城市快速擴(kuò)張背景下城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)土壤重金屬的空間分布特征及影響因素分析

郭 佳，靳少非，王 庫

（1福州大學(xué)數(shù)字中國研究院（福建），福州 350108；2閩江學(xué)院地理與海洋學(xué)院地理科學(xué)系，福州 350108；3自然資源部東南生態(tài)脆弱區(qū)監(jiān)測(cè)治理工程技術(shù)創(chuàng)新中心，福州 350108）

0 引言

城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)是指介于鄉(xiāng)村和城市之間的中間地帶，體現(xiàn)了城市和農(nóng)村之間的過渡特征[1-2]。該區(qū)域受城市和鄉(xiāng)村的雙重影響，隨著經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的增加，開發(fā)建設(shè)頻繁，人地關(guān)系復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境敏感且脆弱，如何保持城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[3-4]。其中，重金屬的土壤污染問題是一個(gè)研究核心。徐勇賢等[5]在長(zhǎng)三角地區(qū)南京和無錫2個(gè)城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)發(fā)現(xiàn)土壤重金屬導(dǎo)致了葉菜類存在污染現(xiàn)象；陳志凡等[6]在對(duì)河南某市東郊城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)土壤中的Cd、Zn、Cu 3種重金屬元素的部分樣品含量出現(xiàn)超標(biāo)；KAPUNGWE[7]對(duì)贊比亞2個(gè)城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)的水、土壤和作物中的重金屬污染研究發(fā)現(xiàn)，2個(gè)城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)的廢水、土壤和糧食作物都受到重金屬污染。

土壤重金屬除小部分源自于土壤母質(zhì)及成土的過程的釋放外[8-9]，學(xué)者們普遍認(rèn)為人類活動(dòng)是土壤重金屬污染的主要來源[10]，如工業(yè)排放[11-13]、交通排放[14-15]、居民日常生活排放[16-18]等，這些又都與城市擴(kuò)張活動(dòng)密切相關(guān)。相關(guān)研究已經(jīng)證實(shí)在空間分布上，城市中心的土壤重金屬含量高于郊區(qū)，且離市中心距離越遠(yuǎn)，土壤重金屬的含量越低[19-23]。不同的土地利用也會(huì)導(dǎo)致城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)的土壤重金屬空間分布顯著差異，王幼奇等[24]在研究中發(fā)現(xiàn)，道路、工業(yè)區(qū)和商業(yè)區(qū)各種重金屬含量比較高。劉亞納等[25]在對(duì)河南洛陽市不同功能區(qū)土壤重金屬污染評(píng)價(jià)時(shí)，也發(fā)現(xiàn)不同土地利用類型，土壤重金屬的空間分布特征存在著差異。對(duì)城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)加強(qiáng)對(duì)土壤重金屬進(jìn)行分析及評(píng)價(jià)，準(zhǔn)確了解土壤重金屬的空間分布，對(duì)保障土壤安全和防范由此帶來的健康風(fēng)險(xiǎn)具有重要的科學(xué)意義。

自改革開放以來，尤其是2004年后[26]，福州城市化推進(jìn)和城市空間擴(kuò)展呈現(xiàn)出不斷的加劇趨勢(shì)，目前城市化水平已達(dá)到了70.5%[27]，城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)是城市擴(kuò)張過程中產(chǎn)生的新興地段，伴隨城市發(fā)展，城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)土壤中的重金屬也不斷累積，造成了土壤問題。因此，本研究選取了位于福州城區(qū)向南擴(kuò)展的典型城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)，通過采集土壤樣品，分析不同土地利用上的常見重金屬元素的空間分布及影響因素，在此基礎(chǔ)上，對(duì)其潛在生態(tài)危害及污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為城市擴(kuò)張過程中的土壤保護(hù)與利用提供參考建議。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福州城區(qū)南部的南嶼鎮(zhèn)境內(nèi)(119°11′—119°13′E，25°55′—25°58′N)，土地面積約為9.0 km2。區(qū)內(nèi)北、東部環(huán)山，地勢(shì)較高，中西部較為平坦低，平均海拔高程為380 m。區(qū)內(nèi)的土地利用包括居民地、旱地、水田、園地、林地等土地利用類型，是福州城區(qū)向南擴(kuò)展的典型城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)域。區(qū)內(nèi)年平均氣溫約為19.5℃，年平均降雨量1340 mm，屬于亞熱帶氣候帶，具有海洋性向內(nèi)陸性氣候過渡特點(diǎn)；土壤類型主要為紅壤，研究區(qū)土地利用及采樣點(diǎn)分布如圖1所示。

