張家港市農業景觀格局變化及其對土壤—水稻系統重金屬遷移的影響

摘要：為評價張家港土壤—水稻系統重金屬的分布現狀，對其農業景觀格局變化及土壤—水稻系統中重金屬空間遷移特征展開研究。利用衛星遙感影像數據結合PLAND、PD、LPI、ED等景觀指數，重點對該市農業用地景觀指數做進一步研究；對城區外農田進行隨機抽樣，分析土壤和水稻中重金屬的空間分布特征。研究表明，張家港市農業用地整體性良好，但抗干擾能力較弱；農業用地土壤質量良好，能夠保障糧食質量安全。

關鍵詞：土壤—水稻系統；重金屬空間遷移；農用地景觀指數；糧食質量安全

中圖分類號： X53；X825 文獻標識碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2013.04.016

Effect of Agricultural Landscape Pattern Change on the Migration of Heavy Metals in Soil-rice System in Zhangjiagang City

HU Xiao-xiao1，LI Jian-long1， GANG Cheng-cheng1， CHEN Yi-zhao1，PAN Bin2，HE Zheng-yue2

（1. College of Life Science， Nanjing University， Nanjing， Jiangsu 210093， China；2. Agricultural Service Center of Fenghuang Town Zhangjiagang City， Zhangjiagang， Jiangsu 215613， China）

Abstract： The agricultural landscape pattern and the heavy metals spatial migration in soil and grain were researched for evaluating heavy metal distribution of soil-rice system in Zhangjiagang. Landscape index of agricultural land was also furtherly studied by combining satellite remote sensing image and the index of PLAND、PD、LPI and ED. Meanwhile， random sampling was used to analyse the heavy metal distribution of soil-rice system in Zhangjiagang. The results showed that the integrity of agricultural land in Zhangjiagang was well， but the anti-interference ability was weak. In general， soil in agricultural land was good for grain quality security.

Key words： soil-rice system； heavy metal spatial migration； landscape index of agricultural land； grain quality security

伴隨著高分辨率衛星遙感技術的不斷成熟與發展，景觀生態學將生物學與地理學相結合，以景觀指數作為定量分析指標[1]，已經被廣泛地運用到城市景觀格局演化及城市化進程的生態效應研究中[2-3]。通過分析由多年遙感影像解譯得到的景觀指數數據，可以明顯地反映出土地景觀類型種類的變化[4-5]。農業用地作為一種重要景觀類型，有著非常重要的生態服務功能。合理的農業用地景觀格局分布，對于從面上減少城市地區的農業污染具有重要作用[6]。農業景觀具有容易受人類活動干擾的特點，人類活動的變化常常是農業景觀波動的主要因素[7-8]。隨著經濟的發展，農業用地的數量持續下降，在城市中的空間格局分布情況也隨之發生相應變化[9]。作為一個生態城市，張家港市的城市規模、城鎮、建設用地正伴隨著城市化進程而快速擴張，與此同時，農業生產所必須的土地面積則日趨縮小[10]。農業景觀格局的研究，重點關注景觀指標對農業景觀標度的合理程度及其時空變化特點，為農業生態規劃和農業生產提供科學依據[11-12]。有學者采用GIS分析技術對土壤重金屬濃度進行分析研究，這可以從時間和空間分布的角度反映土壤的污染狀況[13-14]。鑒于不同地區的土壤環境、氣候、作物品種及周邊環境的差異，還需將土壤、作物作為一個整體，通過多期試驗，掌控和探索研究區的重金屬沿土壤—作物系統的積累、轉移特點[15-16]。學術界對張家港市農業景觀格局現狀、農區農業重金屬的污染情況，及重金屬沿土壤—作物系統的積累、轉移規律的研究程度尚不夠深入，基于土壤—作物系統的重金屬污染及糧食安全研究尚有待繼續開展。土壤—水稻系統中的重金屬污染具有延遲性、隱蔽性、累積性、不可逆轉等特點，土壤污染發生后，即便控制住污染源也很難在短時間內恢復，治理難度大、周期長[17]，研究土壤—水稻系統的重金屬空間分布特點具有重要意義。本研究以土壤—水稻系統為研究對象，采用GIS手段對張家港市重金屬的空間分布進行分析，并探索研究重金屬的污染趨勢及其對糧食質量安全的影響。

本研究參考覆蓋張家港全市的TM遙感影像，解譯得到土地利用分類圖，并在GIS相關分析軟件的支持下，對土地利用分類圖進行景觀格局分析，以揭示張家港市各類型特別是農業用地類型空間格局變化的特征與細節，并探討其變化的趨勢與規律，為進一步對城市化壓力下的農業土地格局規劃與優化，提供科學依據。

