松嫩平原北部土壤砷水平空间分异及影响因素研究

张 慧，付 强

（1.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030，2.东北农业大学水利与建筑学院，哈尔滨 150030）

砷（As）是自然界中广泛存在的类金属，具有较强的致畸、致癌作用。土壤砷通过影响作物的生长，进而影响农产品的产量[1]，通过富集在动植物体内进入食物链，以无机砷元素的形式富集在稻米和蔬菜中[2]，影响粮食产量和质量。土壤砷的空间变异特征研究为土壤保护和农业区域规划提供必要依据。

国内外对于土壤砷的研究主要包括土壤砷分布特征研究[3-4]；土壤砷在植物、动物及人类体内富集效果的研究[5-6]；人类活动对土壤砷迁移的影响研究[7-8]等。以往对土壤砷的空间分异规律的研究通常是以土壤背景值为依据衡量表层土壤砷的含量变化，并结合土地利用方式进行人为影响因素分析。这种方法在某种程度上忽略了地质和其他自然成土因素造成的As含量的空间分异。本文以深层土壤砷含量为依据来衡量表层土壤砷含量及土壤砷含量变化量，并对高度、坡度等地形要素，距河流远近等水文因素和土地利用类型等人为影响因素进行综合分析，对松嫩平原北部土壤砷的水平空间分异规律进行分析。

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，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，是中国重要的商品粮生产基地。

研究区为松嫩平原北部，总面积为8.15万km2工作区地理坐标为 ① 东经122°25′，北纬48°00′；② 东经127°45′，北纬48°00′；③ 东经122°25′，北纬 45°35′；④ 东经 127°45′，北纬 45°35′。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。

2 材料与方法

2.1 样品的采集与分析

本研究分别采集了表层土壤和深层土壤两种土壤样本。表层土壤采集深度为0～20 cm，该土层的As元素含量对作物的产量、质量及人类健康影响较大，并且对人为干扰较为敏感；深层土壤样本采样深度为1 m，有研究表明As元素多被吸附于表层土壤，较难通过淋溶作用富集到深层土壤，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，样品布点按照标准格网进行均匀布点，表层土壤样本按4个点/4 km2的密度进行采集，将每4个采样点进行土壤样本混合，共获得混合样本20 701个。深层土壤样本4个点/16 km2的密度进行布点，按每4个采样点进行土壤样本混合，共获得混合样品5 301个。采用原子荧光法对土壤中As元素含量进行测定[9-10]，检出限为1 μg·g-1。

2.2 土地利用类型数据的获取

在ERDAS软件的支持下，以1∶50 000等高线地形图为依据对2009年的中巴资源卫星影像（精度为19.8 m）进行正射校正。依据人类对土壤物理结构的干扰强度将土地利用类型分为7类，包括：耕地、园地、林地、草地、建设用地、水面、未利用地等。制定土地利用分类标准，利用监督分类提取土地利用类型信息。

2.3 数值高程模型（DEM）及坡度数据的获取

在ArcGIS软件的支持下，利用地统计分析模块的空间插值法，依据研究区的1∶50 000等高线地形图，生成数值高程模型（DEM），并通过三维分析，获得坡度图。

2.4 表层和深层土壤砷水平空间分异规律的模拟

利用ArcGIS软件的地统计分析模块，以表层土壤和深层土壤砷样本的化验结果为依据，对表层土壤和深层土壤砷的水平空间分布进行模拟。以往研究表明，土壤砷含量经对数转换后符合正态分布[11]。因此在对表层土壤和深层土壤砷元素进行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预测，得到表层土壤和深层土壤砷的水平空间分布图。

2.5 表层和深层土壤砷水平空间分异差异分析方法

分别对表层土壤砷、深层土壤砷、土地利用类型数据进行叠加分析，将叠加分析结果与高程信息、坡度信息进行整合，并计算出每一个面要素的中心点距最近的河流、湖泊等水面的直线距离。表层土壤和深层土壤样本的采样密度不同，在进行叠加分析时用土壤样本含量代替采样栅格内的土壤含量值，即表层和深层土壤样本单元格网内砷含量为均值。

利用R软件对表深层土壤砷含量差值、高程、坡度等因素进行了相关分析。土地利用类型为分类数据，对表深层土壤砷含量差值与土地利用类型进行Kruskal-Wallis检验，以验证对土壤的人为定向干预对土壤砷含量变化是否有影响。

