北京市朝陽區(五環內)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, 呼 諾, 楊少斌, 林 茂, 傅 振, 崔 萌

(北京林業大學 林學院, 北京 100083)

隨著城市化進程的的發展以及城鎮人口數量的增加，人類賴以生存的土壤重金屬污染日益嚴重，成為亟待解決的生態問題。城市人口眾多，交通發達，生產活動豐富，致使城市綠地土壤重金屬污染尤其嚴重[1-3]。重金屬污染作為土壤環境質量因子之一，具有潛在危險性，很難清除，不僅會影響土壤的質量和植物的生長發育，還會危害人類健康。許多研究發現，土壤重金屬的含量及分布特征與土壤理化性質、交通運輸、人類生產生活等多方面息息相關[4-5]，相比于農業土壤，城市土壤重金屬污染可通過揚塵直接對人體產生危害[6]。因此，城市綠地土壤重金屬污染受到了世界各國的密切關注[7-10]。國外對城市綠地土壤重金屬的研究報道開始較早：Mattia Biasioli等人對意大利都靈(Torino)公園綠地土壤重金屬(Cu，Zn，Cd，Pb等)進行了研究，Davies等和Kelly等人研究了英國主要城市綠地土壤重金屬的含量及其土壤性質的關系[11-15]。而國內近些年來逐漸開展城市土壤重金屬(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、華南和西南地區的部分城市[16-20]，對于華北地區的北京市土壤重金屬(Cu，Zn，Cd，Pb)的研究報道仍比較少，以往研究[21-22]表明土壤pH值和有機質是控制土壤重金屬化學行為的重要因素，因此，本文在調查北京市朝陽區(五環內)土壤pH值、有機質含量及4種重金屬(Cu，Zn，Cd，Pb)含量的基礎上，通過研究北京市朝陽區(五環內)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。

1 研究區概況

朝陽區是北京市城近郊區面積最大的一個區，位于北京市主城區的東部，介于北緯39°48′—40°09′，東經116°21′—116°42′，屬于暖溫帶半濕潤季風型大陸性氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥；地貌類型復雜多樣，地勢從西北向東南緩緩傾斜，土壤質地大多為砂壤土、壤土，pH值在7.73～8.58，呈弱堿性，區域輪廓呈南北略長、東西稍窄的多邊形；人口眾多、增長快、交通發達，結構復雜。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與預處理

土壤采樣按照分塊隨機的方法進行布點采樣，系統隨機采集具有代表性的表層(0—20 cm)土壤樣品共39個，包括對朝陽區(五環內)的附屬綠地樣品7個，街旁綠地樣品14個，公園綠地樣品10個，居住綠地樣品8個。樣點布設考慮北京市朝陽區(五環內)土壤利用類型(圖1)。采集的樣品要剔除石子，樹葉，植物根系等雜質后帶回實驗室，在常溫下風干后，用研缽進行研磨，裝入密封袋中待測。

圖1 北京市朝陽區(五環內)綠地土壤各采樣點位置分布

2.2 樣品測定方法

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

2.3 數據處理

試驗數據采用SPSS 17.0統計軟件做相關性分析；數據統計和重金屬空間分布圖采用Microsoft Excel 2013和ArcGIS 10.1。

3 結果與分析

3.1 北京市朝陽區(五環內)土壤重金屬的統計特征

從表1中可以看出:Cu含量的平均值達到29.36 mg/kg，超過了中國土壤背景值，最大值達到67 mg/kg，超過了國家土壤環境質量一級標準，另外，在4種土壤利用類型中，Cu在附屬綠地中的含量要高于其他綠地類型，平均值達到33.57 mg/kg，超過中國土壤背景值，說明土壤已經受到了重金屬Cu的污染。從表2中可以看出：Cu的變異系數為27.13%。林俊杰等[23]認為變異系數<10%為弱變異，10%～30%為中等變異，>30%為高度變異。由此分類法可以看出，Cu為中等變異，在4種土壤利用類型上,Cu在附屬綠地上的變異程度最大。土壤重金屬所有樣點含量情況如圖2所示，所有樣點的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土壤背景值之間，有79.48%的樣品介于中國土壤背景值和土壤環境質量1級標準之間，大于土壤環境質量1級標準的土壤樣品有12.82%，說明重金屬Cu有一定的污染；從不同土地利用類型上來看，Cu在附屬綠地上的濃度相對較高，其次是居住綠地，居住綠地中有兩個樣品超過了土壤環境質量1級標準,街旁綠地和公園綠地土壤中的Cu的濃度相對較低，街旁綠地土壤中有一個樣品超過了1級標準，但是有3個樣品介于北京市土壤背景值和中國土壤背景值之間，所有樣點的Cu含量在公園綠地中全部介于中國土壤北京值和土壤環境質量1級標準之間。

