北京市朝陽(yáng)區(qū)(五環(huán)內(nèi))綠地土壤重金屬分布特征及其影響因素

李 婧, 李素艷, 孫向陽(yáng), 呼 諾, 楊少斌, 林 茂, 傅 振, 崔 萌

(北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 北京 100083)

隨著城市化進(jìn)程的的發(fā)展以及城鎮(zhèn)人口數(shù)量的增加，人類(lèi)賴(lài)以生存的土壤重金屬污染日益嚴(yán)重，成為亟待解決的生態(tài)問(wèn)題。城市人口眾多，交通發(fā)達(dá)，生產(chǎn)活動(dòng)豐富，致使城市綠地土壤重金屬污染尤其嚴(yán)重[1-3]。重金屬污染作為土壤環(huán)境質(zhì)量因子之一，具有潛在危險(xiǎn)性，很難清除，不僅會(huì)影響土壤的質(zhì)量和植物的生長(zhǎng)發(fā)育，還會(huì)危害人類(lèi)健康。許多研究發(fā)現(xiàn)，土壤重金屬的含量及分布特征與土壤理化性質(zhì)、交通運(yùn)輸、人類(lèi)生產(chǎn)生活等多方面息息相關(guān)[4-5]，相比于農(nóng)業(yè)土壤，城市土壤重金屬污染可通過(guò)揚(yáng)塵直接對(duì)人體產(chǎn)生危害[6]。因此，城市綠地土壤重金屬污染受到了世界各國(guó)的密切關(guān)注[7-10]。國(guó)外對(duì)城市綠地土壤重金屬的研究報(bào)道開(kāi)始較早：Mattia Biasioli等人對(duì)意大利都靈(Torino)公園綠地土壤重金屬(Cu，Zn，Cd，Pb等)進(jìn)行了研究，Davies等和Kelly等人研究了英國(guó)主要城市綠地土壤重金屬的含量及其土壤性質(zhì)的關(guān)系[11-15]。而國(guó)內(nèi)近些年來(lái)逐漸開(kāi)展城市土壤重金屬(Cu，Zn，Cd，Pb)的含量分布特征及其影響因素的研究，但主要集中在東北、華南和西南地區(qū)的部分城市[16-20]，對(duì)于華北地區(qū)的北京市土壤重金屬(Cu，Zn，Cd，Pb)的研究報(bào)道仍比較少，以往研究[21-22]表明土壤pH值和有機(jī)質(zhì)是控制土壤重金屬化學(xué)行為的重要因素，因此，本文在調(diào)查北京市朝陽(yáng)區(qū)(五環(huán)內(nèi))土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量及4種重金屬(Cu，Zn，Cd，Pb)含量的基礎(chǔ)上，通過(guò)研究北京市朝陽(yáng)區(qū)(五環(huán)內(nèi))土壤重金屬的分布特征及影響因素，為北京市土壤重金屬污染防治提供一定的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

朝陽(yáng)區(qū)是北京市城近郊區(qū)面積最大的一個(gè)區(qū)，位于北京市主城區(qū)的東部，介于北緯39°48′—40°09′，東經(jīng)116°21′—116°42′，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)型大陸性氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥；地貌類(lèi)型復(fù)雜多樣，地勢(shì)從西北向東南緩緩傾斜，土壤質(zhì)地大多為砂壤土、壤土，pH值在7.73～8.58，呈弱堿性，區(qū)域輪廓呈南北略長(zhǎng)、東西稍窄的多邊形；人口眾多、增長(zhǎng)快、交通發(fā)達(dá)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與預(yù)處理

土壤采樣按照分塊隨機(jī)的方法進(jìn)行布點(diǎn)采樣，系統(tǒng)隨機(jī)采集具有代表性的表層(0—20 cm)土壤樣品共39個(gè)，包括對(duì)朝陽(yáng)區(qū)(五環(huán)內(nèi))的附屬綠地樣品7個(gè)，街旁綠地樣品14個(gè)，公園綠地樣品10個(gè)，居住綠地樣品8個(gè)。樣點(diǎn)布設(shè)考慮北京市朝陽(yáng)區(qū)(五環(huán)內(nèi))土壤利用類(lèi)型(圖1)。采集的樣品要剔除石子，樹(shù)葉，植物根系等雜質(zhì)后帶回實(shí)驗(yàn)室，在常溫下風(fēng)干后，用研缽進(jìn)行研磨，裝入密封袋中待測(cè)。

