随着全球人口的增长，土地利用方式由自然土地向农业和城镇人为利用方式改变，已经成为全球变化重要组成之一^[1]。人类面临着如何平衡人类福祉用地需求和自然生态系统服务价值可持续性间的重大矛盾^[2]。城镇化在现代经济发展和人类福祉提升中起着重要的作用，但同时也改变了自然生态系统及其元素生物地球化学循环，在不同程度上影响了人类居住环境^{[3, 4]}。

重金属污染具有隐蔽性、不可降解性、生物富集性和弱移动性等特点^[5]。交通运输、工业生产、市政建设等人类活动都向环境排放重金属，经大气沉降或污水灌溉使土壤重金属负荷大幅度增加，直接影响农产品和饮用水质量安全及人类健康^[6,7,8,9]。

已报道针对土壤重金属污染的研究包括来源解析^[10,11]、累积特征^{[12, 13]}、空间分布特征^{[14, 15]}、土壤环境质量状况与食品安全性^[16]、土壤重金属污染评价^{[17, 18]}等各方面，主要集中于区域资源开发和农田污灌等导致土壤重金属污染及其带来的环境和人体健康风险，但对不同人类活动及其引起不同土地利用变化对土壤重金属负荷贡献的研究一直停留在定性表征水平。以具有明显地理边界的流域为研究单元，其相对封闭性可实现宏微观相结合的环境计量学研究，即从流域尺度实现土壤重金属空间分布与土地利用方式间的计量研究。但相关研究较为少见，尤其针对城镇化对流域土壤和地表水的重金属负荷贡献研究鲜见报道。以流域为单元的宏微观相结合研究方法论可在空间尺度上实现重金属分布及其环境风险评价插值绘图，为流域数字管理及其污染物排放减量提供科学依据及对策。

本文以福建省厦门市坂头水库流域为对象，在空间水平研究不同土地利用方式下研究表层土壤中具人为源特征重金属元素(Cu、Zn、Pb、Ni、Cd、Cr)负荷及其空间分布特征，并应用土壤重金属富集指数评价其潜在生态风险，以期为我国城镇化流域土壤环境质量评价及土地利用规划提供科学依据和指导。本文还应用本研究团队改良的基于土地利用方式的融合空间插值方法进行重金属元素分布及其潜在生态风险的空间分析。

研究小流域位于福建省厦门市西北部坂头水库流域，地理位置为24°39′12″ N、118°0′58″ E，流域面积约为205 km²，属亚热带季风性气候。流域土壤以红壤为主。根据流域气候特征可以分为湿季和干季，湿季为每年的4月至10月，干季为每年的11月至3月，全年平均降雨量约1200 mm。根据2010年DEM数据，该流域可分为5个次级流域，即水源地水库次级流域(Ⅰ)、农业城镇复合次级流域(Ⅱ)、农林城镇复合次级流域(Ⅲ)、城镇开发区次级流域(Ⅳ)和海湾次级流域(Ⅴ)；经解译2010年LandSat ETM+影像和2012年实地校正，该流域土地利用类型主要为林地、农业用地、城镇用地、绿地和水面(图1)。

图 1 研究流域地理位置及土地利用方式和采样点分布图 Fig.1 Location of the studied watershed and map of land use type and sampling points

图选项

土壤采样方案：以次级流域为单元，根据土地利用类型及面积设置土壤采样点数量，为统计需要每种土地利用类型至少保证3个表层土壤采样点。因此，在次级流域I和II内使用500m×500 m的采样格网，次级流域IV和V内使用400m×400m的采样格网，次级流域(Ⅲ)内使用200m×200m的采样格网，共设150个采样点，其中：林地25个，农业用地49个，城镇用地63个，绿地13个(图1)。2013年3月6日—4月7日根据预设布点进行野外采样，记录GPS坐标；实际采样过程中对于落在河流、道路等地采样点调整到附近样地。每个采样点均按照10m×10m正方形4个顶点和中心点分别采样，各取表层(0—10cm)土壤约1kg，现场均匀混合后用四分法从中选取1kg样品作为代表该采样点的混合样品。土壤经登记编号后，用聚氯乙烯塑料袋封装，带回实验室内自然风干，剔除植物残体和石块，磨碎、过100目(0.15mm)尼龙网筛，混匀、保存备用。为防止样品污染，在采样和保存过程中避免与重金属器皿直接接触。

处理后土壤样品重金属总量分析采用强酸消解和ICP-OES分析测定^[19]。每批处理都用长江流域水系沉积物标准物(GSD-13)做回收率实验，并以混合酸溶液做空白实验。重金属Cu、Zn、Pb、Cr、Cd和Ni的平均回收率分别为(104±8)%、(81±5)%、(97±4)%、(102±9)%、(98±6)%、(105±9)%。

