歐洲土壤重金屬元素多重分形特征及其環境意義

姚凌陽， 謝淑云* ， 張隴和， 田 歡， 喬勝英

(1.中國地質大學(武漢)地球科學學院，湖北武漢 430074；2.中化地質礦山總局陜西地質勘查院 ，陜西西安 710000)

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歐洲土壤重金屬元素多重分形特征及其環境意義

姚凌陽1， 謝淑云1*， 張隴和2， 田 歡1， 喬勝英1

(1.中國地質大學(武漢)地球科學學院，湖北武漢 430074；2.中化地質礦山總局陜西地質勘查院 ，陜西西安 710000)

[目的]評價歐洲土壤環境地球化學特征，為改善和調控生態環境、制訂社會經濟可持續發展規劃提供決策依據。[方法]采用多重分形方法、綜合指數法，結合歐洲地質狀況，對歐洲表層和深層土壤中As、Co、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 7種重金屬元素地球化學數據進行統計分析，探討了重金屬在表層和深層土壤中的分布規律，并對其進行環境地球化學特征評價。[結果]重金屬元素在歐洲表層和深層土壤中的分布具有多重分形分布特征，且各元素含量在多重分形頻譜曲線上均顯示連續的多重分形分布，并受各國的經濟社會發展和礦產開采等情況影響，導致重金屬在各國家、地區的污染程度不同。歐洲土壤重金屬污染程度為清潔至中污染，尤以巴爾干半島和意大利北部重金屬污染嚴重，而其他地區重金屬含量與世界土壤均值相當，且略低于中國土壤均值，各元素綜合污染指數從大到小依次為Ni、As、Co、Cr、Pb、Zn、Cu。[結論]該研究不僅為土壤質量評價，更能為保護人類健康制訂有效措施提供重要信息。

土壤；重金屬；多重分形；地球化學環境；歐洲

土壤中重金屬含量不僅受自然因素的控制，還受人為活動(如工業、交通和農業活動等)的影響，其中礦山的開采與冶煉對土壤重金屬污染最嚴重。土壤重金屬污染不但影響作物的產量與品質,還通過食物鏈的富集對動植物和人體產生危害，同時也是大氣和水環境的重要污染源。因此，已成為環境科學領域備受關注的研究熱點[1-4]。多重分形方法、綜合指數法在環境評價與預測中發揮著重要作用，如用于區分污染和非污染區，判斷污染源，探討地球化學指標在環境中的環境動力學行為等[5]。謝淑云等運用多重分形方法對成都盆地淺層和深層土壤中多種元素含量進行分析，認為不同的分布模式能較好地判斷表層土壤中元素的來源等問題，同時認為連續多重分形是金屬元素地球化學場分布的一種普遍規律[6-8]。Blaser等按土壤形成層次采集了瑞士森林中不同土樣，通過計算各元素富集指數來判斷土壤表層元素含量異常是人為污染還是自然來源，并指出元素富集指數考慮了土壤元素含量的剖面分布和自然變異，因而該方法優于僅通過表層元素是否超過最大允許濃度來判斷土壤是否受到污染的方法[9]。單因子污染指數法通常用來反映各污染物的污染程度[10]，內梅羅指數法可全面反映各重金屬對土壤的不同作用，突出高濃度重金屬對環境質量的影響，避免由平均作用削弱重金屬權值現象的發生[11]，該方法能較好地用于環境評價，能較全面、綜合地反映土壤的污染程度，因此被廣泛使用。Zhong等[12]應用單因子污染指數法和內梅羅指數法對地下水和河流沉積物中重金屬污染進行了環境風險評價。筆者擬通過對歐洲淺層和深層土壤地球化學數據進行基本統計量特征研究、地球化學多重分形特征分析和內梅羅綜合污染指數的計算，對比分析歐洲土壤中重金屬元素的分布狀況，結合我國部分地區土壤地球化學分布特征進行探討，以期為制訂我國土壤質量評價的合理方案提供決策依據。

1　區域概況與數據來源

1.1研究區概況歐洲(Europe)大陸位于歐亞大陸西部，面積約1 000萬km2，共40余個國家和地區。地理上東與亞洲大陸相連，南隔地中海和直布羅陀海峽與非洲大陸相望，西鄰大西洋，北靠北冰洋。大部分地區為溫帶海洋性氣候，少部分屬地中海氣候、溫帶大陸性氣候、高原山地氣候和極地氣候等，降水分布較均，河網稠密，水量豐沛。

