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勘查院，湖南 長沙 410116）

長期以來，伴隨著人類對自然干預和土地索取的增強，土地安全問題備受關注。為了保障工農業生產的可持續發展，對土壤中重金屬元素狀況進行檢測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，通過地統計學和GIS空間分析來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]，為地區土地利用規劃調整、土壤環境保護等提供依據。

1 研究區概況

新田縣位于湖南省永州市東南部，地處陽明山南麓，地理坐標為:東經112°02'～112°23'，北緯25°40'～26°06'，土地總面積1022平方公里。該縣地貌類型復雜，全區大體呈現“五分山丘、三分崗地、二分平原和水面”的格局，處于季風濕潤氣候區域。農業是縣域經濟的支柱產業，全縣土地農業利用率達83.32%。近年來新田縣大力發展特色農業、生態健康養殖業，立足優質土地資源，將生態、綠色、富硒農業做大做強，已成為當地農民脫貧致富的重要途徑之一。

2 樣品采集與分析方法

數據來自“湖南新田縣土地質量地球化學評估”項目，工作時間為2011-2014，共有表層土壤數據4440條。

土壤采樣密度為4.05個點/km2，采集地表下20厘米內連續的A層（耕作層）土柱。野外采樣點位使用GPS并結合地形圖定點，在選擇的采樣位置周圍20m~50m范圍內等量采集5個子樣，通過縮份組成一個樣品。上述樣品采樣重量大于1000g，樣品經自然干燥后過20目（<0.84mm）篩，送實驗室加工至-200(<0.074mm)目進行分析測試。土壤pH值采用過10目（<2mm）篩后進行樣品測定。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統計軟件對對原始數據的樣本數、最大值、最小值、算術平均值、幾何平均值、眾值、中位值、離差、幾何離差等等地球化學參數進行統計。為避免產生比例效應，在進行半方差分析之前應確保數據符合正態分布。使用GeoChem Studio軟件多次剔除數據中的離群值（或）后，再采用K-S方法對數據進行正態分布檢驗。如果數據不符合正態分布，對原始數據進行對數轉化，將數據的分布類型轉換為正態分布或接近正態分布，以滿足半方差分析的要求[2]。

采用GIS軟件對符合正態分布的數據進行半方差函數分析和模型的選擇，得到土壤重金屬元素半方差函數的理論模型及相關參數[2]。利用GeoExpl軟件，進行元素地球化學圖的制作。

3 土壤重金屬元素地球化學參數特征

新田縣表層土壤中As、Hg、Cd、Cu、Pb、Zn含量的統計及正態分布性檢驗結果如表1所示。變異系數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%），按照變異系數的分級標準，研究區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參數統計

偏度系數表示數據分布偏離對稱性程度的參數，偏度系數越接近0，原始數據越服從正態分布。As、Hg、Cd、Cu、Pb、Zn的偏度系數都偏大，只有Cd最接近0。峰度系數則是度量數據在中心聚集程度，峰度系數越接近0，原始數據越服從正態分布。重金屬數據中僅有Cu的峰度系數為0.02，最接近0。對以上重金屬元素的原始數據進行K-S正態檢驗,結果顯示這些元素均不服從正態分布。將重金屬數據進行對數轉換，使數據基本服從正態分布[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來表征土壤元素的空間變異程度，利用GS+7.0軟件對重金屬元素數據進行半方差分析，擬合出精度較高的半方差函數模型及相應的參數。最佳模型的選擇主要依據決定系數，其次依據塊金系數和變程[4]。由表2可知，研究區土壤重金屬元素擬合最佳模型均是指數模型，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部分(隨機性因素)和自相關部分(結構性因素)兩部分組成。塊金系數C0/C0+C表示隨機性因素引起的空間變異占系統內總變異的比例，塊金系數小于25%,表明變量有強烈的空間相關性;塊金系數介于25%和75%之間,表明變量有中等程度的空間相關性;塊金系數大于75%,表明變量空間相關性較弱[5]。

表2 土壤重金屬元素半方差函數的擬合模型與參數

由表2可知，他們的空間變異規律為：塊金常數與基臺值比率Cu（50.00 %）>Cd（46.97%）>Hg（37.80%）>Zn（30.50%）>As（28.66 %）>Pb（10.85%）。As、Cd、Hg、Cu、Zn具中等強度的空間相關性，其空間相關由土壤的結構性因素(氣候、母質、地形、土壤類型等)和隨機性因素（施肥、耕作、種植制度等）共同作用的結果，且結構性因素所占的比例略大[5]。Pb的塊金系數為10.85%，具強烈的空間相關性，它的分布特征受土壤系統結構的影響強烈，隨機性因素影響較小。

變程反映空間相關性的最大距離，在變程范圍內，變量之間具有空間相關性，當超過變程時，認為變量是相互獨立的[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，達到74.97km；Pb的變程最小，為為2.88km，空間相關性范圍較小。

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土壤重金屬元素的空間分布特征，精準地為新田縣農業生產、土地利用、土地管理提供可靠依據，利用GeoExpl軟件，采用指數加權法進行數據網格化，以累積頻 率0.5%、1.5%、4%、8%、15%、25%、40%、60%、75%、85%、92%、96%、98.5%、99.5%相對應的15級含量繪制出土壤重金屬元素的地球化學圖（見圖1、圖2）。

Cd的高背景區主要分布在冷水井鄉-毛里鄉-龍泉鎮-蓮花鄉一帶以及石羊鎮等鄉鎮。南部地區的鎘元素含量明顯比北部高，門樓下鄉東部低值區最為明顯。Hg的高值區主要分布在新田縣城周圍、新圩鎮東部-高山鄉-陶嶺鄉、十字鄉西部，低含量區位于門樓下鄉南部以及金陵鎮北部等地區。Pb的高含量區主要分布在毛里鄉東北部-龍泉鎮-新田縣城西部、石羊鎮等地區；低含量區主要分布在肥沅水庫向東一帶、金陵鎮等地區。As的高值區主要分布在龍泉鎮-新田縣城之間、新圩鎮東南部、石羊鎮中部及南部。低值區主要分布在新田縣北部，以冀村鎮較為明顯。Cu的高值區位于新田縣城及東偏北方向的蓮花鄉、金陵水庫東部，低值區主要分布在肥沅水庫往東方向及金陵鎮北部等地區。Zn的高值區位于龍泉鎮-毛里鄉一帶，石羊鎮也有高值分布；低值區位于冀村鎮至金陵鎮一帶，金陵鎮與門樓下鄉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北部地區含量少，中部和南部略高的趨勢。表明研究區的中部和南部地區存在有相對較高的土壤重金屬污染風險，警示人為活動要避免造成或加重土壤重金屬污染。

6 小結

（1）統計結果表明，研究區土壤中重金屬元素均為中等變異，元素分布較不均勻。

（2）研究區土壤Cd、Hg、Pb、As、Cu、Zn等元素含量的空間變異函數均為指數模型。其中，As、Cd、Hg、Cu、Zn具中等強度的空間相關性，其變異是由土壤的結構性因素和隨機性因素共同作用的結果，顯示有人為作用的參與。Pb具強烈的空間相關性，它的分布特征受土壤系統結構的影響強烈，人為因素的干擾影響較小。

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