昆明市中部城-郊-乡梯度上土壤重金属分布特征及其污染评价

张淑洁 何云玲 李同艳

摘要：基于航空遥感影像，选取昆明市典型的城-郊-乡样带，利用地理信息系统（ArcGIS 10.2）和景观格局分析（Fragstats 4.2）软件，选用4个城市化指标，基于主成分分析（PCA）和多元线性回归分析对研究区域城市化水平进行量化，在此基础上结合土壤重金属采样结果，对研究区域土壤重金属的空间分布特征进行分析，评价其污染水平。结果表明，昆明市中部城、郊、乡土壤中各重金属含量总体均符合土壤环境质量Ⅱ级标准，其中Pb、Cr、As的平均含量分别为53.35、45.33、16.81 mg/kg，Pb、As含量高于土壤环境背景值，Cr含量低于背景值;城-郊-乡梯度上土壤重金属元素Pb含量呈现出城区>乡村>郊区的特征，城区土壤中重金属元素Pb含量为郊区的2.08倍，乡村的1.29倍;乡村土壤中重金属元素Cr、As的含量均高于城区与郊区;城区和乡村的土壤综合污染指数分别为1.72、1.53，属于轻度污染;郊区土壤综合污染指数为0.88，属于尚清洁。

关键词：城-郊-乡梯度;土壤;重金属;分布特征;污染评价

中图分类号： X53  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）12-0302-05

在城市生态系统中，城市土壤作为一个重要组成部分，不仅为土壤微生物提供栖息地和能量来源，同时作为城市绿化植物的生长介质，供应植物生长所需的各种养分。随着城市化的快速发展和大量人口向城市的集聚，城市环境问题日趋突出，其中城市土壤重金属污染就是其中之一。人类活动对城市生态环境的强烈扰动，特别是大量交通运输车辆尾气的排放以及工业污染物，会对城市土壤造成较为严重的重金属污染[1]。重金属是一类对土壤具有潜在危害的污染物，由于其不易移动，不可被微生物分解的特性，容易在土壤中富集，导致土壤肥力迅速下降，且难以消除[2]。受污染的土壤还会通过地表径流、渗滤、扬尘等对地表水、地下水及大气环境造成二次污染[3]。不仅如此，重金属元素还可通过被污染的食物、大气、水体，甚至皮肤吸收等途径进入人体，危害人类健康[4]。

目前已有很多学者针对城市土壤的重金属分布特征与污染状况进行了研究。欧美等发达国家对于城市土壤重金属污染问题的研究较早，例如Hewitt等早在20世纪90年代就分别对昆卡市、伦敦市的土壤重金属元素进行了研究[5-6]。近年来，随着我国城市规模的不断扩大，交通运输和工业生产等活动的持续加强，城市土壤污染问题，特别是土壤中所含重金属对人体健康的危害已经引起了社会广泛关注;例如杨蕊等对西宁市城市土壤重金属分布特征进行了研究，发现西宁市城市土壤中铬（Cr）、钴（Co）、铜（Cu）、铅（Pb）、锶（Sr）等5种重金属元素均超出了土壤背景值，西宁市城市土壤污染达到中等生态风险[7];马建华等对开封市城区土壤污染进行了研究，发现城区土壤重金属污染程度高于郊区与乡村[8]，与其他学者对城市土壤重金属污染状况的研究结果[9-11]一致。虽然已有很多学者研究了城乡土壤重金属污染的变化特征与差异，但是对城乡梯度的划分多是基于行政区划进行定义。城-郊-乡梯度的形成应该是多种因素相互作用的结果，因此，一些学者以城-郊-乡之间的各种差异作为指标对其进行量化。如Hahs分析了包括人口变量、物理变量、景观格局指数等17个指标，通过主成分分析选取了综合指标、人口密度、景观形状指数和土地利用类型指数4个指标进行城-郊-乡梯度的量化[12]。赵倩根据不透水层比例、道路密度、住宅比例与最大斑块指数、平均板块指数和香农多样性指数对上海市的城-郊-乡梯度进行了划分[13]。

