三江平原蔬菜主產地農田土壤重金屬空間分布特征1)——以佳木斯郊區為例

牛佳田 汪群慧 郭欽奎 賈志強

(哈爾濱工業大學，哈爾濱，150087) (佳木斯市質量檢驗檢測中心)

李 奕 黃昌盛 李發生

(佳木斯環保局環境檢測站) (佳木斯勘察設計研究院基礎地理信息中心) (中國環境科學研究院)

三江平原蔬菜主產地農田土壤重金屬空間分布特征1)
——以佳木斯郊區為例

牛佳田 汪群慧 郭欽奎 賈志強

(哈爾濱工業大學，哈爾濱，150087) (佳木斯市質量檢驗檢測中心)

李 奕 黃昌盛 李發生

(佳木斯環保局環境檢測站) (佳木斯勘察設計研究院基礎地理信息中心) (中國環境科學研究院)

基于GIS，對三江平原蔬菜主產地——佳木斯郊區農業土壤布點進行重金屬(Cd、Hg、As、Pb、Cr)監測和分析。結果表明:①重金屬 Cd、Hg、As、Pb、Cr質量分數，分別為0.200～0.280、0.029～0.110、13.800～18.500、16.200～27.780、21.650～39.350mg/kg-1，對比三江平原土壤微量元素背景值，均有不同程度累積與升高;②檢測結果符合中華人民共和國農業行業標準NY5332—2006《無公害食品大田作物產地環境條件》的標準要求，適合開展無公害與綠色農產品的生產;③通過地統計分析得出5種重金屬中，As、Cr、Hg、Cd為中等強度空間自相關，Pb為弱強度空間自相關，基底效應值從大到小順序為Cd、As、Hg、Cr、Pb。研究區農業土壤重金屬的質量分數及空間分布主要受母質、地形地貌、土壤性質等內在因素影響，但外在的因素(如，耕作方式、施肥施藥等)影響也不容忽視。

農田土壤;重金屬;空間分布;三江平原;佳木斯郊區

中國是世界蔬菜第一生產大國，播種面積、總產量已連續多年位居世界第一位，蔬菜產業已經成為中國農業和農村經濟發展的支柱產業[1]。近年來，隨著人們生活水平提高和人口不斷增長，優質蔬菜需求量呈現上升趨勢，蔬菜供需矛盾趨于緊張，市場前景日益看好。蔬菜產業在保障市場供應、增加農民收入、擴大勞動就業、拓展出口貿易等方面越來越發揮著重要作用[2]。

有關蔬菜產地環境、蔬菜品質和蔬菜食用健康安全的研究，國內外雖有過一些報道[3-10]，但大多集中于都市和經濟發達地區，對偏遠地區的研究較少。本研究地，地理位置特殊，具有發展對俄蔬菜貿易基地建設的得天優勢。為此，本文以中國東北邊陲三江平原的蔬菜主產地——佳木斯郊區為研究區域，對當地農田土壤重金屬進行檢測，采用地理信息系統技術進行空間分布特征的研究，并對照當地背景值及國家相關標準進行評價，以期為當地蔬菜生產和保障農產品安全提供服務。

1 研究區概況

佳木斯市郊區位于黑龍江省東北部三江平原腹地，地處完達山北麓，松花江中游南北兩岸。南為低山丘陵，北為沖擊平原，松花江橫貫區域。地理坐標46.49°～47.05°N，129.85°～130.63°E。郊區現轄11個鄉鎮(即大來鎮、敖其鎮、長發鎮、蓮江口鎮、望江鎮、長青鄉、沿江鄉、四豐鄉、西格木鄉、群勝鄉、平安鄉)97個行政村，總人口27.5萬人(見圖1)。7個種類土壤的面積分別為暗棕壤81 600 hm2、黑土37 330 hm2、白漿土3 733 hm2、草甸土 15 800 hm2、沼澤土 266 hm2、泥炭土138.4 hm2、水稻土3 667 hm2，適合農林牧漁全面發展。

郊區屬于中溫帶濕潤氣候區，大陸性季風氣候。春季多風易旱;夏季溫熱多雨;秋季雨雪交替，時間短、降溫快;冬季受季風控制，寒冷漫長、風多雪少、氣候干燥。年平均氣溫2.9℃，≥10℃活動積溫在2 166～3 029℃之間。年平均降水量540.5mm;作物生育期中5—9月份，年平均降水量為443.4mm，占全年總降水量的82.3％。雨熱同季，為作物生長發育提供了十分有利的條件。

圖1 佳木斯郊區位置及采樣點分布示意圖

研究區農業生產結構主要為蔬菜、水稻、玉米、大豆、雜糧和其它經濟作物，現有蔬菜專業村30個，主要分布在松江鄉、長青鄉、四豐鄉、沿江鄉、長發鎮。主產蔬菜品種為油豆角、大白菜、甘藍、圓蔥、番茄、韭菜、馬鈴薯等。

