區域城市化發展對土壤重金屬Cd含量空間分異的影響
——以晉中盆地為例

劉 斌，郭 星

（1.山西省社會科學院，山西 太原 030006；2.山西大學環境與資源學院，山西 太原 030006）

區域城市化發展對土壤重金屬Cd含量空間分異的影響
——以晉中盆地為例

劉 斌1，郭 星2

（1.山西省社會科學院，山西 太原 030006；2.山西大學環境與資源學院，山西 太原 030006）

經濟的發展、人口規模的擴大、基礎設施的增加等因素促進了城市的發展，也導致了一系列生態環境問題，影響土壤環境質量。通過對晉中盆地12個縣市進行土壤采樣，測定了土壤重金屬Cd的含量，并運用經典統計學方法、地統計學方法結合GIS技術，分析了盆地內Cd的土壤賦存特征、空間分布及污染來源。結果表明，研究區重金屬Cd的均值均大于山西土壤背景值及國家土壤質量二級標準，分別為山西土壤背景值和國家土壤質量二級標準的3.04倍和1.03倍，污染程度已較為嚴重；Cd含量與指數模型可以較好擬合，塊基比為0.596，為中等空間自相關，并且表現為明顯的各向異性；從空間分布來看，Cd的污染呈現為面狀分布，整體污染嚴重，污染來源可能與農業活動中化肥、糞便和污水的灌溉有關，盆地南部污染情況高于北部地區，這可能與南部地區的農業耕作制度有關。

晉中盆地；城市化；重金屬；半方差函數；單因子污染指數

土壤不僅可為人類的生產生活提供生產資料，更是人類生存的物質基礎，同時也是生態環境不可分割的組成部分[1-2]。城市化的發展必然伴隨人口規模的擴大、經濟水平的提高、城市的擴張、工農業活動的增加以及生態環境的改變，這勢必會造成土壤質量的下降，進而威脅人類健康[3-5]。Cd不是人體的必需元素，且作為重金屬“五毒”元素之一，Cd的毒性僅此于Hg[6]，滯留于土壤中的Cd會被植物吸收，殘留于植物可食部分，最終通過食物鏈進入人體，引發腎損害等一系列疾病[7-8]。目前，國內外學者已經廣泛開展了關于土壤重金屬空間分布的研究[9-11]。谷蕾等[12]研究分析了連霍高速附近的土壤分布特征；TRAIAN等[13]利用主成分分析法及聚類分析法分析了羅馬尼亞Vaslui縣土壤重金屬的污染來源及特征；方淑波等[14]利用Kriging插值方法分析了鹽城海岸帶土壤重金屬的污染狀況。這些都偏向于對較小尺度的研究，而針對較大尺度的地理單元土壤重金屬的空間分布研究目前仍然較少。

晉中盆地在解放初期至改革開放前城鎮化發展緩慢，此后城鎮化迅速發展，城鎮化率由1975年的33.45%增長到2000年的60.33%[15]。伴隨城鎮化的發展，土壤中的重金屬也不斷累積，造成了土壤污染。

本研究運用傳統統計學方法結合半方差函數及空間插值方法對盆地土壤中的Cd元素進行研究，分析Cd元素在盆地內的污染現狀、污染來源及空間分布特征，旨在為盆地內Cd的污染治理提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

晉中盆地地處山西中部，經緯坐標為111°36′～112°49′E，36°59′～38°17′N，盆地整體呈東北—西南向長條狀分布。盆地海拔在745～855 m，氣候季節性顯著，年降水在500 mm左右。盆地內包括2個市級城市以及10個縣級城市，并且分布有太原高新技術開發區、榆次工業園區、孝義經濟開發區等12個工業園區和經濟開發區。

1.2 樣品采集

于2015年8月采用隨機抽樣方法在研究區進行土壤樣品采集，樣點面積為10 m×10 m（圖1），按對角線取樣方法，先沿一條對角線分別采集5個土壤樣品，然后將其混合作為一個土壤樣品，之后以相同的方法沿另外一條對角線采集樣品作為平行樣。樣品帶回實驗室，經自然風干后，去除植被殘留物，用木棒碾碎過0.149 mm尼龍篩，利用四分法反復篩選，直至剩余100 g樣品，待測。

