北京市大興區(qū)土壤重金屬含量的空間分布特征

1、第24卷第3期2004年5月環(huán)境科學學報ACTASCIENTIAECIRCUMSTANTIAEVol.24,No.3May,2004文章編號:025322468(2004)0320463206中圖分類號:X53文獻標識碼:A北京市大興區(qū)土壤重金屬含量的空間分布特征胡克林,張鳳榮,呂貽忠,王茹,徐艷(中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院,北京100094)摘要:在面積為1039km2的北京市大興區(qū)布設(shè)了70個取樣點,ZnNi、As、Se、Hg和Co的含量.統(tǒng)計結(jié)果表明,除As和Se外,.準限值,而其余重金屬含量均沒有超過其二級標準.,相關(guān)性.采用riging發(fā)現(xiàn)土壤重金屬含量與土壤質(zhì)地和有機質(zhì)含量關(guān)系密切

2、.,新鳳河和鳳河的污水,應重點對這些河流周圍的.關(guān)鍵詞:土壤;空間變異SpatialdistributionofconcentrationsofsoilheavymetalsinDaxingcoun2ty,BeijingHUKelin,ZHANGFengrong,LYizhong,WANGRu,XUYan(CollegeofAgriculturalUniversity,Beijing100094)Abstract:Seventysurfacesoilsampleswerecollectedfromanareaof1039km2inDaxingcountyofBeijingandanalyzed

3、forconcentrationsofCu,Zn,Pb,Cr,Cd,Ni,As,Se,HgandCo.Theresultsofstatisticalanalysisindicatedthattheconcentrationsofsoilheavymetalsallexceededtheirbackgroundlevels,exceptforAsandSe.OnlyCdconcentrationexceededthecriticalvalueofnationalsoilqualitystandardinsomere2gions.Theresultofsemivarianceanalysissho

4、wedthatthemetalconcentrationswerecorrelatedinagivenspatialrange.Krigingmethodwasappliedtoestimatetheunobservedpointsandtheirdistributionmapswereobtained,whichindicatedthatthesoilheavymetalconcentrationshadacloserelationshipwithsoiltextureandorganicmattercontents.TheaccumulationofsoilheavymetalsinDax

5、ingcountywasmainlyduetoirrigationwithwaterfromLiangshuihe,XinfengheandFengheriversthathavebeencontaminatedwithwastewaterandsewage.Therefore,someeffectivecountermeasuresshouldbeadoptedtocontrolwastewaterdischargefromsomefactoriesalongthoseriversandthedischargeshouldfullymeetthenationalstandards.Keywo

6、rds:soil;heavymetal;semivariance;spatialvariabilityResourcesandEnvironmentalSciences,China城市是人類活動最密集的地區(qū),其土壤環(huán)境質(zhì)量與人類健康息息相關(guān),隨著城市化進程及1工業(yè)的迅速發(fā)展,城市土壤重金屬污染狀況已日趨嚴重.而位于城市周邊的郊區(qū),是城鄉(xiāng)間的過渡帶,近年來大量的城市垃圾和城區(qū)工廠的“三廢”不斷地被轉(zhuǎn)移到其周邊環(huán)境,給當?shù)赝?壤環(huán)境質(zhì)量帶來了許多不良影響,已經(jīng)越來越受到人們的關(guān)注.已有一些研究者對北京近郊區(qū)土壤重金屬含量進行了研究,但這些研究大多集中在東南郊和污灌區(qū),其研究的空間尺度較小,研究范圍

7、著重于污染源相對比較清楚的某些局部地45,6區(qū),雖然也有一些較大尺度的研究,但研究對象僅限于少數(shù)幾種土壤重金屬,很少有人對北京市郊區(qū)土壤重金屬含量及其污染狀況做過全面、系統(tǒng)的研究.地質(zhì)統(tǒng)計學方法是一種最優(yōu)的空間插值方法,已被廣泛地應用到具有區(qū)域化變量特征的收稿日期:2003205215;修訂日期:2003210206基金項目:國家自然科學基金項目(49871005);國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目(G1999011810)資助),男,副教授(博士),hukel作者簡介:胡克林(19713464環(huán)境科學學報7,824卷土壤學、環(huán)境科學和生態(tài)學等領(lǐng)域.本文以地處北京市南郊的大興區(qū)作為研究對象,應用地

