城市交通綠地土壤磁性的空間變異特征及其環(huán)境意義

孫于然，柳云龍, ，陳誠，馮瑤

1. 上海師范大學(xué)地理系，上海 200234；2. 上海師范大學(xué)城市生態(tài)與環(huán)境研究中心，上海 200234

城市土壤重金屬及其它污染物已成為環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域國內(nèi)外研究的熱點（Gulan et al.，2017；李小平等，2015）。城市交通運輸在人民生活生產(chǎn)中發(fā)揮著日趨重要的作用，交通需求的上升帶來了機動車車流量的快速增加，交通道路作為非點源污染源對其兩側(cè)土壤和居民的污染也日趨明顯。道路污染源包括汽車尾氣、輪胎摩擦碎片、路面瀝青、地表徑流等，城市交通綠地土壤污染的分布主要是以交通道路為中心向其兩側(cè)呈帶狀延伸，公路周邊土壤中的Cu、Zn、Pb等重金屬污染物被視為典型的交通源污染物，這些重金屬在公路兩側(cè)土壤中累積和遷移，通過食物鏈和揚塵等影響人體健康（Harrison et al.，2003；Chen et al.，1997；Liu et al.，2016）。傳統(tǒng)土壤污染的分析方法具有測量周期長、費用高、破壞樣品等缺點。而環(huán)境磁學(xué)方法具有簡單快捷、費用低和非破壞性等優(yōu)點（王新等，2017)。它主要研究大氣、土壤、沉積物等物質(zhì)中磁性礦物的磁性，通過分析反映磁性礦物含量、種類和配比情況的磁學(xué)參數(shù)，研究得出不同污染載體的磁性特征及環(huán)境意義（盧升高等，2008；Zawadzki et al.，2016；Rachwa? et al.，2015）。

源于工業(yè)生產(chǎn)和交通源的磁性顆粒，呈球形結(jié)構(gòu)，有別于自然成土過程形成的針狀等不規(guī)則形狀的磁性顆粒，這與化石燃料的高溫燃燒有關(guān)（鄧海英等，2017；Zawadzki et al.，2015）。交通運輸?shù)热祟惢顒优欧诺拇判灶w粒物與污染物相伴，通過大氣降塵和地表徑流等途徑進入土壤，導(dǎo)致土壤污染和土壤磁性顯著增高。交通道路兩側(cè)土壤多項磁學(xué)參數(shù)及其關(guān)系的研究結(jié)果顯示，土壤磁性增強是由各種環(huán)境污染物中的磁性物質(zhì)進入導(dǎo)致的，可根據(jù)高磁化率值判斷土壤污染情況（Qian et al.，2011；Attoucheik et al.，2017；王冠等，2018）。不同磁學(xué)參數(shù)及其比值指示了不同的環(huán)境意義，研究其空間分布可獲得土壤污染的空間格局和來源（陳學(xué)剛等，2014；Kamac? et al.，2017；Fabijańczyk et al.，2016；Rachwa? et al.，2015）。利用道路兩側(cè)土壤磁性特征及其空間分布的變化來分析城市交通污染狀況和范圍已成為一種有效方法（Hoffmann et al.，1999；沈明潔等，2007）。

受人類活動的影響，磁性礦物的分布存在強烈的空間變異性。地統(tǒng)計學(xué)是土壤空間變異研究的主要方法（Blanchet et al.，2017），但對于復(fù)雜的土壤變異系統(tǒng)，常用的空間分析方法無法準確模擬某些土壤特性多尺度、多過程的空間異質(zhì)性，尤其是局部的奇異性信息（張法升等，2011）。近年來，分形理論逐漸被用于土壤屬性的空間分析（Dafonte et al.，2015；張世文等，2018），通過非整數(shù)維數(shù)來表示土壤空間結(jié)構(gòu)和分布特征，能定量表達土壤屬性空間變異的復(fù)雜程度。目前，基于分形理論對城市交通道路沿線土壤多種磁性參數(shù)的空間結(jié)構(gòu)特征分析較少，將分形理論與地統(tǒng)計學(xué)相結(jié)合，通過空間插值研究區(qū)域土壤屬性的定量化方法，是對土壤屬性空間變異性研究的拓展。多種磁學(xué)參數(shù)和分形學(xué)的運用更能從不同磁性礦物的環(huán)境意義來分析交通綠地土壤磁性的空間變異特征。本文以上海市閔行區(qū)城市交通綠地土壤為研究對象，基于地統(tǒng)計學(xué)和分形理論，通過多種磁學(xué)參數(shù)分析城市交通綠地土壤磁性礦物的組分、含量及來源，探索土壤磁學(xué)參數(shù)的空間結(jié)構(gòu)、空間分布特征及其環(huán)境意義，為交通道路沿線的土壤污染調(diào)查、管理和利用提供支持。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集

