城市土壤环境监测点位布设应用述评

刘千钧，周阳媚，唐杰鹏，林亲铁，谢志宜，张雅静，李 想

（1. 广东工业大学 环境科学与工程学院，广东 广州 510006；2. 广东省环境监测中心，广东 广州 510308）

城市土壤是城市生态系统的重要组成部分，也是环境污染物的源和汇. 随着城市化和工业化进程的加快，城市人口高度集中、市政建设和交通拥堵等强烈的人类扰动对城市土壤环境带来了深刻的影响，如Davis等[1]研究发现，正常儿童的日平均土壤摄取量从38.9 mg到245.5 mg不等，而城市土壤重金属铅是我国城市儿童血铅污染的重要来源和途径[2-3]，开展城市土壤环境监测具有越来越重要的现实意义.

一直以来，国内外土壤环境监测主要是农田、林地和污染场地土壤监测，农田、林地等土壤地域较平整且土质均匀，按面积尺寸均匀布点就可以达到很好的监测效果. 而城市由于需要不同，具有不同功能区，土壤环境相对复杂，且城市中人口、车辆众多，土地利用明显呈碎片化趋势，且土壤污染状况也具有局域性特点[4]，耕地等形式的土壤监测点位布设方法已经不适用.

目前国内外无专门针对城市土壤监测的相关技术规范，我国《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166-2004)中规定，城市土壤监测点以网距2 km的网格布设为主，功能区布点为辅，每个网格设一个采样点.但土壤监测点位布设需要考虑监测目的、城市面积及人口和监测成本等因素综合确定，因此这一布点方法并未得到普遍采用.

鉴于此，本文综述了目前城市土壤环境研究中的监测点位布设方法，并比较了各布点方法的优缺点和适用领域，可为我国城市土壤环境监测和管理政策制定提供参考.

1 城市土壤环境质量影响因素

现有土壤质量状况与以往的人类活动有关[5]，要监测和预测城市土壤环境质量，需要了解分析城市发展历史、人口密度、交通系统或距离污染源的远近等影响因素.

城市发展历史进程对城市土壤环境质量有明显影响. 马建华等[6]研究1994年和2006年开封城市土壤重金属污染变化后发现，土地利用类型的改变与土壤重金属含量密切相关. 一般而言，城区发展会导致土地由农用地转为城市用地，城区中强烈的人类活动扰动会使土壤中污染物含量增加. 而某些工业城市由于多数工矿企业停转，污染物排放减少，通过增大城市绿化面积、增加环保投入等举措，土壤环境状况反而会有所改善[7].

城市化带来剧烈的人口流动，大量农村人口涌入城市，使城市人口高度集中，而人类活动对城市土壤环境的扰动极大，人口过度集中伴随而来的对土地资源的过度开发以及土壤污染等问题. 从空间上看，人类活动较为密集的城市中心区土壤污染一般也高于郊区. 交通系统复杂程度也会对城市土壤质量产生一定的影响，如道路施工建设时铺设的水泥或柏油层地面会对道路沿线土壤造成不同程度的污染.

伴随着城市的发展，人类的生产和生活活动产生的各类工业废弃物和城市垃圾，城市生活垃圾中可能含有大量废旧电池、塑料制品等固体废弃物，其有害成分或自身降解产生的液体进入土壤后，垃圾堆放点附近表层土壤就可能遭受严重污染.

2 分区布点法

分区布点法是通过先对城市历史资料、功能分区、工业发展等资料的查阅分析，再将监测区域依照某一规则划分为各个相对均匀的小区域，在每个小区域内根据面积和特征进行布点. 目前城市土壤分区布点法主要包括梯度带分区布点、功能区布点、行政区布点、城市方位布点和环状分区布点法等.