8、質(zhì)統(tǒng)計學的方法對其表層土壤10種重金屬含量的空間分布特征進行分析,旨在查明該區(qū)土壤重金屬的主要來源,為該區(qū)的土壤環(huán)境質(zhì)量評價和土壤污染綜合防治提供科學依據(jù).1研究區(qū)概況和實驗方案111研究區(qū)概況大興區(qū)位于北京市城南,永定河下游東岸,南略傾斜,海拔高程在1545m之間,坡度在00;物,土壤類型為潮土.、鳳河、大小龍河和天堂河(見圖1).、)外,其它河流基本上都干枯無水,.該區(qū)土地總面積1039km,經(jīng)度116°13116°43E,緯度39°2639°51N,屬暖溫帶半濕潤季風氣候,年均溫1115,年平均降雨量56819mm,雨熱同季,但季節(jié)分配不均,761

9、2%雨水集中在夏季.既適合于冬小麥等喜涼作物生長,又適于水稻、花生等喜溫作物生長,是北京市重要的糧、菜、瓜、果生產(chǎn)基地.112采樣方案本次取樣采用GPS定位,樣點布局考慮了土地利用方式和土壤類型,全區(qū)共布設(shè)了70個樣點(圖1).每一樣點在直徑100m范圍內(nèi)選擇35個020cm耕層土樣混合,按四分法取分析樣品115kg.采樣2圖1取樣點分布圖Fig.1Samplinglocations時間為2000年5月底6月初.113分析項目與測定方法土樣經(jīng)風干后過0125mm的尼龍網(wǎng)篩,As和Hg用王水水浴加熱消解9,Se用HNO32HClO42HF熔融,3者均用原子熒光光譜儀(海光AFS2230)測定;其

10、它重金屬用通常所說的”四酸熔樣”,即王水再加HClO4、HF熔融,Cd用等離子體質(zhì)譜儀ICP2MS(美國TJA2CxCell)測定,其余重金屬用等離子體光譜儀(美國TJA2IRIS)測定.2數(shù)據(jù)處理+本研究數(shù)據(jù)處理采用地統(tǒng)計學軟件GS(513)進行處理,圖形采用ArcViewGIS312軟件進行繪制.3結(jié)果與分析311土壤重金屬元素的統(tǒng)計特征值由表1的偏度和峰度系數(shù)可知,重金屬元素Cu、Pb、As、Se和Co服從正態(tài)分布,Zn、Ni和Hg服從對數(shù)正態(tài)分布,而Cr和Cd既不服從正態(tài)分布,也不服從對數(shù)正態(tài)分布.10大興區(qū)土壤重金屬累積量除As和Se外,其余重金屬平均含量均高于該區(qū)的背景含量,3期胡

11、克林等:北京市大興區(qū)土壤重金屬含量的空間分布特征-1465尤其是Cu、Zn、Pb平均含量分別達到26108,61118和18181mgkg,遠高于其背景含量8166,-140137和9112mgkg.說明隨著大氣降塵、施肥和局部污灌時間的推移,土壤中重金屬的累積4量呈逐漸增加的趨勢.As和Se的平均含量均低于其背景含量,這與朱桂珍最近的調(diào)查結(jié)果11相同,導致As和Se含量下降的一個原因可能是作物和瓜果蔬菜的吸收,而其來源又很少.(G10種重金屬元素中,只有個別地方Cd的含量超過了國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準B156182-11995)二級標準限值016mgkg,.從變異系數(shù)來看,大興區(qū)土壤10,的變異

12、系數(shù)在011以下屬于弱變異強度外,0145,均屬于中等變異強度.在置信水平為95%,得到了各重金屬元素的合理取樣數(shù)目(見表1).Hg,需80個,其次是Cd、Se和Cu,分別需60、43和40個,20個以下,說明在大興區(qū)取70個樣點基本上能代表該區(qū)土壤重金屬元素的含量分布狀況.表1Table1ThestatisticalfeatureofconcentrationsofsoilheavymetalsinDaxingcounty項目CuZnPbCrCdNiAsSeHgCo分布類型NlgNN1)偏度系數(shù)-012401710165-115811670116-0112013601200109最小值最大值

13、峰度-1系數(shù))-1)31325170451603189318841651115521292157313421252150461801413029150010131812041310102601031916096180251508414001767291901115401187011981318均值±標準差)26108±8.35-1背景值8166401379112511920114191008139011801057146-1二級標值)1003003502500166025-1)變異系數(shù)0132011401110120014201120121013301450108取樣數(shù)目個

14、408515696184380361118±8.7318181±2.0367177±13.250124±0.1024101±2.917168±1.640110±0.0301079±0.03611161±0.95偏態(tài)偏態(tài)lgNNNlgNN1101):N為正態(tài)分布;lgN為對數(shù)正態(tài)分布(偏度和峰度系數(shù)為對數(shù)轉(zhuǎn)換后的值).312土壤重金屬的結(jié)構(gòu)分析有關(guān)半方差函數(shù)模型類型的選取及模型參數(shù)的交互驗證可參考有關(guān)文獻,結(jié)果如表2所示.除Ni的擬合度只有0134外,其余重金屬半方差函數(shù)模型的擬合度均在0165以上,說明半

