北京市大兴区土壤重金属含量的空间分布特征

环　境　科　学　学　报

ACTASCIENTIAECIRCUMSTANTIAE

Vol.24,No.3May,2004

文章编号:025322468(2004)0320463206　　　中图分类号:X53　　　文献标识码:A

北京市大兴区土壤重金属含量的空间分布特征

胡克林,张凤荣,吕贻忠,王　茹,徐　艳　(中国农业大学资源与环境学院,北京　100094)

摘要:在面积为1039km2的北京市大兴区布设了70个取样点,测定了其表层土壤重金属Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、Ni、As、Se、Hg和Co的含量.统计结果表明,除As和Se外,其它重金属平均含量均高于其背景含量.只有个别地方Cd的含量超过了国家二级标准限值,而其余重金属含量均没有超过其二级标准.通过半方差函数分析,发现10种重金属元素在一定范围内均存在空间相关性.采用Kriging最优内插法得到了表层土壤重金属含量的空间分布图,发现土壤重金属含量与土壤质地和有机质含量关系密切.目前大兴区土壤重金属的主要来源是污灌,特别是来自凉水河、新凤河和凤河的污水,应重点对这些河流周围的排污企业进行治理,严格执行达标排放.关键词:土壤;重金属;半方差函数;空间变异

SpatialdistributionofconcentrationsofsoilheavymetalsinDaxingcoun2ty,Beijing

HUKelin,ZHANGFengrong,LΒYizhong,WANGRu,XUYan　(Collegeof

AgriculturalUniversity,Beijing　100094)

Abstract:Seventysurfacesoilsampleswerecollectedfromanareaof1039km2inDaxingcountyofBeijingandanalyzedforconcentrationsofCu,Zn,Pb,Cr,Cd,Ni,As,Se,HgandCo.Theresultsofstatisticalanalysisindicatedthattheconcentrationsofsoilheavymetalsallexceededtheirbackgroundlevels,exceptforAsandSe.OnlyCdconcentrationexceededthecriticalvalueofnationalsoilqualitystandardinsomere2gions.Theresultofsemivarianceanalysisshowedthatthemetalconcentrationswerecorrelatedinagivenspatialrange.Krigingmethodwasappliedtoestimatetheunobservedpointsandtheirdistributionmapswereobtained,whichindicatedthatthesoilheavymetalconcentrationshadacloserelationshipwithsoiltextureandorganicmattercontents.TheaccumulationofsoilheavymetalsinDaxingcountywasmainlyduetoirrigationwithwaterfromLiangshuihe,XinfengheandFengheriversthathavebeencontaminatedwithwastewaterandsewage.Therefore,someeffectivecountermeasuresshouldbeadoptedtocontrolwastewaterdischargefromsomefactoriesalongthoseriversandthedischargeshouldfullymeetthenationalstandards.

Keywords:soil;heavymetal;semivariance;spatialvariability

ResourcesandEnvironmentalSciences,China

城市是人类活动最密集的地区,其土壤环境质量与人类健康息息相关,随着城市化进程及

[1]

工业的迅速发展,城市土壤重金属污染状况已日趋严重.而位于城市周边的郊区,是城乡间的过渡带,近年来大量的城市垃圾和城区工厂的“三废”不断地被转移到其周边环境,给当地土

[2]

壤环境质量带来了许多不良影响,已经越来越受到人们的关注.

已有一些研究者对北京近郊区土壤重金属含量进行了研究,但这些研究大多集中在东南郊和污灌区,其研究的空间尺度较小,研究范围着重于污染源相对比较清楚的某些局部地[4][5,6]区,虽然也有一些较大尺度的研究,但研究对象仅限于少数几种土壤重金属,很少有人对北京市郊区土壤重金属含量及其污染状况做过全面、系统的研究.

