上海市城市边缘区土壤重金属多尺度空间分布特征及污染评价——以闵行区为例

摘要

随着我国城市化与工业化的快速发展，城市边缘区正不断被城市所同化。已成为城市中最为敏感的地区，城市边缘区环境质量明显下降。研究城市及其边缘区土壤重金属的空间分布状况及其污染状况，可为保护城市生态环境和建设宜居环境提供一定的理论依据。为揭示城市化、工业化进程中，人为因素对城市边缘区土壤质量的影响，本文选择作为上海市典型城市边缘区的闵行区为对象，采用地统计学方法对该区及其功能区表层土壤Cu、Cr、Mn、Pb、Zn5种重金属元素的空间分布特征进行了分析，对土壤重金属的污染状况做出评价，得出主要结论如下：
　　 1、闵行区5种土壤重金属空间分布特征分析表明：Cu和Pb的空间分布特征呈现为多岛状区域分布，Cu含量整体表现为由西北向东南方向递减，Pb的分布显得比较杂乱无章。土壤Cr、Mn的分布则表现为岛状区域分布，由中心向四周辐射状递减。Zn的空间分布体现出条带状分布和岛状分布相结合的特点。
　　 2、闵行区土壤重金属半方差函数分析表明，土壤Mn遵从指数模型，土壤Cu、Cr、Pb、Zn均遵从线型模型，其中Cu、Pb、Zn半方差函数模型为纯块金形式，各样点之间表现出较强的独立性和随机性，这反映了在人类活动强烈影响和干扰下城市边缘区土壤重金属污染空间变异分布的复杂性。
　　 3、闵行区土壤重金属污染状况分析表明，土壤Zn、Pb、Cr污染相对严重，单因子污染指数分别为为1.25、1.22、1.19，属于为轻度污染，Cr、Zn、Pb和Mn样点超标率均在50％以上，其中Cr的超标率达到89％。从重金属综合污染程度上来看，研究区域内87.2％的样点属于轻度污染，3.8％的样点属于中度污染。可见，轻度污染是闵行区污染程度的主体，无污染次之，而且中度污染的地区与交通道路密集区与工业园区分布有关。
　　 4、各功能区不同土壤重金属半方差函数模型拟合结果表明，工业园区内土壤Cu、Zn遵从指数模型，土壤Cr、Mn遵从高斯模型，土壤Pb则遵从球状模型。居民区内土壤Cu、Pb均遵从高斯模型，土壤Cr、Mn遵从指数模型，土壤Zn则遵从线性模型。交通绿地中土壤Cu遵从线性模型，土壤Pb遵从指数模型，土壤Cr、Zn遵从球状模型。公园内土壤Cu、Cr遵从指数模型，土壤Mn、Pb、Zn遵从球状模型。农业区中土壤Cu、Cr、Pb、Zn均遵从高斯模型，土壤Mn则遵从球状模型。整体上看，不同功能区内各重金属的半方差函数模型的拟合情况都较好，能较好反映各重金属的空间变异结构特征。
　　 5、不同功能区表层土壤重金属含量的空间分布特征有明显差异。工业区中土壤重金属Cr、Mn的空间分布相对比较均一，而土壤Cu、Pb、Zn呈多岛状分布，这与受土壤Cu、Pb、Zn受强烈的工业加工生产和其他人为干扰有关。居民区、公园和农业区中土壤重金属基本呈条带状分布，也有呈现出条带状与岛状分布相结合分布的特点，如Cu在农业区、Pb和Zn在公园和农业区。可见工业园区重、轻工业产业的分布、交通污染源、人为活动密集是影响土壤重金属形成此分布现状的重要因素。
　　 6、以Mn元素作为参比元素，用富集因子法对不同功能区各土壤重金属富集程度进行评价。结果发现，各功能区中，土壤Pb、Zn的富集较显著，其中，土壤Zn在公园的富集指数小于1，为无富集，在其他4个功能区均为轻微富集，且富集指数由大到小依次为交通绿地>工业区>农业区>居民区，土壤Zn元素在交通绿地的富集较明显；土壤Pb与Zn类似，土壤Pb在公园的富集指数小于1，为无富集外，在其他4个功能区均为轻微富集，且富集指数由大到小依次为工业区>居民区>农业区>交通绿地，土壤Pb在工业区中的富集最为显著；土壤Cu在工业区中的富集较其他功能区显著，土壤Cu在工业区富集指数大于1，为轻微富集，土壤Cu在其他4个功能区均小于1，为无富集，富集指数大小依次为工业区>交通绿地>农业区>公园>居民区。
　　 7、不同研究尺度下的空间结构分析可知，样带和区级尺度下，土壤Mn具有明显的空间自相关，土壤Cr的空间相关性很弱，土壤Cu、Pb、Zn均表现为纯块金系数；工业区尺度下，土壤Cr具有强烈的空间自相关，土壤Cu、Mn、Zn具有明显的空间自相关，土壤Pb的空间相关性很弱。整体上看，随着研究尺度的缩小，土壤重金属的空间相关性在逐渐增强。
　　 8、不同研究尺度下城市土壤重金属含量的空间分布有明显差异。样带及区级尺度下的五种重金属中的三种(Cu、Pb和Zn)在空间分布上呈纯块金形式，样本之间体现出随机性和独立性，工业区尺度下土壤各重金属均存在较好的空间相关性。样带尺度上，土壤Cu、Pb、Zn的分布总体上比较相似，呈岛状与条带状相结合的特点，土壤Cr、Mn呈岛状分布。区级尺度上，土壤Cu和Pb的空间分布特征变现为多岛状区域分布，土壤Cr、Mn呈岛状区域分布；Zn的空间分布体现出条带状分布和岛状分布相结合的特点。工业区尺度上，土壤Cr、Mn的空间分布相对比较单一，而土壤Cu、Pb、Zn呈多岛状，这与其工业加工生产和其他人为干扰因素有关。
　　 9、对城市化水平、综合污染指数与重金属单因子污染指数进行相关分析，结果表明：土壤Zn的单因子污染指数、综合污染指数与城市化水平之问均呈显著正相关；土壤Cu、Cr、Mn、Pb的单因子污染指数与城市化水平相关性不明显；对闵行区各城市化水平综合指数与各镇土壤重金属污染指数进行回归分析发现：Zn单因子污染指标、综合污染指标与城市化水平综合指标的拟合曲线均呈现环境库茨涅茨曲线(EKC)特征，即表明土壤重金属污染在城市化的开始阶段会随着城市化程度的提高而不断恶化，当城市化水平达到一定程度时，城市边缘区土壤重金属污染状况会随城市化水平的提高而得到改善。