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城市土壤是城市污染物的源和汇,与城市生态环境质量和人类健康密切相关。随着工业化和城市化进程的不断推进,人类活动使得城市土壤的性质显著改变,引发土壤污染,破坏了环境质量,威胁人类健康。土壤磁学指标的测定具有快速、灵敏、经济、无破坏性和信息量大的优点,它通过分析不同磁学参数及其比值来定量描述土壤磁性矿物的含量、粒径和种类等科学信息。同时,人类活动导致了城市土壤磁性空间结构的异质性,因此,开展城市土壤磁性特征及其空间变异和空间分布情况对精准修复土壤污染具有重要意义。本研究以上海城市样带土壤为研究对象,运用经典统计分析、地统计学、多重分形理论等方法,从三个尺度(样带、闵行区、工业区)分析土壤磁性特征、空间变异特征及多重分形特征,得出以下结论:(1)上海城市样带土壤磁学参数的变异程度为中等,土壤磁化率χlf变幅在12.13～262.62×10-8m3kg-1,均值为 45.17×10-8m3kg-1,SIRM 的变化范围为760.17～40776×10-5Am2kg-1,均值为 6338.0×10-5Am2kg-1,均高于上海土壤背景值,研究区土样磁性的增高可能和人为源输入有关。χlf和SIRM的相关系数(R2=0.8986)大于χlf和HIRM的相关系数(R2=0.3048),表明样带表土铁磁性矿物主要由亚铁磁性矿物贡献。研究区内约2/3 土样的χfd小于2%,其余1/3 土样中有94%样品的χfd变幅在2%～10%之间,χARM/χlf均值为3.567,χARM/SIRM均值为27.20 ×l0-5mA-1,表土磁性矿物晶粒以假单畴和多畴颗粒为主。(2)样带土壤磁学参数的决定系数范围为0.643～0.966,表明变异函数模型拟合较好,拟合模型能够很好地描述磁学参数的空间变异结构。土壤χIf和S-300mT符合高斯模型,土壤χfd和χARM符合指数模型,土壤SIRM和χARM/SIRM符合球状模型。土壤χfd存在强烈的空间自相关性,结构性因素对研究区χfd空间变异起主导作用,其余磁学参数的空间变异由随机性因素和结构性因素共同主导。(3)半方差函数模型拟合结果显示,随着研究尺度的减小,土壤χlf、χfd、SIRM的块金系数先减小后增大,土壤χARM的块金系数不断减小,土壤S-300mT的块金系数先增大后变小,土壤χARM/SIRM的块金系数不断增大。除工业区土χlf、SIRM、χARM/SIRM的空间结构具有纯块金效应外,其余尺度的土壤磁学参数均具有一定的空间自相关性。空间分布结果显示,土壤磁性矿物含量的空间分布从远郊到近郊到市中心呈先减后增的变化趋势。(4)样带土壤磁学参数χlf、χfd、χARM、SIRM、χARM/SIRM的广义分形维数谱形状均呈横向“S”型形状,D(q)随着q值的增加呈下降趋势,表现为明显的多重分形特征,而土壤S-300mT的广义维数谱形状近似呈一条直线,多重分形特征不明显。土壤SIRM的广义分形维数曲线最陡,空间非均匀性最大。6种土壤磁学参数的多重分形谱均为“钟形”或类似开口向下的二次抛物线,表现为非对称性上凸型曲线。土壤磁学参数的多重分形谱谱宽△α值由大到小为:SIRM>χfd>χARM>χlf>χARM/SIRM>S-300mT,土壤SIRM的空间变异性较其他参数略强。(5)闵行区6种土壤磁学参数的广义分形维数都随质量概率统计矩阶数的增大而减小,土壤S-300mT的减小趋势相对减弱,表土磁性的空间分布格局具有多重分形特征,可以利用多重分形方法研究其空间异质性。6种土壤磁学参数的信息维数值D1较大,表明闵行区土壤磁性矿物的空间变异由人为活动等短距离变异主导。闵行区土壤χfd的△Dq值和△α值均最大,表明了土壤超顺磁SP颗粒的空间结构较为复杂、空间分布不均匀,可能是交通尾气排放、工业污染等人为活动破坏了其原有的空间结构,导致其空间分布的不规则特征较为明显。土壤χfd的多重分形谱曲线形状呈右钩状,△f<0,即χfd的空间变异性由低值数据主导。(6)工业区土壤χfd和χARM/SIRM的△Dq最大,在广义分形维数图中曲线斜率更大,表示土壤χfd和χARM/SIRM的多重分形特征更为明显。土壤磁学参数的D1/D0值均小于等于1,由大到小为S-300mT(1.000)、χlf(0.940)、XARM(0.927)、SIRM(0.908)、χfd(0.881)、χARM/SIRM(0.809),表明工业区表土亚铁磁性矿物的含量主要集中于某一密集区。土壤χlf和S-300mT的多重分形奇异谱曲线形状呈左钩状,且Af>0,表明χlf和S-300mT的空间分布由高值数据占主导,即土壤χlf的空间变异性由人为活动主导。χfd的多重分形谱具有一定的对称性,△f=0,表明χfd的空间变异性受人为成因和自然成因的共同影响。(7)随着研究尺度的减小,各磁学参数的△α值不断增大,空间变异强度不断增大。采样尺度的变化除了影响土壤磁性的空间变异强度,还影响了研究区土壤磁性空间变异的主导因素。当研究尺度为小尺度时,土壤磁性空间变异由高磁性矿物浓度主导;当研究尺度为大尺度时,土壤磁性空间变异由粗粒磁性颗粒主导。多重分形理论能精准地揭示土壤磁学参数的空间结构变异,并指出尺度效应对土壤磁性空间变异的影响。