選取上海外環(huán)高速S20閔行區(qū)七寶鎮(zhèn)境內(nèi)路段（近漕寶路），公路位于研究區(qū)域西側(cè)，在道路一側(cè)以5 m的采樣間距設(shè)置樣點，網(wǎng)格布點使取樣點分布相對均勻。采樣點GPS精確定位，土壤采樣深度為0－20 cm，共采集樣點30個，樣點分布如圖1所示。

1.2 實驗測試

土壤樣品在野外剔除較大固體顆粒物，放入聚乙烯塑料密封袋，避免樣品之間接觸污染。樣品運回實驗室后自然風(fēng)干，然后研磨至100目以下，密封保存。稱取土壤樣品4－5 g，運用英國Bartington MS2磁化儀、Dtech 2000交變退磁儀、MMPM 10脈沖磁化儀和Molspin旋轉(zhuǎn)磁力儀測量了土壤樣品的磁學(xué)參數(shù)，包括低頻磁化率（χlf）、高頻磁化率（χhf）、非磁滯剩磁（ARM，交變磁場峰值為100 mT，直流磁場為0.1 mT）、飽和等溫剩磁（SIRM，磁場強度為1 T）、IRM-100mT、IRM-300mT（樣品經(jīng)IT磁場磁化后分別經(jīng)-100 mT、-300 mT退磁后的剩磁）。并計算了頻率磁化率χfd%、非磁滯剩磁磁化率χARM、硬剩磁（HIRM）、退磁參數(shù)（S-300mT），其中S-300mT的計算公式為：

1.3 地統(tǒng)計學(xué)

地統(tǒng)計學(xué)以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，以半方差函數(shù)為主要工具，研究在空間分布上既有隨機性又有結(jié)構(gòu)性的自然現(xiàn)象的科學(xué)。半方差函數(shù)計算公式為：

式中：h為樣本間距；γ(h)為半方差函數(shù)值；N(h)指間距h時的樣點對數(shù)；Z(xi)和Z(xi+h)為區(qū)域化變量Z在空間位置xi和xi+h上的值。半方差函數(shù)的理論模型有球狀、高斯、指數(shù)、線性等模型，通過決定系數(shù)R2和殘差RSS選擇最優(yōu)擬合模型。

克里金（Kriging）插值法是地統(tǒng)計學(xué)的主要內(nèi)容之一，實質(zhì)是利用區(qū)域化變量的原始數(shù)據(jù)和半方差函數(shù)的結(jié)構(gòu)特點，對未采樣點的區(qū)域化變量的取值進行線性無偏最優(yōu)估計：

式中：Z(x0)是在未經(jīng)觀測的 x0點上的內(nèi)插估計值，Z(Xi)是在點 x0附近的若干觀測點上獲得的實測值。

圖1 研究區(qū)域樣點分布圖Fig. 1 Distribution of study regional sampling

1.4 分形維數(shù)

對于分形分布的空間隨機變量，其半方差函數(shù)和間距的對數(shù)值存在線性關(guān)系。將各磁性參數(shù)的間距（h）及其對應(yīng)的變異值（γ(h)）繪在雙對數(shù)坐標紙上，由lgγ(h)和lgh回歸直線的斜率計算出分形維數(shù)D：

分形維數(shù)D表征樣本之間的結(jié)構(gòu)，其中H取0－1。1＜D＜1.5時，表明土壤磁性的空間變異性中結(jié)構(gòu)性變異比例越大；D≈1.5時，表明土壤磁性空間變異受結(jié)構(gòu)性和隨機性因素共同影響；1.5＜D＜2時，表明土壤磁性的空間變異主要由隨機性因素主導(dǎo)（張法升等，2011）。

