北京平原區(qū)土壤地球化學(xué)特征及影響因素分析

李歡，黃勇，張沁瑞，賈三滿，徐國志，冶北北，韓冰

(1.北京市地質(zhì)勘察技術(shù)院，北京 100120； 2.河北地質(zhì)大學(xué) 寶石與材料工藝學(xué)院，河北 石家莊 050031； 3.天津華北地質(zhì)勘查局 核工業(yè)二四七大隊(duì)，天津 301800)

0 引言

傳統(tǒng)勘查地球化學(xué)是以找礦為主要目的，滿足人類對(duì)礦產(chǎn)資源的需求；而現(xiàn)代勘查地球化學(xué)是以傳統(tǒng)地球化學(xué)理論為基礎(chǔ)，集資源和環(huán)境于一體，旨在服務(wù)于生態(tài)文明建設(shè)和國土空間規(guī)劃等方面[1]。土壤地球化學(xué)調(diào)查作為勘查地球化學(xué)的組成部分之一，發(fā)揮出重要作用。利用地球化學(xué)調(diào)查手段，有些學(xué)者研究了土壤元素含量特征與工業(yè)生產(chǎn)、城市發(fā)展之間的關(guān)系，為環(huán)境治理與規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)[2-3]；有些學(xué)者研究了某些特定元素與地方病之間的關(guān)系，如地方性氟中毒、砷中毒、碘缺乏病，有效服務(wù)于地方病的防治研究[4-5]；有些學(xué)者研究了硒元素分布特征，在此基礎(chǔ)上圈定出富硒土地，提升土地利用價(jià)值和開發(fā)利用富硒產(chǎn)品[6-8]；有些學(xué)者研究了有機(jī)質(zhì)、全氮等養(yǎng)分指標(biāo)的含量狀況，為科學(xué)合理施肥提供了理論依據(jù)[9-10]。由此可見，研究土壤地球化學(xué)元素的含量狀況、分布特征等可在保障人體健康、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、國土空間規(guī)劃方面起到指導(dǎo)作用，同時(shí)能夠?yàn)橥寥赖刭|(zhì)環(huán)境監(jiān)測提供基礎(chǔ)理論支撐和科學(xué)依據(jù)。

目前關(guān)于北京耕地土壤重金屬和養(yǎng)分指標(biāo)的研究較多[11-14]，也有些研究工作涉及北京局部地區(qū)如城區(qū)、順義區(qū)、平谷區(qū)、大興區(qū)等[15-18]，針對(duì)北京平原區(qū)Cd、Se的含量與分布也進(jìn)行了一些探討[19-20]。但這些研究在調(diào)查范圍或研究指標(biāo)方面存在一定局限性，尚未有關(guān)于北京平原區(qū)范圍內(nèi)的諸多地球化學(xué)元素的基礎(chǔ)性、系統(tǒng)性、全面性的研究工作。北京是我國的“四個(gè)中心”，主要的人口、社會(huì)活動(dòng)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)均集中在平原區(qū)，因此在該區(qū)域內(nèi)開展相關(guān)研究工作更有現(xiàn)實(shí)意義。本文是在北京平原區(qū)范圍內(nèi)開展土壤地球化學(xué)特征及影響因素的研究工作，旨在獲得土壤元素橫向和縱向分布規(guī)律，基于多個(gè)角度分析影響其分布規(guī)律的因素，為今后在該區(qū)域開展相關(guān)研究工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

北京市的地勢西北高東南低，基本構(gòu)成西、北、東三面環(huán)山，東南低緩呈一平川的地形概貌。北京市河系屬海河流域，河網(wǎng)發(fā)育，區(qū)內(nèi)從東到西分布有薊運(yùn)河、潮白河、北運(yùn)河、永定河和大清河5大水系。整個(gè)研究區(qū)位于北京平原區(qū)，面積約6 500 km2，地面坡度從WN向ES傾斜。北京平原地處山區(qū)與華北平原的結(jié)合部位，被第四系廣泛覆蓋，總體上由永定河、潮白河、溫榆河、拒馬河等河流的沖洪積扇和馬池口、后沙峪、平谷凹陷等沉積凹陷組成，其中以永定河和潮白河沖洪積扇為主[21]。平原海拔高度均在100 m以下，山前臺(tái)地及洪積扇上部海拔一般為60～80 m，其他大部分地區(qū)海拔為20～60 m。

