生态环境学报 2019, 28(9): 1893-1899 http://www.jeesci.com Ecology and Environmental Sciences E-mail: editor@jeesci.com
基金项目：上海市教育委员会科研创新项目（09YZ175）；上海市教委重点学科建设项目（J50402）；闵行区自然科学研究项目（2014MHZ002） 作者简介：孙于然（1994年生），女，硕士，研究方向为城市生态与环境。E-mail: sunyuran47@163.com *通信作者，E-mail: liu_zju@126.com 收稿日期：2019-05-21
城市交通绿地土壤磁性的空间变异特征及其环境意义 孙于然1，柳云龙1, 2*，陈诚1，冯瑶1 1. 上海师范大学地理系，上海 200234；2. 上海师范大学城市生态与环境研究中心，上海 200234
摘要：为揭示交通源等人类活动对土壤磁学性质和土壤环境质量的影响，选择城市交通绿地为研究区域，采集30个表土样品，采用地统计学和分形理论分析交通绿地城市土壤的磁性特征和磁性的空间变异特征，并探讨了其影响因素。结果表明，研究区内低频磁化率（χlf）、非磁滞剩磁磁化率（χARM）、饱和等温剩磁（SIRM）、硬剩磁（HIRM）的均值分别为62.75×10
−8
m3·kg−1、191.91×10−8 m3·kg−1、9249.86×10−6 Am2·kg−1、375.00×10−6 Am2·kg−1，变异系数分别为0.44、0.32、0.49、0.53，均
属于中等变异程度。半方差函数分析结果表明，土壤χlf、SIRM和χARM/SIRM的最优拟合模型是高斯模型，χ
ARM、HIRM和
S−300 mT是球状模型，6种磁学参数的块金系数大小依次为S−300 mT>χlf>SIRM>χARM>χARM/SIRM>HIRM，均小于0.25，磁学参
数具有强烈的空间自相关性。分形学分析结果表明，土壤S−300 mT、HIRM、χARM、χlf和SIRM的局部空间结构受到随机性因素影响。交通绿地土壤磁性矿物以亚铁磁性假单畴和多畴磁铁矿为主，同时含有少量的超顺磁性颗粒，且低矫顽力磁铁矿是土壤磁性增强的贡献者。交通绿地土壤χlf、χARM、SIRM和χARM/SIRM呈条带状与岛状分布，HIRM和S
−300 mT呈多岛状分
布。条带状分布与汽车尾气中不同粒径磁性晶粒的结构型沉降有关，而岛状、多岛状则反映交通绿地土壤磁性参数空间变异影响因素的复杂性，交通源、工业源、道路基建等因素均影响土壤磁学参数的空间分布特征。 关键词：环境磁学；地统计学；分形维数；空间变异；城市交通绿地 DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2019.09.022 中图分类号：X144 文献标志码：A 文章编号：1674-5906（2019）09-1893-07
引用格式：孙于然, 柳云龙, 陈诚, 冯瑶, 2019. 城市交通绿地土壤磁性的空间变异特征及其环境意义[J]. 生态环境学报, 28(9): 1893-1899. SUN Yuran, LIU Yunlong, CHEN Cheng, FENG Yao, 2019. Spatial variability of soil magnetic properties in urban traffic greenbelt and its environmental implications [J]. Ecology and Environmental Sciences, 28(9): 1893-1899.
城市土壤重金属及其它污染物已成为环境科学等领域国内外研究的热点（Gulan et al.，2017；李小平等，2015）。城市交通运输在人民生活生产中发挥着日趋重要的作用，交通需求的上升带来了机动车车流量的快速增加，交通道路作为非点源污染源对其两侧土壤和居民的污染也日趋明显。道路污染源包括汽车尾气、轮胎摩擦碎片、路面沥青、地表径流等，城市交通绿地土壤污染的分布主要是以交通道路为中心向其两侧呈带状延伸，公路周边土壤中的Cu、Zn、Pb等重金属污染物被视为典型的交通源污染物，这些重金属在公路两侧土壤中累积和迁移，通过食物链和扬尘等影响人体健康（Harrison et al.，2003；Chen et al.，1997；Liu et al.，2016）。传统土壤污染的分析方法具有测量周期长、费用高、破坏样品等缺点。而环境磁学方法具有简单快捷、费用低和非破坏性等优点（王新等，2017)。它主要研究大气、土壤、沉积物等物质中磁性矿物
