陕西泾惠渠灌区土壤重金属空间分布特征及来源_雷凌明

Kolmogorov-Smirnov 正 态 性 检 验 方 法 [P(k−s) ＞ 0.05]，检验结果见表 1。异常值的检验方法是样本 加减 3 倍标准差 （SD） 法， 在区间[A±3SD] 平均值 （A） 以外的数据均定为异常值，分别用最大或最小值进 行代替[17]。通过计算对 8 种重金属进行了异常值处 理，分别剔除了 3 个 Hg、2 个 Cd、1 个 Pb 和 1 个 Zn 的异常值。
基金项目: 国家自然科学基金项目（41171379） ；西北农林科技大学创
能有效地模拟和预测重金属的含量，判断重金属的 来源，为土壤重金属污染的防治提供科学依据[4-5]。 因而，近年来，地理信息系统、多元统计学被广泛 地应用于分析区域土壤重金属含量、空间分布规律 钟晓兰等采用地统计学方法对太仓 及污染来源[6-7]。 市耕层土壤中的 8 种重金属结构和空间分布格局进 行了分析，发现土壤重金属含量与母质、土壤质地 以及人类活动等密切相关[8]；刘文等用此方法对乌 兹别克斯坦表层土壤元素的组成和空间结构特征 进行研究，结果表明重金属元素不仅受土壤母质的 影 响 ， 还 在 一 定 程 度 上 受 随 机 因 素 的 影 响 [9] ； Benhaddya 等用地统计法绘制了污染分布图，并将 主成分分析法应用于阿尔及利亚表层土壤重金属 来源解析[10]。总之，基于 ArcGIS 的地统计分析已 被证明是分析土壤重金属空间分布特征及其变异 规律最为有效的方法之一。 陕西省关中平原是中国重要的粮食生产基地， 泾惠渠灌区是陕西关中地区的大型灌溉工程，由泾 河自流引水，承担着咸阳、西安 2 市的泾阳、三原、 高陵、临潼、阎良 5 县（区）9 万 hm2 农田的灌溉 任务。近年来，随着工农业的快速发展，灌区土壤 的重金属污染问题日趋严重。易秀等已对泾惠渠灌 区重金属含量及其累积状况进行调查和评价[11-12]， 但这些研究取样点（24 个）较少且侧重于重金属含


1/ 2
（2）
式中：Ci 为表层土壤重金属 i 的实测值，mg/kg；Si 为重金属 i 的土壤环境背景值平均含量，mg/kg；
90
农业工程学报
2014 年
max 为土壤各重金属污染指数最大值；ave 为土壤 各重金属污染指数平均值。 本研究以薛澄泽等 1986 年报道的陕西省关中塿土中重金属含量作为背景 。 值[15]（表 1） 在进行地统计分析之前，需要对数据进行正态 分布检验以及异常值检验，否则可能存在比例效 应 ， 会 增 大 估 计 误 差 [16] 。 正 态 分 布 检 验 采 用
0
引
言
随着工业发展和城市化进程的加剧，由交通运 输、工业排放、污水灌溉等造成的农田土壤重金属 污染问题在中国日益严重[1]。重金属污染具有多种 潜在危害，不仅能破坏土壤的正常功能，阻碍作物 正常生长，造成农作物产量和品质下降，进而通过 食物链危害人类身体健康，也可导致大气和水环境 质量的进一步恶化[2-3]。因此，要准确了解农田生态 系统的环境质量现状并针对性地进行监管，就必须 首先明确农田土壤重金属污染状况及其来源。 传统的描述性统计可以用来分析土壤重金属 元素含量数据的分布特征、变化范围，但很难揭示 土壤重金属含量空间变化和变异特征，而地统计学 能有效评估和预测未采样点重金属的空间分布特 征[4]；基于 ArcGIS 的地统计学分析与因子分析，
式中：N(h)为距离等于 h 时的点对数；Z(xi)为在单 位 xi 处的数值；Z(xi+h)为在距离 xi+h 处的数值。 采用内梅罗综合污染指数法计算土壤重金属 ，计算公式如下[14]： 综合污染指数（P）
2 2 P Ci / Si max Ci / Si ave / 2
1
1.1
材料与方法
研究区概况 泾惠渠灌区位于陕西省关中平原中部 （108°34'34"～109°21'35"E，34°25'20"～ 34°41'40"N） ，处于泾、渭河冲积平原，建于 20 世 纪 20 年代末关中大旱后，经过多次改建和扩建后， 已逐步发展成一个灌排结合、渠井双灌、旱涝保收 的新型现代化灌区。东西长约 70 km ，南北宽约 地势由西北向东南倾斜， 24 km， 总面积 1 180 km2。 高程 350～450 m，地面坡降 1/300～1/600。灌区水
计模块拟合变异函数，确定相关参数，进行克里格 插值。半方差函数 r(h)是地统计学解释土壤空间变 异结构的基础，可用描述区域化变量结构性和随机 性并存这一空间特征[13]，计算公式如下：
r (h)
1 N (h) [ Z ( xi ) Z ( xi h)]2 2 N (h) i 1
（1）
