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刘红樱1 张德存2 冯小铭1 陈国光1 郭坤一1
（1.南京地质矿产研究所，南京210016；2.湖北省地质调查院，武汉430056）
摘要：本文结合武汉地区和全国土壤含Hg背景，研究了武汉地区土壤Hg的含量特征、全区和典型污染区的分布状况。结果表明，武汉地区土壤Hg含量为0.107mg/kg。全区土壤Hg污染面积239.3km2，分布形态上表现为以城市为中心构成的环带状、片状，城市区内部形成以工业区和老城区为中心的污染区，并向外围扩散。土壤Hg高背景区面积826.3km2，近总面积的1：10，分布于武汉三镇、蔡甸、阳逻等城镇和葛店化工区。清洁区大面积分布于蔡甸南、黄陂－新洲和江夏区。成土母质母岩、矿产和土壤本身不足以形成Hg污染，人为因素是造成城市地区Hg污染的决定因素。
关键词：Hg；空间分布；污染成因；土壤；武汉地区
汞（Hg）在整个生态系统乃至地球表层的物质循环过程中都是非常活跃的［1］。Hg是常见的土壤污染物，在土壤中以多种形态存在［1～4］。汞蒸气、无机汞盐（除硫化汞外）、有机汞均有毒，特别是无机汞在微生物作用下转化成的甲基汞毒性更大。土壤中的Hg可通过蒸气和粉尘进入大气，通过元素的活化迁移进入水圈，通过生物地球化学循环进入生物体。植物根部、动植物呼吸均可吸收金属汞；而甲基汞具有强水溶性，几乎可全被生物体吸收，且很难分解排泄［1～4］。
武汉作为综合性大城市和老工业基地，长期以来由于高污染、高消耗的工业基础，工艺水平的限制和薄弱
的环保意识等因素，城市工业固体排放物、废气飘尘、生活垃圾、污水均对武汉土壤环境产生着严重的污染。
一些老工业区固体排放物大量堆积、某些大工厂周围和道路汽车尾气排放的汞等重金属污染在武汉城区不同地段存在。仅长江武汉江段24个入江排污口每年排放汞70.973吨，污染物平均含汞2.31μg/L，最高可达22.408μg/L［5］。武汉市郊易家墩土Hg含量0.095～0.516mg/kg，15个白菜样Hg含量0.0005～0.019mg/kg，2个超过国家食品卫生标准［6］。加上长江、汉水在武汉交汇，府河、滠水、倒水、举水、巡司河等次级河流与湖库沟通流贯全区，形成交织水网。而水生生态系统中汞活动性较强，生物的浓集放大效应显著，生态后果也就更严重和突出［7］。但对于武汉区域性Hg分布特征和污染状况仍缺乏研究。鉴于此，按照中国地质调查局的部署，我们对武汉区域性土壤Hg分布进行了调研工作，涉及武汉地区所属8个城区行政区，6个市郊行政区，总面积为8629.6km2的范围。
调查区——武汉地区位于江汉盆地东缘，主体属残丘性河湖冲积平原地貌，北部少部分为低山丘陵区。市域南部的江汉盆地为主体部分，面积6890km2。
区内广为第四纪河湖型冲积层所覆盖，间有少部分古中生界残丘山体。区内第四系，约占总面积的80％。其中，更新统由红色网纹状粘土、棕红色粘土、含砾粘土组成，基本发育于Ⅱ、Ⅲ级阶地上，构成垄岗剥蚀地貌；全新统属于一套现代冲积层、湖冲积层，分别由粉沙土、亚沙土、亚粘土或粘土、淤泥粘土组成，分布在长江、汉水及大别水系的冲积带内，构成诸水系Ⅰ级阶地。黄陂区北部造山带变质地体区，母质岩系分别为元古界红安群、大别群一套中高压区域变质岩系，主要岩性有石英片岩、片麻岩、浅粒岩等。局部地区为燕山期侵入的酸性岩体。
武汉地区土壤发育以地带性土壤为主，含有7个土类，14个亚类，主要土壤类型为水稻土、潮土、棕红壤、黄棕壤。其中潮土集中分布于长江、汉水及其他水系形成的现代冲积平原区，棕红壤、黄棕壤则广泛分布于更新统、古中生界、元古界母质层上，水稻土作为一种后成土壤则穿插分布上述3类土壤之中。
1 样品采取与分析
系统采集0～20cm深度的浅层土壤样品和150～200cm深度的土壤深层样品。采样密度和采样介质按不同环境区进行控制，浅层土壤样采样密度在区内广泛分布的平原－垄岗地区为1件/km2，城镇居民工业区为1～2件/km2，北部浅覆盖的低山丘陵区为1件/4km2；深层样采样密度为1件/16km2；对全市域分布的1100km2的湖沼区，每平方公里采集1～2个湖沼底积物样替代；对分布于长江滩涂地区的淤积层，则视为未壤性化的土壤而采集表层样品。土壤样品布置于可代表本采样单元（浅层0.5～4km2、深层16km2范围）的地质单元、土壤类型和土地利用类别的地段。浅层土壤样采集时以一个采样点为主，周围50m范围内采集3～5个子样组合成一件样品，采样介质为地表向下约20cm连续土柱。深层土壤样根据地形、地貌和土地利用现状用取样钻采集150～200cm深度范围的30cm连续长度样品。除上述区域性样品外，另外还选择沿江滩涂洪泛冲积层区分层采集了剖面样，城区、沿江农地、主要厂区、湖区等典型景观地段采集了进一步研究样品。土壤采样点由全球卫星定位系统定位，在平面上基本均匀分布。
样品经自然干燥，用木棒砸碎，过20目或40目筛后提取600g分析样。样品分析方案为：浅层样每4km2分析1件组合样，分析总数1628件；深层样每16km2分析1件单样，分析总数540件。
典型地区采集了植物样品，经清洗、杀酶、烘干、粉碎后过40目尼龙筛备用。采集了汉口大夹街街区的人发样品。发样采自后枕部距发根约3cm以内，1％温热洗发液洗涤2次、去离子水冲洗数次、晾干。
样品由国土资源部武汉测试中心用原子荧光法分析。测试过程采用国家一级标准物质监控、实验室内部和送样单位检查、密码抽查等质量监控手段。
2 土壤Hg含量及其分布特征
2.1 含量特征
土壤中元素的原生背景含量，可通过土壤圈中相对受人类活动影响较小的深层土壤的含量来分析，并与区域、全省、全国和世界土壤的含量相对照。在土壤化学元素调查试验工作中，已基本证实深层土壤（＞150cm深度）能近似地反映第一（原生）环境元素分布、赋存状态，代表土壤背景特征；浅层土壤（＜20cm深度）是土壤圈中与生态环境联系最直接的层位，也是近期受到人为干预最敏感的地带［8～9］。
