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(xué)學(xué)報(bào)ACTASCIENTIAECIRCUMSTANTIAEVol.24,No.3May,2004文章編號(hào):025322468(2004)0320463206中圖分類號(hào):X53文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)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(gè)取樣點(diǎn),ZnNi、As、Se、Hg和Co的含量.統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,除As和Se外,.準(zhǔn)限值,而其余重金屬含量均沒有超過其二級(jí)標(biāo)準(zhǔn).,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(jī)質(zhì)含量關(guān)系密切

2、.,新鳳河和鳳河的污水,應(yīng)重點(diǎn)對(duì)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(dòng)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(jìn)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(yán)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(dāng)?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(duì)北京近郊區(qū)土壤重金屬含量進(jìn)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(duì)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(duì)象僅限于少數(shù)幾種土壤重金屬,很少有人對(duì)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(jì)學(xué)方法是一種最優(yōu)的空間插值方法,已被廣泛地應(yīng)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(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(49871005);國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(G1999011810)資助),男,副教授(博士),hukel作者簡(jiǎn)介:胡克林(19713464環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)7,824卷土壤學(xué)、環(huán)境科學(xué)和生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域.本文以地處北京市南郊的大興區(qū)作為研究對(duì)象,應(yīng)用地

8、質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法對(duì)其表層土壤10種重金屬含量的空間分布特征進(jìn)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(píng)價(jià)和土壤污染綜合防治提供科學(xué)依據(jù).1研究區(qū)概況和實(shí)驗(yàn)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(rùn)季風(fēng)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(zhǎng),又適于水稻、花生等喜溫作物生長(zhǎng),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(diǎn)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(gè)樣點(diǎn)(圖1).每一樣點(diǎn)在直徑100m范圍內(nèi)選擇35個(gè)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(diǎn)分布圖Fig.1Samplinglocations時(shí)間為2000年5月底6月初.113分析項(xiàng)目與測(cè)定方法土樣經(jīng)風(fēng)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(cè)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(guó)TJA2CxCell)測(cè)定,其余重金屬用等離子體光譜儀(美國(guó)TJA2IRIS)測(cè)定.2數(shù)據(jù)處理+本研究數(shù)據(jù)處理采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件GS(513)進(jìn)行處理,圖形采用ArcViewGIS312軟件進(jìn)行繪制.3結(jié)果與分析311土壤重金屬元素的統(tǒng)計(jì)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(duì)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(duì)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(dá)到26108,61118和18181mgkg,遠(yuǎn)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(shí)間的推移,土壤中重金屬的累積4量呈逐漸增加的趨勢(shì).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(dǎo)致As和Se含量下降的一個(gè)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(gè)別地方Cd的含量超過了國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)B156182-11995)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度外,0145,均屬于中等變異強(qiáng)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(gè),其次是Cd、Se和Cu,分別需60、43和40個(gè),20個(gè)以下,說明在大興區(qū)取70個(gè)樣點(diǎn)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(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)差)26108±8.35-1背景值8166401379112511920114191008139011801057146-1二級(jí)標(biāo)值)1003003502500166025-1)變異系數(shù)0132011401110120014201120121013301450108取樣數(shù)目個(gè)

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(duì)數(shù)正態(tài)分布(偏度和峰度系數(shù)為對(duì)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(yàn)證可參考有關(guān)文獻(xiàn),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?yàn)?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(gè)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(duì)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(duì)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(fēng)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(jī)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(jī)因素的影響較大,導(dǎo)致了它們?cè)谝粋€(gè)較小的距離范圍內(nèi)存在相關(guān)關(guān)系.466環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)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(tái)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(biāo),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(dǎo)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(qiáng)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(dá)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(jī)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(gè)區(qū)域,一個(gè)是沿永定河?xùn)|岸的區(qū)域,另一個(gè)是位于大興區(qū)中部包括天堂河農(nóng)場(chǎng)、

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(xì)砂土的分布規(guī)律基本一致,由于細(xì)砂土的有機(jī)質(zhì)含量很低,故對(duì)重金屬的累積量很少;另一方面,這兩個(gè)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(kù)的水.所以這兩個(gè)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(gè)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(jī)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(shì).其紅星和鹿圈這3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),該區(qū)污灌歷史比較長(zhǎng),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(duì)較重(中壤或輕壤),有機(jī)-1質(zhì)含量

20、(>20gkg)也比其它地方都高,故對(duì)重金屬Pb,Hg,Zn的富集能力最強(qiáng),導(dǎo)致了該區(qū)的污染最為嚴(yán)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(jì)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(dǎo)致其Pb,Hg,Zn含量高的另一個(gè)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(jī)質(zhì)含量也相對(duì)較-1高(1220gkg),對(duì)重金屬的累積能力也較強(qiáng).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(jìn)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(gè):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(yíng)鄉(xiāng)和鳳河營(yíng)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(dāng)?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(jìn)行灌溉,故導(dǎo)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(shì)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(shì)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(diǎn)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(píng)價(jià)與開發(fā)利用保護(hù)規(guī)劃.1999:748-1468環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)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(jì)結(jié)果表明,Cu,Pb,As,Se和Co,Zn,Ni和Hg服從對(duì)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(guó)家,.除Co屬于弱變異強(qiáng)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(jī)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(jī)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(jī)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(yīng)重點(diǎn)對(duì)這些河流周圍的排污企業(yè)進(jìn)行治理,嚴(yán)格執(zhí)行達(dá)標(biāo)排放.參考文獻(xiàn):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(píng)價(jià)J.農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù),2000,19(2)