1.3 研究方法

為了解研究區Cd的污染情況，分別以山西土壤背景值和國家土壤質量二級標準為參比進行單因子污染指數[16]分析。

式中，Pi為單項污染指數，Ci為第i個樣點實測值，Si為參考標準。其評價標準可分為5個等級（表1）。

表1 單因子污染指數評價分級

1.4 測定項目及方法

樣品中Cd含量采用石墨爐原子吸收分光光度法測定。

1.5數據處理

利用SPSS 19對Cd元素的最大值、最小值、均值、變異系數、方差等進行描述性統計分析以及數據的正太分布檢驗。依據依拉達準則[17]對數據進行異常值處理，即以均值加減3倍標準差為最大和最小邊界，剔除了8個異常值點。半方差函數模型的擬合利用GS＋9軟件完成，Cd含量在盆地的空間分布圖則利用Arcgis 10.0中的普通Kriging插值方法實現。

2 結果與分析

2.1 描述性統計分析

國家土壤質量標準（GB 15618—1995）依據保護目標及功能劃分為3類：第1類適用于自然保護區、水源地和茶園等基本與背景值相當的土壤地區；第2類適用于耕地等土壤類型，要求土壤基本不對植被及作物造成影響；第3類適用于工業聚集地、臨近礦區等土壤容量較大的地區。而研究區耕地土壤占總面積的60%以上，因此，本研究選取山西土壤背景值及國家土壤質量二級標準作為評價標準。變異系數為19.35%，為中等變異程度，表明盆地內Cd元素的污染在地區間具有一定的差異。

由表2可知，重金屬Cd在晉中盆地含量范圍介于0.11～0.48 mg/kg，與山西土壤背景值[18]和國家土壤背景值[19]相比發現，Cd在研究區土壤中的含量最小值均大于山西省和中國土壤背景值，其含量均值為山西省土壤背景值的3.04倍,說明Cd在盆地內已經呈現出明顯的富集現象；與國家土壤質量二級標準（0.3 mg/kg）相比，盆地內Cd含量均值為國家土壤質量二級標準的1.03倍，說明盆地內Cd達到一定程度的污染。

表2 晉中盆地土壤重金屬Cd的土壤特征值

為進一步了解研究區污染狀況，分別對盆地內12個市縣以山西土壤背景值與國家土壤質量二級標準為評價標準進行單因子污染評價。結果表明，以山西背景值為標準，盆地整體污染比較嚴重，P值為2.92，已經達到第Ⅳ級污染等級，屬中等程度的污染。各市縣污染程度大小依次為祁縣=孝義＞文水＞榆次＞汾陽＝介休＞平遙＞太原=陽曲＞交城＞太谷＞清徐，以山西土壤背景值為參比，祁縣、孝義、文水、榆次、汾陽、介休和平遙P值均大于3，表明Cd污染在這些地區已經十分嚴重，而其他市縣P值也介于2～3，污染亦比較嚴重。污染程度達到嚴重污染的縣市多處于盆地南部，而中等程度污染的多處于盆地北部，這可能與研究區內南北熟制的差異有關，在太原及以北地區為一年一熟，太原以南則為兩年三熟，從而導致盆地南部農業活動相對較多，使Cd污染較為嚴重。以國家土壤質量二級標準為參考，太原、交城、清徐、陽曲和太谷P值介于0.7～1.0，處于警戒范圍，而其他各市縣則達到輕度污染（表3）。

表3 晉中盆地土壤重金屬Cd污染評價指數

2.2 半方差函數分析

半方差函數可以反映數據在空間上的變異程度[20-21]，其中，塊基比為半方差函數重要的參數值，其可以在一定程度上反映出影響變量空間變異的因素，當塊基比＜0.25時，表示變量具有強烈的空間自相關性，介于0.25～0.75時為中等空間自相關性，＞0.75時則空間相關性不顯著[22-23]。利用GS+9軟件對盆地內樣點Cd含量進行擬合（表4），結果發現，最適模型為指數模型，塊基比為0.596，為中等自相關性，說明Cd元素變異受結構性因素（土壤母質、地形和降水等自然因素）和隨機性因素（農業活動、污水排放等人為因素）共同影響。變程為空間內2點間具有空間相關性的最小距離，超出這個范圍則2點不具有相關性。表4結果顯示，Cd在盆地內的變程為18 959 m，變程范圍為中等程度，表明Cd空間變異受較大尺度因素的影響。