昆明市作为云南省最大的中心城市，近年来工业化和城市化进程发展迅速，土壤中重金属的累积问题开始受到关注，虽然已有一些相关报道，但调查采样范围较小，以及采样调查样方比较主观。因此，本研究采用遥感影像与地理信息系统（geographic information system，简称GIS）技术的结合对昆明市的城乡梯度进行量化，在此基础上研究昆明市土壤重金属分布特征与污染状况，旨在了解昆明市土壤重金属含量沿城乡梯度的变化特征与污染程度，为昆明市未来的土壤污染控制与管理、提高城市环境质量与居民健康提供科学依据。

1 研究区域概况

昆明市位于云贵高原中部，在24°24′～26°33′N，102°10′～103°41′E之间，主城区海拔1 891 m，地势北高南低，三面环山，受地理位置和大气环流的影响，属低纬亚热带高原山地季风气候，四季不分明，而干季（11月至次年4月），雨季（5月～10月）特别显著。昆明盆地是位于我国南北构造带南段的构造盆地，地址构造复杂，地基较软，土壤主要为红壤和砖红壤。

昆明市的行政区划素来有“四区八县”之称（后期规划中才新并入呈贡新区），4区即为昆明市的主要行政区和主要建成区所在地，分别为西山区、五华区、盘龙区和官渡区，主要位于昆明市的中部地区;考虑到其山间盆地的地貌类型，本研究以这4个区的城乡交错带土地景观空间格局连续区域作为主体研究区。

2 研究方法

2.1 城-郊-乡梯度的划分

考虑到数据的充分利用性和各类城市化指数的特點，本研究通过借鉴以往相关研究筛选出的城乡梯度划分指标，结合昆明市实际地理环境特征，通过前期大量实地调研反复比对和校正，最后选取了2类指标进行城市化指数的描述（表1）：第1类为物理变量，包括不透水下垫面比例，道路网密度;第2类为景观变量，包括景观形状指数、香农多样性指数。采用精度为30 m的GDEMDEM数据，获得山体阴影图;通过精度为2.5 m卫星影像数据，在ArcGIS 10.2中经过地理配准、目视解译等，计算道路网密度。使用Landsat8遥感影像（空间分辨率为30 m，云量为0.48%），在ArcGIS 10.2中获得不透水表面比例。用Fragstates 4.2分析景观形状指数和香农多样性指数数据。在ENVI 5.1软件中，采用监督分类，根据GB/T 21010—2007《土地利用分类标准》与实际情况相结合，并在该地区地形图（1 ∶ 50 000）、土地利用图等相关资料辅助下，提取土地利用类型信息。计算Kappa系数为 0.868 3，符合实地调查验证结果。

将土壤中各重金属元素的含量、pH值进行相关分析，由表5可见，Pb与As的相关系数达到0.624，呈高度相关性，在一定程度上说明了来源的相关性，二者很可能来自同一影响源或以复合污染的形式出现显著积累;Cr与As的相关系数为0.574，呈极显著正相关，说明Cr与As可能部分同源[24];As含量与土壤pH值之间呈极显著正相关，表明随着土壤中pH值的增加As元素的含量呈上升趋势。

3.5 土壤重金属污染评价

通过单因子指数法和内梅罗综合污染指数法计算各重金属元素的污染程度，结果见表6。从单因子污染程度来看，昆明市城郊乡土壤中重金属元素Pb、As均表现为轻度污染，重金属元素Cr为无污染;土壤综合污染指数达到了1.46，为轻度污染，土壤环境质量达到了国家土壤环境质量的Ⅱ级标准。

从城-郊-乡梯度来看（表7），城区土壤中Pb、As单因子指数分别为1.98、1.57，属于轻度污染;Cr单因子指数为0.69，属于无污染;城区的综合污染指数为1.72，属于轻度污染。郊区土壤中Pb、Cr、As单因子指数均小于1，属于无污染，郊区的综合污染指数为0.88，属于尚清洁。乡村土壤中Pb、As单因子指数分别为1.53、1.68，属于轻度污染;Cr单因子指数为0.86，属于无污染;乡村的综合污染指数为1.53，属于轻度污染。综上所述，城区与乡村的土壤都受到了轻度重金属污染，郊区的土壤状况最好，重金属污染程度最低。

