韩玉丽，邱尔发，王亚飞，唐丽清

中国林业科学研究院林业研究所，国家林业局城市森林研究中心，国家林业局林木培育重点实验室，北京 100091

北京市土壤和TSP中重金属分布特征及相关性研究

韩玉丽，邱尔发*，王亚飞，唐丽清

中国林业科学研究院林业研究所，国家林业局城市森林研究中心，国家林业局林木培育重点实验室，北京 100091

城市土壤、大气作为城市生态系统重要组成部分，是城市居民赖以生存的基本物质环境，其重金属污染一直是研究的热点。土地利用方式不同，受到的人类活动影响程度不同，其土壤、大气重金属分布不同。以北京市4个功能区（工业区、交通区、居民区和公园区）为研究对象，通过采集0～20、20～40、40～60 cm的土壤和TSP样品，使用电热板消解和电感耦合等离子体发射光谱仪测定样品中7种重金属元素Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn的质量分数，分析土壤和TSP中重金属的空间分布特征及两者之间的相关关系，旨在正确认识人类活动对城市土壤、大气环境的影响，为北京市环境保护与治理提供理论依据。研究结果表明，（1）北京市土壤重金属Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn的平均质量分数分别为2.62、61.34、11.87、533.82、23.45、24.36、116.42 mg·kg-1。从单因子污染指数来看，Cd、Zn的平均质量分数超过国家《土壤环境质量标准》一级标准限值，污染指数分别为13.1、1.16。（2）空间上，表层土壤重金属元素含量总体表现为工业区、居民区、交通区的含量高于相对清洁的公园区。垂直剖面上，工业区、居民区及交通区的重金属总体上表现出弱的表聚性，公园区土壤表现为很好的原始性。（3）比较TSP中重金属质量浓度最高值与最低值的比值，从大到小依次为：Ni（4.73）>Pb（3.26）>Mn（2.85）>Cd（2.59）>Cu（2.19）>Cr（1.83）>Zn（1.46）。（4）北京市土壤和大气重金属元素之间的相关性不强，说明大气干湿沉降未使北京市土壤重金属含量产生显著变化。

北京；土壤；TSP；重金属；分布特征；相关性

城市土壤不属于分类学上的术语，它是指广泛分布于道路、公园、矿山周围或河道等城市和城郊地区，受到人类活动严重影响，原有自然属性发生强烈改变的土壤总称（张甘霖等，2003）。在城市生态系统中，城市土壤作为一个重要组成部分，不仅为土壤微生物提供栖息地和能量来源，同时作为城市绿化植物的生长介质，供应植物生长所需的各种养分（张甘霖，2005）。随着城市化的快速发展和大量人口向城市的集聚，城市环境问题日趋突出，其中城市土壤重金属污染就是其中之一。重金属污染不仅会对土壤本身结构、理化性质产生影响，不利于植物生长，而且能通过直接接触或食物链富集、浓缩和放大等间接方式对人类健康构成威胁（赵思妍，2013；赵凤兰等，2013；刘候俊等，2012）。许多国内外的研究也表明，工业区、居民区、公路区、城市绿地等区域的城市土壤有不同程度的Cd、Zn、Pb、Cu、As等重金属元素的积累（陈立新等，2007；吴新民等，2003；Grace等，2006），且有明显的人为富集特点。在不同功能区，重金属的种类、含量、分布都有所不同，因此，了解不同功能区城市土壤重金属污染现状以及分布规律有着重要的理论价值，可为土壤重金属预防、治理提供参考依据。

作为一个开放体系，城市土壤与大气环境中其他要素之间在不间断的进行着物质与能量的互换，如环境中的重金属元素可以通过大气干湿沉降、污水灌溉、农药和化肥的施用以及固体废弃物排放等途径进入土壤（赵庆龄等，2010）。其中，大气干湿沉降是重金属元素进入土壤的一个重要途径，是影响土壤生态系统安全的重要因素，黄春雷等（2011）对浙东沿海某典型固废拆解区的研究表明，区内大气干湿沉降大大增加了土壤重金属的含量水平，对土地质量造成严重的负面影响。大气中的重金属浓度与人类活动、经济发展模式、产业结构有着密切联系。因此，研究大气中重金属的分布特征、含量水平及与土壤中重金属的相关关系，对正确认识人类活动对大气、土壤环境产生的影响具有重要意义。