2.1 梯度带布点法

梯度带分区布点法是根据城区的不同城市化进程或城市发展沿革，将城市土壤监测区域分成不同的梯度带. 一般是按城郊乡梯度带将其划分为城区、城郊结合部及郊区[8-9]. 距市中心的直线距离是一种经典的城乡梯度的度量方法，但发展建设规划不同的城市的梯度带布点方法又会有细微的差别，如安吉等[10]在探讨成都—温江的表层土壤重金属铜(Cu)、铅(Pb)和锌(Zn)的空间分布特征及其影响因素时，采用“中心城—郊区—卫星城”梯度带为研究区. 而贾华清等[11]根据城市居民区的建成时间和建成前土地利用情况将住宅小区分为4类，以此来研究住宅小区土壤潜在污染积累和历史用地污染的影响.

梯度带布点法可以反映城市化延伸、工业发展、人为活动等因素对土壤环境质量的影响，在不同区域可采用不同的布点密度，但在区域边界划分时，需要综合考虑城市的发展历史、现状布局等因素，区域边界划分有一定的不确定性.

2.2 功能区布点法

功能区布点法主要是根据土壤利用功能不同和背景值差别，将城市土壤划分为居民区、科教区、城市公园、商业区、道路、工业区和开发区等数个功能区，再在各功能区设置一定数量的采样点，用以考察土壤质量与不同土壤利用类型之间的相关性， 该法多用于区域性常规监测及用于比较各功能区污染特征. 而根据监测目的不同，功能区划分方式也有一定差别. 有些研究中是按土地利用方式不同来进行功能区划分，如评价包头市不同功能区土壤重金属污染时，将包头市城区划分为城市绿地、居民区、科教区、商业区和工业区5大功能区[12]，而郭伟等[13]则根据人类活动对城市土壤产生的不同影响来进行功能区的划分.

功能区布点法可以充分考察土壤质量与不同土地功能类型的相关性，但土地利用历史的变迁与城市化进程对各功能区的土壤质量会存在影响叠加的情况，使得点位选取可能存在偏差.

2.3 行政区布点法

行政区布点法主要是依据国家为便于行政管理而分级划分的行政区域来进行布点，如Lu等[14]在进行广州市土壤重金属的化学分离的研究时将广州市划分为越秀区、荔湾区、天河区、黄埔区、海珠区、白云区、番禺区和南沙区等.

行政区布点法简单方便、能结合行政区域特征对城市土壤质量进行对比分析，普遍用于比较各行政区间污染物的含量，但受城市发展历史差异及各行政区域建成区面积差异影响极大，易导致某些行政区域布点单元比重较大、与城市土壤质量监测反映城市化进程的目的出现偏差.

2.4 城市方位布点法

城市方位布点法主要是依据城市的地理方向进行分区布点. 杨蕊等[15]在研究西宁市城市土壤重金属分布特征及其环境风险时将城区划分为城东、城西、城中、城南和城北5个区域，在各方向按照同一间距布点.

城市方位布点法简单方便，可用于比较在不同方位上城市土壤中污染物的分布特征，区域划分数量也较为适宜，但城市发展可能不符合各方向均等的规律，影响样品的代表性.

2.5 环状分区布点法

环状分区布点法一般常见于按同心圆从中心向城市外延划分布局的城市中. 如Peng等[16]在通过城市化指标评估城市土壤中多环芳烃和重金属的综合风险时，将北京市城区以紫禁城为中心，划分为向外扩张的6个中心环来进行点位布设，五环以内和五环与六环之间分别采用尺度不同的布点网格.

环状分区布点法适用于以某地为中心扩散，城市扩张以环分区的城市，但环状布点样品分散性太大，人力物力财力耗费较高.

3 网格布点法

网格布点法属于几何图形布点法，该法将监测区域划分成若干网格，采样点可设在网格中心或网格交叉点. 网格布点法包括系统(网格)布点法和系统随机布点法. 系统(网格)布点法将监测区域分成面积相等的几部分(网格划分)，每网格内布设一个采样点. 系统随机布点法是将监测区域分成面积相等的网格单元，从中随机抽取一定数量的网格单元作为布点单元，在每个单元内布设一个监测点位. 国内外文献中城市或区域土壤质量的监测及污染物分布情况研究以网格布点法居多. 网格类型有常距网格、变距网格和嵌套网格等.