整個歐洲地勢平均高度約330 m，地形以平原為主，占全洲總面積的2/3，整體以Baltic Sea東岸至black sea西岸一線為界分為東西兩部分：東部以平原為主，地形單一，西部地形復雜，以山地和平原相互交錯。南部聳立著一系列山脈，總稱阿爾卑斯山系，歐洲的海岸線曲折，多半島、海灣、島嶼、內海，北歐的Scandinavia是歐洲最大的半島[13]。

1.2數據來源數據來源于歐洲地球化學基準值填圖計劃(the FOREGS Geochemical Baseline Mapping Programme)(https://www.bgs.ac.uk/home.html)。 采樣按照全球參考網格( Global Reference Network,GRN),每個格子大小是160 km×160 km,在每個格子中布置5個采樣點。采樣點(表1、圖1)遍布整個歐洲[14](部分偏離到非洲的塞拉利昂的數據在處理中不予考慮)。為保證數據的一致性和避免實驗室之間的分析偏差,所有樣品均在同一實驗室制備,同一元素在同一實驗室使用同一種方法分析，As、Cr、Co、Cu、Ni、Pb、Zn的檢出限分別為1、3、2、1、1、1、1 μg/g，均采用XRF分析測定。所有樣品制備由斯洛伐克地質調查局完成，樣品分析由英國、法國、德國、芬蘭、匈牙利、荷蘭、挪威、波蘭、斯洛伐克9個實驗室完成。

表1　歐洲各國樣品采集點分布統計

圖1　歐洲土壤采樣點分布Fig.1　Distribution of soil sampling sites in Europe

2　重金屬元素地球化學特征

2.1元素的地球化學分布為分析As、Co、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn元素的分布規律，對重金屬在表層(0～20 cm)、深層(20～40 cm)土壤中的分布進行了對比分析。

從圖2、3可見，歐洲土壤重金屬元素總體水平分布以南高北低為特征，而在縱向垂直分布上可分為兩類：一類為深層高、表層低，包括As、Cr、Co、Cu、Ni 5種元素；另一類則為表層高、深層低，如Pb、Zn。

As在表層土壤和深層土壤的分布規律相似，高砷區主要分布在歐洲南部，尤其是希臘北部的阿爾巴尼亞、馬其頓、保加利亞一帶、葡萄牙西北部、法國西北部以及法國東南部和意大利西北部交界處，而中北部、西北部的As分布較均勻、豐度較低，與背景值(采用世界土壤中值作為背景值)相近；Co在歐洲表層土壤中的含量較深部略高，高鈷區主要分布在巴爾干半島和意大利的南部，同時Co礦床在芬諾斯坎底亞(芬蘭、挪威、瑞典、丹麥的總稱)、西班牙、德國廣泛分布[15],對當地土壤中Co的含量也存在一定影響，歐洲北部則為低鈷區，含量接近背景值；Cr、Ni在巴爾干半島和意大利北部具有高含量的分布情況，而在歐洲其他地區土壤中特別是在深層土壤中，分布情況幾乎相同，為接近背景值的低含量區；Cu在整個歐洲都具有較廣泛的分布，可能與Cu礦床遍布整個歐洲有關，同時Cu在東歐與北歐部分地區淺層和深層土壤中分異也比較明顯；而對于Pb、Zn元素在歐洲土壤中的分布情況相對簡單，在表層土壤中含量明顯高于深層土壤，分布圖中除英國中部、葡萄牙北部、法國南部臨近意大利的地方和巴爾干半島的東南部等地區出現了明顯的高含量分布區域外，其他地方元素含量波動范圍都較小，接近背景值。

圖2　表層土壤重金屬含量分布Fig,2　Distribution of heavy metal content in topsoil

圖3　深層土壤重金屬含量分布Fig.3　Distribution of heavy metal content in deepsoil

2.2變異系數和富集系數為了進一步追溯研究區表層、深層土壤重金屬元素的來源,采用富集系數和變異系數，其中富集系數為采樣區重金屬元素均值與背景值之比，變異系數指標準差與平均值的比值，體現各變量在統計分析中的變異程度，即離散性[16]。變異系數和富集系數統計見表2、3。

表2　表層土壤重金屬含量參數統計值

表3　深層土壤重金屬含量參數統計值

富集系數可以衡量元素在成土過程中的富集貧化程度。根據富集系數的大小將元素富集程度劃分為4個等級[17]：富集系數<0.8為貧化,0.8～1.2為穩定,1.2～1.5為富集,>1.5為顯著富集。土壤中各元素富集程度存在差異：As、Ni均為顯著富集；Cr、Cu表現為貧化；Co、Pb、Zn均表現為穩定。與元素含量的縱向分布相似，As、Co、Cr、Cu、Ni的富集系數為表層低于深層，Pb、Zn的富集系數為表層高于深層。上述7種重金屬元素的變異系數均大于100%,說明歐洲土壤重金屬元素質量分數在水平分布上不均勻,區域上質量分數變化大,分異顯著[16]。

