欧洲土壤重金属元素多重分形特征及其环境意义

姚凌阳， 谢淑云* ， 张陇和， 田 欢， 乔胜英

(1.中国地质大学(武汉)地球科学学院，湖北武汉 430074；2.中化地质矿山总局陕西地质勘查院 ，陕西西安 710000)



欧洲土壤重金属元素多重分形特征及其环境意义

姚凌阳1， 谢淑云1*， 张陇和2， 田 欢1， 乔胜英1

(1.中国地质大学(武汉)地球科学学院，湖北武汉 430074；2.中化地质矿山总局陕西地质勘查院 ，陕西西安 710000)

[目的]评价欧洲土壤环境地球化学特征，为改善和调控生态环境、制订社会经济可持续发展规划提供决策依据。[方法]采用多重分形方法、综合指数法，结合欧洲地质状况，对欧洲表层和深层土壤中As、Co、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 7种重金属元素地球化学数据进行统计分析，探讨了重金属在表层和深层土壤中的分布规律，并对其进行环境地球化学特征评价。[结果]重金属元素在欧洲表层和深层土壤中的分布具有多重分形分布特征，且各元素含量在多重分形频谱曲线上均显示连续的多重分形分布，并受各国的经济社会发展和矿产开采等情况影响，导致重金属在各国家、地区的污染程度不同。欧洲土壤重金属污染程度为清洁至中污染，尤以巴尔干半岛和意大利北部重金属污染严重，而其他地区重金属含量与世界土壤均值相当，且略低于中国土壤均值，各元素综合污染指数从大到小依次为Ni、As、Co、Cr、Pb、Zn、Cu。[结论]该研究不仅为土壤质量评价，更能为保护人类健康制订有效措施提供重要信息。

土壤；重金属；多重分形；地球化学环境；欧洲

土壤中重金属含量不仅受自然因素的控制，还受人为活动(如工业、交通和农业活动等)的影响，其中矿山的开采与冶炼对土壤重金属污染最严重。土壤重金属污染不但影响作物的产量与品质,还通过食物链的富集对动植物和人体产生危害，同时也是大气和水环境的重要污染源。因此，已成为环境科学领域备受关注的研究热点[1-4]。多重分形方法、综合指数法在环境评价与预测中发挥着重要作用，如用于区分污染和非污染区，判断污染源，探讨地球化学指标在环境中的环境动力学行为等[5]。谢淑云等运用多重分形方法对成都盆地浅层和深层土壤中多种元素含量进行分析，认为不同的分布模式能较好地判断表层土壤中元素的来源等问题，同时认为连续多重分形是金属元素地球化学场分布的一种普遍规律[6-8]。Blaser等按土壤形成层次采集了瑞士森林中不同土样，通过计算各元素富集指数来判断土壤表层元素含量异常是人为污染还是自然来源，并指出元素富集指数考虑了土壤元素含量的剖面分布和自然变异，因而该方法优于仅通过表层元素是否超过最大允许浓度来判断土壤是否受到污染的方法[9]。单因子污染指数法通常用来反映各污染物的污染程度[10]，内梅罗指数法可全面反映各重金属对土壤的不同作用，突出高浓度重金属对环境质量的影响，避免由平均作用削弱重金属权值现象的发生[11]，该方法能较好地用于环境评价，能较全面、综合地反映土壤的污染程度，因此被广泛使用。Zhong等[12]应用单因子污染指数法和内梅罗指数法对地下水和河流沉积物中重金属污染进行了环境风险评价。笔者拟通过对欧洲浅层和深层土壤地球化学数据进行基本统计量特征研究、地球化学多重分形特征分析和内梅罗综合污染指数的计算，对比分析欧洲土壤中重金属元素的分布状况，结合我国部分地区土壤地球化学分布特征进行探讨，以期为制订我国土壤质量评价的合理方案提供决策依据。

