城市土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)應(yīng)用述評(píng)

劉千鈞，周陽媚，唐杰鵬，林親鐵，謝志宜，張雅靜，李 想

（1. 廣東工業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2. 廣東省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，廣東 廣州 510308）

城市土壤是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是環(huán)境污染物的源和匯. 隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加快，城市人口高度集中、市政建設(shè)和交通擁堵等強(qiáng)烈的人類擾動(dòng)對(duì)城市土壤環(huán)境帶來了深刻的影響，如Davis等[1]研究發(fā)現(xiàn)，正常兒童的日平均土壤攝取量從38.9 mg到245.5 mg不等，而城市土壤重金屬鉛是我國城市兒童血鉛污染的重要來源和途徑[2-3]，開展城市土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)具有越來越重要的現(xiàn)實(shí)意義.

一直以來，國內(nèi)外土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)主要是農(nóng)田、林地和污染場(chǎng)地土壤監(jiān)測(cè)，農(nóng)田、林地等土壤地域較平整且土質(zhì)均勻，按面積尺寸均勻布點(diǎn)就可以達(dá)到很好的監(jiān)測(cè)效果. 而城市由于需要不同，具有不同功能區(qū)，土壤環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，且城市中人口、車輛眾多，土地利用明顯呈碎片化趨勢(shì)，且土壤污染狀況也具有局域性特點(diǎn)[4]，耕地等形式的土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)方法已經(jīng)不適用.

目前國內(nèi)外無專門針對(duì)城市土壤監(jiān)測(cè)的相關(guān)技術(shù)規(guī)范，我國《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166-2004)中規(guī)定，城市土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)以網(wǎng)距2 km的網(wǎng)格布設(shè)為主，功能區(qū)布點(diǎn)為輔，每個(gè)網(wǎng)格設(shè)一個(gè)采樣點(diǎn).但土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)需要考慮監(jiān)測(cè)目的、城市面積及人口和監(jiān)測(cè)成本等因素綜合確定，因此這一布點(diǎn)方法并未得到普遍采用.

鑒于此，本文綜述了目前城市土壤環(huán)境研究中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)方法，并比較了各布點(diǎn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用領(lǐng)域，可為我國城市土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)和管理政策制定提供參考.

1 城市土壤環(huán)境質(zhì)量影響因素

現(xiàn)有土壤質(zhì)量狀況與以往的人類活動(dòng)有關(guān)[5]，要監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)城市土壤環(huán)境質(zhì)量，需要了解分析城市發(fā)展歷史、人口密度、交通系統(tǒng)或距離污染源的遠(yuǎn)近等影響因素.

城市發(fā)展歷史進(jìn)程對(duì)城市土壤環(huán)境質(zhì)量有明顯影響. 馬建華等[6]研究1994年和2006年開封城市土壤重金屬污染變化后發(fā)現(xiàn)，土地利用類型的改變與土壤重金屬含量密切相關(guān). 一般而言，城區(qū)發(fā)展會(huì)導(dǎo)致土地由農(nóng)用地轉(zhuǎn)為城市用地，城區(qū)中強(qiáng)烈的人類活動(dòng)擾動(dòng)會(huì)使土壤中污染物含量增加. 而某些工業(yè)城市由于多數(shù)工礦企業(yè)停轉(zhuǎn)，污染物排放減少，通過增大城市綠化面積、增加環(huán)保投入等舉措，土壤環(huán)境狀況反而會(huì)有所改善[7].

城市化帶來劇烈的人口流動(dòng)，大量農(nóng)村人口涌入城市，使城市人口高度集中，而人類活動(dòng)對(duì)城市土壤環(huán)境的擾動(dòng)極大，人口過度集中伴隨而來的對(duì)土地資源的過度開發(fā)以及土壤污染等問題. 從空間上看，人類活動(dòng)較為密集的城市中心區(qū)土壤污染一般也高于郊區(qū). 交通系統(tǒng)復(fù)雜程度也會(huì)對(duì)城市土壤質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響，如道路施工建設(shè)時(shí)鋪設(shè)的水泥或柏油層地面會(huì)對(duì)道路沿線土壤造成不同程度的污染.

伴隨著城市的發(fā)展，人類的生產(chǎn)和生活活動(dòng)產(chǎn)生的各類工業(yè)廢棄物和城市垃圾，城市生活垃圾中可能含有大量廢舊電池、塑料制品等固體廢棄物，其有害成分或自身降解產(chǎn)生的液體進(jìn)入土壤后，垃圾堆放點(diǎn)附近表層土壤就可能遭受嚴(yán)重污染.

