昆明市中部城-郊-鄉(xiāng)梯度上土壤重金屬分布特征及其污染評(píng)價(jià)

張淑潔 何云玲 李同艷

摘要：基于航空遙感影像，選取昆明市典型的城-郊-鄉(xiāng)樣帶，利用地理信息系統(tǒng)（ArcGIS 10.2）和景觀格局分析（Fragstats 4.2）軟件，選用4個(gè)城市化指標(biāo)，基于主成分分析（PCA）和多元線性回歸分析對(duì)研究區(qū)域城市化水平進(jìn)行量化，在此基礎(chǔ)上結(jié)合土壤重金屬采樣結(jié)果，對(duì)研究區(qū)域土壤重金屬的空間分布特征進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)其污染水平。結(jié)果表明，昆明市中部城、郊、鄉(xiāng)土壤中各重金屬含量總體均符合土壤環(huán)境質(zhì)量Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其中Pb、Cr、As的平均含量分別為53.35、45.33、16.81 mg/kg，Pb、As含量高于土壤環(huán)境背景值，Cr含量低于背景值;城-郊-鄉(xiāng)梯度上土壤重金屬元素Pb含量呈現(xiàn)出城區(qū)>鄉(xiāng)村>郊區(qū)的特征，城區(qū)土壤中重金屬元素Pb含量為郊區(qū)的2.08倍，鄉(xiāng)村的1.29倍;鄉(xiāng)村土壤中重金屬元素Cr、As的含量均高于城區(qū)與郊區(qū);城區(qū)和鄉(xiāng)村的土壤綜合污染指數(shù)分別為1.72、1.53，屬于輕度污染;郊區(qū)土壤綜合污染指數(shù)為0.88，屬于尚清潔。

關(guān)鍵詞：城-郊-鄉(xiāng)梯度;土壤;重金屬;分布特征;污染評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)： X53 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2019）12-0302-05

在城市生態(tài)系統(tǒng)中，城市土壤作為一個(gè)重要組成部分，不僅為土壤微生物提供棲息地和能量來源，同時(shí)作為城市綠化植物的生長(zhǎng)介質(zhì)，供應(yīng)植物生長(zhǎng)所需的各種養(yǎng)分。隨著城市化的快速發(fā)展和大量人口向城市的集聚，城市環(huán)境問題日趨突出，其中城市土壤重金屬污染就是其中之一。人類活動(dòng)對(duì)城市生態(tài)環(huán)境的強(qiáng)烈擾動(dòng)，特別是大量交通運(yùn)輸車輛尾氣的排放以及工業(yè)污染物，會(huì)對(duì)城市土壤造成較為嚴(yán)重的重金屬污染[1]。重金屬是一類對(duì)土壤具有潛在危害的污染物，由于其不易移動(dòng)，不可被微生物分解的特性，容易在土壤中富集，導(dǎo)致土壤肥力迅速下降，且難以消除[2]。受污染的土壤還會(huì)通過地表徑流、滲濾、揚(yáng)塵等對(duì)地表水、地下水及大氣環(huán)境造成二次污染[3]。不僅如此，重金屬元素還可通過被污染的食物、大氣、水體，甚至皮膚吸收等途徑進(jìn)入人體，危害人類健康[4]。