1　区域概况与数据来源

1.1研究区概况欧洲(Europe)大陆位于欧亚大陆西部，面积约1 000万km2，共40余个国家和地区。地理上东与亚洲大陆相连，南隔地中海和直布罗陀海峡与非洲大陆相望，西邻大西洋，北靠北冰洋。大部分地区为温带海洋性气候，少部分属地中海气候、温带大陆性气候、高原山地气候和极地气候等，降水分布较均，河网稠密，水量丰沛。

整个欧洲地势平均高度约330 m，地形以平原为主，占全洲总面积的2/3，整体以Baltic Sea东岸至black sea西岸一线为界分为东西两部分：东部以平原为主，地形单一，西部地形复杂，以山地和平原相互交错。南部耸立着一系列山脉，总称阿尔卑斯山系，欧洲的海岸线曲折，多半岛、海湾、岛屿、内海，北欧的Scandinavia是欧洲最大的半岛[13]。

1.2数据来源数据来源于欧洲地球化学基准值填图计划(the FOREGS Geochemical Baseline Mapping Programme)(https://www.bgs.ac.uk/home.html)。 采样按照全球参考网格( Global Reference Network,GRN),每个格子大小是160 km×160 km,在每个格子中布置5个采样点。采样点(表1、图1)遍布整个欧洲[14](部分偏离到非洲的塞拉利昂的数据在处理中不予考虑)。为保证数据的一致性和避免实验室之间的分析偏差,所有样品均在同一实验室制备,同一元素在同一实验室使用同一种方法分析，As、Cr、Co、Cu、Ni、Pb、Zn的检出限分别为1、3、2、1、1、1、1 μg/g，均采用XRF分析测定。所有样品制备由斯洛伐克地质调查局完成，样品分析由英国、法国、德国、芬兰、匈牙利、荷兰、挪威、波兰、斯洛伐克9个实验室完成。

表1　欧洲各国样品采集点分布统计

图1　欧洲土壤采样点分布Fig.1　Distribution of soil sampling sites in Europe

2　重金属元素地球化学特征

2.1元素的地球化学分布为分析As、Co、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn元素的分布规律，对重金属在表层(0～20 cm)、深层(20～40 cm)土壤中的分布进行了对比分析。

从图2、3可见，欧洲土壤重金属元素总体水平分布以南高北低为特征，而在纵向垂直分布上可分为两类：一类为深层高、表层低，包括As、Cr、Co、Cu、Ni 5种元素；另一类则为表层高、深层低，如Pb、Zn。

As在表层土壤和深层土壤的分布规律相似，高砷区主要分布在欧洲南部，尤其是希腊北部的阿尔巴尼亚、马其顿、保加利亚一带、葡萄牙西北部、法国西北部以及法国东南部和意大利西北部交界处，而中北部、西北部的As分布较均匀、丰度较低，与背景值(采用世界土壤中值作为背景值)相近；Co在欧洲表层土壤中的含量较深部略高，高钴区主要分布在巴尔干半岛和意大利的南部，同时Co矿床在芬诺斯坎底亚(芬兰、挪威、瑞典、丹麦的总称)、西班牙、德国广泛分布[15],对当地土壤中Co的含量也存在一定影响，欧洲北部则为低钴区，含量接近背景值；Cr、Ni在巴尔干半岛和意大利北部具有高含量的分布情况，而在欧洲其他地区土壤中特别是在深层土壤中，分布情况几乎相同，为接近背景值的低含量区；Cu在整个欧洲都具有较广泛的分布，可能与Cu矿床遍布整个欧洲有关，同时Cu在东欧与北欧部分地区浅层和深层土壤中分异也比较明显；而对于Pb、Zn元素在欧洲土壤中的分布情况相对简单，在表层土壤中含量明显高于深层土壤，分布图中除英国中部、葡萄牙北部、法国南部临近意大利的地方和巴尔干半岛的东南部等地区出现了明显的高含量分布区域外，其他地方元素含量波动范围都较小，接近背景值。

图2　表层土壤重金属含量分布Fig,2　Distribution of heavy metal content in topsoil

图3　深层土壤重金属含量分布Fig.3　Distribution of heavy metal content in deepsoil

2.2变异系数和富集系数为了进一步追溯研究区表层、深层土壤重金属元素的来源,采用富集系数和变异系数，其中富集系数为采样区重金属元素均值与背景值之比，变异系数指标准差与平均值的比值，体现各变量在统计分析中的变异程度，即离散性[16]。变异系数和富集系数统计见表2、3。