武汉地区土壤深层不受污染的汞环境背景基准值0.033mg/kg。武汉地区全区深层土Hg含量（0.039mg/kg）比湖北的低，与全国的相当（表1）。因此其深层土Hg含量作为全区土壤背景的体现，为一低“原始”背景。
全区浅层Hg含量变化较大，平均含量明显高于深层及湖北和全国值，表明在浅层土壤中有Hg的添加，并存在明显的局部富集。
表1 武汉地区土壤Hg含量特征 单位：mg/kg
2.2 分布特征
土壤Hg含量分区依据土壤环境质量和容量的研究情况［3，11～13］，其含量范围和相应的污染指数见表2。
表2 武汉地区土壤Hg含量分区标准 单位：mg/kg
2.2.1 总体分布状况
武汉地区土壤Hg污染面积239.3km2，多以城镇区和工厂区为中心，包括葛店化工区、江岸区城区、东西湖区古田工业区、后湖南部的盘龙古城和武昌城区。
土壤Hg高背景区面积近总面积的1：10，分布于城镇和工厂区，其中以武汉三镇跨江区面积最大，其次为葛店化工区、蔡甸镇、阳逻镇等。清洁区大面积分布于蔡甸南、黄陂－新洲和江夏区，以及汉南－汉阳、东西湖、武湖－阳逻等的部分地区（表3，图1）。
表3 武汉地区土壤Hg元素环境质量分区
2.2.2 典型污染区特征
江岸区汉口中心城区为老城区，其Hg污染面积88km2，污染中心在中山公园附近，其中，大夹街土壤Hg含量最高达38.114mg/kg，是土壤清洁区上限（0.15mg/kg）的254倍（图2）。
其中，有机结合态和强有机结合态的Hg达3.41mg/kg，占全Hg量的14％。由于Hg在一定理化条件下可转化成零价汞，并在气温升高时不断气化进入空气形成“汞蒸汽岛”，而直接被人群所吸收，加上污染区土壤中Hg的高含量，且其中较高比例的有效态Hg。Hg污染的生态环境负效应已经显现：大夹街街区人发汞含量已超过。在青年路－集家嘴剖面上，Hg含量均远高于0.15mg/kg，且变化明显，存在大夹街、中山大道、地勘局等多个峰值点（图3）。
江岸区汉阳城区包括作为中心污染区的汉阳味精厂、汉阳钢厂、农药厂等工厂区－居民区的和墨水湖、南太子湖污染扩散区。中心污染区Hg含量大于0.5mg/kg。汉阳钢厂和居民生活区南侧的墨水湖底积物Hg含量达1.394～1.633mg/kg。由墨水湖至南太子湖的排污渠中底积物Hg含量可达1.33mg/kg。汉阳建港小白菜干剂汞量1.33mg/kg，严重超过国家卫生标准。
图1 武汉地区土壤Hg元素环境质量分区图
东西湖区古田工业区包括以有机化工厂、制药厂、联碱厂、电缆厂等厂区为中心的污染区和沿排污渠道至北部纳污湖群形成的污染扩散区。中心污染区污染面积20km2，Hg含量可达1.610mg/kg；排污渠中底积物高达1.249～1.802mg/kg（图4）。纳污湖区磨海底积物Hg含量可达1.539mg/kg。北部湖群养殖鱼类中毒死亡，湖区内莲藕的汞含量严重超标。
武昌城区包括武昌老城污染区和几乎全部接受了武昌城区居民的生活排污及一些小工厂“三废”排污的沙湖、东湖、南湖三湖等纳污区。武昌老城污染区污染面积14km2，武昌造船厂附近Hg含量0.910mg/kg，排污渠中底积物1.177mg/kg，紫阳湖底积物可达2.219mg/kg（图5）。纳污湖区的东湖茶港底积物Hg含量2.316mg/kg。
图2 青年路—集家嘴剖面土壤Hg含量变化
图3 青年路—集家嘴剖面土壤Hg含量变化
葛店化工区Hg污染以化工厂为中心，向周围扩散3～10km，武汉市域内污染面积达100km2，东侧鄂州辖区估计亦有相等的面积受到污染（图6）。厂区土壤Hg含量最高达53.443mg/kg，是土壤清洁区上限的356倍。
整个污染已扩散到周边稻田内、山坡上的土壤以及周围水体，其Hg含量0.40～2.5mg/kg（图6）。由于葛化为一老厂，长期的Hg排放和积累对周围生态环境有较大的影响。
阳逻Hg高背景区10km2，围绕新建的阳逻电厂分布。蔡甸Hg高背景区范围包括蔡甸城镇区及其南部大集一带，面积100km2。
图4 古田工业区土壤Hg污染分布图
2.2.3 浅深层Hg含量变化
通过武汉市区浅层与深层土壤Hg元素分布的垂向对比，发现深层土Hg含量全部小于0.15mg/kg，为Hg清洁区，而浅层土壤存在253.5km2的Hg高背景区和126.9km2的污染区（图7）。历年来浅层土壤中的累积的Hg是深层土壤的2.75倍。
汉口大夹街9号点为Hg污染严重地区，其土壤垂向剖面的汞含量变化曲线是中间高，上下低。0.7～1.5m段Hg含量最高，为38.114mg/kg；其次为1.5～3.65m段；最低的3.65～4.2m段原始冲积层，Hg含量尚有5.753mg/kg。说明老城区Hg污染有相当的深度。
3 讨论
武汉地区土壤Hg元素分布形态表现为以城市为中心构成的环带状、片状。城市区内部形成以工业区和老城区为中心的污染区，并向外围扩散。中心城区和厂区等污染源位置的土壤Hg含量极高，排污渠中底积物Hg含量也明显超出污染的水平。这些都显示出武汉地区的Hg污染与人为因素关系密切。
武汉Hg污染区和高背景区的土壤类型主要为潴育型水稻土，其次为黄棕壤，葛店化工区还有灰潮土和棕红壤。这4种土壤也是武汉地区主要土壤类型。其中，水稻土和黄棕壤的有机质含量（2.80％～2.33％）［10］和粘粒含量（18.97％～16.77％）［10］偏高，pH值（6.1～6.2）［10］偏中性，对Hg有较强的吸持固定能力。因Hg进入土壤95％被吸持固定，其固定率与土壤有机质和粘粒含量成正比［1～3］。但是这些土壤类型本身的Hg背景含量为0.127～0.032mg/kg［10］，武汉长江冲积源潮土为0.062mg/kg，远未到Hg污染的范畴。在蔡甸南、黄陂－新洲和江夏等地，其中无城镇和工业区坐落的大面积水稻土、黄棕壤、灰潮土和棕红壤分布区均为土壤Hg清洁区。因此Hg污染不太可能由土壤本身的Hg背景引起。
图5 武昌城区土壤Hg污染分布图
图6 葛店化工区土壤Hg污染分布图
图7 武汉市区浅层土壤与深层土壤Hg元素分布对比图
