城市化對(duì)土壤重金屬鉛空間分布的影響
——以晉中盆地為例

蘇尚軍，張婷，張?jiān)?，李永?/p>

（1.山西森綠環(huán)境科技有限公司，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）

城市化對(duì)土壤重金屬鉛空間分布的影響
——以晉中盆地為例

蘇尚軍1，張婷2，張?jiān)?，李永芬1

（1.山西森綠環(huán)境科技有限公司，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）

晉中盆地是山西省城市化發(fā)展較快的地區(qū)，這同時(shí)也對(duì)區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境尤其是人類賴以生存的土壤環(huán)境產(chǎn)生了一定的影響。土壤重金屬Pb含量是最能反映城市化對(duì)土壤影響程度的指標(biāo)，故對(duì)重金屬Pb進(jìn)行了研究。在晉中盆地選取6個(gè)縣市樣地，沿各縣市中心的正東、正西、正南、正北分別采集土壤，用火焰-石墨爐原子吸收光譜儀測(cè)定后，運(yùn)用基本統(tǒng)計(jì)及地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)盆地內(nèi)土壤Pb含量進(jìn)行分析及克里金空間插值，得到盆地范圍內(nèi)土壤重金屬Pb的空間分布特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，盆地內(nèi)土壤Pb含量整體分布較少，僅有太原市的部分區(qū)域超過(guò)了背景值；同時(shí)，盆地內(nèi)土壤Pb含量在縣市中心及其附近分布比較多，隨著距縣市中心及附近距離的增大，周圍郊區(qū)、農(nóng)村的土壤Pb含量逐漸減少，說(shuō)明區(qū)域內(nèi)城市化對(duì)盆地內(nèi)的土壤重金屬Pb的空間分布有一定的影響。

重金屬Pb；地統(tǒng)計(jì)學(xué)；空間分布；城市化；晉中盆地

城市土壤作為構(gòu)成城市環(huán)境的一個(gè)重要組成部分，是人類生產(chǎn)和生活的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。然而，在全球范圍內(nèi)，快速發(fā)展的城市化引起了一系列的城市生態(tài)環(huán)境惡化問(wèn)題，如人口集中分布、道路交通擁擠及工業(yè)企業(yè)污染排放嚴(yán)重，威脅到了人類賴以生存的環(huán)境，同時(shí)對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生了較為深刻的影響[2-3]。城市化對(duì)土壤的影響最常用的衡量指標(biāo)是土壤中重金屬的含量，其中，鉛含量被認(rèn)為是最能表征城市化過(guò)程對(duì)土壤影響的程度[4]。

土壤重金屬元素空間分布的研究方法目前大致有3種，即時(shí)間序列法、隨機(jī)方程法和地統(tǒng)計(jì)學(xué)法[5]。南非地質(zhì)學(xué)家Krige于1951年提出了地統(tǒng)計(jì)學(xué)，隨后由法國(guó)學(xué)者M(jìn)atheron完善并發(fā)展而形成了理論[6]。近年來(lái)，地統(tǒng)計(jì)學(xué)得到了快速發(fā)展，同時(shí)逐漸成為比較熱門的研究方向。地統(tǒng)計(jì)學(xué)基于區(qū)域化變量理論的特點(diǎn)，以空間分布為基礎(chǔ)，受空間變異的自然現(xiàn)象和空間結(jié)構(gòu)的影響[7]。地統(tǒng)計(jì)學(xué)的發(fā)展為土壤空間信息的研究提供了便利。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于地統(tǒng)計(jì)法對(duì)土壤中重金屬污染已進(jìn)行了一些研究[8-10]。White等[11]利用半方差分析對(duì)美國(guó)土壤鋅的含量分布進(jìn)行了研究，陶澍等[12]研究了深圳地區(qū)土壤汞的含量及分布，張繼舟等[13]研究了三江平原農(nóng)田中土壤重金屬的來(lái)源及變異，黃紹文等[14]研究了城郊公路邊菜田中的土壤金屬變異特征。晉中盆地是山西省發(fā)展較快的區(qū)域，既是我國(guó)的能源、重化工基地，也是山西省的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，在這里分布著大量的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)與重要的工業(yè)生產(chǎn)區(qū)[15]。關(guān)于城市化對(duì)土壤重金屬分布影響研究尚少。