潮土是北京平原分布面積最大的土壤類型，約占70%，是在全新世河流沖積母質(zhì)環(huán)境下形成的，以壤質(zhì)潮土、洪積物沖積物脫潮土和砂質(zhì)潮土為多。褐土多位于海拔40 m以上的山麓平原，約占20%，主要為洪積沖積褐土性土、洪積沖積物褐土。其他類型土壤約占10%，分布不集中，主要為砂姜黑土、粗骨土、水稻土等，另外在中心城區(qū)內(nèi)多以填土為主。具體分布見圖1。

2 樣品采集、分析測試及數(shù)據(jù)處理

2.1 樣品采集與分析

為了使采樣點(diǎn)具有代表性，采用網(wǎng)格化方式進(jìn)行布點(diǎn)，平均布點(diǎn)密度為1個(gè)/16 km2；表層土壤采樣深度為0～20 cm；每件土壤樣品為5個(gè)子樣的混合樣，混合后樣品質(zhì)量大于1 000 g；共采集表層土壤樣品567件。垂向土壤剖面深度為200～500 cm不等，分別在為20、50、100、150、200、250、300、350、400、450和500 cm深度處采樣。共布設(shè)垂向土壤剖面106條，其中深度為200 cm剖面13條，深度為300 cm剖面16條，深度為400 cm剖面20條，深度為500 cm剖面57條；共采集剖面土壤樣品747件。表層土壤采樣點(diǎn)和垂向土壤剖面分布見圖2。

圖1 北京平原區(qū)土壤類型分布Fig.1 Distribution map of soil types in Beijing Plain

將土壤樣品自然風(fēng)干后平鋪在制樣板上，用木棍碾壓，剔除植物殘?bào)w、石塊等。利用2 mm的孔徑篩對(duì)樣品進(jìn)行過篩，剔除未通過的大顆粒碎石等；對(duì)于土質(zhì)結(jié)核進(jìn)行揉搓，直至通過篩子。采用對(duì)角線折疊法對(duì)過篩后的樣品進(jìn)行拌勻，確保每件加工后的樣品質(zhì)量大于500 g。

由中國冶金地質(zhì)總局第一地質(zhì)勘查院進(jìn)行樣品分析測試，參照《1∶250 000多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范》、《生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)樣品分析技術(shù)要求》等規(guī)范執(zhí)行[22-23]。分析國家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確度控制，準(zhǔn)確度合格率為100%；隨機(jī)抽取5%的測試樣品編成密碼樣重復(fù)分析，進(jìn)行精密度控制，精密度合格率為100%。選用分析方法的檢出限、質(zhì)量監(jiān)控措施均符合規(guī)范要求。分析測試54項(xiàng)指標(biāo)，具體分析指標(biāo)、分析方法、檢出限見表1。

2.2 數(shù)據(jù)處理與圖件編制

回歸分析法是建立因變量與自變量之間的回歸關(guān)系函數(shù)表達(dá)式(稱回歸方程式)的一種數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，根據(jù)回歸變量的個(gè)數(shù)分為一元回歸分析和多元回歸分析，根據(jù)回歸的形式分為線性回歸分析和非線性回歸分析[24-26]?；诮y(tǒng)計(jì)學(xué)角度的模型建立過程中，自變量為垂向深度，因變量為相應(yīng)元素平均含量，利用一元非線性回歸分析進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，探索元素含量隨深度變化的區(qū)域性規(guī)律。

圖2 北京平原區(qū)采樣點(diǎn)位示意Fig.2 Sketch map of the sampling locationsin Beijing Plain

表1 各項(xiàng)指標(biāo)的分析方法及檢出限

本次數(shù)學(xué)建模涉及到的模型有對(duì)數(shù)函數(shù)模型、冪函數(shù)模型、逆函數(shù)模型和線性函數(shù)模型，具體模型函數(shù)公式如下[27]：

