2005～2018年北京平...土壤汞时空特征及其影响因素_李欢.pdf

第 卷第期 年月地 球 科 学 与 环 境 学 报 李欢，张沁瑞，闫广新，等 年北京平原区土壤汞时空特征及其影响因素地球科学与环境学报，（）：，（）：收稿日期：；修回日期：投稿网址：基金项目：北京市地质勘探基金项目（，）作者简介：李欢（），男，黑龙江绥化人，工程师，：。通讯作者：张沁瑞（），男，山西长治人，高级工程师，：。：年北京平原区土壤汞时空特征及其影响因素李欢，张沁瑞，闫广新，黄勇（北京市生态地质研究所，北京 ）摘要：为了解北京平原区土壤汞的分布特征及变化规律，采样测定了 、年的土壤汞含量，获取了 条实验测试数据。采用定量与定性分析相结合的方式，阐述了土壤汞的时间和空间变化特征，并对影响土壤汞时空特征的因素进行了探讨。结果表明：北京平原区土壤汞含量整体呈下降趋势，年由 下降至 ，到 年下降至 ，逐渐接近甚至低于北京市土壤背景值；土壤汞的块基比为 ，空间自相关性中等，空间结构受结构性因素和随机性因素的共同影响，在空间分布上呈现出“城区含量高、郊区含量低”的特点；由于外界输入土壤内部的含汞物质大幅度降低（输入减少），以及土壤中的汞通过排放、转化、吸收等方式不断流失（输出持续），造成 年土壤汞含量不断下降；工业生产、人类生活、城市建设历史等人为源加剧了城区土壤汞的富集，反映了随机性因素的影响；水系流域、土壤质地等自然源造成土壤汞分布的局部性差异，反映了结构性因素的影响。关键词：土壤汞；时空特征；重金属；正态性检验；半变异函数；影响因素；北京中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，；，；“，”；（），（），；，；，：；引言汞作为毒性较大的重金属元素之一，其在地球表层的分布与迁移规律受到广泛关注。土壤是生态系统的重要组成部分，城市土壤中的汞以硫化物形式为主，人体汞中毒会导致肌萎缩性脊髓侧索硬化症、老年痴呆症、帕金森症等疾病。中国土壤汞的空间分布具有地区性差异，东南沿海地区土壤汞含量相对较高，而在中部和西北地区的含量相对较低。已有研究成果显示，影响土壤汞含量的因素可分为自然因素和人为因素。自然因素主要是岩石经风化作用后，残留于成土母质中的一部分汞，这也是土壤汞最基本的来源；人为因素是指工业废水排放、化石燃料燃烧、采矿、冶金等工矿业活动，以及农药喷洒、化肥施用、污水灌溉等农业活动，这也会在很大程度上影响土壤汞的分布。关于北京地区土壤汞分布特征、风险评价、来源解析等方面的研究较多。诸多学者从行政区划角度研究了土壤汞的分布特征，发现通州区土壤汞含量（）高于延庆区（）和怀柔区（）；另外，不同土地利用方式的土壤汞含量也具有差异性，北京地区公园绿地土壤汞含量为 ，而菜地则为 ；李欢等在土壤地球化学特征的研究中发现，北京平原区土壤汞平均含量是全国背景值的 倍，属于典型的汞富集区。目前针对北京地区土壤汞时空特征的研究成果相对较少，主要有黄勇等针对北京城区的研究结果。黄勇等认为 年北京城区土壤汞含量由 下降至 ，这主要与能源消费结构的变化密切相关。年以后，北京地区污染型工矿企业基本关停或迁出，重污染天气明显减少，城市空气环境质量得到提升。年，为改善京津冀地区的大气 质 量，实 施了 京津冀地区风沙源治理工程；年，为进一步改善北京地区生态环境质量，实施了百万亩平原造林工程，平原森林覆盖率由 提升至 ；年再次启动了新一轮百万亩造林工程。近 年来，北京地区在生态环境治理方面的举措众多，以往研究成果已无法反映出北京地区土壤汞的实际分布特征。基于此，本文根据 年开展的 多目标区域地球化学调查以及 和 年开展的土壤监测工作，综合运用多种统计学方法，概述了北京平原区 、和 年土壤汞的分布特征和时空变化规律；从输入端和输出端两个角度分别阐述了影响土壤汞时间变化特征的因素，从人为源和自然源两个角度分别讨论了影响土壤汞空间变化特征的因素，以期能够为北京平原区的土地利用规划、生态环境保护、自然资源管理等提供科学依据。