表4 土壤重金屬Cd含量的理論模型及相關參數

為進一步了解Cd在盆地的空間變異特征，從東西向（0°）、東北—西南向（45°）、南北向（90°）和西北—東南向（135°）分別對Cd進行各向異性分析。從圖2可以看出，Cd在4個方向上具有明顯的各向異性，且在0°和45°方向空間變異程度明顯弱于90°和135°方向。在0°方向半方差值變化不太顯著，而在45°方向3 000～15 000 m，Cd的半方差值呈現明顯的向上突出趨勢，這可能與研究區整體及研究區內城市呈東北—西南方向分布相關；在90°方向，半方差值則為不規則的上下波動趨勢，這一方面可能與地勢的起伏變化有關，另一方面也可能與南北方向土地利用變化及城鄉變化相關；在135°方向，半方差值在0～18 000 m表現為明顯的上升態勢，18 000～27 000 m則為明顯的下降趨勢，并且半方差值離散程度很大，該方向變異可能與地形的變化以及農業活動有關，在盆地西北一側為呂梁山脈，而在東南方向則為太行山脈。

2.3 克里金空間插值

空間插值可以直觀呈現出研究區土壤重金屬的含量分布[24]，利用Arcgis 10.0中的普通克里金插值并將GS＋9中得到的模型參數代入，得到盆地重金屬Cd的空間分布圖（圖3）。

從圖3可以看出，Cd元素在盆地內呈現明顯的面狀分布特征，且大體上南部Cd含量大于北部含量。盆地Cd含量最小值為0.2 mg/kg，遠大于山西土壤背景值0.102 mg/kg，說明盆地在整體上已經呈現為全局性污染。在文水、平遙和祁縣交界一帶存在一個明顯的峰值，而汾陽、孝義、平遙、文水、祁縣和清徐大部分都處于0.31～0.33 mg/kg范圍，這些地區均高于國家土壤質量二級標準，污染情況不容忽視。據統計，化肥、糞肥和污染灌溉是我國土壤Cd污染來源的前3位[25]，而盆地中部及南部則是山西重要的糧食作物產區，農業活動頻繁，因此，盆地內農業生產過程中磷肥、污水灌溉等活動與重金屬Cd的污染有關。

3 結論

統計結果表明，Cd的最小值大于山西土壤背景值，其均值超過了國家土壤質量二級標準（0.3 mg/kg），說明重金屬Cd在晉中盆地富集明顯。以山西土壤背景值為評價標準，太原、交城、清徐、陽曲和太谷P值介于2～3，為中等程度污染，其余各市縣P值則大于3，為重度土壤污染。以國家二級標準為評價標準，太原、交城、清徐、陽曲和太谷P值介于0.7～1.0，處于警戒污染程度，其他市縣則達到輕度污染程度。整體上，盆地污染較嚴重，且南部高于北部。

從半方差函數分析可以看出，Cd含量具有中等自相關程度，各向異性顯著。在南北（90°）方向和西北—東南（135°）方向半方差值波動劇烈，說明Cd的空間變異受地形、土地利用方式、農業活動等影響強烈。

空間插值分析顯示，在文水、平遙交界地區，Cd含量最為突出，而以此為中心四周Cd含量均處于較高含量值，且分布面積廣，這與當地的農業活動息息相關。此外，盆地北部Cd含量明顯低于南部，這可能與研究區南北耕作制度的差異有關。

［1］黃昌勇.土壤學[M].北京：農業科學出版社，2000.

［2］陳晶中，陳杰，謝學儉，等.土壤污染及其環境效應[J].土壤，2003，35（4）：298-303.

［3］王小魯.中國城市化路徑與城市規模的經濟學分析 [J].經濟研究，2010（10）：20-32.

［4］ DING Q，CHENG G，WANG Y，et al.Effects of natural factors on the spatial distribution of heavy metals in soils surrounding mining regions[J].Science ofthe Total Environment，2016，578：577-585.

［5］ ZHAO JUN，JIAN BO，JIANG，et al.Research progress of heavy metal pollution in China：sources,analytical methods,status,and toxicity[J].Chinese Science Bulletin，2013，58（2）：134-140.

［6］董清雷.山西晉中盆地土壤重金屬地球化學評價 [J].華北國土資源，2004（6）：11-14.

［7］崔玉靜，趙中秋，劉文菊，等.鎘在土壤-植物-人體系統中遷移積累及其影響因子[J].生態學報，2003，23（10）：2133-2143.

［8］劉昭兵，紀雄輝，彭華，等.磷肥對土壤中鎘的植物有效性影響及其機理[J].應用生態學報，2012，23（6）：1585-1590.