4 讨论

研究发现昆明市农村地区土壤中的Cr、As污染程度均高于城区与郊区。土壤中Cr的来源主要有大气中Cr的沉降、农药化肥和塑料薄膜的使用以及污水灌溉等[25]，土壤中As的来源主要为成土母质、制造工业使用含As的化合物以及农业、林业所使用的杀虫剂[26]等。综合来看，昆明市乡村土壤中Cr、As污染程度较高可能是因为昆明市农村地区在经济结构上发生了转变，使得农业快速发展导致农村土壤中受到了较多的农业污染，如农药化肥、杀虫剂、除草剂等的大量使用。这一研究结果与方淑波所提出的区域尺度上的人类活动对土壤重金属含量影响的尺度效应[27]相吻合;建设用地面积比例、道路密度均显著影响重金属的空间分布，而且呈现出尺度效应，就重金属的空间分布而言，不仅响应于城乡的梯度格局，也与城市化特殊的格局，即工业区、局地范围的人类活动等分布相关。

昆明市土壤各重金属元素污染程度虽然不太严重，但城区土壤中Pb含量较高，接近中度污染，Pb对人体健康影响较大，城区土壤中的Pb主要来源于机动车排放的尾气，因此可以加大城区车辆管控，采取限行、安装尾气过滤装置等措施降低污染气体的排放，减少土壤中Pb元素的摄入量，降低土壤污染程度。对整个研究区域而言，本研究所选的样点数量相对较少，应多设置不同的样带进行土壤采样检测才能更好地說明昆明市土壤中的重金属含量和污染状况。其次，还应该加强对量化城-郊-乡梯度方法的探讨，更加科学准确地对城乡梯度进行划分，在此基础上可以进一步准确地分析城市空间格局上各个环境指标的变化特征。

5 结论

昆明市城郊乡土壤重金属元素Pb、Cr、As的平均含量分别为53.35、45.33、16.81 mg/kg，其中Pb、As含量高于昆明市土壤环境背景值，Cr含量低于背景值。城-郊-乡梯度上土壤重金属元素Pb含量呈现出城区>乡村>郊区的特征，城区土壤中重金属元素Pb的含量分别为郊区的2.08倍，乡村的1.29倍;乡村土壤中重金属元素Cr、As的含量均高于城区与郊区。

重金属元素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与As的相关系数较高，呈显著正相关;As与土壤pH值的相关系数为0.426，呈正相关。

昆明市城郊乡土壤中Pb、As单因子指数分别为1.59、1.56，达到了轻度污染;Cr单因子指数为0.79，属于无污染。昆明市土壤综合污染指数达到了1.46，为轻度污染。城区和乡村的土壤综合污染指数分别为1.72、1.53，属于轻度污染;郊区土壤综合污染指数为0.88，属于尚清洁;其中城区、乡村土壤中重金属元素Pb、As均属于轻度污染，而郊区土壤中Pb、As属于无污染;城区、郊区与乡村土壤中重金属元素Cr的单因子污染指数均小于1，属于无污染。

致谢：云南大学资源环境与地球科学学院自然地理学专业硕士研究生叶鑫、王振、袁会珍同学在野外土壤采样过程中给予了大力帮助，在此表示衷心感谢！

参考文献：

[1]邓文博，李旭祥. 关中地区土壤重金属空间分布特征及其污染评价[J]. 地球环境学报，2015，6（4）：219-223.

[2]刘玉燕，刘 敏，刘浩峰. 城市土壤重金属污染特征分析[J]. 土壤通报，2006，37（1）：184-188.

[3]章立佳. 上海城市土壤重金属空间变异结构和分布特征[D]. 上海：上海师范大学，2011.