研究区概况北京市总面积为 ，包括朝阳区、房山区、密云区等 个行政区。其中，东城区、西城区、朝阳区、海淀区、石景山区、丰台区等个行政区为中心城区（以下简称“城区”），北京市的人口、建筑物主要集中分布在城区五环路以内的区域；其他行政区为郊区，人口、建筑物以行政区政府所在驻地最为密集，但密度明显低于城区。北京市的地势西北高东南低，基本构成西、北、东三面环山，东南低缓呈一平川的地形概貌；地表水系均属海河流域，主要包括大清河、永定河、潮白河、北运河和蓟运河五大水系；气候类型属于温带大陆性季风气候。研究区多位于北京平原区，仅北部和西部的少部分区域位于丘陵地带（图），面积约 ，除延庆区之外，北京地球科学与环境学报 年左上角小图为北京市行政区划略图图北京平原区土壤汞采样点位分布 市其他 个行政区均有涉及。研究区地处燕山山脉与华北平原的结合部位，被第四系广泛覆盖，总体上由永定河、潮白河、温榆河、拒马河等河流的冲洪积扇和马池口、后沙峪、平谷凹陷等沉积凹陷组成，其中以永定河和潮白河冲洪积扇为主。样品采集与分析方法 样品采集本文选取 、年采集的土壤样品各 件，具体位置分布见图。年北京市开展了土壤监测工作，在平原区布设监测点 个，平均采样密度为件 ，每个监测点采集件土壤样品；年在同一点位再次对这 个监测点采集土壤 样 品，共 获 取 土 壤 汞 的 测 试 数 据 条。年，北京市开展了平原区 多目标区域地球化学调查工作，表层土壤采样密度是件，本次研究选择了与 土 壤监 测 点 距离最 近的 年 采 样 点 的 土 壤 汞 测 试 数 据 条，用 于 年土壤汞含量的变化情况对比研究。采样时首先用铁锹刨采样坑，深度在 左右，然后用竹铲取样，避免铁质器具对土壤样品的污染。将采集的土壤样品进行自然风干，风干后的样品平铺在制样板上，用木棍碾压，剔除植物残体、石块等。利用 的孔径筛对样品进行过筛，剔除大颗粒碎石等；对于土质结核进行揉搓，直至通过筛子。采用对角线折叠法对过筛后的样品进行拌匀，确保每件加工后的样品质量大于 。分析方法样品分析参照 多目标区域地球化学调查规范（）、生态地球化学评价样品分析技术要求（）等规范执行。年土壤样品实验分析由福建省地质测试研究中心承担，和 年土壤样品实验分析由华北有色（三河）燕郊中心实验室有限公司（原华北有色地质勘查局燕郊中心实验室）承担，汞含量分析 方 法 为 原 子 荧 光 光 谱 法（），检 出 限 为 ，、年的分析报出率均为 。插 入 国 家 一级标准物 质（第期李欢，等：年北京平原区土壤汞时空特征及其影响因素 、）进行质量监控，精密度和准确度合格率均为 。数据处理方法 正态性检验利用 法，在 置信区间下，对 、年土壤汞含量数据进行正态检验和对数正态检验。一般认为，当数据形态服从正态分布时，可用算术平均值代表平均值；当数据形态服从对数正态分布时，可用几何平均值代表平均值；当数据形态为其他分布类型时，可用中位值代表平均值。半变异函数半变异函数是分析土壤元素空间结构特征的地质统计学方法之一 。理论半变异函数模型包括线性模型、指数模型、高斯模型、球状模型等，主要参数包括块金值（）、结构方差（）、基台值（）、变程（）等。块基比（）是反映变量空间结构特征的重要指标。当（）时，表明变量的空间自相关性较强，空间结构主要受结构性因素影响；当 （）时，表明变量的空间自相关性中等，空间结构受结构性因素和随机性因素的共同影响；当（）时，表明变量的空间自相关性较弱，空间结构主要受随机性因素影响。结果分析 参数统计特征表列出了北京平原区 、年土壤汞含量的算术平均值、几何平均值、中位值、标准离差等统计特征值。统计结果显示：年土壤汞含量 的 最 大 值 为 最 小 值 的 倍，变 异 系 数 为 ；年最大值为最小值的 倍，变异系数为 ；年最大值为最小值的 倍，变异系数为 。、年最大值与最小值的数值差别大，且变异系数均超过了 ，说明研究区土壤汞的空间变异性强，分布极不均匀。正态性检验结果（表）表明，、年土壤汞含量的值（）均小于 ，说明汞含量数据既不服从正态分布，也不服从对数正态分布。