地质统计学方法是一种最优的空间插值方法,已被广泛地应用到具有区域化变量特征的

收稿日期:2003205215;修订日期:2003210206

基金项目:国家自然科学基金项目(49871005);国家重点基础研究发展规划项目(G1999011810)资助

),男,副教授(博士),hukel@cau.edu.cn作者简介:胡克林(1971—

[3]

4环　　境　　科　　学　　学　　报

[7,8]

24卷

土壤学、环境科学和生态学等领域.本文以地处北京市南郊的大兴区作为研究对象,应用地

质统计学的方法对其表层土壤10种重金属含量的空间分布特征进行分析,旨在查明该区土壤重金属的主要来源,为该区的土壤环境质量评价和土壤污染综合防治提供科学依据.1　研究区概况和实验方案111　研究区概况

大兴区位于北京市城南,永定河下游东岸,属于华北平原的一部分,总的地势自西北向东南略倾斜,海拔高程在15～45m之间,坡度在018‰～110‰左右;全区成土母质为永定河冲积物,土壤类型为潮土.流经该区的河流主要有永定河、凉水河、新凤河、凤河、大小龙河和天堂河(见图1).但目前除凉水河、新凤河、凤河(均为过境污水河)外,其它河流基本上都干枯无水,目前该区地下水埋深年平均为10m左右.

该区土地总面积1039km,经度116°13′～116°43′

E,纬度39°26′～39°51′N,属暖温带半湿润季风气候,年均温1115℃,年平均降雨量56819mm,雨热同季,但季节分配不均,7612%雨水集中在夏季.既适合于冬小麦等喜凉作物生长,又适于水稻、花生等喜温作物生长,是北京市重要的粮、菜、瓜、果生产基地.112　采样方案

本次取样采用GPS定位,样点布局考虑了土地利用方式和土壤类型,全区共布设了70个样点(图1).每一样点在直径100m范围内选择3～5个0～20cm耕层土样混合,按四分法取分析样品115kg.采样

2

图1　取样点分布图

Fig.1　Samplinglocations

时间为2000年5月底6月初.

113　分析项目与测定方法

土样经风干后过0125mm的尼龙网筛,As和Hg用王水水浴加热消解

[9]

,Se用HNO32HClO42HF熔融,

3者均用原子荧光光谱仪(海光AFS2230)测定;其它重金属用通常所说的”四酸熔样”,即王水再加HClO4、HF熔融,Cd用等离子体质谱仪ICP2MS(美国TJA2CxCell)测定,其余重金属用等离

子体光谱仪(美国TJA2IRIS)测定.2　数据处理

+　　本研究数据处理采用地统计学软件GS(513)进行处理,图形采用ArcViewGIS312软件进行绘制.

3　结果与分析

311　土壤重金属元素的统计特征值

由表1的偏度和峰度系数可知,重金属元素Cu、Pb、As、Se和Co服从正态分布,Zn、Ni和Hg服从对数正态分布,而Cr和Cd既不服从正态分布,也不服从对数正态分布.

[10]

大兴区土壤重金属累积量除As和Se外,其余重金属平均含量均高于该区的背景含量,

3期胡克林等:北京市大兴区土壤重金属含量的空间分布特征

-1

465

尤其是Cu、Zn、Pb平均含量分别达到26108,61118和18181mg・kg,远高于其背景含量8166,

-1

40137和9112mg・kg.说明随着大气降尘、施肥和局部污灌时间的推移,土壤中重金属的累积

[4]

量呈逐渐增加的趋势.As和Se的平均含量均低于其背景含量,这与朱桂珍最近的调查结果

[11]

相同,导致As和Se含量下降的一个原因可能是作物和瓜果蔬菜的吸收,而其来源又很少.

(G10种重金属元素中,只有个别地方Cd的含量超过了国家《土壤环境质量标准》B156182

-1

1995)二级标准限值016mg・kg,而其余土壤重金属含量均没有超过其二级标准.从变异系数来看,大兴区土壤10种重金属元素的变异系数均不大,除Co的变异系数在011以下属于弱变异强度外,其余土壤重金属元素的变异系数范围为0111～0145,均属于中等变异强度.

在置信水平为95%,且精度为均值的10%的情况下,得到了各重金属元素的合理取样数目(见表1).其中合理取样数目最多的是Hg,需80个,其次是Cd、Se和Cu,分别需60、43和40个,其余重金属元素的合理取样数目均在20个以下,说明在大兴区取70个样点基本上能代表该区土壤重金属元素的含量分布状况.

