牛佳田 汪群慧 郭欽奎 賈志強(qiáng)

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150087) (佳木斯市質(zhì)量檢驗(yàn)檢測中心)

李 奕 黃昌盛 李發(fā)生

(佳木斯環(huán)保局環(huán)境檢測站) (佳木斯勘察設(shè)計(jì)研究院基礎(chǔ)地理信息中心) (中國環(huán)境科學(xué)研究院)

三江平原蔬菜主產(chǎn)地農(nóng)田土壤重金屬空間分布特征1)
——以佳木斯郊區(qū)為例

牛佳田 汪群慧 郭欽奎 賈志強(qiáng)

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150087) (佳木斯市質(zhì)量檢驗(yàn)檢測中心)

李 奕 黃昌盛 李發(fā)生

(佳木斯環(huán)保局環(huán)境檢測站) (佳木斯勘察設(shè)計(jì)研究院基礎(chǔ)地理信息中心) (中國環(huán)境科學(xué)研究院)

基于GIS，對三江平原蔬菜主產(chǎn)地——佳木斯郊區(qū)農(nóng)業(yè)土壤布點(diǎn)進(jìn)行重金屬(Cd、Hg、As、Pb、Cr)監(jiān)測和分析。結(jié)果表明:①重金屬 Cd、Hg、As、Pb、Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分別為0.200～0.280、0.029～0.110、13.800～18.500、16.200～27.780、21.650～39.350mg/kg-1，對比三江平原土壤微量元素背景值，均有不同程度累積與升高;②檢測結(jié)果符合中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY5332—2006《無公害食品大田作物產(chǎn)地環(huán)境條件》的標(biāo)準(zhǔn)要求，適合開展無公害與綠色農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn);③通過地統(tǒng)計(jì)分析得出5種重金屬中，As、Cr、Hg、Cd為中等強(qiáng)度空間自相關(guān)，Pb為弱強(qiáng)度空間自相關(guān)，基底效應(yīng)值從大到小順序?yàn)镃d、As、Hg、Cr、Pb。研究區(qū)農(nóng)業(yè)土壤重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及空間分布主要受母質(zhì)、地形地貌、土壤性質(zhì)等內(nèi)在因素影響，但外在的因素(如，耕作方式、施肥施藥等)影響也不容忽視。

農(nóng)田土壤;重金屬;空間分布;三江平原;佳木斯郊區(qū)

中國是世界蔬菜第一生產(chǎn)大國，播種面積、總產(chǎn)量已連續(xù)多年位居世界第一位，蔬菜產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為中國農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)[1]。近年來，隨著人們生活水平提高和人口不斷增長，優(yōu)質(zhì)蔬菜需求量呈現(xiàn)上升趨勢，蔬菜供需矛盾趨于緊張，市場前景日益看好。蔬菜產(chǎn)業(yè)在保障市場供應(yīng)、增加農(nóng)民收入、擴(kuò)大勞動就業(yè)、拓展出口貿(mào)易等方面越來越發(fā)揮著重要作用[2]。

有關(guān)蔬菜產(chǎn)地環(huán)境、蔬菜品質(zhì)和蔬菜食用健康安全的研究，國內(nèi)外雖有過一些報道[3-10]，但大多集中于都市和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，對偏遠(yuǎn)地區(qū)的研究較少。本研究地，地理位置特殊，具有發(fā)展對俄蔬菜貿(mào)易基地建設(shè)的得天優(yōu)勢。為此，本文以中國東北邊陲三江平原的蔬菜主產(chǎn)地——佳木斯郊區(qū)為研究區(qū)域，對當(dāng)?shù)剞r(nóng)田土壤重金屬進(jìn)行檢測，采用地理信息系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行空間分布特征的研究，并對照當(dāng)?shù)乇尘爸导皣蚁嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價，以期為當(dāng)?shù)厥卟松a(chǎn)和保障農(nóng)產(chǎn)品安全提供服務(wù)。