3 结果与分析

3.1 表层土壤砷和深层土壤砷水平空间分异特征

表层土壤中As含量最大值为41.0mg·kg-1，最小值为 1.4 mg·kg-1，几何平均值为 8.68 mg·kg-1，与自然中As的背景值水平相当（5～10 mg·kg-1），低于中国第一次土壤普查数据中几何平均值9.2 mg·kg-1。根据中国环境质量标准，对表层土壤砷元素含量进行分级评价，研究区内98.7%的区域属于一级区，在中国属于As元素含量较低、较为清洁健康的区域。

从图2中的正态Q-Q分布图中，可以发现表层土壤砷元素含量经过对数转换后基本服从正态分布。利用空间插值对研究区进行表层土壤砷含量模拟，并依据含量累积频率均匀分为十等，生成表层土壤砷含量空间分布图（见图1）。如图1所示，在研究区内土壤砷含量呈渐变趋势：松花江、嫩江主要干流、支流沿线和湖泊广布的大庆市土壤砷元素含量较低；土壤砷含量较高区域主要分布在地势相对较高的北部地区（甘南县、龙江县、依安县、拜泉县）和东部部分地区；其余地区土壤砷含量处于过渡水平。

图1 表层土壤砷含量空间分布Fig.1 Arsenic concentration in surface soil

深层土壤砷含量最大值为170.5mg·kg-1，最小值为1.0mg·kg-1，几何平均值为9.33mg·kg-1，与自然中As的背景值水平相当（5～10 mg·kg-1），略高于中国第一次土壤普查数据中几何平均值9.2mg·kg-1。深层土壤砷含量高于表层土壤砷含量，土壤砷含量的变化幅度也相对较大。

如图2所示，深层土壤砷的水平分布趋势与表层土壤砷分布格局较为相似，说明深层土壤砷含量对表层土壤砷含量有较大影响。对表层土壤砷含量和深层土壤砷含量进行相关分析，得到相关系数为0.49，说明表层土壤砷含量与深层土壤砷含量存在较为明显的相关性，表层土壤砷含量表现出较为明显的继承性。但深层土壤和表层土壤砷含量的空间分异强度存在较大差异。与表层土壤砷空间分布图相比，深层土壤砷含量空间分布图中图斑面积较大，并且图形较相对完整，空间分异较为明显，空间分异强度较大。从表层土壤和深层土壤砷的空间分布可知，As在水平空间的迁移能力较强，并且水是主要的迁移载体。

3.2 表层土壤砷和深层土壤砷含量变化量水平空间分异特征

对表层土壤砷元素含量、深层土壤中As元素含量和表层土壤与深层土壤砷含量差值进行对比分析。结果表明表层土壤砷含量与深层土壤砷含量的变化量较大。变化量为正值，说明土壤砷表现为富集，变化量为负值，说明土壤砷出现流失现象。土壤砷富集最大值为31.4 mg·kg-1，土壤砷流失最大值为162.3 mg·kg-1。表层土壤中As元素的含量的几何平均值和几何中位值都低于深层土壤中含量，说明表层土壤砷比深层土壤砷含量低，主要表现为土壤砷流失。在研究区内表层土壤中As元素含量的标准差小于深层土壤中As元素含量的标准差，说明表层土壤砷含量较深层土壤砷含量的差异有变小的趋势。详见表1。

对表层土壤砷和深层土壤砷含量变化量进行插值分析，依据累积频率均匀分为十等，模拟研究区内表层土壤砷和深层土壤砷含量变化状况（见图3）。

图2 深层土壤砷含量空间分布Fig.2 Arsenic concentration in deep soil

表1 表层土壤、深层土壤砷元素含量对比Table 1 Arsenic concentrations in surface soil and deep soil and the change value of Arsenic concentrations (mg·kg-1)

图3 As元素含量差值空间分布Fig.3 Change value of Arsenic concentrations

研究区内大部分地区表现为表层土壤砷较深层土壤砷含量下降，仅在小范围内出现土壤砷含量增加的现象，并且图中图斑图形较为破碎，分布无明显规律。

3.3 表层土壤砷和深层土壤砷含量变化量影响因素分析

利用R软件对土壤砷含量差值和高程、坡度和距水面最近距离分别进行相关分析，结果分别为0.047、0.035、0.036，无显著相关性，说明地形因素和水文因素不是造成表层和深层土壤砷含量差异的主要原因。对土壤砷含量差值和7种土地利用分类进行Kruskal-Wallis检验，以0.05为显著性水平，得出P＜2.2×10-16，由此可知各土地利用类型间土壤砷含量差值有较大差别，即人类对土壤的不同方式的定向干预对土壤砷含量差值的影响较大，是造成土壤砷含量差值无规律分布的主要原因。