2 結(jié)果

2.1 土壤磁性礦物含量分析

交通綠地土壤磁學(xué)參數(shù)的描述性統(tǒng)計特征如表 1。土壤 χlf、χARM、SIRM 和 HIRM指示了磁性礦物的含量，χlf通常用作亞鐵磁性礦物含量的粗略量度，χARM反映了亞鐵磁晶粒的磁疇信息，SIRM主要由亞鐵磁性礦物和不完整反鐵磁性礦物所貢獻，HIRM表示不完整反鐵磁性礦物含量（王博等，2014）。研究區(qū)內(nèi) χlf、χARM、SIRM、HIRM 的均值分別為 62.75×10-8m3·kg-1、191.91×10-8m3·kg-1、9249.86×10-6Am2·kg-1、375.00×10-6Am2·kg-1，變異系數(shù)分別為0.44、0.32、0.49、0.53，變異程度均屬于中等，表明研究區(qū)內(nèi)土壤磁性礦物含量在空間上的差異性較大，可能與城市環(huán)境中磁性礦物來源的多樣性有關(guān)。

2.2 土壤磁性礦物組成分析

土壤 S-300mT和 SIRM/χlf指示了磁性礦物的種類及其比例，S-300mT指示了亞鐵磁性礦物和不完整反鐵磁性礦物的含量比例，當S-300mT接近于100%時，亞鐵磁性礦物占主導(dǎo)地位（俞立中等，1993），研究區(qū)內(nèi)S-300mT均值和變化范圍分別為95.24%，81.62%－99.79%，表明土壤樣品中低矯頑力的亞鐵磁性礦物主導(dǎo)樣品的磁性特征，同時含有少量的不完整反鐵磁性礦物。SIRM/χlf反映磁性礦物的類型，當 SIRM/χlf的值約為 1.5－50 Kam-1時，土壤中的亞鐵磁性礦物以磁鐵礦（Fe3O4）為主（Peters et al.，1998），研究區(qū)內(nèi)土壤樣品 SIRM/χlf均值為 14.13 Kam-1，變化范圍為1.156－12.53 Kam-1，表明樣品中土壤亞鐵磁性礦物以磁鐵礦為主。

表1 土壤磁學(xué)參數(shù)統(tǒng)計特征Table 1 Statistical characteristics of soil magnetic parameters

2.3 土壤磁性礦物粒度分析

土壤 χfd%、χARM/χlf和 χARM/SIRM 能夠指示磁性礦物顆粒的粒徑大小，χfd%指示了超磁性 SP顆粒的含量，SP顆粒產(chǎn)生于風(fēng)化成土過程，屬于自然成因，晶粒粒徑較小。當土壤樣品中χfd%＜2%時，基本不含有SP顆粒，在2%－10%時表明土壤樣品中含有少量的SP顆粒且不占主導(dǎo)地位（敖紅等，2007）。研究區(qū)內(nèi)土壤樣品 χfd%的均值是 1.89%，變化范圍為0.492%－3.195%，僅有部分土壤樣品χfd%＞2%，表明城市交通綠地土壤含有少量的超順磁性SP顆粒。

χARM/χlf與亞鐵磁性礦物顆粒粒徑的大小有關(guān)，數(shù)值受到超順磁 SP顆粒影響，χARM/SIRM 不受超順磁 SP顆粒影響，低值反映土壤樣品中含有較多的多疇（MD）顆粒（王博等，2014）。在樣品中的磁性礦物以磁鐵礦為主導(dǎo)的情況下，若土壤中χARM/χlf＜4，χARM/SIRM＜30×10-5mA-1，則土壤中亞鐵磁性礦物晶粒以假單疇（PSD）和多疇（MD）顆粒為主（Peters et al.，1998）。交通綠地土壤樣品中，χARM/χlf的均值是 3.299，變化范圍為 2.436－4.267，χARM/SIRM 的均值是 22.87×10-5mA-1，范圍為 15.64－32.53×10-5mA-1，說明交通綠地土壤中磁性礦物晶粒以PSD-MD為主，顆粒較粗，粗粒磁性礦物是城市交通綠地土壤磁性的主要載體。

