昆明市中部城-郊-鄉(xiāng)梯度上土壤重金屬分布特征及其污染評價

張淑潔 何云玲 李同艷

摘要：基于航空遙感影像，選取昆明市典型的城-郊-鄉(xiāng)樣帶，利用地理信息系統(tǒng)（ArcGIS 10.2）和景觀格局分析（Fragstats 4.2）軟件，選用4個城市化指標，基于主成分分析（PCA）和多元線性回歸分析對研究區(qū)域城市化水平進行量化，在此基礎上結合土壤重金屬采樣結果，對研究區(qū)域土壤重金屬的空間分布特征進行分析，評價其污染水平。結果表明，昆明市中部城、郊、鄉(xiāng)土壤中各重金屬含量總體均符合土壤環(huán)境質量Ⅱ級標準，其中Pb、Cr、As的平均含量分別為53.35、45.33、16.81 mg/kg，Pb、As含量高于土壤環(huán)境背景值，Cr含量低于背景值;城-郊-鄉(xiāng)梯度上土壤重金屬元素Pb含量呈現(xiàn)出城區(qū)>鄉(xiāng)村>郊區(qū)的特征，城區(qū)土壤中重金屬元素Pb含量為郊區(qū)的2.08倍，鄉(xiāng)村的1.29倍;鄉(xiāng)村土壤中重金屬元素Cr、As的含量均高于城區(qū)與郊區(qū);城區(qū)和鄉(xiāng)村的土壤綜合污染指數(shù)分別為1.72、1.53，屬于輕度污染;郊區(qū)土壤綜合污染指數(shù)為0.88，屬于尚清潔。

關鍵詞：城-郊-鄉(xiāng)梯度;土壤;重金屬;分布特征;污染評價

中圖分類號： X53 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）12-0302-05

在城市生態(tài)系統(tǒng)中，城市土壤作為一個重要組成部分，不僅為土壤微生物提供棲息地和能量來源，同時作為城市綠化植物的生長介質，供應植物生長所需的各種養(yǎng)分。隨著城市化的快速發(fā)展和大量人口向城市的集聚，城市環(huán)境問題日趨突出，其中城市土壤重金屬污染就是其中之一。人類活動對城市生態(tài)環(huán)境的強烈擾動，特別是大量交通運輸車輛尾氣的排放以及工業(yè)污染物，會對城市土壤造成較為嚴重的重金屬污染[1]。重金屬是一類對土壤具有潛在危害的污染物，由于其不易移動，不可被微生物分解的特性，容易在土壤中富集，導致土壤肥力迅速下降，且難以消除[2]。受污染的土壤還會通過地表徑流、滲濾、揚塵等對地表水、地下水及大氣環(huán)境造成二次污染[3]。不僅如此，重金屬元素還可通過被污染的食物、大氣、水體，甚至皮膚吸收等途徑進入人體，危害人類健康[4]。

目前已有很多學者針對城市土壤的重金屬分布特征與污染狀況進行了研究。歐美等發(fā)達國家對于城市土壤重金屬污染問題的研究較早，例如Hewitt等早在20世紀90年代就分別對昆卡市、倫敦市的土壤重金屬元素進行了研究[5-6]。近年來，隨著我國城市規(guī)模的不斷擴大，交通運輸和工業(yè)生產(chǎn)等活動的持續(xù)加強，城市土壤污染問題，特別是土壤中所含重金屬對人體健康的危害已經(jīng)引起了社會廣泛關注;例如楊蕊等對西寧市城市土壤重金屬分布特征進行了研究，發(fā)現(xiàn)西寧市城市土壤中鉻（Cr）、鈷（Co）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鍶（Sr）等5種重金屬元素均超出了土壤背景值，西寧市城市土壤污染達到中等生態(tài)風險[7];馬建華等對開封市城區(qū)土壤污染進行了研究，發(fā)現(xiàn)城區(qū)土壤重金屬污染程度高于郊區(qū)與鄉(xiāng)村[8]，與其他學者對城市土壤重金屬污染狀況的研究結果[9-11]一致。雖然已有很多學者研究了城鄉(xiāng)土壤重金屬污染的變化特征與差異，但是對城鄉(xiāng)梯度的劃分多是基于行政區(qū)劃進行定義。城-郊-鄉(xiāng)梯度的形成應該是多種因素相互作用的結果，因此，一些學者以城-郊-鄉(xiāng)之間的各種差異作為指標對其進行量化。如Hahs分析了包括人口變量、物理變量、景觀格局指數(shù)等17個指標，通過主成分分析選取了綜合指標、人口密度、景觀形狀指數(shù)和土地利用類型指數(shù)4個指標進行城-郊-鄉(xiāng)梯度的量化[12]。趙倩根據(jù)不透水層比例、道路密度、住宅比例與最大斑塊指數(shù)、平均板塊指數(shù)和香農(nóng)多樣性指數(shù)對上海市的城-郊-鄉(xiāng)梯度進行了劃分[13]。

