土壤汞含量分布特征与影响因素研究

聂超甲，刘慧琳，杨雪玲，葛 畅，孔晨晨，黄元仿，张世文*

(1.安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 230001；2.浙江大学 土水资源与环境研究所，浙江 杭州 310058；3.中国农业大学 资源与环境学院，北京 100193)

土壤作为陆地生态系统的重要组成部分，能够提供植物生长所需的养分[1]。随着城市化的快速发展，各种污染作用致使重金属元素富集在土壤之中，引起土壤污染，影响大气与水环境质量，威胁人类健康[2-3]。农业用地的土壤直接关系着民生民计，对社会经济稳步发展、人们生活质量以及生态系统平衡有着不可忽视的影响。因此，针对性地研究土壤中重金属的分布特点及来源，进行风险评价，并定性分析其影响因素等可为土壤污染防治提供理论依据。

土壤是一个具有高度空间异质性的复杂的复合体。近年来，土壤污染问题也受到许多学者的广泛关注。Khosravi Y[4]等通过地统计学方法和自相关指数研究了铅锌工厂周围土壤重金属空间分布及影响因素，认为农药、化肥、地球化学和人为来源是重金属空间变化的主要因素。Salas P M[5]等利用富集因子、地富集指数、污染负荷指数等污染指数评估了重金属的积聚、污染状况及生态毒理作用。霍霄妮等分析了北京市耕地土壤重金属Cr、Ni、Zn和Hg空间结构的尺度效应[6]，同时对北京耕地土壤重金属空间自回归模型及影响因素进行了探究分析[7]。王彬武[8]等对耕地土壤重金属的时空变化进行研究，运用潜在生态风险和指示克里格法对比分析了1985和2006年的耕地表层土壤重金属含量。姜菲菲[9]等采用潜在生态危害指数对北京农业土壤重金属污染环境风险等级进行评价，结果表明重金属中Cd 和Hg 元素污染风险最高，Cr、Ni、Zn 元素生态风险较低。李福燕[10]等同时利用GIS技术和多元统计相结合的方法，研究了重金属的分布特征和来源，从整体上把握了海南农田土壤重金属污染状况和大体趋势。韩平[11]等对北京顺义区土壤重金属污染生态风险进行了评估研究。胡艳霞[12]等对北京水源保护地土壤重金属空间变异及污染特征进行了分析。索琳娜[13]等采用单项和综合污染指数法对菜地土壤重金属现状进行分析评价，表明菜地土壤环境总体安全，处于非污染状态，但重金属Cd、Cr、Cu、Zn存在累积污染风险。以上学者主要采用地统计学与GIS相结合的方法、空间自相关分析方法、单因子与综合污染指数法、潜在生态风险评价法等从空间、时间角度对土壤重金属的分布特征进行研究，大部分侧重于对重金属的空间分布及环境质量评价等进行探究，而针对重金属的垂直分布特征及其影响因素探究报道较少，因此，针对北京市平原区土壤特点，从多角度出发，探究水平和垂直方向上的土壤重金属Hg的分布特征，并定性对重金属的影响因素进行探究具有重要的研究价值。

以北京市平原区农田土壤为研究对象，基于所监测土壤数据及土壤基本理化性质和相关环境因子，运用经典统计分析、地统计分析结合Hakanson潜在生态风险评价，从水平和垂直角度上分析土壤重金属Hg含量分布特征，并从不同的农业功能区、种植模式以及母质类型等定性分析重金属Hg的影响因素。研究成果将为北京平原区农业土壤重金属的防治管护提供理论依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于北京东南部，北京属于暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均温度11.8 ℃，多年平均降雨量440～670 mm，且年内分配不均，多集中在7、8月份。平原区高程≤100 m，面积为7 779.12 km2。主要包括农业保障区的顺义、房山、大兴、通州区，水源保护区的昌平、怀柔、密云、平谷区，都市生活区的丰台、海淀共3个功能区10个区县，平原区农用地种植模式主要为耕地、园地、菜地3种类型，土壤类型以潮土、褐土为主兼有部分水稻土。成土母质包括冲积物、洪冲积物、钙质岩类风化物、黄土物质、红黄土性物质和页片岩类风化物等。

1.2 样品采集与数据处理

根据平原区农用地(耕地、园地、菜地)的分布情况，采取网格布点，分层抽样，共布置94个采样点，于2015年6月分层采集0～25 cm、25～50 cm不同深度土壤样品。研究区采样点分布图如图1所示。在采样、样品保存和样品处理过程中均采用非金属容器，避免样品污染，采样时用GPS定位样点坐标，同时详细记录种植模式、功能分区等样点信息，并查阅相关资料和进行实地调查，获取母质类型等。土壤重金属Hg采用冷原子吸收法进行测试,采用标准物质GBW07405( GSS-5)进行质量控制。