對(duì)數(shù)函數(shù)模型：y=b0+b1lnx；

冪函數(shù)模型：y=b0(xb1)；

逆函數(shù)模型：y=b0+b1/x；

線性函數(shù)模型：y=b0+b1x。

式中b0、b1為模型參數(shù)。

建立模型的基本步驟為：① 將不同垂向土壤剖面的相同深度內(nèi)的樣品歸為一類，統(tǒng)計(jì)出每一類樣品中元素含量的平均值，以該值代表相應(yīng)取樣層位中的元素平均含量；② 繪制采樣深度(橫軸)與元素平均含量(縱軸)的散點(diǎn)圖，觀察數(shù)據(jù)分布形態(tài)，初步判定曲線類型； ③ 選擇上述4種函數(shù)模型分別對(duì)元素含量垂向分布進(jìn)行曲線回歸預(yù)測，并估計(jì)參數(shù)，以此探求最佳的回歸曲線；④ 根據(jù)決定系數(shù)(R2)、統(tǒng)計(jì)量值(F)以及概率值(Sig.)進(jìn)行擬合效果顯著性檢驗(yàn)；⑤ 選擇曲線擬合效果最優(yōu)的模型，并根據(jù)參數(shù)估計(jì)值構(gòu)建回歸方程，從而建立起元素平均含量與采樣深度的函數(shù)關(guān)系。

算數(shù)平均值、中位值、標(biāo)準(zhǔn)離差、變異系數(shù)、最小值、最大值等基本參數(shù)統(tǒng)計(jì)在Excel中完成，相關(guān)性分析以及數(shù)學(xué)建模在SPSS19.0軟件中完成。采用中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心開發(fā)的GeoMDIS(多目標(biāo)版)地球化學(xué)信息系統(tǒng)判別因子組合以及計(jì)算因子得分，在MapGIS6.7軟件平臺(tái)上進(jìn)行相關(guān)圖件編制。繪制因子得分圖時(shí)使用累積頻率法，使用10%、25%、50%、75%、90%分級(jí)間隔對(duì)應(yīng)的因子得分值為界限勾繪等值線。

3 結(jié)果與討論

3.1 土壤地球化學(xué)特征

3.1.1 表層土壤元素含量統(tǒng)計(jì)特征

結(jié)合元素地球化學(xué)性質(zhì)，同時(shí)考慮其在土壤環(huán)境中的生態(tài)效應(yīng)，將54項(xiàng)元素與指標(biāo)劃分為有害重金屬(類金屬)元素(8項(xiàng))、養(yǎng)分指標(biāo)(5項(xiàng))、有益微量元素(8項(xiàng))、健康元素(3項(xiàng))、常量元素氧化物(7項(xiàng))、酸堿度(1項(xiàng))、稀有稀土元素(6項(xiàng))以及其他金屬元素(16項(xiàng))等8類。北京平原區(qū)土壤元素的統(tǒng)計(jì)特征值見表2。

變異系數(shù)通常用標(biāo)準(zhǔn)離差與平均值之比的百分?jǐn)?shù)來表示，表征元素空間分布的均勻程度，本次研究將變異系數(shù)小于15%定義為弱空間變異性，15%～100%為中等程度空間變異性，大于100%為強(qiáng)空間變異性[28-30]。

弱變異元素有17項(xiàng)，主要為常量元素氧化物(SiO2、Al2O3、K2O、Fe2O3)、稀有稀土元素(Ce、La、Sc、U)、金屬元素(Ba、Be、Ga、Nb、Rb、Ti、Tl、V)以及pH值，多為在土壤中化學(xué)活動(dòng)性較弱的元素，后期地質(zhì)地球化學(xué)作用及人類活動(dòng)對(duì)它們的影響較小。這些元素在區(qū)域分布上也存在著高低背景區(qū)，但含量區(qū)間變化范圍較小，離散程度不大，基本表現(xiàn)出較為均勻分布的特征。

中等程度變異元素?cái)?shù)量最多，達(dá)到31項(xiàng)，該類元素具有一定程度的地球化學(xué)活動(dòng)性，多為表生環(huán)境中受自然營力及人類活動(dòng)影響較多的元素。在表層土壤中元素含量變化范圍較大，分布上表現(xiàn)為局部地段有較高或較低背景，具有一定的分異趨勢；變異系數(shù)越大，分異趨勢越顯著。