表1　大兴区土壤重金属元素统计特征值Table1　ThestatisticalfeatureofconcentrationsofsoilheavymetalsinDaxingcounty

项目

CuZnPbCrCdNiAsSeHgCo

分布类型

NlgNN

1)

偏度

系数

-012401710165-115811670116-0112013601200109

最小值最大值峰度

-1

系数Π(mg・(mg・kg)Πkg-1)3132517045160

31318841651115521292157313421252150

4618014130291500101318120413101026010319160

96180251508414001767291901115401187011981318

均值±标准差

(mg・Πkg)

26108±8.35

-1

背景值

(mg・Πkg81601379112511920114191008139011801057146

-1

二级标值

)Π(mg・kg1003003502500166025

-1

)

变异

系数

0132011401110120014201120121013301450108

取样数目Π个

4085156961843803

61118±8.7318181±2.0367177±13.250124±0.1024101±2.917168±1.0110±0.0301079±0.03611161±0.95

偏态偏态

lgNNNlgNN

—

110

—

1):N为正态分布;lgN为对数正态分布(偏度和峰度系数为对数转换后的值).

312　土壤重金属的结构分析

有关半方差函数模型类型的选取及模型参数的交互验证可参考有关文献,结果如表

2所示.除Ni的拟合度只有0134外,其余重金属半方差函数模型的拟合度均在0165以上,说明半方差函数模型的选取基本符合要求.

从表2可以看出,大兴区土壤10种重金属元素的变程大小顺序为:Se>As>Hg>Pb>Cd>Zn>Cr>Cu>Co>Ni.其中Se和As的变程最大,分别为113169和63165km,说明Se和As的

[12,13]

含量在整个研究区内均有相关关系,反映了区域因素(土壤母质)对Se和As的含量影响较大,而植物吸收、施肥、灌水等小尺度因素对它们的影响较小.其次,变程较大的是重金属Pb和Hg,分别为32111和39194km,说明两者含量除了与土壤母质有关外,大气沉降也是其主要来源之一(大兴区位于北京城南,处于下风口),另外还受到一定程度的局部污水灌溉和化肥施用等随机因素的影响.其余土壤重金属的变程范围为4～618km,说明它们受到污灌、施肥等随机因素的影响较大,导致了它们在一个较小的距离范围内存在相关关系.

466环　　境　　科　　学　　学　　报

表2　大兴区土壤重金属的半方差函数模型

Table2　Thesemi2variogramtypesofsoilheavymetalsinDaxingcounty

24卷

重金属

CuZnPbCrCdNiAsSeHgCo

模型类型球型　

球型　高斯型球型　指数型球型　球型　高斯型高斯型球型　C0C1

(C0+C1)C0Π

01195012130125501427010010144001461010500133401351

变程/km

511761793211151826181319963165113169391944126

拟合度

0180301867019940170176901340018440196001947014

13170　　3196×10-31166751900101×317611900147×10-3

01110136-2

56143　　01014184102100010124187212301×10-201210166

注:C0为块金值,C0+C1为基台值　　表2中块金值C0与基台值C0+C1之比是反映区域化变量空间异质性程度的重要指

[14]

标,该比值反映了在空间变异的成分中区域因素(自然因素)和非区域因素(人为因素)谁占主导作用.从表2可看出,10种重金属元素的该比值均小于015,反映大兴区土壤重金属元素

在所研究的尺度上具有较强的空间自相关格局,目前虽然受到一些施肥、污灌等小尺度因素的影响,但还没有达到破坏其原有空间格局的程度.313　土壤重金属元素的空间分布特征

图2　大兴区表层土壤质地、有机质和重金属含量空间分布图

Fig.2　Thedistributionofthesurfacesoiltexture,organicmatterandheavymetalscontentinDaxingcounty

3期胡克林等:北京市大兴区土壤重金属含量的空间分布特征

467

从图2可以看出,大兴区表层土壤所有重金属元素含量低的地方均集中在两个区域,一个是沿永定河东岸的区域,另一个是位于大兴区中部包括天堂河农场、半壁店森林公园和庞各庄镇之间的部分地区,这几乎与质地最粗的细砂土的分布规律基本一致,由于细砂土的有机质含量很低,故对重金属的累积量很少;另一方面,这两个区域的灌溉水基本上都是来源于没有受到污染的永定河或念坛水库的水.所以这两个区域所有重金属元素含量均很低;其中部含量最低的另一个原因是该地为休闲地,农业利用率极低.

