城市化对土壤重金属铅空间分布的影响——以晋中盆地为例

苏尚军，张婷，张元娟，李永芬

（1.山西森绿环境科技有限公司，山西太原030006；2.山西大学环境与资源学院，山西太原030006）

城市化对土壤重金属铅空间分布的影响
——以晋中盆地为例

苏尚军1，张婷2，张元娟1，李永芬1

（1.山西森绿环境科技有限公司，山西太原030006；2.山西大学环境与资源学院，山西太原030006）

晋中盆地是山西省城市化发展较快的地区，这同时也对区域内的生态环境尤其是人类赖以生存的土壤环境产生了一定的影响。土壤重金属Pb含量是最能反映城市化对土壤影响程度的指标，故对重金属Pb进行了研究。在晋中盆地选取6个县市样地，沿各县市中心的正东、正西、正南、正北分别采集土壤，用火焰-石墨炉原子吸收光谱仪测定后，运用基本统计及地统计学方法对盆地内土壤Pb含量进行分析及克里金空间插值，得到盆地范围内土壤重金属Pb的空间分布特征。结果发现，盆地内土壤Pb含量整体分布较少，仅有太原市的部分区域超过了背景值；同时，盆地内土壤Pb含量在县市中心及其附近分布比较多，随着距县市中心及附近距离的增大，周围郊区、农村的土壤Pb含量逐渐减少，说明区域内城市化对盆地内的土壤重金属Pb的空间分布有一定的影响。

重金属Pb；地统计学；空间分布；城市化；晋中盆地

城市土壤作为构成城市环境的一个重要组成部分，是人类生产和生活的物质基础[1]。然而，在全球范围内，快速发展的城市化引起了一系列的城市生态环境恶化问题，如人口集中分布、道路交通拥挤及工业企业污染排放严重，威胁到了人类赖以生存的环境，同时对土壤环境质量产生了较为深刻的影响[2-3]。城市化对土壤的影响最常用的衡量指标是土壤中重金属的含量，其中，铅含量被认为是最能表征城市化过程对土壤影响的程度[4]。

土壤重金属元素空间分布的研究方法目前大致有3种，即时间序列法、随机方程法和地统计学法[5]。南非地质学家Krige于1951年提出了地统计学，随后由法国学者Matheron完善并发展而形成了理论[6]。近年来，地统计学得到了快速发展，同时逐渐成为比较热门的研究方向。地统计学基于区域化变量理论的特点，以空间分布为基础，受空间变异的自然现象和空间结构的影响[7]。地统计学的发展为土壤空间信息的研究提供了便利。

国内外学者基于地统计法对土壤中重金属污染已进行了一些研究[8-10]。White等[11]利用半方差分析对美国土壤锌的含量分布进行了研究，陶澍等[12]研究了深圳地区土壤汞的含量及分布，张继舟等[13]研究了三江平原农田中土壤重金属的来源及变异，黄绍文等[14]研究了城郊公路边菜田中的土壤金属变异特征。晋中盆地是山西省发展较快的区域，既是我国的能源、重化工基地，也是山西省的政治、经济、文化中心，在这里分布着大量的农业生产区与重要的工业生产区[15]。关于城市化对土壤重金属分布影响研究尚少。

本研究选取晋中盆地城市化较典型的文水县、平遥县、太原市、太谷县、孝义市、榆次市6个县市，沿城市中心向外围采集土壤样品，采用传统分析与地统计分析相结合的方法[16]，通过分析变异函数对重金属空间分布的结构特征进行描述[17]；在此基础上，选择最优的空间结构模型，进行空间插值[18-19]，可进一步探索晋中盆地区域内土壤中重金属Pb的分布情况及规律。

1 研究区概况

晋中盆地位于黄土高原东部山西省境内的汾河谷地，地理坐标为111°45′～112°50′E，36°48′～38°18′N。盆地四面被丘陵、群山环抱，中央平原区海拔在760～840 m，年均降雨量为450～550 mm，年均气温在8～12℃，年平均湿度为55%～60%，盆地内土壤主要以黄土为主。晋中盆地历史文化悠久，同时也是城市化发展较快和城市化水平较高的区域，盆地的城市化发展对区域内的土壤生态环境产生了较大的影响。

2 研究方法

2.1 样点设置与土样采集

土样采集于2012年9月，样点布设方法为在盆地内选择文水县、平遥县、太原市、太谷县、孝义市、榆次市6个县市为样地，以各县市中心为基点，分别沿正东、正西、正北及正南每隔3 km设立一个采样点，每个方向设11个采样点，每个县市各44个采样点，每个样点的面积为10 m×10 m，实际采样时用GPS精确定位（图1）。然后，用直径为4 cm的不锈钢土钻取至15 cm深，在每个样点上的小样方中，先沿一条对角线等距离取5个土芯，将其混合后作为一个土样；再沿另一条对角线等距离取5个土芯，将其混合后作为一个平行土样。