1.2 研究方法

在研究區(qū)內(nèi)，按200 m×200 m網(wǎng)格采集土壤樣品，每網(wǎng)格上布設(shè)一個(gè)采樣點(diǎn)，若網(wǎng)格上的樣點(diǎn)為水體，建筑用地或不宜取樣的地點(diǎn)，則移至格網(wǎng)點(diǎn)附近隨機(jī)采取。采樣同時(shí)用GPS記錄樣點(diǎn)的坐標(biāo)位置、高程、土地利用類型。共采集表層土壤(0～20 cm)樣品共134個(gè)（圖1）。

圖1 研究區(qū)地理位置

土壤重金屬(Cr、Mn、Cu、Pb、Zn)采用便攜式X射線測(cè)定儀(XRF)進(jìn)行測(cè)量；為了解研究區(qū)土壤重金屬的潛在生態(tài)危害，采用HAKANSON[28]提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)土壤重金屬進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以有效地反映單一重金屬污染物和多種重金屬對(duì)特定環(huán)境的影響；考慮到土壤中重金屬元素主要源自人為活動(dòng)的影響[29]，選取植被(NDVI)、土地利用類型、離道路距離、離居民地距離、離水體距離5個(gè)因素，利用隨機(jī)森林法對(duì)影響重金屬的因素進(jìn)行分析。

采用GS+9.0進(jìn)行半變異函數(shù)的分析；ArcGIS中進(jìn)行重金屬元素空間分布制圖；隨機(jī)森林分析采用Python 3.8完成；其他常規(guī)統(tǒng)計(jì)在SPSS 20下進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量的描述性統(tǒng)計(jì)

在采集的土壤樣本中，Cr、Mn、Cu、Pb、Zn 5種重金屬元素最小值和最大值之間均有很大的變幅，變異系數(shù)分別為59.9%、51.4%、52.2%、39.9%、41.1%（表1），呈現(xiàn)為中等變異性[30]。

表1 5種土壤重金屬元素含量的描述性統(tǒng)計(jì) mg/kg

通過K-S正態(tài)分布檢驗(yàn)[31]發(fā)現(xiàn)，Mn、Zn 2種重金屬元素符合顯著正態(tài)分布(P＞0.05)，Cu元素對(duì)數(shù)變換后符合顯著正態(tài)分布(P＞0.05)，Cr以及Pb對(duì)數(shù)變換后呈現(xiàn)為近似正態(tài)分布（Cr的P為0.02，Pb的P為0.01）。

根據(jù)表2，從不同土地利用類型下5種土壤重金屬的均值來看，Cr的最大值出現(xiàn)在林地，Mn、Zn的最大值出現(xiàn)在旱地，Cu、Pb的最大值出現(xiàn)在疏林地以及旱地。不同土地利用類型下5種土壤重金屬含量的平均值存在顯著差異，說明研究區(qū)5種土壤重金屬含量與土地利用類型密切相關(guān)。

表2 5種土壤重金屬元素不同土地利用類型的含量均值 mg/kg

2.2 5種土壤重金屬元素的空間變異分析

采用GS+9.0對(duì)Cr、Mn、Cu、Pb、Zn 5種重金屬元素進(jìn)行半變異函數(shù)的分析，由GS+9.0給出的最佳半變異函數(shù)模型參數(shù)如表3。

表3 土壤重金屬半變異函數(shù)分析

可以看出，Cr、Mn以及經(jīng)過對(duì)數(shù)變換的Cu、Pb最佳半變異函數(shù)模型為指數(shù)模型，Cr的塊金效應(yīng)為0.05%，低于25%，表現(xiàn)為較強(qiáng)的空間自相關(guān)性；Mn的塊金效應(yīng)為49.9%，介于25%～75%，說明空間相關(guān)性表現(xiàn)為中等；經(jīng)過對(duì)數(shù)變換的Cu的塊金效應(yīng)為0.17%，表現(xiàn)為較強(qiáng)的空間自相關(guān)性；經(jīng)過對(duì)數(shù)變換的Pb的塊金效應(yīng)值為35.0%，介于25%～75%，說明空間相關(guān)性表現(xiàn)為中等；Zn的最佳半變異函數(shù)模型為球面模型，其塊金效應(yīng)為48.0%，表現(xiàn)為中等空間相關(guān)性[32-33]。

