16-17］，檢出限為 1 μg/g。

圖2 深層土壤、表層土壤樣本采集布點圖

2.2 研究區土壤砷分布梯度變化規律的模擬和分析

采用地統計學的空間異質性分析對表層土壤砷和深層土壤砷的空間變異特征進行分析。空間異質性是產生空間格局的主要原因，主要通過空間格局的強度、尺度及空間結構來反映［18-20］。參數主要包括塊金值、結構方差、基臺值、塊金系數和變程等。塊金值(Co)代表了隨機因素造成的異質性;結構方差(C)代表由結構性因素引起的變異;基臺值(Co+C)表示系統內總的變異;塊金系數(Co/(Co+C))是反映區域化變量空間異質性程度的重要指標，塊金系數高說明由隨機因素引起的空間變異性程度較大，相反則由結構性因素引起的空間變異性程度較大。

利用ArcGIS軟件對表層土壤砷和深層土壤砷進行普通克里金插值分析，模擬表層土壤砷和深層土壤砷的空間分布特征。克里金法是以半方差函數為理論基礎，對區域化變量進行無偏估值的一種方法［23］。為保證克里金插值結果的精度，需要對數據進行正態分布驗證。以往研究表明，土壤砷質量分數經對數轉換后符合正態分布［24］。因此在對表層土壤和深層土壤砷元素進行了對數轉換并通過了正態分布檢驗后，利用普通克里金插值對表層土壤和深層土壤砷的水平分異規律進行模擬，得到表層土壤和深層土壤砷的水平空間分布圖。

3 結果與分析

3.1 土壤砷質量分數特征

表層土壤中砷質量分數最大值為41.0 mg/kg，最小值為 1.4 mg/kg，幾何平均值為 8.68 mg/kg，在自然中砷的背景值(5～10 mg/kg)范圍內［9-10］，低于中國第1次土壤普查數據中幾何平均值9.2 mg/kg。根據《中國環境質量標準》，對表層土壤砷元素質量分數進行分級評價，研究區內98.7%的區域屬于一級區，在中國屬于砷元素質量分數較低、較為清潔健康的區域。深層土壤砷質量分數最大值為170.5 mg/kg，最小值為 1.0 mg/kg，幾何平均值為 9.33 mg/kg，與自然中砷的背景值水平相當(5～10 mg/kg)，略高于中國第1次土壤普查數據中幾何平均值9.2 mg/kg。深層土壤砷質量分數高于表層土壤砷質量分數，土壤砷質量分數的變化幅度也相對較大。有研究表明砷在土壤中的垂直遷移能力較差，水體中的砷多被吸附在表層土壤中［24］，因此深層土壤中砷的主要來源為成土母質，而不是由于淋溶造成的表層土壤砷富集于深層土壤中(表1)。

3.2 土壤砷空間格局強度

表層土壤砷的塊金值、結構方差和基臺值都明顯小于深層土壤砷的相關指標，在水平空間上表層土壤砷質量分數的變化幅度要小于深層土壤砷質量分數的變化幅度。表層土壤砷的塊金系數在25%～50%(表2)，說明表層土壤砷的分布具有中等空間自相關性;深層土壤砷的＜25%，說明具有強烈的空間相關性，具有非常明顯的空間結構性。表層土壤砷和深層土壤砷的變程也有較明顯的差異，表層土壤砷的變程為168 km，深層土壤砷的變程為705 km，深層土壤砷在水平方向上的差異影響范圍遠大于表層土壤砷的差異影響范圍。以上因素對于土壤砷的分布格局的影響表現為，在研究區內表層土壤砷質量分數變化幅度較小，質量分數分布圖(圖3)中圖斑面積較小，而且圖形較為破碎，深層土壤砷質量分數變化幅度較大，質量分數分布圖(圖4)中圖斑面積較大，圖形相對完整。由此可見，深層土壤砷的空間格局強度較大，表層土壤砷的空間格局強度相對較小。

3.3 土壤砷空間格局

經對數轉換，表層土壤砷和深層土壤砷質量分數基本服從正態分布(圖3、圖4)。在研究區內土壤砷元素質量分數呈現水平梯度變化，水平空間分布格局也較為相似，質量分數較低區域主要集中在松花江、嫩江主干流和齊齊哈爾、大慶湖泊密集區，土壤砷質量分數呈現出向研究區北部、東部逐漸增大的趨勢。

表1 表層土壤、深層土壤砷元素質量分數 mg·kg-1

表2 松嫩平原北部表層土壤和深層土壤砷空間自相關特征

圖3 表層土壤砷質量分數空間分布圖

圖4 深層土壤砷質量分數空間分布圖

3 結論

依據中國環境質量分級標準，松嫩平原北部98.7%的面積表層土壤砷質量分數屬于一級區，是土壤砷質量分數較低、較為清潔健康的區域。深層土壤砷質量分數高于表層土壤砷質量分數，并且深層土壤砷的質量分數差異較大，結構性因素造成的空間變異非常明顯，其水平空間分異格局強度較大;表層土壤砷的質量分數差異相對較小，結構性因素引起的空間變異較為明顯，隨機性因素對其空間變異結構造成一定干擾，其水平空間分異格局強度相對較小。表層土壤砷和深層土壤砷的水平空間分布格局較為相似，均呈現出土壤砷質量分數由松花江、嫩江主干流和齊齊哈爾、大慶湖泊、濕地密集區向周圍逐漸增加的趨勢，松嫩高平原區土壤砷質量分數高于松嫩低平原區土壤砷質量分數。

成土母質中砷元素質量分數及砷元素的水平遷移是研究區內土壤砷水平空間格局的主要影響因素。水體為土壤砷水平遷移的主要載體。人類活動對土壤砷的質量分數和空間格局強度都有較為明顯的影響。主要表現為，人類活動加速了土壤砷的流失，導致了土壤砷質量分數的降低。人類活動對土壤砷的水平遷移的范圍造成了影響，縮短了土壤砷的遷移距離。因此，人類活動在一定程度上降低了研究區內土壤砷的空間格局強度。

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