張沁瑞，李歡，鄧宇飛，黃勇，張博，許一波

(1.北京市地質(zhì)勘察技術(shù)院，北京 100120； 2.中化地質(zhì)礦山總局地質(zhì)研究院，北京 100101；3.河北經(jīng)貿(mào)大學(xué) 公共管理學(xué)院，河北 石家莊 050062)

0 引言

土壤作為人類(lèi)賴(lài)以生存與發(fā)展的重要自然資源和生態(tài)環(huán)境條件，其物質(zhì)組成和演化過(guò)程都十分復(fù)雜[1]。As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn等重金屬元素進(jìn)入土壤之后，一般不易隨水淋失或被微生物分解，長(zhǎng)期存在于土壤中，難以徹底被清除，潛在危害性大[2]。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)年累積，重金屬元素會(huì)在土壤中產(chǎn)生富集效應(yīng)，不僅會(huì)對(duì)水體、農(nóng)作物等造成生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，更是直接或間接威脅人體健康[3-5]。因此，應(yīng)將重金屬作為土壤元素的首要關(guān)注對(duì)象，重點(diǎn)研究其富集特征。

北京東南郊地區(qū)土壤肥沃、工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，歷史上曾是北京地區(qū)的重要糧倉(cāng)，長(zhǎng)期、頻繁的人類(lèi)活動(dòng)在很大程度上已經(jīng)改變了土壤原生環(huán)境。近年來(lái)該地區(qū)城市發(fā)展快，2012年北京城市副中心選址于此地，新城開(kāi)發(fā)建設(shè)、企業(yè)騰退搬遷，以及北京市的百萬(wàn)畝造林工程等也使該地區(qū)的土地利用類(lèi)型不斷改變，持續(xù)影響著土壤元素分布狀態(tài)。因此，該區(qū)域應(yīng)作為北京市域范圍開(kāi)展土壤相關(guān)研究工作的重要地區(qū)。

地球化學(xué)調(diào)查手段有助于科學(xué)精準(zhǔn)掌握土壤元素的含量狀況、分布特征、變化規(guī)律，進(jìn)而指導(dǎo)土壤污染狀況分析、土地質(zhì)量評(píng)價(jià)等工作，是防止土壤環(huán)境惡化、保障人居生態(tài)環(huán)境安全的重要方法[6-8]。將傳統(tǒng)多元統(tǒng)計(jì)學(xué)方法與地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法相結(jié)合，是分析土壤元素含量特征及其空間變化的有效途徑之一[9-12]。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于表層和深層土壤元素的研究工作主要依托于全國(guó)多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查工作(1∶250 000)取得的數(shù)據(jù)，表層土壤采樣密度是1件/km2，1件/4 km2進(jìn)行組合分析；深層土壤采樣密度是1件/4 km2，1件/16 km2進(jìn)行組合分析[13-19]。本次研究依托于“北京市土壤地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)運(yùn)行”和“通州區(qū)南部重大地質(zhì)問(wèn)題調(diào)查與評(píng)價(jià)”項(xiàng)目，表層和深層土壤采樣密度與分析密度一致，均達(dá)到1件/4 km2，很大程度上提升了數(shù)據(jù)精度。本文基于傳統(tǒng)多元統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，系統(tǒng)開(kāi)展土壤重金屬元素含量特征、空間變化方面的分析；以富集系數(shù)作為定量化指標(biāo)，進(jìn)行重金屬元素在表層土壤中富集特征的研究，并對(duì)圈定出的土壤重金屬元素顯著富集區(qū)進(jìn)行原因解釋?zhuān)瑸榻窈笤谠搮^(qū)域開(kāi)展相關(guān)研究工作和實(shí)施土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)提供參考依據(jù)和目標(biāo)靶區(qū)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北京市東南部，京杭大運(yùn)河北端，面積約906 km2(圖1)，屬大陸性季風(fēng)氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷干燥。區(qū)內(nèi)地表水系較發(fā)育，屬潮白河、北運(yùn)河兩大水系，有大小河流13條，總長(zhǎng)度約245 km，主要發(fā)育北運(yùn)河、涼水河、運(yùn)潮減河等。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)位Fig.1 Sampling points map of study area

