城市交通绿地土壤磁性的空间变异特征及其环境意义

孙于然，柳云龙, ，陈诚，冯瑶

1. 上海师范大学地理系，上海 200234；2. 上海师范大学城市生态与环境研究中心，上海 200234

城市土壤重金属及其它污染物已成为环境科学等领域国内外研究的热点（Gulan et al.，2017；李小平等，2015）。城市交通运输在人民生活生产中发挥着日趋重要的作用，交通需求的上升带来了机动车车流量的快速增加，交通道路作为非点源污染源对其两侧土壤和居民的污染也日趋明显。道路污染源包括汽车尾气、轮胎摩擦碎片、路面沥青、地表径流等，城市交通绿地土壤污染的分布主要是以交通道路为中心向其两侧呈带状延伸，公路周边土壤中的Cu、Zn、Pb等重金属污染物被视为典型的交通源污染物，这些重金属在公路两侧土壤中累积和迁移，通过食物链和扬尘等影响人体健康（Harrison et al.，2003；Chen et al.，1997；Liu et al.，2016）。传统土壤污染的分析方法具有测量周期长、费用高、破坏样品等缺点。而环境磁学方法具有简单快捷、费用低和非破坏性等优点（王新等，2017)。它主要研究大气、土壤、沉积物等物质中磁性矿物的磁性，通过分析反映磁性矿物含量、种类和配比情况的磁学参数，研究得出不同污染载体的磁性特征及环境意义（卢升高等，2008；Zawadzki et al.，2016；Rachwał et al.，2015）。

源于工业生产和交通源的磁性颗粒，呈球形结构，有别于自然成土过程形成的针状等不规则形状的磁性颗粒，这与化石燃料的高温燃烧有关（邓海英等，2017；Zawadzki et al.，2015）。交通运输等人类活动排放的磁性颗粒物与污染物相伴，通过大气降尘和地表径流等途径进入土壤，导致土壤污染和土壤磁性显著增高。交通道路两侧土壤多项磁学参数及其关系的研究结果显示，土壤磁性增强是由各种环境污染物中的磁性物质进入导致的，可根据高磁化率值判断土壤污染情况（Qian et al.，2011；Attoucheik et al.，2017；王冠等，2018）。不同磁学参数及其比值指示了不同的环境意义，研究其空间分布可获得土壤污染的空间格局和来源（陈学刚等，2014；Kamacı et al.，2017；Fabijańczyk et al.，2016；Rachwał et al.，2015）。利用道路两侧土壤磁性特征及其空间分布的变化来分析城市交通污染状况和范围已成为一种有效方法（Hoffmann et al.，1999；沈明洁等，2007）。

受人类活动的影响，磁性矿物的分布存在强烈的空间变异性。地统计学是土壤空间变异研究的主要方法（Blanchet et al.，2017），但对于复杂的土壤变异系统，常用的空间分析方法无法准确模拟某些土壤特性多尺度、多过程的空间异质性，尤其是局部的奇异性信息（张法升等，2011）。近年来，分形理论逐渐被用于土壤属性的空间分析（Dafonte et al.，2015；张世文等，2018），通过非整数维数来表示土壤空间结构和分布特征，能定量表达土壤属性空间变异的复杂程度。目前，基于分形理论对城市交通道路沿线土壤多种磁性参数的空间结构特征分析较少，将分形理论与地统计学相结合，通过空间插值研究区域土壤属性的定量化方法，是对土壤属性空间变异性研究的拓展。多种磁学参数和分形学的运用更能从不同磁性矿物的环境意义来分析交通绿地土壤磁性的空间变异特征。本文以上海市闵行区城市交通绿地土壤为研究对象，基于地统计学和分形理论，通过多种磁学参数分析城市交通绿地土壤磁性矿物的组分、含量及来源，探索土壤磁学参数的空间结构、空间分布特征及其环境意义，为交通道路沿线的土壤污染调查、管理和利用提供支持。

1 材料与方法

1.1 土壤样品采集

选取上海外环高速S20闵行区七宝镇境内路段（近漕宝路），公路位于研究区域西侧，在道路一侧以5 m的采样间距设置样点，网格布点使取样点分布相对均匀。采样点GPS精确定位，土壤采样深度为0－20 cm，共采集样点30个，样点分布如图1所示。

