重庆三峡库区耕地土壤重金属含量的空间变异性研究

　　3 重庆市教委科技项目 (011802)资助 　　33通讯作者 收稿日期 :2004208231 　改回日期 :2004210212 重庆三峡库区耕地土壤重金属含量的空间变异性研究 3 　杨　梅 (四川农业大学都江堰分校信息 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 系　都江堰　611830) 刘洪斌 33 　　　　　　　　　武　伟　 (中国科学院地球化学研究所 　贵阳 　550005) (西南农业大学信息学院 　重庆 　400716) 摘 　要 　对重庆三峡库区耕地土壤重金属含量的空间变异性研究结果表明 , Hg 和 Cr 服从对数正态分布 ,拟合得 到 Hg 与 Cr 的半方差函数模型分别为幂函数和球状模型 ,且在一定范围内存在空间相关性 ;采用 Kriging 内插法对 未测点重金属进行最优估计 ,所绘制的 Kriging 插值图反映了该区耕地土壤重金属 Hg 和 Cr 的空间变异特征。 关键词 　重金属 　空间变异 　半方差函数模型 　克里格插值 Spatial variability of heavy metals in soil of Three2Gorges Reservior in Chongqing. YAN G Mei ( Department of Information Technology , Sichuan Agricultural University Dujiangyan Campus , Dujiangyan 611830 ,China) , L IU Hong2 Bin ( Institute of Geochemistry , Chinese Academy of Sciences , Guiyang 550005 , China ) , WU Wei ( College of Information , Southwest Agricultural University , Chongqing 400716 ,China) , CJ EA ,2006 ,14 (1) :100～103 Abstract 　The spatial variability of heavy metals in soil of Three2Gorges Reservior in Chongqing was studied. The results show that the Hg and Cr of soil heavy metal are distributed lognormally. The semivariogram models of Hg and Cr are power and spherical. These observed items are correlated in a given spatial range. The kriging method is applied to estimate the unobserved points and their group maps are obtained. The spatial variabilities of the heavy metals in Chongqing can be reflected clearly in the maps. Key words 　Heavy metal , Spatial variability , Semivariance model , Kriging (Received Aug. 31 , 2004 ; revised Oct . 12 , 2004) 当前我国区域农业环境恶化与农产品重金属污染严重 ,据农业部近年调查表明 ,我国经济发展较快的 24 个省市的城郊、污灌区及工矿等 320 个重点污染区中 ,大田农作物污染超标的农产品种植面积为 6016 万 hm2 ,占监测调查总面积的 20 % ,其中重金属含量超标的农产品产量与面积约占污染物超标农产品总量与总 面积的 80 %以上 ,尤其是 Pb、Cd 和 Hg 及其复合污染最突出[8 ] 。本研究采用地统计学 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 , 探讨了重庆三 图 1 　取样点分布示意图 Fig11 　Sampling locations 峡库区耕地土壤重金属含量的空间变异性 ,为改善三峡库区耕地环境质量提供依据。