張慧付強(qiáng)林佳

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150030)

砷(As)是一種在自然界中廣泛存在的具有較強(qiáng)毒性、致畸和致癌作用的類金屬元素，其性質(zhì)無色無味、易溶于水，易于對(duì)生態(tài)環(huán)境和生物健康產(chǎn)生危害［1-2］。土壤砷通過影響作物的生長(zhǎng)從而影響農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量［3］，并且通過富集在動(dòng)植物體內(nèi)進(jìn)入食物鏈，從而影響糧食質(zhì)量［4］。松嫩平原是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地，掌握其土壤砷元素梯度變化及其影響因素，對(duì)區(qū)域生態(tài)安全和人類健康有重要意義，對(duì)我國糧食安全和社會(huì)穩(wěn)定有著深遠(yuǎn)影響。國內(nèi)外對(duì)于土壤砷的研究主要包括:土壤砷分布特征［5-7］，不同土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)植物、動(dòng)物和人體砷元素富集的影響［8-10］，人類活動(dòng)對(duì)土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的影響［11-13］。人類活動(dòng)對(duì)土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響的分析多在中小尺度上進(jìn)行，以表層土壤砷為研究對(duì)象，著重分析不同的人類活動(dòng)對(duì)土壤砷富集的差異影響，研究方法主要是將不同人類活動(dòng)影響下的土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)直接進(jìn)行對(duì)比分析，忽視了由成土母質(zhì)和地形要素等自然影響因素造成的表層土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異。本研究在較大尺度上分析表層土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的梯度變化，并以深層土壤砷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為依據(jù)對(duì)表層土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化量進(jìn)行影響因素分析，較為充分地兼顧了自然和人為影響因素對(duì)土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的影響。

1 研究區(qū)概況

松嫩平原位于黑龍江省西南部和吉林省西北部，是由松花江和嫩江沖積而成的平原，與烏克蘭大草原和美國密西西比河流域黑土帶并稱世界三大黑土帶之一。松嫩平原地處中溫帶，夏季溫?zé)岫嘤?，冬季寒冷漫長(zhǎng)。土地遼闊，土壤肥沃，耕種歷史悠久。本研究區(qū)為松嫩平原北部，總面積為8.15萬km2的黑龍江省內(nèi)部分，在哈爾濱、大慶、齊齊哈爾、綏化管轄范圍內(nèi)，共涉及28個(gè)市縣。土壤類型以黑土、黑鈣土和草甸土為主。地勢(shì)總體上呈現(xiàn)出西北高、東南低的趨勢(shì)，區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，僅在山脈與平原相接處發(fā)育有丘陵、漫崗。根據(jù)松嫩平原的氣候、地形、地質(zhì)地貌等特征，將松嫩平原北部劃分為2個(gè)亞區(qū)，即松嫩高平原區(qū)和松嫩低平原區(qū)，如圖1所示。

圖1 研究區(qū)示意圖

2 研究方法

2.1 土壤樣品的采集與分析

分別采集表層土壤(0～20 cm)和深層土壤(1 m)樣本。表層土壤的砷元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)作物的產(chǎn)量、質(zhì)量及人類健康影響較大，而且對(duì)人為干擾較為敏感［14-15］;深層土壤受人為干擾影響較小，它的主要成分受成土母質(zhì)和自然成土因素影響較大。土壤樣本采集時(shí)間為2005—2007年，用4 km2的標(biāo)準(zhǔn)格網(wǎng)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行區(qū)域劃分，采樣點(diǎn)位于格網(wǎng)中心。表層土壤樣本按每4 km21個(gè)點(diǎn)的密度進(jìn)行采集，共獲得表層土壤樣品20 701個(gè)。深層土壤樣本按每16 km21個(gè)點(diǎn)的密度進(jìn)行布點(diǎn)，即4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)格網(wǎng)為一個(gè)采樣單元，共獲得深層土壤樣品5301個(gè)，布點(diǎn)圖見圖2。采用原子熒光法對(duì)土壤中砷元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)定［16-17］，檢出限為 1 μg/g。

圖2 深層土壤、表層土壤樣本采集布點(diǎn)圖

2.2 研究區(qū)土壤砷分布梯度變化規(guī)律的模擬和分析

采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的空間異質(zhì)性分析對(duì)表層土壤砷和深層土壤砷的空間變異特征進(jìn)行分析。空間異質(zhì)性是產(chǎn)生空間格局的主要原因，主要通過空間格局的強(qiáng)度、尺度及空間結(jié)構(gòu)來反映［18-20］。參數(shù)主要包括塊金值、結(jié)構(gòu)方差、基臺(tái)值、塊金系數(shù)和變程等。塊金值(Co)代表了隨機(jī)因素造成的異質(zhì)性;結(jié)構(gòu)方差(C)代表由結(jié)構(gòu)性因素引起的變異;基臺(tái)值(Co+C)表示系統(tǒng)內(nèi)總的變異;塊金系數(shù)(Co/(Co+C))是反映區(qū)域化變量空間異質(zhì)性程度的重要指標(biāo)，塊金系數(shù)高說明由隨機(jī)因素引起的空間變異性程度較大，相反則由結(jié)構(gòu)性因素引起的空間變異性程度較大。