3 討論

3.1 城市交通綠地土壤磁性顆粒的成因

由上述分析可知城市交通綠地土壤磁性礦物含量空間分異性較大，且粗粒磁性礦物占主導(dǎo)地位。成土過程中形成的次生磁性礦物會加強土壤的磁性，具體表現(xiàn)為χlf和χfd%的同時增加。人為活動產(chǎn)生的污染物質(zhì)往往伴隨著磁性顆粒的生成，造成表土磁性的增強，具體表現(xiàn)為χfd%隨χlf的增加而下降，二者呈負相關(guān)（旺羅等，2000）。研究區(qū)內(nèi) χlf和χfd%的散點圖（圖2）顯示，χfd%隨著χlf的升高呈下降趨勢，說明研究區(qū)內(nèi)土壤磁性的變化以及粗粒磁性礦物的生成與人為活動有關(guān)。當 χlf值超過50×10-8m3·kg-1時，上海城市表土受到污染（Hu et al.，2007），研究區(qū)內(nèi) χlf的變化范圍為 32.40－117.49×10-8m3·kg-1，均值為 62.75×10-8m3·kg-1，表明研究區(qū)域內(nèi)部分土壤點位已受到污染。

3.2 交通綠地土壤磁學(xué)參數(shù)的空間結(jié)構(gòu)

選擇能指示土壤磁性礦物含量、組成和粒度的磁學(xué)參數(shù) HIRM、SIRM、χlf、S-300mT、χARM、χARM/SIRM，采用地統(tǒng)計學(xué)和分形學(xué)方法描述各磁學(xué)參數(shù)的空間變異特征。統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。由表2可知，各磁學(xué)參數(shù)均符合正態(tài)分布，各土壤磁學(xué)參數(shù)均具有較明顯的基臺值，說明土壤磁學(xué)參數(shù)具有明顯的空間相關(guān)性。土壤 χlf、SIRM 和χARM/SIRM符合高斯模型，χARM、HIRM和S-300mT符合球狀模型，決定系數(shù)均較高，模型擬合度較好，擬合模型均能很好地描述各磁學(xué)參數(shù)的空間變異結(jié)構(gòu)。塊金系數(shù)大小依次為 S-300mT＞χlf＞SIRM＞χARM＞χARM/SIRM＞HIRM，且均小于 0.25，表現(xiàn)為強烈的空間自相關(guān)性，說明其空間變異主要由結(jié)構(gòu)性因素引起，城市交通綠地土壤磁學(xué)參數(shù)的空間變異性可能與汽車尾氣排放的不同大小的磁性顆粒結(jié)構(gòu)性沉降有關(guān)。除半方差函數(shù)外，土壤磁學(xué)參數(shù)的空間結(jié)構(gòu)特征還可用分形維數(shù)D來定量描述。多數(shù)自然變量相鄰兩個信息點間通常并非是線性變化或光滑過渡的，存在局部、非線性變化特征，而分形學(xué)可借助分形自相似性揭示變量的局部非線性變化。由表2可知，各磁學(xué)參數(shù)D值范圍為1.421－1.994，D 值由高到低依次為 S-300mT＞HIRM＞χARM＞χlf＞SIRM＞χARM/SIRM。除 χARM/SIRM 外，其余磁學(xué)參數(shù)的D值均大于1.5，分形分析結(jié)果顯示交通綠地土壤磁學(xué)參數(shù)的局部空間變異主要由人為隨機性因素控制。土壤S-300mT、HIRM、χARM、χlf和SIRM存在局部隨機特性的空間結(jié)構(gòu)。半方差函數(shù)通過總體平滑的處理總體反映了土壤磁學(xué)參數(shù)的空間分布規(guī)律，而分形維數(shù)通過不規(guī)則幾何形態(tài)的分析強調(diào)局部異常信息。說明交通綠地表層土壤S-300 mT、HIRM、χARM、χlf和SIRM空間變異性總體上由結(jié)構(gòu)性因素主導(dǎo)，但局部的空間結(jié)構(gòu)變異仍然受隨機性因素影響，這也反映了影響城市土壤性質(zhì)空間變異因素的復(fù)雜性。

表2 土壤磁學(xué)參數(shù)變異函數(shù)及分形維數(shù)Table 2 Soil magnetic parameter semivariance function and Fractal dimension

3.3 交通綠地磁學(xué)參數(shù)空間分布及其環(huán)境意義

圖3 土壤磁學(xué)參數(shù)空間分布圖和誤差圖Fig. 3 Spatial distribution and error of soil magnetic parameters