1 　试验 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 与方法研究区域为重庆三峡库区 39 个县区 ,总面积 812 万km2 (位于东经 105°17′～110°11′,北纬 28°10′～32°13′) ,地形以丘陵、低山为主 ,最高海拔 229618m ,最低海拔73m ,大部分地区海拔高度 < 500m。该区属中亚热带气候 ,水热丰富 ,雨热同季 ,年均气温为 1318～1817 ℃,年降水量为 940～1375mm ,土壤类型以紫色土、水稻土为主。试验共布设 455 个样点 ,于 2003 年取各样点 0～20cm 耕层土壤土样 (见图 1) ,经风干后过 1mm 筛备用 ,重金属 Hg 用硫酸2硝酸2高锰酸钾消煮、冷原子吸收光度 第 14 卷第 1 期 中 国 生 态 农 业 学 报 Vol. 14 　No. 1 2 0 0 6 年 1 月 Chinese Journal of Eco2Agriculture Jan. , 　2006 法测定 ;Cr 用硫酸2硝酸2氢氟酸消煮、加氯化铵液以火焰原子吸收分光光度法测定 ;有机质含量用元素 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 仪法测定 ;阳离子交换量和 p H 用常规分析法测定[1 ] 。 本研究采用地统计学方法 ,该方法一般以半方差图作为描述空间变异性的工具[2 ,3 ,9 ] 。设在一维 (二维 或三维)空间中不同位置 x 1 , x 2 , ⋯, x n 上某土壤特性的观测值为 Z ( x 1) , Z ( x 2) , ⋯, Z ( x n) ,半方差[γ( h) ] 可反映区域化变量的空间依赖关系 ,由下式计算 (估计) : γ( h) = 12 N ( h) 6N ( h)i = 1 [ Z ( x i + h) - Z ( x i) ]2 (1) 其中 , N ( h) 为由距离 h 分隔的观测点对数 , h 为滞后距离。以 h 为横坐标 ,γ( h) 为纵坐标作图 ,即为半方 差图。本研究对未采样点的区域化变量取值进行线性无偏最优估计[4 ] ,即同时满足无偏性条件 :6N i = 1 λi = 1 (2) 其中 ,λi 为与 Z ( x i) 位置有关的权重系数。最优性条件 : σ2E = E[ Zv - Z′v ]2 = E[ Z ( V ) - 6N i = 1 λi Z ( x i) ]2 = min (3) 通过比较无偏最优条件后 ,重金属 Hg 用转换克里格法 (Disjunctive Kriging) , Cr 用普通克里格法 (Ordinary Kriging)研究分析。 2 　结果与分析 211 　重金属含量描述统计 　　表 1 表明土壤中重金属 Hg 含量为 010915 ( ±010714) mg/ kg , Cr 含 量 为 5317903 ( ±1411037) mg/ kg ,反映了当 前这 2 种元素的含量水平。这 2 种重金属中 Hg 变异系数较 大 ,为 78103 % ,属高变异强度 ; 表 1 　重金属含量描述统计Tab11 　Descriptive statistics of soil heavy metal contents项　目Items 最小值/ mg·kg - 1Minimumvalue 最大值/ mg·kg - 1Maximumvalue 均值 (±) / mg·kg - 1Mean 变异系数/ %Coefficientof variation 分布类型DistributiontypeHg 010170 015455 010915 (010714) 78103 对数正态Cr 1519200 16119880 5317903 (1411037) 26122 对数正态 Cr 变异系数较小 ,为 26122 % ,属中等变异强度。 图 2 　土壤重金属 Hg 含量半方差图 Fig12 　The theoretical models and semivario2 grams of soil heavy metals contents 212 　重金属元素空间变异性及分布趋势 由于半方差函数的计算一般要求数据符合正态或近似 正态分布 ,否则可能存在比例效应[5 ] ,根据检验土壤中 Hg、 Cr 含量在取对数后符合对数正态分布 ,可以对土壤 Hg、Cr 含量在取对数后采用半方差函数进行分析。本研究用 VARIOWIN212 软件分析、拟合了 Hg、Cr 含量的半方差函 数 ,共取得样点对数 1013285 万对 ,土壤重金属 Hg 含量半 方差图见图 2。