[4]卢 瑛，龚子同，张甘霖，等. 南京城市土壤重金属含量及其影响因素[J]. 应用生态学报，2004，15（1）：123-126.

[5]Hewitt C N，Candy G B. Soil and street dust heavy metal concentration in and around Cuenca，Ecuador[J]. Environmental Pollution，1990，63（2）：129-136.

[6]Markus J A，McBratney A B. Corrigendum-an urban soil study：heavy metals in glebe，Australia[J]. Soil Research，1996，34（3）：466.

[7]杨 蕊，李小平，王继文，等. 西宁市城市土壤重金属分布特征及其环境风险[J]. 生态学杂志，2016，35（6）：1531-1538.

[8]马建华，张 丽，李亚丽. 开封市城区土壤性质与污染的初步研究[J]. 土壤通报，1999（2）：93-96.

[9]Lee C S，Li X D，Shi W Z，et al. Metal contamination in urban，suburban，and country park soils of Hong Kong：a study based on GIS and multivariate statistics[J]. Science of the Total Environment，2006，356（1/2/3）：45-61.

[10]尹 駿. 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.

[11]隆 茜. 上海城乡梯度上重金属污染格局及其磁学响应[D]. 上海：华东师范大学，2013.

[12]Hahs A K，Mcdonnell M J. Selecting independent measures to quantify Melbournes urban-rural gradient[J]. Landscape and Urban Planning，2006，78（4）：435-448.

[13]赵 倩. “城-郊-乡”绿地群落组成结构与其储碳功能的关系研究[D]. 上海：上海师范大学，2014.

[14]赵东波. 线性回归模型中多重共线性问题的研究[D]. 锦州：渤海大学，2017.

[15]陈建军，张乃明，秦 丽，等. 昆明地区土壤重金属与农药残留分析[J]. 生态与农村环境学报，2004，20（4）：37-40.

[16]缪瑞琪，燕永锋，白 燕，等. 昆明市土壤重金属污染评价[J]. 地球与环境，2015，43（5）：536-539.

[17]刘术涛，杨济远，蒋 鹭. 唐山市迁安、滦县表层土壤重金属污染评价——采用单因子指数法和尼梅罗综合指数法[J]. 城市地理，2017（10）：209.

[18]陈翠华，倪师军，何彬彬，等. 基于污染指数法和GIS技术评价江西德兴矿区土壤重金属污染[J]. 吉林大学学报（地球科学版），2008，38（1）：105-111.

[19]孔凡彬，刘 阳. 单因子指数法和内梅罗指数法在土壤环境质量评价中的比较[J]. 甘肃科技，2014，30（3）：21-22.

[20]贾锐鱼，朱万勇，李 楠，等. 西安市公园土壤及灰尘中重金属污染与生态风险评价[J]. 水土保持研究，2015，22（5）：316-320.

[21]刘善幼. 昆明地区环境地球化学的某些特征及土壤中有害微量元素污染[J]. 物探与化探，1991，15（1）：66-73.

[22]李章平，陈玉成，杨学春，等. 重庆市主城区土壤重金属的潜在生态危害评价[J]. 西南农业大学学报（自然科学版），2006，28（2）：227-230，251.

[23]韩亚芬，李 琦. 基于模糊数学的宿州市街尘重金属污染评价[J]. 光谱实验室，2012，29（4）：2300-2305.

[24]梁 涛，史正涛，吴 枫，等. 昆明市街道灰尘重金属污染及潜在生态风险评价[J]. 热带地理，2011，31（2）：164-170.

[25]陈 伟，王 兵，吴兆清，等. 土壤中重金属铬的来源、危害及修复措施[C]//中国环境科学学会. 中国环境科学学会2012学术年会论文集. 南宁，2012：2751-2755.

[26]蒋成爱，吴启堂，陈杖榴. 土壤中砷污染研究进展[J]. 土壤，2004，36（3）：264-270.

[27]方淑波，崔 曲，庞慧焕，等. 上海市城乡梯度上土壤重金属空间分布及其影响因素定量分析[J]. 环境科学学报，2015，35（12）：3976-3984.