各重金屬元素空間變異情況如圖2所示，Cr、Cu和Pb元素有相似的空間分布特征，3種重金屬元素的高值區(qū)都在研究區(qū)東南部分。Cr、Cu的空間分布表現(xiàn)為由西南、東北向東南部逐漸增加，并在西北零星分布高值區(qū)，呈多島狀分布。對(duì)照研究區(qū)土地利用，可以發(fā)現(xiàn)Cr高值區(qū)主要出現(xiàn)于居民地附近；Cu高值區(qū)主要出現(xiàn)于居民地、道路附近的土地上，2種重金屬的低值區(qū)主要分布于林地、草地等遠(yuǎn)離道路的土地利用上。Pb含量整體表現(xiàn)為從北部、西南部向東南增加，高值區(qū)主要分布于東南區(qū)域的植被覆蓋度低的區(qū)域，低值區(qū)主要分布于林地這類植被覆蓋率高的土地利用類型上?？傮w而言，Pb的空間分布較為集中，主要高值區(qū)是研究區(qū)東南部。

圖2 Cr、Mn、Cu、Pb、Zn土壤重金屬空間分布圖 mg/kg

Mn元素含量的高值區(qū)主要集中在研究區(qū)南部、中部以及北部，其高值區(qū)多位于水體附近的菜地、旱地等這類人類活動(dòng)多的土地利用類型，低值區(qū)主要位于遠(yuǎn)離水體的林地區(qū)域，總體而言空間分布較為分散，呈多島狀分布。

Zn元素含量的高值區(qū)分布區(qū)域最大，絕大多數(shù)的研究區(qū)土壤可能受到了影響，主要的高值區(qū)位于研究區(qū)西北部、中部以及南部。其高值區(qū)多位于水體附近的菜地、旱地等人類活動(dòng)多的區(qū)域以及南部靠近水體的林地，低值區(qū)主要位于北部和東部的林地等離水體較遠(yuǎn)的區(qū)域。

2.3 土壤重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)

采用潛在生態(tài)危害指數(shù)對(duì)研究區(qū)中的5種重金屬潛在生態(tài)危害進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如表4所示。

表4 土壤重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

上表中，Ei是土壤中i元素的潛在生態(tài)危害單項(xiàng)指數(shù)，潛在生態(tài)危害指數(shù)法(RI)是目前最為常用的評(píng)價(jià)重金屬污染程度的方法之一。研究區(qū)重金屬元素潛在生態(tài)危害指數(shù)平均值依次為：Cu＞Pb＞Cr＞Mn＞Zn。根據(jù)HAKANSON的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，Pb和Cu的潛在生態(tài)危害指數(shù)最高，均達(dá)到了強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的程度，其余3種重金屬均為低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。值得注意的是，10.4%的Cu樣點(diǎn)處于很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，35.1%的樣點(diǎn)處于強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；1.6%個(gè)樣點(diǎn)的Pb處于很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，68.0%樣點(diǎn)處于強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，說明Pb和Cu為研究區(qū)土壤重金屬中關(guān)鍵的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)危害因子。

研究區(qū)各樣點(diǎn)重金屬的潛在生態(tài)總風(fēng)險(xiǎn)RI的平均值為28.1，屬于中等生態(tài)危害等級(jí)。其中，5個(gè)采樣點(diǎn)的RI值為低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，占總采樣點(diǎn)數(shù)的3.7%，94個(gè)樣點(diǎn)的RI值為中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，占總樣點(diǎn)的70.2%，35個(gè)樣點(diǎn)的RI值為強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，占26.1%，無處于很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的RI值，說明研究區(qū)土壤已受到Cr、Mn、Cu、Pb、Zn 5種重金屬的復(fù)合影響，應(yīng)引起有關(guān)部門重視。