1 研究區(qū)概況

佳木斯市郊區(qū)位于黑龍江省東北部三江平原腹地，地處完達(dá)山北麓，松花江中游南北兩岸。南為低山丘陵，北為沖擊平原，松花江橫貫區(qū)域。地理坐標(biāo)46.49°～47.05°N，129.85°～130.63°E。郊區(qū)現(xiàn)轄11個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(即大來鎮(zhèn)、敖其鎮(zhèn)、長發(fā)鎮(zhèn)、蓮江口鎮(zhèn)、望江鎮(zhèn)、長青鄉(xiāng)、沿江鄉(xiāng)、四豐鄉(xiāng)、西格木鄉(xiāng)、群勝鄉(xiāng)、平安鄉(xiāng))97個行政村，總?cè)丝?7.5萬人(見圖1)。7個種類土壤的面積分別為暗棕壤81 600 hm2、黑土37 330 hm2、白漿土3 733 hm2、草甸土 15 800 hm2、沼澤土 266 hm2、泥炭土138.4 hm2、水稻土3 667 hm2，適合農(nóng)林牧漁全面發(fā)展。

郊區(qū)屬于中溫帶濕潤氣候區(qū)，大陸性季風(fēng)氣候。春季多風(fēng)易旱;夏季溫?zé)岫嘤?秋季雨雪交替，時間短、降溫快;冬季受季風(fēng)控制，寒冷漫長、風(fēng)多雪少、氣候干燥。年平均氣溫2.9℃，≥10℃活動積溫在2 166～3 029℃之間。年平均降水量540.5mm;作物生育期中5—9月份，年平均降水量為443.4mm，占全年總降水量的82.3％。雨熱同季，為作物生長發(fā)育提供了十分有利的條件。

圖1 佳木斯郊區(qū)位置及采樣點(diǎn)分布示意圖

研究區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)主要為蔬菜、水稻、玉米、大豆、雜糧和其它經(jīng)濟(jì)作物，現(xiàn)有蔬菜專業(yè)村30個，主要分布在松江鄉(xiāng)、長青鄉(xiāng)、四豐鄉(xiāng)、沿江鄉(xiāng)、長發(fā)鎮(zhèn)。主產(chǎn)蔬菜品種為油豆角、大白菜、甘藍(lán)、圓蔥、番茄、韭菜、馬鈴薯等。

2 材料與方法

收集研究區(qū)資料:包括區(qū)域自然環(huán)境特征(水文、氣象、地形地貌、植被、自然災(zāi)害等)、蔬菜生產(chǎn)(種類、布局、面積、產(chǎn)量、耕作制度等)、土壤環(huán)境污染狀況、區(qū)域土壤元素背景值及土地利用區(qū)劃與規(guī)劃、行政區(qū)劃圖、土壤類型圖等。

采樣布點(diǎn):考慮到郊區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、布局和種植特點(diǎn)等，同時結(jié)合三江平原地形圖、1∶100 000土壤圖，根據(jù)具體情況進(jìn)行布點(diǎn)疏密調(diào)整，每村選擇布點(diǎn)1個，采集時選擇有代表性的田塊，采用梅花多點(diǎn)(5～12點(diǎn))取樣，采樣深度0～20cm。于2006年7月間采集土壤樣品122個。

樣品預(yù)處理、檢測:按照NY/T 395—2000《農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)程序進(jìn)行，風(fēng)干、粉碎、過篩、HNO3-HClO4-HF消化法消解制樣、測定。其中:土壤中全量As、Hg采用原子熒光法，全量Pb、Cd采用石墨爐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。檢測儀器為酸度計(jì)、分光光度計(jì)、AF—230S原子熒光光譜儀、AA—630C原子吸收光譜儀。重金屬的分析測定中，均加入國家標(biāo)準(zhǔn)土壤標(biāo)樣(GSS-1)進(jìn)行分析質(zhì)量控制，分析結(jié)果符合質(zhì)量控制要求。

數(shù)據(jù)基本統(tǒng)計(jì)學(xué)及常規(guī)分析借助于Excel2010、spss18.0和DPS7.0，空間分布研究利用GS+、arc gis9.3所帶的地統(tǒng)計(jì)學(xué)插件進(jìn)行[11]。

地統(tǒng)計(jì)分析首先利用GS+計(jì)算塊金值、偏基臺值、基臺值等變異強(qiáng)度參數(shù)以及變程、各向異性等變異尺度參數(shù)，出圖時采用arc gis9.3所帶的地統(tǒng)計(jì)學(xué)插件。