［9］MINNIKOVATV，DENISOVAT V，MANDZHIEVA S S，et al.Assessingthe effect ofheavymetals fromthe Novocherkassk power station emissions on the biological activity of soils in the adjacent areas[J].Journal ofGeochemical Exploration，2016，174：70-78.

［10］張鵬巖，秦明周，閆江虹，等.黃河下游灘區開封段土壤重金屬空間分異規律[J].地理研究，2013，32（3）：421-430.

［11］楚純潔，周金風.平頂山礦區丘陵坡地土壤重金屬分布及污染特征[J].地理研究，2014，33（7）：1383-1392.

［12］谷蕾，宋博，仝致琦，等.連霍高速不同運營路段路旁土壤重金屬分布及潛在生態風險 [J].地理科學進展，2012，31（5）：632-638.

［13］UNGUREANU T，IANCU G O，PINTILEI M，et al.Spatial distribution and geochemistryof heavymetals in soils：A case studyfrom the NE area of Vaslui county，Romania[J].Journal of Geochemical Exploration，2016，176：20-32.

［14］方淑波，賈曉波，安樹青，等.鹽城海岸帶土壤重金屬潛在生態風險控制優先格局[J].地理學報，2012，67（1）：27-35.

［15］王應剛.晉中盆地城市化發展對區域生態環境影響研究[D].太原：山西大學，2007.

［16］孟飛，劉敏，崔健.上海農田土壤重金屬含量的空間分析[J].土壤學報，2008，45（4）：725-728.

［17］張敏，袁輝.拉依達（Pauta）準則與異常值剔除[J].鄭州工業大學學報，1997，18（1）：84-88.

［18］史崇文，趙玲芝，郭新波，等.山西土壤元素背景值及其特征[J].華北地質礦產雜志，1994（2）：188-196.

［19］中國環境監測總站.中國土壤元素背景值[M].北京：中國環境出版社，1990.

［20］王政權.地統計學及在生態學中的應用 [M].北京：科學出版社，1999：35-149.

［21］劉付程，史學正，潘賢章，等.太湖流域典型地區土壤磷素含量的空間變異特征[J].地理科學，2003，23（1）：77-81.

［22］王勇輝，鐘巧，焦黎.夏爾希里地區土壤重金屬特征及空間變異分析[J].干旱區地理（漢文版），2016，39（5）：1043-1050.

［23］張繼舟，呂品，王立民，等.大興安嶺森林土壤重金屬含量空間變異與污染評價[J].生態學雜志，2015，34（3）：810-819.

［24］湯國安.ArcView地理信息系統空間分析方法[M].北京：科學出版社，2002.

［25］LUO L，MA Y，ZHANG S，et al.An inventory of trace element inputs toagricultural soils in China[J].Journa ofEnvironmental Management，2009，90（8）：2524-2530.

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

LIUBin1，GUOXing2
（1.Shanxi AcademyofSocial Sciences，Taiyuan 030006，China；2.College ofEnvironment and Resources，Shanxi University，Taiyuan 030006，China）

The factors of economic development,the expansion of population size and the increase in infrastructure promote the development of the city,but also lead to a series of ecological and environmental problems that affecting soil quality.The heavy metals content ofCd tested bycollectingthe samples in surface soil in Jinzhongbasin,and the soil characteristics,spatial distribution,sources of pollution of Cd in the basins was analyzed by using the classical statistical method and geostatistics method.The results showed that the average value ofheavymetal Cd in the studyarea was higher than that ofShanxi soil background value and national soil quality standard,which was 3.04 times and 1.03 times of the background value and secondary standard,respectively,indicating that the pollution degree was more serious.Cd contents could be well fitted with and exponential model,nugget variance of 0.596,which was medium spatial autocorrelation and obvious anisotropy.From the spatial distribution,the pollution of Cd appeared as a planar distribution,and the whole pollution was serious,sources of pollution might be related to the irrigation of fertilizers,feces and sewage in agricultural activities,the pollution in the southern part ofthe basin was higher than the northern region,which might be related tothe agricultural farmingsystem in the southern region.

Jinzhongbasin;urbanization;heavymetals;semi variogram;single factor pollution index

X53

A

1002-2481（2017）11-1818-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.11.21

2017-07-14

國家自然科學基金項目（31070424）；山西省軟科學研究計劃重點項目（2017042014-7）

劉 斌（1985-），男，山西運城人，助理研究員，碩士，主要從事生態學和社會影響評價研究。