重金屬Zn含量的平均值為74.05 mg/kg，超過了中國土壤背景值，最大值達到141 mg/kg，超過了國家土壤環境質量一級標準，在4種土壤利用類型中，Zn在居住綠地中的含量要高于其他綠地類型，平均值達到80.63 mg/kg，超過了中國土壤背景值(表1)。Zn的變異系數達到25.75%，按照上述分類方法可以看出，重金屬Zn為中等變異，在4種土壤利用類型上，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土壤背景值之間，17.95%的樣品中Zn含量介于中國土壤背景值和土壤環境質量1級標準之間，整體與Cu的含量相比，相對較低一些；從不同土地利用類型上來看，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，已超過國家土壤環境質量一級標準，最大值達到0.7 mg/kg，說明重金屬Cd污染較嚴重，在4種土壤利用類型中，Cd在街旁綠地中的含量要高于其他綠地類型，平均值達到0.29 mg/kg(表1)，說明重金屬Cd可能受汽車尾氣的原因使得含量較高。Cd的變異系數為35.12%，按照上述林俊杰的分類方法，Cd為高度變異，在4種土壤利用類型上，Cd在街旁綠地上的變異程度最大(表2)。根據圖2表示：所有樣品土壤中Cd的含量均大于土壤環境質量1級標準，說明朝陽區(五壞內)綠地土壤的Cd的污染最為嚴重；不同土地利用類型上來說，街旁綠地土壤中的Cd含量相對較高一些，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，超過國家土壤環境質量一級標準，在4種土壤利用類型中，Pb在公園綠地土壤中的含量要比高于其他綠地類型，平均值達到24.70 mg/kg(表1)，甚至還要高于街旁綠地土壤，這與交通污染會導致靠近公路沿線重金屬Pb含量較高的研究[24-26]并不相符，這主要是因為我們國家在20世紀末就開始使用無鉛汽油，而北京市朝陽區(五環內)的交通主干道在國家使用無鉛汽油后才逐漸建成，因此，街旁綠地的含鉛量并沒有成為最高，這也說明國家使用無鉛汽油確實能很大程度上降低靠近公路土壤Pb的含量。Pb的變異系數為28.48%，按照上述林俊杰分類方法，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：絕大多數土壤樣品中的Pb含量低于中國土壤背景值，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；不同綠地類型的Pb含量的變化差異并不是很大。

表1 北京市朝陽區(五環內)不同類型綠地土壤重金屬含量 mg/kg

注：表中括號內位極小值到極大值。

3.2 北京市朝陽區(五環內)土壤重金屬空間分布特征

利用ArcMap 10.1軟件，通過普通克里金方法，對北京市朝陽區(五環內)綠地土壤重金屬含量進行插值，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在朝陽區(五環內)中北部和中西部含量相對較高，整體大體呈現出由西北向東南遞減的趨勢；Zn的空間分布格局與Cu的分布格局類似，但整體含量較Cu略低一些，說明自然或人為活動可能對重金屬Zn和Cu產生相同的影響；Cd的高值區主要分布在朝陽區(五環內)的中部地區，該地區主要街旁綠地較多，說明交通可能對Cd的分布產生了一定的影響，整體分布北部含量略高于南部地區；Pb的分布格局大體呈現由西南向東北逐漸遞減的趨勢，東北地區逐漸靠近五環外，居住人群相對較少一些，說明人類活動可能對Pb的分布產生一定的影響。