北京市作为全国的政治、文化、经济中心，随着首钢等大型污染企业的外迁、汽车拥有量的急剧增加，大气污染由煤烟还原型逐渐转变为氧化型大气污染，加上北京绿地面积的逐渐增加，大气、土壤重金属含量、分布都有所改变。当前，对北京市土壤、大气重金属的研究多集中在土壤理化性质、空间分布特征以及大气沉降通量等方面（陈潇霖等，2012；郑袁明等，2003；丛源等，2008；刘艳，2009），对不同土地利用方式下土壤垂直剖面中重金属含量变化、大气中重金属分布特征的研究较少。本文采集了北京市不同功能区土壤、大气样品，对其重金属元素的含量水平进行了对比分析，探讨了土壤、大气中重金属元素的分布特征以及土壤—大气系统间重金属的相关性，揭示了北京市土壤、大气重金属元素的积累特征，以期为北京市环境保护与治理提供科学依据。

1 研究地区和方法

1.1 研究地点

本研究的土样采自具有典型北温带半湿润大陆性季风气候的北京市（39.4°～41.6°N，115.7°～117.4°E）。气候特点是夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促，年平均气温10～13 ℃，降水季节分配很不均匀，全年降水的75%集中在夏季。

近年来，随着北京市经济的快速发展、人口数量的迅猛增加，给城市土壤造成较大影响。结合北京市土地利用方式现状，分别选取朝阳公园南路、海淀区魏公村、石景山高井热电厂和北京植物园作为交通区、居民区、工业区和公园区4个功能区的代表，进行布点和取样（图1）。朝阳公园南路位于北三环与北四环之间，紧靠北京市四环以内最大的城市公园——朝阳公园，车流量大，绿化较好，树种较多，养护管理工作相对到位；魏公村是北京市老居住区的典型代表地点，建成年代久，人口较为密集；高井热电厂位于北京市石景山区，始建于1959年，在全市发电厂中规模较大；北京植物园建于1955年，坐落在西山脚下，距市中心23 km，园内栽种有大量类型各异的树木和花草，环境质量良好，基本保持着自然土壤和生态环境特点。

图1 4个功能区在北京市的分布Fig. 1 Distribution of 4 functional zones in Beijing, China

1.2 样品的采集和处理

1.2.1 土壤样品的采集及处理

土壤样品的采集按照随机多点混合的原则，采用S形线路在每个功能区内布设5个采样点进行取样。为便于进行比较分析及考虑城市土壤的混杂性，在每个采样点采用深度间隔采样法按 0～20、20～40、40～60 cm的层次，用土钻分层取样，将各层次采集到的5个土壤样品就地混合为一个样品，4个功能区共有12个土壤样品。采到的土样装入塑料袋，注明采样日期、采样人、采样地点和采样土壤层后，带回实验室。土壤样品在白纸上摊开，经自然风干后，去除杂质，用高速万能粉碎机粉碎，并过100目筛，装入塑料袋备用。

表1 采样点的基本情况Table 1 Basic situation of the sampling sites

1.2.2 TSP样品的采集及处理

TSP样品使用青岛崂山电子仪器厂生产的KB-120F智能中流量采样器进行采集。每个功能区同时进行取样，采样时间为2014年4月28─29日，每天采样时段为8:00—18:00。垂直采样高度均为人体呼吸带1.5 m处，采集流量为100 L·min-1，采样滤膜为直径90 mm（有效直径80 mm）的玻璃纤维滤膜。同时，隔2 h记录1次气温、气压、采样流量、采集体积等数据。

1.3 重金属元素分析方法

1.3.1 土壤重金属元素的测定

土壤样品采用混合酸（HF-HClO4）消化（中国林业科学研究院分析中心，1994）。准确称量1.000 g土样于聚四氟乙烯干锅中，加入7 mL HClO4和7 mL HF，放置过夜，180 ℃电热板上加热至果冻状，之后加入7 mL HF，继续加热至近干，加入20 mL蒸馏水，再次加热至近干。冷却后，加入体积分数3%HNO3溶液5 mL，稍微加热，使之充分溶解，并定容至50 mL容量瓶中，同时做空白对照。通过美国Thermo公司的TRIS Intrepid II XSP等离子体发射光谱仪（简称 ICP）测定土壤中 Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn元素的浓度。

1.3.2 TSP中重金属元素的测定

将整张滤膜剪成小块置于Teflon烧杯中，加入10.0 mL HNO3-HCl混合溶液，使滤膜浸没其中，盖上表面皿，在100 ℃加热回流2.0 h，然后冷却。以超纯水淋洗烧杯内壁，加入约10 mL超纯水，静止0.5 h进行浸提，过滤，定容至50.0 mL，待测，同时用空白滤膜做空白试验（HJ 657-2013）。通过ICP测定TSP中各重金属元素浓度。

1.4 数据分析

利用Microsoft Excel2007软件、SPSS17.0软件对数据进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 北京市不同功能区土壤中重金属分布特征

