基于地統計學的廣東省土壤鉻空間變異分析

摘要：在地統計學軟件Ｓｕｒｆｅｒ ８．０和ＡｒｃＧＩＳ ９．１的支持下，對廣東省２５９個剖面的土壤鉻（Ｃｒ）背景值進行水平和垂直空間變異分析。研究結果表明，土壤鉻的背景水平均接近世界土壤的平均水平，而高于全國土壤背景的平均含量，從西北向東南方向逐漸降低，從Ａ層到Ｃ層呈增長趨勢。

關鍵詞：土壤鉻；空間變異；Ｋｒｉｇｉｎｇ插值；廣東省

中圖分類號：Ｘ８２５文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０11）21－4368-02

Spatial Variation and Vertical Distribution of Soil Cr in Guangdong Province

Based on Geo-statistics

ＸＩＡ Ｂｉｎ，ＷＵ Ｄｉ－ｚｈｅｎｇ

（Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｇｅｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ， Ｃｈinese Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６４０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｇｅｏ－ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ａｎａｌｙｓｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ（Ｓｕｒｆｅｒ ８．０）， ２５９ ｓｏｉｌ ｐｒｏｆｉｌｅｓ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ａｎｄ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ of Cr ｉｎ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ｐｒｏｖｉｎｃｅ． Ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｌｅｖｅｌｓ ｏｆ Ｃｒ ｉｎ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ｗｅｒｅ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｎａｔｉｏｎａｌ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ａｖｅｒａｇｅ ｌｅｖｅｌ， ｂｕｔ ｃｌｏｓｅ ｔｏ ｔｈｅ ｗｏｒｌｄ ａｖｅｒａｇｅ ｌｅｖｅｌ． Ｉｔ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｆｒｏｍ ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ ｔｏ ｓｏｕｔｈｅａｓｔ ａｎｄ ｓｈｏｗｅｄ ｗｅａｋ ｇｒｏｗｔｈ ｔｒｅｎｄ ｆｒｏｍ Ａ ｔｏ Ｃ layer．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： soil Cr； ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ； Ｋｒｉｇｉｎｇ value； Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ｐｒｏｖｉｎｃｅ

土壤是人類賴以生存的主要自然資源之一，也是人類生態環境的重要組成部分，隨著工業、城市污染的加劇和農用化學物質種類、數量的增加，土壤重金屬污染日益嚴重，據我國農業部進行的全國污水灌區調查，在約１４０萬ｈｍ２的污水灌區中，遭受重金屬污染的土地面積占污水灌區面積的６４．８％。背景值的概念始于地球化學，常被理解為克拉克含量，也稱地球化學豐度，反映環境原有狀況，土壤環境背景值即是土壤在其自然成土過程中形成的物理、化學特征［１］。本研究主要利用地統計學的方法，揭示廣東省土壤鉻（Ｃｒ）背景值的空間分布和垂直變異［２］；現將結果報道如下。

１研究區概況與研究方法

１．１區域概況

廣東省地處北緯２０°１３′－２５°３１′，東經１０９°４１′－１１７°２０′，北回歸線橫貫全省，廣東省地勢大體為北高南低，北依南嶺，南臨南海，山地山脈走向以東北至西南走向為主。廣東省大部分地區屬亞熱帶季風氣候，部分屬熱帶季風氣候，夏長冬暖，雨量充沛，雨季長，干濕季節較為明顯。年平均氣溫１８．０～２３．２ ℃，年降雨量１ ７００ ｍｍ。廣東省地質構造較為復雜，成土母質包含花崗巖、砂頁巖、石灰巖和玄武巖等；主要土壤類型有赤紅壤、紅壤、磚紅壤、山地黃壤、紅色石灰土和海（河）沖積土，各種土壤元素的空間異質性非常顯著［２，３］。

