北京市朝阳区(五环内)绿地土壤重金属分布特征及其影响因素

2019-05-22李素艳孙向阳杨少斌

水土保持研究 2019年3期

李婧, 李素艳, 孙向阳, 呼诺, 杨少斌, 林茂, 傅振, 崔萌

(北京林业大学林学院, 北京 100083)

随着城市化进程的的发展以及城镇人口数量的增加，人类赖以生存的土壤重金属污染日益严重，成为亟待解决的生态问题。城市人口众多，交通发达，生产活动丰富，致使城市绿地土壤重金属污染尤其严重[1-3]。重金属污染作为土壤环境质量因子之一，具有潜在危险性，很难清除，不仅会影响土壤的质量和植物的生长发育，还会危害人类健康。许多研究发现，土壤重金属的含量及分布特征与土壤理化性质、交通运输、人类生产生活等多方面息息相关[4-5]，相比于农业土壤，城市土壤重金属污染可通过扬尘直接对人体产生危害[6]。因此，城市绿地土壤重金属污染受到了世界各国的密切关注[7-10]。国外对城市绿地土壤重金属的研究报道开始较早：Mattia Biasioli等人对意大利都灵(Torino)公园绿地土壤重金属(Cu，Zn，Cd，Pb等)进行了研究，Davies等和Kelly等人研究了英国主要城市绿地土壤重金属的含量及其土壤性质的关系[11-15]。而国内近些年来逐渐开展城市土壤重金属(Cu，Zn，Cd，Pb)的含量分布特征及其影响因素的研究，但主要集中在东北、华南和西南地区的部分城市[16-20]，对于华北地区的北京市土壤重金属(Cu，Zn，Cd，Pb)的研究报道仍比较少，以往研究[21-22]表明土壤pH值和有机质是控制土壤重金属化学行为的重要因素，因此，本文在调查北京市朝阳区(五环内)土壤pH值、有机质含量及4种重金属(Cu，Zn，Cd，Pb)含量的基础上，通过研究北京市朝阳区(五环内)土壤重金属的分布特征及影响因素，为北京市土壤重金属污染防治提供一定的理论依据。

1 研究区概况

朝阳区是北京市城近郊区面积最大的一个区，位于北京市主城区的东部，介于北纬39°48′—40°09′，东经116°21′—116°42′，属于暖温带半湿润季风型大陆性气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥；地貌类型复杂多样，地势从西北向东南缓缓倾斜，土壤质地大多为砂壤土、壤土，pH值在7.73～8.58，呈弱碱性，区域轮廓呈南北略长、东西稍窄的多边形；人口众多、增长快、交通发达，结构复杂。

2 材料与方法

2.1 样品采集与预处理

土壤采样按照分块随机的方法进行布点采样，系统随机采集具有代表性的表层(0—20 cm)土壤样品共39个，包括对朝阳区(五环内)的附属绿地样品7个，街旁绿地样品14个，公园绿地样品10个，居住绿地样品8个。样点布设考虑北京市朝阳区(五环内)土壤利用类型(图1)。采集的样品要剔除石子，树叶，植物根系等杂质后带回实验室，在常温下风干后，用研钵进行研磨，装入密封袋中待测。

图1 北京市朝阳区(五环内)绿地土壤各采样点位置分布

2.2 样品测定方法

土壤pH值采用水浸提电位法，土壤有机质采用重铬酸钾—稀释热法，土壤重金属(Cu，Zn，Cd和Pb)采用电感耦合等离子质谱法，具体方法参照《土壤农业化学分析方法》。