15、方差函數(shù)模型的選取基本符合要求.從表2可以看出,大興區(qū)土壤10種重金屬元素的變程大小順序為:Se>As>Hg>Pb>Cd>Zn>Cr>Cu>Co>Ni.其中Se和As的變程最大,分別為113169和63165km,說明Se和As的12,13含量在整個研究區(qū)內(nèi)均有相關(guān)關(guān)系,反映了區(qū)域因素(土壤母質(zhì))對Se和As的含量影響較大,而植物吸收、施肥、灌水等小尺度因素對它們的影響較小.其次,變程較大的是重金屬Pb和Hg,分別為32111和39194km,說明兩者含量除了與土壤母質(zhì)有關(guān)外,大氣沉降也是其主要來源之一(大興區(qū)位于北京城南,處于下風口),另

16、外還受到一定程度的局部污水灌溉和化肥施用等隨機因素的影響.其余土壤重金屬的變程范圍為4618km,說明它們受到污灌、施肥等隨機因素的影響較大,導致了它們在一個較小的距離范圍內(nèi)存在相關(guān)關(guān)系.466環(huán)境科學學報表2大興區(qū)土壤重金屬的半方差函數(shù)模型Table2Thesemi2variogramtypesofsoilheavymetalsinDaxingcounty24卷重金屬CuZnPbCrCdNiAsSeHgCo模型類型球型球型高斯型球型指數(shù)型球型球型高斯型高斯型C0C1(C0+C1)C001195012130125501427001440010133401351變程/km511761793211

17、1582165113169391944126擬合度01803018670199401647017690134001844019600194701894131703196×10-31166751900101×317611900147×10-30-2561430101418410210001012418721230101066注:C0,01表2C0與基臺值C0+1之比是反映區(qū)域化變量空間異質(zhì)性程度的重要指14標,該比值反映了在空間變異的成分中區(qū)域因素(自然因素)和非區(qū)域因素(人為因素)誰占主導作用.從表2可看出,10種重金屬元素的該比值均小于015,反映大興區(qū)土壤重金

18、屬元素在所研究的尺度上具有較強的空間自相關(guān)格局,目前雖然受到一些施肥、污灌等小尺度因素的影響,但還沒有達到破壞其原有空間格局的程度.313土壤重金屬元素的空間分布特征圖2大興區(qū)表層土壤質(zhì)地、有機質(zhì)和重金屬含量空間分布圖Fig.2Thedistributionofthesurfacesoiltexture,organicmatterandheavymetalscontentinDaxingcounty3期胡克林等:北京市大興區(qū)土壤重金屬含量的空間分布特征467從圖2可以看出,大興區(qū)表層土壤所有重金屬元素含量低的地方均集中在兩個區(qū)域,一個是沿永定河東岸的區(qū)域,另一個是位于大興區(qū)中部包括天堂河農(nóng)場、

19、半壁店森林公園和龐各莊鎮(zhèn)之間的部分地區(qū),這幾乎與質(zhì)地最粗的細砂土的分布規(guī)律基本一致,由于細砂土的有機質(zhì)含量很低,故對重金屬的累積量很少;另一方面,這兩個區(qū)域的灌溉水基本上都是來源于沒有受到污染的永定河或念壇水庫的水.所以這兩個區(qū)域所有重金屬元素含量均很低;其中部含量最低的另一個原因是該地為休閑地,農(nóng)業(yè)利用率極低.土壤Se,質(zhì)含量由高到低的分布規(guī)律基本一致,15組成和性質(zhì)(特別是粘粒和有機質(zhì)含量),雖然施肥、灌水、,故影響較小.土壤,表現(xiàn)為從東北向西南方向逐漸遞減的趨勢.其紅星和鹿圈這3個鄉(xiāng)鎮(zhèn),該區(qū)污灌歷史比較長,灌溉水主要來源于4涼水河,而且該區(qū)的土壤質(zhì)地相對較重(中壤或輕壤),有機-1質(zhì)含量

20、(>20gkg)也比其它地方都高,故對重金屬Pb,Hg,Zn的富集能力最強,導致了該區(qū)的污染最為嚴重.另外,這些地區(qū)還是大興區(qū)北邊與城區(qū)相鄰的地方,該區(qū)基本上已城市化,工業(yè)密集的“北京經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)”就位于該區(qū),工廠排放了大量的污水,這也是導致其Pb,Hg,Zn含量高的另一個原因.其次,污染程度處于第二位的地區(qū)主要分布于新鳳河和鳳河的兩岸,由于新鳳河是大興城區(qū)的主要排污河道,接納了大量的生活廢水和工業(yè)污水,水質(zhì)極差,其支流鳳河的水質(zhì)也較差,這些地區(qū)的土壤質(zhì)地主要為僅次于中壤的輕壤,有機質(zhì)含量也相對較-1高(1220gkg),對重金屬的累積能力也較強.土壤Ni含量的空間分布表現(xiàn)為東部明顯高