目前已有很多學(xué)者針對(duì)城市土壤的重金屬分布特征與污染狀況進(jìn)行了研究。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于城市土壤重金屬污染問題的研究較早，例如Hewitt等早在20世紀(jì)90年代就分別對(duì)昆卡市、倫敦市的土壤重金屬元素進(jìn)行了研究[5-6]。近年來，隨著我國(guó)城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，交通運(yùn)輸和工業(yè)生產(chǎn)等活動(dòng)的持續(xù)加強(qiáng)，城市土壤污染問題，特別是土壤中所含重金屬對(duì)人體健康的危害已經(jīng)引起了社會(huì)廣泛關(guān)注;例如楊蕊等對(duì)西寧市城市土壤重金屬分布特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)西寧市城市土壤中鉻（Cr）、鈷（Co）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鍶（Sr）等5種重金屬元素均超出了土壤背景值，西寧市城市土壤污染達(dá)到中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[7];馬建華等對(duì)開封市城區(qū)土壤污染進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)城區(qū)土壤重金屬污染程度高于郊區(qū)與鄉(xiāng)村[8]，與其他學(xué)者對(duì)城市土壤重金屬污染狀況的研究結(jié)果[9-11]一致。雖然已有很多學(xué)者研究了城鄉(xiāng)土壤重金屬污染的變化特征與差異，但是對(duì)城鄉(xiāng)梯度的劃分多是基于行政區(qū)劃進(jìn)行定義。城-郊-鄉(xiāng)梯度的形成應(yīng)該是多種因素相互作用的結(jié)果，因此，一些學(xué)者以城-郊-鄉(xiāng)之間的各種差異作為指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行量化。如Hahs分析了包括人口變量、物理變量、景觀格局指數(shù)等17個(gè)指標(biāo)，通過主成分分析選取了綜合指標(biāo)、人口密度、景觀形狀指數(shù)和土地利用類型指數(shù)4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行城-郊-鄉(xiāng)梯度的量化[12]。趙倩根據(jù)不透水層比例、道路密度、住宅比例與最大斑塊指數(shù)、平均板塊指數(shù)和香農(nóng)多樣性指數(shù)對(duì)上海市的城-郊-鄉(xiāng)梯度進(jìn)行了劃分[13]。

昆明市作為云南省最大的中心城市，近年來工業(yè)化和城市化進(jìn)程發(fā)展迅速，土壤中重金屬的累積問題開始受到關(guān)注，雖然已有一些相關(guān)報(bào)道，但調(diào)查采樣范圍較小，以及采樣調(diào)查樣方比較主觀。因此，本研究采用遙感影像與地理信息系統(tǒng)（geographic information system，簡(jiǎn)稱GIS）技術(shù)的結(jié)合對(duì)昆明市的城鄉(xiāng)梯度進(jìn)行量化，在此基礎(chǔ)上研究昆明市土壤重金屬分布特征與污染狀況，旨在了解昆明市土壤重金屬含量沿城鄉(xiāng)梯度的變化特征與污染程度，為昆明市未來的土壤污染控制與管理、提高城市環(huán)境質(zhì)量與居民健康提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

昆明市位于云貴高原中部，在24°24′～26°33′N，102°10′～103°41′E之間，主城區(qū)海拔1 891 m，地勢(shì)北高南低，三面環(huán)山，受地理位置和大氣環(huán)流的影響，屬低緯亞熱帶高原山地季風(fēng)氣候，四季不分明，而干季（11月至次年4月），雨季（5月～10月）特別顯著。昆明盆地是位于我國(guó)南北構(gòu)造帶南段的構(gòu)造盆地，地址構(gòu)造復(fù)雜，地基較軟，土壤主要為紅壤和磚紅壤。

昆明市的行政區(qū)劃素來有“四區(qū)八縣”之稱（后期規(guī)劃中才新并入呈貢新區(qū)），4區(qū)即為昆明市的主要行政區(qū)和主要建成區(qū)所在地，分別為西山區(qū)、五華區(qū)、盤龍區(qū)和官渡區(qū)，主要位于昆明市的中部地區(qū);考慮到其山間盆地的地貌類型，本研究以這4個(gè)區(qū)的城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶土地景觀空間格局連續(xù)區(qū)域作為主體研究區(qū)。

