张家港市农业景观格局变化及其对土壤—水稻系统重金属迁移的影响
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摘要：为评价张家港土壤—水稻系统重金属的分布现状，对其农业景观格局变化及土壤—水稻系统中重金属空间迁移特征展开研究。利用卫星遥感影像数据结合PLAND、PD、LPI、ED等景观指数，重点对该市农业用地景观指数做进一步研究；对城区外农田进行随机抽样，分析土壤和水稻中重金属的空间分布特征。研究表明，张家港市农业用地整体性良好，但抗干扰能力较弱；农业用地土壤质量良好，能够保障粮食质量安全。
关键词：土壤—水稻系统；重金属空间迁移；农用地景观指数；粮食质量安全
中图分类号： X53；X825 文献标识码：ADOI编码：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
伴随着高分辨率卫星遥感技术的不断成熟与发展，景观生态学将生物学与地理学相结合，以景观指数作为定量分析指标[1]，已经被广泛地运用到城市景观格局演化及城市化进程的生态效应研究中[2-3]。通过分析由多年遥感影像解译得到的景观指数数据，可以明显地反映出土地景观类型种类的变化[4-5]。农业用地作为一种重要景观类型，有着非常重要的生态服务功能。合理的农业用地景观格局分布，对于从面上减少城市地区的农业污染具有重要作用[6]。农业景观具有容易受人类活动干扰的特点，人类活动的变化常常是农业景观波动的主要因素[7-8]。随着经济的发展，农业用地的数量持续下降，在城市中的空间格局分布情况也随之发生相应变化[9]。作为一个生态城市，张家港市的城市规模、城镇、建设用地正伴随着城市化进程而快速扩张，与此同时，农业生产所必须的土地面积则日趋缩小[10]。农业景观格局的研究，重点关注景观指标对农业景观标度的合理程度及其时空变化特点，为农业生态规划和农业生产提供科学依据[11-12]。有学者采用GIS分析技术对土壤重金属浓度进行分析研究，这可以从时间和空间分布的角度反映土壤的污染状况[13-14]。鉴于不同地区的土壤环境、气候、作物品种及周边环境的差异，还需将土壤、作物作为一个整体，通过多期试验，掌控和探索研究区的重金属沿土壤—作物系统的积累、转移特点[15-16]。学术界对张家港市农业景观格局现状、农区农业重金属的污染情况，及重金属沿土壤—作物系统的积累、转移规律的研究程度尚不够深入，基于土壤—作物系统的重金属污染及粮食安全研究尚有待继续开展。土壤—水稻系统中的重金属污染具有延迟性、隐蔽性、累积性、不可逆转等特点，土壤污染发生后，即便控制住污染源也很难在短时间内恢复，治理难度大、周期长[17]，研究土壤—水稻系统的重金属空间分布特点具有重要意义。本研究以土壤—水稻系统为研究对象，采用GIS手段对张家港市重金属的空间分布进行分析，并探索研究重金属的污染趋势及其对粮食质量安全的影响。
本研究参考覆盖张家港全市的TM遥感影像，解译得到土地利用分类图，并在GIS相关分析软件的支持下，对土地利用分类图进行景观格局分析，以揭示张家港市各类型特别是农业用地类型空间格局变化的特征与细节，并探讨其变化的趋势与规律，为进一步对城市化压力下的农业土地格局规划与优化，提供科学依据。
1 材料和方法
1.1采样时间与地点
在2010年12月、2011年10月分别在张家港市采样2次。前次采样共设20个采样点，主要采集土壤样品；后次采样共设15个采样点，采集土壤及水稻籽粒样品。
1.2采样方法与样品分析
在每个采样点先记录坐标，在该处取样并分别向4个不同的方向辐射50 m采样，并混合制成1 kg左右该样点点样。采集的土壤样品为0～20 cm的表层土壤。经过实验室处理风干后，过0.15 mm尼龙网筛并最终称量约200 g土壤粉末，密封保存作为待测样品。2011年采集的水稻籽粒样品也依照上述野外采样流程获取，并经过实验室风干、脱壳后粉碎、烘干保存备用。
