基于生物多樣性的公園土壤生態(tài)環(huán)境研究

中圖分類號(hào)：X171

文章編號(hào)：1674-6139（2025）08-0147-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Research on Park Plant Ecological Environment Planning Based on Biodiversity

Hu Zhenyuan，Wang Shubiao，Zhao Hui （Administration Office of the Summer Palace，Beijing 1Ooo91，China）

Abstract：Beijigparksilisolutedbyaymetalskeleadadmmercuryducingorganicmater，ertilitydicr bialactivityRegularestigisucialfoparkplantgowthTisstudusesmultidispliarythoogiescludingbigatache learning and conditional decision trees，toassess heavy metal polution in Beijing park soil.High concentrationsof Zn ， Pb ，Cu，and As were found，and the Hg concentration was 12.6 timesbeyond the background value，mainlyaresult of theparent quality，industrial and traffic pollution.The risk assessment results showed that adult children had a low risk ofnon-cancer，but Hg pollution was moderate to severe，andtheriskwashighinsomeareasofDongchengDistrict.Theresearchofersascientificbasisformanagementandrestoration， enhancing ecosystem stability and anti-polltion ability.

Key words：Beijing Park；ecological environment；heavy metals；contaminate

前言

生物多樣性是生物與環(huán)境生態(tài)復(fù)合體及生態(tài)過程的總和，包括生態(tài)系統(tǒng)、物種和基因多樣性。保護(hù)生物多樣性的方法包括就地保護(hù)和遷地保護(hù)。選擇具有生態(tài)功能的植物如固氮植物和食源植物，確保生態(tài)系統(tǒng)功能的多樣化[1-2]。土壤污染源包括除草劑和殺蟲劑的使用、垃圾滲漏等，導(dǎo)致植物生長受阻、土壤生態(tài)系統(tǒng)破壞，并可能引發(fā)地下水的二次污染[3]。高多樣性生態(tài)系統(tǒng)更能抗污染，物種耐受性和修復(fù)力各異。畢玨等人在昆明市3個(gè)濕地公園采集灰塵樣品，通過等離子發(fā)射光譜儀測(cè)定重金屬含量，并使用多種指數(shù)分析污染特征。結(jié)果顯示，灰塵中10種重金屬平均含量高于昆明市土壤背景值。健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)表明呼吸攝人是主要暴露途徑[4]。LiuH等利用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)和多元線性回歸受體模型評(píng)估重金屬污染源，并結(jié)合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。結(jié)果顯示，結(jié)合源分析受體模型與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是量化源貢獻(xiàn)的有效方法[5]。當(dāng)前研究方法依賴大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)，但缺乏現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)，難以應(yīng)對(duì)突發(fā)環(huán)境變化和復(fù)雜污染源。

為此，研究方法整合多學(xué)科理論和技術(shù)，利用數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)，通過大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)提升研究精度與效率。設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)模型來實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)適應(yīng)變化，并通過用戶反饋優(yōu)化研究方法。

1 研究區(qū)域概況

北京位于北緯 39.4^°～41.6^°. 東經(jīng) 115.7^° 2117.40^° ，城區(qū)面積1129平方公里。首鋼工業(yè)區(qū)原在石景山，雖遷出但土壤可能受重金屬污染。北京各區(qū)公園特色鮮明，土壤植被多樣。東城區(qū)景山、中山公園以歷史遺址和綠地為主，土壤為褐土，適合銀杏、白皮松等。西城北海公園土壤改良好，植物豐富，如玉蘭、丁香。朝陽區(qū)朝陽公園、奧森公園面積大，土壤多樣，適合國槐、楊樹。頤和園、圓明園以黃土為主，宜銀杏、松樹。石景山區(qū)公園依山而建，王壤適合耐旱植物如松樹、柏樹。豐臺(tái)區(qū)蓮花池、世界公園土壤多為沖積土，宜水生植物，生態(tài)多樣性高。通州區(qū)作為副中心，公園發(fā)展迅速，大運(yùn)河森林公園土壤改良后適合楊樹、柳樹，濕地生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)良好。

2實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 樣品采集

在北京7區(qū)120個(gè)公園綠地，采用棋盤式取樣法收集土壤樣品共140個(gè)。樣點(diǎn)位置微調(diào)以避免人群活動(dòng)區(qū)，并選取代表性植被。每公園設(shè)3處以上植物群落試驗(yàn)樣點(diǎn)，對(duì)比樣點(diǎn)位于奧林匹克公園鋪裝廣場(chǎng)。樣品采集于2021年6-9月，記錄GPS坐標(biāo)、環(huán)境和污灌情況。樣品干燥、過篩后不少于 ?500g ，自然風(fēng)干后研磨、過篩，混合均勻。使用賽默飛世爾科技按ISO11047標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)鉛、鎘、鋅、銅、鎳等重金屬。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