实验中所有器皿均在10%硝酸溶液中酸化24h以上，所用的试剂均为优级纯。

流域表层土壤重金属潜在生态风险评价采用瑞典学者Hakanson 1980年提出的潜在生态风险指数法(PERI)^{[20, 21]}，其计算公式如下：

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空间数据插值：应用本研究团队改良的基于土地利用类型融合空间反距离加权差值法(LU-IDW)，即在ArcGIS (9.3)平台上对4种陆地土地利用类型斑块内分别应用反距离加权插值成图，利用流域土地利用矢量图融合得到流域表层土壤重金属总量和风险指数连续空间分布图。该方法是对不同土地利用类型进行分别插值，然后融合成图，区别于应用模型一次插值成图的传统方法。

表层土壤重金属总量、富集指数、潜在生态风险因子及其指数在不同土地利用方式间的差异进行了方差分析(ANOVA，P<0.05，SPSS(18.0)系统)。

在调查的6种重金属中，土地利用方式仅对表层土壤Cr和Ni总量有显著的影响，而对土壤Cd、Cu、Pb和Zn总量影响不显著(图2，P<0.05)。农业用地和城镇用地表层土壤Cr总量相当，平均值分别为14.7和14.6 mg/kg，均显著大于林地表层土壤(8.5 mg/kg)。表层土壤Ni总量则以城镇用地最高(平均值0.82 mg/kg)，但仅显著高于林地表层土壤(0.37 mg/kg)。城镇用地表层土壤Cd、Cu、Pb和Zn总量虽然由于数值变化区间太大，与其他土地利用方式差异统计不显著，但平均值均高于其他用地方式(图2)。

图 2 研究流域不同土地利用类型下表层土壤Cu、Ni 、Zn、Pb、Cr和Cd总量 Fig.2 Total contents of Cu,Ni,Zn,Pb,Cr and Cd in topsoil of different land use types in the studied watershed

图选项

空间插值结果与统计结果一致，即城镇用地和农业用地使流域表层土壤重金属富集，6种重金属元素虽呈现出不同的空间分布特征，但趋势一致(图3)。

图 3 研究流域表层土壤重金属总量(Cu、Ni、Zn、Cr、Cd、Pb)空间分布特征 Fig.3 Spatial variation of total content of heavy metals (Cu,Ni,Zn,Cr,Cd and Pb) in topsoil of the studied watershed

图选项

与福建省土壤重金属元素背景值相比，研究流域表层土壤6种重金属元素的富集水平(C_fⁱ)依次为Cu>Pb>Cd>Zn>Cr≈Ni，分别为相应背景值的0.35—7.84、1.13—1.79、0.40—1.52、0.16—1.02、0.20—0.36和0.20—0.40倍(表1)。不同土地利用方式表层土壤Cr和Ni总量均小于区域背景值，未显富集水平。根据Hakanson的分级方法^{[19, 20]}，城镇用地表层土壤Cu、Pb、Cd和Zn均呈中等及以上富集水平，其中Cu的富集水平最高(7.84)；农业用地表层土壤的Cu、Pb、和Cd亦呈中等富集水平。而所有土地利用方式下表层土壤Pb富集水平均为中等。虽然不同土地利用类型不同重金属元素富集水平不同，但其趋势均为城镇用地>农业用地>绿地>林地。

研究流域中，所有土地利用方式下表层土壤Cr、Ni、Zn和Pb总量均达到轻度生态风险水平(Eⁱ_r)(表2)。城镇用地和农业用地表层土壤中Cd生态风险水平达到中等，绿地和林地则为轻度；表层土壤Cu总量在林地、绿地和农业用地方式下中亦均为轻度生态风险水平，但在城镇用地方式下其生态风险达到了中等水平。潜在生态风险指数(RI)表明研究流域表层土壤重金属潜在生态风险均为轻度，以城镇用地方式指数值平均值最高(97.39)，农业用地方式(53.98)次之，而绿地(28.73)和林地(21.36)利用方式最低(表2，图4)。

图 4 研究流域表层土壤重金属潜在生态风险指数空间分布 Fig.4 Spatial distribution of the potential ecological risk index of heavy metals in topsoil of the studied watershed

图选项

本研究小流域表层土壤重金属总量空间分布特征表明，人类活动引起的土地利用方式改变提高了土壤重金属水平。与林地相比较，随着人类活动强度逐渐递增，绿地、农业用地和城镇用地方式表层土壤重金属总量相应提高(图2)。Biplob Das等^[26]亦证实了土地利用类型决定土壤重金属水平，在其研究的淡水流域，土壤重金属总量随湖泊 < 林地 < 农业用地 < 城镇用地 < 矿区用地等土地利用方式逐步提高。Li等^[19]进一步发现公园表层土壤重金属总量随郊区到城区的城镇化水平梯度递增。但是，Van Landeghem等^[25]在美国德克萨斯州流域的研究则认为土地利用方式不影响流域表层土壤重金属水平。