本研究選取晉中盆地城市化較典型的文水縣、平遙縣、太原市、太谷縣、孝義市、榆次市6個(gè)縣市，沿城市中心向外圍采集土壤樣品，采用傳統(tǒng)分析與地統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的方法[16]，通過(guò)分析變異函數(shù)對(duì)重金屬空間分布的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行描述[17]；在此基礎(chǔ)上，選擇最優(yōu)的空間結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行空間插值[18-19]，可進(jìn)一步探索晉中盆地區(qū)域內(nèi)土壤中重金屬Pb的分布情況及規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

晉中盆地位于黃土高原東部山西省境內(nèi)的汾河谷地，地理坐標(biāo)為111°45′～112°50′E，36°48′～38°18′N。盆地四面被丘陵、群山環(huán)抱，中央平原區(qū)海拔在760～840 m，年均降雨量為450～550 mm，年均氣溫在8～12℃，年平均濕度為55%～60%，盆地內(nèi)土壤主要以黃土為主。晉中盆地歷史文化悠久，同時(shí)也是城市化發(fā)展較快和城市化水平較高的區(qū)域，盆地的城市化發(fā)展對(duì)區(qū)域內(nèi)的土壤生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了較大的影響。

2 研究方法

2.1 樣點(diǎn)設(shè)置與土樣采集

土樣采集于2012年9月，樣點(diǎn)布設(shè)方法為在盆地內(nèi)選擇文水縣、平遙縣、太原市、太谷縣、孝義市、榆次市6個(gè)縣市為樣地，以各縣市中心為基點(diǎn)，分別沿正東、正西、正北及正南每隔3 km設(shè)立一個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)方向設(shè)11個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)縣市各44個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)的面積為10 m×10 m，實(shí)際采樣時(shí)用GPS精確定位（圖1）。然后，用直徑為4 cm的不銹鋼土鉆取至15 cm深，在每個(gè)樣點(diǎn)上的小樣方中，先沿一條對(duì)角線等距離取5個(gè)土芯，將其混合后作為一個(gè)土樣；再沿另一條對(duì)角線等距離取5個(gè)土芯，將其混合后作為一個(gè)平行土樣。

2.2 樣品處理與測(cè)定

在室外陰涼處將所有土樣風(fēng)干，用木棒壓碎，過(guò)2 mm的尼龍篩，去除2 mm以上的雜物。然后用四分法反復(fù)棄取，直到留下100 g土樣為止，再用瑪瑙研缽磨細(xì)后，全部通過(guò)0.149 mm的尼龍篩后作為待測(cè)樣品。用火焰－石墨爐原子吸收光譜儀進(jìn)行土壤中重金屬Pb的測(cè)定。

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 16.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)分析；用GS+地統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行半方差函數(shù)模型擬合；用Arcgis 10.0地統(tǒng)計(jì)分析模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值預(yù)測(cè)。

3 結(jié)果與分析

3.1 描述統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果列于表1。由表1可知，在6個(gè)縣市樣地中，重金屬Pb含量較大值出現(xiàn)在太谷與太原樣地，且太谷與榆次的Pb含量平均值較大；平遙縣土壤Pb平均值、最小值與最大值含量均小于其余5個(gè)縣市；同時(shí)，太谷與太原的標(biāo)準(zhǔn)偏差比較大。根據(jù)之前學(xué)者對(duì)晉中盆地重金屬背景值的研究[15]，列出了6個(gè)縣市的重金屬Pb的背景值。本研究所采樣中，除平遙縣外，其他縣市均有個(gè)別采樣點(diǎn)超過(guò)了背景值，其中，太谷樣地超出背景值的百分比最大，為11.36%。6個(gè)縣市的土壤質(zhì)量良好，參考土壤重金屬（GB 15618—1995）國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值可知，土壤重金屬Pb平均值與最大值均未超過(guò)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值。

變異系數(shù)用來(lái)反映采樣總體中各采樣點(diǎn)之間的平均變異程度。6個(gè)縣市土壤中重金屬Pb的變異系數(shù)為21.47%～33.03%，除太谷與太原變異系數(shù)略大外，其余4個(gè)縣市變異系數(shù)均比較小，說(shuō)明盆地內(nèi)各縣市區(qū)域性整體差異不大。

綜合來(lái)看，以6個(gè)縣市為代表的晉中盆地土壤重金屬Pb的含量總體較小，平均值為15.28 mg/kg，且Pb含量整體變異不大，經(jīng)單樣本k-s正態(tài)分布檢驗(yàn)不符合正態(tài)分布的原數(shù)據(jù)，經(jīng)對(duì)數(shù)變換后為正態(tài)分布。