強(qiáng)變異元素有6項(xiàng)，變異系數(shù)范圍為121%～388%，變異系數(shù)由小到大為Sn(121%)、Se(122%)、Cu(138%)、Zn(146%)、Au(186%)、Hg(388%)；該類元素空間分布極不均勻，離散程度大，具有很強(qiáng)的分異特征，在分布特征上表現(xiàn)為多個(gè)地段有高強(qiáng)度的異常存在，受到了人類活動(dòng)的顯著影響。

北京平原區(qū)土壤元素平均含量與全國背景值[31]相比(圖3)，CaO、MgO、Na2O、Hg、Cd、Sr、Ba、Sn等含量偏高，達(dá)到全國背景值的1.2倍以上；Hg、Cd平均含量分別為全國背景值的2.69和1.71倍，屬于由人類生產(chǎn)、生活等因素引起的元素高含量分布，由此說明北京平原區(qū)土壤Hg、Cd存在潛在污染的可能性較高；堿土金屬元素CaO、MgO、Sr、Ba等高含量分布與西部山區(qū)廣泛分布的沉積地層有關(guān)，堿金屬元素Na2O的高含量分布與北部山區(qū)廣泛分布的巖漿巖、變質(zhì)巖有關(guān)，這兩類屬于由地質(zhì)背景引起的元素高含量分布。Sb、As、Th、W、Br、U、I、Mo、有機(jī)質(zhì)等相比貧化，低于全國背景值的0.8倍以下；其中有機(jī)質(zhì)平均含量僅為全國背景值的0.52倍，說明北京平原土壤中相對(duì)缺乏有機(jī)質(zhì)。

3.1.2 表層土壤元素因子分析

因子分析是利用降維的思想，在較少損失原始數(shù)據(jù)信息的前提下，將多個(gè)變量綜合成少數(shù)的“因子”，從而達(dá)到對(duì)原始變量的分類，揭露原始變量之間的內(nèi)在聯(lián)系[32-34]。通過對(duì)54項(xiàng)元素與指標(biāo)作R型因子分析，在方差貢獻(xiàn)率85%的水平上截取17個(gè)正交因子解，其中前6個(gè)方差貢獻(xiàn)較大且元素組合明顯的旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣，結(jié)果見表3。根據(jù)各采樣點(diǎn)的因子得分，繪制了因子分布圖，結(jié)果見圖4。選取較高的因子載荷(≥|0.5|)變量，獲知元素組合。

F1因子組合為Al2O3-Fe2O3-Be-Ce-Co-Cr-Ga-La-Mn-Nb-Ni-Sc-Th-Ti-U-V，為常量元素氧化物、鐵族元素、稀土元素及部分微量元素的組合，共生組合特征受控于元素地球化學(xué)性質(zhì)。該類元素遷移能力弱，長期處于穩(wěn)定狀態(tài)，反映了土壤元素的原始背景特征。同時(shí)可以看出土壤元素空間分布具有流域性特征，在大清河流域、 薊運(yùn)河流域土壤中呈富集狀態(tài)，在永定河流域、潮白河流域中呈貧化狀態(tài)。從地貌特征上講，北運(yùn)河流域主要由永定河沖洪積扇和潮白河沖洪積扇組成，大致以溫榆河—北運(yùn)河為界[35]，因此北岸與南岸元素分布差異性顯著，北岸土壤元素含量高，南岸土壤元素含量低。

圖3 北京平原區(qū)土壤元素均值與全國土壤背景值的比值結(jié)果Fig.3 The results of the ratio of the mean value of soil elements in the Beijing Plain to the national soil background value

