三江平原蔬菜主产地农田土壤重金属空间分布特征1)——以佳木斯郊区为例

牛佳田 汪群慧 郭钦奎 贾志强

(哈尔滨工业大学，哈尔滨，150087) (佳木斯市质量检验检测中心)

李 奕 黄昌盛 李发生

(佳木斯环保局环境检测站) (佳木斯勘察设计研究院基础地理信息中心) (中国环境科学研究院)

三江平原蔬菜主产地农田土壤重金属空间分布特征1)
——以佳木斯郊区为例

牛佳田 汪群慧 郭钦奎 贾志强

(哈尔滨工业大学，哈尔滨，150087) (佳木斯市质量检验检测中心)

李 奕 黄昌盛 李发生

(佳木斯环保局环境检测站) (佳木斯勘察设计研究院基础地理信息中心) (中国环境科学研究院)

基于GIS，对三江平原蔬菜主产地——佳木斯郊区农业土壤布点进行重金属(Cd、Hg、As、Pb、Cr)监测和分析。结果表明:①重金属 Cd、Hg、As、Pb、Cr质量分数，分别为0.200～0.280、0.029～0.110、13.800～18.500、16.200～27.780、21.650～39.350mg/kg-1，对比三江平原土壤微量元素背景值，均有不同程度累积与升高;②检测结果符合中华人民共和国农业行业标准NY5332—2006《无公害食品大田作物产地环境条件》的标准要求，适合开展无公害与绿色农产品的生产;③通过地统计分析得出5种重金属中，As、Cr、Hg、Cd为中等强度空间自相关，Pb为弱强度空间自相关，基底效应值从大到小顺序为Cd、As、Hg、Cr、Pb。研究区农业土壤重金属的质量分数及空间分布主要受母质、地形地貌、土壤性质等内在因素影响，但外在的因素(如，耕作方式、施肥施药等)影响也不容忽视。

农田土壤;重金属;空间分布;三江平原;佳木斯郊区

中国是世界蔬菜第一生产大国，播种面积、总产量已连续多年位居世界第一位，蔬菜产业已经成为中国农业和农村经济发展的支柱产业[1]。近年来，随着人们生活水平提高和人口不断增长，优质蔬菜需求量呈现上升趋势，蔬菜供需矛盾趋于紧张，市场前景日益看好。蔬菜产业在保障市场供应、增加农民收入、扩大劳动就业、拓展出口贸易等方面越来越发挥着重要作用[2]。

有关蔬菜产地环境、蔬菜品质和蔬菜食用健康安全的研究，国内外虽有过一些报道[3-10]，但大多集中于都市和经济发达地区，对偏远地区的研究较少。本研究地，地理位置特殊，具有发展对俄蔬菜贸易基地建设的得天优势。为此，本文以中国东北边陲三江平原的蔬菜主产地——佳木斯郊区为研究区域，对当地农田土壤重金属进行检测，采用地理信息系统技术进行空间分布特征的研究，并对照当地背景值及国家相关标准进行评价，以期为当地蔬菜生产和保障农产品安全提供服务。

1 研究区概况

佳木斯市郊区位于黑龙江省东北部三江平原腹地，地处完达山北麓，松花江中游南北两岸。南为低山丘陵，北为冲击平原，松花江横贯区域。地理坐标46.49°～47.05°N，129.85°～130.63°E。郊区现辖11个乡镇(即大来镇、敖其镇、长发镇、莲江口镇、望江镇、长青乡、沿江乡、四丰乡、西格木乡、群胜乡、平安乡)97个行政村，总人口27.5万人(见图1)。7个种类土壤的面积分别为暗棕壤81 600 hm2、黑土37 330 hm2、白浆土3 733 hm2、草甸土 15 800 hm2、沼泽土 266 hm2、泥炭土138.4 hm2、水稻土3 667 hm2，适合农林牧渔全面发展。