2 材料與方法

收集研究區資料:包括區域自然環境特征(水文、氣象、地形地貌、植被、自然災害等)、蔬菜生產(種類、布局、面積、產量、耕作制度等)、土壤環境污染狀況、區域土壤元素背景值及土地利用區劃與規劃、行政區劃圖、土壤類型圖等。

采樣布點:考慮到郊區農業生產、布局和種植特點等，同時結合三江平原地形圖、1∶100 000土壤圖，根據具體情況進行布點疏密調整，每村選擇布點1個，采集時選擇有代表性的田塊，采用梅花多點(5～12點)取樣，采樣深度0～20cm。于2006年7月間采集土壤樣品122個。

樣品預處理、檢測:按照NY/T 395—2000《農田土壤環境質量監測技術規范》標準程序進行，風干、粉碎、過篩、HNO3-HClO4-HF消化法消解制樣、測定。其中:土壤中全量As、Hg采用原子熒光法，全量Pb、Cd采用石墨爐原子吸收分光光度法，全量Cr采用火焰原子吸收分光光度法。檢測儀器為酸度計、分光光度計、AF—230S原子熒光光譜儀、AA—630C原子吸收光譜儀。重金屬的分析測定中，均加入國家標準土壤標樣(GSS-1)進行分析質量控制，分析結果符合質量控制要求。

數據基本統計學及常規分析借助于Excel2010、spss18.0和DPS7.0，空間分布研究利用GS+、arc gis9.3所帶的地統計學插件進行[11]。

地統計分析首先利用GS+計算塊金值、偏基臺值、基臺值等變異強度參數以及變程、各向異性等變異尺度參數，出圖時采用arc gis9.3所帶的地統計學插件。

3 結果與分析

3.1 農田土壤重金屬基本統計學特征和相關性

由表1可見，5種元素，Cd和As變異系數＜10％，為弱變異程度;Hg、Pb、Cr變異系數介于10％～100％之間，呈中等變異程度[9]。偏度系數和峰度系數及K-S檢驗得出:5種重金屬元素均為偏態分布。

表1 佳木斯郊區農田土壤中5種重金屬檢測結果

從表2可以看出:Cd 與 Cr、Hg，Hg與 As、Cr，存在正相關，通過0.01顯著性檢驗，為中等程度。相關系數表明:Cd、Hg、As、Cr具有不同程度相關性，而且 Cd、Cr、Hg 之間，Hg、As之間，相同來源性可能較大，或地球化學來源，亦或人為活動造成的復合污染。空間分布圖輔證了這一結論。

表2 佳木斯郊區農田土壤5種重金屬相關性分析

佳木斯郊區所有鄉鎮土壤5種重金屬含量分為兩個組別，第一組為向陽區、前進區、松江鄉、建國鄉，其農田土壤重金屬含量較低;第二組為敖其鎮、長發鎮、西格木鄉、蓮江口鎮、大來鎮、平安鄉、長青鄉、望江鎮、沿江鄉、四豐鄉、群勝鄉，其農田土壤5種重金屬含量比第一組較高些(見圖2)。

圖2 佳木斯郊區農田土壤5種重金屬含量聚類分析

3.2 農田土壤重金屬地統計學特征

由表3可見，5種重金屬的基底效應值介于25％～57％之間，基底效應從大到小順序為:Cd、As、Hg、Cr、Pb，說明 5 種重金屬具有中等強度空間自相關，5種重金屬的空間變異是土壤系統結構和隨機因素共同作用完成的。

圖3 佳木斯郊區農田土壤重金屬空間的分布

表3 佳木斯郊區農田土壤重金屬理論模型和半方差函數的擬合參數

3.3 農田土壤重金屬空間分布

利用arc gis 9.3所帶的地統計學插件進行重金屬空間分布特征分析。建模時，比較不同參數得到模型，參考Prediction Error中的幾個指標，以符合以下標準的模型確定是最優的:標準平均值最接近于0，均方根預測誤差最小，平均標準誤差最接近于均方根預測誤差，標準均方根預測誤差最接近于1。考慮5種重金屬元素屬非正態分布，選擇簡單克里格插值，生成5種重金屬空間分布示意圖(見圖3)。從圖3可見，郊區西南角的大來鎮、敖其鎮、四豐鄉、松花江北岸望江鎮、蓮江口鎮、群勝鄉，重金屬Cd的含量高些，質量分數在0.3～1.0mg/kg;東北角平安鄉Cd含量較少。Hg的含量分布特征是，郊區中部蓮江口鎮、西南角大來鎮分布較高，東部松江鄉、建國鄉為低含量區。As的含量分布與Hg類似，西南部山區大來鎮含量較高，余下部分含量較少;Pb的含量分布特征是，南部群勝鄉和松花江北岸蓮江口鎮含量高，西南部望江鎮較為潔凈。Cr的含量特征是群勝鄉、蓮江口鎮、長發鎮含量高。3.4 農田土壤重金屬來源