研究區(qū)第四系沉積物由永定河和潮白河的沖、洪積物堆積而成，大致以溫榆河(下游為北運(yùn)河)為界，界線以北為潮白河沖洪積扇，成土母質(zhì)來(lái)源于北京北部山區(qū)，以富含K2O為典型特征；界線以南為永定河沖洪積扇，成土母質(zhì)來(lái)源于北京西部山區(qū)，以富含CaO、MgO為典型特征[20-23]。北運(yùn)河沿岸、潮白河沿岸以及南部的馬駒橋、于家務(wù)、永樂(lè)店等局部地段主要分布砂質(zhì)沉積物；北部的宋莊一帶有小面積的次生黃土；其他區(qū)域多為壤質(zhì)沉積物。除西部的通州城區(qū)、臺(tái)湖等地外，研究區(qū)其他區(qū)域的土壤類(lèi)型主要為壤質(zhì)潮土，局部有黏質(zhì)潮土和砂質(zhì)潮土；通州城區(qū)附近主要分布潮褐土；臺(tái)湖以砂姜潮土為主，零星分布濕潮土和砂姜黑土。表層土壤pH值范圍為7.36～8.74，深層土壤pH值范圍為7.56～8.83，屬于中性偏堿范圍。研究區(qū)土地利用類(lèi)型分布由遙感數(shù)據(jù)解譯獲取，以建設(shè)用地、耕地和林地為主，其中建設(shè)用地集中分布在通州城區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)駐地及其周邊區(qū)域、臺(tái)湖西部、馬駒橋西部等地，耕地集中分布在中部及南部的于家務(wù)、永樂(lè)店、漷縣等地，而林地則廣泛分布于研究區(qū)內(nèi)。

2 樣品采集、分析測(cè)試及數(shù)據(jù)處理

2.1 樣品采集與分析

采用網(wǎng)格化方式進(jìn)行布點(diǎn)，同點(diǎn)位采集表層、深層土壤樣品。采樣點(diǎn)位處的土地利用類(lèi)型主要為耕地和林地，表層土壤采樣深度為0～20 cm，深層土壤采樣點(diǎn)與表層土壤采樣點(diǎn)位置相同，采樣深度為160～200 cm，采樣密度為1件/4 km2，樣品質(zhì)量大于1 000 g，表層土壤、深層土壤樣品各采集224件。

將土壤樣品進(jìn)行自然風(fēng)干，風(fēng)干后的樣品平鋪在制樣板上，用木棍碾壓，剔除植物殘?bào)w、石塊等。利用2 mm的孔徑篩對(duì)樣品進(jìn)行過(guò)篩，剔除未通過(guò)大顆粒碎石等；對(duì)于土質(zhì)結(jié)核進(jìn)行揉搓，直至通過(guò)篩子。采用對(duì)角線折疊法對(duì)過(guò)篩后的樣品進(jìn)行拌勻，確保每件加工后的樣品質(zhì)量大于500 g。

由北京一零一生態(tài)地質(zhì)檢測(cè)有限公司進(jìn)行樣品實(shí)驗(yàn)測(cè)試，分析As、Hg、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Al2O3、pH等指標(biāo)，具體分析方法、檢出限見(jiàn)表1。采用國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確度控制，每500件樣品中密碼插入12個(gè)GBW標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GSS1～GSS12)與樣品同條件進(jìn)行分析，準(zhǔn)確度合格率要求≥98%；隨機(jī)抽取5%的測(cè)試樣品編成密碼樣重復(fù)分析，進(jìn)行精密度控制，精密度合格率要求≥98%。測(cè)試結(jié)果顯示，分析測(cè)試質(zhì)量達(dá)到了《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶250 000)》、《生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)樣品分析技術(shù)要求》等規(guī)范的要求[24-25]。

表1 各項(xiàng)指標(biāo)的分析方法及檢出限Table 1 The analysis method and detection limit of target elements

2.2 數(shù)據(jù)處理與圖件編制

算數(shù)均值、中位值、標(biāo)準(zhǔn)離差、變異系數(shù)、峰度、偏度等基本參數(shù)統(tǒng)計(jì)和相關(guān)性分析在Excel中完成。變異系數(shù)通常用標(biāo)準(zhǔn)離差與平均值之比的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示，表征元素空間分布的均勻程度。本次研究將變異系數(shù)小于15%定義為弱空間變異性，15%～100%為中等程度空間變異性，大于100%為強(qiáng)空間變異性[26-28]。