2.1.1 北京市不同功能区土壤中重金属的总体含量水平

北京市不同功能区土壤中7种重金属元素质量分数范围与平均值大不相同（表2），Cd的分布范围为2.09～3.21 mg·kg-1；Cr为48.81～70.59 mg·kg-1；Cu为 3.58～20.78 mg·kg-1；Mn为 478.96～623.90 mg·kg-1；Ni为19.88～27.50 mg·kg-1；Pb为13.95～33.38 mg·kg-1；Zn为79.27～150.94 mg·kg-1。对同一功能区土壤中7种重金属元素质量分数进行比较，发现，总体上4个功能区的变化规律基本一致，除工业区大小顺序为 Mn>Zn>Cr>Ni>Pb>Cu>Cd，其余 3个功能区从大到小依次为 Mn>Zn> Cr>Pb>Ni>Cu>Cd；对比不同功能区土壤中同一重金属元素质量分数，其变化趋势不明显。

各功能区土壤中7种重金属元素平均质量分数与北京市土壤重金属背景值调查结果相比较（表2），可以看出，4个功能区土壤中Cd、Cr、Zn元素质量分数均高于背景值，Cu、Ni、Pb（居民区除外）元素质量分数均在背景值以内；与国家环保总局颁布的GB 15618-1995《土壤环境质量标准》一级标准比较，所采集土壤样品中 Cd、Zn（工业区除外）元素质量分数均高于背景值，Cr、Cu、Ni、Pb元素质量分数均低于背景值。总体来看，北京市土壤中Cd、Zn受城市化进程影响较大，在整个市域范围上都有所污染；其他重金属元素质量分数都相对低于背景值，这可能与近几年北京重工业企业外迁、经济结构转型以及城市绿化覆盖率的提升从而对重金属进行阻隔、过滤和吸附作用有关。

表2 北京市不同功能区土壤重金属元素质量分数Table 2 Soil heavy metal concentrations in different functional zones of Beijing city mg·kg-1

2.1.2 不同深度土壤中重金属元素的空间分布特征

土壤中重金属元素含量受多种因素的影响，如成土母质、植物富集、人为源等，导致不同城市区域土壤中重金属变化较大，含量分布不均匀。表 3为北京市不同深度土壤中重金属元素质量分数。

从不同深度土壤中 7种重金属平均值来看，0～20 cm的空间分布表现为工业区>居民区>交通区>公园区，20～40、40～60 cm均表现为工业区>公园区>居民区>交通区；而对于不同深度土壤中各重金属元素质量分数，其空间分布特征表现差异较大。

表3 北京市不同深度土壤中重金属元素质量分数Table 3 Soil heavy metal concentrations in different depth of Beijing city mg·kg-1

0～20 cm土壤中7种重金属元素质量分数在不同功能区存在明显差异，规律性不一致，总体上，7种重金属质量分数的最小值出现在或接近绿化较好的公园区，但是最大值存在较大差异。Cd、Mn、Ni在工业区，Cr、Pb、Zn在居民区，Cu在交通区有最大值。

20～40 cm土壤中7种重金属元素质量分数在不同功能区表现各不相同，Cd工业区>居民区>公园区>交通区，Cr居民区>工业区>公园区>交通区，Cu居民区>交通区>工业区>公园区，Mn工业区>交通区>公园区>居民区，Ni居民区>工业区>公园区>交通区，Pb居民区>公园区>交通区>工业区，Zn公园区>交通区>居民区>工业区。

40～60 cm土壤中Cd、Cr元素质量分数规律一致，均为公园区>工业区>居民区>交通区；Cu、Pb元素质量分数在居民区有最大值，在工业区有最小值；Mn、Ni元素质量分数的最大值均出现在工业区，最小值分别在居民区和交通区；Zn元素的最大质量分数与中层土壤一致，出现在公园区，但最小质量分数在居住区。

对同一土层7种重金属元素分别进行ANOVA方差分析（表3），结果显示除了交通区、公园区之间的Cr元素（0～20 cm），居民区、交通区之间的Cu元素（0～20 cm），居民区、公园区之间的 Mn元素（0～20 cm）、Ni元素（40～60 cm），工业区、公园区之间的Cu元素（20～40 cm）、Cd元素（40～60 cm）差异不显著（P>0.05），以及居民区、公园区之间的Cd元素（20～40 cm）差异显著（P<0.05）外，其它同一深度不同功能区土壤中同种重金属元素之间均为差异极显著（P<0.01）。

2.1.3 不同功能区土壤重金属元素的垂直分布特征

与自然土壤相比，城市土壤受到各种各样人为活动的强烈影响，如混合、填埋、践踏及污染等，不仅使土壤本身的特性受到影响，而且土壤本身的发育层次也被打乱，主要表现为土壤剖面结构混乱、无层次、侵入体多等，造成城市不同地区或同一地区不同深度的土壤中重金属元素含量不存在一致的规律性。