2 分區(qū)布點(diǎn)法

分區(qū)布點(diǎn)法是通過先對(duì)城市歷史資料、功能分區(qū)、工業(yè)發(fā)展等資料的查閱分析，再將監(jiān)測(cè)區(qū)域依照某一規(guī)則劃分為各個(gè)相對(duì)均勻的小區(qū)域，在每個(gè)小區(qū)域內(nèi)根據(jù)面積和特征進(jìn)行布點(diǎn). 目前城市土壤分區(qū)布點(diǎn)法主要包括梯度帶分區(qū)布點(diǎn)、功能區(qū)布點(diǎn)、行政區(qū)布點(diǎn)、城市方位布點(diǎn)和環(huán)狀分區(qū)布點(diǎn)法等.

2.1 梯度帶布點(diǎn)法

梯度帶分區(qū)布點(diǎn)法是根據(jù)城區(qū)的不同城市化進(jìn)程或城市發(fā)展沿革，將城市土壤監(jiān)測(cè)區(qū)域分成不同的梯度帶. 一般是按城郊鄉(xiāng)梯度帶將其劃分為城區(qū)、城郊結(jié)合部及郊區(qū)[8-9]. 距市中心的直線距離是一種經(jīng)典的城鄉(xiāng)梯度的度量方法，但發(fā)展建設(shè)規(guī)劃不同的城市的梯度帶布點(diǎn)方法又會(huì)有細(xì)微的差別，如安吉等[10]在探討成都—溫江的表層土壤重金屬銅(Cu)、鉛(Pb)和鋅(Zn)的空間分布特征及其影響因素時(shí)，采用“中心城—郊區(qū)—衛(wèi)星城”梯度帶為研究區(qū). 而賈華清等[11]根據(jù)城市居民區(qū)的建成時(shí)間和建成前土地利用情況將住宅小區(qū)分為4類，以此來研究住宅小區(qū)土壤潛在污染積累和歷史用地污染的影響.

梯度帶布點(diǎn)法可以反映城市化延伸、工業(yè)發(fā)展、人為活動(dòng)等因素對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響，在不同區(qū)域可采用不同的布點(diǎn)密度，但在區(qū)域邊界劃分時(shí)，需要綜合考慮城市的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀布局等因素，區(qū)域邊界劃分有一定的不確定性.

2.2 功能區(qū)布點(diǎn)法

功能區(qū)布點(diǎn)法主要是根據(jù)土壤利用功能不同和背景值差別，將城市土壤劃分為居民區(qū)、科教區(qū)、城市公園、商業(yè)區(qū)、道路、工業(yè)區(qū)和開發(fā)區(qū)等數(shù)個(gè)功能區(qū)，再在各功能區(qū)設(shè)置一定數(shù)量的采樣點(diǎn)，用以考察土壤質(zhì)量與不同土壤利用類型之間的相關(guān)性， 該法多用于區(qū)域性常規(guī)監(jiān)測(cè)及用于比較各功能區(qū)污染特征. 而根據(jù)監(jiān)測(cè)目的不同，功能區(qū)劃分方式也有一定差別. 有些研究中是按土地利用方式不同來進(jìn)行功能區(qū)劃分，如評(píng)價(jià)包頭市不同功能區(qū)土壤重金屬污染時(shí)，將包頭市城區(qū)劃分為城市綠地、居民區(qū)、科教區(qū)、商業(yè)區(qū)和工業(yè)區(qū)5大功能區(qū)[12]，而郭偉等[13]則根據(jù)人類活動(dòng)對(duì)城市土壤產(chǎn)生的不同影響來進(jìn)行功能區(qū)的劃分.

功能區(qū)布點(diǎn)法可以充分考察土壤質(zhì)量與不同土地功能類型的相關(guān)性，但土地利用歷史的變遷與城市化進(jìn)程對(duì)各功能區(qū)的土壤質(zhì)量會(huì)存在影響疊加的情況，使得點(diǎn)位選取可能存在偏差.

2.3 行政區(qū)布點(diǎn)法

行政區(qū)布點(diǎn)法主要是依據(jù)國家為便于行政管理而分級(jí)劃分的行政區(qū)域來進(jìn)行布點(diǎn)，如Lu等[14]在進(jìn)行廣州市土壤重金屬的化學(xué)分離的研究時(shí)將廣州市劃分為越秀區(qū)、荔灣區(qū)、天河區(qū)、黃埔區(qū)、海珠區(qū)、白云區(qū)、番禺區(qū)和南沙區(qū)等.

行政區(qū)布點(diǎn)法簡(jiǎn)單方便、能結(jié)合行政區(qū)域特征對(duì)城市土壤質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比分析，普遍用于比較各行政區(qū)間污染物的含量，但受城市發(fā)展歷史差異及各行政區(qū)域建成區(qū)面積差異影響極大，易導(dǎo)致某些行政區(qū)域布點(diǎn)單元比重較大、與城市土壤質(zhì)量監(jiān)測(cè)反映城市化進(jìn)程的目的出現(xiàn)偏差.