表2 土壤元素統(tǒng)計(jì)特征值

表3 土壤元素因子分析結(jié)果

圖4 北京平原區(qū)因子得分分布Fig.4 Diagrams of factor scores in Beijing Plain

F2因子組合為Bi-Br-C-Cd-N-P-S-有機(jī)質(zhì)，F(xiàn)4因子組合為Cu-Pb-Zn-Sb，F(xiàn)6因子組合為Au-Hg-Sn，為有害重金屬元素及養(yǎng)分指標(biāo)的組合，共生組合特征明顯受控于人類活動(dòng)。該類元素的空間分布反映出人類活動(dòng)的頻繁程度，人類活動(dòng)越頻繁，土壤中的元素含量越高，中心城區(qū)是土壤元素最為富集的區(qū)域。

F3因子組合為SiO2-Zr-(-CaO)-(-MgO)，為常量元素氧化物組合，能夠反映成土母質(zhì)的基本信息。SiO2高含量區(qū)正好是MgO、CaO的低含量區(qū)，主要分布在潮白河流域以及永定河流域，該區(qū)域內(nèi)以砂質(zhì)沉積物為主，而其他區(qū)域多以壤質(zhì)沉積物分布為主。

F5因子組合為CaO-pH-(-K2O)-(-Ba)-(-Ga)-(-Be)，該元素組合可以反映成土母巖的基本特征。K2O、Ba、Ga、Be的高含量區(qū)主要分布在潮白河沖積平原區(qū)，物源以北部山區(qū)的中酸性巖漿巖及變質(zhì)巖為主，且該區(qū)域?yàn)楸本┢皆瓋H有的偏酸性土壤分布區(qū)。北京城區(qū)及平原區(qū)的西南部是CaO的高得分區(qū)，其物質(zhì)來源于北京西部山區(qū)從中新元古界至白堊系的沉積地層，反映了源巖物質(zhì)成分對(duì)土壤元素分布的控制作用。

3.1.3 土壤元素垂向變化特征

1) 元素含量與垂向深度的相關(guān)性分析

有害重金屬(類金屬)元素、養(yǎng)分指標(biāo)以及酸堿度是土地質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)的重要參考因素[36-38]，Sc、Al2O3含量分布可以反映土壤原始背景特征。對(duì)垂向剖面采集的747件土壤樣品中的元素含量與對(duì)應(yīng)的采樣深度之間進(jìn)行了Pearson相關(guān)性分析(表4)，結(jié)果表明：As、Cr、Ni、Sc、Al2O3含量與深度之間的相關(guān)性較差，而Cd、Cu、Hg、Pb、Zn、N、P、S、Se、有機(jī)質(zhì)、pH值與深度之間的相關(guān)性較好，pH值與垂向深度之間呈正相關(guān)關(guān)系，其他元素與深度之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。鑒于此，嘗試?yán)脭?shù)學(xué)建模的方式建立元素含量與垂向深度之間的函數(shù)關(guān)系。

2) 元素含量垂向變化的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)一元非線性回歸分析法建立了Cd、Cu、Hg、Pb、Zn、N、P、S、Se、有機(jī)質(zhì)、pH等指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，具體模型統(tǒng)計(jì)值見表5。除Cd外，其他元素?cái)M合曲線的F值范圍是10.6～213，查F分布表可得F1,9(0.01)=10.59<10.6，同時(shí)F值對(duì)應(yīng)的概率值明顯小于顯著性水平0.01，拒絕原假設(shè)，回歸方程通過了顯著性檢驗(yàn)，即判定出回歸方程有意義。R2值為0.542～0.960，說明擬合效果總體較好。Cu、Pb、Zn、N、S、Se、有機(jī)質(zhì)可采用對(duì)數(shù)函數(shù)模型擬合，Hg可采用冪函數(shù)模型擬合，P可采用逆函數(shù)模型擬合，pH值可采用線性函數(shù)模型擬合。

根據(jù)土壤元素函數(shù)模型擬合(圖5)可知，擬合曲線與元素垂向分布特征吻合度較高，基本可以反映出垂向變化趨勢。重金屬元素、養(yǎng)分指標(biāo)的含量分布與人類活動(dòng)密切相關(guān)，均表現(xiàn)出強(qiáng)烈的表生富集現(xiàn)象，呈現(xiàn)出明顯的“淺層含量高、深層含量低”的特征；總體變化規(guī)律是隨深度增加，含量逐漸降低?；诮y(tǒng)計(jì)學(xué)角度，從區(qū)域尺度上考慮人類活動(dòng)對(duì)土壤元素垂向分布的影響深度，對(duì)有害重金屬元素Cu、Hg、Pb、Zn的影響深度約150～200 cm，對(duì)養(yǎng)分指標(biāo)N、P、S、Se、有機(jī)質(zhì)的影響深度約50～100 cm。隨深度增加，pH值變大，土壤堿性增強(qiáng)。

