區(qū)域城市化發(fā)展對(duì)土壤重金屬Cd含量空間分異的影響
——以晉中盆地為例

劉 斌，郭 星

（1.山西省社會(huì)科學(xué)院，山西 太原 030006；2.山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，山西 太原 030006）

區(qū)域城市化發(fā)展對(duì)土壤重金屬Cd含量空間分異的影響
——以晉中盆地為例

劉 斌1，郭 星2

（1.山西省社會(huì)科學(xué)院，山西 太原 030006；2.山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，山西 太原 030006）

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口規(guī)模的擴(kuò)大、基礎(chǔ)設(shè)施的增加等因素促進(jìn)了城市的發(fā)展，也導(dǎo)致了一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，影響土壤環(huán)境質(zhì)量。通過(guò)對(duì)晉中盆地12個(gè)縣市進(jìn)行土壤采樣，測(cè)定了土壤重金屬Cd的含量，并運(yùn)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法結(jié)合GIS技術(shù)，分析了盆地內(nèi)Cd的土壤賦存特征、空間分布及污染來(lái)源。結(jié)果表明，研究區(qū)重金屬Cd的均值均大于山西土壤背景值及國(guó)家土壤質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，分別為山西土壤背景值和國(guó)家土壤質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的3.04倍和1.03倍，污染程度已較為嚴(yán)重；Cd含量與指數(shù)模型可以較好擬合，塊基比為0.596，為中等空間自相關(guān)，并且表現(xiàn)為明顯的各向異性；從空間分布來(lái)看，Cd的污染呈現(xiàn)為面狀分布，整體污染嚴(yán)重，污染來(lái)源可能與農(nóng)業(yè)活動(dòng)中化肥、糞便和污水的灌溉有關(guān)，盆地南部污染情況高于北部地區(qū)，這可能與南部地區(qū)的農(nóng)業(yè)耕作制度有關(guān)。

晉中盆地；城市化；重金屬；半方差函數(shù)；單因子污染指數(shù)

土壤不僅可為人類(lèi)的生產(chǎn)生活提供生產(chǎn)資料，更是人類(lèi)生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)也是生態(tài)環(huán)境不可分割的組成部分[1-2]。城市化的發(fā)展必然伴隨人口規(guī)模的擴(kuò)大、經(jīng)濟(jì)水平的提高、城市的擴(kuò)張、工農(nóng)業(yè)活動(dòng)的增加以及生態(tài)環(huán)境的改變，這勢(shì)必會(huì)造成土壤質(zhì)量的下降，進(jìn)而威脅人類(lèi)健康[3-5]。Cd不是人體的必需元素，且作為重金屬“五毒”元素之一，Cd的毒性?xún)H此于Hg[6]，滯留于土壤中的Cd會(huì)被植物吸收，殘留于植物可食部分，最終通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，引發(fā)腎損害等一系列疾病[7-8]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)廣泛開(kāi)展了關(guān)于土壤重金屬空間分布的研究[9-11]。谷蕾等[12]研究分析了連霍高速附近的土壤分布特征；TRAIAN等[13]利用主成分分析法及聚類(lèi)分析法分析了羅馬尼亞Vaslui縣土壤重金屬的污染來(lái)源及特征；方淑波等[14]利用Kriging插值方法分析了鹽城海岸帶土壤重金屬的污染狀況。這些都偏向于對(duì)較小尺度的研究，而針對(duì)較大尺度的地理單元土壤重金屬的空間分布研究目前仍然較少。

晉中盆地在解放初期至改革開(kāi)放前城鎮(zhèn)化發(fā)展緩慢，此后城鎮(zhèn)化迅速發(fā)展，城鎮(zhèn)化率由1975年的33.45%增長(zhǎng)到2000年的60.33%[15]。伴隨城鎮(zhèn)化的發(fā)展，土壤中的重金屬也不斷累積，造成了土壤污染。

本研究運(yùn)用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法結(jié)合半方差函數(shù)及空間插值方法對(duì)盆地土壤中的Cd元素進(jìn)行研究，分析Cd元素在盆地內(nèi)的污染現(xiàn)狀、污染來(lái)源及空間分布特征，旨在為盆地內(nèi)Cd的污染治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