的磁性，通过分析反映磁性矿物含量、种类和配比情况的磁学参数，研究得出不同污染载体的磁性特征及环境意义（卢升高等，2008；Zawadzki et al.，2016；Rachwał et al.，2015）。 源于工业生产和交通源的磁性颗粒，呈球形结构，有别于自然成土过程形成的针状等不规则形状的磁性颗粒，这与化石燃料的高温燃烧有关（邓海英等，2017；Zawadzki et al.，2015）。交通运输等人类活动排放的磁性颗粒物与污染物相伴，通过大气降尘和地表径流等途径进入土壤，导致土壤污染和土壤磁性显著增高。交通道路两侧土壤多项磁学参数及其关系的研究结果显示，土壤磁性增强是由各种环境污染物中的磁性物质进入导致的，可根据高磁化率值判断土壤污染情况（Qian et al.，2011；Attoucheik et al.，2017；王冠等，2018）。不同磁学参数及其比值指示了不同的环境意义，研究其空间分布可获得土壤污染的空间格局和来源（陈学刚1894 生态环境学报 第28卷第9期（2019年9月） 等，2014；Kamacı et al.，2017；Fabijańczyk et al.，2016；Rachwał et al.，2015）。利用道路两侧土壤磁性特征及其空间分布的变化来分析城市交通污染状况和范围已成为一种有效方法（Hoffmann et al.，1999；沈明洁等，2007）。 受人类活动的影响，磁性矿物的分布存在强烈的空间变异性。地统计学是土壤空间变异研究的主要方法（Blanchet et al.，2017），但对于复杂的土壤变异系统，常用的空间分析方法无法准确模拟某些土壤特性多尺度、多过程的空间异质性，尤其是局部的奇异性信息（张法升等，2011）。近年来，分形理论逐渐被用于土壤属性的空间分析（Dafonte et al.，2015；张世文等，2018），通过非整数维数来表示土壤空间结构和分布特征，能定量表达土壤属性空间变异的复杂程度。目前，基于分形理论对城市交通道路沿线土壤多种磁性参数的空间结构特征分析较少，将分形理论与地统计学相结合，通过空间插值研究区域土壤属性的定量化方法，是对土壤属性空间变异性研究的拓展。多种磁学参数和分形学的运用更能从不同磁性矿物的环境意义来分析交通绿地土壤磁性的空间变异特征。本文以上海市闵行区城市交通绿地土壤为研究对象，基于地统计学和分形理论，通过多种磁学参数分析城市交通绿地土壤磁性矿物的组分、含量及来源，探索土壤磁学参数的空间结构、空间分布特征及其环境意义，为交通道路沿线的土壤污染调查、管理和利用提供支持。 1 材料与方法
1.1 土壤样品采集 选取上海外环高速S20闵行区七宝镇境内路段（近漕宝路），公路位于研究区域西侧，在道路一侧以5 m的采样间距设置样点，网格布点使取样点分布相对均匀。采样点GPS精确定位，土壤采样深度为0－20 cm，共采集样点30个，样点分布如图1所示。 1.2 实验测试 土壤样品在野外剔除较大固体颗粒物，放入聚乙烯塑料密封袋，避免样品之间接触污染。样品运回实验室后自然风干，然后研磨至100目以下，密封保存。称取土壤样品4－5 g，运用英国Bartington MS2磁化仪、Dtech 2000交变退磁仪、MMPM 10脉冲磁化仪和Molspin旋转磁力仪测量了土壤样品的磁学参数，包括低频磁化率（χlf）、高频磁化率
（χhf）、非磁滞剩磁（ARM，交变磁场峰值为100 mT，直流磁场为0.1 mT）、饱和等温剩磁（SIRM，磁场强度为1 T）、IRM−100 mT、IRM−300 mT（样品经IT磁
场磁化后分别经−100 mT、−300 mT退磁后的剩
磁）。并计算了频率磁化率χfd%、非磁滞剩磁磁化率χARM、硬剩磁（HIRM）、退磁参数（S−300 mT），其
中S−300 mT的计算公式为：
S−300 mT=(SIRM+IRM−300 mT)/SIRM×100 （1） 1.3 地统计学 地统计学以区域化变量理论为基础，以半方差函数为主要工具，研究在空间分布上既有随机性又有结构性的自然现象的科学。半方差函数计算公式为：
[]()211()=(+)()2()Nhiii
hZxhZx
Nhγ
=−
（2） 式中：h为样本间距；γ(h)为半方差函数值；
N(h)指间距h时的样点对数；Z(xi)和Z(xi+h)为区域化变量Z在空间位置xi和xi+h上的值。半方差函数
的理论模型有球状、高斯、指数、线性等模型，通过决定系数R2和残差RSS选择最优拟合模型。
克里金（Kriging）插值法是地统计学的主要内容之一，实质是利用区域化变量的原始数据和半方差函数的结构特点，对未采样点的区域化变量的取值进行线性无偏最优估计：
01()=()niii
ZxZXλ
=
（3）
式中：Z(x0)是在未经观测的x0点上的内插估计值，Z(Xi)是在点x0附近的若干观测点上获得的实测值。
图1 研究区域样点分布图 Fig. 1 Distribution of study regional sampling