利用3倍標(biāo)準(zhǔn)離差原則將異常值剔除[29]，反復(fù)剔除至無(wú)異常值為止。采用偏度和峰度參數(shù)(偏度接近0，峰度接近3，則服從正態(tài)分布)來(lái)檢驗(yàn)剔除后的數(shù)據(jù)是否服從正態(tài)分布[30]。經(jīng)檢驗(yàn)，表層As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn呈近似正態(tài)分布，Cd、Hg呈近似對(duì)數(shù)正態(tài)分布；深層元素呈近似對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

根據(jù)變異函數(shù)的定義，實(shí)驗(yàn)半變異函數(shù)由下式確定[31-34]：

(1)

式中：h為步長(zhǎng)，即樣本空間距離[35-40]；N(h)是以h為間距的所有觀測(cè)點(diǎn)的成對(duì)數(shù)目；Z(xi)和Z(xi+h)分別是變量Z在空間位置xi和xi+h的實(shí)測(cè)值。。

本次研究所建立的半變異函數(shù)模型有指數(shù)(Exponential)和線性(Linear)兩種。

指數(shù)模型：

(2)

線性模型：

γ(h)=C0+Ch/α,h>0。

(3)

式中：塊金值C0表示隨機(jī)性變異；結(jié)構(gòu)方差C表示結(jié)構(gòu)性變異；變程α為半方差達(dá)到基臺(tái)值所對(duì)應(yīng)的距離。基臺(tái)值C0+C表示包含隨機(jī)性變異和結(jié)構(gòu)性變異的總變異，塊基比C0/(C0+C)反映土壤元素的空間依賴(lài)性，可表明系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性程度。通常利用塊基比來(lái)表征空間自相關(guān)性的強(qiáng)弱，當(dāng)塊基比小于25%時(shí)表明該元素空間自相關(guān)性較強(qiáng)，其空間結(jié)構(gòu)主要受結(jié)構(gòu)性因素影響；當(dāng)塊基比介于25%～75%之間時(shí)表明該元素空間自相關(guān)性中等，其空間結(jié)構(gòu)受結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素的共同影響；當(dāng)塊基比大于75%時(shí)表明該元素空間自相關(guān)性較弱，其空間結(jié)構(gòu)主要受隨機(jī)性因素共同影響。

擬合模型的選擇由回歸系數(shù)R2和殘差RSS共同決定，R2越大，模型擬合的精度越高；RSS越小，擬合曲線效果越好[41]。本次研究利用GS+10.0軟件進(jìn)行半變異函數(shù)的計(jì)算以及最優(yōu)擬合模型的選擇。

為進(jìn)一步分析土壤重金屬元素在表層土壤中的富集特征，引入富集系數(shù)的概念。富集系數(shù)是表層土壤元素含量實(shí)測(cè)值與相對(duì)應(yīng)的深層土壤元素含量實(shí)測(cè)值的比值。成土過(guò)程中，受自然作用的影響會(huì)產(chǎn)生元素的富集或貧化現(xiàn)象；而土壤環(huán)境中的Al等常量元素相對(duì)穩(wěn)定，其含量及分布特征不易受到自然作用的影響[42-43]。因此在計(jì)算富集系數(shù)時(shí)，選用Al作為參考因子進(jìn)行數(shù)據(jù)校正，以消除自然作用的影響。具體計(jì)算公式如下：

P=(C表/C表Al)/(C深/C深A(yù)l)。

(4)

式中：P為校正后的富集系數(shù)(下文所述的富集系數(shù)均為校正后的數(shù)值)；C表為表層土壤元素的實(shí)測(cè)值；C表Al為表層土壤常量元素Al的實(shí)測(cè)值；C深為深層土壤元素的實(shí)測(cè)值；C深A(yù)l為深層土壤常量元素Al的實(shí)測(cè)值。