采用SPSS 21.0进行描述性统计分析、方差分析，空间插值、等值线绘制采用ArcGIS 10.2完成。

图1 研究区采样点分布图

1.3 研究方法

(1)潜在生态风险评价。潜在生态危害指数法根据重金属性质及环境行为，能够综合反映重金属对生态环境影响潜力的指标，适合于区域范围内对土壤潜在的生态危害进行评价，划分出重金属潜在危害的程度，体现生物有效性以及地理空间差异等特点[14]。文章采用该方法对农田土壤重金属Hg进行风险评价，如式(1)所示：

(1)

(2)经验贝叶斯克里格插值。空间插值是分析空间数据的常用方法，传统的克里格法是利用区域化变量的原始数据和半变异函数的结构特点，对未采样点的区域化变量的取值进行线性无偏最优估计。由于其具有较强的平滑和趋中效应，所预测值通常较为集中，极差范围较小，不能够完全反应出土壤本身的性质特点[17-21]。研究中则采用经验贝叶斯克里格法，该方法通过估计基础半变异函数来说明所引入的误差。其可以准确预测一般程度上的不稳定性，对于小型数据集较其他克里格方法更为准确，预测的标准误差也更为准确。其预测范围较广，能够反映出土壤受外界扰动时所发生的变异情况等。该方法较适合土壤重金属Hg的空间格局分析，进一步探究土壤重金属Hg的影响因素。

2 结果与分析

2.1 土壤重金属Hg含量描述性统计分析

基于SPSS 21.0对各区县不同深度(0～25 cm， 25～50 cm)土壤重金属Hg含量特征进行描述性统计分析，结果如表1所示。由表1可知,从整个研究区来看，各区县0～25 cm土层重金属Hg的均值含量均高于25～50 cm土壤重金属Hg含量，表明随着土层深度的增加，重金属Hg含量减少。各区县中海淀、丰台Hg平均含量最高，0～25 cm含量为0.53 mg/kg、0.39 mg/kg，25～50 cm含量为0.38 mg/kg、0.18 mg/kg，且25～50 cm重金属Hg含量比其他地区0～25 cm重金属Hg的含量都高。怀柔、平谷Hg含量最低，0～25 cm土层含量仅为0.09 mg/kg、0.05 mg/kg。变异系数(CV)反应了总体样本中各采样点重金属含量的平均变异程度[22]。对0～25 cm土层而言，密云、通州Hg的变异系数大于1，为强变异程度，该区可能受到外源因子影响较大，表层受外源干扰较重，其他地区均为中等程度变异。而25～50 cm土层Hg变异程度相对减小，均为中等程度变异。同时，从极差范围来看，0～25 cm土层通州、密云、昌平、大兴、丰台极差范围是其均值含量的2～4倍，其他区域极差接近于均值含量，而25～50 cm极差相对减小，趋于稳定。这充分说明随着土层深度的增加，土壤受外源影响逐渐减少，性质趋于稳定。

表1 土壤重金属Hg含量描述性统计分析

2.2 土壤重金属Hg含量空间分布特征及其潜在风险评价

(1)土壤重金属Hg含量空间分布格局。根据经验贝叶斯克里格插值方法，基于ArcGIS 10.2地统计学功能，对其进行挖掘分析来进一步探究0～25 cm与25～50 cm土层的重金属Hg的空间分布规律(其参数子集大小为100，重叠因子为1，模拟次数300次)。所预测空间分布等值线绘制如图2所示。由图2可知，从空间分布格局来看，0～25 cm重金属Hg的预测范围为0.89～0.016 mg/kg，25～50 cm Hg的预测范围在0.672～0.007 mg/kg之间，所预测的极差范围较广，能够反应出不稳定因素对土壤的干扰。从整体来看，0～25 cm和25～50 cm土壤都是以海淀、丰台等城区为主，土壤中Hg含量明显高于其他地区，以城区周围为中心，Hg含量向外逐渐减小，而0～25 cm的Hg含量等值线明显比25～50 cm的等值线密集，且两个土层在空间分布格局上较为一致，充分说明随着土壤深度的增加，Hg含量逐渐减小。在东北和东南方向上，密云、平谷、顺义、怀柔、大兴、房山等地区Hg含量明显减少，以怀柔地区含量最少，这和表1的分析结果是一致的。人类活动，尤其是化石燃料、燃煤、石油冶炼等排放的气体导致大气中Hg含量增加。交通密集区域，汽车尾气排放等也导致大气污染加重，含Hg的气体通过大气湿沉降和干沉降等进入土壤中，使土壤中Hg大量富集，而这些人类活动主要发生在城区周围。因此，在北京人类活动密集的城区周围，土壤中Hg含量显著高于其他地区。同时，生活污水和工业污水的灌溉也导致土壤中出现重金属富集，存在潜在风险。

