松嫩平原北部土壤砷水平分异特征分析1)

张慧付强林佳

(东北农业大学，哈尔滨，150030)

砷(As)是一种在自然界中广泛存在的具有较强毒性、致畸和致癌作用的类金属元素，其性质无色无味、易溶于水，易于对生态环境和生物健康产生危害［1-2］。土壤砷通过影响作物的生长从而影响农产品的产量［3］，并且通过富集在动植物体内进入食物链，从而影响粮食质量［4］。松嫩平原是我国重要的商品粮生产基地，掌握其土壤砷元素梯度变化及其影响因素，对区域生态安全和人类健康有重要意义，对我国粮食安全和社会稳定有着深远影响。国内外对于土壤砷的研究主要包括:土壤砷分布特征［5-7］，不同土壤砷质量分数对植物、动物和人体砷元素富集的影响［8-10］，人类活动对土壤砷质量分数变化的影响［11-13］。人类活动对土壤砷质量分数影响的分析多在中小尺度上进行，以表层土壤砷为研究对象，着重分析不同的人类活动对土壤砷富集的差异影响，研究方法主要是将不同人类活动影响下的土壤砷质量分数直接进行对比分析，忽视了由成土母质和地形要素等自然影响因素造成的表层土壤砷质量分数的差异。本研究在较大尺度上分析表层土壤砷质量分数的梯度变化，并以深层土壤砷的质量分数为依据对表层土壤砷质量分数变化量进行影响因素分析，较为充分地兼顾了自然和人为影响因素对土壤砷质量分数变化的影响。

1 研究区概况

松嫩平原位于黑龙江省西南部和吉林省西北部，是由松花江和嫩江冲积而成的平原，与乌克兰大草原和美国密西西比河流域黑土带并称世界三大黑土带之一。松嫩平原地处中温带，夏季温热多雨，冬季寒冷漫长。土地辽阔，土壤肥沃，耕种历史悠久。本研究区为松嫩平原北部，总面积为8.15万km2的黑龙江省内部分，在哈尔滨、大庆、齐齐哈尔、绥化管辖范围内，共涉及28个市县。土壤类型以黑土、黑钙土和草甸土为主。地势总体上呈现出西北高、东南低的趋势，区内地势平坦，仅在山脉与平原相接处发育有丘陵、漫岗。根据松嫩平原的气候、地形、地质地貌等特征，将松嫩平原北部划分为2个亚区，即松嫩高平原区和松嫩低平原区，如图1所示。

图1 研究区示意图

2 研究方法

2.1 土壤样品的采集与分析

分别采集表层土壤(0～20 cm)和深层土壤(1 m)样本。表层土壤的砷元素质量分数对作物的产量、质量及人类健康影响较大，而且对人为干扰较为敏感［14-15］;深层土壤受人为干扰影响较小，它的主要成分受成土母质和自然成土因素影响较大。土壤样本采集时间为2005—2007年，用4 km2的标准格网对研究区进行区域划分，采样点位于格网中心。表层土壤样本按每4 km21个点的密度进行采集，共获得表层土壤样品20 701个。深层土壤样本按每16 km21个点的密度进行布点，即4个标准格网为一个采样单元，共获得深层土壤样品5301个，布点图见图2。采用原子荧光法对土壤中砷元素质量分数进行测定［16-17］，检出限为 1 μg/g。

图2 深层土壤、表层土壤样本采集布点图

2.2 研究区土壤砷分布梯度变化规律的模拟和分析

采用地统计学的空间异质性分析对表层土壤砷和深层土壤砷的空间变异特征进行分析。空间异质性是产生空间格局的主要原因，主要通过空间格局的强度、尺度及空间结构来反映［18-20］。参数主要包括块金值、结构方差、基台值、块金系数和变程等。块金值(Co)代表了随机因素造成的异质性;结构方差(C)代表由结构性因素引起的变异;基台值(Co+C)表示系统内总的变异;块金系数(Co/(Co+C))是反映区域化变量空间异质性程度的重要指标，块金系数高说明由随机因素引起的空间变异性程度较大，相反则由结构性因素引起的空间变异性程度较大。

利用ArcGIS软件对表层土壤砷和深层土壤砷进行普通克里金插值分析，模拟表层土壤砷和深层土壤砷的空间分布特征。克里金法是以半方差函数为理论基础，对区域化变量进行无偏估值的一种方法［23］。为保证克里金插值结果的精度，需要对数据进行正态分布验证。以往研究表明，土壤砷质量分数经对数转换后符合正态分布［24］。因此在对表层土壤和深层土壤砷元素进行了对数转换并通过了正态分布检验后，利用普通克里金插值对表层土壤和深层土壤砷的水平分异规律进行模拟，得到表层土壤和深层土壤砷的水平空间分布图。