2 研究方法

2.1 城-郊-鄉(xiāng)梯度的劃分

考慮到數(shù)據(jù)的充分利用性和各類城市化指數(shù)的特點(diǎn)，本研究通過借鑒以往相關(guān)研究篩選出的城鄉(xiāng)梯度劃分指標(biāo)，結(jié)合昆明市實(shí)際地理環(huán)境特征，通過前期大量實(shí)地調(diào)研反復(fù)比對(duì)和校正，最后選取了2類指標(biāo)進(jìn)行城市化指數(shù)的描述（表1）：第1類為物理變量，包括不透水下墊面比例，道路網(wǎng)密度;第2類為景觀變量，包括景觀形狀指數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)。采用精度為30 m的GDEMDEM數(shù)據(jù)，獲得山體陰影圖;通過精度為2.5 m衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，在ArcGIS 10.2中經(jīng)過地理配準(zhǔn)、目視解譯等，計(jì)算道路網(wǎng)密度。使用Landsat8遙感影像（空間分辨率為30 m，云量為0.48%），在ArcGIS 10.2中獲得不透水表面比例。用Fragstates 4.2分析景觀形狀指數(shù)和香農(nóng)多樣性指數(shù)數(shù)據(jù)。在ENVI 5.1軟件中，采用監(jiān)督分類，根據(jù)GB/T 21010—2007《土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)》與實(shí)際情況相結(jié)合，并在該地區(qū)地形圖（1 ∶ 50 000）、土地利用圖等相關(guān)資料輔助下，提取土地利用類型信息。計(jì)算Kappa系數(shù)為 0.868 3，符合實(shí)地調(diào)查驗(yàn)證結(jié)果。

將土壤中各重金屬元素的含量、pH值進(jìn)行相關(guān)分析，由表5可見，Pb與As的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.624，呈高度相關(guān)性，在一定程度上說明了來源的相關(guān)性，二者很可能來自同一影響源或以復(fù)合污染的形式出現(xiàn)顯著積累;Cr與As的相關(guān)系數(shù)為0.574，呈極顯著正相關(guān)，說明Cr與As可能部分同源[24];As含量與土壤pH值之間呈極顯著正相關(guān)，表明隨著土壤中pH值的增加As元素的含量呈上升趨勢(shì)。

3.5 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

通過單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法計(jì)算各重金屬元素的污染程度，結(jié)果見表6。從單因子污染程度來看，昆明市城郊鄉(xiāng)土壤中重金屬元素Pb、As均表現(xiàn)為輕度污染，重金屬元素Cr為無污染;土壤綜合污染指數(shù)達(dá)到了1.46，為輕度污染，土壤環(huán)境質(zhì)量達(dá)到了國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量的Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

從城-郊-鄉(xiāng)梯度來看（表7），城區(qū)土壤中Pb、As單因子指數(shù)分別為1.98、1.57，屬于輕度污染;Cr單因子指數(shù)為0.69，屬于無污染;城區(qū)的綜合污染指數(shù)為1.72，屬于輕度污染。郊區(qū)土壤中Pb、Cr、As單因子指數(shù)均小于1，屬于無污染，郊區(qū)的綜合污染指數(shù)為0.88，屬于尚清潔。鄉(xiāng)村土壤中Pb、As單因子指數(shù)分別為1.53、1.68，屬于輕度污染;Cr單因子指數(shù)為0.86，屬于無污染;鄉(xiāng)村的綜合污染指數(shù)為1.53，屬于輕度污染。綜上所述，城區(qū)與鄉(xiāng)村的土壤都受到了輕度重金屬污染，郊區(qū)的土壤狀況最好，重金屬污染程度最低。

4 討論

研究發(fā)現(xiàn)昆明市農(nóng)村地區(qū)土壤中的Cr、As污染程度均高于城區(qū)與郊區(qū)。土壤中Cr的來源主要有大氣中Cr的沉降、農(nóng)藥化肥和塑料薄膜的使用以及污水灌溉等[25]，土壤中As的來源主要為成土母質(zhì)、制造工業(yè)使用含As的化合物以及農(nóng)業(yè)、林業(yè)所使用的殺蟲劑[26]等。綜合來看，昆明市鄉(xiāng)村土壤中Cr、As污染程度較高可能是因?yàn)槔ッ魇修r(nóng)村地區(qū)在經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)上發(fā)生了轉(zhuǎn)變，使得農(nóng)業(yè)快速發(fā)展導(dǎo)致農(nóng)村土壤中受到了較多的農(nóng)業(yè)污染，如農(nóng)藥化肥、殺蟲劑、除草劑等的大量使用。這一研究結(jié)果與方淑波所提出的區(qū)域尺度上的人類活動(dòng)對(duì)土壤重金屬含量影響的尺度效應(yīng)[27]相吻合;建設(shè)用地面積比例、道路密度均顯著影響重金屬的空間分布，而且呈現(xiàn)出尺度效應(yīng)，就重金屬的空間分布而言，不僅響應(yīng)于城鄉(xiāng)的梯度格局，也與城市化特殊的格局，即工業(yè)區(qū)、局地范圍的人類活動(dòng)等分布相關(guān)。