系列研究表明:土壤重金屬元素的空間分布特征主要受到成土過程、人類活動排放、元素空間遷移這3個重要過程的控制[8]。自然背景下的農田土壤重金屬其元素含量主要受成土母質、元素遷移以及生物循環等綜合作用影響的結果，如大來鎮地處山區，母質影響是重金屬含量較高的原因。人為因素主要包括工業、農業和交通等來源引起的土壤重金屬污染[9]。佳木斯郊區農田土壤重金屬空間分布的塊金值與基臺值比值介于25％～57％，說明其重金屬來源受自然來源和人為干擾輸入兩個因素影響共同作用。研究區工業企業不多，但地處寒冷地區，年工業生產與生活所消耗的原煤量達400萬t，其釋放煙塵、固體廢棄物量較多些，可以推斷是研究區土壤重金屬累積的主要原因。農業生產過程中含重金屬的化肥、有機肥、城市廢棄物和農藥的不合理施用，以及污水灌溉、地膜殘留，也是導致本區土壤重金屬的污染重要因素。本區農業生產經常面臨低溫冷害，預防和抵御農作物苗期冷害發生，常施用磷肥，使用地膜覆蓋等措施，因而導致重金屬累積。當地農業機械化程度較高，機械使用過程中廢氣排放等也不可忽視。研究區地勢，西南高，東北低，蓮江口鎮的地勢最為低洼，成為元素空間遷移的最終集聚地。

4 結論與討論

三江平原蔬菜主產地——佳木斯郊區農田土壤重金屬Cd、Hg、As、Pb、Cr的質量分數，分別為0.200～0.280、0.029～0.110、13.800～18.500、16.200～27.780、21.650～39.350mg/kg-1。與當地背景值比較，Cd、As、Hg的增加幅度較大，Pb、Cr變化較小。分析佳木斯郊區農田土壤重金屬來源可以發現，重金屬含量特征與土壤成土母質、類型、毗連城區、工業與生活取暖所消耗的煤所釋放的重金屬等因素相關。此外，不合理施肥、施藥、地膜殘留、污水灌溉等也可造成重金屬元素在土壤中的沉積。

參照國家二級標準(CB/T 184071—2001)，研究區適合蔬菜無公害農業生產基地生產。

5種重金屬空間分布特征為:佳木斯郊區近山地區鄉鎮(如大來鎮、敖其鄉)、地勢低洼區(蓮江口鎮)的重金屬分布含量較高，累積程度大;東部(長發鎮、松江鄉)區域重金屬含量較低。重金屬來源受自然來源和人為干擾輸入兩個因素共同作用。作為蔬菜主產地建設，重金屬累積情況應引起重視，并選擇合適的預防措施。

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Spatial Distribution Characteristics of Heavy Metals in Vegetable Fields in Sanjiang Plain:A Case Study of Jiamusi Suburbs

/Niu Jiatian，Wang Qunhui(School of Municipal and Environmental Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，P.R.China);Guo Qinkui，Jia Zhiqiang(Agricultural Product Quality Supervision and Inspection Center of Jiamusi City);Li Yi(Environmental Protection Bureau of Jiamusi City);Huang Changsheng(Jiamusi Academy of Survey and Design);Li Fasheng(Chinese Research Academy of Environmental Sciences)//Journal of Northeast Forestry University.-2011，39(6).-90～92，95

Soils;Heavy metals;Spatial distribution;Sanjiang plain;Jiamusi city

S715.3

1)黑龍江省無公害農產品整體推進計劃工作內容。

牛佳田，男，1965年5月生，哈爾濱工業大學市政與環境學院，博士研究生;現工作于佳木斯大學生命科學學院，教授。E-mail:njtyc@sohu.com。

2011年3月1日。

責任編輯:張 玉。

The geographic information system was applied to monitor heavy metals(Cd，Hg，As，Pb and Cr)in vegetable fields in Sanjiang Plain in Jiamusi Suburbs.Results showed that the contents of heavy metals of Cd，Hg，As，Pb and Cr were in the range of 0.20-0.28，0.029-0.110，13.8-18.5，16.20-27.78 and 21.65-39.35mg/kg-1，respectively.Compared with the background values of soil microelements in Sanjiang Plain，the contents were accumulated and increased in various degrees.The detection results accord with the standards of environmental conditions for crop production in the agricultural industry standard of the People’s Republic of China for pollution-free food(NY5332-2006).The contents of heavy metals in the vegetable fields are suitable for the production of non-harmful and green agricultural products.A moderate spatial autocorrelation was observed between Pb，Cr，Hg and Cd by statistic analysis，and the order of basal effect value was Cd，As，Hg，Cr and Pb from high to low.The contents and spatial distribution of heavy metals in the studied vegetation fields were mainly affected by parent material，topography，soil properties and other internal factors，but the effect of external factors should not be ignored，such as farming methods and applications of pesticides and fertilizers.