總體而言，研究區的重金屬元素分異作用主要由成土母質的不同引起,局部的分異可能由人類活動及其他因素所造成[18]。

2.3歐洲土壤重金屬多重分形在地球化學場的研究中,多重分形分布模型可以簡要地概括如下[19-22]：假設從某礦區內得到一組地球化學樣品,通過對這些點樣品微量元素含量的插值可形成覆蓋該區的某種地球化學網格數據。記每個網格內微量元素含量均值為ρ(ε),ε表示網格的大小(如正方形網格的邊長),則第i個網格內的面金屬量為:

μi(ε)=ε2ρi(ε)

(1)

如果元素在研究區內具有多重分形特征,那么面金屬量μi(ε)與網格大小ε之間服從冪率分布規律：

μi(ε)∝εαi

(2)

式中，∝表示當ε較小時μi與ε成正比，αi表示某一有限指數(Local Holder Exponent)。由于每個網格中可求得α值,且不同的α值將對應1組網格,如果用Nα(ε)表示在網格大小為ε時具有Holder 指數α(即金屬量為εα)的單元數,則：

Nα(ε)∝ε-f(α)

(3)

顯然,f(α)相當于具尺度(measure)μ為εα的區域的分形維數,即多重分形維數譜函數。

為計算α與f(α)，最常用的方法是矩方法。首先定義一個分配函數(Partitionfunction),

(4)

式中，q為任意數,表示μ(ε)的統計矩階數,μi=Xiε2代表序號為i、長度為ε的單元的金屬總量，Xi是第i個單元的品位值。同時Cheng[23]引入了質量指數τ(q)

(5)

如果u(ε)具有多重分形特征,則對于任意給定的q值,Xq(ε)與ε之間具有如下的指數關系:

Xq(ε)∝ετ(q)

(6)

如果τ(q)還是q的光滑函數,那么α可以由下式求出:

α(q)= ?τ(q)/ ?q

(7)

式(7)中一階導數由相鄰數據對q±0.001的估計值τ(q)決定，把這些數據中任意2個差值除以0.002即可求出α(q)。最后通過對τ(q)進行Legendre變換,計算分形維數：

f(α) =α(q)q-τ(q)

(8)

筆者采用矩分析多重分形方法對歐洲土壤重金屬元素進行分析，并對7個地球化學元素的空間分布特征以及奇異性特征進行了討論。運用矩方法計算分形譜函數，奇異性指數α由中心插值法得到，令步長為0.5，取q從-10變化到10共41個值計算了歐洲772個表層土壤樣品和772個對應的深層土壤樣品中7種重金屬元素含量多重分形譜函數f(α)。

圖4　歐洲土壤重金屬元素的多重分形Fig.4　Multifractal of heavy metal elements in Europe soil

f(α)圖譜的不同形狀，表征著不同的意義特征。從圖4可以看出，無論是深層還是表層土壤，7種重金屬元素的多重分形譜均呈“倒鐘狀”，呈連續分布，表明7種重金屬元素在歐洲表層和深層土壤中的空間分布均具有連續多重分形特征。7種重金屬元素在淺層和深層土壤中的多重分形譜函數曲線在表層和深層土壤中的分布區域均為不對稱的上凸曲線，表明歐洲地區表層和深層土壤中重金屬元素均經歷過不同程度的疊加改造[6，19]。

表4　表層土壤中各重金屬元素的多重分形參數

表5　深層土壤中各重金屬元素的多重分形參數

從數學角度分析，分形譜函數f(α)曲線的左半段ΔαL主要反映了q≥0 的特征,能刻劃分形的基本特征,實際上重點突出了較高含量的特征，而右半段ΔαR為q<0 部分主要反映了測量過程的各種誤差或干擾以及分形結構中的細小結構變化,也就是說低含量的特征能得到加強[6,19-21]。f(α)函數中多重分形參數的開口寬度Δα反映了元素分布在整個測度上分布的均勻性和奇異性，Δα越小，分布越均一，奇異性越小。而Δf譜高差反映了元素高值區域和低值區域分布的比例，即Δf越小，高值區域所占比例越大。非對稱指數R=(ΔαL-ΔαR)/Δα能進一步地反映元素高低含量之間的差異性，R=0表示分形譜函數f(α)曲線左右兩側完全對稱，R<0 表示譜函數f(α)曲線右偏;R>0則相反，謝淑云等[19]曾運用該指數來判斷元素分布的均一性和成礦潛力。