表4 土壤元素含量與垂向深度的相關(guān)性

表5 模型摘要及參數(shù)估計(jì)值統(tǒng)計(jì)

圖5 土壤元素函數(shù)模型擬合Fig.5 Function model fitting of elements in soil

3.2 土壤元素含量分布影響因素分析

3.2.1 不同土壤類型的元素含量差異

將潮土、褐土的元素含量平均值與北京平原區(qū)平均值進(jìn)行比較，結(jié)果見圖6。從總體情況看，褐土中Se、Bi、Li、有機(jī)質(zhì)、Mo、W等39項(xiàng)元素與指標(biāo)的含量普遍高于潮土；褐土主要分布在山麓平原，結(jié)合F2因子得分分布圖判斷，褐土分布區(qū)內(nèi)有機(jī)質(zhì)含量普遍偏高，對(duì)金屬元素或離子的吸附性較強(qiáng)，將其固定于土壤中而呈現(xiàn)出元素高含量分布的特征。但潮土中CaO、MgO、Na2O、I、Br、Sr、P、C、pH等15項(xiàng)元素與指標(biāo)的含量高于褐土，這與長期的耕作、施肥，致使潮土的熟化程度高有一定關(guān)系[39]。

3.2.2 不同土壤質(zhì)地的元素含量差異

將壤質(zhì)黏土、砂質(zhì)壤土、砂質(zhì)黏壤土、黏壤土的元素含量平均值與北京平原區(qū)平均值進(jìn)行比較，結(jié)果見圖7。

元素遷移過程中，由于砂性土壤的透水透氣性好，元素易于遷移、流失，導(dǎo)致土壤中元素含量降低；而當(dāng)元素遷移過程中遇到黏土(地球化學(xué)障)時(shí)，由于黏土中富含有機(jī)質(zhì)、黏土礦物等，對(duì)元素的吸附作用增強(qiáng)而將其固定下來，導(dǎo)致土壤中元素含量升高[40-42]，因此，土壤黏性是決定元素含量高低的重要因素之一。不同土壤質(zhì)地的K2O、SiO2、Ba、pH平均含量基本相同，說明其含量分布受土壤質(zhì)地的影響較??；其他元素的含量分布特征與土壤地質(zhì)存在密切聯(lián)系。從整體情況分析，不同土壤質(zhì)地各元素含量大小關(guān)系為：砂質(zhì)壤土<砂質(zhì)黏壤土<黏壤土<壤質(zhì)黏土。需特殊說明的是，CaO、Na2O、Se、Sr在砂質(zhì)壤土中的含量最高，在壤質(zhì)黏土中的含量最低。

3.2.3 不同土地利用方式的元素含量差異

將耕地和林地的土壤元素含量平均值與北京平原區(qū)平均值進(jìn)行比較，結(jié)果見圖8。從整體情況來看，耕地內(nèi)土壤元素含量普遍高于林地元素含量或與林地一致，說明土地利用方式對(duì)元素分布特征產(chǎn)生一定程度的影響。一些農(nóng)藥和化肥中含有As、Cd、Cu、Ni、Pb、Zn等有害重金屬(類金屬)元素[43-44]，使用后可導(dǎo)致土壤元素含量升高。本次研究結(jié)果顯示，北京平原區(qū)耕地土壤中Cd含量相對(duì)較高，可能與含Cd肥料的使用有關(guān)。N、P、有機(jī)質(zhì)等是作物生長的必需養(yǎng)分，長期使用后土壤致使土壤中富含養(yǎng)分；由于作物對(duì)P的需求相對(duì)較少[13]，長期使用勢必造成土壤中P含量的明顯增加，這也是北京平原區(qū)耕地土壤P更加富集的原因。不同土地利用方式下的元素含量統(tǒng)計(jì)特征與F2因子組合特征存在相似性，均能夠反映出農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)土壤元素分布特征的影響。