网格尺度应充分考虑监测目的、研究城市面积及人口分布、人力物力成本及土壤的异质性等因素.根据监测区域面积和监测条件的差别，可采用0.2 km[17]、0.25 km[18]、0.4 km[19-20]、0.5 km[21]、1 km[22-29]、2 km[30]、3 km[31]、5 km[32]等不同的常距网格尺度.

我国《土壤环境监测技术规范(HJ/T166-2004)》中建议，城市土壤监测点以2 km的网格尺度布设. 在欧洲城市土壤地球化学调查指引中，建议采用1 km×1 km网格布点调查[23-27]，并可结合城市实际情况，在非中心城区采用较大网格. 我国及欧美较多的研究者基于样本代表性和布设成本的综合考虑，也多采用1 km网格尺度，因为这一网格尺度基本能够做到对调查区域进行监测覆盖，此网格尺度点位布设得来的监测数据也较为准确. 但对于较大城市存在点位布设数量较多，涉及人力和财力耗费太大等问题，应在一定的规则下进一步优化网格，达到在相同的置信水平和相对误差条件下，同时满足点位布设的全面性、科学性、代表性等原则，用尽可能少的点位代表某一区域的土壤环境质量. 广东省环境监测中心以研究区域的历史监测点位数据为基础，采用基于传统数理统计、交叉验证、独立验证、空间表征法、分形、空间抽样等6大方法的联合点位优化布设技术，并结合区域实际情况，获取最优网格.

变距网格是根据监测目的的不同，在不同的网格尺度内可以更好对比不同土地范围土壤污染程度，如Ağca[33]在土耳其南部一个工业区周围研究土壤重金属含量的空间分布中，采用了0.5 km、1.0 km和2.0 km的变距网格.

嵌套网格的使用很是值得深入研究. 嵌套网格是在已有的网格中按照一定规则加入小网格，再在小网格中布设监测点位. 在纪芸等[5]的研究中，为减小误差而尝试使用了嵌套网格来提取和分析各研究时段广州建成区的边界，这种点位优化设计对降低监测成本很有借鉴意义.

在特定项目的监测目的下，同一研究区域的不同研究地段网格尺寸也可有所不同. Zuluaga等[34]在研究西班牙西南部3个不同土地利用和地质条件的地区的地球化学制图、环境评价和地质成因和人为源的铅同位素特征时，在城市和工业地区使用0.5 km×0.5 km网格而在郊区使用1 km×1 km网格. 而在城区内布设网格时，城中心到郊区的网格大小有时也呈相应的递增趋势. 同样，Wang等[35]在研究北京市内城市化对表层土壤重金属积累的影响时，在五环内按1经度×1纬度(约1.9 km×1.0 km)的网格，五环外选取3 km×3 km的网格.

网格布点法可以获得区域较为全面系统的元素(污染物)分布信息，但对面积较大、采样条件受限的城市(区域)，可能存在布点单元数偏多、区分城市不同功能区较为繁琐等问题.

4 判断布点法

判断布点法主要是依据城市(住宅区)资料的查阅总结、实地考察调研、专家咨询等手段确定的布点方式. 有些特定监测项目需要现场踏勘后将调查收集的资料整理后才能进行判断布点，如Buttafuoco等[36]用多元方法研究芬兰坦佩雷城市表层土壤的地球化学时，采用实地考察的方法进行判断布点. 这种布点方法也曾用于研究城区土壤中的重金属含量分布[37-39].

判断布点法可以根据专业判断，确定布点区域和范围，但主观性强，受专业技术人员水平和资料收集完整度限制，容易出现错判和漏判.

5 结论与建议

由于城市构造的多样性，土壤监测点位布设方法不应太过单一化[40]，点位布设不仅要符合全面性、科学性、代表性、客观性、可行性、经济性、空间分布合理性等原则，还需要考虑人、物、财力的成本和城市土壤的独特性等因素.

城市土壤监测点位布设方法可以主辅结合，将各布点方法的优势相结合，综合考虑研究区域内地形分布、土地利用与覆盖、土壤类型及城市功能区分布等因素，将网格系统布点法、分区布点和判断布点相结合来进行点位布设，达到更好的监测效果和目的.