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

（1.東北農業大學資源與環境學院，哈爾濱 150030，2.東北農業大學水利與建筑學院，哈爾濱 150030）

砷（As）是自然界中廣泛存在的類金屬，具有較強的致畸、致癌作用。土壤砷通過影響作物的生長，進而影響農產品的產量[1]，通過富集在動植物體內進入食物鏈，以無機砷元素的形式富集在稻米和蔬菜中[2]，影響糧食產量和質量。土壤砷的空間變異特征研究為土壤保護和農業區域規劃提供必要依據。

國內外對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、動物及人類體內富集效果的研究[5-6]；人類活動對土壤砷遷移的影響研究[7-8]等。以往對土壤砷的空間分異規律的研究通常是以土壤背景值為依據衡量表層土壤砷的含量變化，并結合土地利用方式進行人為影響因素分析。這種方法在某種程度上忽略了地質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來衡量表層土壤砷含量及土壤砷含量變化量，并對高度、坡度等地形要素，距河流遠近等水文因素和土地利用類型等人為影響因素進行綜合分析，對松嫩平原北部土壤砷的水平空間分異規律進行分析。

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，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，是中國重要的商品糧生產基地。

研究區為松嫩平原北部，總面積為8.15萬km2工作區地理坐標為 ① 東經122°25′，北緯48°00′；② 東經127°45′，北緯48°00′；③ 東經122°25′，北緯 45°35′；④ 東經 127°45′，北緯 45°35′。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。

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元素含量對作物的產量、質量及人類健康影響較大，并且對人為干擾較為敏感；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，較難通過淋溶作用富集到深層土壤，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，樣品布點按照標準格網進行均勻布點，表層土壤樣本按4個點/4 km2的密度進行采集，將每4個采樣點進行土壤樣本混合，共獲得混合樣本20 701個。深層土壤樣本4個點/16 km2的密度進行布點，按每4個采樣點進行土壤樣本混合，共獲得混合樣品5 301個。采用原子熒光法對土壤中As元素含量進行測定[9-10]，檢出限為1 μg·g-1。

2.2 土地利用類型數據的獲取

在ERDAS軟件的支持下，以1∶50 000等高線地形圖為依據對2009年的中巴資源衛星影像（精度為19.8 m）進行正射校正。依據人類對土壤物理結構的干擾強度將土地利用類型分為7類，包括：耕地、園地、林地、草地、建設用地、水面、未利用地等。制定土地利用分類標準，利用監督分類提取土地利用類型信息。

2.3 數值高程模型（DEM）及坡度數據的獲取

在ArcGIS軟件的支持下，利用地統計分析模塊的空間插值法，依據研究區的1∶50 000等高線地形圖，生成數值高程模型（DEM），并通過三維分析，獲得坡度圖。

2.4 表層和深層土壤砷水平空間分異規律的模擬

利用ArcGIS軟件的地統計分析模塊，以表層土壤和深層土壤砷樣本的化驗結果為依據，對表層土壤和深層土壤砷的水平空間分布進行模擬。以往研究表明，土壤砷含量經對數轉換后符合正態分布[11]。因此在對表層土壤和深層土壤砷元素進行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預測，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

分別對表層土壤砷、深層土壤砷、土地利用類型數據進行疊加分析，將疊加分析結果與高程信息、坡度信息進行整合，并計算出每一個面要素的中心點距最近的河流、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，在進行疊加分析時用土壤樣本含量代替采樣柵格內的土壤含量值，即表層和深層土壤樣本單元格網內砷含量為均值。

利用R軟件對表深層土壤砷含量差值、高程、坡度等因素進行了相關分析。土地利用類型為分類數據，對表深層土壤砷含量差值與土地利用類型進行Kruskal-Wallis檢驗，以驗證對土壤的人為定向干預對土壤砷含量變化是否有影響。

3 結果與分析

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（5～10 mg·kg-1），低于中國第一次土壤普查數據中幾何平均值9.2 mg·kg-1。根據中國環境質量標準，對表層土壤砷元素含量進行分級評價，研究區內98.7%的區域屬于一級區，在中國屬于As元素含量較低、較為清潔健康的區域。

從圖2中的正態Q-Q分布圖中，可以發現表層土壤砷元素含量經過對數轉換后基本服從正態分布。利用空間插值對研究區進行表層土壤砷含量模擬，并依據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，在研究區內土壤砷含量呈漸變趨勢：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；土壤砷含量較高區域主要分布在地勢相對較高的北部地區（甘南縣、龍江縣、依安縣、拜泉縣）和東部部分地區；其余地區土壤砷含量處于過渡水平。

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（5～10 mg·kg-1），略高于中國第一次土壤普查數據中幾何平均值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較大。

如圖2所示，深層土壤砷的水平分布趨勢與表層土壤砷分布格局較為相似，說明深層土壤砷含量對表層土壤砷含量有較大影響。對表層土壤砷含量和深層土壤砷含量進行相關分析，得到相關系數為0.49，說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性，表層土壤砷含量表現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，并且圖形較相對完整，空間分異較為明顯，空間分異強度較大。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，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行對比分析。結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，說明土壤砷表現為富集，變化量為負值，說明土壤砷出現流失現象。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，說明表層土壤砷比深層土壤砷含量低，主要表現為土壤砷流失。在研究區內表層土壤中As元素含量的標準差小于深層土壤中As元素含量的標準差，說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。詳見表1。

對表層土壤砷和深層土壤砷含量變化量進行插值分析，依據累積頻率均勻分為十等，模擬研究區內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

研究區內大部分地區表現為表層土壤砷較深層土壤砷含量下降，僅在小范圍內出現土壤砷含量增加的現象，并且圖中圖斑圖形較為破碎，分布無明顯規律。

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軟件對土壤砷含量差值和高程、坡度和距水面最近距離分別進行相關分析，結果分別為0.047、0.035、0.036，無顯著相關性，說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。對土壤砷含量差值和7種土地利用分類進行Kruskal-Wallis檢驗，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，即人類對土壤的不同方式的定向干預對土壤砷含量差值的影響較大，是造成土壤砷含量差值無規律分布的主要原因。

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，耕地是對土壤結構破壞最為嚴重的，也表現出土壤砷含量變化最為劇烈，其次為建設用地、林地、園地、草地，人為干擾對土壤結構影響最小的是未利用地，未利用地的土壤砷含量也表現出最小的變化幅度。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。由此可見，人類的生產、生活活動通過改變土壤空隙從而影響土壤砷的遷移速度和遷移距離，人類對土壤結構干預的強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比Table 2 Change value of As concentration between surface soil and deep soil in different land use types

4 討論與結論

本研究在進行土壤砷的水平空間分異研究時，分別對表層土壤和深層土壤進行采樣，對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育過程中的空間繼承性；在進行影響因素分析時，通過對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行影響因素分析，并進一步解釋表層土壤砷空間分異的強度變化。對土壤砷空間格局的影響因素的進一步研究可以地質、地貌、氣候和水文等影響因素進行分析，以彌補本研究中對土壤砷空間分異研究的不足。

研究區內土壤砷的水平遷移活動較為明顯，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，均表現為土壤砷含量從地勢低平的松花江、嫩江干流向地勢較高地帶呈逐漸增加的趨勢。深層土壤砷的空間分異強度比表層土壤砷的空間分異強度高。表層土壤砷含量及空間分布表現出對深層土壤砷的較明顯的繼承性。人類的生產生活活動加速了表層土壤砷的流失，人類對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規律分布的主要原因，因此在表層土壤中，砷元素表現出流失和富集的無序分布的狀態。

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