样品均送南京大学现代分析中心，利用等离子体原子发射光谱仪、电感耦合等离子直读光谱仪（ICP）等仪器，采用标准方法测量样品的重金属含量。2010年测量的重金属元素为Hg、As、Pb、Cu；2011年测量的重金属元素为Cr、Cu、Pb、Zn。
1.3研究方法
1.3.1TM影像与分类选用包含张家港市全域的2010年的TM卫星影像，并结合GIS软件经过训练工作区、几何精校正、典型地物反射波谱分析、图像特征概貌分析、统计特征分析、重点子区处理、图像增强处理与分类（包括非监督分类和监督分类）、区域处理、复合处理等步骤，得到了土地利用分类图。图像按研究需要划分为农业用地、园林用地、建筑用地、道路用地、水域、裸地和其它用地7类，如图1。
1.3.2景观指数的选择本研究所选用的景观指数及其含义如表1所示。
1.3.3反距离权重插值为了便于比较土壤及水稻籽粒重金属含量的空间分布及综合污染状况，在ArcGIS10环境下采用反距离权重插值方法进行空间插值。
1.3.4内梅罗综合污染指数评价法内梅罗综合污染指数评价法突出了高浓度污染物的作用，可以用来反映多种污染物的综合污染情况，其计算公式为：PN=[（P 2max+P 2avg）/2]1/2。式中：PN为综合污染指数；Pmax为各单项污染指数的最大值；Pavg为各单项污染指数的平均值。参照土壤环境监测技术规范评价标准如表2。
1.3.5数据处理与作图采用Fragstats3.3软件计算景观指数；采用ArcGIS10对土壤—水稻生态系统的重金属含量的分布情况，以及各样点土壤和水稻籽粒综合污染指数计算结果，进行空间插值并进行作图。
2结果与分析
2.12010年农业用地在张家港市景观格局空间分布现状
对2010年的张家港市土地利用现状图的分析，反映出张家港市农用地在当前景观空间分布的现状（图2）。
2.1.1斑块所占景观面积比例（PLAND）在所划分的七大类别中，农业用地占比23.172%，园林用地占比3.490 7%，两者合占比26.662 7%，构成了张家港市主要的绿色斑块。建筑用地占比已经超过了农业用地和园林用地的总和。
2.1.2斑块密度（PD）与其它用地类型相比，农业用地的斑块密度值较低，说明农业用地的破碎度较低，更加容易受到外界环境变化的影响，抗干扰能力相对较弱。
2.1.3最大斑块占景观面积比例（LPI）农业用地的最大斑块占景观面积比例值相对较低，仅0.16，这可能是因为农田被农用道路分割的结果。
2.1.4边缘密度（ED）农业用地的边缘密度值达到了89.9，说明农业用地的边缘破碎程度较高，农业用地呈较为零碎的分布。
2.1.5斑块凝聚度（CONTAGION）农业用地的斑块凝聚度值高达95.7，目前农业用地的空间连通性程度较高。建筑用地的斑块凝聚度值比农业用地的值略高，说明建筑用地的空间连通度性程度较高，也处于较高水平。
城市建设资金的投入、人口压力和产业结构化调整等外在驱动力推动着土地利用类型的转化。随着城市化的扩张以及经济发展的需要，农业用地特别是靠近道路、接近城镇的部分容易向经济价值更高的城市类用地转化。而这些损失的农业用地往往是比较肥沃、质量较高的土地，城市化对农业用地的影响不仅仅表现在数量上的损失，也表现在质量上的降低。从景观分析的结果来看，张家港市农业用地的边缘破碎程度较高，随着城市类用地的扩张，极易受人类活动影响的农业用地的生态服务功能也有逐渐衰弱的可能。
2.2土壤—水稻系统重金属的时空分布与比较
城市化对农业用地的影响不仅表现在景观类型向城市类用地转化上，也表现在因为工业渗透导致的工业区与农业区接近甚至混杂的局面。这一现象不可避免地将重金属引入农业用地及土壤—作物系统。