昆明市作為云南省最大的中心城市，近年來工業(yè)化和城市化進程發(fā)展迅速，土壤中重金屬的累積問題開始受到關注，雖然已有一些相關報道，但調查采樣范圍較小，以及采樣調查樣方比較主觀。因此，本研究采用遙感影像與地理信息系統(tǒng)（geographic information system，簡稱GIS）技術的結合對昆明市的城鄉(xiāng)梯度進行量化，在此基礎上研究昆明市土壤重金屬分布特征與污染狀況，旨在了解昆明市土壤重金屬含量沿城鄉(xiāng)梯度的變化特征與污染程度，為昆明市未來的土壤污染控制與管理、提高城市環(huán)境質量與居民健康提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

昆明市位于云貴高原中部，在24°24′～26°33′N，102°10′～103°41′E之間，主城區(qū)海拔1 891 m，地勢北高南低，三面環(huán)山，受地理位置和大氣環(huán)流的影響，屬低緯亞熱帶高原山地季風氣候，四季不分明，而干季（11月至次年4月），雨季（5月～10月）特別顯著。昆明盆地是位于我國南北構造帶南段的構造盆地，地址構造復雜，地基較軟，土壤主要為紅壤和磚紅壤。

昆明市的行政區(qū)劃素來有“四區(qū)八縣”之稱（后期規(guī)劃中才新并入呈貢新區(qū)），4區(qū)即為昆明市的主要行政區(qū)和主要建成區(qū)所在地，分別為西山區(qū)、五華區(qū)、盤龍區(qū)和官渡區(qū)，主要位于昆明市的中部地區(qū);考慮到其山間盆地的地貌類型，本研究以這4個區(qū)的城鄉(xiāng)交錯帶土地景觀空間格局連續(xù)區(qū)域作為主體研究區(qū)。

2 研究方法

2.1 城-郊-鄉(xiāng)梯度的劃分

考慮到數(shù)據(jù)的充分利用性和各類城市化指數(shù)的特點，本研究通過借鑒以往相關研究篩選出的城鄉(xiāng)梯度劃分指標，結合昆明市實際地理環(huán)境特征，通過前期大量實地調研反復比對和校正，最后選取了2類指標進行城市化指數(shù)的描述（表1）：第1類為物理變量，包括不透水下墊面比例，道路網(wǎng)密度;第2類為景觀變量，包括景觀形狀指數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)。采用精度為30 m的GDEMDEM數(shù)據(jù)，獲得山體陰影圖;通過精度為2.5 m衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，在ArcGIS 10.2中經(jīng)過地理配準、目視解譯等，計算道路網(wǎng)密度。使用Landsat8遙感影像（空間分辨率為30 m，云量為0.48%），在ArcGIS 10.2中獲得不透水表面比例。用Fragstates 4.2分析景觀形狀指數(shù)和香農(nóng)多樣性指數(shù)數(shù)據(jù)。在ENVI 5.1軟件中，采用監(jiān)督分類，根據(jù)GB/T 21010—2007《土地利用分類標準》與實際情況相結合，并在該地區(qū)地形圖（1 ∶ 50 000）、土地利用圖等相關資料輔助下，提取土地利用類型信息。計算Kappa系數(shù)為 0.868 3，符合實地調查驗證結果。

將土壤中各重金屬元素的含量、pH值進行相關分析，由表5可見，Pb與As的相關系數(shù)達到0.624，呈高度相關性，在一定程度上說明了來源的相關性，二者很可能來自同一影響源或以復合污染的形式出現(xiàn)顯著積累;Cr與As的相關系數(shù)為0.574，呈極顯著正相關，說明Cr與As可能部分同源[24];As含量與土壤pH值之間呈極顯著正相關，表明隨著土壤中pH值的增加As元素的含量呈上升趨勢。

3.5 土壤重金屬污染評價

通過單因子指數(shù)法和內梅羅綜合污染指數(shù)法計算各重金屬元素的污染程度，結果見表6。從單因子污染程度來看，昆明市城郊鄉(xiāng)土壤中重金屬元素Pb、As均表現(xiàn)為輕度污染，重金屬元素Cr為無污染;土壤綜合污染指數(shù)達到了1.46，為輕度污染，土壤環(huán)境質量達到了國家土壤環(huán)境質量的Ⅱ級標準。

