基于普通克里格的中山市农田土壤砷的空间变异特性

(中山市环境监测站，广东中山，528400)

1 引言

砷属于常见毒性较高的重金属之一，土壤中的砷的天然浓度一般较低，据调查中国表层土壤中砷的浓度范围在0.01×10-6～626×10-6mg/m3之间，主要集中于2.5×10-6～33.5×10-6mg/m3之间[1]。含砷农药的施用，矿山、工厂含砷废水的排放以及燃煤、冶炼排出的含砷飘尘的降落是导致土壤中砷的累积的主要因素[2-3]，通过植物的吸收并逐渐累积进入食物链的高级环节，具有极大的生态风险。因此，了解砷在土壤中的累积及分布情况对有效防止砷污染具有非常重要的作用。

2 材料与方法

2.1 研究区域概况

中山市位于珠三角中心地区，经度范围由东至西113.1506°-113.7667°，纬度范围由北至南22.1867°- 22.7764°，总面积约1800km2。地域形状为“南北狭长，东西短窄”，辖区内北部和南部为平原区、中部为山地区。同时，随着中山经济的长期高速增长，北部工业化和中部城市化规模较高，农田主要集中分布于东北部和南部，该区域主要为珠江冲积平源，主要土壤类型为水稻土、赤红壤、基水地。

2.2 采样与分析

2.2.1 布点与采样

点位布设采用网格法与半随机相结合的方式，同时考虑与省级以上交通干线距离大于150米，与居民聚居区距离大于300米，与典型污染源距离大于600米，与房屋、小道路、沟渠、粪坑、坟墓等距离大于50米等限制条件，在1980m×1980m网格内选取合适的农田采集样品。以采样点中心划定20m×20m采样区域，采集0～20cm表层土壤至少采集5个分点样品混合，共计58个土壤样品。

图1 研究区域及土壤点位分布图

2.2.2 制样与分析

土壤除去杂质后在阴凉处自然风干；全部样品手工粗磨后过2mm筛，用四分法分样和称重，其中三份样品留样，另一份继续手工细磨过孔径0.15mm(100目)筛。按照《土壤检测土壤质量 总汞、总砷、总铅的测定 原子荧光法 第2部分 土壤中总砷的测定》(GB/T 22105.2-2008)对土壤中砷进行检测。

2.3 研究方法

变异函数作为地统计学的主要研究工具，有块金值(Nugget)、基台值(Sill)和变程(Range)三个主要参数。通过这三个参数反应了变量在空间随机性、结构性以及空间相关性和依赖性关系。当变异函数的间隔距离为0时，变异函数为一个恒定的常数，该值称为块金值，块金值表示随机部分的空间变异性。随间隔距离的增大，从非零值达到一个相对稳定的常数时，该常数称为基台值。变异函数达到基台值时的间隔距离称为变程[4-7]。

空间变异性主要由随机性变异和结构性变异组成。如果块金值较大，表明较小尺度(500m范围内)上具有某种不可忽略的因素[8]，必须引起足够的重视。块金效应(C0/C0+C)是块金值与基台值的比，比值越小空间相关性越强：比值小于25%，说明具有强烈的相关性；比值大于75%，表明几乎不具有空间相关性。块金效应反映了空间异质性，表明随机变异性部分占总空间变异的程度，块金效应越强，则随机性因素越强，空间自相关程度则越弱。变程反映空间自相关的作用范围，它与观测以及采样尺度上的各种过程的相互作用有关。在变程范围内，变量有空间自相关性，反之则无空间自相关性，可以在一定程度上反映土壤重金属的主要变异过程的变化。

2.4 数据处理

使用SPSS软件实现对数据的描述性统计、及正态分布检验；用GS+软件实现对半变异函数的拟合，利用Arcgis软件做插值分析并绘制预测分布图。

3 结果与讨论

3.1 描述性统计特征

研究区58个土壤样品分析结果见表1。由表1知，土壤中砷的浓度范围为10.1～27.7mg/kg；但全部样品均达到《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)二级标准；土壤中砷的平均值为19.1，高于广东省土壤砷背景值8.9[9]，说明近年来中山市土壤中砷已有一定程度的富积；Shapiro-Wilk检验sig.值为0.59，符合正态分布。

表1 砷的描述性统计量

3.2 空间异质性分析

砷的监测结果符合正态分布，因此直接对数据进行半变异函数模型拟合，拟合结果见图2。由图2知，砷的空间结构性不佳，最佳拟合模型为高斯模型，其块金值为7.48，基台值为20.9，r2值为0.34。块金值与基台值之比为35.8%，属于中等强度相关，说明砷的空间异质性受土壤内在属性以及人为因素共同作用。另外，因为变程较小，说明砷的空间自相关性尺度较小。

图2 砷的半变异拟合图函数拟合模型图

3.3 空间分布特征

由以上模拟模型及参数进行普通克里格空间插值，插值结果及其误差分布分别见图3和图4。因为采样点位分布的密度不同，在中部和北部的误差相对偏高(图4深色部分)，因此，图3在东北部和南部地区的分布特性表现得更好。又图3可以看出，砷的空间部分特征具有一定的连续性，整体上表现为东部高于西部、南部高于北部。从实际用地功能看，图3中的高浓度地区主要是大面积的农田分布区，低浓度地区主要是工业发达地区，可以大致表明中山农业生产对砷的富集影响高于工业生产，砷可能主要来源于施肥及含砷农药的使用等。

图3 土壤砷的空间克里格插值图(mg/kg)

图4 土壤砷的空间克里格插值误差分布图

4 结论

(1)半方差函数表明砷的空间异质性为中等强度等级，空间自相关性尺度较小，受土壤内在属性以及人为因素共同作用。

(2)砷的分布特征呈东高西低、南高北低的态势，大致表明农业生产对砷的富集影响高于工业生产，砷可能主要来源于施肥及含砷农药的使用等。