由表4、5可知，As、Co、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn元素的△f>0，多重分形譜為近似“倒鐘狀”的右鉤形態，表明歐洲表層土壤中As、Co、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn元素低含量分布大于高含量分布，深層土壤中As、Co、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn元素具有同樣特點。由歐洲表層和深層土壤的多重分形譜參數對比可知，歐洲表層土壤Co、Cr元素的△α和△f分別比深層土壤略大，表明Co、Cr元素在表層土壤的奇異性較大且以低含量為主；As、Zn元素在表層土壤的△α較深層土壤的△α略大，As元素在表層土壤的△f較深層土壤的△f略大，而Zn則相反，指示As、Zn在表層土壤的奇異性較大，其中As在表層土壤中以低含量為主，Zn在表層土壤中以高含量為主，由于As、Zn的化學性質比較活潑；表層土壤中Cu元素的△α=1.07、△f=1.13，深層土壤中Cu元素的△α=1.55、△f=1.63，說明Cu元素在深層土壤的奇異性較大且以低含量為主；表層土壤中Ni元素的△α=1.79、△f=1.70，而深層土壤中Ni元素的△α=1.19、△f= 1.26，表明表層土壤中Ni元素分布奇異性較大且以低含量為主，指示深層土壤Ni元素富集程度高于表層土壤；表層土壤中Pb元素的△α=2.04、△f=2.06，而深層土壤中Pb元素的△α=1.90、△f=1.94，表明表層和深層土壤中Pb元素分布奇異性均很大且以低值區域為主，但深層土壤中Pb元素分布奇異性相對表層略小。據表4、5中R值分析可知，As元素在表層和深層土壤中的R值均很大，分別為0.79和0.67，表明As在歐洲土壤中的特征主要受后期疊加作用影響。Co元素的R值均為負值，在深層土壤中接近0，表現為基本對稱的分形頻譜分布圖，說明元素主要受母質影響，后期分異不明顯；而在表層土壤中，Co的R值偏負，達到-0.19，反映元素的后期疊加作用不明顯。Cr、Cu、Ni、Pb、Zn在表層和深層土壤中的R值均大于0，頻譜曲線表現為左偏，其中Cu在深層土壤中R值和Zn在表層土壤中R值接近0，表明Cu在深層土壤和Zn在表層土壤中分異不明顯，其他元素則表現明顯分異。

多重分形參數值分析表明，除Cu元素外，整體來說，表層土壤重金屬元素的△α值明顯大于深層土壤，△αL亦顯示類似的性質。由此可見，相對于深層土壤來說，歐洲表層土壤中元素的分布相對更離散，受后期人為活動、地表風化、主要重金屬元素在地表中相對活躍等因素的影響。

歐洲土壤重金屬多重分形特征與我國部分地區土壤重金屬特征有所區別，如Xie等[24]運用多重分形方法對成都經濟開發區表層與深層土壤中多目標地球化學調查的54項指標進行了探討。矩分析結果顯示，表層和深層土壤中每類元素的多重分形頻譜具較相似的變化規律,Cr、Cd、Ni、Pb元素在表層土壤中的多重分形頻譜較寬,在深層土壤中的多重分形頻譜較窄,充分顯示Cr、Cd、Ni、Pb在表層土壤中具有后期疊加的特征,并由人為因素所致，而As、Hg、Cu、Zn元素并未顯示該特征，其在表層與深層土壤中其變化不大，后期疊加作用不明顯。柯賢忠等[18]運用分形與多重分形方法，結合變異系數和富集系數,對海南省瓊海市表層土壤中重金屬元素的來源進行探討，認為海南省瓊海市表層土壤中Pb的高含量受人為因素影響強烈，As的富集來自農業活動,Ni的富集主要來自成土母巖的風化,而其他重金屬元素受后期人類活動影響較小或基本未受影響。

3　歐洲重金屬元素污染評價

3.1總體污染評價單項因子污染指數法及內梅羅綜合污染指數法是目前常用的土壤環境質量評價方法[25-26]，其計算公式：

Pi=Wi/Si

(9)

P綜=[(Pi平均2+Pi最大2)/2]1/2

(10)

式中，Pi為重金屬污染元素i的單項污染指數，表示重金屬元素i的污染嚴重情況；Wi為重金屬污染元素i的實測質量分數；Si為重金屬污染元素i的評價標準；P綜表示綜合污染程度，P綜越大，則表示綜合污染程度越嚴重；Pi平均、Pi最大分別表示土壤中重金屬元素的平均單項污染指數和最大單項污染指數。土壤質量分級標準和評價標準見表6、7。