昆明市土壤各重金屬元素污染程度雖然不太嚴(yán)重，但城區(qū)土壤中Pb含量較高，接近中度污染，Pb對(duì)人體健康影響較大，城區(qū)土壤中的Pb主要來源于機(jī)動(dòng)車排放的尾氣，因此可以加大城區(qū)車輛管控，采取限行、安裝尾氣過濾裝置等措施降低污染氣體的排放，減少土壤中Pb元素的攝入量，降低土壤污染程度。對(duì)整個(gè)研究區(qū)域而言，本研究所選的樣點(diǎn)數(shù)量相對(duì)較少，應(yīng)多設(shè)置不同的樣帶進(jìn)行土壤采樣檢測(cè)才能更好地說明昆明市土壤中的重金屬含量和污染狀況。其次，還應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)量化城-郊-鄉(xiāng)梯度方法的探討，更加科學(xué)準(zhǔn)確地對(duì)城鄉(xiāng)梯度進(jìn)行劃分，在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步準(zhǔn)確地分析城市空間格局上各個(gè)環(huán)境指標(biāo)的變化特征。

5 結(jié)論

昆明市城郊鄉(xiāng)土壤重金屬元素Pb、Cr、As的平均含量分別為53.35、45.33、16.81 mg/kg，其中Pb、As含量高于昆明市土壤環(huán)境背景值，Cr含量低于背景值。城-郊-鄉(xiāng)梯度上土壤重金屬元素Pb含量呈現(xiàn)出城區(qū)>鄉(xiāng)村>郊區(qū)的特征，城區(qū)土壤中重金屬元素Pb的含量分別為郊區(qū)的2.08倍，鄉(xiāng)村的1.29倍;鄉(xiāng)村土壤中重金屬元素Cr、As的含量均高于城區(qū)與郊區(qū)。

重金屬元素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與As的相關(guān)系數(shù)較高，呈顯著正相關(guān);As與土壤pH值的相關(guān)系數(shù)為0.426，呈正相關(guān)。

昆明市城郊鄉(xiāng)土壤中Pb、As單因子指數(shù)分別為1.59、1.56，達(dá)到了輕度污染;Cr單因子指數(shù)為0.79，屬于無污染。昆明市土壤綜合污染指數(shù)達(dá)到了1.46，為輕度污染。城區(qū)和鄉(xiāng)村的土壤綜合污染指數(shù)分別為1.72、1.53，屬于輕度污染;郊區(qū)土壤綜合污染指數(shù)為0.88，屬于尚清潔;其中城區(qū)、鄉(xiāng)村土壤中重金屬元素Pb、As均屬于輕度污染，而郊區(qū)土壤中Pb、As屬于無污染;城區(qū)、郊區(qū)與鄉(xiāng)村土壤中重金屬元素Cr的單因子污染指數(shù)均小于1，屬于無污染。

致謝：云南大學(xué)資源環(huán)境與地球科學(xué)學(xué)院自然地理學(xué)專業(yè)碩士研究生葉鑫、王振、袁會(huì)珍同學(xué)在野外土壤采樣過程中給予了大力幫助，在此表示衷心感謝！

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧文博，李旭祥. 關(guān)中地區(qū)土壤重金屬空間分布特征及其污染評(píng)價(jià)[J]. 地球環(huán)境學(xué)報(bào)，2015，6（4）：219-223.