晉中盆地地處山西中部，經(jīng)緯坐標(biāo)為111°36′～112°49′E，36°59′～38°17′N(xiāo)，盆地整體呈東北—西南向長(zhǎng)條狀分布。盆地海拔在745～855 m，氣候季節(jié)性顯著，年降水在500 mm左右。盆地內(nèi)包括2個(gè)市級(jí)城市以及10個(gè)縣級(jí)城市，并且分布有太原高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)、榆次工業(yè)園區(qū)、孝義經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)等12個(gè)工業(yè)園區(qū)和經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)。

1.2 樣品采集

于2015年8月采用隨機(jī)抽樣方法在研究區(qū)進(jìn)行土壤樣品采集，樣點(diǎn)面積為10 m×10 m（圖1），按對(duì)角線取樣方法，先沿一條對(duì)角線分別采集5個(gè)土壤樣品，然后將其混合作為一個(gè)土壤樣品，之后以相同的方法沿另外一條對(duì)角線采集樣品作為平行樣。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)自然風(fēng)干后，去除植被殘留物，用木棒碾碎過(guò)0.149 mm尼龍篩，利用四分法反復(fù)篩選，直至剩余100 g樣品，待測(cè)。

1.3 研究方法

為了解研究區(qū)Cd的污染情況，分別以山西土壤背景值和國(guó)家土壤質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為參比進(jìn)行單因子污染指數(shù)[16]分析。

式中，Pi為單項(xiàng)污染指數(shù)，Ci為第i個(gè)樣點(diǎn)實(shí)測(cè)值，Si為參考標(biāo)準(zhǔn)。其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可分為5個(gè)等級(jí)（表1）。

表1 單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)分級(jí)

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

樣品中Cd含量采用石墨爐原子吸收分光光度法測(cè)定。

1.5數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 19對(duì)Cd元素的最大值、最小值、均值、變異系數(shù)、方差等進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析以及數(shù)據(jù)的正太分布檢驗(yàn)。依據(jù)依拉達(dá)準(zhǔn)則[17]對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值處理，即以均值加減3倍標(biāo)準(zhǔn)差為最大和最小邊界，剔除了8個(gè)異常值點(diǎn)。半方差函數(shù)模型的擬合利用GS＋9軟件完成，Cd含量在盆地的空間分布圖則利用Arcgis 10.0中的普通Kriging插值方法實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 描述性統(tǒng)計(jì)分析

國(guó)家土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618—1995）依據(jù)保護(hù)目標(biāo)及功能劃分為3類(lèi)：第1類(lèi)適用于自然保護(hù)區(qū)、水源地和茶園等基本與背景值相當(dāng)?shù)耐寥赖貐^(qū)；第2類(lèi)適用于耕地等土壤類(lèi)型，要求土壤基本不對(duì)植被及作物造成影響；第3類(lèi)適用于工業(yè)聚集地、臨近礦區(qū)等土壤容量較大的地區(qū)。而研究區(qū)耕地土壤占總面積的60%以上，因此，本研究選取山西土壤背景值及國(guó)家土壤質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。變異系數(shù)為19.35%，為中等變異程度，表明盆地內(nèi)Cd元素的污染在地區(qū)間具有一定的差異。

由表2可知，重金屬Cd在晉中盆地含量范圍介于0.11～0.48 mg/kg，與山西土壤背景值[18]和國(guó)家土壤背景值[19]相比發(fā)現(xiàn)，Cd在研究區(qū)土壤中的含量最小值均大于山西省和中國(guó)土壤背景值，其含量均值為山西省土壤背景值的3.04倍,說(shuō)明Cd在盆地內(nèi)已經(jīng)呈現(xiàn)出明顯的富集現(xiàn)象；與國(guó)家土壤質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（0.3 mg/kg）相比，盆地內(nèi)Cd含量均值為國(guó)家土壤質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的1.03倍，說(shuō)明盆地內(nèi)Cd達(dá)到一定程度的污染。