2.3 数据处理

试验数据采用SPSS 17.0统计软件做相关性分析；数据统计和重金属空间分布图采用Microsoft Excel 2013和ArcGIS 10.1。

3 结果与分析

3.1 北京市朝阳区(五环内)土壤重金属的统计特征

从表1中可以看出:Cu含量的平均值达到29.36 mg/kg，超过了中国土壤背景值，最大值达到67 mg/kg，超过了国家土壤环境质量一级标准，另外，在4种土壤利用类型中，Cu在附属绿地中的含量要高于其他绿地类型，平均值达到33.57 mg/kg，超过中国土壤背景值，说明土壤已经受到了重金属Cu的污染。从表2中可以看出：Cu的变异系数为27.13%。林俊杰等[23]认为变异系数<10%为弱变异，10%～30%为中等变异，>30%为高度变异。由此分类法可以看出，Cu为中等变异，在4种土壤利用类型上,Cu在附属绿地上的变异程度最大。土壤重金属所有样点含量情况如图2所示，所有样点的Cu含量均大于北京市土壤背景值，其中仅有7.69%的样品介于北京市土壤背景值和中国土壤背景值之间，有79.48%的样品介于中国土壤背景值和土壤环境质量1级标准之间，大于土壤环境质量1级标准的土壤样品有12.82%，说明重金属Cu有一定的污染；从不同土地利用类型上来看，Cu在附属绿地上的浓度相对较高，其次是居住绿地，居住绿地中有两个样品超过了土壤环境质量1级标准,街旁绿地和公园绿地土壤中的Cu的浓度相对较低，街旁绿地土壤中有一个样品超过了1级标准，但是有3个样品介于北京市土壤背景值和中国土壤背景值之间，所有样点的Cu含量在公园绿地中全部介于中国土壤北京值和土壤环境质量1级标准之间。

重金属Zn含量的平均值为74.05 mg/kg，超过了中国土壤背景值，最大值达到141 mg/kg，超过了国家土壤环境质量一级标准，在4种土壤利用类型中，Zn在居住绿地中的含量要高于其他绿地类型，平均值达到80.63 mg/kg，超过了中国土壤背景值(表1)。Zn的变异系数达到25.75%，按照上述分类方法可以看出，重金属Zn为中等变异，在4种土壤利用类型上，Zn在附属绿地上的变异程度最大(表2)。图2可以看出：69.23%的样品中Zn的含量介于北京市土壤背景值和中国土壤背景值之间，17.95%的样品中Zn含量介于中国土壤背景值和土壤环境质量1级标准之间，整体与Cu的含量相比，相对较低一些；从不同土地利用类型上来看，Zn在居住绿地的浓度较高一些，其次是附属绿地，街旁绿地和公园绿地。

重金属Cd含量的平均值为0.26 mg/kg，已超过国家土壤环境质量一级标准，最大值达到0.7 mg/kg，说明重金属Cd污染较严重，在4种土壤利用类型中，Cd在街旁绿地中的含量要高于其他绿地类型，平均值达到0.29 mg/kg(表1)，说明重金属Cd可能受汽车尾气的原因使得含量较高。Cd的变异系数为35.12%，按照上述林俊杰的分类方法，Cd为高度变异，在4种土壤利用类型上，Cd在街旁绿地上的变异程度最大(表2)。根据图2表示：所有样品土壤中Cd的含量均大于土壤环境质量1级标准，说明朝阳区(五坏内)绿地土壤的Cd的污染最为严重；不同土地利用类型上来说，街旁绿地土壤中的Cd含量相对较高一些，其次分别为居住绿地，附属绿地和公园绿地。

重金属Pb含量的平均值为22.41 mg/kg，是4种重金属中唯一一种低于北京市土壤背景值的重金属，最大值为51 mg/kg，超过国家土壤环境质量一级标准，在4种土壤利用类型中，Pb在公园绿地土壤中的含量要比高于其他绿地类型，平均值达到24.70 mg/kg(表1)，甚至还要高于街旁绿地土壤，这与交通污染会导致靠近公路沿线重金属Pb含量较高的研究[24-26]并不相符，这主要是因为我们国家在20世纪末就开始使用无铅汽油，而北京市朝阳区(五环内)的交通主干道在国家使用无铅汽油后才逐渐建成，因此，街旁绿地的含铅量并没有成为最高，这也说明国家使用无铅汽油确实能很大程度上降低靠近公路土壤Pb的含量。Pb的变异系数为28.48%，按照上述林俊杰分类方法，Pb为中等变异，在公园绿地土壤变异程度较大(表2)。图2可以看出：绝大多数土壤样品中的Pb含量低于中国土壤背景值，其中74.36%的土壤样品中的Pb含量低于北京市土壤背景值，整体状况良好，只需控制好重金属源头即可；不同绿地类型的Pb含量的变化差异并不是很大。