3.4 土壤重金屬影響因素隨機(jī)森林分析

考慮到城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)影響土壤重金屬分布的因素主要為人為因素，因此，選用NDVI、土地利用類型、離道路距離、離居民地距離、離水體距離5個(gè)變量，將采樣數(shù)據(jù)按7:3分為訓(xùn)練集與驗(yàn)證集進(jìn)行隨機(jī)森林回歸分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 Cr、Mn、Cu、Pb、Zn影響因素相對(duì)重要性

離居民地距離對(duì)Cr和Mn含量的影響最大，學(xué)者們的大量研究也證實(shí)，污水灌溉、人類日常生活產(chǎn)生的固體廢棄物[34-35]等是土壤中Cr和Mn的主要產(chǎn)生源，如李曉勇等[36]對(duì)上海市生活垃圾研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)村居民垃圾中的Cr污染較嚴(yán)重，呂占祿等[37]對(duì)生活垃圾焚燒電廠周邊土壤重金屬研究中發(fā)現(xiàn)Mn平均含量高于安徽省土壤平均背景值，生活垃圾造成土壤Mn污染。因此，Cr與Mn含量主要受到居民地人類活動(dòng)的影響，與離居民地距離有關(guān)。

而對(duì)于Cu元素而言，影響最大的因素是離道路距離，其中離道路距離對(duì)Cu元素含量影響最大可能是由于人類活動(dòng)城市擴(kuò)張中擴(kuò)建道路以及汽車輪胎磨損及油泄漏的影響[38]，張一修等[39]對(duì)貴陽市道路旁土壤重金屬研究判定Cu主要源自交通排放，一般是汽車輪胎的磨損及油的泄漏所導(dǎo)致的，所以離道路距離會(huì)對(duì)Cu含量造成影響。

影響Pb元素最大的影響因素是NDVI，NDVI能夠很好地反映植被覆蓋情況，根據(jù)過往的研究，植被可以減少土壤重金屬的影響，如孫晨等[40]對(duì)姑山鐵礦排土場(chǎng)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)植被對(duì)土壤重金屬Pb的遷移轉(zhuǎn)化具有一定的作用，能夠有效減少土壤重金屬的影響，這證明不同的NDVI可以減少土壤中Pb的累積，對(duì)Pb含量有所影響。

對(duì)于Zn元素而言，最重要的影響因素是離水體距離，由于城市擴(kuò)張和人類活動(dòng)，直接或間接地把物質(zhì)或能量引入河流環(huán)境，如劉文輝等[41]在對(duì)資江河口區(qū)農(nóng)田土壤重金屬進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于人類活動(dòng)將含有Sb的礦渣和廢水流入資江，資江水體沉積物中Sb元素嚴(yán)重超標(biāo)導(dǎo)致研究區(qū)土壤重金屬污染。趙杰等[42]對(duì)鄱陽湖區(qū)農(nóng)田土壤重金屬研究發(fā)現(xiàn)由于水體中的物質(zhì)，導(dǎo)致周圍土壤中的Zn元素呈現(xiàn)出重金屬累積現(xiàn)象，這證實(shí)了水體能夠?qū)ν寥乐兄亟饘俸慨a(chǎn)生影響。

3 結(jié)論

（1）從5種重金屬的空間分布上看，Cr和Cu高值區(qū)主要集中于東南部，并在西北零星分布；Mn元素含量的高值區(qū)主要集中在研究區(qū)南部、中部以及北部，呈多島狀區(qū)域分布；Pb的高值區(qū)主要集中于東南區(qū)域，高值分布較為集中；Zn元素含量的高值區(qū)分布區(qū)域最大，絕大多數(shù)的研究區(qū)土壤可能受到了影響，主要的高值區(qū)位于研究區(qū)西北部、中部以及南部。

（2）土壤重金屬元素潛在生態(tài)危害指數(shù)的平均值排序依次為：Pb＞Cu＞Cr＞Mn＞Zn。Pb、Cu的潛在生態(tài)危害指數(shù)達(dá)到了強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的程度，其余3種重金屬均為低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

（3）不同重金屬空間分布的影響因素差異較大，離居民地距離是影響Cr和Mn元素含量的最重要因素；離道路距離是影響Cu含量的最重要因素；影響Pb元素最大的因素是NDVI；對(duì)于Zn而言，離水體距離是最重要的影響因素。