圖1 北京市朝陽(yáng)區(qū)(五環(huán)內(nèi))綠地土壤各采樣點(diǎn)位置分布

2.2 樣品測(cè)定方法

土壤pH值采用水浸提電位法，土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀—稀釋熱法，土壤重金屬(Cu，Zn，Cd和Pb)采用電感耦合等離子質(zhì)譜法，具體方法參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》。

2.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件做相關(guān)性分析；數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和重金屬空間分布圖采用Microsoft Excel 2013和ArcGIS 10.1。

3 結(jié)果與分析

3.1 北京市朝陽(yáng)區(qū)(五環(huán)內(nèi))土壤重金屬的統(tǒng)計(jì)特征

從表1中可以看出:Cu含量的平均值達(dá)到29.36 mg/kg，超過(guò)了中國(guó)土壤背景值，最大值達(dá)到67 mg/kg，超過(guò)了國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，另外，在4種土壤利用類(lèi)型中，Cu在附屬綠地中的含量要高于其他綠地類(lèi)型，平均值達(dá)到33.57 mg/kg，超過(guò)中國(guó)土壤背景值，說(shuō)明土壤已經(jīng)受到了重金屬Cu的污染。從表2中可以看出：Cu的變異系數(shù)為27.13%。林俊杰等[23]認(rèn)為變異系數(shù)<10%為弱變異，10%～30%為中等變異，>30%為高度變異。由此分類(lèi)法可以看出，Cu為中等變異，在4種土壤利用類(lèi)型上,Cu在附屬綠地上的變異程度最大。土壤重金屬所有樣點(diǎn)含量情況如圖2所示，所有樣點(diǎn)的Cu含量均大于北京市土壤背景值，其中僅有7.69%的樣品介于北京市土壤背景值和中國(guó)土壤背景值之間，有79.48%的樣品介于中國(guó)土壤背景值和土壤環(huán)境質(zhì)量1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)之間，大于土壤環(huán)境質(zhì)量1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的土壤樣品有12.82%，說(shuō)明重金屬Cu有一定的污染；從不同土地利用類(lèi)型上來(lái)看，Cu在附屬綠地上的濃度相對(duì)較高，其次是居住綠地，居住綠地中有兩個(gè)樣品超過(guò)了土壤環(huán)境質(zhì)量1級(jí)標(biāo)準(zhǔn),街旁綠地和公園綠地土壤中的Cu的濃度相對(duì)較低，街旁綠地土壤中有一個(gè)樣品超過(guò)了1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，但是有3個(gè)樣品介于北京市土壤背景值和中國(guó)土壤背景值之間，所有樣點(diǎn)的Cu含量在公園綠地中全部介于中國(guó)土壤北京值和土壤環(huán)境質(zhì)量1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)之間。

重金屬Zn含量的平均值為74.05 mg/kg，超過(guò)了中國(guó)土壤背景值，最大值達(dá)到141 mg/kg，超過(guò)了國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，在4種土壤利用類(lèi)型中，Zn在居住綠地中的含量要高于其他綠地類(lèi)型，平均值達(dá)到80.63 mg/kg，超過(guò)了中國(guó)土壤背景值(表1)。Zn的變異系數(shù)達(dá)到25.75%，按照上述分類(lèi)方法可以看出，重金屬Zn為中等變異，在4種土壤利用類(lèi)型上，Zn在附屬綠地上的變異程度最大(表2)。圖2可以看出：69.23%的樣品中Zn的含量介于北京市土壤背景值和中國(guó)土壤背景值之間，17.95%的樣品中Zn含量介于中國(guó)土壤背景值和土壤環(huán)境質(zhì)量1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)之間，整體與Cu的含量相比，相對(duì)較低一些；從不同土地利用類(lèi)型上來(lái)看，Zn在居住綠地的濃度較高一些，其次是附屬綠地，街旁綠地和公園綠地。

