区域城市化发展对土壤重金属Cd含量空间分异的影响——以晋中盆地为例

刘 斌，郭 星

（1.山西省社会科学院，山西 太原 030006；2.山西大学环境与资源学院，山西 太原 030006）

区域城市化发展对土壤重金属Cd含量空间分异的影响
——以晋中盆地为例

刘 斌1，郭 星2

（1.山西省社会科学院，山西 太原 030006；2.山西大学环境与资源学院，山西 太原 030006）

经济的发展、人口规模的扩大、基础设施的增加等因素促进了城市的发展，也导致了一系列生态环境问题，影响土壤环境质量。通过对晋中盆地12个县市进行土壤采样，测定了土壤重金属Cd的含量，并运用经典统计学方法、地统计学方法结合GIS技术，分析了盆地内Cd的土壤赋存特征、空间分布及污染来源。结果表明，研究区重金属Cd的均值均大于山西土壤背景值及国家土壤质量二级标准，分别为山西土壤背景值和国家土壤质量二级标准的3.04倍和1.03倍，污染程度已较为严重；Cd含量与指数模型可以较好拟合，块基比为0.596，为中等空间自相关，并且表现为明显的各向异性；从空间分布来看，Cd的污染呈现为面状分布，整体污染严重，污染来源可能与农业活动中化肥、粪便和污水的灌溉有关，盆地南部污染情况高于北部地区，这可能与南部地区的农业耕作制度有关。

晋中盆地；城市化；重金属；半方差函数；单因子污染指数

土壤不仅可为人类的生产生活提供生产资料，更是人类生存的物质基础，同时也是生态环境不可分割的组成部分[1-2]。城市化的发展必然伴随人口规模的扩大、经济水平的提高、城市的扩张、工农业活动的增加以及生态环境的改变，这势必会造成土壤质量的下降，进而威胁人类健康[3-5]。Cd不是人体的必需元素，且作为重金属“五毒”元素之一，Cd的毒性仅此于Hg[6]，滞留于土壤中的Cd会被植物吸收，残留于植物可食部分，最终通过食物链进入人体，引发肾损害等一系列疾病[7-8]。目前，国内外学者已经广泛开展了关于土壤重金属空间分布的研究[9-11]。谷蕾等[12]研究分析了连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类分析法分析了罗马尼亚Vaslui县土壤重金属的污染来源及特征；方淑波等[14]利用Kriging插值方法分析了盐城海岸带土壤重金属的污染状况。这些都偏向于对较小尺度的研究，而针对较大尺度的地理单元土壤重金属的空间分布研究目前仍然较少。

晋中盆地在解放初期至改革开放前城镇化发展缓慢，此后城镇化迅速发展，城镇化率由1975年的33.45%增长到2000年的60.33%[15]。伴随城镇化的发展，土壤中的重金属也不断累积，造成了土壤污染。

本研究运用传统统计学方法结合半方差函数及空间插值方法对盆地土壤中的Cd元素进行研究，分析Cd元素在盆地内的污染现状、污染来源及空间分布特征，旨在为盆地内Cd的污染治理提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

晋中盆地地处山西中部，经纬坐标为111°36′～112°49′E，36°59′～38°17′N，盆地整体呈东北—西南向长条状分布。盆地海拔在745～855 m，气候季节性显著，年降水在500 mm左右。盆地内包括2个市级城市以及10个县级城市，并且分布有太原高新技术开发区、榆次工业园区、孝义经济开发区等12个工业园区和经济开发区。

1.2 样品采集

于2015年8月采用随机抽样方法在研究区进行土壤样品采集，样点面积为10 m×10 m（图1），按对角线取样方法，先沿一条对角线分别采集5个土壤样品，然后将其混合作为一个土壤样品，之后以相同的方法沿另外一条对角线采集样品作为平行样。样品带回实验室，经自然风干后，去除植被残留物，用木棒碾碎过0.149 mm尼龙筛，利用四分法反复筛选，直至剩余100 g样品，待测。