土壤Se的含量分布大致表现为从北向南逐渐递减的趋势,这与土壤质地由重到轻和有机质含量由高到低的分布规律基本一致,反映了土壤Se的含量在很大程度上取决于成土母质的[15]

组成和性质(特别是粘粒和有机质含量),这与已有的研究结果是一致的,虽然施肥、灌水、施用杀虫剂等人类活动也会增加土壤硒的含量,但由于它们来源不多,故影响较小.

土壤Pb,Hg,Zn的含量分布规律比较相似,表现为从东北向西南方向逐渐递减的趋势.其最高含量区主要位于亦庄、红星和鹿圈这3个乡镇,该区污灌历史比较长,灌溉水主要来源于

[4]

受污染最严重的过境污水河———凉水河,而且该区的土壤质地相对较重(中壤或轻壤),有机

-1质含量(>20g・kg)也比其它地方都高,故对重金属Pb,Hg,Zn的富集能力最强,导致了该区

的污染最为严重.另外,这些地区还是大兴区北边与城区相邻的地方,该区基本上已城市化,工业密集的“北京经济技术开发区”就位于该区,工厂排放了大量的污水,这也是导致其Pb,Hg,Zn含量高的另一个原因.其次,污染程度处于第二位的地区主要分布于新凤河和凤河的两岸,

由于新凤河是大兴城区的主要排污河道,接纳了大量的生活废水和工业污水,水质极差①,其支流凤河的水质也较差,这些地区的土壤质地主要为仅次于中壤的轻壤,有机质含量也相对较

-1

高(12～20g・kg),对重金属的累积能力也较强.

土壤Ni含量的空间分布表现为东部明显高于西部,其含量高的区域主要也分布在于新凤河和凤河两岸的部分地方,也是由于农民引用新凤河和凤河的污水进行灌溉所致.

土壤Cu,Cr,Co的含量分布也比较相似,含量高的区域主要有3个:分别在位于大兴区中部靠近半壁店森林公园东边的区域,大兴区最东边与通州区相接的大皮营乡和凤河营乡部分地区和最南边与河北省相接的南各庄地区.中部含量高的原因在于从城区引出的另一条排污河道———大龙河经过该地区,另外附近的垡上电镀厂大量富含Cu,Cr,Co的污水被排放到引污灌渠(旱河)中,又被当地农民引污灌溉所致.最东边区域是过境污水河———凤河通过的地方;最南边则是天堂河通过的地方,虽然天堂河基本干枯无水,由于庞各庄和南各庄电镀厂大量富含Cu,Cr,Co(特别是Cr)的污水都排放到该河中,而在南各庄的部分河段,农民引用该河水进行灌溉,故导致了该区土壤重金属Cu,Cr,Co的含量都很高.

土壤As含量分布的总趋势是从西北向东南方向逐渐递增,这与大兴区从西北向东南方向逐渐递减的地势分布刚好相反,可能与As随水迁移有一定的关系.其含量高的地方主要位于大辛庄和礼贤镇之间的部分地区,明显高于其背景含量,这是由于年排放污水16万t(其中含As19104kg)的大兴氮肥厂是小龙河污水的主要来源,该区主要以小龙河污水作为灌溉水源.