1.2 实验测试

土壤样品在野外剔除较大固体颗粒物，放入聚乙烯塑料密封袋，避免样品之间接触污染。样品运回实验室后自然风干，然后研磨至100目以下，密封保存。称取土壤样品4－5 g，运用英国Bartington MS2磁化仪、Dtech 2000交变退磁仪、MMPM 10脉冲磁化仪和Molspin旋转磁力仪测量了土壤样品的磁学参数，包括低频磁化率（χlf）、高频磁化率（χhf）、非磁滞剩磁（ARM，交变磁场峰值为100 mT，直流磁场为0.1 mT）、饱和等温剩磁（SIRM，磁场强度为1 T）、IRM-100mT、IRM-300mT（样品经IT磁场磁化后分别经-100 mT、-300 mT退磁后的剩磁）。并计算了频率磁化率χfd%、非磁滞剩磁磁化率χARM、硬剩磁（HIRM）、退磁参数（S-300mT），其中S-300mT的计算公式为：

1.3 地统计学

地统计学以区域化变量理论为基础，以半方差函数为主要工具，研究在空间分布上既有随机性又有结构性的自然现象的科学。半方差函数计算公式为：

式中：h为样本间距；γ(h)为半方差函数值；N(h)指间距h时的样点对数；Z(xi)和Z(xi+h)为区域化变量Z在空间位置xi和xi+h上的值。半方差函数的理论模型有球状、高斯、指数、线性等模型，通过决定系数R2和残差RSS选择最优拟合模型。

克里金（Kriging）插值法是地统计学的主要内容之一，实质是利用区域化变量的原始数据和半方差函数的结构特点，对未采样点的区域化变量的取值进行线性无偏最优估计：

式中：Z(x0)是在未经观测的 x0点上的内插估计值，Z(Xi)是在点 x0附近的若干观测点上获得的实测值。

图1 研究区域样点分布图Fig. 1 Distribution of study regional sampling

1.4 分形维数

对于分形分布的空间随机变量，其半方差函数和间距的对数值存在线性关系。将各磁性参数的间距（h）及其对应的变异值（γ(h)）绘在双对数坐标纸上，由lgγ(h)和lgh回归直线的斜率计算出分形维数D：

分形维数D表征样本之间的结构，其中H取0－1。1＜D＜1.5时，表明土壤磁性的空间变异性中结构性变异比例越大；D≈1.5时，表明土壤磁性空间变异受结构性和随机性因素共同影响；1.5＜D＜2时，表明土壤磁性的空间变异主要由随机性因素主导（张法升等，2011）。

2 结果

2.1 土壤磁性矿物含量分析

交通绿地土壤磁学参数的描述性统计特征如表 1。土壤 χlf、χARM、SIRM 和 HIRM指示了磁性矿物的含量，χlf通常用作亚铁磁性矿物含量的粗略量度，χARM反映了亚铁磁晶粒的磁畴信息，SIRM主要由亚铁磁性矿物和不完整反铁磁性矿物所贡献，HIRM表示不完整反铁磁性矿物含量（王博等，2014）。研究区内 χlf、χARM、SIRM、HIRM 的均值分别为 62.75×10-8m3·kg-1、191.91×10-8m3·kg-1、9249.86×10-6Am2·kg-1、375.00×10-6Am2·kg-1，变异系数分别为0.44、0.32、0.49、0.53，变异程度均属于中等，表明研究区内土壤磁性矿物含量在空间上的差异性较大，可能与城市环境中磁性矿物来源的多样性有关。

2.2 土壤磁性矿物组成分析

土壤 S-300mT和 SIRM/χlf指示了磁性矿物的种类及其比例，S-300mT指示了亚铁磁性矿物和不完整反铁磁性矿物的含量比例，当S-300mT接近于100%时，亚铁磁性矿物占主导地位（俞立中等，1993），研究区内S-300mT均值和变化范围分别为95.24%，81.62%－99.79%，表明土壤样品中低矫顽力的亚铁磁性矿物主导样品的磁性特征，同时含有少量的不完整反铁磁性矿物。SIRM/χlf反映磁性矿物的类型，当 SIRM/χlf的值约为 1.5－50 Kam-1时，土壤中的亚铁磁性矿物以磁铁矿（Fe3O4）为主（Peters et al.，1998），研究区内土壤样品 SIRM/χlf均值为 14.13 Kam-1，变化范围为1.156－12.53 Kam-1，表明样品中土壤亚铁磁性矿物以磁铁矿为主。