块金常数通常表示由于实验误差和小于实 验采样尺度所引起的变异 ,若块金常数较大 ,表示较小尺度 上的某些过程影响不容忽视。一般以块金常数与基台值的 比值作为衡量变量空间相关程度的尺度 ,若其值 < 25 % ,则 为空间强相关 ;介于 25 %～75 %间为空间中等程度相关 ; > 75 %为空间弱相关[5 ]。从重庆三峡库区土壤中 Hg 含量半方差图 (见图 2)及其半方差函数拟合参数 (见表 2) 可知 ,Hg、Cr 含量的块金常数/ 基台 值分别为 36145 %和 82124 % , Hg 属 于中等程度空间相关 ,而 Cr 属于空 间弱相关 ,其原因可能是某些随机性 因素 ,若耕作、管理措施、种植 制度 关于办公室下班关闭电源制度矿山事故隐患举报和奖励制度制度下载人事管理制度doc盘点制度下载 和 污染等人为活动的影响较大 ,而削弱 了Hg 、Cr的空间相关性。从空间结 表 2 　重金属理论模型和半方差函数拟合参数 Tab12 　The theoretical models of soil heavy metal and corresponding parameters of semivariograms 项 　目 Items 理论模型 Theoretical model 块金常数 Nugget 块金常数∶基台值/ % Proportion of nugget to sill 变 　程 Range 基台值 Sill 标准均方根误差 RMS Hg 幂函数模型 　　01001859 36145 1189 010051 019989 Cr 球 状 模 型 184180 82124 0109 22417 01994 第 1 期 杨 　梅等 :重庆三峡库区耕地土壤重金属含量的空间变异性研究 101　　 构性来看 ,重庆三峡库区土壤中 Cr 所受的人为影响可能大于 Hg。根据以上 Hg、Cr 含量的半方差函数拟合 参数 ,在 Arc GIS 软件支持下进行这 2 种重金属元素克里格插值 ,其结果见图 3。从 Hg、Cr 含量空间分布来 看 ,土壤中 Hg 含量 (见图 3a) 总体分布趋势为整个重庆三峡库区土壤中 Hg 含量较为一致 ,在东南部酉阳、 秀山一带出现 1 块相对高值区 ,Hg 含量为 0118～0126mg/ kg ,但并未超出国家制定的土壤环境质量标准 (酸 性土 013mg/ kg[6 ]) 。而 Cr 含量 (见图 3b)总体分布趋势为整个重庆三峡库区土壤中 Cr 含量低于国家制定 的土壤环境质量标准 (酸性土 200 mg/ kg[6 ]) ,在东部、东南部区域出现 1 块相对高值区 ,壁山附近地区出现 1 岛状相对高值区 ,北部城口地区 Cr 含量也相对较高 ,表明 Cr 含量空间分布变化差异较大 ,在图 3b 中表现出 较多的岛状区 ,而 Hg 含量空间分布变化相对较平缓 ,局部地区 Hg 含量变化小于 Cr 含量变化 ,这说明重庆 三峡库区土壤中 Cr 含量受局部随机性因素的影响程度大于 Hg 含量。 图 3 　三峡库区土壤重金属元素克里格插值图 Fig13 　The group map of Three2Gorges Reservoir of soil heavy metal contents in Chongqing 213 　土壤中 Hg、Cr 与土壤性质的关系 影响土壤重金属含量与空间分布趋势的主要因素一是母质及土壤自身的性质 ,如 p H 值、有机质和粘粒 含量等影响土壤对重金属吸附[7 ] ,从而造成不同区域土壤重金属含量发生变化 ;二是人为活动的影响 ,如化 表 3 　土壤 Hg、Cr 含量与土壤性质间相关系数 Tab13 　The correlation coefficients of soil heavy metal and soil properties 项　目 Items p H Hg Cr 有机质 Organic matter 全　N Total N 全　P Total P 全　K Total K 碱解氮 Alkaline hydrolysis N 有效磷 Effective P 速效钾 Available K 阳离子交换量 Cation exchange capacity 　p H 1 　 　Hg - 01091 1 　 　Cr 01284 33 01068 1 　 有机质 01202 3 01283 33 01138 1 　 全　N 01224 33 01287 33 01136 01932 33 1 　 全　P 