武汉Hg污染区和高背景区的土壤母岩类型主要为第四系更新统红色冲积层、湖冲积层、坡－冲积层、洪冲积层和第四系全新统现代冲积层、湖冲积层、和湖积层，其次为泥盆－志留系碎屑岩类、石炭－二叠系碳酸盐岩类和第四系残坡积层粘土、亚粘土类碎石。这些母岩的Hg背景含量为0.072～0.032mg/kg［10］，能释放的Hg有限。大部分汞污染区无矿产分布。仅葛店化工区范围赋存高岭土、建筑用石英砂矿和碳酸盐岩，而前2种矿产低Hg，碳酸盐岩仅为矿点。阳逻高背景区存在2个金矿点，但区内分布的污染点并不与之一致。因此矿产不是主要污染源。
表4 典型区土壤、成土母岩和矿产状况
注：（土壤类型）142为潴育型水稻土；31为黄棕壤；122为灰潮土；11为棕红壤。（成土母质母岩）Q4为第四系全新统现代冲积层、湖冲积层和湖积层；Q1－3为第四系更新统红色冲积层、湖冲积层、坡－冲积层和洪冲积层；Q为第四系残坡积层粘土、亚粘土类碎石；P－C为石炭－二叠系碳酸盐岩类；D－S为泥盆－志留系碎屑岩类。（产出矿产）K1为高岭土；Cb为碳酸盐岩；Sa为建筑用石英砂矿；Au为金矿，Gp为石膏；Cy为粘土。
城市环境中的人为的Hg污染主要来源于工业“三废”排放以及煤炭和石油的燃烧等［4，14～17］。排放Hg污染物的工业主要有冶金、电镀、化工、造纸、制革、制药、纺织和肥料等，氯碱、电器设备、涂料、仪器和农业等行业用Hg做原料或辅料［4，14］。对于武汉地区的几个Hg污染区而言，汉口中心城区包括17码头、天津路、六合路、黄浦路等排污口，其污染物含Hg0.243～0.967μg/L［5］。城市生活垃圾中Hg释放率可达54.8％［18］，中心城区的城市生活排污污染也较严重。古田工业区包括有机化工厂、制药厂、联碱厂、电缆厂等，汉阳城区包括汉阳钢厂、农药厂等排放Hg污染物的工业企业。其中汉阳东风闸排污口污染物含Hg0.405μg/L［5］。机动车尾气、大气飘尘、粉尘和工业废气等通过气媒介造成的污染也不容忽视，据研究［19］，大气总悬浮颗粒中重金属含量是土壤中含量的2～200倍，可释放比例也高于土壤释放率。阳逻电厂的烟尘飘落物可能是阳逻Hg高背景区的主要污染源。根据对阳逻造纸厂和化肥厂排污口污染物监测，含Hg1.115～0.199μg/L［5］。
4 结论
武汉地区深层土壤具低Hg背景，而浅层土壤Hg含量明显高于湖北和全国含量值。
武汉地区土壤Hg污染面积239.3km2，分布形态上表现为以城市为中心构成的环带状、片状，城市区内部形成以工业区和老城区为中心的污染区，并向外围扩散。典型污染区包括葛店化工区、江岸区城区、东西湖区古田工业区、后湖南部的盘龙古城和武昌城区。土壤Hg高背景区面积826.3km2，近总面积的1：10，分布于武汉三镇、蔡甸、阳逻等城镇和葛店化工区。清洁区大面积分布于蔡甸南、黄陂—新洲和江夏区。
成土母质母岩、矿产和土壤本身不足以形成Hg污染，人为因素是造成城市地区Hg污染的决定因素。
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Spatial Characteristics and Pollution Origin of Mercury from Soils in Wuhan Area
Liu Hongying1, Zhang Decun2, Feng Xiaoming1, Chen Guoguang1, Guo Kunyi1
(1. Nanjing Institute of Geology and Mineral Resources, Nanjing 210016;2. Hubei Institute of Geological Survey, Wuhan 430056)
Abstract: The contents and distribution characteritics of mercury form soils in the whole region and the typical pollution areas of Wuhan Area are studies by contrast with the Hg background of soils in Wuhan Area and China in this paper. The results show that the Hg average value of soils in Wuhan Area is 0. 107 mg/kg. The distribution of the mercury pollution in the whole region, which acreage is 239. 3 km2,displays as zone-shaped and splinter-shaped surrounding city, formed the pollution areas surrounding the industrial park and old city zone within the city, and spread abroad. The high mercury background domains which acreage is nearly ten percent of the whole region distribute in Wuhan City Zone, Caidian District and G edian Town. The Mercury clear domains distribute in Huangpi District, Xinzhou District,Jiangxia District and the south of Caidian District. The soil parent rocks, mineral resources and soils themselves aren’ t enough to form mercury pollutions, artificial effect is decisive factor which results in mercury pollution.