同时，本研究流域表层土壤6种重金属的富集指数(C_fⁱ)受土地利用方式影响的趋势与其总量一致(表1)。在我国哈尔滨不同功能区表层土壤重金属富集水平与本研究结果相似，即人类活动强度越大重金属富集水平越高，依次为工业区>交通区>郊区耕地区>植物园区^[27]。在本研究流域中人类活动引起的土壤重金属富集主要是Cu、Zn、Pb、Cd，而Cr和Ni低于区域背景值(表1)。相对于郊区土壤，英国苏格兰市阿伯丁城区土壤Cu、Pb、Zn和Ni富集指数亦显著增大，特别是Pb富集明显^[28]。但在本研究流域表层土壤Pb富集水平呈中等，与土地利用方式无关，可能表明该流域Pb污染主要来自于大气沉降。这与本研究团队在上海的研究结果一致^[19]。

研究流域表层土壤重金属元素潜在生态风险因子(E_rⁱ)与其总含量和富集指数一致，土地利用方式对其影响为城镇用地>农业用地>绿地>林地，其风险等级除城镇用地表层土壤Cd和Cu以及农业用地表层土壤Cd为中等外，其余均为轻度(表2)。在我国贵阳市不同功能区的研究表明，土壤重金属潜在生态风险因子随工业区>公园>交通区>郊区耕地>居民区逐渐增大^[29]，居民区小于耕地，而公园土壤则高于交通区。在哈尔滨市区其工业区和交通区土壤重金属潜在风险因子达到中等水平，而郊区耕地和植物园土壤仅为轻度水平^[27]。在苏北入海流域土壤重金属呈现轻度潜在生态风险，其趋势均为工业园区＞居民区＞镇郊农田＞围垦滩涂^[30]。这与本研究基本一致，即虽然城镇用地和农业用地方式的重金属潜在生态风险指数要大于1倍甚至几倍于林地和绿地用地方式，但整个流域表层土壤重金属潜在生态风险指数(RI)为轻度等级(表2，图4)。基于土地利用方式的反距离权重(LU-IDW)空间插值也清晰地表明了研究流域土壤重金属分布和潜在生态风险的这一空间特征(图3，图4)。

流域生态系统中重金属浓度的提高直接或间接地威胁着生物受体和生态系统健康^[31]。表层土壤中重金属元素除了其母质风化释放一部分外，主要来自于各种人类活动^[32]。比如，Cu、Zn和Pb是交通污染源特征重金属元素^[33]，汽车轮胎磨损和尾气排放均含有Zn和Cd的释放^[34]。农业施用磷肥、含磷复合肥以及以城镇垃圾、污泥为原料有机肥中均混杂有Cu、Zn、Pb、Cr、Cd和Ni等重金属^[35]，因此，这几种重金属被称为具有人为排放特征的污染重金属元素，即人为源重金属元素。本研究流域的表层土壤重金属含量空间分布图印证了这些人为输入途径，重金属Cu、Zn、Pb、Cr、Cd和Ni的高值区均分布在流域南部城镇用地、中部部分农业用地以及主要交通线(图3)。本研究结果表明研究流域尚处于城镇化初期，流域内废弃物处理设施尚不完善，使得邻近区域土壤重金属富集水平相对较高，将进一步导致流域水体重金属水平提高。该研究流域已作为城镇化环境与生态响应的长期定位研究站，将进一步在时间尺度进行验证。同时，本研究以野外调查结合遥感卫星图像解译和基于土地利用方式的空间插值的研究方法有效地揭示了研究流域土壤重金属的空间分布特征及其潜在生态风险评价空间模式。该方法论存在进一步改善的需要，但其多学科结合将有助于流域尺度的环境科学研究。

本文研究结果表明：

(1)流域土地利用方式影响着表层土壤重金属总量、富集水平和潜在生态风险，人类活动强度较大的城镇用地和农业用地方式对表层土壤重金属负荷影响最大；

(2)研究流域土壤重金属富集水平相对较低，以Cu、Zn、Pb、Cd富集为主，Cr和Ni总量低于区域背景值，但其土地利用方式差异显著。流域土壤重金属的潜在生态风险为轻度水平，除城镇用地和农业用地的个别重金属外，6种重金属总量、富集水平和潜在生态风险因子均随城镇用地 > 农业用地 > 绿地 > 林地递减；

(3)以野外调查结合遥感卫星图像解译和基于土地利用方式的空间插值的研究方法有效地揭示了小流域尺度土壤重金属的空间分布特征及其潜在生态风险的空间模式。