UNMIX6.0模型是一種生態(tài)模型，主要用于分析和解混多光譜或高光譜數(shù)據(jù)。通過對(duì)遙感數(shù)據(jù)的解混分析，幫助確定地表覆蓋類型及其空間分布。UNMIX6.0能夠分析和跟蹤公園內(nèi)外的土地利用變化，這對(duì)于制定和調(diào)整公園管理和保護(hù)策略非常重要。模型使用奇異值分解對(duì)數(shù)據(jù)空間降維，以確定源數(shù)量、源組成及其對(duì)各樣本的貢獻(xiàn)率 °^N 個(gè)源的M個(gè)樣品中某一物種 j 的含量 C_ij 。假如有 N 個(gè)源，數(shù)據(jù)空間簡化為 N-1 維。假設(shè)每個(gè)源都有一些邊緣點(diǎn)，UNMIX模型通過找到這些點(diǎn)并擬合超平面來識(shí)別源的組成[6]。由于常規(guī)統(tǒng)計(jì)方法難以識(shí)別金屬積累模式。條件決策樹（Conditionalinferencetree，CIT）作為一種隨機(jī)模型，能分析大量定量和定性變量，在無強(qiáng)模型假設(shè)下識(shí)別和分配污染源。通過選擇相關(guān)預(yù)測(cè)因子，CIT能有效解釋土壤中重金屬濃度與自變量的相關(guān)性。CIT通過條件推理框架中的二進(jìn)制遞歸劃分來估計(jì)回歸關(guān)系，即假設(shè)響應(yīng)變量 Y 在給定協(xié)變量 X 的條件下，其分布 D（Y∣X） 依賴于協(xié)變量的函數(shù) f（X） 。遞歸二進(jìn)制分區(qū)算法 D（Y∣X） 的具體計(jì)算過程見式（1）：

式（1）中， ω 表示非負(fù)整數(shù)權(quán)重 S 表示源組成的標(biāo)準(zhǔn)偏差。 U 表示第 j 個(gè)物種在源 k 中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。C_ij 表示第 i 個(gè)樣品中第 j 個(gè)物種的含量 D_ik 代表源 k 在第 i 個(gè)樣品中的總量。樣品的物種濃度可在 M 維空間中繪制。 （Y_i，X_i） 表示學(xué)習(xí)樣本。通過單變量分析、馬氏距離和修剪算法，構(gòu)建穩(wěn)健決策樹，消除高階數(shù)據(jù)。CIT利用卡方檢驗(yàn)防止過擬合和變量選擇偏差，在 R 語言中實(shí)現(xiàn)。研究采用EPA和RIVM模型，評(píng)估兒童和成人接觸重金屬的健康風(fēng)險(xiǎn)。三種暴露途徑中的平均日劑量計(jì)算過程見式（2）：

式（2）中， ADD₁、ADD₂ 和 ADD₃ 分別代表重金屬暴露途徑包括攝入、吸入和皮膚接觸 _oR₁ 與 R₂ 分別表示土壤攝入量與土壤吸入率 EF，ED 和 _AT 代表暴露頻率、暴露持續(xù)時(shí)間、平均暴露時(shí)間 代表平均體重 _，EF 表示顆粒排放因子。 ，SA，SL 和 ABF 分別代表皮膚的暴露面積、粘附因子、吸附因子。通過特定方程計(jì)算平均日劑量以評(píng)估潛在風(fēng)險(xiǎn) LADD 。地累積指數(shù)用于土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估 I_geo 。Nemerow污染指數(shù)（NI）是一種用于綜合評(píng)估環(huán)境質(zhì)量的指標(biāo)，主要衡量水質(zhì)和空氣質(zhì)量的污染程度。通過計(jì)算NI，可以全面了解公園的環(huán)境污染狀況，北京公園土壤重金屬的NI計(jì)算公式見式（3）：

式（3）中， C_n 為測(cè)量濃度。 CR 表示接觸或吸附速率。 c 為 95% 置信區(qū)間的均值 95% 置信上限（UCL）通過EPA的ProUCL5.0.00統(tǒng)計(jì)軟件計(jì)算。I_geomax 為樣品中所有重金屬 I_geo 的最大值 I_geoave 為 I_geo 的算術(shù)平均值 I_geo 僅可分析一種重金屬的污染，用改進(jìn)的Nemerow指數(shù)（INI）表示八種重金屬的總體污染 B_n 表示地球化學(xué)背景值。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

使用SPSS23.0與Pearson進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，并運(yùn)用克里金插值法和熱點(diǎn)分析探討重金屬濃度的空間分布。對(duì) Hg 和Pb數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)變換后再進(jìn)行插值。健康風(fēng)險(xiǎn)模型參數(shù)見表1。