因此，土壤汞的平均含量用中位值代表。年土壤汞的平均含量为 ，为海河流域的 倍、温带地区的 倍、全国的 倍；年的平 均 含 量 为 ，为 海 河 流 域 的 表土壤汞含量的统计特征值 统计参数算术平均值 几何平均值 中位值 标准离差 变异系数最小值 最大值 峰度偏度 年北京平原区 年北京平原区 年北京平原区 海河流域 温带地区 全国 注：、年的样本量均为 件；海河流域表层土壤（深度段）样本量为 件；温带地区表层土壤（深度段）样本量为 件；全国表层土壤（深度段）样本量为 件；海河流域、温带地区及全国的数据引自文献 。表土壤汞含量数据的正态性检验结果 检验方式年份 法 法值自由度值值自由度值正态检验 年 年 年 对数正态检验 年 年 年 注：法采用 显著性修正。地球科学与环境学报 年倍、温带地区的 倍、全国的 倍；年的平均含量为 ，为海河流域的 倍、温带地区的 倍、全国的 倍（表）。从流域、温度带、行政区划等角度的对比分析结果显示，北京平原区土壤汞含量明显高于海河流域、温带地区以及全国的平均值，呈现富集状态。空间结构特征表为拟合的北京平原区土壤汞的最优半变异函数理论模型及相关参数，拟合模型的选择由判定系数（）和残差（）共同决定。、年的 最 优 拟 合 模 型 均 为 高 斯 模 型，判 定 系 数 为 ，说明选用高斯模型进行拟合的精度较高；年的 残 差 为 ，年 的 残 差 为 ，年的残差为 。、年的残差均小于 ，说明拟合曲线的总体效果较好。变程表示变量具有空间自相关性的范围。年北京平原区土壤汞含量的变程为 ，年的变程为 ，年的变程为 ；和 年的变程基本相同，但略小于 年。、年的块基比分别为 、，均介于 ，说明北京平原区土壤汞的空间自相关性中等，空间结构受结构性因素和随机性因素的共同影响。表土壤汞的半变异函数理论模型及相关参数 年份拟合模型块金值基台值变程 判定系数块基比残差 年高斯模型 年高斯模型 年高斯模型 时间变化特征箱状图能够反映不同含量区间的数值变化情况。箱状图的上、下短横线分别表示 和 分位数，箱体上限和下限分别为分位数和分位数，箱体内部短线表示中位数的位置。北京平原区 、年土壤汞含量的十分位数值（、）、四分位数值（、）、中位值均呈现出了不 同 程 度 的 下 降 趋 势，特 别 是 从 年 至 年下降趋势更明显（图）。图 、年土壤汞含量箱状图 ，北京 平 原 区 年 土 壤 汞 的 平 均 含 量 为 ，年为 ，年为 。由此可见，从 年至 年，土壤汞 含 量 发 生 了 明 显 变 化，下 降 了 ；而 从 年至 年下降幅度有所减少，为，并逐渐接 近 甚 至 低 于 北 京 市 土 壤 背 景 值（）。这说明经过这些年的生态环境治理，北京地区土壤汞平均含量已接近其本底值。空间变化特征北京平原区 、年土壤汞含量的空间分布特征基本一致（图）。北京城区土壤汞含量普遍偏高，基本在 以上；而远郊区的含量普遍偏低，多低于 。北京平原区存在一个高值含量区、两个低值含量区。高值含量区集中分布在城区的五环路以内；低值含量区主要分布在东北部的顺义区、密云区、平谷区一带，以及南部的大兴区、通州区一带。从总体情况来看，北京平原区土壤汞含量呈现出由城区向四周郊区同心圆状逐渐降低的趋势，城区土壤汞含量最高，近郊区次之，远郊区最低。需要指明的是，北京市西北部和西南部土壤汞含量下降相对明显，这与西部山区（生态涵养区）的环境改善存在密切联系。北京市西部山区煤矿众多（均已关停或退出），含煤地层普遍富集汞。近年来，北京市加大了对生态涵养区的保护力度，陆续开展了矿山植被恢复工程，通过植树造林加强山区生态建设。这些措施有利于固定土壤中的重金属，从而导致由山区向平原区迁移的汞也在减少。北京市西北部和西南部作为山区与平原区的交界地带，土壤特征受山区环境改变的影响最为显著，因此，该区域土壤汞含量下降幅度较大。第期李欢，等：年北京平原区土壤汞时空特征及其影响因素图土壤汞含量的空间分布 讨论 时间变化特征的影响因素随着时间推移