3 結(jié)果與分析

3.1 農(nóng)田土壤重金屬基本統(tǒng)計(jì)學(xué)特征和相關(guān)性

由表1可見，5種元素，Cd和As變異系數(shù)＜10％，為弱變異程度;Hg、Pb、Cr變異系數(shù)介于10％～100％之間，呈中等變異程度[9]。偏度系數(shù)和峰度系數(shù)及K-S檢驗(yàn)得出:5種重金屬元素均為偏態(tài)分布。

表1 佳木斯郊區(qū)農(nóng)田土壤中5種重金屬檢測結(jié)果

從表2可以看出:Cd 與 Cr、Hg，Hg與 As、Cr，存在正相關(guān)，通過0.01顯著性檢驗(yàn)，為中等程度。相關(guān)系數(shù)表明:Cd、Hg、As、Cr具有不同程度相關(guān)性，而且 Cd、Cr、Hg 之間，Hg、As之間，相同來源性可能較大，或地球化學(xué)來源，亦或人為活動造成的復(fù)合污染。空間分布圖輔證了這一結(jié)論。

表2 佳木斯郊區(qū)農(nóng)田土壤5種重金屬相關(guān)性分析

佳木斯郊區(qū)所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤5種重金屬含量分為兩個組別，第一組為向陽區(qū)、前進(jìn)區(qū)、松江鄉(xiāng)、建國鄉(xiāng)，其農(nóng)田土壤重金屬含量較低;第二組為敖其鎮(zhèn)、長發(fā)鎮(zhèn)、西格木鄉(xiāng)、蓮江口鎮(zhèn)、大來鎮(zhèn)、平安鄉(xiāng)、長青鄉(xiāng)、望江鎮(zhèn)、沿江鄉(xiāng)、四豐鄉(xiāng)、群勝鄉(xiāng)，其農(nóng)田土壤5種重金屬含量比第一組較高些(見圖2)。

圖2 佳木斯郊區(qū)農(nóng)田土壤5種重金屬含量聚類分析

3.2 農(nóng)田土壤重金屬地統(tǒng)計(jì)學(xué)特征

由表3可見，5種重金屬的基底效應(yīng)值介于25％～57％之間，基底效應(yīng)從大到小順序?yàn)?Cd、As、Hg、Cr、Pb，說明 5 種重金屬具有中等強(qiáng)度空間自相關(guān)，5種重金屬的空間變異是土壤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和隨機(jī)因素共同作用完成的。

圖3 佳木斯郊區(qū)農(nóng)田土壤重金屬空間的分布

表3 佳木斯郊區(qū)農(nóng)田土壤重金屬理論模型和半方差函數(shù)的擬合參數(shù)

3.3 農(nóng)田土壤重金屬空間分布

利用arc gis 9.3所帶的地統(tǒng)計(jì)學(xué)插件進(jìn)行重金屬空間分布特征分析。建模時，比較不同參數(shù)得到模型，參考Prediction Error中的幾個指標(biāo)，以符合以下標(biāo)準(zhǔn)的模型確定是最優(yōu)的:標(biāo)準(zhǔn)平均值最接近于0，均方根預(yù)測誤差最小，平均標(biāo)準(zhǔn)誤差最接近于均方根預(yù)測誤差，標(biāo)準(zhǔn)均方根預(yù)測誤差最接近于1。考慮5種重金屬元素屬非正態(tài)分布，選擇簡單克里格插值，生成5種重金屬空間分布示意圖(見圖3)。從圖3可見，郊區(qū)西南角的大來鎮(zhèn)、敖其鎮(zhèn)、四豐鄉(xiāng)、松花江北岸望江鎮(zhèn)、蓮江口鎮(zhèn)、群勝鄉(xiāng)，重金屬Cd的含量高些，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.3～1.0mg/kg;東北角平安鄉(xiāng)Cd含量較少。Hg的含量分布特征是，郊區(qū)中部蓮江口鎮(zhèn)、西南角大來鎮(zhèn)分布較高，東部松江鄉(xiāng)、建國鄉(xiāng)為低含量區(qū)。As的含量分布與Hg類似，西南部山區(qū)大來鎮(zhèn)含量較高，余下部分含量較少;Pb的含量分布特征是，南部群勝鄉(xiāng)和松花江北岸蓮江口鎮(zhèn)含量高，西南部望江鎮(zhèn)較為潔凈。Cr的含量特征是群勝鄉(xiāng)、蓮江口鎮(zhèn)、長發(fā)鎮(zhèn)含量高。3.4 農(nóng)田土壤重金屬來源