Key words: Mercury; Spatial characteristics; Pollution origin; Soil; Wuhan area
熊毅参加工作后，他的研究工作涉及到盐渍土概性、土壤胶体、土壤发生分类、土壤化学性质、水稻土性态等方面，说明他知识面的宽广和对事业的追求，为他以后研究事业的发展奠定了扎实的基础。从1979年起，他多次邀请美籍华人徐拔和教授来所讲学，传授新的学术思想和国际上的新进展，对中国土壤物理化学的研究起了有益的推动作用。通过黄河中下游冲积平原的土壤调查，熊毅用发生学的观点系统地研究了华北平原土壤形成条件、过程、特性和分类，改变了过去统称“冲积土”的命名，对各种层状沉积物发育的土壤类型，特别是褐土、浅色草甸土（潮土）和盐碱土的形成过程、发展阶段、分布规律及其特性进行了深入的研究；揭示了第四纪河流沉积规律，层状沉积物结构、类型及其对土壤水肥特性、水盐运动和农业生产的影响；开创性地研究了浅层地下水与土壤盐碱化的关系，根据沙、粘相间的沉积层次所形成的岗、坡、洼地形与水盐运动状况，总结出旱、涝、盐碱在发生上的联系，为有效防治土壤盐碱化提供了理论依据；首次明确提出春旱、秋涝和土壤盐碱化是阻碍华北平原农业生产发展的主要限制因素，特别是在无排水条件下发展自流灌溉引起土壤次生盐碱化，是限制平原地区农业生产发展的关键。这些开创性的工作和新的学术观点，集中反映在他和席承藩合著的《华北平原土壤》一书和《华北平原土壤图集》中，至今仍不失其重要的学术价值和现实的参考意义。 1 熊毅．中国盐渍土之初步研究．土壤专报，1936(15):39—43. 2 熊毅．水稻土之化学性质．土壤特刊甲种，1941(4):1—22. 3 Y.Hseung. Mineral Composition of Soil Colloids and Its Bearing on the Genesls and Classification of soils. Science Record,1942(1—12). 4 Y.Hseung. Mineralogical Studies of Loesses. Gumboties and Tills.1948（美国密苏里大学硕士论文）． 5 Y.Hseung. Chemical Weathering in Relation to Mineral Content of Soils.1951（美国威斯康星大学博士论文）． 6 Y.Hseung et al. On the Origin of Gumbotil. Soil Science Society of America Procecdings,1949,14:311—315. 7 Y.Hseung et al. Weathering Sequence of Clay-size Minerals in Soil and Sediments:Ⅱ.Chemical Weathering of Layer Silicates. Soil Sci.Soc.Amer Proc,1952,16(3—6). 8 Y.Hseung et al. Mineral Composition of the clay Fraction:Ⅲ.of Some Main Soil Groups of China. Soil Sci.Soc.Amer Proc,1952,16:294—297. 9 Cюн и.Oбщая Xарaктеpистика коллоидов nочв Kитая. Почвоведeниe 1956(3):71—72. 10 蒋剑敏，熊毅．土壤胶体膨胀的初步研究．土壤学报，1956,4(2):129—140. 11 熊毅，席承潘．黄河流域土壤研究I．华北平原土壤概况和改良途径．土壤学报，1957,5(4):285—290. 12 熊毅．中国盐渍土分区．土壤学报，1957,5(1):50—59. 13 熊毅．土壤粘土矿物的结构及形成．土壤通报，1958(1):49—51. 14 熊毅，席承藩，张同亮等．黄河流域土壤研究Ⅱ．华北平原土壤的发生和演变．土壤学报，1958,6(1):25—42. 15 熊毅，许冀泉，蒋剑敏．中国土壤胶体研究I．黄土胶体的矿物组成和性质．土壤学报，1958,6(2):89—98. 16 熊毅，刘文政．排水在华北平原防治土壤盐渍化的重要意义．土壤，1962(3):6—11. 17 熊毅，许冀泉．中国土壤中粘粒矿物的分布规律．土壤学报，1964,12(3):266—271. 18 Y.Hseung. Frequency Distribution of Clay Minerals in the Soils of China. VⅢth International Congress of Soil Science Abstracts of Papers,Vol.7.Soil Mineralogy.Bucharest—Rumania,1964:45. 19 熊毅，席承藩．华北平原土壤．北京：科学出版社，1965. 20 熊毅．I．土粒团聚及有机质在土粒团聚中的作用．土壤农化，1974(3):1—7. 21 熊毅．Ⅱ．团聚土粒的有机物质．土壤农化，1974(4):1—10. 22 熊毅．Ⅲ．有机化合物与粘粒的相互作用．土壤农化，1974(5):1—14. 23 熊毅．Ⅳ．有机无机复合机制．土壤农化，1974(6):1—11. 24 熊毅．Ⅴ．有机无机复合体的性质和反应．土壤农化，1975(1):1—15. 25 熊毅．Ⅵ．有机无机复合体的剖析研究．土壤农化，1975(6):1—12. 26 熊毅．土壤胶体的组成及复合．土壤通报，1979(5):1—8. 27 熊毅．农业生态系统的特点及其研究任务．中国农业科学，1982,(2):78—83. 28 熊毅．试论土壤生态系统．土壤，1983,15(4):121—125. 29 熊毅．土壤胶体，第一册（土壤胶体的物质基础）．北京：科学出版社，1983． 30 熊毅等．土壤胶体，第二册（土壤胶体研究法）．北京：科学出版社，1985． 31：熊毅主编，李锦副主编．中国土壤图集．北京：地图出版社，1986． 32：熊毅，李庆逵主编．中国土壤（第二版）．北京：科学出版社，1987． 33：熊毅等．土壤胶体，第三册（土壤胶体的性质）．北京：科学出版社，1990．