表2　表层土壤重金属含量参数统计值

表3　深层土壤重金属含量参数统计值

富集系数可以衡量元素在成土过程中的富集贫化程度。根据富集系数的大小将元素富集程度划分为4个等级[17]：富集系数<0.8为贫化,0.8～1.2为稳定,1.2～1.5为富集,>1.5为显著富集。土壤中各元素富集程度存在差异：As、Ni均为显著富集；Cr、Cu表现为贫化；Co、Pb、Zn均表现为稳定。与元素含量的纵向分布相似，As、Co、Cr、Cu、Ni的富集系数为表层低于深层，Pb、Zn的富集系数为表层高于深层。上述7种重金属元素的变异系数均大于100%,说明欧洲土壤重金属元素质量分数在水平分布上不均匀,区域上质量分数变化大,分异显著[16]。

总体而言，研究区的重金属元素分异作用主要由成土母质的不同引起,局部的分异可能由人类活动及其他因素所造成[18]。

2.3欧洲土壤重金属多重分形在地球化学场的研究中,多重分形分布模型可以简要地概括如下[19-22]：假设从某矿区内得到一组地球化学样品,通过对这些点样品微量元素含量的插值可形成覆盖该区的某种地球化学网格数据。记每个网格内微量元素含量均值为ρ(ε),ε表示网格的大小(如正方形网格的边长),则第i个网格内的面金属量为:

μi(ε)=ε2ρi(ε)

(1)

如果元素在研究区内具有多重分形特征,那么面金属量μi(ε)与网格大小ε之间服从幂率分布规律：

μi(ε)∝εαi

(2)

式中，∝表示当ε较小时μi与ε成正比，αi表示某一有限指数(Local Holder Exponent)。由于每个网格中可求得α值,且不同的α值将对应1组网格,如果用Nα(ε)表示在网格大小为ε时具有Holder 指数α(即金属量为εα)的单元数,则：

Nα(ε)∝ε-f(α)

(3)

显然,f(α)相当于具尺度(measure)μ为εα的区域的分形维数,即多重分形维数谱函数。

为计算α与f(α)，最常用的方法是矩方法。首先定义一个分配函数(Partitionfunction),

(4)

式中，q为任意数,表示μ(ε)的统计矩阶数,μi=Xiε2代表序号为i、长度为ε的单元的金属总量，Xi是第i个单元的品位值。同时Cheng[23]引入了质量指数τ(q)

(5)

如果u(ε)具有多重分形特征,则对于任意给定的q值,Xq(ε)与ε之间具有如下的指数关系:

Xq(ε)∝ετ(q)

(6)

如果τ(q)还是q的光滑函数,那么α可以由下式求出:

α(q)= ∂τ(q)/ ∂q

(7)

式(7)中一阶导数由相邻数据对q±0.001的估计值τ(q)决定，把这些数据中任意2个差值除以0.002即可求出α(q)。最后通过对τ(q)进行Legendre变换,计算分形维数：

f(α) =α(q)q-τ(q)

(8)

笔者采用矩分析多重分形方法对欧洲土壤重金属元素进行分析，并对7个地球化学元素的空间分布特征以及奇异性特征进行了讨论。运用矩方法计算分形谱函数，奇异性指数α由中心插值法得到，令步长为0.5，取q从-10变化到10共41个值计算了欧洲772个表层土壤样品和772个对应的深层土壤样品中7种重金属元素含量多重分形谱函数f(α)。

图4　欧洲土壤重金属元素的多重分形Fig.4　Multifractal of heavy metal elements in Europe soil

f(α)图谱的不同形状，表征着不同的意义特征。从图4可以看出，无论是深层还是表层土壤，7种重金属元素的多重分形谱均呈“倒钟状”，呈连续分布，表明7种重金属元素在欧洲表层和深层土壤中的空间分布均具有连续多重分形特征。7种重金属元素在浅层和深层土壤中的多重分形谱函数曲线在表层和深层土壤中的分布区域均为不对称的上凸曲线，表明欧洲地区表层和深层土壤中重金属元素均经历过不同程度的叠加改造[6，19]。