系列研究表明:土壤重金屬元素的空間分布特征主要受到成土過程、人類活動排放、元素空間遷移這3個重要過程的控制[8]。自然背景下的農(nóng)田土壤重金屬其元素含量主要受成土母質(zhì)、元素遷移以及生物循環(huán)等綜合作用影響的結(jié)果，如大來鎮(zhèn)地處山區(qū)，母質(zhì)影響是重金屬含量較高的原因。人為因素主要包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)和交通等來源引起的土壤重金屬污染[9]。佳木斯郊區(qū)農(nóng)田土壤重金屬空間分布的塊金值與基臺值比值介于25％～57％，說明其重金屬來源受自然來源和人為干擾輸入兩個因素影響共同作用。研究區(qū)工業(yè)企業(yè)不多，但地處寒冷地區(qū)，年工業(yè)生產(chǎn)與生活所消耗的原煤量達(dá)400萬t，其釋放煙塵、固體廢棄物量較多些，可以推斷是研究區(qū)土壤重金屬累積的主要原因。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中含重金屬的化肥、有機(jī)肥、城市廢棄物和農(nóng)藥的不合理施用，以及污水灌溉、地膜殘留，也是導(dǎo)致本區(qū)土壤重金屬的污染重要因素。本區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)常面臨低溫冷害，預(yù)防和抵御農(nóng)作物苗期冷害發(fā)生，常施用磷肥，使用地膜覆蓋等措施，因而導(dǎo)致重金屬累積。當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)機(jī)械化程度較高，機(jī)械使用過程中廢氣排放等也不可忽視。研究區(qū)地勢，西南高，東北低，蓮江口鎮(zhèn)的地勢最為低洼，成為元素空間遷移的最終集聚地。

4 結(jié)論與討論

三江平原蔬菜主產(chǎn)地——佳木斯郊區(qū)農(nóng)田土壤重金屬Cd、Hg、As、Pb、Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分別為0.200～0.280、0.029～0.110、13.800～18.500、16.200～27.780、21.650～39.350mg/kg-1。與當(dāng)?shù)乇尘爸当容^，Cd、As、Hg的增加幅度較大，Pb、Cr變化較小。分析佳木斯郊區(qū)農(nóng)田土壤重金屬來源可以發(fā)現(xiàn)，重金屬含量特征與土壤成土母質(zhì)、類型、毗連城區(qū)、工業(yè)與生活取暖所消耗的煤所釋放的重金屬等因素相關(guān)。此外，不合理施肥、施藥、地膜殘留、污水灌溉等也可造成重金屬元素在土壤中的沉積。

參照國家二級標(biāo)準(zhǔn)(CB/T 184071—2001)，研究區(qū)適合蔬菜無公害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地生產(chǎn)。

5種重金屬空間分布特征為:佳木斯郊區(qū)近山地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(如大來鎮(zhèn)、敖其鄉(xiāng))、地勢低洼區(qū)(蓮江口鎮(zhèn))的重金屬分布含量較高，累積程度大;東部(長發(fā)鎮(zhèn)、松江鄉(xiāng))區(qū)域重金屬含量較低。重金屬來源受自然來源和人為干擾輸入兩個因素共同作用。作為蔬菜主產(chǎn)地建設(shè)，重金屬累積情況應(yīng)引起重視，并選擇合適的預(yù)防措施。

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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)黑龍江省無公害農(nóng)產(chǎn)品整體推進(jìn)計(jì)劃工作內(nèi)容。

牛佳田，男，1965年5月生，哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政與環(huán)境學(xué)院，博士研究生;現(xiàn)工作于佳木斯大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，教授。E-mail:njtyc@sohu.com。

2011年3月1日。

責(zé)任編輯:張 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.