2.4 城市方位布點(diǎn)法

城市方位布點(diǎn)法主要是依據(jù)城市的地理方向進(jìn)行分區(qū)布點(diǎn). 楊蕊等[15]在研究西寧市城市土壤重金屬分布特征及其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)時(shí)將城區(qū)劃分為城東、城西、城中、城南和城北5個(gè)區(qū)域，在各方向按照同一間距布點(diǎn).

城市方位布點(diǎn)法簡(jiǎn)單方便，可用于比較在不同方位上城市土壤中污染物的分布特征，區(qū)域劃分?jǐn)?shù)量也較為適宜，但城市發(fā)展可能不符合各方向均等的規(guī)律，影響樣品的代表性.

2.5 環(huán)狀分區(qū)布點(diǎn)法

環(huán)狀分區(qū)布點(diǎn)法一般常見于按同心圓從中心向城市外延劃分布局的城市中. 如Peng等[16]在通過城市化指標(biāo)評(píng)估城市土壤中多環(huán)芳烴和重金屬的綜合風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，將北京市城區(qū)以紫禁城為中心，劃分為向外擴(kuò)張的6個(gè)中心環(huán)來進(jìn)行點(diǎn)位布設(shè)，五環(huán)以內(nèi)和五環(huán)與六環(huán)之間分別采用尺度不同的布點(diǎn)網(wǎng)格.

環(huán)狀分區(qū)布點(diǎn)法適用于以某地為中心擴(kuò)散，城市擴(kuò)張以環(huán)分區(qū)的城市，但環(huán)狀布點(diǎn)樣品分散性太大，人力物力財(cái)力耗費(fèi)較高.

3 網(wǎng)格布點(diǎn)法

網(wǎng)格布點(diǎn)法屬于幾何圖形布點(diǎn)法，該法將監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分成若干網(wǎng)格，采樣點(diǎn)可設(shè)在網(wǎng)格中心或網(wǎng)格交叉點(diǎn). 網(wǎng)格布點(diǎn)法包括系統(tǒng)(網(wǎng)格)布點(diǎn)法和系統(tǒng)隨機(jī)布點(diǎn)法. 系統(tǒng)(網(wǎng)格)布點(diǎn)法將監(jiān)測(cè)區(qū)域分成面積相等的幾部分(網(wǎng)格劃分)，每網(wǎng)格內(nèi)布設(shè)一個(gè)采樣點(diǎn). 系統(tǒng)隨機(jī)布點(diǎn)法是將監(jiān)測(cè)區(qū)域分成面積相等的網(wǎng)格單元，從中隨機(jī)抽取一定數(shù)量的網(wǎng)格單元作為布點(diǎn)單元，在每個(gè)單元內(nèi)布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位. 國內(nèi)外文獻(xiàn)中城市或區(qū)域土壤質(zhì)量的監(jiān)測(cè)及污染物分布情況研究以網(wǎng)格布點(diǎn)法居多. 網(wǎng)格類型有常距網(wǎng)格、變距網(wǎng)格和嵌套網(wǎng)格等.

網(wǎng)格尺度應(yīng)充分考慮監(jiān)測(cè)目的、研究城市面積及人口分布、人力物力成本及土壤的異質(zhì)性等因素.根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)域面積和監(jiān)測(cè)條件的差別，可采用0.2 km[17]、0.25 km[18]、0.4 km[19-20]、0.5 km[21]、1 km[22-29]、2 km[30]、3 km[31]、5 km[32]等不同的常距網(wǎng)格尺度.

我國《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范(HJ/T166-2004)》中建議，城市土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)以2 km的網(wǎng)格尺度布設(shè). 在歐洲城市土壤地球化學(xué)調(diào)查指引中，建議采用1 km×1 km網(wǎng)格布點(diǎn)調(diào)查[23-27]，并可結(jié)合城市實(shí)際情況，在非中心城區(qū)采用較大網(wǎng)格. 我國及歐美較多的研究者基于樣本代表性和布設(shè)成本的綜合考慮，也多采用1 km網(wǎng)格尺度，因?yàn)檫@一網(wǎng)格尺度基本能夠做到對(duì)調(diào)查區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)覆蓋，此網(wǎng)格尺度點(diǎn)位布設(shè)得來的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也較為準(zhǔn)確. 但對(duì)于較大城市存在點(diǎn)位布設(shè)數(shù)量較多，涉及人力和財(cái)力耗費(fèi)太大等問題，應(yīng)在一定的規(guī)則下進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)格，達(dá)到在相同的置信水平和相對(duì)誤差條件下，同時(shí)滿足點(diǎn)位布設(shè)的全面性、科學(xué)性、代表性等原則，用盡可能少的點(diǎn)位代表某一區(qū)域的土壤環(huán)境質(zhì)量. 廣東省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心以研究區(qū)域的歷史監(jiān)測(cè)點(diǎn)位數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用基于傳統(tǒng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)、交叉驗(yàn)證、獨(dú)立驗(yàn)證、空間表征法、分形、空間抽樣等6大方法的聯(lián)合點(diǎn)位優(yōu)化布設(shè)技術(shù)，并結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況，獲取最優(yōu)網(wǎng)格.