1.3 研究方法

为了解研究区Cd的污染情况，分别以山西土壤背景值和国家土壤质量二级标准为参比进行单因子污染指数[16]分析。

式中，Pi为单项污染指数，Ci为第i个样点实测值，Si为参考标准。其评价标准可分为5个等级（表1）。

表1 单因子污染指数评价分级

1.4 测定项目及方法

样品中Cd含量采用石墨炉原子吸收分光光度法测定。

1.5数据处理

利用SPSS 19对Cd元素的最大值、最小值、均值、变异系数、方差等进行描述性统计分析以及数据的正太分布检验。依据依拉达准则[17]对数据进行异常值处理，即以均值加减3倍标准差为最大和最小边界，剔除了8个异常值点。半方差函数模型的拟合利用GS＋9软件完成，Cd含量在盆地的空间分布图则利用Arcgis 10.0中的普通Kriging插值方法实现。

2 结果与分析

2.1 描述性统计分析

国家土壤质量标准（GB 15618—1995）依据保护目标及功能划分为3类：第1类适用于自然保护区、水源地和茶园等基本与背景值相当的土壤地区；第2类适用于耕地等土壤类型，要求土壤基本不对植被及作物造成影响；第3类适用于工业聚集地、临近矿区等土壤容量较大的地区。而研究区耕地土壤占总面积的60%以上，因此，本研究选取山西土壤背景值及国家土壤质量二级标准作为评价标准。变异系数为19.35%，为中等变异程度，表明盆地内Cd元素的污染在地区间具有一定的差异。

由表2可知，重金属Cd在晋中盆地含量范围介于0.11～0.48 mg/kg，与山西土壤背景值[18]和国家土壤背景值[19]相比发现，Cd在研究区土壤中的含量最小值均大于山西省和中国土壤背景值，其含量均值为山西省土壤背景值的3.04倍,说明Cd在盆地内已经呈现出明显的富集现象；与国家土壤质量二级标准（0.3 mg/kg）相比，盆地内Cd含量均值为国家土壤质量二级标准的1.03倍，说明盆地内Cd达到一定程度的污染。

表2 晋中盆地土壤重金属Cd的土壤特征值

为进一步了解研究区污染状况，分别对盆地内12个市县以山西土壤背景值与国家土壤质量二级标准为评价标准进行单因子污染评价。结果表明，以山西背景值为标准，盆地整体污染比较严重，P值为2.92，已经达到第Ⅳ级污染等级，属中等程度的污染。各市县污染程度大小依次为祁县=孝义＞文水＞榆次＞汾阳＝介休＞平遥＞太原=阳曲＞交城＞太谷＞清徐，以山西土壤背景值为参比，祁县、孝义、文水、榆次、汾阳、介休和平遥P值均大于3，表明Cd污染在这些地区已经十分严重，而其他市县P值也介于2～3，污染亦比较严重。污染程度达到严重污染的县市多处于盆地南部，而中等程度污染的多处于盆地北部，这可能与研究区内南北熟制的差异有关，在太原及以北地区为一年一熟，太原以南则为两年三熟，从而导致盆地南部农业活动相对较多，使Cd污染较为严重。以国家土壤质量二级标准为参考，太原、交城、清徐、阳曲和太谷P值介于0.7～1.0，处于警戒范围，而其他各市县则达到轻度污染（表3）。

表3 晋中盆地土壤重金属Cd污染评价指数

2.2 半方差函数分析

半方差函数可以反映数据在空间上的变异程度[20-21]，其中，块基比为半方差函数重要的参数值，其可以在一定程度上反映出影响变量空间变异的因素，当块基比＜0.25时，表示变量具有强烈的空间自相关性，介于0.25～0.75时为中等空间自相关性，＞0.75时则空间相关性不显著[22-23]。利用GS+9软件对盆地内样点Cd含量进行拟合（表4），结果发现，最适模型为指数模型，块基比为0.596，为中等自相关性，说明Cd元素变异受结构性因素（土壤母质、地形和降水等自然因素）和随机性因素（农业活动、污水排放等人为因素）共同影响。变程为空间内2点间具有空间相关性的最小距离，超出这个范围则2点不具有相关性。表4结果显示，Cd在盆地内的变程为18 959 m，变程范围为中等程度，表明Cd空间变异受较大尺度因素的影响。

