孫于然，柳云龍, ，陳誠(chéng)，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(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)（Gulan et al.，2017；李小平等，2015）。城市交通運(yùn)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(lái)了機(jī)動(dòng)車車流量的快速增加，交通道路作為非點(diǎn)源污染源對(duì)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(guò)食物鏈和揚(yáng)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(cè)量周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、破壞樣品等缺點(diǎn)。而環(huán)境磁學(xué)方法具有簡(jiǎn)單快捷、費(fèi)用低和非破壞性等優(yōu)點(diǎn)（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(guò)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(guò)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(yùn)輸?shù)热祟惢顒?dòng)排放的磁性顆粒物與污染物相伴，通過(guò)大氣降塵和地表徑流等途徑進(jìn)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(xiàng)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(qiáng)是由各種環(huán)境污染物中的磁性物質(zhì)進(jìn)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(lái)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(lái)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(dòng)的影響，磁性礦物的分布存在強(qiáng)烈的空間變異性。地統(tǒng)計(jì)學(xué)是土壤空間變異研究的主要方法（Blanchet et al.，2017），但對(duì)于復(fù)雜的土壤變異系統(tǒng)，常用的空間分析方法無(wú)法準(zhǔn)確模擬某些土壤特性多尺度、多過(guò)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(lái)，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(guò)非整數(shù)維數(shù)來(lái)表示土壤空間結(jié)構(gòu)和分布特征，能定量表達(dá)土壤屬性空間變異的復(fù)雜程度。目前，基于分形理論對(duì)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(jì)學(xué)相結(jié)合，通過(guò)空間插值研究區(qū)域土壤屬性的定量化方法，是對(duì)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(yùn)用更能從不同磁性礦物的環(huán)境意義來(lái)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(duì)象，基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)和分形理論，通過(guò)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(lái)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(diǎn)，網(wǎng)格布點(diǎn)使取樣點(diǎn)分布相對(duì)均勻。采樣點(diǎn)GPS精確定位，土壤采樣深度為0－20 cm，共采集樣點(diǎn)30個(gè)，樣點(diǎn)分布如圖1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)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(yùn)回實(shí)驗(yàn)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(yùn)用英國(guó)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(cè)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(chǎng)峰值為100 mT，直流磁場(chǎng)為0.1 mT）、飽和等溫剩磁（SIRM，磁場(chǎng)強(qiáng)度為1 T）、IRM-100mT、IRM-300mT（樣品經(jīng)IT磁場(chǎng)磁化后分別經(jīng)-100 mT、-300 mT退磁后的剩磁）。并計(jì)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(jì)算公式為：

1.3 地統(tǒng)計(jì)學(xué)

地統(tǒng)計(jì)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(jī)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(jì)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(shí)的樣點(diǎn)對(duì)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(guò)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(jì)學(xué)的主要內(nèi)容之一，實(shí)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(diǎn)，對(duì)未采樣點(diǎn)的區(qū)域化變量的取值進(jìn)行線性無(wú)偏最優(yōu)估計(jì)：

式中：Z(x0)是在未經(jīng)觀測(cè)的 x0點(diǎn)上的內(nèi)插估計(jì)值，Z(Xi)是在點(diǎn) x0附近的若干觀測(cè)點(diǎn)上獲得的實(shí)測(cè)值。

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

1.4 分形維數(shù)

對(duì)于分形分布的空間隨機(jī)變量，其半方差函數(shù)和間距的對(duì)數(shù)值存在線性關(guān)系。將各磁性參數(shù)的間距（h）及其對(duì)應(yīng)的變異值（γ(h)）繪在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上，由lgγ(h)和lgh回歸直線的斜率計(jì)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(shí)，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(shí)，表明土壤磁性空間變異受結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性因素共同影響；1.5＜D＜2時(shí)，表明土壤磁性的空間變異主要由隨機(jī)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(jì)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(xiàn)，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(lái)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(dāng)S-300mT接近于100%時(shí)，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(shí)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(dāng) SIRM/χlf的值約為 1.5－50 Kam-1時(shí)，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(jì)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(guò)程，屬于自然成因，晶粒粒徑較小。當(dāng)土壤樣品中χfd%＜2%時(shí)，基本不含有SP顆粒，在2%－10%時(shí)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(shuō)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(guò)程中形成的次生磁性礦物會(huì)加強(qiáng)土壤的磁性，具體表現(xiàn)為χlf和χfd%的同時(shí)增加。人為活動(dòng)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(qiáng)，具體表現(xiàn)為χfd%隨χlf的增加而下降，二者呈負(fù)相關(guān)（旺羅等，2000）。研究區(qū)內(nèi) χlf和χfd%的散點(diǎn)圖（圖2）顯示，χfd%隨著χlf的升高呈下降趨勢(shì)，說(shuō)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(dòng)有關(guān)。當(dāng) χlf值超過(guò)50×10-8m3·kg-1時(shí)，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(diǎn)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(jì)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(jì)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(tái)值，說(shuō)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(qiáng)烈的空間自相關(guān)性，說(shuō)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(lái)定量描述。多數(shù)自然變量相鄰兩個(gè)信息點(diǎn)間通常并非是線性變化或光滑過(guò)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(jī)性因素控制。土壤S-300mT、HIRM、χARM、χlf和SIRM存在局部隨機(jī)特性的空間結(jié)構(gòu)。半方差函數(shù)通過(guò)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(guò)不規(guī)則幾何形態(tài)的分析強(qiáng)調(diào)局部異常信息。說(shuō)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(jī)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(jìn)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(guò)交叉驗(yàn)證法對(duì)普通克里金插值的標(biāo)準(zhǔn)誤差進(jìn)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(yuǎn)，其數(shù)值呈先遞增后遞減的趨勢(shì)，χARM/SIRM的空間分布呈現(xiàn)低值靠近道路、高值遠(yuǎn)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(xì)粒徑磁性顆粒物在空氣中經(jīng)短暫擴(kuò)散后降沉進(jìn)入土壤，導(dǎo)致土壤磁性增強(qiáng)，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(yuǎn)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(shì)，HIRM總體上呈現(xiàn)了中心向四周逐漸減小的趨勢(shì)，而S-300mT總體上呈現(xiàn)了中心向四周逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)。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(shí)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(shí)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(qiáng)的主要貢獻(xiàn)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(dòng)影響強(qiáng)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(jī)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。