不同學(xué)者關(guān)于利用富集系數(shù)劃分富集程度的界限值有不同看法，這主要與不同研究區(qū)的土壤元素分布差異較大存在一定關(guān)系[42-44]。本文采用的界限值是在參考前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合本研究區(qū)土壤元素分布的實(shí)際情況，根據(jù)富集系數(shù)的大小，將富集程度分為不富集、弱富集、富集、強(qiáng)富集和極強(qiáng)富集5類(lèi)：富集系數(shù)小于1.2為不富集，富集系數(shù)介于1.2～1.5之間為弱富集，富集系數(shù)介于1.5～2.0為富集，富集系數(shù)介于2.0～5.0為強(qiáng)富集，富集系數(shù)大于5.0為極強(qiáng)富集。

將重金屬元素達(dá)到強(qiáng)富集及以上程度的分布范圍進(jìn)行物理疊加，劃定出富集系數(shù)普遍大于2.0的區(qū)域；在此基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮不同土地利用類(lèi)型對(duì)土壤元素分布特征的影響差異性，人為活動(dòng)相對(duì)強(qiáng)烈的建設(shè)用地、耕地對(duì)表層土壤元素分布影響大，人為活動(dòng)相對(duì)較弱的林地、草地、未利用地對(duì)表層土壤元素分布影響小，即可圈定出重金屬元素在表層土壤中的顯著富集區(qū)。

采用地球化學(xué)勘查一體化系統(tǒng)(geochem studio)繪制空間插值圖，在Mapgis 6.7軟件平臺(tái)上進(jìn)行圖件編輯與修飾。

3 結(jié)果與討論

3.1 重金屬元素含量的統(tǒng)計(jì)特征

表2列出了研究區(qū)土壤重金屬元素的算數(shù)均值(X)、最小值(Xmin)、中位值(Xmed)、最大值(Xmax)、標(biāo)準(zhǔn)離差(S)及變異系數(shù)(Cv)等統(tǒng)計(jì)特征值。

表2 表層土壤、深層土壤重金屬元素統(tǒng)計(jì)特征值Table 2 Statistical eigenvalues of heavy metal elements in surface soil and deep layers soil

在進(jìn)行土壤元素含量對(duì)比研究時(shí)，利用中位值代表元素的總體含量水平。通過(guò)對(duì)比表層元素與深層元素的中位值可以發(fā)現(xiàn)，As、Cr、Ni在表層的總體含量水平與深層較為接近，而Cd、Cu、Hg、Pb、Zn在表層的含量水平明顯高于深層，差距在1.2～3.9倍不等，呈現(xiàn)出表生富集的特征。表層Cd含量變化范圍(0.070～0.611)×10-6，深層含量變化范圍(0.040～0.550)×10-6，表層平均含量是深層的1.58倍；表層Hg含量變化范圍(0.011～1.54)×10-6，深層含量變化范圍(0.005～0.882)×10-6，表層平均含量是深層的3.04倍。

由圖2可知，研究區(qū)表層土壤Cd含量水平高于北京市均值和全國(guó)均值；Hg含量低于北京市均值，但明顯高于全國(guó)均值；其他元素含量水平基本與北京市均值和全國(guó)均值一致。深層土壤元素含量與北京市均值基本一致；除Cd外，其他元素含量明顯低于全國(guó)均值。由此可見(jiàn)，研究區(qū)表層土壤Cd、Hg含量相對(duì)較高，深層土壤Cd含量相對(duì)較高。

圖2 土壤重金屬元素中位值對(duì)比Fig.2 Comparison of mean values of heavy metal elements

應(yīng)特別注意的是Cd，諸多學(xué)者在該區(qū)域內(nèi)針對(duì)Cd的研究結(jié)果表明[46-48]，表層、深層土壤的Cd高含量分布與涼水河、鳳港減河的污灌歷史有很大關(guān)系，Cd不僅遷移到了深部土壤，而且在土壤中生物可利用態(tài)含量占比高，可能會(huì)給人類(lèi)健康帶來(lái)潛在風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 重金屬元素的空間結(jié)構(gòu)特征

