新田县重金属元素空间变异及空间分布特征

刘显丽，刘贤红，黄逢秋

（湖南省地球物理地球化学勘查院，湖南 长沙 410116）

长期以来，伴随着人类对自然干预和土地索取的增强，土地安全问题备受关注。为了保障工农业生产的可持续发展，对土壤中重金属元素状况进行检测并掌握其空间变异特征极为重要[1]。

选取湖南新田县为研究区，通过地统计学和GIS空间分析来研究土壤中重金属元素的空间变异特征及空间分布情况[2]，为地区土地利用规划调整、土壤环境保护等提供依据。

1 研究区概况

新田县位于湖南省永州市东南部，地处阳明山南麓，地理坐标为:东经112°02'～112°23'，北纬25°40'～26°06'，土地总面积1022平方公里。该县地貌类型复杂，全区大体呈现“五分山丘、三分岗地、二分平原和水面”的格局，处于季风湿润气候区域。农业是县域经济的支柱产业，全县土地农业利用率达83.32%。近年来新田县大力发展特色农业、生态健康养殖业，立足优质土地资源，将生态、绿色、富硒农业做大做强，已成为当地农民脱贫致富的重要途径之一。

2 样品采集与分析方法

数据来自“湖南新田县土地质量地球化学评估”项目，工作时间为2011-2014，共有表层土壤数据4440条。

土壤采样密度为4.05个点/km2，采集地表下20厘米内连续的A层（耕作层）土柱。野外采样点位使用GPS并结合地形图定点，在选择的采样位置周围20m~50m范围内等量采集5个子样，通过缩份组成一个样品。上述样品采样重量大于1000g，样品经自然干燥后过20目（<0.84mm）筛，送实验室加工至-200(<0.074mm)目进行分析测试。土壤pH值采用过10目（<2mm）筛后进行样品测定。土壤样品中As、Hg采用原子荧光光谱法分析；Cd采用ICP-MS法分析；Cu、Pb、Zn采用X荧光光谱法分析。

采用PASWStatistics18统计软件对对原始数据的样本数、最大值、最小值、算术平均值、几何平均值、众值、中位值、离差、几何离差等等地球化学参数进行统计。为避免产生比例效应，在进行半方差分析之前应确保数据符合正态分布。使用GeoChem Studio软件多次剔除数据中的离群值（或）后，再采用K-S方法对数据进行正态分布检验。如果数据不符合正态分布，对原始数据进行对数转化，将数据的分布类型转换为正态分布或接近正态分布，以满足半方差分析的要求[2]。

采用GIS软件对符合正态分布的数据进行半方差函数分析和模型的选择，得到土壤重金属元素半方差函数的理论模型及相关参数[2]。利用GeoExpl软件，进行元素地球化学图的制作。

3 土壤重金属元素地球化学参数特征

新田县表层土壤中As、Hg、Cd、Cu、Pb、Zn含量的统计及正态分布性检验结果如表1所示。变异系数的大小表示土壤特性空间变异性的大小[2]，各重金属元素变异系数大小依次为Hg（45.66%）＞As（44.42%）＞Zn（40.12%）＞Cu（33.98%）＞Pb（33.14%）＞Cd（28.48%），按照变异系数的分级标准，研究区土壤中重金属元素含量在空间上均为中等变异，元素分布较不均匀。

表1 土壤重金属元素地球化学参数统计

偏度系数表示数据分布偏离对称性程度的参数，偏度系数越接近0，原始数据越服从正态分布。As、Hg、Cd、Cu、Pb、Zn的偏度系数都偏大，只有Cd最接近0。峰度系数则是度量数据在中心聚集程度，峰度系数越接近0，原始数据越服从正态分布。重金属数据中仅有Cu的峰度系数为0.02，最接近0。对以上重金属元素的原始数据进行K-S正态检验,结果显示这些元素均不服从正态分布。将重金属数据进行对数转换，使数据基本服从正态分布[4]。

4 土壤重金属元素空间变异特征

本研究利用半方差函数来表征土壤元素的空间变异程度，利用GS+7.0软件对重金属元素数据进行半方差分析，拟合出精度较高的半方差函数模型及相应的参数。最佳模型的选择主要依据决定系数，其次依据块金系数和变程[4]。由表2可知，研究区土壤重金属元素拟合最佳模型均是指数模型，As、Cd、Hg、Cu、Zn拟合效果均比较理想，Pb拟合效果稍差，决定系数为0.653。

