全 文 ： * ?重庆市教委科技项目 ( 011802) 资助
** 通讯作者
收稿日期 : 2004-08-31 改回日期 : 2004-10-12
重庆三峡库区耕地土壤重金属含量的空间变异性研究 *
杨 梅
(四川农业大学都江堰分校信息工程系 都江堰 611830)
刘洪斌 ** 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 Three-Gorges Reservior in Chongqing . YANG Mei ( Department of
Information Technology, Sichuan Agricultural University Dujiangyan Campus, Dujiangyan 611830, China) , LIU Hong-
Bin( Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guiyang 550005, China ) , WU Wei ( College of
Information, Southwest Agricultural University, Chongqing 400716, China) , CJEA ,2006,14(1) : 100～103
Abstract The spatial variability of heavy metals in soil of Three-Gorges 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 themaps .
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 60. 6万
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 , 探讨了重庆三
图 1 取样点分布示意图
Fig.1 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 试验材料与方法
研究区域为重庆三峡库区 39个县区 , 总面积 8. 2万
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 2296. 8m, 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 13.8～18. 7℃ , 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-硝酸-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 Eco-Agriculture Jan ., 2006
法测定 ; Cr 用硫酸-硝酸-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
仪法测定 ;阳离子交换量和 pH 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 x1 , x2 , ⋯ , xn 上某土壤特性的观测值为 Z( x1 ) , Z( x2 ) , ⋯ , Z( xn ) , 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) = 12N( h) ∑
N ( h)
i = 1
[ Z( xi + h) - Z( xi ) ]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 :
∑
N
i = 1
λi = 1 (2)
其中 ,λi 为与 Z( xi ) 位置有关的权重系数。最优性条件 :
σ2E = E[ Zv - Z′v ]2 = E[ Z( V) - ∑
N
i = 1
λi Z( xi ) ] 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 K riging)研究分析。
2 结果与分析
2 . 1 重金属含量描述统计
表 1 表明土壤中重金属
Hg含量为 0.0915( ±0.0714)
mg/ kg, Cr 含 量 为 53. 7903
(±14. 1037) 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 78. 03% , 属高变异强度 ;
表 1 重金属含量描述统计
Tab. 1 Descriptive statistics of soil heavy metal contents
项 目
I tems
最小值/ mg·kg - 1 >
Minimum
value
最大值/ mg·kg - 1 ?
M aximum
value
均值 (±)/ mg·kg - 1
M ean
变异系数/ %
Coefficient
of variation
分布类型
Distribution
type
Hg 0 ?. 0170 0 O. 5455 0 V. 0915 (0 . 0714) 78 . 03 对数正态
Cr 15 ?. 9200 161 O. 9880 53 V. 7903 (14 .1037) 26 . 22 对数正态
Cr变异系数较小 , 为 26.22% , 属中等变异强度。
图 2 土壤重金属 Hg 含量半方差图
Fig. 2 The theoretical models and semivario-
grams of soil heavy metals contents
2 .2 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
VARIOWIN2.2软件分析、拟合了 Hg、Cr 含量的半方差函
数 ,共取得样点对数 10. 3285 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 36. 45%和 82.24% , 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
Tab. 2 The theoretical models of soil heavy metal and
corresponding parameters of semivariograms
项 目
I tems
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 0 `.001859 36 ?. 45 1 .89 0 ?.0051 0 . 9989
Cr 球 状 模 型 184 `.80 82 ?. 24 0 .09 224 ?.7 0 . 994
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 ArcGIS 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 0. 18～0. 26mg/ kg, 但并未超出国家制定的土壤环境质量标准 (酸
性土 0.3mg/ 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 200mg/ 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
Fig.3 Thegroupmapof Three-GorgesReservoir of soil heavy metal contents inChongqing
2 . 3 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 pH 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
Tab. 3 The correlation coefficients of soil heavy metal and soil properties
项 目
I tems
pH Hg Cr 有机质
Organic
matter
全 N
Total N
全 P
Total P
全 K
Total K
碱解氮
Alkaline
hydrolysisN
有效磷
EffectiveP
速效钾
AvailableK
阳离子交换量
Cationexchange
capacity
pH 1 Z
Hg - 0 Z. 091 1 ?
Cr 0 Z. 284 ** 0 ?. 068 1 t
有机质 0 Z. 202 * 0 ?. 283 ** 0 t.138 1
全 N 0 Z. 224 ** 0 ?. 287 ** 0 t.136 0. 932 ** 1 x
全 P 0 Z. 174 * 0 ?. 065 0 t.100 0. 120 0 x. 149 1
全 K 0 Z. 165 * - 0 ?. 234 ** 0 t.211** - 0. 099 - 0 x. 042 0. 170* 1 |
碱解氮 0 Z. 114 0 ?. 304 ** 0 t.069 0. 776 ** 0 x. 797** 0. 065 - 0 |. 159 1
有效磷 0 Z. 115 0 ?. 167 * - 0 t.064 0. 459 ** 0 x. 382** 0. 200* - 0 |. 086 0 . 383 ** 1 d
速效钾 0 Z. 192 * 0 ?. 159 0 t.217** 0. 294 ** 0 x. 309** 0. 140 0 |. 040 0 . 121 0 d. 299 ** 1 ?
阳离子交换量 - 0 Z. 003 0 ?. 270 ** 0 t.049 0. 659 ** 0 x. 616** 0. 108 - 0 |. 050 0 . 599 ** 0 d. 280 ** 0 ?.002 1
* 表示 P < 0. 05 显著相关 , ** 表示 P < 0 .01 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 0. 304; Hg含量与
全 K 含量呈极显著负相关 , 其相关系数达 - 0.234; 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
0. 167。重庆三峡库区土壤中 Cr 含量与 pH、全 K 和速效钾含量均呈极显著正相关 , 其中与 pH 的相关性最
强 ,其相关系数达 0.284。
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 78.03% , Cr 为 26.22%。Hg、
Cr含量的块金常数/ 基台值分别为 36.45%和 82. 24% , 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 0.18～0. 26mg/ 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 pH、全 K 和速效钾含量均呈极显著正相关 ,其中与 pH 的相关性最强。
参 考 文 献 h
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 . Recent Development in Spatial Analysis . Berlin: Springer, 1997
9 ?Burgess T . M ., Webster R . Optimal interpolation and isarithmic mapping of soil properties . ? . The semivariogram and punctual kriging .
Journal of Soil Science, 1980, 31: 315～331
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 103