廣東省土壤鋅背景值空間變異分析

摘要：在GIS支持下，結合地統計學軟件Surfer對廣東省261個土壤剖面的鋅環境背景值進行空間變異分析，結果表明，鋅的分布異質性較強，淋溶層、淀積層、母質層3層都顯示出中等的空間相關性，空間變異模式趨于一致；背景濃度高的土壤樣品通常位于斷裂帶、盆地和三角洲地區，并與區域盆地的空間分布對應；鋅背景值從淋溶層到母質層呈明顯的增長趨勢。

關鍵詞：土壤鋅；空間變異；克里格插值；廣東省

中圖分類號：X825 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）01-0065-03

背景值的概念起源于地球化學，通常被理解成克拉克含量，也被稱為地球化學豐度，背景值反映土壤環境的原有狀況，土壤鋅背景值是指一定區域、一定時期未受現代工業明顯干擾和污染的土壤中固有的鋅元素含量水平[1]。土壤鋅背景值的研究，對于研究土壤鋅的遷移轉化規律，評價區域土壤環境質量，進而制定環境治理計劃具有重要意義。土壤背景值的研究是土壤環境科學中的一項基礎工作，該項工作對于判斷土壤重金屬元素污染程度和制定土壤環境質量標準具有重要意義。

“七五”期間，廣東省開展了大規模的土壤背景值基礎調查，積累了豐富的土壤背景值數據，然而受到當時客觀條件和技術的限制，大量的基礎數據并沒有得到充分的應用與深入挖掘[2]，尤其是沒有將土壤背景值作為具有空間結構的區域化變量來考慮其空間變異性。因此，廣東省土壤背景值空間結構與空間變異方面的信息并沒有得到充分利用[3]。本研究主要利用地統計學方法和空間分析技術，揭示廣東省土壤鋅背景值的空間垂直變異和水平變異。

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°39′-117°19′之間，北回歸線橫貫全省，全省陸地面積17.81萬km2，約占全國總面積的1.86%。廣東屬于東亞季風區，從北向南分別為中亞熱帶、南亞熱帶和熱帶氣候區，是全國光、熱和水資源最豐富的地區之一，年平均氣溫為18.0～23.2 ℃，年平均降雨量1 300～2 500 mm。地質構造較為復雜，成土母質包括花崗巖、砂頁巖、石灰巖和玄武巖等；主要土壤類型有紅壤、赤紅壤、磚紅壤、山地黃壤、紅色石灰土和海（河）沖積土，土壤元素的空間異質性很強[2]。

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“七五”國家科技攻關課題，土壤背景值剖面總數為261個，如圖1所示。土壤背景值數據采用全球定位系統（GPS）進行采樣點重新匹配，在ArcGIS 9.0支持下，對屬性數據進行核驗、修改以及投影坐標轉換（主要是為了與其他地學數據進行匹配）。

本研究主要的數據處理方法為常規統計分析和地統計學方法，樣點數據統計分析采用SPSS軟件，地統計學方法采用Surfer 8.0軟件擬合半方差函數和進行克里格插值，相關的空間分析采用ArcGIS 9.0軟件。半方差函數通常也被稱為半變異函數，它是地統計學解釋土壤特性空間變異結構的基礎，反映土壤性質的不同距離觀測值之間的變化，是空間插值成功的關鍵[4，5]。半方差函數表示為如下形式：

r（h）=■■[Z（xi）-Z（xi+h）]2

式中N（h）是以h為間距的所有觀測點的成對數目。某個特定方向的半方差函數圖通常是由r（h）對h作圖而得。在通常情況下，半方差函數值都隨著樣點間距的增加而增大，并在一定的間距升大到一個基本穩定的常數。

土壤在空間上變異是連續的，但由于樣品的半方差圖是由一批間斷點組成的，這就需要運用半方差函數的理論模型進行擬合[6，7]。半方差函數的理論模型有多種，常用的有線性模型、指數模型、球形模型、高斯模型和立體模型等，本研究中對淋溶層（A）、淀積層（B）、母質層（C）3層土壤中鋅元素進行分析后，分別采用球形、指數和球形模型進行擬合。其中，淋溶層包括腐殖質層（A1）和物質的淋溶層（A2）；淀積層是由A層下淋溶物質淀積而成；母質層位于淀積層之下，是未受淋溶和淀積作用，發育程度很低或未發育的巖石風化層。