表2 晉中盆地土壤重金屬Cd的土壤特征值

為進(jìn)一步了解研究區(qū)污染狀況，分別對(duì)盆地內(nèi)12個(gè)市縣以山西土壤背景值與國(guó)家土壤質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行單因子污染評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，以山西背景值為標(biāo)準(zhǔn)，盆地整體污染比較嚴(yán)重，P值為2.92，已經(jīng)達(dá)到第Ⅳ級(jí)污染等級(jí)，屬中等程度的污染。各市縣污染程度大小依次為祁縣=孝義＞文水＞榆次＞汾陽(yáng)＝介休＞平遙＞太原=陽(yáng)曲＞交城＞太谷＞清徐，以山西土壤背景值為參比，祁縣、孝義、文水、榆次、汾陽(yáng)、介休和平遙P值均大于3，表明Cd污染在這些地區(qū)已經(jīng)十分嚴(yán)重，而其他市縣P值也介于2～3，污染亦比較嚴(yán)重。污染程度達(dá)到嚴(yán)重污染的縣市多處于盆地南部，而中等程度污染的多處于盆地北部，這可能與研究區(qū)內(nèi)南北熟制的差異有關(guān)，在太原及以北地區(qū)為一年一熟，太原以南則為兩年三熟，從而導(dǎo)致盆地南部農(nóng)業(yè)活動(dòng)相對(duì)較多，使Cd污染較為嚴(yán)重。以國(guó)家土壤質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為參考，太原、交城、清徐、陽(yáng)曲和太谷P值介于0.7～1.0，處于警戒范圍，而其他各市縣則達(dá)到輕度污染（表3）。

表3 晉中盆地土壤重金屬Cd污染評(píng)價(jià)指數(shù)

2.2 半方差函數(shù)分析

半方差函數(shù)可以反映數(shù)據(jù)在空間上的變異程度[20-21]，其中，塊基比為半方差函數(shù)重要的參數(shù)值，其可以在一定程度上反映出影響變量空間變異的因素，當(dāng)塊基比＜0.25時(shí)，表示變量具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性，介于0.25～0.75時(shí)為中等空間自相關(guān)性，＞0.75時(shí)則空間相關(guān)性不顯著[22-23]。利用GS+9軟件對(duì)盆地內(nèi)樣點(diǎn)Cd含量進(jìn)行擬合（表4），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，最適模型為指數(shù)模型，塊基比為0.596，為中等自相關(guān)性，說(shuō)明Cd元素變異受結(jié)構(gòu)性因素（土壤母質(zhì)、地形和降水等自然因素）和隨機(jī)性因素（農(nóng)業(yè)活動(dòng)、污水排放等人為因素）共同影響。變程為空間內(nèi)2點(diǎn)間具有空間相關(guān)性的最小距離，超出這個(gè)范圍則2點(diǎn)不具有相關(guān)性。表4結(jié)果顯示，Cd在盆地內(nèi)的變程為18 959 m，變程范圍為中等程度，表明Cd空間變異受較大尺度因素的影響。

表4 土壤重金屬Cd含量的理論模型及相關(guān)參數(shù)

為進(jìn)一步了解Cd在盆地的空間變異特征，從東西向（0°）、東北—西南向（45°）、南北向（90°）和西北—東南向（135°）分別對(duì)Cd進(jìn)行各向異性分析。從圖2可以看出，Cd在4個(gè)方向上具有明顯的各向異性，且在0°和45°方向空間變異程度明顯弱于90°和135°方向。在0°方向半方差值變化不太顯著，而在45°方向3 000～15 000 m，Cd的半方差值呈現(xiàn)明顯的向上突出趨勢(shì)，這可能與研究區(qū)整體及研究區(qū)內(nèi)城市呈東北—西南方向分布相關(guān)；在90°方向，半方差值則為不規(guī)則的上下波動(dòng)趨勢(shì)，這一方面可能與地勢(shì)的起伏變化有關(guān)，另一方面也可能與南北方向土地利用變化及城鄉(xiāng)變化相關(guān)；在135°方向，半方差值在0～18 000 m表現(xiàn)為明顯的上升態(tài)勢(shì)，18 000～27 000 m則為明顯的下降趨勢(shì)，并且半方差值離散程度很大，該方向變異可能與地形的變化以及農(nóng)業(yè)活動(dòng)有關(guān)，在盆地西北一側(cè)為呂梁山脈，而在東南方向則為太行山脈。

2.3 克里金空間插值

空間插值可以直觀呈現(xiàn)出研究區(qū)土壤重金屬的含量分布[24]，利用Arcgis 10.0中的普通克里金插值并將GS＋9中得到的模型參數(shù)代入，得到盆地重金屬Cd的空間分布圖（圖3）。