表1 土壤磁学参数统计特征Table 1 Statistical characteristics of soil magnetic parameters

2.3 土壤磁性矿物粒度分析

土壤 χfd%、χARM/χlf和 χARM/SIRM 能够指示磁性矿物颗粒的粒径大小，χfd%指示了超磁性 SP颗粒的含量，SP颗粒产生于风化成土过程，属于自然成因，晶粒粒径较小。当土壤样品中χfd%＜2%时，基本不含有SP颗粒，在2%－10%时表明土壤样品中含有少量的SP颗粒且不占主导地位（敖红等，2007）。研究区内土壤样品 χfd%的均值是 1.89%，变化范围为0.492%－3.195%，仅有部分土壤样品χfd%＞2%，表明城市交通绿地土壤含有少量的超顺磁性SP颗粒。

χARM/χlf与亚铁磁性矿物颗粒粒径的大小有关，数值受到超顺磁 SP颗粒影响，χARM/SIRM 不受超顺磁 SP颗粒影响，低值反映土壤样品中含有较多的多畴（MD）颗粒（王博等，2014）。在样品中的磁性矿物以磁铁矿为主导的情况下，若土壤中χARM/χlf＜4，χARM/SIRM＜30×10-5mA-1，则土壤中亚铁磁性矿物晶粒以假单畴（PSD）和多畴（MD）颗粒为主（Peters et al.，1998）。交通绿地土壤样品中，χARM/χlf的均值是 3.299，变化范围为 2.436－4.267，χARM/SIRM 的均值是 22.87×10-5mA-1，范围为 15.64－32.53×10-5mA-1，说明交通绿地土壤中磁性矿物晶粒以PSD-MD为主，颗粒较粗，粗粒磁性矿物是城市交通绿地土壤磁性的主要载体。

3 讨论

3.1 城市交通绿地土壤磁性颗粒的成因

由上述分析可知城市交通绿地土壤磁性矿物含量空间分异性较大，且粗粒磁性矿物占主导地位。成土过程中形成的次生磁性矿物会加强土壤的磁性，具体表现为χlf和χfd%的同时增加。人为活动产生的污染物质往往伴随着磁性颗粒的生成，造成表土磁性的增强，具体表现为χfd%随χlf的增加而下降，二者呈负相关（旺罗等，2000）。研究区内 χlf和χfd%的散点图（图2）显示，χfd%随着χlf的升高呈下降趋势，说明研究区内土壤磁性的变化以及粗粒磁性矿物的生成与人为活动有关。当 χlf值超过50×10-8m3·kg-1时，上海城市表土受到污染（Hu et al.，2007），研究区内 χlf的变化范围为 32.40－117.49×10-8m3·kg-1，均值为 62.75×10-8m3·kg-1，表明研究区域内部分土壤点位已受到污染。

3.2 交通绿地土壤磁学参数的空间结构

选择能指示土壤磁性矿物含量、组成和粒度的磁学参数 HIRM、SIRM、χlf、S-300mT、χARM、χARM/SIRM，采用地统计学和分形学方法描述各磁学参数的空间变异特征。统计结果如表2所示。由表2可知，各磁学参数均符合正态分布，各土壤磁学参数均具有较明显的基台值，说明土壤磁学参数具有明显的空间相关性。土壤 χlf、SIRM 和χARM/SIRM符合高斯模型，χARM、HIRM和S-300mT符合球状模型，决定系数均较高，模型拟合度较好，拟合模型均能很好地描述各磁学参数的空间变异结构。块金系数大小依次为 S-300mT＞χlf＞SIRM＞χARM＞χARM/SIRM＞HIRM，且均小于 0.25，表现为强烈的空间自相关性，说明其空间变异主要由结构性因素引起，城市交通绿地土壤磁学参数的空间变异性可能与汽车尾气排放的不同大小的磁性颗粒结构性沉降有关。除半方差函数外，土壤磁学参数的空间结构特征还可用分形维数D来定量描述。多数自然变量相邻两个信息点间通常并非是线性变化或光滑过渡的，存在局部、非线性变化特征，而分形学可借助分形自相似性揭示变量的局部非线性变化。由表2可知，各磁学参数D值范围为1.421－1.994，D 值由高到低依次为 S-300mT＞HIRM＞χARM＞χlf＞SIRM＞χARM/SIRM。除 χARM/SIRM 外，其余磁学参数的D值均大于1.5，分形分析结果显示交通绿地土壤磁学参数的局部空间变异主要由人为随机性因素控制。土壤S-300mT、HIRM、χARM、χlf和SIRM存在局部随机特性的空间结构。半方差函数通过总体平滑的处理总体反映了土壤磁学参数的空间分布规律，而分形维数通过不规则几何形态的分析强调局部异常信息。说明交通绿地表层土壤S-300 mT、HIRM、χARM、χlf和SIRM空间变异性总体上由结构性因素主导，但局部的空间结构变异仍然受随机性因素影响，这也反映了影响城市土壤性质空间变异因素的复杂性。