从2010年、2011年的农地土壤Cu、Pb的反距离权重插值结果（图3）来看，2011年土壤的Cu、Pb含量较2010年全面上升。从全局上看，近两年内Cu在研究区南部地区、Pb在南部和东部地区的土壤中含量较低。但仅有这2年的空间插值结果尚未明显反映出研究区Cu、Pb在土壤中的空间演变规律。
比较土壤与水稻籽粒中的Cr、Cu与Zn的插值结果（图4）来看，Cr并未表现出空间分布上的相似性。土壤中较高浓度的Cr在研究区内呈分散分布，而在水稻籽粒中Cr仅在北部地区有明显集中。Cu在空间分布上表现出一定的相似性，土壤和水稻籽粒中都表现为西部、东部浓度较高。在研究区西部，土壤和水稻籽粒中的Zn浓度较低；土壤中的Zn浓度中部地区比东部地区总体略高，且高浓度区分布分散；水稻籽粒中的Zn浓度东部地区比中部地区总体略高，且在中部偏东南区域有一个相对高浓度区的集中。
比较Cr、Zn两种元素在土壤和水稻籽粒的空间插值结果（图4）发现，无论是在土壤还是在水稻籽粒中，Cr与Zn的空间分布情况都十分相似，高浓度区的位置也比较接近。另外，无论是在土壤还是在水稻籽粒中，对各种重金属元素的插值结果都反映出研究区南部地区的浓度普遍较其他地区要低。
2.3张家港市农地土壤与水稻籽粒综合污染指数评价分析
2011年土壤与水稻籽粒的综合污染指数的空间插值结果（图5），直观地反映出研究区的土壤和粮食污染的分布现状。其中，土壤没有显著综合污染指数高值聚集区域，而水稻籽粒除在中东部地区综合污染指数的插值结果略高外，其它地区的结果值也较低。从全局上来看，研究区农地土壤及粮食安全状况比较理想。由于重金属污染物的不可降解性，重金属一旦造成污染将会造成持续性的影响。虽然当前重金属尚未在研究区构成污染，但对于空间上局部化工、钢铁等污染企业集中的区域仍需密切监测，以防止这些区域形成重金属的积累，进而造成污染，危害农地土壤以及粮食作物的质量安全。
3结论与讨论
城市化过程中城镇建设用地的扩张使得农业用地逐年下降。到2010年，农业用地占比为23.172%，低于建筑用地的28.28%；农业用地的斑块密度仅为6.04%，破碎度较低，处于较易受到干扰的状态。
2010年采样点土壤中，Cu的浓度范围为12.5～22.9 mg·kg-1，Pb的浓度范围为11.8～17.8 mg·kg-1；2011年采样点土壤中的Cu的浓度范围为13.8～35.6 mg·kg-1，Pb的浓度范围为14.1～42.8 mg·kg-1。从时间上看，Cu、Pb元素在土壤中的含量范围有向上浮动的倾向。Cu在土壤和水稻籽粒中的插值结果在空间上表现出一定的相似性，Cr、Zn两种元素在土壤和水稻籽粒中的空间分布都十分相似，这两种元素可能有共同的途径进入土壤环境中。研究区南部地区各类重金属的含量普遍较其它地区要低，该区域的综合评价结果也最理想。
研究区土壤和粮食安全综合评价结果理想，土壤环境良好，粮食质量安全可以得到保障。张家港市作为一个处于快速城市化时期的中小城市，人们对于粮食产品要求的不断提升，水稻生产应逐渐开始从数量型向质量型转化。鉴于近年来张家港市工业发展迅速，城市扩张导致的潜在污染威胁不断增大，应继续研究当地农业用地景观格局的变化趋势，了解重金属在土壤—作物系统中的迁移规律，从而进一步认识当地农业生态系统的运转规律，以确保当地粮食作物的质量安全。
本研究探索了研究区农业景观格局变化及土壤重金属的时空演变趋势，对维持当地农业生态系统的良好运转提供了有益参考，同时为帮助当地生产部门进行科学决策，从绿色、生态农业的角度，以土壤—粮食生态系统为着手点，积极寻求降低重金属污染、保障粮食作物安全生产的有效途径。
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