邢永强1 李金荣2 李金玲3 常秋玲1 贺传阅1
（1.河南省国土资源科学研究院，郑州 450016；2.郑州大学环境与水利学院，郑州 450001；3.河南省地质调查院，郑州 450007）
《灌溉排水学报》，文章编号：1672-3317-(2008)-03-0106-03
摘要 对10m×10m面积内的100个土壤样点取样分析其硝态氮含量，用地质统计学中的区域化变量理论和半方差函数分析，研究结果表明两种含水率土壤中硝态氮含量在一定范围内均具有空间变异性，属于中等程度变异；硝态氮含量的半方差随着取样间距的增加而增加，最后趋于稳定，存在着空间变异结构，最后对其进行拟合，确定其变异程度及空间相关尺度。为进行大范围土壤的取样提供参考。
关键词 硝态氮 空间变异 区域化变量 半方差分析
作物生长所需的养分主要来源于土壤，施用到土壤中的氮肥，经过一系列分解转化作用才能被作物吸收利用。比如经过矿化、硝化与反硝化等过程，氮肥转化为无机态氮即氨态氮和硝态氮。我们知道适量的氮肥是保证农作物获得高产的基本条件，过量的氮肥不仅造成浪费，更为严重的是会引起作物、土壤、大气及地下水的严重污染。我国北方旱地土壤氮素形态一般以硝态氮为主，所以土壤中硝态氮的空间变异必然会引起该土壤中农作物的生长变异。所以开展土壤硝态氮含量空间变异性研究对于提高农作物产量，制定农田施肥方案，提高氮肥利用率有着重要的现实意义。
众所周知，土壤系统本身是一个形态和过程都相当复杂的自然综合体（雷志栋等，1985）。在时间和空间上土壤是一个非匀质的介质，而且有着明显的空间变异。灌区田间实际情况表明，在土壤质地相同的区域内，土壤特性（物理、化学及生物性质）在同一时刻，各个空间位置上的量值并不相同，这种属性即称为土壤特性的空间变异性（黄绍文等，2003；Triantafilis，et al.，2004；高鹭等，2002）。这种空间变异是由两方面的原因造成的：一是成土过程，二是人为活动。特别是人类活动对空间变异的影响更显著。正由于此，一个田块内土壤的变异可分为系统变异和随机变异两部分。
就研究方法来说，经典统计学忽略了土壤属性在空间上的相关性，认为土壤属性是空间上相互独立的，当然这与土壤特性的实际情况不符，因此经典统计学无法揭示土壤属性在一定空间距离上的相关性。空间变异理论（孙洪泉，1990）考虑到了土壤属性的空间相关性，因此研究土壤的空间变异性对指导各种先进的灌溉设施和农业水利技术的应用有着重要意义。
1 基本理论
土壤的空间变异理论（孙洪泉，1990）是以地质统计学（geostatistics）为基础。地质统计学的雏形是20世纪50年代，在南非矿业学家Krige提出的矿产品位和储量估值方法基础上，于20世纪60年代由法国著名的统计学家Matheron在此基础上做了大量研究之后建立起来的。他在提出来区域变量理论，使传统的地学方法与统计学方法相结合，形成了完整的公式系统，又称地质统计学。地质统计学的半方差函数对土壤属性在空间上变化的结构性能够定量和精确描述。地质统计学是以区域化变量、随机函数和平稳性假设等概念为基础，以变异函数为核心，以克立格插值法为手段，分析研究自然现象的空间变异问题（Triantafilis，et al.，2004；高鹭等，2002）。
1.1 区域化变量
区域化变量Z（x）是指在空间分布的变量，是在区域内不同位置x取不同值Z的随机变量。它一般反映了某种现象的特征，比如不同位置各点土壤养分含量等。区域化变量具有结构性和随机性的特征。结构性是指在空间两个不同点处土壤养分具有某种程度的自相关性，一般而言两个点间距越小，相关性越好。这种自相关性反映了这种变量的某种连续性和关联性，体现了其结构性的一面。随机性是指在土壤系统内，任意空间点x处，其土壤养分的取值是不确定的，可以看作是一个随机变量，这就体现了其随机性特征。
1.2 半方差函数
半方差函数也称为空间变异函数（semivariograms），只要是与空间有关的变量，都可以用半方差函数来计算它。半方差函数既能描述区域化变量的结构性特征，又能描述其随机性变化。半方差函数是描述土壤特性空间变异结构的一个函数。假设随机函数均值稳定，方差存在且有限，该值仅与间距h有关，则半方差函数γ（h）可定义为随机函数Z（x）增量方差的一半。其计算公式为
环境·生态·水文·岩土：理论探讨与应用实践
图1 半方差图
Fig.1 Sketch map of semi-variance
其中n(h)是被向量h相隔的数据对的对数。当然，数据对越多，计算的半方差函数值的精度越高。对不同的滞后距h，式（1）可以算出相应的γ(h)值来。对于每一个滞后距hi，把诸点［hi，γ(hi)］在h—γ(h)图（图1）上标出，再将相邻的点用线段连接起来所得到的图形，称为实验半方差函数图（或实验方差图）。通过方差图可以得到半方差函数的3个极为重要的参数：即变程值a（Range）、基台值C（Sill）和块金值C0（Nugget），其中变程值反映了土壤性质的空间变异特性，在变程值以外，土壤性质是空间独立的，而在变程值以内，土壤性质是空间非独立的。块金值代表一种由非采样间距造成的变异，一般是指土壤性质的测定误差。基台值是指在不同采样间距中存在的半方差极大值。另外，块金方差/基台值可表示空间变异程度。