01174 3 01065 01100 01120 01149 1 　 全　K 01165 3 - 01234 33 01211 33 - 01099 - 01042 01170 3 1 　 碱解氮 01114 01304 33 01069 01776 33 01797 33 01065 - 01159 1 　　 有效磷 01115 01167 3 - 01064 01459 33 01382 33 01200 3 - 01086 01383 33 1 　　 速效钾 01192 3 01159 01217 33 01294 33 01309 33 01140 01040 01121 01299 33 1 　 阳离子交换量 - 01003 01270 33 01049 01659 33 01616 33 01108 - 01050 01599 33 01280 33 01002 1 　　3 表示 P < 0105 显著相关 , 33 表示 P < 0101 极显著相关。 肥、农药、汽车尾气、燃煤和工业污染等。由表 3 可知 ,重庆三峡库区土壤中 Hg 含量与有机质、全 N、碱解氮 含量及阳离子交换量均呈极显著正相关 ,其中与碱解氮含量的相关性最强 ,其相关系数达 01304 ; Hg 含量与 全 K含量呈极显著负相关 ,其相关系数达 - 01234 ; Hg 含量与有效磷含量呈显著正相关 ,其相关系数达 102　　 中 国 生 态 农 业 学 报 第 14 卷 01167。重庆三峡库区土壤中 Cr 含量与 p H、全 K和速效钾含量均呈极显著正相关 ,其中与 p H 的相关性最 强 ,其相关系数达 01284。 3 　小 　结 重庆三峡库区土壤中 Hg 含量的差异大于 Cr 含量差异 ,变异系数 Hg 为 78103 % ,Cr 为 26122 %。Hg、 Cr 含量的块金常数/ 基台值分别为 36145 %和 82124 % ,Hg 属于中等程度空间相关 ,而 Cr 属于空间弱相关 , 其原因可能是某些随机性因素如耕作、管理措施、种植制度和污染等人为活动的影响较大 ,而削弱了 Hg、Cr 的空间相关性。从空间结构性来看 ,重庆三峡库区土壤中的 Cr 所受的人为影响可能大于 Hg。从 Hg、Cr 含 量空间分布来看 ,土壤中 Hg 含量总体分布趋势为整个重庆三峡库区土壤中 Hg 含量较为一致 ,在东南部酉 阳、秀山一带出现 1 块相对高值区 , Hg 含量为 0118～0126mg/ kg ,但并未超出国家制定的土壤环境质量标 准。而 Cr 含量总体分布趋势为整个重庆三峡库区土壤中 Cr 含量低于国家制定的土壤环境质量标准 ,在东 部、东南部区域出现 1 块相对高值区 ,壁山附近地区出现 1 岛状相对高值区 ,北部城口地区 Cr 含量也相对较 高。Cr 含量空间分布变化差异较大 ,表现出较多的岛状区 ;而 Hg 含量空间变化相对较平缓 ,局部地区 Hg 含量变化 < Cr 含量变化 ,这说明重庆三峡库区土壤中 Cr 含量受局部的随机性因素影响的程度可能大于 Hg 含量。重庆三峡库区土壤中 Hg 含量与有机质、全 N、碱解氮含量及阳离子交换量均呈极显著正相关 ,其中 与碱解氮含量的相关性最强 ; Hg 含量与全 K 含量呈极显著负相关 ; Hg 含量与有效磷含量呈显著正相关。 重庆三峡库区土壤中 Cr 含量与 p H、全 K和速效钾含量均呈极显著正相关 ,其中与 p H 的相关性最强。 参 　考 　文 　献 1 　环境污染物分析方法编辑组. 环境污染物分析方法. 北京 :科学出版社 ,1980 2 　王学仁. 地质数据的多变量统计分析. 北京 :科学出版社 ,1982 3 　刘承祚 ,孙惠文. 数学地质基本方法及应用. 北京 :地质出版社 ,1981 4 　徐吉炎 ,Webster R. 土壤调查数据地域统计的最佳估值研究———彰武县表层土全氮量的半方差图和块状 Kriging 估值. 土壤学报 , 1983 ,20 (4) :419～430 5 　赵永存 ,汪景宽 ,王铁宇等. 吉林公主岭土壤中砷、铬和锌含量的空间变异性及分布规律研究. 土壤通报 ,2002 ,33 (10) :372～376 6 　国家环境保护局科技标准司. 土壤环境质量标准. 北京 :科学出版社 ,1995 7 　毛任钊. 海河低平原盐渍区土壤养分空间变异性研究. 中国生态农业学报 ,2001 ,9 (4) :63～66 8 　Fisher M. 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