表2 北京市朝陽區(五環內)不同類型綠地

圖2 北京市朝陽區(五環內)不同類型綠地土壤重金屬含量

3.3 北京市朝陽區(五環內)土壤重金屬含量的影響因素

3.3.1 土壤pH值對重金屬含量分布的影響 土壤pH值是影響土壤重金屬形態的重要因素之一，進而影響重金屬在土壤中的累積含量，從而產生嚴重的土壤污染風險。

從圖4看出北京市朝陽區五環內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%。說明該研究區域大多為微堿性土壤。

圖5將39個樣點歸類成附屬綠地、街旁綠地、公園綠地、居住綠地等4種土壤利用類型，取平均值進行比較研究，發現不同土壤利用類型的土壤pH值會有一定的差異。從圖中可以看出，所有土壤利用類型的土壤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，主要是通過影響重金屬在土壤中的溶解度來影響重金屬的化學行為。重金屬Cu，Zn，Cd和Pb在中性、堿性條件下，會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。對土壤pH值和土壤重金屬用Spearman法做相關性分析(表3)，結果表明：土壤pH值與土壤重金屬之間沒有明顯的相關性。這可能是因為土壤成土母質以及其他成土條件相似，pH值的變化程度較小，難以導致土壤元素的遷移和累積。

3.3.2 土壤有機質對重金屬含量分布的影響 土壤有機質中的腐殖質物質含有多種功能基，這些功能基對土壤重金屬離子有較強的絡合能力和富集能力，因此土壤有機質對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質的含量能有效地減緩或降低重金屬污染，如圖6所示：公園綠地土壤有機質含量明顯比其他綠地類型的有機質含量要高，達到21.37 g/kg。這可能是因為表層土壤受枯葉落葉自然回歸的影響，表層土壤有機質有了一定的積累，而公園綠地中含有灌木、喬木等較多，枯枝落葉自然回歸對有機質積累的影響相比于其他綠地類型要略大一些。而居住綠地、街旁綠地和附屬綠地的土壤有機質含量沒有明顯的差異性。

圖3 北京市朝陽區(五環內)綠地土壤Cu，Zn，Cd和Pb重金屬含量空間分布

圖4 北京市朝陽區(五環內)綠地土壤pH值分布

對土壤有機質和重金屬之間的相關性有著許多的報道，本研究有機質與重金屬的相關系數如上述表3所示，有機質含量與重金屬Cu無明顯相關性，與重金屬Zn和Cd顯著正相關，這與柴世偉的研究[27]相一致，有機質與重金屬Pb則極顯著正相關。有機質與重金屬離子形成絡合物，導致重金屬離子活性降低，從而致使重金屬產生累積，造成污染。

表3 土壤重金屬與土壤理化性質之間的相關系數矩陣

注：**表示相關水平為0.01；*表示相關水平為0.05。

圖5 北京市朝陽區(五環內)不同綠地類型土壤pH值

圖6 北京市朝陽區(五環內)不同綠地類型土壤有機質

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。元素間的相關性能代表污染區出現重金屬含量同時增加的現象，從而呈現出符合污染的趨勢。

根據表3相關性分析表明：土壤重金屬Cu，Zn，Cd以及Pb元素之間存在著極顯著的相關性。說明北京市朝陽區(五環內)土壤重金屬Cu，Zn，Cd以及Pb有著相似的污染源。這是因為一方面繼承了土壤母質中元素的配比關系，而另一方面是可能同時受到各種成土過程和人為活動的影響。

4 結 論

(1)北京市朝陽區(五環內)土壤重金屬Cd的污染最為嚴重，其含量已經超過土壤環境質量1級標準。重金屬Cu，Zn平均含量在中國土壤背景值與土壤環境質量1級標準之間，屬于輕度污染，而重金屬Pb平均含量低于中國土壤背景值，且大部分Pb含量低于北京市背景值，基本屬于無污染。

(2)同一重金屬在不同土壤利用類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，而Cd高值區在中部，重金屬Pb整體上呈由西南向東北遞減趨勢。

(4)土壤pH值對土壤重金屬沒有明顯的影響，土壤有機質對重金屬Zn和Cd有著顯著的相關性，對Pb有著極顯著的相關性，說明土壤有機質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性，說明重金屬之間可能具有相同的污染源。