表4　表层土壤中各重金属元素的多重分形参数

表5　深层土壤中各重金属元素的多重分形参数

从数学角度分析，分形谱函数f(α)曲线的左半段ΔαL主要反映了q≥0 的特征,能刻划分形的基本特征,实际上重点突出了较高含量的特征，而右半段ΔαR为q<0 部分主要反映了测量过程的各种误差或干扰以及分形结构中的细小结构变化,也就是说低含量的特征能得到加强[6,19-21]。f(α)函数中多重分形参数的开口宽度Δα反映了元素分布在整个测度上分布的均匀性和奇异性，Δα越小，分布越均一，奇异性越小。而Δf谱高差反映了元素高值区域和低值区域分布的比例，即Δf越小，高值区域所占比例越大。非对称指数R=(ΔαL-ΔαR)/Δα能进一步地反映元素高低含量之间的差异性，R=0表示分形谱函数f(α)曲线左右两侧完全对称，R<0 表示谱函数f(α)曲线右偏;R>0则相反，谢淑云等[19]曾运用该指数来判断元素分布的均一性和成矿潜力。

由表4、5可知，As、Co、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn元素的△f>0，多重分形谱为近似“倒钟状”的右钩形态，表明欧洲表层土壤中As、Co、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn元素低含量分布大于高含量分布，深层土壤中As、Co、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn元素具有同样特点。由欧洲表层和深层土壤的多重分形谱参数对比可知，欧洲表层土壤Co、Cr元素的△α和△f分别比深层土壤略大，表明Co、Cr元素在表层土壤的奇异性较大且以低含量为主；As、Zn元素在表层土壤的△α较深层土壤的△α略大，As元素在表层土壤的△f较深层土壤的△f略大，而Zn则相反，指示As、Zn在表层土壤的奇异性较大，其中As在表层土壤中以低含量为主，Zn在表层土壤中以高含量为主，由于As、Zn的化学性质比较活泼；表层土壤中Cu元素的△α=1.07、△f=1.13，深层土壤中Cu元素的△α=1.55、△f=1.63，说明Cu元素在深层土壤的奇异性较大且以低含量为主；表层土壤中Ni元素的△α=1.79、△f=1.70，而深层土壤中Ni元素的△α=1.19、△f= 1.26，表明表层土壤中Ni元素分布奇异性较大且以低含量为主，指示深层土壤Ni元素富集程度高于表层土壤；表层土壤中Pb元素的△α=2.04、△f=2.06，而深层土壤中Pb元素的△α=1.90、△f=1.94，表明表层和深层土壤中Pb元素分布奇异性均很大且以低值区域为主，但深层土壤中Pb元素分布奇异性相对表层略小。据表4、5中R值分析可知，As元素在表层和深层土壤中的R值均很大，分别为0.79和0.67，表明As在欧洲土壤中的特征主要受后期叠加作用影响。Co元素的R值均为负值，在深层土壤中接近0，表现为基本对称的分形频谱分布图，说明元素主要受母质影响，后期分异不明显；而在表层土壤中，Co的R值偏负，达到-0.19，反映元素的后期叠加作用不明显。Cr、Cu、Ni、Pb、Zn在表层和深层土壤中的R值均大于0，频谱曲线表现为左偏，其中Cu在深层土壤中R值和Zn在表层土壤中R值接近0，表明Cu在深层土壤和Zn在表层土壤中分异不明显，其他元素则表现明显分异。

多重分形参数值分析表明，除Cu元素外，整体来说，表层土壤重金属元素的△α值明显大于深层土壤，△αL亦显示类似的性质。由此可见，相对于深层土壤来说，欧洲表层土壤中元素的分布相对更离散，受后期人为活动、地表风化、主要重金属元素在地表中相对活跃等因素的影响。