變距網(wǎng)格是根據(jù)監(jiān)測(cè)目的的不同，在不同的網(wǎng)格尺度內(nèi)可以更好對(duì)比不同土地范圍土壤污染程度，如A?ca[33]在土耳其南部一個(gè)工業(yè)區(qū)周圍研究土壤重金屬含量的空間分布中，采用了0.5 km、1.0 km和2.0 km的變距網(wǎng)格.

嵌套網(wǎng)格的使用很是值得深入研究. 嵌套網(wǎng)格是在已有的網(wǎng)格中按照一定規(guī)則加入小網(wǎng)格，再在小網(wǎng)格中布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位. 在紀(jì)蕓等[5]的研究中，為減小誤差而嘗試使用了嵌套網(wǎng)格來提取和分析各研究時(shí)段廣州建成區(qū)的邊界，這種點(diǎn)位優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)降低監(jiān)測(cè)成本很有借鑒意義.

在特定項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)目的下，同一研究區(qū)域的不同研究地段網(wǎng)格尺寸也可有所不同. Zuluaga等[34]在研究西班牙西南部3個(gè)不同土地利用和地質(zhì)條件的地區(qū)的地球化學(xué)制圖、環(huán)境評(píng)價(jià)和地質(zhì)成因和人為源的鉛同位素特征時(shí)，在城市和工業(yè)地區(qū)使用0.5 km×0.5 km網(wǎng)格而在郊區(qū)使用1 km×1 km網(wǎng)格. 而在城區(qū)內(nèi)布設(shè)網(wǎng)格時(shí)，城中心到郊區(qū)的網(wǎng)格大小有時(shí)也呈相應(yīng)的遞增趨勢(shì). 同樣，Wang等[35]在研究北京市內(nèi)城市化對(duì)表層土壤重金屬積累的影響時(shí)，在五環(huán)內(nèi)按1經(jīng)度×1緯度(約1.9 km×1.0 km)的網(wǎng)格，五環(huán)外選取3 km×3 km的網(wǎng)格.

網(wǎng)格布點(diǎn)法可以獲得區(qū)域較為全面系統(tǒng)的元素(污染物)分布信息，但對(duì)面積較大、采樣條件受限的城市(區(qū)域)，可能存在布點(diǎn)單元數(shù)偏多、區(qū)分城市不同功能區(qū)較為繁瑣等問題.

4 判斷布點(diǎn)法

判斷布點(diǎn)法主要是依據(jù)城市(住宅區(qū))資料的查閱總結(jié)、實(shí)地考察調(diào)研、專家咨詢等手段確定的布點(diǎn)方式. 有些特定監(jiān)測(cè)項(xiàng)目需要現(xiàn)場(chǎng)踏勘后將調(diào)查收集的資料整理后才能進(jìn)行判斷布點(diǎn)，如Buttafuoco等[36]用多元方法研究芬蘭坦佩雷城市表層土壤的地球化學(xué)時(shí)，采用實(shí)地考察的方法進(jìn)行判斷布點(diǎn). 這種布點(diǎn)方法也曾用于研究城區(qū)土壤中的重金屬含量分布[37-39].

判斷布點(diǎn)法可以根據(jù)專業(yè)判斷，確定布點(diǎn)區(qū)域和范圍，但主觀性強(qiáng)，受專業(yè)技術(shù)人員水平和資料收集完整度限制，容易出現(xiàn)錯(cuò)判和漏判.

5 結(jié)論與建議

由于城市構(gòu)造的多樣性，土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)方法不應(yīng)太過單一化[40]，點(diǎn)位布設(shè)不僅要符合全面性、科學(xué)性、代表性、客觀性、可行性、經(jīng)濟(jì)性、空間分布合理性等原則，還需要考慮人、物、財(cái)力的成本和城市土壤的獨(dú)特性等因素.

城市土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)方法可以主輔結(jié)合，將各布點(diǎn)方法的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，綜合考慮研究區(qū)域內(nèi)地形分布、土地利用與覆蓋、土壤類型及城市功能區(qū)分布等因素，將網(wǎng)格系統(tǒng)布點(diǎn)法、分區(qū)布點(diǎn)和判斷布點(diǎn)相結(jié)合來進(jìn)行點(diǎn)位布設(shè)，達(dá)到更好的監(jiān)測(cè)效果和目的.