[2]劉玉燕，劉 敏，劉浩峰. 城市土壤重金屬污染特征分析[J]. 土壤通報(bào)，2006，37（1）：184-188.

[3]章立佳. 上海城市土壤重金屬空間變異結(jié)構(gòu)和分布特征[D]. 上海：上海師范大學(xué)，2011.

[4]盧 瑛，龔子同，張甘霖，等. 南京城市土壤重金屬含量及其影響因素[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，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]楊 蕊，李小平，王繼文，等. 西寧市城市土壤重金屬分布特征及其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，2016，35（6）：1531-1538.

[8]馬建華，張 麗，李亞麗. 開封市城區(qū)土壤性質(zhì)與污染的初步研究[J]. 土壤通報(bào)，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屬空間分布特征和評(píng)價(jià)研究[D]. 上海：上海師范大學(xué)，2010.

[11]隆 茜. 上海城鄉(xiāng)梯度上重金屬污染格局及其磁學(xué)響應(yīng)[D]. 上海：華東師范大學(xué)，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]趙 倩. “城-郊-鄉(xiāng)”綠地群落組成結(jié)構(gòu)與其儲(chǔ)碳功能的關(guān)系研究[D]. 上海：上海師范大學(xué)，2014.

[14]趙東波. 線性回歸模型中多重共線性問題的研究[D]. 錦州：渤海大學(xué)，2017.

[15]陳建軍，張乃明，秦 麗，等. 昆明地區(qū)土壤重金屬與農(nóng)藥殘留分析[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2004，20（4）：37-40.

[16]繆瑞琪，燕永鋒，白 燕，等. 昆明市土壤重金屬污染評(píng)價(jià)[J]. 地球與環(huán)境，2015，43（5）：536-539.

[17]劉術(shù)濤，楊濟(jì)遠(yuǎn)，蔣 鷺. 唐山市遷安、灤縣表層土壤重金屬污染評(píng)價(jià)——采用單因子指數(shù)法和尼梅羅綜合指數(shù)法[J]. 城市地理，2017（10）：209.

[18]陳翠華，倪師軍，何彬彬，等. 基于污染指數(shù)法和GIS技術(shù)評(píng)價(jià)江西德興礦區(qū)土壤重金屬污染[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版），2008，38（1）：105-111.

[19]孔凡彬，劉 陽(yáng). 單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法在土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的比較[J]. 甘肅科技，2014，30（3）：21-22.

[20]賈銳魚，朱萬(wàn)勇，李 楠，等. 西安市公園土壤及灰塵中重金屬污染與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 水土保持研究，2015，22（5）：316-320.

[21]劉善幼. 昆明地區(qū)環(huán)境地球化學(xué)的某些特征及土壤中有害微量元素污染[J]. 物探與化探，1991，15（1）：66-73.

[22]李章平，陳玉成，楊學(xué)春，等. 重慶市主城區(qū)土壤重金屬的潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)[J]. 西南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，28（2）：227-230，251.

[23]韓亞芬，李 琦. 基于模糊數(shù)學(xué)的宿州市街塵重金屬污染評(píng)價(jià)[J]. 光譜實(shí)驗(yàn)室，2012，29（4）：2300-2305.

[24]梁 濤，史正濤，吳 楓，等. 昆明市街道灰塵重金屬污染及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 熱帶地理，2011，31（2）：164-170.

[25]陳 偉，王 兵，吳兆清，等. 土壤中重金屬鉻的來源、危害及修復(fù)措施[C]//中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì). 中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)2012學(xué)術(shù)年會(huì)論文集. 南寧，2012：2751-2755.

[26]蔣成愛，吳啟堂，陳杖榴. 土壤中砷污染研究進(jìn)展[J]. 土壤，2004，36（3）：264-270.

[27]方淑波，崔 曲，龐慧煥，等. 上海市城鄉(xiāng)梯度上土壤重金屬空間分布及其影響因素定量分析[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35（12）：3976-3984.