１．２數據來源與研究方法

本研究所采用的原始數據來源于廣東省土壤背景值調查研究，用衛星定位系統（ＧＰＳ）定位，在地理信息系統軟件ＡｒｃＧＩＳ支持下，將屬性數據保存在Ｅｘｃｅｌ中，在ＡｒｃＧＩＳ中向導工具指定Ｘ和Ｙ字段后添加到ＡｒｃＭａｐ中，保存成.ｓｈｐ格式文件，并根據數據處理的結果建立土壤樣點的屬性數據庫，通過統一的關鍵字段實現屬性數據和空間數據的關聯，完成土壤Ｃｒ元素數據庫的建立。地統計學方法采用Ｓｕｒｆｅｒ ８．０軟件擬合半方差函數和進行Ｋｒｉｇｉｎｇ插值。

土壤是不均一和變化的時空連續體，具有高度的空間變異性［２］。變異函數是用來描述區域化變量結構性和隨機性并存這一空間特征而提出的，其中塊金系數、基臺值、變程作為變異函數的重要參數，用來表示區域化變量在一定尺度上的空間變異和相關程度。Ｋｒｉｇｉｎｇ法是利用原始數據和半方差函數的結構性，對未采樣點的區域化變量進行無偏最優估值的一種插值方法，地統計學提供了大量的Ｋｒｉｇｉｎｇ法來對未采樣點進行插值和預測。使用者可以根據不同的研究目的和側重點來選擇不同的方法，本研究中對Ａ、Ｂ、Ｃ三層土壤中Cr元素進行分析后，均采用指數模型進行擬合。

２結果與分析

２．１鉻元素統計特征

對研究區２５９個剖面中的土壤Cr背景值進行統計分析發現，土壤Ｃｒ的背景水平均接近世界土壤的平均水平，而高于全國土壤背景的平均含量［１］，表層土壤Ｃｒ的濃度變異范圍為３．６～３７９．３ ｍｇ／ｋｇ，幾何平均值（ＧＭ）和算術平均值（ＡＭ）分別為４６．９ ｍｇ／ｋｇ和５０．５ ｍｇ／ｋｇ。土壤剖面中最高的土壤Cr背景值為３７９．３ ｍｇ／ｋｇ，土壤Ｃｒ元素數據符合對數分布特征，所以對Ｋｒｉｇｉｎｇ插值預處理進行了對數轉換［４］。

２．２鉻元素的空間分布和垂直變異分析

用指數模型模擬變差曲線和Ｋｒｉｇｉｎｇ插值方法對采用對數轉換的Ｃｒ背景值在廣東省范圍內進行插值，Ａ、Ｂ、Ｃ層的變異因含量的接近空間變異趨于一致，在此僅展現Ａ層土壤Ｃｒ元素的變異函數模型（表１、圖１）。Ｃｒ在廣東省的分布異質性較強，其含量和其他幾種元素一樣具有不規則波動，頗似空穴效應，這類效應無法用土壤背景值分布上的規律來解釋，只能歸結為樣點較稀疏，實驗變異函數誤差較大以及母質交替分布等非結構因素，Cr元素在Ａ層顯示出中等的空間相關性，而Ｂ、Ｃ層則空間異質性較大。從不同層次的最大變程范圍內元素背景值分布的相關性可以看出，Ｃｒ背景值在接近１１５～２６５ ｋｍ這個尺度上存在相關性，而大于這個尺度變異程度趨于穩定（表１）。各層變異的主方向都是東－西方向，這主要因為西部的石灰巖成土地區、紫色砂巖成土地區和玄武巖成土地區比東部大面積的花崗巖成土地區背景值含量要高得多。

在ＡｒｃＧＩＳ支持下，將Ｋｒｉｇｉｎｇ插值獲取的研究區Ａ層土壤Ｃｒ空間變異圖與廣東省地質構造圖進行疊加分析，結果表明廣東省A層土壤鉻元素的空間分布特征與區域地質構造背景關系密切（圖２）。由圖２可知，土壤Ｃｒ元素的總體空間水平變異規律表現為：土壤Ｃｒ背景值從西北向東南方向逐漸降低，在自然背景下，具有低濃度的土壤Ｃｒ元素往往位于無明顯構造特征的普通地區，濃度高的土壤Ｃｒ元素通常位于斷裂帶、盆地和三角洲地區，沿廣東省內的構造斷裂分布。