（西北农林科技大学资源环境学院，杨凌 712100） 摘 要：土壤重金属空间变异性是监测和评价农田生态系统环境质量的前提。该文基于 104 个表层土壤样品的重 金属实测含量，运用多元统计和地统计相结合的方法，对陕西泾惠渠灌区土壤重金属含量的分布特征和来源进行 了分析。结果表明，土壤中 Hg、As、Cd、Cr、Pb、Cu、Zn、Ni 8 种重金属平均质量分数分别为 0.091、15.40、 0.25、75.50、27.20、28.10、81.10、36.60 mg/kg，均超出土壤背景值（参考 1986 年报道的陕西省关中平原主要农 业土壤中重金属含量），但低于国家土壤环境质量二级标准（GB15618－1995）。地统计分析表明，Hg、Ni、As 基底效应介于 25%～75%之间，属于中等空间相关；而 Zn、Pb、Cd、Cu、Cr 基底效应均大于 75%，属于空间弱 相关。多元统计分析表明，泾惠渠灌区土壤中 Cd、Pb、Zn、Cu、As、Cr 和 Ni 的累积主要源于农业生产活动、 交通运输等人为活动，而 Hg 的累积则主要受工业排废的影响。目前，该灌区土壤环境质量良好，但土壤重金属 有累积的倾向，应引起重视。 关键词：重金属；土壤；地统计；空间分布；来源；泾惠渠灌区 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2014.06.011 中图分类号：X53；S159 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2014)-06-0088-09 雷凌明，喻大松，陈玉鹏，等. 陕西泾惠渠灌区土壤重金属空间分布特征及来源[J].农业工程学报，2014，30(6)： 88－96. Lei Lingming, Yu Dasong, Chen Yupeng, et al. Spatial distribution and sources of heavy metals in soils of Jinghui Irrigated Area of Shaanxi, China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(6): 88－96. (in Chinese with English abstract)
第6期
雷凌明等：陕西泾惠渠灌区土壤重金属空间分布特征及来源
89
量及其污染状况评价，针对泾惠渠灌区土壤重金属 空间结构分布及污染来源方面的研究尚未见报道。 因此， 本文基于 GIS 和地统计学原理， 使用 ArcGIS 地统计分析模块和多元统计分析方法研究了泾惠 渠灌区土壤重金属的空间变异规律及其影响因素， 旨在为中国半干旱地区不同类型土壤重金属元素 特征及其动态变化评价提供参考。
源引自地表自流水与地下水，受益范围包括咸阳的 三原、泾阳 2 县，西安市的高陵县和阎良、临潼 2 个区，共 5 个县（区） ，主要土类为塿土，主要采 用玉米-小麦轮作。 灌区附近交通便利， 多条高速公 路横穿灌区 （包括国道 G65、 G5 和省道 S211、 S106 和 S107） ，阎良区作为中国重要的航空工业基地， 工业发达。 1.2 土样采集和分析 2012 年 6 月初小麦收获期，根据泾惠渠灌区 干支渠分布情况，按 3 km×3 km 为一个采样单元 均匀布点，采集土样。为使样品具有代表性，在灌 渠附近加点采样。 每个采样单元采用棋盘式布点法 采集 0～20 cm 耕层土壤样品 8～10 个混合均匀， 共采集土壤样品 104 个（其中泾阳 25 个、三原 25 个、高陵 24 个、临潼 16 个和阎良 14 个） ，同时用 GPS 仪记录采样点地理坐标（见图 1） 。在采样、 样品保存和处理过程中均采用非金属容器， 避免样 品污染。
收稿日期：2013-10-25 新团队项目资助 作者简介：雷凌明（1988—） ，男（白族） ，云南大理人，主要研究方向 为土壤环境化学。杨凌 西北农林科技大学资源环境学院，712100。 Email：llm882626@ ※通信作者：梁东丽（1963—） ，女，教授，主要研究方向为土壤环境 化学。杨凌 西北农林科技大学资源环境学院，712100。 Email：dlliang@ 修订日期：2014-02-28
将土样在室温下自然风干，剔除砂石、植物根 系等杂质，研磨过 100 目筛后装袋编号备用。土样 送往国土资源部西安矿产资源监督检测中心，用原 子荧光光谱法（atomic fluorescence spectrometry， AFS ） 测 定 As 、 Hg 含 量 ， 用 等 离 子 体 质 谱 法 （ inductively coupled plasma-mass spectrometry ， ICP-MS）测定 Cu、Zn、Ni、Pb、Cr、Cd 含量。分 析过程中均加入国家标准土壤参比物质 GSS-5（黄 红壤）进行质量控制，测定值均在允许误差范围内 （＜5%） 。 1.3 数据分析 采用 SPSS 18.0 统计软件进行多元统计分析， 美 国 环 境 系 统 研 究 公 司 （ environmental systems research institute，ESRI）的 ArcGIS 10.0 软件地统
注： “S”表示省道； “G”表示国道 Note: S represents the provincial road; G represents the national highway