重金屬Cd含量的平均值為0.26 mg/kg，已超過(guò)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，最大值達(dá)到0.7 mg/kg，說(shuō)明重金屬Cd污染較嚴(yán)重，在4種土壤利用類(lèi)型中，Cd在街旁綠地中的含量要高于其他綠地類(lèi)型，平均值達(dá)到0.29 mg/kg(表1)，說(shuō)明重金屬Cd可能受汽車(chē)尾氣的原因使得含量較高。Cd的變異系數(shù)為35.12%，按照上述林俊杰的分類(lèi)方法，Cd為高度變異，在4種土壤利用類(lèi)型上，Cd在街旁綠地上的變異程度最大(表2)。根據(jù)圖2表示：所有樣品土壤中Cd的含量均大于土壤環(huán)境質(zhì)量1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明朝陽(yáng)區(qū)(五壞內(nèi))綠地土壤的Cd的污染最為嚴(yán)重；不同土地利用類(lèi)型上來(lái)說(shuō)，街旁綠地土壤中的Cd含量相對(duì)較高一些，其次分別為居住綠地，附屬綠地和公園綠地。

重金屬Pb含量的平均值為22.41 mg/kg，是4種重金屬中唯一一種低于北京市土壤背景值的重金屬，最大值為51 mg/kg，超過(guò)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，在4種土壤利用類(lèi)型中，Pb在公園綠地土壤中的含量要比高于其他綠地類(lèi)型，平均值達(dá)到24.70 mg/kg(表1)，甚至還要高于街旁綠地土壤，這與交通污染會(huì)導(dǎo)致靠近公路沿線重金屬Pb含量較高的研究[24-26]并不相符，這主要是因?yàn)槲覀儑?guó)家在20世紀(jì)末就開(kāi)始使用無(wú)鉛汽油，而北京市朝陽(yáng)區(qū)(五環(huán)內(nèi))的交通主干道在國(guó)家使用無(wú)鉛汽油后才逐漸建成，因此，街旁綠地的含鉛量并沒(méi)有成為最高，這也說(shuō)明國(guó)家使用無(wú)鉛汽油確實(shí)能很大程度上降低靠近公路土壤Pb的含量。Pb的變異系數(shù)為28.48%，按照上述林俊杰分類(lèi)方法，Pb為中等變異，在公園綠地土壤變異程度較大(表2)。圖2可以看出：絕大多數(shù)土壤樣品中的Pb含量低于中國(guó)土壤背景值，其中74.36%的土壤樣品中的Pb含量低于北京市土壤背景值，整體狀況良好，只需控制好重金屬源頭即可；不同綠地類(lèi)型的Pb含量的變化差異并不是很大。

表1 北京市朝陽(yáng)區(qū)(五環(huán)內(nèi))不同類(lèi)型綠地土壤重金屬含量 mg/kg

注：表中括號(hào)內(nèi)位極小值到極大值。

3.2 北京市朝陽(yáng)區(qū)(五環(huán)內(nèi))土壤重金屬空間分布特征

利用ArcMap 10.1軟件，通過(guò)普通克里金方法，對(duì)北京市朝陽(yáng)區(qū)(五環(huán)內(nèi))綠地土壤重金屬含量進(jìn)行插值，得到土壤重金屬的空間分布圖(圖3)。從圖3中可以看出：重金屬Cu在朝陽(yáng)區(qū)(五環(huán)內(nèi))中北部和中西部含量相對(duì)較高，整體大體呈現(xiàn)出由西北向東南遞減的趨勢(shì)；Zn的空間分布格局與Cu的分布格局類(lèi)似，但整體含量較Cu略低一些，說(shuō)明自然或人為活動(dòng)可能對(duì)重金屬Zn和Cu產(chǎn)生相同的影響；Cd的高值區(qū)主要分布在朝陽(yáng)區(qū)(五環(huán)內(nèi))的中部地區(qū)，該地區(qū)主要街旁綠地較多，說(shuō)明交通可能對(duì)Cd的分布產(chǎn)生了一定的影響，整體分布北部含量略高于南部地區(qū)；Pb的分布格局大體呈現(xiàn)由西南向東北逐漸遞減的趨勢(shì)，東北地區(qū)逐漸靠近五環(huán)外，居住人群相對(duì)較少一些，說(shuō)明人類(lèi)活動(dòng)可能對(duì)Pb的分布產(chǎn)生一定的影響。