欧洲土壤重金属多重分形特征与我国部分地区土壤重金属特征有所区别，如Xie等[24]运用多重分形方法对成都经济开发区表层与深层土壤中多目标地球化学调查的54项指标进行了探讨。矩分析结果显示，表层和深层土壤中每类元素的多重分形频谱具较相似的变化规律,Cr、Cd、Ni、Pb元素在表层土壤中的多重分形频谱较宽,在深层土壤中的多重分形频谱较窄,充分显示Cr、Cd、Ni、Pb在表层土壤中具有后期叠加的特征,并由人为因素所致，而As、Hg、Cu、Zn元素并未显示该特征，其在表层与深层土壤中其变化不大，后期叠加作用不明显。柯贤忠等[18]运用分形与多重分形方法，结合变异系数和富集系数,对海南省琼海市表层土壤中重金属元素的来源进行探讨，认为海南省琼海市表层土壤中Pb的高含量受人为因素影响强烈，As的富集来自农业活动,Ni的富集主要来自成土母岩的风化,而其他重金属元素受后期人类活动影响较小或基本未受影响。

3　欧洲重金属元素污染评价

3.1总体污染评价单项因子污染指数法及内梅罗综合污染指数法是目前常用的土壤环境质量评价方法[25-26]，其计算公式：

Pi=Wi/Si

(9)

P综=[(Pi平均2+Pi最大2)/2]1/2

(10)

式中，Pi为重金属污染元素i的单项污染指数，表示重金属元素i的污染严重情况；Wi为重金属污染元素i的实测质量分数；Si为重金属污染元素i的评价标准；P综表示综合污染程度，P综越大，则表示综合污染程度越严重；Pi平均、Pi最大分别表示土壤中重金属元素的平均单项污染指数和最大单项污染指数。土壤质量分级标准和评价标准见表6、7。

表6　土壤质量分级标准

表7　欧洲重金属风险评估要素基本统计量[27-28]

由表8可知，以世界土壤为标准时，欧洲所测表层土壤重金属元素的Pi为0.63～2.70，P综约为2.10，污染程度属警戒级至轻污染，表层土壤P综较深层土壤大，其中土壤重金属Pi从大到小依次为Ni、As、Co、Cr、Zn、Pb、Cu。Ni、As的Pi大于2.00，属中污染；Co、Cr、Cu、Pb、Zn 5种元素的Pi为0.63～1.58，污染程度属于警戒级至轻污染。以中国土壤为标准时，欧洲土壤重金属元素的Pi为0.65～1.80，P综约为1.44，污染程度属警戒级至轻污染，同样表层土壤P综较深层土壤大，Ni的污染指数大于1.00，属轻污染；As、Co、Cr、Cu、Pb、Zn 5种元素的单因子污染指数都为0.50～1.00，污染程度属于警戒级，指示除Ni元素，欧洲土壤重金属较中国土壤平均值略低。可见，由于采用的标准不同，土壤所表现的污染程度也会有差别。

3.2各区污染评价由不同标准的重金属污染评价可知，欧洲整体的重金属风险指数较低，环境状况良好，但从元素的地球化学分布图可以看出，这7种重金属元素在欧洲的整体分布不均匀，因此有必要分不同地区分别对其重金属风险指数进行评估。笔者参照元素地球化学分布图将欧洲整个采样区分别划分为7个分块：北欧(包括丹麦、挪威、芬兰、瑞典)、东欧(包括波兰、拉脱维亚、立陶宛、爱沙尼亚、捷克、斯洛伐克等国)、巴尔干半岛(包括希腊、克罗地亚、阿尔巴尼亚等国)、意大利(包括科西嘉岛等)、欧洲中部(包括除英国和爱尔兰之外的主要的欧洲中部国家)、欧洲西北部(包括英国和爱尔兰)以及伊比利亚半岛(包括西班牙和葡萄牙两国)，并分地区进行了对比研究，以期描述欧洲元素地球化学的区域性分布。欧洲7个分区的7种重金属数据基本统计情况见表9、10。