從圖3可以看出，Cd元素在盆地內(nèi)呈現(xiàn)明顯的面狀分布特征，且大體上南部Cd含量大于北部含量。盆地Cd含量最小值為0.2 mg/kg，遠(yuǎn)大于山西土壤背景值0.102 mg/kg，說(shuō)明盆地在整體上已經(jīng)呈現(xiàn)為全局性污染。在文水、平遙和祁縣交界一帶存在一個(gè)明顯的峰值，而汾陽(yáng)、孝義、平遙、文水、祁縣和清徐大部分都處于0.31～0.33 mg/kg范圍，這些地區(qū)均高于國(guó)家土壤質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，污染情況不容忽視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，化肥、糞肥和污染灌溉是我國(guó)土壤Cd污染來(lái)源的前3位[25]，而盆地中部及南部則是山西重要的糧食作物產(chǎn)區(qū)，農(nóng)業(yè)活動(dòng)頻繁，因此，盆地內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中磷肥、污水灌溉等活動(dòng)與重金屬Cd的污染有關(guān)。

3 結(jié)論

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，Cd的最小值大于山西土壤背景值，其均值超過(guò)了國(guó)家土壤質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（0.3 mg/kg），說(shuō)明重金屬Cd在晉中盆地富集明顯。以山西土壤背景值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，太原、交城、清徐、陽(yáng)曲和太谷P值介于2～3，為中等程度污染，其余各市縣P值則大于3，為重度土壤污染。以國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，太原、交城、清徐、陽(yáng)曲和太谷P值介于0.7～1.0，處于警戒污染程度，其他市縣則達(dá)到輕度污染程度。整體上，盆地污染較嚴(yán)重，且南部高于北部。

從半方差函數(shù)分析可以看出，Cd含量具有中等自相關(guān)程度，各向異性顯著。在南北（90°）方向和西北—東南（135°）方向半方差值波動(dòng)劇烈，說(shuō)明Cd的空間變異受地形、土地利用方式、農(nóng)業(yè)活動(dòng)等影響強(qiáng)烈。

空間插值分析顯示，在文水、平遙交界地區(qū)，Cd含量最為突出，而以此為中心四周Cd含量均處于較高含量值，且分布面積廣，這與當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)活動(dòng)息息相關(guān)。此外，盆地北部Cd含量明顯低于南部，這可能與研究區(qū)南北耕作制度的差異有關(guān)。

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Effects of Regional Urbanization on Spatial Distribution of Heavy Metal Cd Content in Soil—A Case Study in the Jinzhong Basin

LIUBin1，GUOXing2
（1.Shanxi AcademyofSocial Sciences，Taiyuan 030006，China；2.College ofEnvironment and Resources，Shanxi University，Taiyuan 030006，China）

The factors of economic development,the expansion of population size and the increase in infrastructure promote the development of the city,but also lead to a series of ecological and environmental problems that affecting soil quality.The heavy metals content ofCd tested bycollectingthe samples in surface soil in Jinzhongbasin,and the soil characteristics,spatial distribution,sources of pollution of Cd in the basins was analyzed by using the classical statistical method and geostatistics method.The results showed that the average value ofheavymetal Cd in the studyarea was higher than that ofShanxi soil background value and national soil quality standard,which was 3.04 times and 1.03 times of the background value and secondary standard,respectively,indicating that the pollution degree was more serious.Cd contents could be well fitted with and exponential model,nugget variance of 0.596,which was medium spatial autocorrelation and obvious anisotropy.From the spatial distribution,the pollution of Cd appeared as a planar distribution,and the whole pollution was serious,sources of pollution might be related to the irrigation of fertilizers,feces and sewage in agricultural activities,the pollution in the southern part ofthe basin was higher than the northern region,which might be related tothe agricultural farmingsystem in the southern region.

Jinzhongbasin;urbanization;heavymetals;semi variogram;single factor pollution index

X53

A

1002-2481（2017）11-1818-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.11.21

2017-07-14

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31070424）；山西省軟科學(xué)研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（2017042014-7）

劉 斌（1985-），男，山西運(yùn)城人，助理研究員，碩士，主要從事生態(tài)學(xué)和社會(huì)影響評(píng)價(jià)研究。