表6　土壤質量分級標準

表7　歐洲重金屬風險評估要素基本統計量[27-28]

由表8可知，以世界土壤為標準時，歐洲所測表層土壤重金屬元素的Pi為0.63～2.70，P綜約為2.10，污染程度屬警戒級至輕污染，表層土壤P綜較深層土壤大，其中土壤重金屬Pi從大到小依次為Ni、As、Co、Cr、Zn、Pb、Cu。Ni、As的Pi大于2.00，屬中污染；Co、Cr、Cu、Pb、Zn 5種元素的Pi為0.63～1.58，污染程度屬于警戒級至輕污染。以中國土壤為標準時，歐洲土壤重金屬元素的Pi為0.65～1.80，P綜約為1.44，污染程度屬警戒級至輕污染，同樣表層土壤P綜較深層土壤大，Ni的污染指數大于1.00，屬輕污染；As、Co、Cr、Cu、Pb、Zn 5種元素的單因子污染指數都為0.50～1.00，污染程度屬于警戒級，指示除Ni元素，歐洲土壤重金屬較中國土壤平均值略低。可見，由于采用的標準不同，土壤所表現的污染程度也會有差別。

3.2各區污染評價由不同標準的重金屬污染評價可知，歐洲整體的重金屬風險指數較低，環境狀況良好，但從元素的地球化學分布圖可以看出，這7種重金屬元素在歐洲的整體分布不均勻，因此有必要分不同地區分別對其重金屬風險指數進行評估。筆者參照元素地球化學分布圖將歐洲整個采樣區分別劃分為7個分塊：北歐(包括丹麥、挪威、芬蘭、瑞典)、東歐(包括波蘭、拉脫維亞、立陶宛、愛沙尼亞、捷克、斯洛伐克等國)、巴爾干半島(包括希臘、克羅地亞、阿爾巴尼亞等國)、意大利(包括科西嘉島等)、歐洲中部(包括除英國和愛爾蘭之外的主要的歐洲中部國家)、歐洲西北部(包括英國和愛爾蘭)以及伊比利亞半島(包括西班牙和葡萄牙兩國)，并分地區進行了對比研究，以期描述歐洲元素地球化學的區域性分布。歐洲7個分區的7種重金屬數據基本統計情況見表9、10。

表8　歐洲土壤重金屬元素污染評價

表9　歐洲分區表層土壤平均值

表10　 歐洲分區深層土壤平均值

從圖5、6可以看出，東歐、北歐的Pi和P綜均有相似的特點，該地所有元素的Pi和P綜均小于1.00，也就是說這兩地重金屬元素含量均低于標準值，土壤均未受到污染，這與其地理位置、自然環境以及地廣人稀的特點密切相關；中歐、西北歐的Pi和P綜略高，Pi為0.25～2.57，范圍較寬，P綜為1.44～2.02，土壤屬警戒級至輕污染；伊比利亞半島由于As的單因子指數極高貢獻率使得全區綜合污染指數(P綜)均超出背景值，達到輕污染及以上的程度，即全區的西南部處于中度污染,其他大部分處于輕污染；巴爾干半島的表層土壤P綜為6.42，深層土壤P綜為5.86，屬重污染，其中As、Cr、Co、Ni的Pi較高，屬中至重度污染；而對于意大利，重金屬在表層土壤的P綜為3.72，深層土壤的P綜為3.54，為中度污染，其中部分重金屬為輕污染程度，主要污染元素有As、Co、Cr、Ni。除此之外，歐洲中部和歐洲西北部的重金屬As、Co、Ni、Zn的Pi也較高。