表1 晉中盆地土壤重金屬Pb元素含量的基本統(tǒng)計(jì)

3.2 地統(tǒng)計(jì)分析

3.2.1 晉中盆地土壤重金屬Pb含量的模型擬合基本統(tǒng)計(jì)分析分別說(shuō)明了6個(gè)縣市及其周圍土壤重金屬Pb含量的多少及在每個(gè)縣市含量值的變異情況。在此基礎(chǔ)上，本研究利用地統(tǒng)計(jì)軟件GS+，對(duì)整個(gè)晉中盆地區(qū)域內(nèi)的土壤重金屬Pb進(jìn)行半方差函數(shù)模型擬合，各模型參數(shù)值如表2所示。通過(guò)比較不同半方差函數(shù)模型的參數(shù)值，結(jié)果選擇了擬合效果較好的模型高斯模型。

表2 晉中盆地土壤重金屬Pb含量的半方差函數(shù)模型及參數(shù)

塊金值也叫塊金方差，反映在最小抽樣尺度以下變量的變異性及測(cè)量誤差，塊金值大于0，表明存在由隨機(jī)因素引起的空間異質(zhì)性?；_(tái)值是當(dāng)步長(zhǎng)增加到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定水平時(shí)所對(duì)應(yīng)的半方差值，是區(qū)域化變量總體特征的體現(xiàn)，等于拱高和塊金值之和。塊金值與基臺(tái)值的比值能夠反映出土壤Pb含量的空間相關(guān)程度，當(dāng)比值小于0.25時(shí)說(shuō)明該盆地內(nèi)的土壤Pb含量具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性；當(dāng)比值大于0.25且小于0.75時(shí)，表明具有中等相關(guān)性；當(dāng)比值大于0.75時(shí)，說(shuō)明區(qū)域內(nèi)土壤Pb含量相關(guān)性很弱[20]。變程R是指在此范圍內(nèi)，距離為h的任意2點(diǎn)的土壤Pb含量值具有空間相關(guān)性，這個(gè)相關(guān)性隨h的變大而減小，當(dāng)h＞R時(shí)不再具有相關(guān)性。

3.2.2 晉中盆地土壤重金屬Pb克里金空間插值運(yùn)用Arcgis 10地統(tǒng)計(jì)模塊中的Explore Data對(duì)數(shù)據(jù)的對(duì)數(shù)形式進(jìn)行初步分析，趨勢(shì)分析表明，數(shù)據(jù)在東西、南北方向上均呈淺倒“U”型分布，具有二次函數(shù)分布趨勢(shì)。因此，在進(jìn)行空間插值預(yù)測(cè)時(shí)，需消除趨勢(shì)，以滿足穩(wěn)態(tài)假設(shè)，減小插值造成的誤差。

同時(shí)，把在GS+軟件中擬合得到的最優(yōu)模型參數(shù)代入Arcgis中進(jìn)行克里金空間插值，得到晉中盆地土壤重金屬Pb的空間分布情況（圖2）。

圖2將土壤重金屬含量分為8個(gè)等級(jí)。整體來(lái)看，盆地內(nèi)大部分土壤重金屬Pb含量要低于背景值23.71 mg/kg，同時(shí)，研究區(qū)土壤Pb含量的空間分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律；整體趨勢(shì)為圍繞縣市中心及其附近向外圍郊區(qū)、農(nóng)村延伸，土壤中Pb的分布逐漸減少。其中，含量最大的等級(jí)主要分布在萬(wàn)柏林區(qū)與小店區(qū)，晉源區(qū)的西南角中心土壤中Pb的分布也稍多，而在太原市東北方向即迎澤區(qū)、杏花嶺區(qū)中心，土壤中Pb的含量分布較少，大多小于15 mg/kg，低于晉中盆地內(nèi)土壤Pb的背景值。同時(shí)，太谷、文水、汾陽(yáng)及孝義縣城中心及附近土壤Pb含量亦比周圍多。在平遙縣，土壤Pb含量的分布則與其他縣市表現(xiàn)出了相反的趨勢(shì)，縣城中心土壤Pb的分布極低，沿縣城向外圍擴(kuò)展，土壤Pb的分布增多，但總體上含量仍比其他縣市周圍少。