表1健康風(fēng)險(xiǎn)模型參數(shù)

實(shí)驗(yàn)使用SigmaPlot10.0繪制箱形圖可視化北京城市公園土壤中8種重金屬的濃度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。具體結(jié)果見圖1。

根據(jù)GB15618標(biāo)準(zhǔn)，即《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，鎘（Cd）、汞（ ??Hg^? ）、鉻（Cr）、銅（ [cu） 、砷（As）鎳（Ni）、鉛中 （Pb） 、鋅（ Zn） 的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值分別設(shè)定為 0.2、0.15 、90、35、15、40、35、100、 。從圖1中可以看出， Cu，Pb ！Zn，As 的超背景值比例分別高達(dá) 86.27%.81.08% ！79.62%.75.41% ，并且與標(biāo)準(zhǔn)值相比較，所有檢測(cè)樣品中的 Hg 和Cd含量均超過了其標(biāo)準(zhǔn)值。土壤中重金屬濃度分布差異大， Hg，Cr，Zn 有高值離群點(diǎn)，As、Cu，Cd，Ni，Pb 較集中但有離群值。變異系數(shù) Hggt;Cr gt;Pbgt;Cugt;Zngt;Asgt;Cdgt;Ni ，前六者強(qiáng)變異， Ni，Cd 中等變異。 H_g?As 各有一樣品超標(biāo)需調(diào)查。北京公園土壤重金屬積累程度不一，但濃度低，低于其他用地。 Gr，Hg 高變異系數(shù)提示點(diǎn)源污染。 Cr 與 Cu 弱相關(guān)， Pb 與 Ni，Zn，Hg 及As顯著相關(guān)，Ni與 Zn，As 顯著相關(guān)， Z_n 與As顯著相關(guān)， Hg 與As弱相關(guān)。 c_u 、 可能來源相似； Pb 與 Hg 可能來源相同； Cr，Ni 來源不同； As，Cd 可能獨(dú)立來源。 Hg，Pb，Cu 可能與城市化有關(guān)。見圖2為不同源對(duì)各采樣點(diǎn)的貢獻(xiàn)。

圖1公園土壤重金屬濃度含量箱型圖

從圖2知，源1受小型金屬加工廠影響，可能引人 Cr 。源2影響75、76、97、100號(hào)采樣點(diǎn)，為工業(yè)源。源3影響毗鄰高等級(jí)公路的采樣點(diǎn)，可能是交通源。重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)主要來自攝入土壤顆粒，兒童和成人風(fēng)險(xiǎn)順序相同，為 Asgt;Crgt;Pbgt;Hggt;Nigt; Cugt;Cdgt;Zn 。暴露途徑主要是手接觸、口攝入等，吸入風(fēng)險(xiǎn)低。非致癌風(fēng)險(xiǎn)不明顯，HI值均未超過1，因此表明非致癌風(fēng)險(xiǎn)不明顯。北京市公園土壤重金屬累積指數(shù)與濃度見圖3。

由圖3（a）知，Ni未受污染。 Zn，As 大多未受污染，少數(shù)輕度污染。 Cu，Pb 少數(shù)樣本中度污染，大部分污染程度低。Cr大部分未受污染，少數(shù)中度至重度污染。Cd積累嚴(yán)重，主要為中度至重度污染。 Hg 存在中度到重度污染，需重點(diǎn)控制。由圖3（b）知，73.56% 樣本中度污染風(fēng)險(xiǎn)（2級(jí)）， 18.19% 中度到重度風(fēng)險(xiǎn)（3級(jí)），整體風(fēng)險(xiǎn)較低，但東城區(qū)存在高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域需加強(qiáng)保護(hù)。

4結(jié)論

為了科學(xué)規(guī)劃公園植物生態(tài)環(huán)境，研究綜合運(yùn)用了地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)、UNMIX模型和生物多樣性理論，對(duì)北京城市公園的土壤重金屬含量進(jìn)行了深入細(xì)致的分析。研究結(jié)果顯示， Zn，Pb，Cu，As 等元素的含量超過了背景值的比例較高，特別是 Hg 的濃度高達(dá)背景值的12.6倍，且 Hg，Cr，Pb 等元素受外界干擾的影響顯著。盡管所有重金屬的非致癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值（HI）均低于1，表明整體上非致癌風(fēng)險(xiǎn)處于較低水平，但 Hg 元素卻呈現(xiàn)出中度至重度的污染狀況，因此需要特別關(guān)注。綜上所述，科學(xué)規(guī)劃公園植物生態(tài)環(huán)境需充分考慮土壤重金屬污染問題，特別是Hg 元素的重點(diǎn)控制，以及工業(yè)和交通活動(dòng)對(duì)土壤環(huán)境的影響，從而確保公園生態(tài)環(huán)境的持續(xù)健康與安全。

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