A層土壤反映了巖石圈、生物圈和大氣圈的相互作用，Ｂ層通常用于研究土壤的成土過程，而Ｃ層表示樣點的巖石圈成分，即地質背景值［６］。研究區內２５９個土壤剖面從Ａ層到Ｃ層土壤Ｃｒ濃度的平均值分別為５６．７０、６１．７６、６５．３８ ｍｇ／ｋｇ，呈增長趨勢。Ａ、Ｂ、Ｃ三層Ｃｒ元素等值線插值圖展示了相似的空間分布特征，表明廣東省土壤Ｃｒ的空間分布更多決定于研究區廣東省母巖的特性，也證明外源Ｃｒ的輸入在研究尺度上并非一個重要的影響因素。土壤剖面中由Ａ層到Ｃ層Ｃｒ濃度表現出微弱增長的趨勢，表層土壤的有機質含量相對而言較低（平均值為２．７５％），不具備天然的生物地球化學屏障作用，砂巖地和石灰巖區通常被研究區斷裂所切割，從而為土壤Ｃｒ元素向下富集提供遷移通道［７］。

３結論

研究區內土壤Ｃｒ的背景水平高于全國土壤Ｃｒ的背景含量。地統計學分析顯示，Ｃｒ背景值在接近１１５～２６５ ｋｍ這個尺度上存在相關性，而大于這個尺度變異程度趨于穩定，且各層總體空間變異趨于一致，表層土壤Ｃｒ背景值從西北向東南方向逐漸降低。與廣東省地質構造圖進行疊加分析可以看出，濃度高的土壤Ｃｒ元素通常位于斷裂帶、盆地和三角洲地區，從Ａ層到Ｃ層土壤Ｃｒ濃度呈增長趨勢。

參考文獻：

［１］ 王云，魏復盛． 土壤環境元素化學［Ｍ］． 北京：中國環境科學出版社，１９９５．４７－２５２．

［２］ 李亮亮，依艷麗，凌國鑫，等． 地統計學在土壤空間變異研究中的應用［Ｊ］． 土壤通報，２００５，３６（２）：２６５－２６８．

［３］ 許煉峰，劉騰輝． 廣東土壤環境背景值和臨界含量的地帶性分異［Ｊ］． 華南農業大學學報，１９９６，１７（４）：５８－６２．

［４］ 徐尚平，陶澍，曹軍，等． 內蒙古地區Ａ、Ｃ層土壤中金屬元素含量比值的影響因素及其空間結構分析［Ｊ］． 土壤通報，２００１，３２（５）：２３０－２３４．

［５］ 王淑英，于同泉，王建立，等． 北京市平谷區土壤有效微量元素含量的空間變異特性初步研究［Ｊ］．中國農業科學，２００８，４１（１）：１２９－１３７．

［６］ 王學軍，鄧寶山，張澤浦． 北京東郊污灌區表層土壤微量元素的小尺度空間結構特征［Ｊ］．環境科學學報，１９９７，１７（４）：４１２－４１６．

［７］ ＢＡＫＨＳＨ Ａ，ＪＡＹＮＥＳ Ｄ Ｂ，ＣＯＬＶＩＮ Ｔ Ｓ，ｅｔ ａｌ． Ｓｐａｔｉｏ－ｔｅｍｐｏｒａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｙｉｅｌｄ ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ ｆｏｒ ａ ｃｏｒｎ－ｓｏｙｂｅａｎ ｆｉｅｌｄ ｉｎ Ｉｏｗａ［Ｊ］． ＡＳＡＢＥ，２０００，４３（１）：３１－３８．