從城-郊-鄉(xiāng)梯度來看（表7），城區(qū)土壤中Pb、As單因子指數(shù)分別為1.98、1.57，屬于輕度污染;Cr單因子指數(shù)為0.69，屬于無污染;城區(qū)的綜合污染指數(shù)為1.72，屬于輕度污染。郊區(qū)土壤中Pb、Cr、As單因子指數(shù)均小于1，屬于無污染，郊區(qū)的綜合污染指數(shù)為0.88，屬于尚清潔。鄉(xiāng)村土壤中Pb、As單因子指數(shù)分別為1.53、1.68，屬于輕度污染;Cr單因子指數(shù)為0.86，屬于無污染;鄉(xiāng)村的綜合污染指數(shù)為1.53，屬于輕度污染。綜上所述，城區(qū)與鄉(xiāng)村的土壤都受到了輕度重金屬污染，郊區(qū)的土壤狀況最好，重金屬污染程度最低。

4 討論

研究發(fā)現(xiàn)昆明市農(nóng)村地區(qū)土壤中的Cr、As污染程度均高于城區(qū)與郊區(qū)。土壤中Cr的來源主要有大氣中Cr的沉降、農(nóng)藥化肥和塑料薄膜的使用以及污水灌溉等[25]，土壤中As的來源主要為成土母質、制造工業(yè)使用含As的化合物以及農(nóng)業(yè)、林業(yè)所使用的殺蟲劑[26]等。綜合來看，昆明市鄉(xiāng)村土壤中Cr、As污染程度較高可能是因為昆明市農(nóng)村地區(qū)在經(jīng)濟結構上發(fā)生了轉變，使得農(nóng)業(yè)快速發(fā)展導致農(nóng)村土壤中受到了較多的農(nóng)業(yè)污染，如農(nóng)藥化肥、殺蟲劑、除草劑等的大量使用。這一研究結果與方淑波所提出的區(qū)域尺度上的人類活動對土壤重金屬含量影響的尺度效應[27]相吻合;建設用地面積比例、道路密度均顯著影響重金屬的空間分布，而且呈現(xiàn)出尺度效應，就重金屬的空間分布而言，不僅響應于城鄉(xiāng)的梯度格局，也與城市化特殊的格局，即工業(yè)區(qū)、局地范圍的人類活動等分布相關。

昆明市土壤各重金屬元素污染程度雖然不太嚴重，但城區(qū)土壤中Pb含量較高，接近中度污染，Pb對人體健康影響較大，城區(qū)土壤中的Pb主要來源于機動車排放的尾氣，因此可以加大城區(qū)車輛管控，采取限行、安裝尾氣過濾裝置等措施降低污染氣體的排放，減少土壤中Pb元素的攝入量，降低土壤污染程度。對整個研究區(qū)域而言，本研究所選的樣點數(shù)量相對較少，應多設置不同的樣帶進行土壤采樣檢測才能更好地說明昆明市土壤中的重金屬含量和污染狀況。其次，還應該加強對量化城-郊-鄉(xiāng)梯度方法的探討，更加科學準確地對城鄉(xiāng)梯度進行劃分，在此基礎上可以進一步準確地分析城市空間格局上各個環(huán)境指標的變化特征。

5 結論

昆明市城郊鄉(xiāng)土壤重金屬元素Pb、Cr、As的平均含量分別為53.35、45.33、16.81 mg/kg，其中Pb、As含量高于昆明市土壤環(huán)境背景值，Cr含量低于背景值。城-郊-鄉(xiāng)梯度上土壤重金屬元素Pb含量呈現(xiàn)出城區(qū)>鄉(xiāng)村>郊區(qū)的特征，城區(qū)土壤中重金屬元素Pb的含量分別為郊區(qū)的2.08倍，鄉(xiāng)村的1.29倍;鄉(xiāng)村土壤中重金屬元素Cr、As的含量均高于城區(qū)與郊區(qū)。

重金屬元素Pb、As含量在壤土中最高，其中Pb在沙壤土、粉土和沙粉土中的含量大致相同，而As在沙粉土中的含量最低。Cr在粉土中的含量最高，在沙粉土中的含量最低。Pb、Cr與As的相關系數(shù)較高，呈顯著正相關;As與土壤pH值的相關系數(shù)為0.426，呈正相關。

昆明市城郊鄉(xiāng)土壤中Pb、As單因子指數(shù)分別為1.59、1.56，達到了輕度污染;Cr單因子指數(shù)為0.79，屬于無污染。昆明市土壤綜合污染指數(shù)達到了1.46，為輕度污染。城區(qū)和鄉(xiāng)村的土壤綜合污染指數(shù)分別為1.72、1.53，屬于輕度污染;郊區(qū)土壤綜合污染指數(shù)為0.88，屬于尚清潔;其中城區(qū)、鄉(xiāng)村土壤中重金屬元素Pb、As均屬于輕度污染，而郊區(qū)土壤中Pb、As屬于無污染;城區(qū)、郊區(qū)與鄉(xiāng)村土壤中重金屬元素Cr的單因子污染指數(shù)均小于1，屬于無污染。

致謝：云南大學資源環(huán)境與地球科學學院自然地理學專業(yè)碩士研究生葉鑫、王振、袁會珍同學在野外土壤采樣過程中給予了大力幫助，在此表示衷心感謝！

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