圖6 不同土壤類型元素含量對(duì)比Fig.6 Comparison of element contents in different soil types

圖7 不同土壤質(zhì)地元素含量對(duì)比Fig.7 Comparison of element contents in different soil textures

圖8 不同土地利用方式元素含量對(duì)比Fig.8 Comparison of element contents in different land use patterns

3.2.4 不同規(guī)劃區(qū)的土壤元素含量差異

將中心城區(qū)和郊區(qū)土壤元素含量平均值與北京平原區(qū)平均值進(jìn)行比較，結(jié)果見圖10。

自20世紀(jì)50年代，北京城區(qū)及周邊逐步建立了以“西郊冶金和機(jī)械重工業(yè)區(qū)、東北郊電子工業(yè)區(qū)、東郊機(jī)械區(qū)和化工區(qū)”為主的工業(yè)格局[45-47],形成長達(dá)50余年的工業(yè)活動(dòng)歷史。中心城區(qū)為北京市人口密集區(qū)和建設(shè)集中區(qū)，根據(jù)北京市2019年區(qū)域統(tǒng)計(jì)年鑒進(jìn)行估算，中心城區(qū)人口密度1.2萬人/km2，建設(shè)用地面積約925 km2，占中心城區(qū)土地總面積的67.6%。土地開發(fā)、工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、人類生活等方式在很大程度上改變了表層土壤元素的分布特征，致使土壤中有害重金屬及一些與人類活動(dòng)密切相關(guān)的元素的高含量分布，如有害重金屬元素(Cd、Cu、Hg、Pb、Zn)、養(yǎng)分指標(biāo)(C、S、有機(jī)質(zhì))以及部分金屬元素(Ag、Au、Bi、Sb、Sn、Sr)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特征與F2、F4、F6因子組合特征基本一致，均反映出了人類活動(dòng)對(duì)土壤元素分布特征的影響。

圖9 不同規(guī)劃區(qū)土壤元素含量對(duì)比Fig.9 Comparison of soil element contents in different planning areas

4 結(jié)論

1) 與全國土壤A層背景值相比，北京平原區(qū)土壤中CaO、MgO、Na2O、Hg、Cd、Sr、Ba、Sn等含量相對(duì)偏高，其中Hg、Cd的高含量分布與人類活動(dòng)密切相關(guān)，CaO、MgO、Na2O、Sr、Ba的高含量分布主要由地質(zhì)背景引起。北京平原區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)較缺乏，其含量僅為全國背景值的0.52倍。

2) 因子分析結(jié)果表明，F(xiàn)1因子為常量元素氧化物、鐵族元素、稀土元素的共生組合，反映了土壤元素的原始背景特征；F2、F4、F6因子為有害重金屬(類金屬)元素、養(yǎng)分指標(biāo)的共生組合，反映了人類活動(dòng)對(duì)土壤元素分布特征的影響；F3因子為常量元素氧化物的共生組合，反映了成土母質(zhì)的基本信息；F5因子為堿金屬元素、堿土金屬元素、酸堿度的共生組合，反映了成土母巖的基本特征。

3) 根據(jù)建立的數(shù)學(xué)函數(shù)模型，基于統(tǒng)計(jì)學(xué)角度，從區(qū)域尺度上初步判斷了人類活動(dòng)對(duì)土壤元素與指標(biāo)垂向分布的影響深度，對(duì)有害重金屬元素Cu、Hg、Pb、Zn影響深度約150～200 cm，對(duì)養(yǎng)分指標(biāo)N、P、S、Se、有機(jī)質(zhì)影響深度約50～100 cm。

4) 土壤類型、土壤質(zhì)地、土地利用方式以及規(guī)劃區(qū)等均是影響土壤元素含量分布的重要因素，但不同因素對(duì)土壤元素分布的影響具有差異性。土壤類型、土壤質(zhì)地屬于影響土壤元素分布的自然源因素，土地利用方式、規(guī)劃區(qū)屬于影響土壤元素分布的人為源因素。