表2 北京市朝陽(yáng)區(qū)(五環(huán)內(nèi))不同類(lèi)型綠地

圖2 北京市朝陽(yáng)區(qū)(五環(huán)內(nèi))不同類(lèi)型綠地土壤重金屬含量

3.3 北京市朝陽(yáng)區(qū)(五環(huán)內(nèi))土壤重金屬含量的影響因素

3.3.1 土壤pH值對(duì)重金屬含量分布的影響 土壤pH值是影響土壤重金屬形態(tài)的重要因素之一，進(jìn)而影響重金屬在土壤中的累積含量，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的土壤污染風(fēng)險(xiǎn)。

從圖4看出北京市朝陽(yáng)區(qū)五環(huán)內(nèi)94.87%土壤的pH值在7.00～8.50，其中pH值在7.00～7.50的土壤占33.33%，pH值在7.50～8.00的弱堿性土壤占48.72%，而pH值在8.00～8.50的堿性土壤僅占1.82%。而pH值<7.00的酸性土壤僅占5.13%。說(shuō)明該研究區(qū)域大多為微堿性土壤。

圖5將39個(gè)樣點(diǎn)歸類(lèi)成附屬綠地、街旁綠地、公園綠地、居住綠地等4種土壤利用類(lèi)型，取平均值進(jìn)行比較研究，發(fā)現(xiàn)不同土壤利用類(lèi)型的土壤pH值會(huì)有一定的差異。從圖中可以看出，所有土壤利用類(lèi)型的土壤pH值平均值均低于8.0，其中分布在公園綠地的土壤pH值明顯要低于其他3種土壤利用類(lèi)型，平均值為7.17，而居住綠地、街旁綠地和附屬綠地的土壤pH值沒(méi)有明顯的差異性。

土壤pH值作為土壤重金屬元素的影響因素之一，主要是通過(guò)影響重金屬在土壤中的溶解度來(lái)影響重金屬的化學(xué)行為。重金屬Cu，Zn，Cd和Pb在中性、堿性條件下，會(huì)形成氫氧化物沉淀或磷酸鹽、碳酸鹽形式，溶解度很小，在酸性條件下，其溶解度增大，毒性增強(qiáng)。對(duì)土壤pH值和土壤重金屬用Spearman法做相關(guān)性分析(表3)，結(jié)果表明：土壤pH值與土壤重金屬之間沒(méi)有明顯的相關(guān)性。這可能是因?yàn)橥寥莱赏聊纲|(zhì)以及其他成土條件相似，pH值的變化程度較小，難以導(dǎo)致土壤元素的遷移和累積。

3.3.2 土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)重金屬含量分布的影響 土壤有機(jī)質(zhì)中的腐殖質(zhì)物質(zhì)含有多種功能基，這些功能基對(duì)土壤重金屬離子有較強(qiáng)的絡(luò)合能力和富集能力，因此土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤重金屬的遷移和固定有極其重要的影響，合理有效的控制土壤有機(jī)質(zhì)的含量能有效地減緩或降低重金屬污染，如圖6所示：公園綠地土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯比其他綠地類(lèi)型的有機(jī)質(zhì)含量要高，達(dá)到21.37 g/kg。這可能是因?yàn)楸韺油寥朗芸萑~落葉自然回歸的影響，表層土壤有機(jī)質(zhì)有了一定的積累，而公園綠地中含有灌木、喬木等較多，枯枝落葉自然回歸對(duì)有機(jī)質(zhì)積累的影響相比于其他綠地類(lèi)型要略大一些。而居住綠地、街旁綠地和附屬綠地的土壤有機(jī)質(zhì)含量沒(méi)有明顯的差異性。