土壤Cd含量高的地方主要集中在南部与河北省相邻的礼贤镇的部分地区,土壤Cd含量>016mg・kg的样点就在该区,其主要原因在于年排放污水1104万t的天堂河电镀喷漆厂位

①大兴县水利局.大兴县水资源调查评价与开发利用保护规划.1999:7—48

-1

468环　　境　　科　　学　　学　　报24卷

于小龙河的中部,其富含Cd的污水被排放到该河中,另外年排放污水1128万t的礼贤电镀厂

就位于该区,其富含Cd的污水也被排放到附近河道中,农民引污灌溉所致.4　结论

　　1.大兴区表层土壤10种重金属含量的统计结果表明,Cu,Pb,As,Se和Co服从正态分布,Zn,Ni和Hg服从对数正态分布,而Cr和Cd属于偏态分布.除As和Se外,其它重金属平均含量均高于其背景值含量,尤其是Cu,Zn,Pb平均含量远高于其背景值.只有个别地方Cd的含量超过了国家《土壤环境质量标准》的二级标准限值,而其余重金属含量均没有超过其二级标准.除Co属于弱变异强度外,其它重金属元素均属于中等变异强度.

2.结构分析表明,10种重金属元素在一定范围内均存在空间相关性,其中Se和As的变程

最大,分别为113169km和63165km,两者含量主要与土壤母质密切相关.其次,变程较大的是重金属Pb和Hg,分别为32111和39194km,说明Pb和Hg含量除了与土壤母质有关外,大气沉降也是其主要来源之一,另外还受到一定程度的局部污灌和施肥等随机因素的影响.其余重金属元素的相关距离范围为4～618km,说明它们受到污灌、施肥等随机因素的影响最大.

3.采用Kriging最优内插法得到了大兴区表层土壤重金属含量的空间分布图,发现土壤重

金属含量与土壤质地和有机质含量密切相关,目前大兴区土壤重金属的主要来源是污灌,特别是来自凉水河、新凤河和凤河的污水,因此应重点对这些河流周围的排污企业进行治理,严格执行达标排放.

参考文献:

[1]　MantaaDS,BellancaMAA,NeriaR,etal.Heavymetalsinurbansoils:AcasestudyfromthecityofPalermo(Sicily),Italy

[J].TheScienceoftheTotalEnvironment,2002,300:229—243

[2]　马往校,段　敏,李　岚.西安市郊区蔬菜中重金属污染分析与评价[J].农业环境保护,2000,19(2):96—98[3]　王学军,邓宝山,张泽浦.北京东郊污灌区表层土壤微量元素的小尺度空间结构特征[J].环境科学学报,1997,17:

412—416

[4]　朱桂珍.北京市东南郊污灌区土壤重金属污染现状及防治对策[J].农业环境保护,2001,20(3):1—166

[5]　郑袁明,陈　煌,陈同斌,等.北京市土壤中Cr,Ni含量的空间结构与分布特征[J].第四纪研究,2003,23(4):436—445[6]　郑袁明,陈同斌,陈　煌,等.北京市近郊区土壤镍的空间结构及分布特征[J].地理学报,2003,58(3):470—476[7]　GoovaertsP.Geostatisticsinsoilscience:state2of2the2artandperspectives[J].Geoderma,1999,:1—45[8]　王政权.地质统计学及在生态学中的应用[M].北京:科学出版社,1999:31—72

[9]　地质矿产部科学技术司实验管理处编.中华人民共和国地质矿产部部颁规程DZG93,岩石和矿石分析规程[M].西

安:陕西科学技术出版社,1993:108—109

[10]　李　建,郑春江,等.环境背景值数据手册[M].北京:中国环境科学出版社,19:73—74[11]　陈怀满,等.土壤2植物系统中的重金属污染[M].北京:科学出版社,1996[12]　侯景儒,尹镇南,李维明,等.实用地质统计学[M].北京:地质出版社,1998:31—72

[13]　胡克林,李保国,林启美,等.农田土壤养分的空间变异性特征[J].农业工程学报,1999,15(3):33—38

[14]　RobertsonGP,etal.Soilresources,microbialactivity,andprimaryproductionacrossanagriculturalecosystem[J].EcologicalAp2

plications,1997,7:158—170

[15]　邓　勃,秦建侯,李廷芳.影响北京地区土壤元素背景值的因素分析[J].环境科学学报,1986,6(4):446—453