利用ArcGIS軟件對(duì)表層土壤砷和深層土壤砷進(jìn)行普通克里金插值分析，模擬表層土壤砷和深層土壤砷的空間分布特征?？死锝鸱ㄊ且园敕讲詈瘮?shù)為理論基礎(chǔ)，對(duì)區(qū)域化變量進(jìn)行無偏估值的一種方法［23］。為保證克里金插值結(jié)果的精度，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布驗(yàn)證。以往研究表明，土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后符合正態(tài)分布［24］。因此在對(duì)表層土壤和深層土壤砷元素進(jìn)行了對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換并通過了正態(tài)分布檢驗(yàn)后，利用普通克里金插值對(duì)表層土壤和深層土壤砷的水平分異規(guī)律進(jìn)行模擬，得到表層土壤和深層土壤砷的水平空間分布圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)特征

表層土壤中砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值為41.0 mg/kg，最小值為 1.4 mg/kg，幾何平均值為 8.68 mg/kg，在自然中砷的背景值(5～10 mg/kg)范圍內(nèi)［9-10］，低于中國第1次土壤普查數(shù)據(jù)中幾何平均值9.2 mg/kg。根據(jù)《中國環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)表層土壤砷元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)，研究區(qū)內(nèi)98.7%的區(qū)域?qū)儆谝患?jí)區(qū)，在中國屬于砷元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低、較為清潔健康的區(qū)域。深層土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值為170.5 mg/kg，最小值為 1.0 mg/kg，幾何平均值為 9.33 mg/kg，與自然中砷的背景值水平相當(dāng)(5～10 mg/kg)，略高于中國第1次土壤普查數(shù)據(jù)中幾何平均值9.2 mg/kg。深層土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于表層土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)，土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化幅度也相對(duì)較大。有研究表明砷在土壤中的垂直遷移能力較差，水體中的砷多被吸附在表層土壤中［24］，因此深層土壤中砷的主要來源為成土母質(zhì)，而不是由于淋溶造成的表層土壤砷富集于深層土壤中(表1)。

3.2 土壤砷空間格局強(qiáng)度

表層土壤砷的塊金值、結(jié)構(gòu)方差和基臺(tái)值都明顯小于深層土壤砷的相關(guān)指標(biāo)，在水平空間上表層土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化幅度要小于深層土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化幅度。表層土壤砷的塊金系數(shù)在25%～50%(表2)，說明表層土壤砷的分布具有中等空間自相關(guān)性;深層土壤砷的＜25%，說明具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，具有非常明顯的空間結(jié)構(gòu)性。表層土壤砷和深層土壤砷的變程也有較明顯的差異，表層土壤砷的變程為168 km，深層土壤砷的變程為705 km，深層土壤砷在水平方向上的差異影響范圍遠(yuǎn)大于表層土壤砷的差異影響范圍。以上因素對(duì)于土壤砷的分布格局的影響表現(xiàn)為，在研究區(qū)內(nèi)表層土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化幅度較小，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖(圖3)中圖斑面積較小，而且圖形較為破碎，深層土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化幅度較大，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖(圖4)中圖斑面積較大，圖形相對(duì)完整。由此可見，深層土壤砷的空間格局強(qiáng)度較大，表層土壤砷的空間格局強(qiáng)度相對(duì)較小。

3.3 土壤砷空間格局

經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，表層土壤砷和深層土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本服從正態(tài)分布(圖3、圖4)。在研究區(qū)內(nèi)土壤砷元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)水平梯度變化，水平空間分布格局也較為相似，質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低區(qū)域主要集中在松花江、嫩江主干流和齊齊哈爾、大慶湖泊密集區(qū)，土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出向研究區(qū)北部、東部逐漸增大的趨勢(shì)。

表1 表層土壤、深層土壤砷元素質(zhì)量分?jǐn)?shù) mg·kg-1

表2 松嫩平原北部表層土壤和深層土壤砷空間自相關(guān)特征

圖3 表層土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)空間分布圖

圖4 深層土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)空間分布圖

3 結(jié)論

依據(jù)中國環(huán)境質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，松嫩平原北部98.7%的面積表層土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)屬于一級(jí)區(qū)，是土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低、較為清潔健康的區(qū)域。深層土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于表層土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并且深層土壤砷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異較大，結(jié)構(gòu)性因素造成的空間變異非常明顯，其水平空間分異格局強(qiáng)度較大;表層土壤砷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異相對(duì)較小，結(jié)構(gòu)性因素引起的空間變異較為明顯，隨機(jī)性因素對(duì)其空間變異結(jié)構(gòu)造成一定干擾，其水平空間分異格局強(qiáng)度相對(duì)較小。表層土壤砷和深層土壤砷的水平空間分布格局較為相似，均呈現(xiàn)出土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)由松花江、嫩江主干流和齊齊哈爾、大慶湖泊、濕地密集區(qū)向周圍逐漸增加的趨勢(shì)，松嫩高平原區(qū)土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于松嫩低平原區(qū)土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