As在歐洲土壤中的污染程度普遍較高，由As的多重分形分析可知，歐洲土壤中的As 主要與外界因素的影響有關，同時As元素數據的統計可進一步驗證該結論；Co在巴爾干半島和意大利的污染程度較高，從Co元素的富集系數、變異系數和多重分形頻譜的角度分析可以看出，Co元素的高質量分數可能主要來自地層本身，受外界疊加作用不明顯；由于Cr-Ni為1組正相關元素，這2種元素在地球化學分布圖中的異常分布情況相似，同時出現輕甚至中污染，Cr-Ni的多重分形分析可知，Cr-Ni元素在表層土壤的奇異性較大且以低含量為主，說明深層土壤Cr-Ni元素富集程度高于表層土壤,Cr-Ni的元素地球化學分布圖同樣表現出這一特征。Cr在土壤中主要以Cr3+形態存在,土壤膠體對Cr3+有強烈的吸附作用[29],較快地被吸附固定積累在表層,很少向下移動,因而造成表層土壤Cr元素奇異性大；Ni作為希臘、南巴爾干半島、西班牙、中歐、芬諾斯坎底亞(芬蘭、挪威、瑞典、丹麥的總稱)等地主要的經濟礦床[14]，對歐洲土壤中Ni元素的分布特征也有著一定影響；Pb的污染程度為警戒級，變異系數較大，矩分析的多重分形頻譜可知，Pb在歐洲土壤中的特征主要受控于外界影響因素；Cu、Zn在整個歐洲污染程度相對較小，在表層與深層土壤中變化不大,后期疊加不明顯，從變異系數和多重分形角度分析，Cu、Zn在歐洲土壤中的分布受外界影響作用較大，如尾氣排放、工業生產等。Werkenthin等[30]對歐洲路邊土壤及土壤溶液中重金屬的分析認為，土壤污染程度與土壤深度和公路距離成反比；Machender等研究認為，工業活動是土壤重金屬污染的主要來源[31-33]。歐洲土壤重金屬污染特征，究其原因，主要與歐洲高度發達的工業、交通運輸、所處地理位置及不同功能區、當地經濟社會高速發展時的能耗環保程度及公民意識等有關，部分元素(如Co)受地質成因影響較大。

圖5　歐洲分區表層土壤樣品重金屬元素污染評價Fig.5　Evaluation of heavy metal elements pollution in topsoil samples from each region of Europe

圖6　歐洲分區深層土壤樣品重金屬元素污染評價Fig.6　Evaluation of heavy metal elements pollution in deepsoil samples from each region of Europe

文獻資料顯示[34-37],我國各大城市普遍受到不同程度的重金屬污染，城市土壤中大部分重金屬污染物含量普遍高于郊區、農村土壤，具有明顯的人為富集特點,在不同城市之間，不同類型的重金屬含量存在顯著差異。如李玲等[38]通過對鄭州市郊區土壤重金屬進行污染評價，結果表明：研究區表層土壤中各種重金屬均有超過背景值的現象，各重金屬Pi、P綜在鄭州市郊區的分布特點各不相同。鄧秋靜等[39]對貴陽市耕地土壤重金屬污染現狀進行研究，得出土壤中重金屬含量在地區內及地區間差異較大，工業區土壤污染程度明顯高于郊區土壤。Yang等[40]通過對武漢工業區、農業區、居民區表層土壤中重金屬污染進行研究，認為青山區受工業、農業活動和環境惡化的長期影響而導致重金屬嚴重污染。武永鋒等[41]以貴陽市區土壤為研究對象,研究不同功能區土壤中重金屬污染的特征,結果表明：不同功能區潛在生態危害程度從大到小依次為工業、公園、交通區、郊區耕地、居民區。

4　結論

(1) 歐洲表層和深層土壤中的7種重金屬元素在空間分布上均具有連續多重分形特征，f(a)的曲線特征表明，該區表層和深層土壤均受到不同程度的局部疊加，即除繼承母質成分之外，還受到人為等外來作用的影響。多重分形參數值分析表明，表層土壤中As、Co、Cr、Ni、Pb、Zn元素分布奇異性較大，且以低含量為主，指示深層土壤中As、Co、Cr、Ni、Pb、Zn元素富集程度高于表層土壤，而Cu元素在表層土壤中表現為奇異性較小，且以高含量為主。

(2)歐洲土壤重金屬整體污染程度為清潔至中度污染，綜合污染指數從大到小依次為Ni、As、Co、Cr、Pb、Zn、Cu。其中，As、Ni元素的污染指數大于2.00，屬中污染；Co、Cr、Cu、Pb、Zn 5種元素的單因子污染指數均為0.50～2.00，污染程度屬于警戒級至輕污染。

(3)重金屬元素在歐洲表層土壤和深層土壤中的分布大致相同，并受各國社會經濟發展、交通運輸、礦產開發和不同功能區等的影響，在各國的污染程度不同，其中東歐、北歐土壤重金屬污染程度為清潔，中歐、伊比利亞半島、西北歐的土壤重金屬污染程度為尚清潔，巴爾干半島和意大利北部重金屬較為富集，達中污染甚至重度污染。

[1] PEI D,XIE H,SONG H,et al.Bioconcentration factors and potential human health risks of heavymetals in cultivatedLentinusedodesin Chengdu,People′s Republic of China[J].J Food Protection,2015,78(39):1-5.

[2] 劉玉燕,劉敏,劉浩峰.城市土壤重金屬污染特征分析[J].土壤通報,2006,37(1):184-188.