表8　欧洲土壤重金属元素污染评价

表9　欧洲分区表层土壤平均值

表10　 欧洲分区深层土壤平均值

从图5、6可以看出，东欧、北欧的Pi和P综均有相似的特点，该地所有元素的Pi和P综均小于1.00，也就是说这两地重金属元素含量均低于标准值，土壤均未受到污染，这与其地理位置、自然环境以及地广人稀的特点密切相关；中欧、西北欧的Pi和P综略高，Pi为0.25～2.57，范围较宽，P综为1.44～2.02，土壤属警戒级至轻污染；伊比利亚半岛由于As的单因子指数极高贡献率使得全区综合污染指数(P综)均超出背景值，达到轻污染及以上的程度，即全区的西南部处于中度污染,其他大部分处于轻污染；巴尔干半岛的表层土壤P综为6.42，深层土壤P综为5.86，属重污染，其中As、Cr、Co、Ni的Pi较高，属中至重度污染；而对于意大利，重金属在表层土壤的P综为3.72，深层土壤的P综为3.54，为中度污染，其中部分重金属为轻污染程度，主要污染元素有As、Co、Cr、Ni。除此之外，欧洲中部和欧洲西北部的重金属As、Co、Ni、Zn的Pi也较高。

As在欧洲土壤中的污染程度普遍较高，由As的多重分形分析可知，欧洲土壤中的As 主要与外界因素的影响有关，同时As元素数据的统计可进一步验证该结论；Co在巴尔干半岛和意大利的污染程度较高，从Co元素的富集系数、变异系数和多重分形频谱的角度分析可以看出，Co元素的高质量分数可能主要来自地层本身，受外界叠加作用不明显；由于Cr-Ni为1组正相关元素，这2种元素在地球化学分布图中的异常分布情况相似，同时出现轻甚至中污染，Cr-Ni的多重分形分析可知，Cr-Ni元素在表层土壤的奇异性较大且以低含量为主，说明深层土壤Cr-Ni元素富集程度高于表层土壤,Cr-Ni的元素地球化学分布图同样表现出这一特征。Cr在土壤中主要以Cr3+形态存在,土壤胶体对Cr3+有强烈的吸附作用[29],较快地被吸附固定积累在表层,很少向下移动,因而造成表层土壤Cr元素奇异性大；Ni作为希腊、南巴尔干半岛、西班牙、中欧、芬诺斯坎底亚(芬兰、挪威、瑞典、丹麦的总称)等地主要的经济矿床[14]，对欧洲土壤中Ni元素的分布特征也有着一定影响；Pb的污染程度为警戒级，变异系数较大，矩分析的多重分形频谱可知，Pb在欧洲土壤中的特征主要受控于外界影响因素；Cu、Zn在整个欧洲污染程度相对较小，在表层与深层土壤中变化不大,后期叠加不明显，从变异系数和多重分形角度分析，Cu、Zn在欧洲土壤中的分布受外界影响作用较大，如尾气排放、工业生产等。Werkenthin等[30]对欧洲路边土壤及土壤溶液中重金属的分析认为，土壤污染程度与土壤深度和公路距离成反比；Machender等研究认为，工业活动是土壤重金属污染的主要来源[31-33]。欧洲土壤重金属污染特征，究其原因，主要与欧洲高度发达的工业、交通运输、所处地理位置及不同功能区、当地经济社会高速发展时的能耗环保程度及公民意识等有关，部分元素(如Co)受地质成因影响较大。

图5　欧洲分区表层土壤样品重金属元素污染评价Fig.5　Evaluation of heavy metal elements pollution in topsoil samples from each region of Europe

图6　欧洲分区深层土壤样品重金属元素污染评价Fig.6　Evaluation of heavy metal elements pollution in deepsoil samples from each region of Europe