2 結果與分析

2.1 鋅元素統計特征

對廣東省261個剖面中的土壤鋅背景值進行統計分析發現，A層土壤鋅的濃度變異范圍為7.60～378.00 mg/kg，算術平均值（AM）和幾何平均值（GM）分別為49.75和39.70 mg/kg；B層土壤鋅的濃度變異范圍為4.14～423.00 mg/kg，算術平均值（AM）和幾何平均值（GM）分別為52.80和41.72 mg/kg；C層土壤鋅的濃度變異范圍為8.50～428.00 mg/kg，算術平均值（AM）和幾何平均值（GM）分別為57.55和43.27 mg/kg。土壤剖面中最高的土壤鋅背景值（428.00 mg/kg）出現在C層，土壤鋅元素數據符合對數分布特征，所以在克里格插值預處理時去掉少量異常值并進行了對數轉換[5]。

2.2 鋅元素的空間分布和垂直變異分析

用球形模型和指數模型模擬變差曲線和克里格插值方法對采用對數轉換的鋅背景值在廣東省范圍內進行插值，由于A、B、C層的變異因為含量的接近空間變異趨于一致，在此僅展現A層土壤鋅元素的變異函數模型和空間變異圖（圖2）。結合表1和圖2進行分析，整個研究區內鋅的分布異質性較強，具有不規則波動的特性。鋅含量的分布規律較為簡單，但連續性不好。珠江口兩岸的鋅背景值最高，以此為中心廣東省其他地區依次降低。珠江三角洲盆地區域的土壤鋅背景值明顯高于其他區域，受構造的影響十分明顯。研究區成土母質比較復雜，由于鋅的高值區出現在城市經濟更為發達的珠江口兩岸，由于受城市高度發展的限制，樣點布設并不是十分均勻，并且可能受到外源的影響。同樣受這些因素的影響，土壤鋅含量的空間分布在部分區域而言斑塊相對比較瑣碎。

鋅在廣東省的分布異質性較強，A、B、C 3層都顯示出中等的空間相關性。空間變異的主方向為W-E方向，為由內陸到沿海的方向，鋅背景值在110～117 km這個尺度上存在相關性（表1），而大于這個尺度變異程度趨于穩定，反映了該元素在廣東省范圍內大尺度上存在含量差異。研究區鋅含量最高的石灰土比含量最低的磚紅壤高8倍，而磚紅壤占廣東省43%的面積，且與其他含量高的土壤呈帶狀分布，因此形成了變程較大的變異函數。

在ArcGIS支持下，將廣東省地質構造圖與克里格插值獲取的研究區A層土壤鋅空間變異圖進行疊加分析（圖2），其結果表明，廣東省A層土壤鋅元素的空間分布特征與區域地質構造背景關系密切。從圖2中可以看出，在自然背景下，鋅元素濃度高的土壤通常位于斷裂帶、盆地和三角洲地區。鋅濃度高的土壤樣品沿廣東省內的構造斷裂分布，盆地和三角洲地區土壤中鋅元素的幾何平均濃度值（GM）為普通地區土壤鋅濃度的2倍；低背景值的土壤往往位于無明顯構造特征的普通地區。

A層土壤反映了大氣圈、巖石圈和生物圈的相互作用，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[5]。研究區內261個剖面從A層到C層土壤鋅濃度的平均值分別為49.75、52.80和57.56 mg/kg，呈緩慢增長趨勢。A、B、C 3層鋅元素等值線插值圖和變差函數展現了相似的空間分布特征，表明廣東省土壤鋅的空間分布更多決定于研究區母巖的特性，也證明外源鋅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層鋅濃度表現增長的趨勢，A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，砂頁巖和石灰巖區通常被研究區斷裂所切割，從而為土壤鋅元素向下富集提供遷移通道[7，8]。

3 結論

地統計學分析顯示，鋅在廣東省的分布異質性較強，A、B、C 3層都顯示出中等的空間相關性，空間變異模式趨于一致，研究區內土壤鋅背景值在110～117 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。與廣東省地質構造圖進行疊加分析可以看出，鋅元素濃度高的土壤通常位于斷裂帶、盆地和三角洲地區，從A層到C層土壤鋅濃度呈明顯的增長趨勢。

參考文獻：

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