郊区属于中温带湿润气候区，大陆性季风气候。春季多风易旱;夏季温热多雨;秋季雨雪交替，时间短、降温快;冬季受季风控制，寒冷漫长、风多雪少、气候干燥。年平均气温2.9℃，≥10℃活动积温在2 166～3 029℃之间。年平均降水量540.5mm;作物生育期中5—9月份，年平均降水量为443.4mm，占全年总降水量的82.3％。雨热同季，为作物生长发育提供了十分有利的条件。

图1 佳木斯郊区位置及采样点分布示意图

研究区农业生产结构主要为蔬菜、水稻、玉米、大豆、杂粮和其它经济作物，现有蔬菜专业村30个，主要分布在松江乡、长青乡、四丰乡、沿江乡、长发镇。主产蔬菜品种为油豆角、大白菜、甘蓝、圆葱、番茄、韭菜、马铃薯等。

2 材料与方法

收集研究区资料:包括区域自然环境特征(水文、气象、地形地貌、植被、自然灾害等)、蔬菜生产(种类、布局、面积、产量、耕作制度等)、土壤环境污染状况、区域土壤元素背景值及土地利用区划与规划、行政区划图、土壤类型图等。

采样布点:考虑到郊区农业生产、布局和种植特点等，同时结合三江平原地形图、1∶100 000土壤图，根据具体情况进行布点疏密调整，每村选择布点1个，采集时选择有代表性的田块，采用梅花多点(5～12点)取样，采样深度0～20cm。于2006年7月间采集土壤样品122个。

样品预处理、检测:按照NY/T 395—2000《农田土壤环境质量监测技术规范》标准程序进行，风干、粉碎、过筛、HNO3-HClO4-HF消化法消解制样、测定。其中:土壤中全量As、Hg采用原子荧光法，全量Pb、Cd采用石墨炉原子吸收分光光度法，全量Cr采用火焰原子吸收分光光度法。检测仪器为酸度计、分光光度计、AF—230S原子荧光光谱仪、AA—630C原子吸收光谱仪。重金属的分析测定中，均加入国家标准土壤标样(GSS-1)进行分析质量控制，分析结果符合质量控制要求。

数据基本统计学及常规分析借助于Excel2010、spss18.0和DPS7.0，空间分布研究利用GS+、arc gis9.3所带的地统计学插件进行[11]。

地统计分析首先利用GS+计算块金值、偏基台值、基台值等变异强度参数以及变程、各向异性等变异尺度参数，出图时采用arc gis9.3所带的地统计学插件。

3 结果与分析

3.1 农田土壤重金属基本统计学特征和相关性

由表1可见，5种元素，Cd和As变异系数＜10％，为弱变异程度;Hg、Pb、Cr变异系数介于10％～100％之间，呈中等变异程度[9]。偏度系数和峰度系数及K-S检验得出:5种重金属元素均为偏态分布。

表1 佳木斯郊区农田土壤中5种重金属检测结果

从表2可以看出:Cd 与 Cr、Hg，Hg与 As、Cr，存在正相关，通过0.01显著性检验，为中等程度。相关系数表明:Cd、Hg、As、Cr具有不同程度相关性，而且 Cd、Cr、Hg 之间，Hg、As之间，相同来源性可能较大，或地球化学来源，亦或人为活动造成的复合污染。空间分布图辅证了这一结论。

表2 佳木斯郊区农田土壤5种重金属相关性分析

佳木斯郊区所有乡镇土壤5种重金属含量分为两个组别，第一组为向阳区、前进区、松江乡、建国乡，其农田土壤重金属含量较低;第二组为敖其镇、长发镇、西格木乡、莲江口镇、大来镇、平安乡、长青乡、望江镇、沿江乡、四丰乡、群胜乡，其农田土壤5种重金属含量比第一组较高些(见图2)。

图2 佳木斯郊区农田土壤5种重金属含量聚类分析

3.2 农田土壤重金属地统计学特征

由表3可见，5种重金属的基底效应值介于25％～57％之间，基底效应从大到小顺序为:Cd、As、Hg、Cr、Pb，说明 5 种重金属具有中等强度空间自相关，5种重金属的空间变异是土壤系统结构和随机因素共同作用完成的。