4 結(jié)論

本研究應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)軟件GS+與Arcgis相結(jié)合、輔之以傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，對(duì)晉中盆地6個(gè)縣市中心及其周圍的土壤Pb含量進(jìn)行了分析，通過(guò)確定擬合較好的半方差函數(shù)模型，運(yùn)用Arcgis對(duì)其進(jìn)行克里金空間插值，得到了整個(gè)晉中盆地范圍內(nèi)土壤重金屬Pb的分布及變異特征。

基本統(tǒng)計(jì)情況表明，在本次檢測(cè)中，6個(gè)縣市土壤Pb含量的平均值均小于背景值。太谷縣土壤Pb含量超出背景值較多，是因?yàn)樵诓蓸舆^(guò)程中縣城以北的幾個(gè)樣點(diǎn)已在太原市范圍內(nèi)。故而，所測(cè)結(jié)果比較大。

在地統(tǒng)計(jì)分析軟件GS+中，篩選出擬合結(jié)果較好的高斯模型，在4 711.187 2 m的變程內(nèi)，塊基比為0.804。說(shuō)明晉中盆地土壤Pb的空間相關(guān)性較弱，可能在盆地區(qū)域上受到工礦企業(yè)排放、交通運(yùn)輸?shù)热藶橐蛩氐挠绊戄^大。

晉中盆地土壤重金屬Pb含量克里金空間插值圖說(shuō)明，盆地內(nèi)的土壤重金屬Pb分布較多的是在各縣市中心及周邊范圍，隨著與城市中心距離的增加，各縣市郊區(qū)土壤Pb分布減少，距離縣市更遠(yuǎn)的鄉(xiāng)村地區(qū)土壤Pb的分布更少，與之相反的是，平遙縣城中心土壤Pb含量的分布要低于周邊郊區(qū)及農(nóng)村地區(qū)。

5 討論

研究表明，土壤中的Pb主要來(lái)源于工業(yè)污染與交通運(yùn)輸排放。各縣市地區(qū)城市化發(fā)展較快，機(jī)動(dòng)車數(shù)量眾多，排放的尾氣中的Pb自然增多，沉降后富積在土壤中。同時(shí)，多數(shù)工礦企業(yè)也建設(shè)在城市附近，使得在距離縣市中心一定的范圍內(nèi)土壤重金屬Pb表現(xiàn)出較多的分布，如太原市的萬(wàn)柏林區(qū)為老工業(yè)區(qū)，晉源區(qū)與小店區(qū)目前經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，故其區(qū)域中心及附近土壤中Pb的分布比較多；而在太原市的東北方向，迎澤區(qū)與杏花嶺區(qū)作為經(jīng)濟(jì)、文化功能中心，雖交通運(yùn)輸過(guò)程中排放的尾氣中含有大量的Pb，但因工礦企業(yè)少，并未出現(xiàn)最高等級(jí)的土壤Pb分布，而距離縣市較遠(yuǎn)的農(nóng)村地區(qū)，發(fā)展緩慢，土壤中Pb的來(lái)源較少，故而分布較少。在盆地內(nèi)，平遙縣的土壤Pb含量分布則出現(xiàn)了逆城市化的現(xiàn)象，在縣城中心及其附近，土壤Pb的分布較少，且低于周圍的郊區(qū)、農(nóng)村，這主要是由于平遙縣大力發(fā)展旅游業(yè)等第三產(chǎn)業(yè)，縣城中心及附近環(huán)境保護(hù)良好，一些污染較為嚴(yán)重的企業(yè)建設(shè)廠址均距市區(qū)比較遠(yuǎn)，所以表現(xiàn)出了城市中心土壤Pb含量較少的特征?？傊?，在盆地范圍內(nèi)，城市化發(fā)展較快的區(qū)域亦是重金屬Pb含量分布較多的區(qū)域，城市化對(duì)重金屬Pb含量的分布產(chǎn)生了一定的影響。

［1］尹駿.上海市城郊梯度土壤重金屬空間分布特征和評(píng)價(jià)研究[D].上海：上海師范大學(xué)，2010.

［2］成杭新，楊忠芳，趙傳冬，等.區(qū)域生態(tài)地球化學(xué)預(yù)警：?jiǎn)栴}與討論[J].地學(xué)前緣，2004，11（2）：606-615.

［3］張輝.重金屬污染的地球化學(xué)研究——城市和區(qū)域性污染的特征與機(jī)制[D].南京：南京大學(xué)，2001.

［4］Pizl V，Josens G.Earth worm communities along a gradient of urbanization[J].Environmental Pollution，1995，90（1）：7-14.

［5］趙春生，張佳寶.土壤特性空間變異研究的定量方法——時(shí)域分析和頻譜分析[J].土壤學(xué)進(jìn)展，1995，23（5）：45-53.