21、于西部,其含量高的區(qū)域主要也分布在于新鳳河和鳳河兩岸的部分地方,也是由于農(nóng)民引用新鳳河和鳳河的污水進行灌溉所致.土壤Cu,Cr,Co的含量分布也比較相似,含量高的區(qū)域主要有3個:分別在位于大興區(qū)中部靠近半壁店森林公園東邊的區(qū)域,大興區(qū)最東邊與通州區(qū)相接的大皮營鄉(xiāng)和鳳河營鄉(xiāng)部分地區(qū)和最南邊與河北省相接的南各莊地區(qū).中部含量高的原因在于從城區(qū)引出的另一條排污河道大龍河經(jīng)過該地區(qū),另外附近的垡上電鍍廠大量富含Cu,Cr,Co的污水被排放到引污灌渠(旱河)中,又被當?shù)剞r(nóng)民引污灌溉所致.最東邊區(qū)域是過境污水河鳳河通過的地方;最南邊則是天堂河通過的地方,雖然天堂河基本干枯無水,由于龐各莊和南各莊電鍍廠大量

22、富含Cu,Cr,Co(特別是Cr)的污水都排放到該河中,而在南各莊的部分河段,農(nóng)民引用該河水進行灌溉,故導致了該區(qū)土壤重金屬Cu,Cr,Co的含量都很高.土壤As含量分布的總趨勢是從西北向東南方向逐漸遞增,這與大興區(qū)從西北向東南方向逐漸遞減的地勢分布剛好相反,可能與As隨水遷移有一定的關(guān)系.其含量高的地方主要位于大辛莊和禮賢鎮(zhèn)之間的部分地區(qū),明顯高于其背景含量,這是由于年排放污水8916萬t(其中含As19104kg)的大興氮肥廠是小龍河污水的主要來源,該區(qū)主要以小龍河污水作為灌溉水源.土壤Cd含量高的地方主要集中在南部與河北省相鄰的禮賢鎮(zhèn)的部分地區(qū),土壤Cd含量>016mgkg的樣點就

23、在該區(qū),其主要原因在于年排放污水1104萬t的天堂河電鍍噴漆廠位大興縣水利局.大興縣水資源調(diào)查評價與開發(fā)利用保護規(guī)劃.1999:748-1468環(huán)境科學學報24卷于小龍河的中部,其富含Cd的污水被排放到該河中,另外年排放污水1128萬t的禮賢電鍍廠就位于該區(qū),其富含Cd的污水也被排放到附近河道中,農(nóng)民引污灌溉所致.4結(jié)論1.大興區(qū)表層土壤10種重金屬含量的統(tǒng)計結(jié)果表明,Cu,Pb,As,Se和Co,Zn,Ni和Hg服從對數(shù)正態(tài)分布,而Cr和Cd.除As和Se,量均高于其背景值含量,尤其是Cu,Zn,PbCd的含量超過了國家,.除Co屬于弱變異強度外,.2.結(jié)構(gòu)分析表明,10,其中Se和As的變

24、程最大,11,.其次,變程較大的是重金屬Pb3211和39194km,說明Pb和Hg含量除了與土壤母質(zhì)有關(guān)外,大氣沉降也是其主要來源之一,另外還受到一定程度的局部污灌和施肥等隨機因素的影響.其余重金屬元素的相關(guān)距離范圍為4618km,說明它們受到污灌、施肥等隨機因素的影響最大.3.采用最優(yōu)內(nèi)插法得到了大興區(qū)表層土壤重金屬含量的空間分布圖,發(fā)現(xiàn)土壤重金屬含量與土壤質(zhì)地和有機質(zhì)含量密切相關(guān),目前大興區(qū)土壤重金屬的主要來源是污灌,特別是來自涼水河、新鳳河和鳳河的污水,因此應重點對這些河流周圍的排污企業(yè)進行治理,嚴格執(zhí)行達標排放.參考文獻:1MantaaDS,BellancaMAA,NeriaR,etal.Heavymetalsinurbansoils:AcasestudyfromthecityofPalermo(Sicily),ItalyJ.TheScienceoftheTotalEnvironment,2002,300:2292432馬往校,段敏,李嵐.西安市郊區(qū)蔬菜中重金屬污染分析與評價J.農(nóng)業(yè)環(huán)境保護,2000,19(2)