2 材料和方法
2.1 研究区概况
试验于2006年在河南省浚县城西一实验田内进行，该区地形地貌类型为冲积平原，地势比较平坦，主要供试土壤为壤土，气候属于半湿润半干旱大陆性季风气候，四季分明。该地小麦、玉米一年两作，当季种植玉米。面积10m×10m，按照1m×1m设置网格，共有100个观测点（图2），采样深度为耕层10～15cm。采样期间晴朗无雨，采样时间分别是2006年6月12日（田间较干，平均质量含水率为18.3%）和2006年8月14日（田间较湿，平均质量含水率为23.5%）。
图2 采样点平面布置图
Fig.2 Sampling location of the area
2.2 测定方法
测定项目：质量含水率和硝态氮。
测定方法及仪器：对田间所采集的土壤样品进行风干，过1mm的筛，然后以5：1的水土比用1mol/L的KCl进行抽滤浸提，在实验室用酚二磺酸比色法进行硝态氮含量的测定。
3 结果与讨论
3.1 土壤中硝态氮测定结果的统计特征值
利用Kolmogorov-Smirnov方法对硝态氮含量的总体分布进行非参数检验，从测试结果可以看出，土壤硝态氮含量多数为对数正态分布类型。从硝态氮的均值来看，均值随土壤含水量的减小而增加，说明随着土壤含水量的减小硝态氮向下层淋洗的量也相应减小。
另外前面已经述及，变异系数C1的大小可以反映土壤特性参数的空间变异性程度，一般认为：C1＜0.1为弱变异性，0.1≤C1≤1.0为中等变异性，C1＞1.0为强变异性。从表1中的统计资料来看，所测得的硝态氮含量变异系数的变化范围为0.17～0.31，均属中等变异性。因为硝态氮在土壤中相对比较稳定，所以其变异系数较少，这与硝态氮在土壤中比较稳定有关。本次实验中，土壤较湿（土壤平均含水率为23.5%）时，硝态氮的变异系数为0.31，土壤较干（土壤平均含水率为18.3%）时，其变异系数为0.17，所以土壤较湿时硝态氮的变异系数明显大于土壤较干时硝态氮的变异系数，这里可以理解为硝态氮变异系数受不同灌水量的影响，灌水量增加，变异系数增大，灌水量对硝态氮的转化和移动有着密切的关系。
表1 土壤硝态氮含量的统计特征值
前面已经说过，硝态氮在田间的分布具有地学的结构特征和统计学的随机特征。这些统计值只能在一定程度上反映样本总体，而不能定量地刻画土壤硝态氮含量的随机性和不规则性，独立性和相关性，要解释并进行定量化，必须进行空间变异结构分析。
3.2 土壤中硝态氮的空间变异结构分析
半变差函数图在一定范围内反映了不同观测点的观测值之间的依赖变化情况，可以检验土壤中硝态氮的空间变异性。从土壤硝态氮含量的半方差函数图（图3）可以看出，在一定范围内硝态氮含量的试验变差函数值均随采样点间距的增大而增加，从非零值达到一个相对稳定的常数，即当其间距增加到一定程度后，半变差函数值在某一常数上下摆动时，这一常数就是基台值C（C0+C1），与这一基台值相对应的间距就是变程a，且变程a等于最大自相关距离。当h＜a时，土壤硝态氮含量之间存在着空间上的相关关系，当h≥a时，土壤硝态氮含量值是独立的。当间隔距离h=0时，γ（0）=C0，该值即为块金值C0。
图3 硝态氮含量的半方差图
Fig.3 Semi-variance of soil NO3--N
根据计算的两种不同含水率的土壤中硝态氮含量的实验变差函数值，然后选用球状模型进行拟合。用加权多项式回归法进行计算，编程序可得出球状模型中的各个参数（C，a，C0）（表2）。从表2中可以看出硝态氮含量在含水率为18.3%的土壤中其块金值C=0.34，基台值C0=0.77，变程值a=2.1；硝态氮含量在含水率为23.5%的土壤中其块金值C=0.09，基台值C0=0.46，变程值a=1.75。对土壤含水率为18.3%的土壤，当h≥a=2.1m时，自相关函数的值为零，变差函数值趋于稳定，也就是说，当采样间距在2.1m之内，硝态氮含量具有明显的空间变异性，把硝态氮含量当作区域化变量处理；当采样间距大于2.1m时，硝态氮含量不具有空间相关关系，可以把硝态氮含量看做是相互独立的随机变量。对土壤含水率为23.5%的土壤，当h≥a=1.75m时，变差函数值趋于稳定，同样，当采样间距小于1.75m，硝态氮含量具有明显的空间变异性，把硝态氮含量当作区域化变量处理；当采样间距大于1.75m时，硝态氮含量不具有空间相关关系，可以把硝态氮含量看做是相互独立的随机变量。另外从表2 计算结果可以看出来，含水率较大的土壤，其硝态氮含量的变程值稍微小于含水率较低的土壤，说明土壤的含水率也影响到硝态氮含量的空间变异，主要是因为土壤中水分可以滞留较多的硝态氮，因此实际野外采样时要根据土壤的含水率布置取样间距。含水率较小时，取样间距可以布置的大些；含水率较大时，取样间距相对布置的小。
表2 土壤硝态氮含量的半方差参数值
研究区土壤中硝态氮含量的空间变异既具有结构性，又具有随机性。它们对土壤属性的变异性影响程度如何，这可以从块金值与基台值之比（C0/（C0+C1））来表示其空间变异程度，如果该比值较高，说明由随机部分引起的空间变异性程度较大；相反，说明由系统变异引起的空间变异性程度较大；如果该比值在1附近，则说明该变量在整个研究尺度上具有恒定的变异。从表2计算结果可以看出这次研究区土壤的空间变异性主要是由土壤的空间结构本身引起的，而由随机部分引起的变异程度较小，不起主要作用。