成土母質(zhì)中砷元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)及砷元素的水平遷移是研究區(qū)內(nèi)土壤砷水平空間格局的主要影響因素。水體為土壤砷水平遷移的主要載體。人類活動(dòng)對(duì)土壤砷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和空間格局強(qiáng)度都有較為明顯的影響。主要表現(xiàn)為，人類活動(dòng)加速了土壤砷的流失，導(dǎo)致了土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低。人類活動(dòng)對(duì)土壤砷的水平遷移的范圍造成了影響，縮短了土壤砷的遷移距離。因此，人類活動(dòng)在一定程度上降低了研究區(qū)內(nèi)土壤砷的空間格局強(qiáng)度。

［1］Jones F T.A broad view of arsenic［J］.Poultry Science，2007，86:2-14.

［2］Kaiser J.Toxicologists shed new light on old poisons［J］.Science，1998，279:1850-1851.

［3］李宇.湘江武水河沿岸稻田的砷毒危害調(diào)查及對(duì)策［J］.中國環(huán)境監(jiān)測(cè)，2006，22(1):85-87.

［4］Mandal B K，Suzuki K T.Arsenic round the world:a review［J］.Talanta，2002，58:201-235.

［5］Papastergios G，F(xiàn)ernandez-Turiel J L，eorgakopoulos A，et al.Arsenic background concentrations in surface soils of Kavala raea，northern Greece［J］.Water Air Soil Pollut，2010，209:323-331.

［6］Nimick D A.Arsenic hydrogeochemistry in an irrigated river valley-a reevaluation［J］.Ground Water，1998，36(5):743-753.

［7］師榮光，趙玉杰，周啟星，等.蘇北優(yōu)勢(shì)農(nóng)業(yè)區(qū)土壤砷含量空間變異性研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24(1):80-84.

［8］Khan M A，Islam M R，Panaullah G M，et al.Accumulation of arsenic in soil and rice under wetland condition in Bangladesh［J］.Plant and Soil，2010，333(1/2):263-274.

［9］劉文菊，朱永官，胡瑩，等.來源于土壤和灌溉水的砷在水稻根表及其體內(nèi)的富集特征［J］.環(huán)境科學(xué)，2008，29(4):862-868.

［10］王玲梅，韋朝陽，楊林生，等.兩個(gè)品種水稻對(duì)砷的吸收富集與轉(zhuǎn)化特征及其健康風(fēng)險(xiǎn)［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30(4):832-840.

［11］陳同斌，鄭袁明，陳煌，等.北京市不同土地利用類型的土壤砷含量特征［J］.地理研究，2005，24(2):229-235.

［12］Chirenje T，Ma L Q，Szulczewski M，et al.Arsenic distribution in Florida urban soils:comparison between Gainesville and Miami［J］.Journal of Environmental Quality，2003，32:109-119.

［13］Gunes A，Pilbeam D，Inal A.Effect of arsenic-phosphorus interaction on arsenic-induced oxidative stress in chickpea plants［J］.Plant and Soil，2009，314(1/2):211-220.

［14］Reimann C，F(xiàn)ilzmoser P，Garrett R G.Background and threshold:critical comparison of methods of determination［J］.The Science of the Total Environment，2005，346(1/3):1-16.

［15］Lubin J H，Beane Freeman L E，Cantor K P.Inorganic arsenic in drinking water:an evolving public health concern［J］.J Natl Cancer Inst，2007，99(12):906-907.

［16］朱志良，秦琴.痕量砷的形態(tài)分析方法研究進(jìn)展［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2008，28(5):1176-1180.

［17］王碧，王坤余，舒子斌，等.砷的形態(tài)和痕量分析研究新進(jìn)展［J］.理化檢驗(yàn):化學(xué)分冊(cè)，2002，38(12):639-643.

［18］Cliff A D，Ord J K.Spatial processes:models and applaications［M］.London:Pion，1981.

［19］Martin D.An aeeseement of surface and zonalm odels of population［J］.International Journal of Geographic Information Systems，1996，10(8):973-989.

［20］霍霄妮，李紅，孫丹峰，等.北京耕作土壤重金屬含量的空間自相關(guān)分析［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29(6):1339-1344.

［21］李亮亮，依艷麗，凌國鑫，等.地統(tǒng)計(jì)學(xué)在土壤空間變異研究中的應(yīng)用［J］.土壤通報(bào)，2005(2):265-268.

［22］Bowen H J M，Ure A M，Berrow M L.The elemental constituents of soils［M］.London:Environmental Chemistry，1982.