4 討論

隨著城市化的迅速提高和工業(yè)規(guī)模的快速擴(kuò)大，城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)能源的消耗量也顯著增加，道路擴(kuò)建與汽車輪胎磨損及油泄漏等活動(dòng)，導(dǎo)致含有重金屬元素的煙氣排放增加，Cr、Mn、Cu、Pb、Zn等重金屬元素通過大氣沉降進(jìn)入土壤中[43]。

在本研究區(qū)內(nèi)，菜地、旱地等農(nóng)用地中，農(nóng)業(yè)活動(dòng)中大量使用農(nóng)藥、化肥、殺菌劑和除草劑，也會(huì)導(dǎo)致土壤重金屬含量增加[10]。此外，城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)中生活垃圾和城市廢水也是研究區(qū)土壤重金屬產(chǎn)生污染的又一個(gè)原因[16-18]。根據(jù)上述潛在生態(tài)危害研究，Pb和Cu的潛在生態(tài)危害指數(shù)最高，研究區(qū)內(nèi)以Cu和Pb為土壤重金屬中關(guān)鍵的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)危害因子。

Cu是土壤中的一種主要重金屬元素，適量的Cu促進(jìn)作物的生長(zhǎng)，然而當(dāng)其濃度達(dá)到或超過一定水平時(shí)，會(huì)導(dǎo)致土壤環(huán)境質(zhì)量的退化[44]。在本研究中，對(duì)Cu而言，影響最大的因素是離道路距離，結(jié)合土地利用圖與Cu的空間分布圖，可以發(fā)現(xiàn)Cu的高值區(qū)大多位于道路附近的土地，低值區(qū)主要分布于林地、菜地等土地利用上，這可能是受到離道路距離的影響，正如王楨[45]對(duì)鐵路和城市道路的研究發(fā)現(xiàn)，Cu的含量同時(shí)受到鐵路和城市道路運(yùn)行的影響。以往的研究中發(fā)現(xiàn)，土壤中的Cu主要源自是汽車尾氣、汽車輪胎磨損及油泄露等，如王萌等[46]在研究中發(fā)現(xiàn)Cu的主要人為來源是汽車尾氣；張一修等[39]對(duì)貴陽市道路旁土壤重金屬研究判定Cu主要源自交通排放，一般是汽車輪胎的磨損及油的泄露所導(dǎo)致的；武瑞平等[47]對(duì)呂梁市G209線公路兩側(cè)土壤研究發(fā)現(xiàn)汽車尾氣的排放是Cu的主要污染來源，這與本研究認(rèn)為離道路距離會(huì)影響Cu含量的結(jié)論相一致。

以往研究發(fā)現(xiàn)，土壤中Pb含量主要受到人為因素影響[48]。在本研究隨機(jī)森林影響因子相對(duì)重要性分析中，NDVI是對(duì)Pb而言最重要的影響因素，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，植物對(duì)于土壤重金屬Pb有修復(fù)作用，可以有效減少土壤中Pb積累，如劉睿等[49]研究木本園林植物對(duì)Pb的積累時(shí)發(fā)現(xiàn)許多植物對(duì)于Pb表現(xiàn)出較好的抗性以及能夠很好的凈化能力，能有效修復(fù)土壤中的Pb；孫晨等[40]的研究也發(fā)現(xiàn)植被對(duì)土壤重金屬Pb的遷移轉(zhuǎn)化具有一定的作用，能夠有效減少土壤重金屬的積累，這證明NDVI對(duì)于Pb是一個(gè)重要的影響因素。對(duì)于Pb而言，隨機(jī)森林分析中第二重要的影響因素是離道路距離，相關(guān)研究認(rèn)為，Pb主要受到汽車燃燒汽油尾氣中防爆劑的擴(kuò)散的影響[50]，交通污染會(huì)對(duì)土壤中的Pb產(chǎn)生影響，如吳珊珊等[51]對(duì)伊寧市城區(qū)主干道旁的土壤進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)土壤中的Pb污染嚴(yán)重，李豐旭[52]對(duì)京哈高速公路沿線土壤中Pb的研究也發(fā)現(xiàn)土壤中的Pb距離路基距離增大而降低，這證明離道路距離也是Pb一個(gè)重要影響因素。