1 材料和方法

1.1采樣時間與地點

在2010年12月、2011年10月分別在張家港市采樣2次。前次采樣共設20個采樣點，主要采集土壤樣品；后次采樣共設15個采樣點，采集土壤及水稻籽粒樣品。

1.2采樣方法與樣品分析

在每個采樣點先記錄坐標，在該處取樣并分別向4個不同的方向輻射50 m采樣，并混合制成1 kg左右該樣點點樣。采集的土壤樣品為0～20 cm的表層土壤。經過實驗室處理風干后，過0.15 mm尼龍網篩并最終稱量約200 g土壤粉末，密封保存作為待測樣品。2011年采集的水稻籽粒樣品也依照上述野外采樣流程獲取，并經過實驗室風干、脫殼后粉碎、烘干保存備用。

樣品均送南京大學現代分析中心，利用等離子體原子發射光譜儀、電感耦合等離子直讀光譜儀（ICP）等儀器，采用標準方法測量樣品的重金屬含量。2010年測量的重金屬元素為Hg、As、Pb、Cu；2011年測量的重金屬元素為Cr、Cu、Pb、Zn。

1.3研究方法

1.3.1TM影像與分類選用包含張家港市全域的2010年的TM衛星影像，并結合GIS軟件經過訓練工作區、幾何精校正、典型地物反射波譜分析、圖像特征概貌分析、統計特征分析、重點子區處理、圖像增強處理與分類（包括非監督分類和監督分類）、區域處理、復合處理等步驟，得到了土地利用分類圖。圖像按研究需要劃分為農業用地、園林用地、建筑用地、道路用地、水域、裸地和其它用地7類，如圖1。

1.3.2景觀指數的選擇本研究所選用的景觀指數及其含義如表1所示。

1.3.3反距離權重插值為了便于比較土壤及水稻籽粒重金屬含量的空間分布及綜合污染狀況，在ArcGIS10環境下采用反距離權重插值方法進行空間插值。

1.3.4內梅羅綜合污染指數評價法內梅羅綜合污染指數評價法突出了高濃度污染物的作用，可以用來反映多種污染物的綜合污染情況，其計算公式為：PN=[（P 2max+P 2avg）/2]1/2。式中：PN為綜合污染指數；Pmax為各單項污染指數的最大值；Pavg為各單項污染指數的平均值。參照土壤環境監測技術規范評價標準如表2。

1.3.5數據處理與作圖采用Fragstats3.3軟件計算景觀指數；采用ArcGIS10對土壤—水稻生態系統的重金屬含量的分布情況，以及各樣點土壤和水稻籽粒綜合污染指數計算結果，進行空間插值并進行作圖。

2結果與分析

2.12010年農業用地在張家港市景觀格局空間分布現狀

對2010年的張家港市土地利用現狀圖的分析，反映出張家港市農用地在當前景觀空間分布的現狀（圖2）。

2.1.1斑塊所占景觀面積比例（PLAND）在所劃分的七大類別中，農業用地占比23.172%，園林用地占比3.490 7%，兩者合占比26.662 7%，構成了張家港市主要的綠色斑塊。建筑用地占比已經超過了農業用地和園林用地的總和。

2.1.2斑塊密度（PD）與其它用地類型相比，農業用地的斑塊密度值較低，說明農業用地的破碎度較低，更加容易受到外界環境變化的影響，抗干擾能力相對較弱。

2.1.3最大斑塊占景觀面積比例（LPI）農業用地的最大斑塊占景觀面積比例值相對較低，僅0.16，這可能是因為農田被農用道路分割的結果。

2.1.4邊緣密度（ED）農業用地的邊緣密度值達到了89.9，說明農業用地的邊緣破碎程度較高，農業用地呈較為零碎的分布。

2.1.5斑塊凝聚度（CONTAGION）農業用地的斑塊凝聚度值高達95.7，目前農業用地的空間連通性程度較高。建筑用地的斑塊凝聚度值比農業用地的值略高，說明建筑用地的空間連通度性程度較高，也處于較高水平。

城市建設資金的投入、人口壓力和產業結構化調整等外在驅動力推動著土地利用類型的轉化。隨著城市化的擴張以及經濟發展的需要，農業用地特別是靠近道路、接近城鎮的部分容易向經濟價值更高的城市類用地轉化。而這些損失的農業用地往往是比較肥沃、質量較高的土地，城市化對農業用地的影響不僅僅表現在數量上的損失，也表現在質量上的降低。從景觀分析的結果來看，張家港市農業用地的邊緣破碎程度較高，隨著城市類用地的擴張，極易受人類活動影響的農業用地的生態服務功能也有逐漸衰弱的可能。