文献资料显示[34-37],我国各大城市普遍受到不同程度的重金属污染，城市土壤中大部分重金属污染物含量普遍高于郊区、农村土壤，具有明显的人为富集特点,在不同城市之间，不同类型的重金属含量存在显著差异。如李玲等[38]通过对郑州市郊区土壤重金属进行污染评价，结果表明：研究区表层土壤中各种重金属均有超过背景值的现象，各重金属Pi、P综在郑州市郊区的分布特点各不相同。邓秋静等[39]对贵阳市耕地土壤重金属污染现状进行研究，得出土壤中重金属含量在地区内及地区间差异较大，工业区土壤污染程度明显高于郊区土壤。Yang等[40]通过对武汉工业区、农业区、居民区表层土壤中重金属污染进行研究，认为青山区受工业、农业活动和环境恶化的长期影响而导致重金属严重污染。武永锋等[41]以贵阳市区土壤为研究对象,研究不同功能区土壤中重金属污染的特征,结果表明：不同功能区潜在生态危害程度从大到小依次为工业、公园、交通区、郊区耕地、居民区。

4　结论

(1) 欧洲表层和深层土壤中的7种重金属元素在空间分布上均具有连续多重分形特征，f(a)的曲线特征表明，该区表层和深层土壤均受到不同程度的局部叠加，即除继承母质成分之外，还受到人为等外来作用的影响。多重分形参数值分析表明，表层土壤中As、Co、Cr、Ni、Pb、Zn元素分布奇异性较大，且以低含量为主，指示深层土壤中As、Co、Cr、Ni、Pb、Zn元素富集程度高于表层土壤，而Cu元素在表层土壤中表现为奇异性较小，且以高含量为主。

(2)欧洲土壤重金属整体污染程度为清洁至中度污染，综合污染指数从大到小依次为Ni、As、Co、Cr、Pb、Zn、Cu。其中，As、Ni元素的污染指数大于2.00，属中污染；Co、Cr、Cu、Pb、Zn 5种元素的单因子污染指数均为0.50～2.00，污染程度属于警戒级至轻污染。

(3)重金属元素在欧洲表层土壤和深层土壤中的分布大致相同，并受各国社会经济发展、交通运输、矿产开发和不同功能区等的影响，在各国的污染程度不同，其中东欧、北欧土壤重金属污染程度为清洁，中欧、伊比利亚半岛、西北欧的土壤重金属污染程度为尚清洁，巴尔干半岛和意大利北部重金属较为富集，达中污染甚至重度污染。

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Multifractal Characteristics and Environmental Significance of Heavy Metals in European Soil

YAO Ling-yang1,XIE Shu-yun1*,ZHANG Long-he2et al

(1.School of Earth Sciences,China University of Geosciences,Wuhan,Hubei 430074; 2.Shanxi Geological Prospecting Institute of China Chemical Geology & Mine Bureau,Xi’an,Shaanxi 710000)

[Objective] The aim was to evaluate geochemical characteristics of soil environment in Europe and provide decision basis for improving and regulating eco-environment and making sustainable socio-economic development plan.[Method] Geochemical data of seven kinds of heavy metals (As,Co,Cr,Cu,Ni,Pb,Zn) in European topsoil and deepsoil were analyzed by comprehensive index method,combined with geochemical mapping and geological conditions in Europe.[Result] The results showed that the distribution of all heavy metals in European topsoil and deepsoil have multifractal characteristics,the content of each element in the multi-fractal spectrum curve showed a continuous multi-fractal distribution,and the diversity of economic and social development of countries,development of mineral and other factors lead to different degree of heavy metal pollution in various countries and regions in Europe.The degree of contamination in European soil is clean to moderately polluted,heavy metals in northern Italy and the Balkans are more enriched,while heavy metal in the rest areas of Europe are fair to the world soil,and slightly lower than the Chinese average soil.The comprehensive pollution indexof each element decreased in the order of：Ni,As,Co,Cr,Pb,Zn,Cu.[Conclusion] The study not only provides important information for the evaluation of soil quality,but also provides effective measures for the protection of human health.

Soil; Heavy metals; Multifractal; Geochemical environment; Europe

姚凌阳(1993- )，男，江西上饶人，硕士研究生，研究方向：环境地球化学。*通讯作者，教授，博士，从事环境地球化学、计算机地球化学、碳酸盐岩储层溶解动力学与覆盖区地球化学找矿及定量地球化学研究。

2016-06-29

X 15；X 142

A

0517-6611(2016)24-138-09