图3 佳木斯郊区农田土壤重金属空间的分布

表3 佳木斯郊区农田土壤重金属理论模型和半方差函数的拟合参数

3.3 农田土壤重金属空间分布

利用arc gis 9.3所带的地统计学插件进行重金属空间分布特征分析。建模时，比较不同参数得到模型，参考Prediction Error中的几个指标，以符合以下标准的模型确定是最优的:标准平均值最接近于0，均方根预测误差最小，平均标准误差最接近于均方根预测误差，标准均方根预测误差最接近于1。考虑5种重金属元素属非正态分布，选择简单克里格插值，生成5种重金属空间分布示意图(见图3)。从图3可见，郊区西南角的大来镇、敖其镇、四丰乡、松花江北岸望江镇、莲江口镇、群胜乡，重金属Cd的含量高些，质量分数在0.3～1.0mg/kg;东北角平安乡Cd含量较少。Hg的含量分布特征是，郊区中部莲江口镇、西南角大来镇分布较高，东部松江乡、建国乡为低含量区。As的含量分布与Hg类似，西南部山区大来镇含量较高，余下部分含量较少;Pb的含量分布特征是，南部群胜乡和松花江北岸莲江口镇含量高，西南部望江镇较为洁净。Cr的含量特征是群胜乡、莲江口镇、长发镇含量高。3.4 农田土壤重金属来源

系列研究表明:土壤重金属元素的空间分布特征主要受到成土过程、人类活动排放、元素空间迁移这3个重要过程的控制[8]。自然背景下的农田土壤重金属其元素含量主要受成土母质、元素迁移以及生物循环等综合作用影响的结果，如大来镇地处山区，母质影响是重金属含量较高的原因。人为因素主要包括工业、农业和交通等来源引起的土壤重金属污染[9]。佳木斯郊区农田土壤重金属空间分布的块金值与基台值比值介于25％～57％，说明其重金属来源受自然来源和人为干扰输入两个因素影响共同作用。研究区工业企业不多，但地处寒冷地区，年工业生产与生活所消耗的原煤量达400万t，其释放烟尘、固体废弃物量较多些，可以推断是研究区土壤重金属累积的主要原因。农业生产过程中含重金属的化肥、有机肥、城市废弃物和农药的不合理施用，以及污水灌溉、地膜残留，也是导致本区土壤重金属的污染重要因素。本区农业生产经常面临低温冷害，预防和抵御农作物苗期冷害发生，常施用磷肥，使用地膜覆盖等措施，因而导致重金属累积。当地农业机械化程度较高，机械使用过程中废气排放等也不可忽视。研究区地势，西南高，东北低，莲江口镇的地势最为低洼，成为元素空间迁移的最终集聚地。

4 结论与讨论

三江平原蔬菜主产地——佳木斯郊区农田土壤重金属Cd、Hg、As、Pb、Cr的质量分数，分别为0.200～0.280、0.029～0.110、13.800～18.500、16.200～27.780、21.650～39.350mg/kg-1。与当地背景值比较，Cd、As、Hg的增加幅度较大，Pb、Cr变化较小。分析佳木斯郊区农田土壤重金属来源可以发现，重金属含量特征与土壤成土母质、类型、毗连城区、工业与生活取暖所消耗的煤所释放的重金属等因素相关。此外，不合理施肥、施药、地膜残留、污水灌溉等也可造成重金属元素在土壤中的沉积。

参照国家二级标准(CB/T 184071—2001)，研究区适合蔬菜无公害农业生产基地生产。

5种重金属空间分布特征为:佳木斯郊区近山地区乡镇(如大来镇、敖其乡)、地势低洼区(莲江口镇)的重金属分布含量较高，累积程度大;东部(长发镇、松江乡)区域重金属含量较低。重金属来源受自然来源和人为干扰输入两个因素共同作用。作为蔬菜主产地建设，重金属累积情况应引起重视，并选择合适的预防措施。

[1] 周建利，陈同斌.我国城郊菜地土壤和蔬菜重金属污染研究现状与展望[J].湖北农学院学报，2002，22(5):476-480.