4 结论
土壤属性的空间分布具有明显的变异性，而地质统计学中的区域化变量和变差函数是研究这种空间特性的重要理论工具。土壤中硝态氮含量表现出空间变异结构，可以作为区域化变量。
实验结果表明，不同含水率的土壤中硝态氮含量均具有空间变异性，变异系数的变化范围为0.17～0.31，均属中等变异性。含水率较高（土壤平均含水率为23.5%）的土壤中硝态氮含量的变异系数大于含水率较低（土壤平均含水率为18.3%）的土壤中硝态氮的变异系数。
根据区域化变量和变差函数的理论，对不同含水率土壤中硝态氮含量进行空间变异结构分析，得到其变程值。对含水率为23.5%的土壤来说，其硝态氮含量空间的相关距离为1.75m；对含水率为18.3%的土壤来说，其硝态氮含量空间的相关距离为2.1m；在其相关距离范围内，土壤的空间结构本身对硝态氮含量的空间变异性起主要的影响作用。
参考文献
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黄绍文，金继运，杨俐苹等.2003.县级区域粮田土壤养分空间变异与分区管理技术研究.土壤学报，40（1）：79～88.
雷志栋，杨诗秀，许志荣等.1985.土壤特性空间变异性初步研究.水利学报，（9）：10～21.
孙洪泉.1990.地质统计学及其应用.北京：中国矿业大学出版社.
Triantafilis J，Odeh I O A，Warr B，et al.2004.Mapping of salinity risk in the lower Namoi valley using non-linear Kriging methods.Arg Water Manage，69（3）：203～231.
Spacial Variations of -N in Soil
Xing Yong-qiang1 Li Jin-rong2 Li Jin-ling3 Chang Qiu-ling1 He Chuan-yue1
（1.Sciencial Researchinstitute of land and resource of Henan Province，Zhengzhou 4504016；2.School of Water Conservancy and Environment Engineering，Zhengzhou Univ.，Zhengzhou 450001；3.Institute of Geological Survey of Henan Province，Zhengzhou 450007）
Abstract：One hundred soil samplers at a plot of 10m×10m were made at an interval of 1m with different soil moisture and different time.The -N in surface soil（10～15cm）were measured.the author analyzed experimental data by the theory of regionalized variable theory and studied the special variations of -N in the field.The results showed that the -N at different soil moisture had spatial variability in a given spatial range.The semi-variances of -N were increased with the increase of the lag（h）.Fitting the results with linear regressions，the parameters of the semi-variograms were estimated，and their variable extent and space correlative scale were made.
Key words： -N；spatial variability；regionalized variable theory；semi-variance analysis
主持现代农业产业技术体系建设专项大宗蔬菜体系岗位科学家基金项目（2011-2015），主持国家973子课题“农田养分空间分异特征与精准调控原理” （2007-2011年），主持IPNI（国际植物营养研究所）课题“设施蔬菜养分循环特征与高效安全施肥技术研究”（2009-2011）。曾主持完成现代农业产业技术体系建设专项大宗蔬菜体系岗位科学家基金项目1项、国家自然科学基金项目1项、国家973子课题1项、国家支撑/攻关计划子课题5项、IPNI/中加合作课题4项和中国农业科学院科研基金课题1项；参与主持完成国家基金项目1项、国家863子课题1项、国家攻关子课题1项和农业科技跨越计划项目中土壤肥料专题5项。⒈ 主持现代农业产业技术体系建设专项大宗蔬菜体系岗位科学家基金项目（2011-2015）。⒉ 主持国家973子课题“农田养分空间分异特征与精准调控原理”（2007-2011）。⒊ 主持IPNI课题“设施蔬菜养分循环特征与高效安全施肥技术研究”（2009-2011）。⒋ 主持现代农业产业技术体系建设专项大宗蔬菜体系岗位科学家基金项目（2008-2010）。⒌ 主持国家973子课题“钾循环过程、有效性机制及其影响因素”（2006-2010）。