表4 土壤重金属Cd含量的理论模型及相关参数

为进一步了解Cd在盆地的空间变异特征，从东西向（0°）、东北—西南向（45°）、南北向（90°）和西北—东南向（135°）分别对Cd进行各向异性分析。从图2可以看出，Cd在4个方向上具有明显的各向异性，且在0°和45°方向空间变异程度明显弱于90°和135°方向。在0°方向半方差值变化不太显著，而在45°方向3 000～15 000 m，Cd的半方差值呈现明显的向上突出趋势，这可能与研究区整体及研究区内城市呈东北—西南方向分布相关；在90°方向，半方差值则为不规则的上下波动趋势，这一方面可能与地势的起伏变化有关，另一方面也可能与南北方向土地利用变化及城乡变化相关；在135°方向，半方差值在0～18 000 m表现为明显的上升态势，18 000～27 000 m则为明显的下降趋势，并且半方差值离散程度很大，该方向变异可能与地形的变化以及农业活动有关，在盆地西北一侧为吕梁山脉，而在东南方向则为太行山脉。

2.3 克里金空间插值

空间插值可以直观呈现出研究区土壤重金属的含量分布[24]，利用Arcgis 10.0中的普通克里金插值并将GS＋9中得到的模型参数代入，得到盆地重金属Cd的空间分布图（图3）。

从图3可以看出，Cd元素在盆地内呈现明显的面状分布特征，且大体上南部Cd含量大于北部含量。盆地Cd含量最小值为0.2 mg/kg，远大于山西土壤背景值0.102 mg/kg，说明盆地在整体上已经呈现为全局性污染。在文水、平遥和祁县交界一带存在一个明显的峰值，而汾阳、孝义、平遥、文水、祁县和清徐大部分都处于0.31～0.33 mg/kg范围，这些地区均高于国家土壤质量二级标准，污染情况不容忽视。据统计，化肥、粪肥和污染灌溉是我国土壤Cd污染来源的前3位[25]，而盆地中部及南部则是山西重要的粮食作物产区，农业活动频繁，因此，盆地内农业生产过程中磷肥、污水灌溉等活动与重金属Cd的污染有关。

3 结论

统计结果表明，Cd的最小值大于山西土壤背景值，其均值超过了国家土壤质量二级标准（0.3 mg/kg），说明重金属Cd在晋中盆地富集明显。以山西土壤背景值为评价标准，太原、交城、清徐、阳曲和太谷P值介于2～3，为中等程度污染，其余各市县P值则大于3，为重度土壤污染。以国家二级标准为评价标准，太原、交城、清徐、阳曲和太谷P值介于0.7～1.0，处于警戒污染程度，其他市县则达到轻度污染程度。整体上，盆地污染较严重，且南部高于北部。

从半方差函数分析可以看出，Cd含量具有中等自相关程度，各向异性显著。在南北（90°）方向和西北—东南（135°）方向半方差值波动剧烈，说明Cd的空间变异受地形、土地利用方式、农业活动等影响强烈。

空间插值分析显示，在文水、平遥交界地区，Cd含量最为突出，而以此为中心四周Cd含量均处于较高含量值，且分布面积广，这与当地的农业活动息息相关。此外，盆地北部Cd含量明显低于南部，这可能与研究区南北耕作制度的差异有关。

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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

国家自然科学基金项目（31070424）；山西省软科学研究计划重点项目（2017042014-7）

刘 斌（1985-），男，山西运城人，助理研究员，硕士，主要从事生态学和社会影响评价研究。