為直觀地反映交通綠地土壤磁學(xué)參數(shù)的空間分布格局，根據(jù)所擬合的半方差函數(shù)模型，在ArcGIS軟件中采用普通克里金插值進行最優(yōu)內(nèi)插，繪制了交通綠地土壤磁學(xué)參數(shù)的空間分布圖，并通過交叉驗證法對普通克里金插值的標準誤差進行了分析，生成插值誤差分布圖，如圖3所示。由圖3 可知，交通綠地土壤 χlf、χARM、SIRM 和 χARM/SIRM呈現(xiàn)條帶狀和島狀相結(jié)合的分布特征，其中χlf、χARM和SIRM分布特征總體表現(xiàn)為離道路越遠，其數(shù)值呈先遞增后遞減的趨勢，χARM/SIRM的空間分布呈現(xiàn)低值靠近道路、高值遠離道路的特征。交通綠地磁性礦物含量呈條帶狀分布與磁性顆粒粒徑大小有關(guān)，交通車輛排放的尾氣以及輪胎磨損產(chǎn)生的污染物質(zhì)往往伴隨著大量磁性顆粒物，空氣中懸浮的粗粒徑磁性顆粒物在路基一側(cè)迅速沉降，而細粒徑磁性顆粒物在空氣中經(jīng)短暫擴散后降沉進入土壤，導(dǎo)致土壤磁性增強，并產(chǎn)生交通污染（王學(xué)鋒等，2011）。由各磁學(xué)參數(shù)的分布可知：公路5 m以內(nèi)主要是粗顆粒多疇磁性礦物晶粒，10 m以外則以假單疇磁性礦物晶粒為主，5－10 m之間，則為兩種礦物晶粒沉降分布的重疊區(qū)，因此距離公路越遠χlf、χARM和SIRM的空間分布變化是先增大后減小。HIRM和S-300mT呈多島狀分布，分形維數(shù)較高，且在空間分布上呈現(xiàn)相反的趨勢，HIRM總體上呈現(xiàn)了中心向四周逐漸減小的趨勢，而S-300mT總體上呈現(xiàn)了中心向四周逐漸增強的趨勢。島狀、多島狀和條帶狀相結(jié)合的分布特征也間接反映了交通綠地土壤磁性參數(shù)空間變異影響因素的復(fù)雜性，工業(yè)源、交通源、道路基建客土、城市下墊面微氣象條件、地面徑流等因素均產(chǎn)生了影響。

4 結(jié)論

（1）交通綠地土壤中的磁性礦物以亞鐵磁性磁鐵礦為主，同時含有少量的不完整反鐵磁性礦物，磁性礦物晶粒以粗顆粒假單疇（PSD）和多疇（MD）為主，同時含有少量的超順磁性（SP）顆粒，表明粗粒磁鐵礦是交通綠地土壤磁性的主要載體，且低矯頑力的磁鐵礦是城市土壤磁性增強的主要貢獻者，研究區(qū)內(nèi)土壤磁性礦物含量在空間上具有較大差異，受人為活動影響強烈。

（2）半方差函數(shù)擬合結(jié)果表明，χlf、SIRM 和χARM/SIRM符合高斯模型，χARM、HIRM和S-300mT符合球狀模型。6種磁性參數(shù)的塊金系數(shù)在 0.031－0.245之間，空間自相關(guān)性大，空間變異性受交通車輛尾氣磁性顆粒的結(jié)構(gòu)性沉降影響。分形學(xué)結(jié)果顯示，土壤 S-300mT、HIRM、χARM、χlf和 SIRM存在局部隨機特性的空間變異特征。

（3）土壤磁性參數(shù)空間分布圖顯示，χlf、χARM、SIRM和χARM/SIRM呈現(xiàn)條帶狀與島狀相結(jié)合分布的特征，HIRM和S-300mT呈多島狀分布。條帶狀分布與汽車尾氣中不同粒徑磁性晶粒的結(jié)構(gòu)型沉降有關(guān)，而島狀、多島狀則反映交通綠地土壤磁性參數(shù)空間變異影響因素的復(fù)雜性，交通源、工業(yè)源、道路基建等因素均影響土壤磁學(xué)參數(shù)的空間分布特征。