2.2 样品处理与测定

在室外阴凉处将所有土样风干，用木棒压碎，过2 mm的尼龙筛，去除2 mm以上的杂物。然后用四分法反复弃取，直到留下100 g土样为止，再用玛瑙研钵磨细后，全部通过0.149 mm的尼龙筛后作为待测样品。用火焰－石墨炉原子吸收光谱仪进行土壤中重金属Pb的测定。

2.3 数据处理与分析

采用SPSS 16.0对数据进行描述统计分析；用GS+地统计分析软件进行半方差函数模型拟合；用Arcgis 10.0地统计分析模块对数据进行插值预测。

3 结果与分析

3.1 描述统计分析

对样品数据进行基本统计分析，结果列于表1。由表1可知，在6个县市样地中，重金属Pb含量较大值出现在太谷与太原样地，且太谷与榆次的Pb含量平均值较大；平遥县土壤Pb平均值、最小值与最大值含量均小于其余5个县市；同时，太谷与太原的标准偏差比较大。根据之前学者对晋中盆地重金属背景值的研究[15]，列出了6个县市的重金属Pb的背景值。本研究所采样中，除平遥县外，其他县市均有个别采样点超过了背景值，其中，太谷样地超出背景值的百分比最大，为11.36%。6个县市的土壤质量良好，参考土壤重金属（GB 15618—1995）国家二级标准限值可知，土壤重金属Pb平均值与最大值均未超过二级标准限值。

变异系数用来反映采样总体中各采样点之间的平均变异程度。6个县市土壤中重金属Pb的变异系数为21.47%～33.03%，除太谷与太原变异系数略大外，其余4个县市变异系数均比较小，说明盆地内各县市区域性整体差异不大。

综合来看，以6个县市为代表的晋中盆地土壤重金属Pb的含量总体较小，平均值为15.28 mg/kg，且Pb含量整体变异不大，经单样本k-s正态分布检验不符合正态分布的原数据，经对数变换后为正态分布。

表1 晋中盆地土壤重金属Pb元素含量的基本统计

3.2 地统计分析

3.2.1 晋中盆地土壤重金属Pb含量的模型拟合基本统计分析分别说明了6个县市及其周围土壤重金属Pb含量的多少及在每个县市含量值的变异情况。在此基础上，本研究利用地统计软件GS+，对整个晋中盆地区域内的土壤重金属Pb进行半方差函数模型拟合，各模型参数值如表2所示。通过比较不同半方差函数模型的参数值，结果选择了拟合效果较好的模型高斯模型。

表2 晋中盆地土壤重金属Pb含量的半方差函数模型及参数

块金值也叫块金方差，反映在最小抽样尺度以下变量的变异性及测量误差，块金值大于0，表明存在由随机因素引起的空间异质性。基台值是当步长增加到一个相对稳定水平时所对应的半方差值，是区域化变量总体特征的体现，等于拱高和块金值之和。块金值与基台值的比值能够反映出土壤Pb含量的空间相关程度，当比值小于0.25时说明该盆地内的土壤Pb含量具有较强的空间相关性；当比值大于0.25且小于0.75时，表明具有中等相关性；当比值大于0.75时，说明区域内土壤Pb含量相关性很弱[20]。变程R是指在此范围内，距离为h的任意2点的土壤Pb含量值具有空间相关性，这个相关性随h的变大而减小，当h＞R时不再具有相关性。

3.2.2 晋中盆地土壤重金属Pb克里金空间插值运用Arcgis 10地统计模块中的Explore Data对数据的对数形式进行初步分析，趋势分析表明，数据在东西、南北方向上均呈浅倒“U”型分布，具有二次函数分布趋势。因此，在进行空间插值预测时，需消除趋势，以满足稳态假设，减小插值造成的误差。

同时，把在GS+软件中拟合得到的最优模型参数代入Arcgis中进行克里金空间插值，得到晋中盆地土壤重金属Pb的空间分布情况（图2）。

图2将土壤重金属含量分为8个等级。整体来看，盆地内大部分土壤重金属Pb含量要低于背景值23.71 mg/kg，同时，研究区土壤Pb含量的空间分布呈现出一定的规律；整体趋势为围绕县市中心及其附近向外围郊区、农村延伸，土壤中Pb的分布逐渐减少。其中，含量最大的等级主要分布在万柏林区与小店区，晋源区的西南角中心土壤中Pb的分布也稍多，而在太原市东北方向即迎泽区、杏花岭区中心，土壤中Pb的含量分布较少，大多小于15 mg/kg，低于晋中盆地内土壤Pb的背景值。同时，太谷、文水、汾阳及孝义县城中心及附近土壤Pb含量亦比周围多。在平遥县，土壤Pb含量的分布则与其他县市表现出了相反的趋势，县城中心土壤Pb的分布极低，沿县城向外围扩展，土壤Pb的分布增多，但总体上含量仍比其他县市周围少。