表層土壤重金屬元素的最優(yōu)擬合模型為指數(shù)模型(表3)，回歸系數(shù)介于0.749～0.958之間，說(shuō)明選用指數(shù)模型進(jìn)行擬合總體效果較好。Cr、Zn的殘差較大，分別為52.1和655。As、Cr、Ni的變程較小，分別為1.56 km、2.27 km、3.18 km；Cd、Pb的變程中等，分別為7.32 km和6.18 km；Cu、Hg、Zn的變程較大，分別為27.97 km、18.21 km、14.98 km。As、Cr的塊基比小于25%，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的空間自相關(guān)性，說(shuō)明它們的空間分布特征主要受控于結(jié)構(gòu)性因素；Cd、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的塊基比介于25%～75%，空間自相關(guān)性中等，除受結(jié)構(gòu)性因素影響外，也受到人類(lèi)活動(dòng)等外界環(huán)境的隨機(jī)性因素影響。

深層土壤As、Hg、Pb的最優(yōu)擬合模型為指數(shù)模型，Cd、Cr、Cu、Ni、Zn的最優(yōu)擬合模型為線性模型(表3)，回歸系數(shù)介于0.831～0.970，殘差均較小，擬合效果總體較好。除As、Pb的變程為4.79 km和11.06 km外，其他元素的變程均超過(guò)23 km；Hg的變程最大，在39.15 km達(dá)到平穩(wěn)階段。Cr的塊基比為82.37%，呈現(xiàn)出較弱的空間自相關(guān)性，主要受隨機(jī)性因素影響；其他元素均呈現(xiàn)中等自相關(guān)性，受到結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素的共同影響。

表3 土壤元素半變異函數(shù)理論模型及相關(guān)參數(shù)Table 3 Semi-variogram models of elements in soil and related parameters

研究區(qū)由潮白河沖洪積扇和永定河沖洪積扇組成，受成土母質(zhì)來(lái)源不同的影響，深層土壤未受人為擾動(dòng)而長(zhǎng)期處于原生狀態(tài)，不同沖洪積扇土壤中的元素分布差異性大，反映的是土壤的原始特征；而表層土壤長(zhǎng)期裸露，在自然因素和人為因素的共同影響下逐漸均一化，土壤元素分布差異性也逐漸減小，反映的是經(jīng)過(guò)后期改造后的土壤特征。這就造成了深層土壤元素空間變異性大于表層，且多數(shù)深層土壤元素的空間結(jié)構(gòu)受到了結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素的雙重影響。

3.3 重金屬元素在表層土壤中的富集特征

3.3.1 相關(guān)性分析

表層與深層土壤重金屬元素含量間的相關(guān)性分析結(jié)果表明(表4)，二者之間存在較為顯著的正相關(guān)關(guān)系(Cd除外)。特別是Hg之間的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.745；其他元素之間的相關(guān)系數(shù)普遍在0.2～0.4之間。

表4 表層與深層土壤重金屬元素之間的相關(guān)性Table 4 Correlation of heavy metal elements in surface soil and deep layers soil

3.3.2 富集特征分析

利用富集系數(shù)能夠建立表層與深層土壤重金屬元素之間的聯(lián)系，可以反映出重金屬元素在表層土壤中的富集特征，通過(guò)對(duì)各個(gè)表層土壤采樣點(diǎn)富集系數(shù)的數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知(圖3)，As、Ni、Cr在表層呈現(xiàn)不富集的點(diǎn)位數(shù)量分別占64%、74%、82%，說(shuō)明該類(lèi)元素的表生富集作用較弱。而Cu、Pb、Zn、Cd、Hg呈弱富集程度以上的點(diǎn)位數(shù)量超過(guò)半數(shù)，特別是Hg，呈極強(qiáng)富集程度的點(diǎn)位數(shù)量占比接近40%，說(shuō)明這5項(xiàng)重金屬元素的表生富集作用顯著，這也為富集區(qū)域劃分時(shí)的指標(biāo)篩選提供了依據(jù)。城市化和工業(yè)化進(jìn)程中，人類(lèi)活動(dòng)向自然環(huán)境中釋放的重金屬等污染物在表層土壤中逐年累積，導(dǎo)致該類(lèi)污染物的表生富集作用顯著，因而土壤環(huán)境發(fā)生了較大程度的改變，這與諸多學(xué)者的研究結(jié)果一致[10,49-51]。