[2] 赵海燕.中国蔬菜产业国际竞争力研究[D].武汉:华中农业大学，2003:12-31.

[3] 宋波，陈同斌，郑袁明，等.北京市菜地土壤和蔬菜镉含量及其健康风险分析[J].环境科学学报，2006，26(8):1343-1353.

[4] 陈同斌，宋波，郑袁明，等.北京市蔬菜和菜地土壤砷含量及其健康风险分析[J].地理学报，2006，61(3):297-310.

[5] 谢正苗，李静，陈建军，等.中国蔬菜地土壤重金属健康风险基准的研究[J].生态毒理学报，2006，1(2):172-179.

[6] 王军，陈振楼，王初，等.上海崇明岛蔬菜地土壤重金属含量与生态风险预警评估[J].环境科学，2007，28(3):647-653.

[7] 曾希柏，李莲芳，梅旭荣.中国蔬菜土壤重金属含量及来源分析[J].中国农业科学，2007，40(11):2507-2517.

[8] 蔡立梅，马瑾，周永章，等.东莞市农田土壤和蔬菜重金属的含量特征分析[J].地理学报，2008，63(9):994-1003.

[9] Ociel M，Oscar P D，Irma L，et al.Vegetables collected in the cultivated Andean area of northern Chile:total and inorganic arsenic contents in raw vegetables[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry，2002，50:642-647.

[10] Sharma R K，Agrawal M，Marshall F M.Heavy metal(Cu，Zn，Cd and Pb)contamination of vegetables in urban India:a case study in Varanasi[J]..Environ Pollut，2008，154(2):254-63.

[11] 王政权.地统计学及在生态学中的应用[M].北京:科学出版社，1999:102-149.

Spatial Distribution Characteristics of Heavy Metals in Vegetable Fields in Sanjiang Plain:A Case Study of Jiamusi Suburbs

/Niu Jiatian，Wang Qunhui(School of Municipal and Environmental Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，P.R.China);Guo Qinkui，Jia Zhiqiang(Agricultural Product Quality Supervision and Inspection Center of Jiamusi City);Li Yi(Environmental Protection Bureau of Jiamusi City);Huang Changsheng(Jiamusi Academy of Survey and Design);Li Fasheng(Chinese Research Academy of Environmental Sciences)//Journal of Northeast Forestry University.-2011，39(6).-90～92，95

Soils;Heavy metals;Spatial distribution;Sanjiang plain;Jiamusi city

S715.3

1)黑龙江省无公害农产品整体推进计划工作内容。

牛佳田，男，1965年5月生，哈尔滨工业大学市政与环境学院，博士研究生;现工作于佳木斯大学生命科学学院，教授。E-mail:njtyc@sohu.com。

2011年3月1日。

责任编辑:张 玉。

The geographic information system was applied to monitor heavy metals(Cd，Hg，As，Pb and Cr)in vegetable fields in Sanjiang Plain in Jiamusi Suburbs.Results showed that the contents of heavy metals of Cd，Hg，As，Pb and Cr were in the range of 0.20-0.28，0.029-0.110，13.8-18.5，16.20-27.78 and 21.65-39.35mg/kg-1，respectively.Compared with the background values of soil microelements in Sanjiang Plain，the contents were accumulated and increased in various degrees.The detection results accord with the standards of environmental conditions for crop production in the agricultural industry standard of the People’s Republic of China for pollution-free food(NY5332-2006).The contents of heavy metals in the vegetable fields are suitable for the production of non-harmful and green agricultural products.A moderate spatial autocorrelation was observed between Pb，Cr，Hg and Cd by statistic analysis，and the order of basal effect value was Cd，As，Hg，Cr and Pb from high to low.The contents and spatial distribution of heavy metals in the studied vegetation fields were mainly affected by parent material，topography，soil properties and other internal factors，but the effect of external factors should not be ignored，such as farming methods and applications of pesticides and fertilizers.