4 结论

本研究应用地统计软件GS+与Arcgis相结合、辅之以传统统计学的方法，对晋中盆地6个县市中心及其周围的土壤Pb含量进行了分析，通过确定拟合较好的半方差函数模型，运用Arcgis对其进行克里金空间插值，得到了整个晋中盆地范围内土壤重金属Pb的分布及变异特征。

基本统计情况表明，在本次检测中，6个县市土壤Pb含量的平均值均小于背景值。太谷县土壤Pb含量超出背景值较多，是因为在采样过程中县城以北的几个样点已在太原市范围内。故而，所测结果比较大。

在地统计分析软件GS+中，筛选出拟合结果较好的高斯模型，在4 711.187 2 m的变程内，块基比为0.804。说明晋中盆地土壤Pb的空间相关性较弱，可能在盆地区域上受到工矿企业排放、交通运输等人为因素的影响较大。

晋中盆地土壤重金属Pb含量克里金空间插值图说明，盆地内的土壤重金属Pb分布较多的是在各县市中心及周边范围，随着与城市中心距离的增加，各县市郊区土壤Pb分布减少，距离县市更远的乡村地区土壤Pb的分布更少，与之相反的是，平遥县城中心土壤Pb含量的分布要低于周边郊区及农村地区。

5 讨论

研究表明，土壤中的Pb主要来源于工业污染与交通运输排放。各县市地区城市化发展较快，机动车数量众多，排放的尾气中的Pb自然增多，沉降后富积在土壤中。同时，多数工矿企业也建设在城市附近，使得在距离县市中心一定的范围内土壤重金属Pb表现出较多的分布，如太原市的万柏林区为老工业区，晋源区与小店区目前经济发展迅速，故其区域中心及附近土壤中Pb的分布比较多；而在太原市的东北方向，迎泽区与杏花岭区作为经济、文化功能中心，虽交通运输过程中排放的尾气中含有大量的Pb，但因工矿企业少，并未出现最高等级的土壤Pb分布，而距离县市较远的农村地区，发展缓慢，土壤中Pb的来源较少，故而分布较少。在盆地内，平遥县的土壤Pb含量分布则出现了逆城市化的现象，在县城中心及其附近，土壤Pb的分布较少，且低于周围的郊区、农村，这主要是由于平遥县大力发展旅游业等第三产业，县城中心及附近环境保护良好，一些污染较为严重的企业建设厂址均距市区比较远，所以表现出了城市中心土壤Pb含量较少的特征。总之，在盆地范围内，城市化发展较快的区域亦是重金属Pb含量分布较多的区域，城市化对重金属Pb含量的分布产生了一定的影响。

［1］尹骏.上海市城郊梯度土壤重金属空间分布特征和评价研究[D].上海：上海师范大学，2010.

［2］成杭新，杨忠芳，赵传冬，等.区域生态地球化学预警：问题与讨论[J].地学前缘，2004，11（2）：606-615.

［3］张辉.重金属污染的地球化学研究——城市和区域性污染的特征与机制[D].南京：南京大学，2001.

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

［5］赵春生，张佳宝.土壤特性空间变异研究的定量方法——时域分析和频谱分析[J].土壤学进展，1995，23（5）：45-53.

［6］杨玉玲，文启凯，田长彦，等.土壤空间变异研究现状及展望[J].干旱区研究，2001，18（2）：50-55.

［7］张福刚.基于地统计学的肇源县土壤汞空间分异特征分析[D].哈尔滨：东北农业大学，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，邓宝山，陈伟元.深圳地区土壤汞含量分布与污染[J].土壤学报，1993，13（1）：35-38.

［13］张继舟，吕品，于志民，等.三江平原农田土壤重金属含量的空间变异与来源分析[J].华北农学报，2014，29（S1）：353-359.

［14］黄绍文，韩宝文，和爱玲，等.城郊公路边菜田土壤和韭菜中重金属的空间变异特征[J].华北农学报，2007，22（S2）：152-157.

［15］鲁艳红.太原市土壤重金属污染特征及盆地背景研究[D].武汉：中南大学，2005.

［16］白晓宇，袁峰，李湘凌，等.铜陵矿区土壤重金属元素的空间变异及污染分析[J].地学前缘，2008，15（5）：256-263.

［17］张朝生，章申，何建邦.长江水系沉积物重金属含量空间分布特征研究——地统计学方法[J].地理学报，1997，52（2）：1847-192.

［18］郑袁明，陈同斌，陈煌，等.北京市近郊区土壤镍的空间结构及分布特征[J].地理学报，2003，58（3）：470-476.

［19］胡克林，张凤荣，吕贻忠，等.北京市大兴区土壤重金属含量的空间分布特征[J].环境科学学报，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

国家自然科学基金项目（31070424）

苏尚军（1986-），男，山西长治人，助理工程师，硕士，主要从事土地复垦规划和生态恢复治理研究工作。