图2 0～25 cm与25～50 cm土壤Hg含量的空间分布格局

(2)土壤重金属Hg潜在生态风险评价。根据土壤Hg含量的插值结果，参照前人相关研究的潜在生态风险分级标准[23]，利用ArcGIS 10.2的重分类功能，将Hg的潜在生态风险进行分级，得到整个研究区潜在生态风险评价图如图3所示。由图3可知， 0～25 cm土层中，研究区有39.55%的土壤处于较高及以上水平，7.11%的土壤处于低生态风险，53.34%的土壤处于中等生态风险，说明表层土壤中存在潜在污染风险。25～50 cm土层中有16.31%的土壤处于较高水平，31.98%的土壤处于低生态风险。总体而言，随着土壤深度的增加，Hg的潜在生态风险逐渐降低。在海淀、丰台地区以及城区周围的通州、大兴、房山、昌平等部分区域Hg的毒性响应系数较高(毒性响应系数为40)，存在较高的生态风险。此城区周围应加强污染防控，对农用地安全利用等级进行划分，分区、分类利用与管控。另外，在密云、平谷、顺义等区域，0～25 cm土壤虽处于中等风险水平，也应合理利用土壤资源，以防止污染发生。

图3 0～25 cm与25～50 cm土壤Hg的潜在风险评价成果空间分布图

2.3 土壤重金属Hg含量影响因素分析

(1)不同功能区土壤重金属Hg的分布特征。结合北京平原地区农用地的3种不同功能分区，农业保障区的顺义、房山、大兴、通州区，水源保护区的昌平、怀柔、密云、平谷区，都市生活区的丰台、海淀，对0～25 cm、25～50 cm不同土层的重金属Hg进行比较分析。为定量分析不同功能区下土壤重金属含量差异是否显著，对其进行方差分析，根据方差齐次性检验结果可知，0～25 cm、25～50 cm土层的3组数据均不满足方差齐性(P>0.05)，采用Games-Hewoll(A)法进行两两比较，且组间有差异如图4所示。由图4可看出，3种功能分区下，0～25 cm Hg含量均高于25～50 cm土层，随着土壤深度的增加，重金属含量减少，且都市生活区显著减少，农业保障区和水源保护区略微减少。从整体来看，对于0～50 cm土层，都市生活区Hg含量明显高于农业保障区和水源保护区，都市生活区0～25 cm Hg含量达到0.448 mg/kg，是农业保障区和水源保护区的4倍多，差异显著。

(2)不同种植模式下土壤重金属Hg的分布特征。北京市平原区农用地的主要种植模式为耕地、园地、菜地3种类型，为定量分析不同种植模式下土壤重金属Hg的平均含量差异是否显著，分别对0～25 cm、25～50 cm土层Hg平均含量进行方差分析如图5所示。3种种植模式下，0～25 cm Hg平均含量均高于25～50 cm土层。0～25 cm土层，菜地Hg含量最高，其次为园地、耕地，差异不显著；而25～50 cm土层，园地Hg含量最高，其次为菜地、耕地，差异不显著。

图4 不同功能区重金属Hg含量分布特征 图5 不同种植模式下重金属Hg含量分布特征

(3)不同母质类型下土壤重金属Hg含量的分布特征。母质是土壤形成的物质基础，土壤中重金属含量主要受成土母质及人类活动的影响，成土母质是影响土壤重金属含量的内在因素[24]。结合北京土壤环境背景特点分析了不同母质类型(主要包括冲积物、钙质盐类风化物、红黄土性物质、洪冲积物、黄土物质和其他类型)土壤重金属Hg的含量变化特征，如图6所示。由图6可知，不同母质类型下，0～25 cm土层Hg含量高于25～50 cm土层。无论0～25 cm土层，还是25～50 cm土层，均是由洪水冲积物所形成的土壤Hg的含量最高，为0.18 mg/kg、0.132 mg/kg，是其他母质类型的1～3倍。而黄土物质形成的土壤含量较低，仅有0.053 mg/kg、0.052 mg/kg，且两个土层均值含量相差不大。冲积物、钙质盐类风化物、红黄土性物质所形成的土壤，0～25 cm土壤的Hg含量较为一致，分别为0.144 mg/kg、0.157 mg/kg、0.145 mg/kg，相差不大；25～50 cm土壤中，以钙质盐类风化物含量较低，另两种含量相差较小。