圖3 北京市朝陽(yáng)區(qū)(五環(huán)內(nèi))綠地土壤Cu，Zn，Cd和Pb重金屬含量空間分布

圖4 北京市朝陽(yáng)區(qū)(五環(huán)內(nèi))綠地土壤pH值分布

對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和重金屬之間的相關(guān)性有著許多的報(bào)道，本研究有機(jī)質(zhì)與重金屬的相關(guān)系數(shù)如上述表3所示，有機(jī)質(zhì)含量與重金屬Cu無(wú)明顯相關(guān)性，與重金屬Zn和Cd顯著正相關(guān)，這與柴世偉的研究[27]相一致，有機(jī)質(zhì)與重金屬Pb則極顯著正相關(guān)。有機(jī)質(zhì)與重金屬離子形成絡(luò)合物，導(dǎo)致重金屬離子活性降低，從而致使重金屬產(chǎn)生累積，造成污染。

表3 土壤重金屬與土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)系數(shù)矩陣

注：**表示相關(guān)水平為0.01；*表示相關(guān)水平為0.05。

圖5 北京市朝陽(yáng)區(qū)(五環(huán)內(nèi))不同綠地類(lèi)型土壤pH值

圖6 北京市朝陽(yáng)區(qū)(五環(huán)內(nèi))不同綠地類(lèi)型土壤有機(jī)質(zhì)

3.3.3 土壤重金屬之間的影響 土壤重金屬元素之間的相關(guān)性在一定程度上能反映出是否有相同的污染源。元素間的相關(guān)性能代表污染區(qū)出現(xiàn)重金屬含量同時(shí)增加的現(xiàn)象，從而呈現(xiàn)出符合污染的趨勢(shì)。

根據(jù)表3相關(guān)性分析表明：土壤重金屬Cu，Zn，Cd以及Pb元素之間存在著極顯著的相關(guān)性。說(shuō)明北京市朝陽(yáng)區(qū)(五環(huán)內(nèi))土壤重金屬Cu，Zn，Cd以及Pb有著相似的污染源。這是因?yàn)橐环矫胬^承了土壤母質(zhì)中元素的配比關(guān)系，而另一方面是可能同時(shí)受到各種成土過(guò)程和人為活動(dòng)的影響。

4 結(jié) 論

(1)北京市朝陽(yáng)區(qū)(五環(huán)內(nèi))土壤重金屬Cd的污染最為嚴(yán)重，其含量已經(jīng)超過(guò)土壤環(huán)境質(zhì)量1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。重金屬Cu，Zn平均含量在中國(guó)土壤背景值與土壤環(huán)境質(zhì)量1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)之間，屬于輕度污染，而重金屬Pb平均含量低于中國(guó)土壤背景值，且大部分Pb含量低于北京市背景值，基本屬于無(wú)污染。

(2)同一重金屬在不同土壤利用類(lèi)型上的含量也不盡相同，Cu在附屬綠地上的含量最高，Zn在居住綠地上的含量最高，Cd在街旁綠地上的含量最高，Pb在公園綠地上的含量最高。

(3)從4種重金屬的空間分布上來(lái)看，重金屬Cu和Zn空間分布格局相似，整體呈由西北向東南遞減趨勢(shì)，而Cd高值區(qū)在中部，重金屬Pb整體上呈由西南向東北遞減趨勢(shì)。

(4)土壤pH值對(duì)土壤重金屬?zèng)]有明顯的影響，土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)重金屬Zn和Cd有著顯著的相關(guān)性，對(duì)Pb有著極顯著的相關(guān)性，說(shuō)明土壤有機(jī)質(zhì)是土壤重金屬的主要載體，而重金屬全量之間具有明顯的相關(guān)性，說(shuō)明重金屬之間可能具有相同的污染源。