圖3 土壤重金屬元素富集程度占比統(tǒng)計(jì)Fig.3 Percentage of the enrichment degree of heavy metal elements in soil

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)內(nèi)僅存在1個(gè)調(diào)查點(diǎn)位的Cd、Cu、Zn含量超過(guò)了《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)篩選值，超標(biāo)率為0.45%；該點(diǎn)位的pH值為7.36，Cd含量為0.31×10-6，Cu含量為122 ×10-6，Zn最大值為288×10-6。

3.3.3 富集區(qū)域劃分

以1.2、1.5、2.0、5.0為間隔，勾繪出Cu、Pb、Zn、Cd、Hg富集系數(shù)的空間分布(圖4)?？梢钥闯觯芯繀^(qū)重金屬元素呈現(xiàn)出典型的“區(qū)域上普遍富集、局部地區(qū)呈現(xiàn)強(qiáng)富集”的空間分布特征。

圖4 土壤重金屬元素富集系數(shù)空間分布Fig.4 Distribution of heavy metal enrichment coefficient in soil

從空間位置角度分析，研究區(qū)位于北京市東南部，地勢(shì)相對(duì)較低，受風(fēng)向、降雨等氣象條件影響，以大氣干濕沉降方式向土壤中輸送了一定量的重金屬元素；根據(jù)已有研究成果表明，研究區(qū)大氣干濕沉降中的Pb、Cd、Hg年沉降通量密度較高，造成了元素呈現(xiàn)出面狀富集的分布特征[52]。從經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展角度分析，根據(jù)北京市通州區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)分析，以2005～2018年這一時(shí)期為例，人口密度由956人/km2增加至1 741人/km2。該時(shí)期內(nèi)每年度能源消耗總量約200～300萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤，紙制品年產(chǎn)量最高達(dá)54 499 t，塑料制品年產(chǎn)量最高達(dá)44 223 t；煤燃燒中Hg吸附于飛灰表面，導(dǎo)致在飛灰中富集，而爐渣中則殘留較多的Cd、Pb[53]；紙制品、塑料制品生產(chǎn)過(guò)程中的廢水中富含Cu、Zn、Cd等，廢水排放及灌溉會(huì)造成土壤重金屬的累積[54-55]。人口密度增大、工業(yè)企業(yè)數(shù)量增加、持續(xù)的能源消耗等一系列人類(lèi)活動(dòng)，這也是導(dǎo)致土壤重金屬元素表生富集的重要原因之一。

土壤元素含量受地形地貌、成土母質(zhì)、土壤質(zhì)地、土壤理化性質(zhì)等諸多自然因素的控制[22-23,56]。由于受到土壤系統(tǒng)內(nèi)物理作用、化學(xué)作用、生物作用的影響，土壤元素伴隨著橫向和縱向上的遷移、擴(kuò)散。在計(jì)算富集系數(shù)時(shí)選用Al作為參考因子進(jìn)行數(shù)據(jù)校正，在很大程度上消除了自然因素對(duì)元素含量分布的影響。因此，本次圈定的元素富集區(qū)主要反映人為因素的影響，在研究區(qū)內(nèi)共圈定出5處(A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)、D區(qū)、E區(qū))重金屬元素在表層土壤中的顯著富集區(qū)(圖5)。

圖5 表層土壤重金屬元素顯著富集區(qū)域劃分Fig.5 The division of areas with significant enrichment of heavy metal elements in surface soil

B區(qū)與通州城區(qū)的范圍基本吻合，該區(qū)域的人口分布比較密集；C區(qū)與亦莊新城通州部分的范圍基本吻合，該區(qū)域的企業(yè)分布比較密集；這兩個(gè)區(qū)域多以建設(shè)用地為主，生活污水排放、垃圾傾倒、汽車(chē)尾氣排放等行為頻繁，向土壤中輸入了外源物質(zhì)，改變了土壤元素的原生環(huán)境，造成重金屬元素在表層土壤中富集。研究區(qū)南部于家務(wù)—永樂(lè)店一帶的E區(qū)是具有特色的農(nóng)業(yè)種植區(qū)，灌溉和施肥等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)會(huì)向土壤中輸送大量重金屬元素，也會(huì)造成表層土壤元素富集。建設(shè)用地、耕地中的人類(lèi)活動(dòng)較重，重金屬元素在表層土壤中的富集特征比較顯著；而林地、草地中的人類(lèi)活動(dòng)頻繁較輕，重金屬元素在表層土壤中的富集特征不顯著，這也說(shuō)明土地利用類(lèi)型分布情況會(huì)影響土壤元素的分布特征。