[3] FACCHINELLI A,SACCHI E,MALLEN L.Multivariate statistical and GIS-based approach to identify heavy metal sourses in soils[J].Environ Pollut,2001,114(3):313-324.

[4] IMPERATO M，ADAMO P,NAIMO D,et al.Spatial distributin of heavey metals in urban soils of Naples city (Italy)[J].Environ Pollut,2003,124(2):247-256.

[5] 謝淑云,鮑征宇,秦兵，等.成都盆地淺層土壤中元素來源研究[J]．土壤通報，2007,38(5)：896-900.

[6] 謝淑云,鮑征宇.多重分形與地球化學元素的分布規律[J]．地質地球化學,2003,31(3)：97-102.

[7] 謝淑云,鮑征宇．地球化學場的連續多重分形模式[J]．地球化學,2002,31(2)：191-200.

[8] 成秋明．多維分形理論和地球化學元素分布規律[J]．地球科學：中國地質大學學報,2000,25(3)：311-318.

[9] BLASER P,ZIMMERMANN S,LUSTER J,et al.Critical ex amination of trace element enrichments and depletions in soils :As ,Cr ,Cu ,Ni,Pb,and Zn in Swiss forest soils [ J] .The science of the total environmental,2000 ,249(1/2/3):257-280.

[10] 郭笑笑,劉叢強,朱兆洲,等.土壤重金屬污染評價方法[J].生態學雜志,2011,30(5)：889-895.

[11] 王鐵宇,呂永龍,羅維,等.北京官廳水庫周邊土壤重金屬與農藥殘留及風險分析[J].生態與農村環境學報,2006,22(4):57-61.

[12] ZHONG S,GENG H,ZHANG F J,et al.Risk assessment and prediction of heavy metal pollution in groundwater and river sediment：A sase study ofa typical agricultural irrigation area in northeast chinaInternational journal of analytical chemistry,2015(9):921539.

[13] AGER D.歐洲地質[M].馬麗芳,劉訓,等譯.北京：地質出版社,1989：293.

[14] ALBANESE S ,SADEGHI M,LIMA A,et al.GEMAS：Cobalt,Cr,Cu and Ni distribution in agricultural and grazing landsoil of Europe [J].Journal of geochemical exploration,2015,154：81-93.

[15] LADO L R,HENGL T,REUTER H I.Heavy metals in European soils：A geostatistical analysis of the FOREGS Geochemical database [J].Geoderma,2008,148 :189-199.

[16] 朱士鵬,吳新明.南京周邊地區土壤地球化學特征及農業地質環境評價[R].南京：江蘇省地質調查研究院,2005.

[17] 鮑征宇,韓吟文.海南島優質農產品生態地球化學研究成果報告[R].?？?海南省地質調查研究院,2002:24.

[18] 柯賢忠,程緒江,謝淑云,等.基于多重分形的表層土壤中重金屬元素來源分析：以海南省瓊海市為例[J].地質科技情報,2010,29(1)：97-102.

[19] 謝淑云,鮑征宇.多重分形方法在金屬成礦潛力評價中的應用[J].成都理工大學學報(自然科學版),2004,31(1):28-33.

[20] 方海平,謝淑云,張天付，等.五大連池玄武巖三維孔隙組構的多重分形特征[J].地質科技情報,2015,34(3):24-29.

[21] 謝淑云,鮑征宇.矩分析法及其在粵北韶關地區金屬成礦作用研究中的應用[J].吉林大學學報(地球科學版),2003,33(4):443-448.

[22] XIE S,BAO Z,XU D.Geochemical multifractal distributionpatterns in soils and its implication for the environmental assessment[C]//CHENG Q,BONHAM-CARTER G.Proceedings of IAMG.05：GIS and Spatial Analysis.Toronto:York University Press,2005：310-316.

[23] CHENG Q.Multifractal modeling and lacunarity analysis[J].Math Geol,1997,29:919-932.

[24] XIE S Y,BAO Z Y,DEYI X.Geochemical multifractal distribution patterns in soils and its implication for the environmental assessment[J].Proceedings of IAMG’05：GIS and spatial analysis,2005,1:310-316.

[25] 安婧,宮曉雙,陳宏偉,等.沈撫灌區農田土壤重金屬污染時空變化特征及生態健康風險評價[J].農業環境科學學報,2016,35(1)：37-44.

[26] 柳云龍,章立佳,韓曉非.等.上海城市樣帶土壤重金屬空間變異特征及污染評價[J].環境科學,2012,33(2)：599-605.

[27] KABATA-PENDIAS A.Trace elements in soils and plants[M].Boca Raton：CRC Press,2001:413.