图6 不同母质类型下重金属Hg含量分布特征

3 讨论

土壤重金属Hg污染多被认为受人为因素影响较大。宋泽峰[25]等在研究河北平原土壤中Hg的地球化学分布特征时发现，Hg含量高值区与城镇分布吻合性极好，表现出人类活动对土壤Hg有强烈影响；单平[26]等对燃煤电厂周边不同距离、不同风向下土壤Hg含量的分布特征进行了分析，认为污染程度随燃煤电厂距离的增大而递减；李津津[27]等对中山市不同地理位置土壤进行了污染评价，受人为活动影响最大的中部区域土壤Hg污染程度大于其他区域；冯玲[28]等探讨了乡镇企业发展迅猛的玉树县和人口稀少、以牧业为主的玛多县的土壤Hg含量分布特征，认为土壤Hg含量与城镇发展成熟度和产业结构有关，较高主要集中在人口密集的城镇或交通枢纽周围。根据不同影响因素分析发现，3种功能分区下，0～25 cm Hg含量均高于25～50 cm土层，随着土壤深度的增加，重金属含量减少，且都市生活区显著减少，农业保障区和水源保护区略微减少，说明都市生活区受外界干扰强烈。从整体来看，对于0～50 cm土层，都市生活区Hg含量明显高于农业保障区和水源保护区，说明都市生活区土壤受外源污染严重。工矿业活动、汽车尾气排放、大气沉降等外界环境致使Hg含量显著高于其他地区，使都市生活区Hg处于较高水平，存在一定程度的潜在风险，在后续的土地资源利用过程中应进行合理防控。3种种植模式下，对于0～25 cm土层，菜地土壤Hg含量高于园地、耕地；对于25～50 cm土层，园地高于菜地、耕地。这可能是因为不同种植模式下，耕作方式、培肥方式、灌溉措施、化肥农药等管理措施的不同，使土壤本身理化性质和功能有所差异。农药化肥的施用致使表层土壤Hg富集，园地表层土壤板结，重金属可能向下迁移转化，使25～50 cm土壤Hg含量略高于其他两种种植模式。无论是功能区角度还是种植模式角度，都表明重金属Hg空间分布特征与人为因素有关。

同时，从成土母质的角度做了探究，针对土壤母质时，黄土物质形成的土壤含量Hg较低，表明黄土物质熟化的土壤类型，虽有其他各种外源因素影响，但随着土壤深度的增加，Hg的含量并没有显著的下降趋势，这可能与土壤本身的性质结构相关，以结构性因素为主，其他外界干扰并没有使其发生较大的变化。冲积物、钙质盐类风化物、红黄土性物质所形成的土壤，0～25 cm土壤的Hg含量较为一致，这可能与其本身组成成分及土壤结构有关。25～50 cm土壤中，钙质盐类风化物含量较低，另两种含量相差不大，表明土层加深，重金属发生迁移转化，表层受环境影响强烈，深层土壤受随机因素影响较弱，而受其本身性质结构影响较大。由此可见，母质因素的影响会导致Hg含量的明显差异。土壤中Hg的分布是在复杂的环境下，各种因素共同作用形成的，土壤肥力、耕作方式、耕作制度、土壤酸碱度和母质类型等一系列因素的综合影响致使Hg的分布特征不同。

4 结论

研究区各区县土壤Hg的均值含量0～25 cm土层均高于25～50 cm土层。随着土壤深度的增加，重金属Hg含量减少。海淀、丰台土壤的Hg平均含量最高，怀柔、平谷土壤的Hg含量较低。密云、通州土壤的Hg的变异系数大于1，为强变异程度，其他地区均为中等程度变异。土壤Hg含量空间格局表现为海淀、丰台等城区土壤中Hg含量较高，以城区为中心，Hg含量向外逐渐减小，且0～25 cm的Hg含量等值线明显比25～50 cm的等值线密集，土层在空间分布格局上较为一致。根据潜在生态风险评价结果，整个研究区处于中等生态风险水平，随着土壤深度的增加，Hg的潜在生态风险也逐渐降低。其中，0～25 cm土壤中，有20%的样点都处于较高及以上水平，主要分布在海淀、丰台地区。从空间范围看，在海淀、丰台以及城区周围的通州、大兴、房山、昌平等部分区域都存在较高的生态风险。根据影响因素分析结果，都市生活区土壤Hg含量明显高于农业保障区和水源保护区。不同种植模式下， 0～25 cm土层Hg含量是菜地>园地>耕地，25～50 cm土层是园地>菜地>耕地，无显著差异。研究区域中以成土母质洪水冲积物所形成的土壤Hg含量最高。