图1 新田县Cd、Hg元素空间分布图

图2 新田县Pb、As、Cu、Zn元素空间分布图

空间变异性主要由随机部分(随机性因素)和自相关部分(结构性因素)两部分组成。块金系数C0/C0+C表示随机性因素引起的空间变异占系统内总变异的比例，块金系数小于25%,表明变量有强烈的空间相关性;块金系数介于25%和75%之间,表明变量有中等程度的空间相关性;块金系数大于75%,表明变量空间相关性较弱[5]。

表2 土壤重金属元素半方差函数的拟合模型与参数

由表2可知，他们的空间变异规律为：块金常数与基台值比率Cu（50.00 %）>Cd（46.97%）>Hg（37.80%）>Zn（30.50%）>As（28.66 %）>Pb（10.85%）。As、Cd、Hg、Cu、Zn具中等强度的空间相关性，其空间相关由土壤的结构性因素(气候、母质、地形、土壤类型等)和随机性因素（施肥、耕作、种植制度等）共同作用的结果，且结构性因素所占的比例略大[5]。Pb的块金系数为10.85%，具强烈的空间相关性，它的分布特征受土壤系统结构的影响强烈，随机性因素影响较小。

变程反映空间相关性的最大距离，在变程范围内，变量之间具有空间相关性，当超过变程时，认为变量是相互独立的[2]。由表2可知，土壤重金属元素的变程差异很大，其中Cu的变程最大，达到74.97km；Pb的变程最小，为为2.88km，空间相关性范围较小。

5 土壤重金属元素空间分布特征

为了更直观的了解研究区土壤重金属元素的空间分布特征，精准地为新田县农业生产、土地利用、土地管理提供可靠依据，利用GeoExpl软件，采用指数加权法进行数据网格化，以累积频 率0.5%、1.5%、4%、8%、15%、25%、40%、60%、75%、85%、92%、96%、98.5%、99.5%相对应的15级含量绘制出土壤重金属元素的地球化学图（见图1、图2）。

Cd的高背景区主要分布在冷水井乡-毛里乡-龙泉镇-莲花乡一带以及石羊镇等乡镇。南部地区的镉元素含量明显比北部高，门楼下乡东部低值区最为明显。Hg的高值区主要分布在新田县城周围、新圩镇东部-高山乡-陶岭乡、十字乡西部，低含量区位于门楼下乡南部以及金陵镇北部等地区。Pb的高含量区主要分布在毛里乡东北部-龙泉镇-新田县城西部、石羊镇等地区；低含量区主要分布在肥沅水库向东一带、金陵镇等地区。As的高值区主要分布在龙泉镇-新田县城之间、新圩镇东南部、石羊镇中部及南部。低值区主要分布在新田县北部，以冀村镇较为明显。Cu的高值区位于新田县城及东偏北方向的莲花乡、金陵水库东部，低值区主要分布在肥沅水库往东方向及金陵镇北部等地区。Zn的高值区位于龙泉镇-毛里乡一带，石羊镇也有高值分布；低值区位于冀村镇至金陵镇一带，金陵镇与门楼下乡分界线之间低值背景尤为明显。其中，Cd、Pb、As、Zn的空间分布大致相似。

研究区表层土壤Cd、Hg、Pb、As、Cu、Zn的空间分布图表明，重金属元素含量总体上呈现北部地区含量少，中部和南部略高的趋势。表明研究区的中部和南部地区存在有相对较高的土壤重金属污染风险，警示人为活动要避免造成或加重土壤重金属污染。

6 小结

（1）统计结果表明，研究区土壤中重金属元素均为中等变异，元素分布较不均匀。

（2）研究区土壤Cd、Hg、Pb、As、Cu、Zn等元素含量的空间变异函数均为指数模型。其中，As、Cd、Hg、Cu、Zn具中等强度的空间相关性，其变异是由土壤的结构性因素和随机性因素共同作用的结果，显示有人为作用的参与。Pb具强烈的空间相关性，它的分布特征受土壤系统结构的影响强烈，人为因素的干扰影响较小。

（3）地球化学图有效地反映出研究区土壤重金属元素的空间分布格局。Cd、Hg、Pb、As、Cu、Zn具有总体上呈现北部地区含量少，中部和偏南部地区含量略高的趋势。在土地管理、土地开发利用中应对这种趋势加以重视。