[28] 中國環境監測總站.中國土壤元素背景值[M].北京：中國環境科學出版社,1990.

[29] 盧瑛，龔子同，張甘霖，等.南京城市土壤重金屬含量及其影響因素[J].應用生態學報，2004,15(1)：123-126.

[30] WERKENTHIN M,KLUGE B,WESSOLEK G.Metals in European roadside soils and soil solution:A review [J].Environmental pollution,2014,189:98-110.

[31] MACHENDER G,DHAKATE R,PRASANNA L,et al.Assessment of heavey metal contamination in soils around Balanagar industrial area,Hyderabad,India[J].Environ Earth Sci,2011,63(5):945-953.

[32] ABDELHAFEZ A A,LI J.Environmental monitoring of heavy metal status and human health riskassessment in the agricultural soils of the Jinxi river area,China[J].Human Ecol Risk Assess,2014,21(4):952-971.

[33] MORADI A,HONARJOO N,NAJAFI P,et al.A human health risk assessment of soil and crops contaminated by heavy metals in industrialregions,central Iran[J].Human and ecological risk assessment：An international journal,2016,22(1):153-167.

[34] 馬旭紅,吳云海,楊鳳.土壤重金屬污染的探討[J].環境科學與管理,2006,31(5):52-54.

[35] HUANG S S.Survey of heavy metal pollution and assessment ofagricultural soil in Yangzhong district,Jiangsu Province,China[J].Chemosphere,2007,24：1-8.

[36] LIU L,ZHANG X Y,ZHONG T Y.Pollution and health riskassessment of heavy metals in urban soil in China[J].Human and ecological risk assessment：An international journal,2016,22(2):424-434.

[37] 宋偉,陳百明,劉琳.中國耕地土壤重金屬污染概況[J].水土保持研究,2013,20(2)：293-298.

[38] 李玲，吳克寧，張雷,等.鄭州市郊區土壤重金屬污染評價分析[J].土壤通報,2008,39(5):1164-1168.

[39] 鄧秋靜,宋春然,謝鋒,等.貴陽市耕地土壤重金屬分布特征及評價[J].土壤,2006,38 (1)：53-60.

[40] YANG Y,MEI Y,ZHANG C T,et al.Heavy metal contamination in surface soils of the industrial district of Wuhan,China[J].Human and ecological risk assessment：An international journal,2016,22(1)：126-140.

[41] 武永鋒,劉叢強,涂成龍.貴陽市土壤重金屬污染及其潛在生態風險評價[J].礦物巖石地球化學通報,2007,26(3):254-257.

Multifractal Characteristics and Environmental Significance of Heavy Metals in European Soil

YAO Ling-yang1,XIE Shu-yun1*,ZHANG Long-he2et al

(1.School of Earth Sciences,China University of Geosciences,Wuhan,Hubei 430074; 2.Shanxi Geological Prospecting Institute of China Chemical Geology & Mine Bureau,Xi’an,Shaanxi 710000)

[Objective] The aim was to evaluate geochemical characteristics of soil environment in Europe and provide decision basis for improving and regulating eco-environment and making sustainable socio-economic development plan.[Method] Geochemical data of seven kinds of heavy metals (As,Co,Cr,Cu,Ni,Pb,Zn) in European topsoil and deepsoil were analyzed by comprehensive index method,combined with geochemical mapping and geological conditions in Europe.[Result] The results showed that the distribution of all heavy metals in European topsoil and deepsoil have multifractal characteristics,the content of each element in the multi-fractal spectrum curve showed a continuous multi-fractal distribution,and the diversity of economic and social development of countries,development of mineral and other factors lead to different degree of heavy metal pollution in various countries and regions in Europe.The degree of contamination in European soil is clean to moderately polluted,heavy metals in northern Italy and the Balkans are more enriched,while heavy metal in the rest areas of Europe are fair to the world soil,and slightly lower than the Chinese average soil.The comprehensive pollution indexof each element decreased in the order of：Ni,As,Co,Cr,Pb,Zn,Cu.[Conclusion] The study not only provides important information for the evaluation of soil quality,but also provides effective measures for the protection of human health.

Soil; Heavy metals; Multifractal; Geochemical environment; Europe

姚凌陽(1993- )，男，江西上饒人，碩士研究生，研究方向：環境地球化學。*通訊作者，教授，博士，從事環境地球化學、計算機地球化學、碳酸鹽巖儲層溶解動力學與覆蓋區地球化學找礦及定量地球化學研究。

2016-06-29

X 15；X 142

A

0517-6611(2016)24-138-09