⒍ 主持国家自然科学基金项目“菜地土壤理化性质空间变异对重金属生物有效性的影响”（2005-2007）。⒎ 第二主持国家自然科学基金重点项目（农业倾斜）“菜区土壤养分空间变异规律与作物分区平衡施肥技术研究”（2003-2005）。⒏ 主持国家支撑子课题（粮丰工程） “土壤作物营养时空分异特征与精准管理技术研究”（2006-2010）。⒐ 主持国家支撑子课题（沃土工程）“规模经营条件下养分精准管理技术研究”（2006-2010）。⒑ 主持国家支撑子课题（粮丰工程） “农田土壤养分精准管理和分区平衡施肥技术研究”（2004-2006）。⒒ 主持国家攻关子课题（陵县试区）“区域土壤养分时空变异与分区平衡施肥技术研究”（2001-2003）。⒓ 主持国家攻关子课题“优质玉米品质与产量形成机理及高效施肥技术研究”（2001-2002）。⒔ 参与主持国家攻关子课题“黄淮海平原养分资源持续高效利用新技术系统研究与示范”（1996-2000）。⒕ 主持IPNI课题“不同粮食作物生产条件下土壤养分时空变异与精准管理技术”（2006-2008）。⒖ 主持中加合作课题“粮食主产区农田养分精准/分区调控技术研究”（2003-2005）。⒗ 主持中加合作课题“作物优质高产分区平衡施肥技术研究”（2001-2002）。⒘ 主持中加合作课题“乡（镇）级、县级粮区土壤养分空间变异与分区管理技术研究”（1999-2000）。⒙ 主持中国农业科学院科研基金课题“菜田土壤和蔬菜中重金属空间变异特征”（2006-2008）。⒚ 参与主持国家863子课题“分散经营条件下数字农业精准生产平台技术研究”（2003-2005）。⒛ 第二主持农业科技跨越项目中的5个肥料专题：龙94-4083面包强筋小麦、豫麦47强筋小麦、济南17强筋小麦、哈93216高蛋白大豆和超级稻优质高产平衡施肥技术研究与示范（2000-2002）。 在蔬菜营养与高效安全施肥、农田土壤质量时空变异与养分精准/分区调控、土壤供钾能力评价、施肥与作物品质等方面作出了一定的成绩。1. 在菜田土壤肥力状况评价和大宗蔬菜高效安全施肥技术方面取得创造性进展针对不同生态区域、不同栽培方式下的生长环境特点，分析了全国主要菜区土壤盐分、酸碱性和肥力状况，研究了菜田养分循环特征、主要蔬菜施肥指标体系、蔬菜有机肥安全施用与有机无机肥料优化配比技术等，建立了全国主要菜区土壤养分状况信息数据库，初步提出了主要蔬菜高效安全施肥技术模式，包括土壤养分丰缺状况评价技术、大中微量元素平衡施用技术、有机肥料安全施用与有机无机肥料优化配比技术、肥水一体化灌溉施肥技术等核心技术。相关研究结果在《Journal of Plant Nutrition.》、《Better Crops with Plant Food》、《植物营养与肥料学报》、《华北农学报》等刊物上发表。2. 在菜田土壤质量空间变异与养分精准/分区调控方面取得重要进展应用GPS、GIS等技术，研究阐明菜田土壤肥力质量和健康质量及蔬菜中硝酸盐和重金属的空间变异特征，建立蔬菜环保高效精准/分区平衡施肥技术体系。⑴明确土壤主要养分空间变异与种菜历史及肥料使用密切相关，对种菜历史、蔬菜品种、栽培制度等基本相同的区域可按一个管理单元进行菜田养分精准/分区管理；⑵探明蔬菜硝酸盐和土壤硝态氮的空间变异高度相关，表明通过肥料的精准调控，可以有效控制农产品硝酸盐含量；⑶揭示蔬菜重金属与土壤有效态重金属的空间变异密切相关，而土壤有效态重金属空间变异与土壤pH、CEC、粘粒含量等有关，表明通过土壤性质的调控，也可控制农田土壤重金属有效性，减少农产品重金属的积累。⑷研究提出的蔬菜环保高效精准/分区平衡施肥技术平均增产12.7%，降低肥料成本24.3%，增收17.4%，提高氮肥利用率10.3个百分点。相关研究结果在《Soil Science》、《Nutr. Cycl. Agroecosyst.》、《Commu. Soil Sci. Plan.》、《Environ. Monit. Assess.》、《农业环境科学学报》、《华北农学报》等刊物上发表。3. 在粮田土壤养分时空变异与养分精准/分区调控方面取得较大进展⑴应用GPS、GIS等技术，阐明乡（镇）级、县级区域粮田土壤养分空间变异规律，提出区域性土壤养分分区管理技术；探明东北、华北和长江中下游三大平原粮食主产区农田土壤养分空间变异特征，解析土壤养分空间有效性与作物养分吸收、作物产量等之间的关系，明确主要粮食作物养分合理施用关键技术，提出农田土壤养分精准/分区调控技术。⑵在“十二”期间及以后，在三大平原粮食主产区发展适度规模经营前景广阔，研究结果表明对分散经营的三大平原试区进行适度规模经营养分分区管理可行。⑶阐明春玉米、冬小麦-夏玉米、水稻等作物生长期间/轮作周期内土壤-作物养分随时间变异的特征，形成农田养分供应与吸收的时间同步调控技术。相关研究结果在《Commu. Soil Sci. Plan.》、《中国农业科学》、《土壤学报》、《植物营养与肥料学报》等刊物上发表。4. 在北方土壤供钾能力评价方面取得明显进展研究明确北方主要土壤供钾能力自西向东呈明显降低的趋势，而固钾能力自西向东呈逐渐增加的趋势，并发现矿物钾是植物钾素吸收的重要钾源，具有重要的理论和现实意义。相关研究结果在《Commu. Soil Sci. Plan.》、《植物营养与肥料学报》等刊物上发表。5. 在施肥与优质作物品质产量关系方面取得很有苗头的进展 研究基本明确施肥对优质作物（优质面包强筋小麦，优质玉米，优质大豆）品质产量的调控作用，初步形成优质作物高效施肥技术体系。相关研究结果在《中国农业科学》、《植物营养与肥料学报》等刊物上发表。