2.2土壤—水稻系統重金屬的時空分布與比較

城市化對農業用地的影響不僅表現在景觀類型向城市類用地轉化上，也表現在因為工業滲透導致的工業區與農業區接近甚至混雜的局面。這一現象不可避免地將重金屬引入農業用地及土壤—作物系統。

從2010年、2011年的農地土壤Cu、Pb的反距離權重插值結果（圖3）來看，2011年土壤的Cu、Pb含量較2010年全面上升。從全局上看，近兩年內Cu在研究區南部地區、Pb在南部和東部地區的土壤中含量較低。但僅有這2年的空間插值結果尚未明顯反映出研究區Cu、Pb在土壤中的空間演變規律。

比較土壤與水稻籽粒中的Cr、Cu與Zn的插值結果（圖4）來看，Cr并未表現出空間分布上的相似性。土壤中較高濃度的Cr在研究區內呈分散分布，而在水稻籽粒中Cr僅在北部地區有明顯集中。Cu在空間分布上表現出一定的相似性，土壤和水稻籽粒中都表現為西部、東部濃度較高。在研究區西部，土壤和水稻籽粒中的Zn濃度較低；土壤中的Zn濃度中部地區比東部地區總體略高，且高濃度區分布分散；水稻籽粒中的Zn濃度東部地區比中部地區總體略高，且在中部偏東南區域有一個相對高濃度區的集中。

比較Cr、Zn兩種元素在土壤和水稻籽粒的空間插值結果（圖4）發現，無論是在土壤還是在水稻籽粒中，Cr與Zn的空間分布情況都十分相似，高濃度區的位置也比較接近。另外，無論是在土壤還是在水稻籽粒中，對各種重金屬元素的插值結果都反映出研究區南部地區的濃度普遍較其他地區要低。

2.3張家港市農地土壤與水稻籽粒綜合污染指數評價分析

2011年土壤與水稻籽粒的綜合污染指數的空間插值結果（圖5），直觀地反映出研究區的土壤和糧食污染的分布現狀。其中，土壤沒有顯著綜合污染指數高值聚集區域，而水稻籽粒除在中東部地區綜合污染指數的插值結果略高外，其它地區的結果值也較低。從全局上來看，研究區農地土壤及糧食安全狀況比較理想。由于重金屬污染物的不可降解性，重金屬一旦造成污染將會造成持續性的影響。雖然當前重金屬尚未在研究區構成污染，但對于空間上局部化工、鋼鐵等污染企業集中的區域仍需密切監測，以防止這些區域形成重金屬的積累，進而造成污染，危害農地土壤以及糧食作物的質量安全。

3結論與討論

城市化過程中城鎮建設用地的擴張使得農業用地逐年下降。到2010年，農業用地占比為23.172%，低于建筑用地的28.28%；農業用地的斑塊密度僅為6.04%，破碎度較低，處于較易受到干擾的狀態。

2010年采樣點土壤中，Cu的濃度范圍為12.5～22.9 mg·kg-1，Pb的濃度范圍為11.8～17.8 mg·kg-1；2011年采樣點土壤中的Cu的濃度范圍為13.8～35.6 mg·kg-1，Pb的濃度范圍為14.1～42.8 mg·kg-1。從時間上看，Cu、Pb元素在土壤中的含量范圍有向上浮動的傾向。Cu在土壤和水稻籽粒中的插值結果在空間上表現出一定的相似性，Cr、Zn兩種元素在土壤和水稻籽粒中的空間分布都十分相似，這兩種元素可能有共同的途徑進入土壤環境中。研究區南部地區各類重金屬的含量普遍較其它地區要低，該區域的綜合評價結果也最理想。

研究區土壤和糧食安全綜合評價結果理想，土壤環境良好，糧食質量安全可以得到保障。張家港市作為一個處于快速城市化時期的中小城市，人們對于糧食產品要求的不斷提升，水稻生產應逐漸開始從數量型向質量型轉化。鑒于近年來張家港市工業發展迅速，城市擴張導致的潛在污染威脅不斷增大，應繼續研究當地農業用地景觀格局的變化趨勢，了解重金屬在土壤—作物系統中的遷移規律，從而進一步認識當地農業生態系統的運轉規律，以確保當地糧食作物的質量安全。

本研究探索了研究區農業景觀格局變化及土壤重金屬的時空演變趨勢，對維持當地農業生態系統的良好運轉提供了有益參考，同時為幫助當地生產部門進行科學決策，從綠色、生態農業的角度，以土壤—糧食生態系統為著手點，積極尋求降低重金屬污染、保障糧食作物安全生產的有效途徑。

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