表1 北京市朝阳区(五环内)不同类型绿地土壤重金属含量 mg/kg

注：表中括号内位极小值到极大值。

3.2 北京市朝阳区(五环内)土壤重金属空间分布特征

利用ArcMap 10.1软件，通过普通克里金方法，对北京市朝阳区(五环内)绿地土壤重金属含量进行插值，得到土壤重金属的空间分布图(图3)。从图3中可以看出：重金属Cu在朝阳区(五环内)中北部和中西部含量相对较高，整体大体呈现出由西北向东南递减的趋势；Zn的空间分布格局与Cu的分布格局类似，但整体含量较Cu略低一些，说明自然或人为活动可能对重金属Zn和Cu产生相同的影响；Cd的高值区主要分布在朝阳区(五环内)的中部地区，该地区主要街旁绿地较多，说明交通可能对Cd的分布产生了一定的影响，整体分布北部含量略高于南部地区；Pb的分布格局大体呈现由西南向东北逐渐递减的趋势，东北地区逐渐靠近五环外，居住人群相对较少一些，说明人类活动可能对Pb的分布产生一定的影响。

表2 北京市朝阳区(五环内)不同类型绿地

图2 北京市朝阳区(五环内)不同类型绿地土壤重金属含量

3.3 北京市朝阳区(五环内)土壤重金属含量的影响因素

3.3.1 土壤pH值对重金属含量分布的影响土壤pH值是影响土壤重金属形态的重要因素之一，进而影响重金属在土壤中的累积含量，从而产生严重的土壤污染风险。

从图4看出北京市朝阳区五环内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的弱碱性土壤占48.72%，而pH值在8.00～8.50的碱性土壤仅占1.82%。而pH值<7.00的酸性土壤仅占5.13%。说明该研究区域大多为微碱性土壤。

图5将39个样点归类成附属绿地、街旁绿地、公园绿地、居住绿地等4种土壤利用类型，取平均值进行比较研究，发现不同土壤利用类型的土壤pH值会有一定的差异。从图中可以看出，所有土壤利用类型的土壤pH值平均值均低于8.0，其中分布在公园绿地的土壤pH值明显要低于其他3种土壤利用类型，平均值为7.17，而居住绿地、街旁绿地和附属绿地的土壤pH值没有明显的差异性。

土壤pH值作为土壤重金属元素的影响因素之一，主要是通过影响重金属在土壤中的溶解度来影响重金属的化学行为。重金属Cu，Zn，Cd和Pb在中性、碱性条件下，会形成氢氧化物沉淀或磷酸盐、碳酸盐形式，溶解度很小，在酸性条件下，其溶解度增大，毒性增强。对土壤pH值和土壤重金属用Spearman法做相关性分析(表3)，结果表明：土壤pH值与土壤重金属之间没有明显的相关性。这可能是因为土壤成土母质以及其他成土条件相似，pH值的变化程度较小，难以导致土壤元素的迁移和累积。

3.3.2 土壤有机质对重金属含量分布的影响土壤有机质中的腐殖质物质含有多种功能基，这些功能基对土壤重金属离子有较强的络合能力和富集能力，因此土壤有机质对土壤重金属的迁移和固定有极其重要的影响，合理有效的控制土壤有机质的含量能有效地减缓或降低重金属污染，如图6所示：公园绿地土壤有机质含量明显比其他绿地类型的有机质含量要高，达到21.37 g/kg。这可能是因为表层土壤受枯叶落叶自然回归的影响，表层土壤有机质有了一定的积累，而公园绿地中含有灌木、乔木等较多，枯枝落叶自然回归对有机质积累的影响相比于其他绿地类型要略大一些。而居住绿地、街旁绿地和附属绿地的土壤有机质含量没有明显的差异性。

图3 北京市朝阳区(五环内)绿地土壤Cu，Zn，Cd和Pb重金属含量空间分布

图4 北京市朝阳区(五环内)绿地土壤pH值分布

对土壤有机质和重金属之间的相关性有着许多的报道，本研究有机质与重金属的相关系数如上述表3所示，有机质含量与重金属Cu无明显相关性，与重金属Zn和Cd显著正相关，这与柴世伟的研究[27]相一致，有机质与重金属Pb则极显著正相关。有机质与重金属离子形成络合物，导致重金属离子活性降低，从而致使重金属产生累积，造成污染。