表2 土壤磁学参数变异函数及分形维数Table 2 Soil magnetic parameter semivariance function and Fractal dimension

3.3 交通绿地磁学参数空间分布及其环境意义

图3 土壤磁学参数空间分布图和误差图Fig. 3 Spatial distribution and error of soil magnetic parameters

为直观地反映交通绿地土壤磁学参数的空间分布格局，根据所拟合的半方差函数模型，在ArcGIS软件中采用普通克里金插值进行最优内插，绘制了交通绿地土壤磁学参数的空间分布图，并通过交叉验证法对普通克里金插值的标准误差进行了分析，生成插值误差分布图，如图3所示。由图3 可知，交通绿地土壤 χlf、χARM、SIRM 和 χARM/SIRM呈现条带状和岛状相结合的分布特征，其中χlf、χARM和SIRM分布特征总体表现为离道路越远，其数值呈先递增后递减的趋势，χARM/SIRM的空间分布呈现低值靠近道路、高值远离道路的特征。交通绿地磁性矿物含量呈条带状分布与磁性颗粒粒径大小有关，交通车辆排放的尾气以及轮胎磨损产生的污染物质往往伴随着大量磁性颗粒物，空气中悬浮的粗粒径磁性颗粒物在路基一侧迅速沉降，而细粒径磁性颗粒物在空气中经短暂扩散后降沉进入土壤，导致土壤磁性增强，并产生交通污染（王学锋等，2011）。由各磁学参数的分布可知：公路5 m以内主要是粗颗粒多畴磁性矿物晶粒，10 m以外则以假单畴磁性矿物晶粒为主，5－10 m之间，则为两种矿物晶粒沉降分布的重叠区，因此距离公路越远χlf、χARM和SIRM的空间分布变化是先增大后减小。HIRM和S-300mT呈多岛状分布，分形维数较高，且在空间分布上呈现相反的趋势，HIRM总体上呈现了中心向四周逐渐减小的趋势，而S-300mT总体上呈现了中心向四周逐渐增强的趋势。岛状、多岛状和条带状相结合的分布特征也间接反映了交通绿地土壤磁性参数空间变异影响因素的复杂性，工业源、交通源、道路基建客土、城市下垫面微气象条件、地面径流等因素均产生了影响。

4 结论

（1）交通绿地土壤中的磁性矿物以亚铁磁性磁铁矿为主，同时含有少量的不完整反铁磁性矿物，磁性矿物晶粒以粗颗粒假单畴（PSD）和多畴（MD）为主，同时含有少量的超顺磁性（SP）颗粒，表明粗粒磁铁矿是交通绿地土壤磁性的主要载体，且低矫顽力的磁铁矿是城市土壤磁性增强的主要贡献者，研究区内土壤磁性矿物含量在空间上具有较大差异，受人为活动影响强烈。

（2）半方差函数拟合结果表明，χlf、SIRM 和χARM/SIRM符合高斯模型，χARM、HIRM和S-300mT符合球状模型。6种磁性参数的块金系数在 0.031－0.245之间，空间自相关性大，空间变异性受交通车辆尾气磁性颗粒的结构性沉降影响。分形学结果显示，土壤 S-300mT、HIRM、χARM、χlf和 SIRM存在局部随机特性的空间变异特征。

（3）土壤磁性参数空间分布图显示，χlf、χARM、SIRM和χARM/SIRM呈现条带状与岛状相结合分布的特征，HIRM和S-300mT呈多岛状分布。条带状分布与汽车尾气中不同粒径磁性晶粒的结构型沉降有关，而岛状、多岛状则反映交通绿地土壤磁性参数空间变异影响因素的复杂性，交通源、工业源、道路基建等因素均影响土壤磁学参数的空间分布特征。