［6］楊玉玲，文啟凱，田長(zhǎng)彥，等.土壤空間變異研究現(xiàn)狀及展望[J].干旱區(qū)研究，2001，18（2）：50-55.

［7］張福剛.基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的肇源縣土壤汞空間分異特征分析[D].哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

［8］Burgress T M，Webster R.Optimal interopolation and isatithmic mapping of soil properties（II）：Block Kriging[J].Journal of Soil Science，1980，31：333-341.

［9］Burrough P A.Multiscale sources of spatial variation in soil（I）：The application of fractal concepts to nested level of soil variation[J]. Journal of Soil Science，1983，34：577-597.

［10］Burrough P A.Multiscale sources of spatial variation in soil（II）：A non-brownian fractal model and its application in soil surgey[J]. Journal ofSoil Science，1983，34：599-650.

［11］White J G，Welch R M，Novel WA.Soil Zn map of USA using geostatistics and geographic information systems[J].Soil Sci Soc Am，1997，61：185-194.

［12］陶澍，鄧寶山，陳偉元.深圳地區(qū)土壤汞含量分布與污染[J].土壤學(xué)報(bào)，1993，13（1）：35-38.

［13］張繼舟，呂品，于志民，等.三江平原農(nóng)田土壤重金屬含量的空間變異與來(lái)源分析[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2014，29（S1）：353-359.

［14］黃紹文，韓寶文，和愛(ài)玲，等.城郊公路邊菜田土壤和韭菜中重金屬的空間變異特征[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2007，22（S2）：152-157.

［15］魯艷紅.太原市土壤重金屬污染特征及盆地背景研究[D].武漢：中南大學(xué)，2005.

［16］白曉宇，袁峰，李湘凌，等.銅陵礦區(qū)土壤重金屬元素的空間變異及污染分析[J].地學(xué)前緣，2008，15（5）：256-263.

［17］張朝生，章申，何建邦.長(zhǎng)江水系沉積物重金屬含量空間分布特征研究——地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[J].地理學(xué)報(bào)，1997，52（2）：1847-192.

［18］鄭袁明，陳同斌，陳煌，等.北京市近郊區(qū)土壤鎳的空間結(jié)構(gòu)及分布特征[J].地理學(xué)報(bào)，2003，58（3）：470-476.

［19］胡克林，張鳳榮，呂貽忠，等.北京市大興區(qū)土壤重金屬含量的空間分布特征[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24（3）：463-468.

［20］Cambardella C A，Moorman T B，Novak J M，et al.Field-scale variability of properties in central low a soil[J].Soil Sci Soc Am，1994，58：1501-1511.

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

SUShangjun1，ZHANGTing2，ZHANGYuanjuan1，LI Yongfen1
（1.Shanxi Senlü Environment Technology Co.，Ltd.，Taiyuan 030006，China；2.College of Environment and Resources，Shanxi University，Taiyuan 030006，China）

Jinzhong basin,the rapid urbanization areas in Shanxi province,the urbanization of which has a certain influence on the ecological environment，especially the soil environment for human survival.The content of heavy metal Pb in soil is an index,which can reflect better the impact of urbanization on soil.In this paper,some researches were done in this field.Overall,6 cities in the Jinzhong basin were selected,soil sampling was carried out along each city center east,west,south and north.Then samplings were determined by flame atomic absorption spectrometry.Finally,it gave a descriptive statistic,geostatistics analysis and kriging spatial interpolation of heavy metal Pb content.The spatial distribution characteristics of heavy metal Pb in the Jinzhongbasin were obtained.The results showed that the content ofheavy metal Pb in soil was less overall distribution.Only part of the region of Taiyuan city was beyond the background value.Meanwhile,the heavy metal Pb was more distributed around cities center and its nearby.It decreased as the distance increases from cities center and its nearby.The content of heavy metal Pb in surrounding suburbs,rural was decreased gradually.It showed that the regional urbanization had a certain effect on the spatial distribution of the heavy metal Pb in the Jinzhong basin.

heavy metal Pb;geostatistics;spatial distribution;urbanization;Jinzhongbasin

X53

A

1002-2481（2016）10-1508-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.10.20

2016-08-24

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31070424）

蘇尚軍（1986-），男，山西長(zhǎng)治人，助理工程師，碩士，主要從事土地復(fù)墾規(guī)劃和生態(tài)恢復(fù)治理研究工作。