3 结果与分析

3.1 土壤砷质量分数特征

表层土壤中砷质量分数最大值为41.0 mg/kg，最小值为 1.4 mg/kg，几何平均值为 8.68 mg/kg，在自然中砷的背景值(5～10 mg/kg)范围内［9-10］，低于中国第1次土壤普查数据中几何平均值9.2 mg/kg。根据《中国环境质量标准》，对表层土壤砷元素质量分数进行分级评价，研究区内98.7%的区域属于一级区，在中国属于砷元素质量分数较低、较为清洁健康的区域。深层土壤砷质量分数最大值为170.5 mg/kg，最小值为 1.0 mg/kg，几何平均值为 9.33 mg/kg，与自然中砷的背景值水平相当(5～10 mg/kg)，略高于中国第1次土壤普查数据中几何平均值9.2 mg/kg。深层土壤砷质量分数高于表层土壤砷质量分数，土壤砷质量分数的变化幅度也相对较大。有研究表明砷在土壤中的垂直迁移能力较差，水体中的砷多被吸附在表层土壤中［24］，因此深层土壤中砷的主要来源为成土母质，而不是由于淋溶造成的表层土壤砷富集于深层土壤中(表1)。

3.2 土壤砷空间格局强度

表层土壤砷的块金值、结构方差和基台值都明显小于深层土壤砷的相关指标，在水平空间上表层土壤砷质量分数的变化幅度要小于深层土壤砷质量分数的变化幅度。表层土壤砷的块金系数在25%～50%(表2)，说明表层土壤砷的分布具有中等空间自相关性;深层土壤砷的＜25%，说明具有强烈的空间相关性，具有非常明显的空间结构性。表层土壤砷和深层土壤砷的变程也有较明显的差异，表层土壤砷的变程为168 km，深层土壤砷的变程为705 km，深层土壤砷在水平方向上的差异影响范围远大于表层土壤砷的差异影响范围。以上因素对于土壤砷的分布格局的影响表现为，在研究区内表层土壤砷质量分数变化幅度较小，质量分数分布图(图3)中图斑面积较小，而且图形较为破碎，深层土壤砷质量分数变化幅度较大，质量分数分布图(图4)中图斑面积较大，图形相对完整。由此可见，深层土壤砷的空间格局强度较大，表层土壤砷的空间格局强度相对较小。

3.3 土壤砷空间格局

经对数转换，表层土壤砷和深层土壤砷质量分数基本服从正态分布(图3、图4)。在研究区内土壤砷元素质量分数呈现水平梯度变化，水平空间分布格局也较为相似，质量分数较低区域主要集中在松花江、嫩江主干流和齐齐哈尔、大庆湖泊密集区，土壤砷质量分数呈现出向研究区北部、东部逐渐增大的趋势。

表1 表层土壤、深层土壤砷元素质量分数 mg·kg-1

表2 松嫩平原北部表层土壤和深层土壤砷空间自相关特征

图3 表层土壤砷质量分数空间分布图

图4 深层土壤砷质量分数空间分布图

3 结论

依据中国环境质量分级标准，松嫩平原北部98.7%的面积表层土壤砷质量分数属于一级区，是土壤砷质量分数较低、较为清洁健康的区域。深层土壤砷质量分数高于表层土壤砷质量分数，并且深层土壤砷的质量分数差异较大，结构性因素造成的空间变异非常明显，其水平空间分异格局强度较大;表层土壤砷的质量分数差异相对较小，结构性因素引起的空间变异较为明显，随机性因素对其空间变异结构造成一定干扰，其水平空间分异格局强度相对较小。表层土壤砷和深层土壤砷的水平空间分布格局较为相似，均呈现出土壤砷质量分数由松花江、嫩江主干流和齐齐哈尔、大庆湖泊、湿地密集区向周围逐渐增加的趋势，松嫩高平原区土壤砷质量分数高于松嫩低平原区土壤砷质量分数。

成土母质中砷元素质量分数及砷元素的水平迁移是研究区内土壤砷水平空间格局的主要影响因素。水体为土壤砷水平迁移的主要载体。人类活动对土壤砷的质量分数和空间格局强度都有较为明显的影响。主要表现为，人类活动加速了土壤砷的流失，导致了土壤砷质量分数的降低。人类活动对土壤砷的水平迁移的范围造成了影响，缩短了土壤砷的迁移距离。因此，人类活动在一定程度上降低了研究区内土壤砷的空间格局强度。

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