从表2可知，土壤砷含量变化量最大的为耕地，并且方差也最大，未利用地的土壤砷含量差值变化最小，方差也为最小。在以上7种用地类型中，耕地是对土壤结构破坏最为严重的，也表现出土壤砷含量变化最为剧烈，其次为建设用地、林地、园地、草地，人为干扰对土壤结构影响最小的是未利用地，未利用地的土壤砷含量也表现出最小的变化幅度。河流湖泊的沉积物中的砷含量变化主要受到水体中砷含量的影响，而水体中砷的含量与其他6种地类的土壤砷的流失密切相关。由此可见，人类的生产、生活活动通过改变土壤空隙从而影响土壤砷的迁移速度和迁移距离，人类对土壤结构干预的强度直接影响着土壤砷含量的变化。

表2 各土地利用类型的土壤砷含量差值对比Table 2 Change value of As concentration between surface soil and deep soil in different land use types

4 讨论与结论

本研究在进行土壤砷的水平空间分异研究时，分别对表层土壤和深层土壤进行采样，对比分析土壤砷的空间分异特征和土壤砷含量差值的空间分异特征，较为客观地分析了土壤砷在发育过程中的空间继承性；在进行影响因素分析时，通过对土壤砷含量变化量反映表层土壤中砷元素的富集和流失状况，并从高程、坡度、距河流距离和土地利用类型等方面进行影响因素分析，并进一步解释表层土壤砷空间分异的强度变化。对土壤砷空间格局的影响因素的进一步研究可以地质、地貌、气候和水文等影响因素进行分析，以弥补本研究中对土壤砷空间分异研究的不足。

研究区内土壤砷的水平迁移活动较为明显，水是主要迁移载体。深层土壤砷的空间分布格局与表层土壤砷的空间分布格局较为相似，均表现为土壤砷含量从地势低平的松花江、嫩江干流向地势较高地带呈逐渐增加的趋势。深层土壤砷的空间分异强度比表层土壤砷的空间分异强度高。表层土壤砷含量及空间分布表现出对深层土壤砷的较明显的继承性。人类的生产生活活动加速了表层土壤砷的流失，人类对土地干扰程度的差别，是造成土壤砷含量变化量在水平空间无规律分布的主要原因，因此在表层土壤中，砷元素表现出流失和富集的无序分布的状态。

[1]李宇.湘江武水河沿岸稻田的砷毒危害调查及对策[J].中国环境监测,2006,22(1):85-87.

[2]Badal Kumar Mandal,Kazuo T Suzuki.Arsenic round the world:a review[J].Talanta,2002,58:201-235.

[3]Papastergios G,Fernandes-Turiel J L,Gimeno D.Arsenic background concentrations in surface soils of kavala raea,northern Greece[J].Water Air Soil Pollut,2010,209:323-331.

[4]黄冠星,孙继朝,荆继红,等.珠江三角洲典型区水土中砷的分布[J].中山大学学报:自然科学版,2010,49(1):131-136.

[5]Asaduzzaman Khan M,Rafiqul Islam M,Panaullah G M,et al.Accumulation of arsenic in soil and rice under wetland condition in Bangladesh[J].Plant Soil,2010,333:263-274.

[6]刘文菊,朱永官,胡莹.来源于土壤和灌溉水的砷在水稻根表及其体内的富集特征[J].环境科学,2008,29(4):862-868.

[7]Robinson Gilpin R.Jr.,Larkins Peter,Boughton Carol J,et al.Assessment of Contamination from Arsenical Pesticide Use on Orchards in the Great Valley region,Virginia and west Virginia,USA[J].Journal of Environmental Quality,2007,36:654-663.

[8]Qi Y Q,Donahoe,Rona J.Modeling arsenic desorption from herbicide-contaminated soils[J].Environmental Toxicology and Chemistry,2009,28:1338-1345.

[9]朱志良,秦琴.痕量砷的形态分析方法研究进展[J].光谱学与光谱分析,2008,28(5):1176-1180.

[10]王碧,王坤余,舒子斌.砷的形态和痕量分析研究新进展[J].理化检验:化学分册,2002,38(12):639-643.

[11]Ure A,Berrow M.Chapter 3:The elemental constituents of soils[M].Bowen H J M.Environmental Chemistry.London:Royal Society of Chemistry,1982.