工業(yè)企業(yè)中化石燃料燃燒、運(yùn)輸車(chē)輛輪胎磨損以及尾氣排放等，形成了含有重金屬的粉塵，在外力作用下可以進(jìn)行較長(zhǎng)距離的遷移，在合適條件下又以沉降方式進(jìn)入到土壤，從而改變了一定范圍內(nèi)土壤重金屬的原始分布狀態(tài)，如A區(qū)分布有佰富苑工業(yè)園、都市工業(yè)園等，D區(qū)的張家灣鎮(zhèn)及其周邊區(qū)域分布有大量小型工業(yè)企業(yè)。

由此可見(jiàn)，土壤元素在表生環(huán)境下的富集并非單一因素造成，通常是多種因素綜合作用的結(jié)果，人類(lèi)居住、農(nóng)業(yè)種植活動(dòng)、工業(yè)生產(chǎn)等均是造成元素富集的主要人為因素。

4 結(jié)論

通過(guò)在北京東南郊地區(qū)開(kāi)展土壤重金屬元素分布及其在表層土壤中富集特征的研究工作，得出以下結(jié)論：

1) 研究區(qū)表層土壤As、Cr、Ni的總體含量水平與深層較為接近，而Cd、Cu、Hg、Pb、Zn的總體含量水平明顯高于深層；通過(guò)與北京地區(qū)和中國(guó)地區(qū)土壤重金屬元素含量的對(duì)比可知，研究區(qū)土壤中相對(duì)富集Cd、Hg，其中Cd高含量分布與涼水河、鳳港減河的污灌歷史有很大關(guān)系。

2) 表層土壤8項(xiàng)重金屬元素的最優(yōu)擬合模型為指數(shù)模型；As、Cr空間自相關(guān)性較強(qiáng)，其他元素空間自相關(guān)性中等。深層土壤As、Hg、Pb的最優(yōu)擬合模型為指數(shù)模型，其他元素的最優(yōu)擬合模型為線性模型；Cr空間自相關(guān)性較弱，其他元素空間自相關(guān)性中等。深層土壤元素空間變異性大于表層，且多數(shù)元素的空間結(jié)構(gòu)受到了結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素共同影響，主要是成土母質(zhì)來(lái)源的差異性所致。

3) 富集系數(shù)能夠反映出重金屬元素在表層土壤中的富集特征，利用富集系數(shù)分析了土壤重金屬元素在表層土壤中的富集特征?？傮w上，As、Ni、Cr富集程度較弱，Cu、Pb、Zn、Cd、Hg富集程度較強(qiáng)，富集程度最強(qiáng)的是Hg。

4) 根據(jù)圈定出的5處重金屬元素顯著富集區(qū)分析可知，重金屬元素在表層土壤中的富集受多種因素的影響，位于通州城區(qū)的B區(qū)、臺(tái)湖—馬駒橋一帶的C區(qū)基本以建設(shè)用地為主，說(shuō)明人類(lèi)生活和工作是造成土壤元素富集的主要影響因素；位于于家務(wù)—永樂(lè)店一帶的E區(qū)是具有特色的農(nóng)業(yè)種植區(qū)，說(shuō)明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)是造成土壤元素富集的主要影響因素；A區(qū)、D區(qū)分布眾多的工業(yè)企業(yè)，說(shuō)明工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)是造成土壤元素富集的主要影響因素。

5) 研究區(qū)總體土壤環(huán)境質(zhì)量較好，但表層土壤Cd含量水平高于北京市均值和全國(guó)均值，Hg含量水平高于全國(guó)均值，需引起重視。

致謝：論文創(chuàng)作過(guò)程中得到了中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)汪明啟教授、河北地質(zhì)大學(xué)徐國(guó)志教授、北京市地質(zhì)勘察技術(shù)院教授級(jí)高工賈三滿(mǎn)的大力支持與幫助，在此深表感謝。