对比不同功能区土壤中7种重金属元素的平均质量分数（表3），工业区、交通区、居民区0～20 cm层土壤中的重金属质量分数均高于 20～40、40～60 cm层，存在一定程度上的表聚性；公园区土壤重金属质量分数为 0～20 cm层<20～40 cm层<40～60 cm层，受人为活动干扰较小，自然属性保存较好。

图2为北京市不同功能区土壤中7种重金属元素的垂直分布（其中Cd、Cu元素的质量分数扩大10倍）。

工业区土壤中7种重金属元素的垂直分布特征为：Cd、Cr、Ni元素在3个土层中的质量分数较为接近，3种元素质量分数的最大值都出现在0～20 cm的土壤中，最小值因元素种类而异，Cd、Ni在20～40 cm层，Cr在40～60 cm层；Cu元素的质量分数变化趋势比较明显，0～20 cm层>20～40 cm层>40～60 cm层；Mn、Zn 2种元素在20～40 cm层中的质量分数低于0～20 cm层和40～60 cm层；Pb元素质量分数表现为“两边高，中间低”的分布趋势，即0～20 cm层>40～60 cm层>20～40 cm层。

居民区土壤中7种重金属元素的垂直分布特征为：Cd、Cr、Ni、Pb 4种元素变化趋势一致，最小值均出现在40～60、0～20和20～40 cm层的质量分数基本一致；Cu元素的分布规律为20～40 cm>0～20 cm>40～60 cm；Mn、Zn元素质量分数分布特征与工业区Cu元素的分布相同。

图2 不同功能区土壤重金属元素的垂直分布Fig. 2 Vertical distribution of soil heavy metal concentrations in different functional zones

交通区土壤 7种重金属元素的垂直分布特征为：除Zn元素质量分数的最大值分布在20～40 cm层，最小值在0～20 cm层以外，其余6种重金属元素的最大值都在0～20 cm层，Cr、Cu、Mn、Ni元素的最小质量分数分布在40～60 cm层；Cd、Pb元素在20～40 cm层的质量分数略低于40～60 cm。

植物园土壤中7种重金属元素的垂直分布特征为：Cd、Cr、Ni元素在剖面上的质量分数相差不大，表现为在40～60 cm层的质量分数略高于0～20 cm层和20～40 cm层；Cu、Pb、Zn元素最大质量分数出现在20～40 cm层，最小质量分数分别在40～60 cm层、40～60 cm层和0～20 cm层；Mn元素的质量分数分布为随垂直深度的增加而逐渐升高。

对土壤中重金属元素之间的相关性进行分析，可以用来推测重金属元素的来源是否相同，若重金属元素含量之间有相关性，可以猜测其有相同来源，反之，来源不同（Robertson等，2003）。为探讨各种重金属的来源问题，对北京市不同功能区土壤中7种重金属元素之间的相关性进行分析。结果如表4所示，除Cd和Cr、Mn之间，Cr和Ni之间存在极显著相关性（P<0.01），Cd和Ni之间、Cu和 Pb之间存在显著相关性（P<0.05）外，其他元素间的相关性均未达到统计上的显著水平（P>0.05）。

表4 各重金属元素在不同功能区土壤中的相关性Table 4 Correlations of soil heavy metal in different functional zones

2.2 TSP中重金属元素分布特征

北京市不同功能区TSP中7种重金属元素质量浓度分布情况如图3所示。各重金属元素都有不同的特点，其分布范围分别为：Cd，0.0012～0.0031 μg·m-3；Cr，0.0073～0.0134 μg·m-3；Cu，0.0402～0.0878 μg·m-3；Mn，0.0783～0.2232 μg·m-3；Ni，0.0031～0.0266 μg·m-3；Pb，0.0365～0.1191 μg·m-3；Zn，4.3509～6.3349 μg·m-3。比较各重金属质量浓度最高值与最低值的比值，从大到小依次为：Ni（4.73）>Pb（3.26）>Mn（2.85）>Cd（2.59）>Cu（2.19）>Cr（1.83）>Zn（1.46）。

图3 不同功能区TSP中7种重金属质量浓度Fig. 3 Concentrations of 7 kinds of heavy metals in TSP in different functional zones

从图3可看出，Cr、Cu、Mn、Pb 5种元素都表现为工业区、交通区的质量浓度高于居民区、植物园的质量浓度；Ni元素的空间分布表现为工业区值最高，其次为植物园、居民区，交通区的质量浓度最低；Zn元素的质量浓度顺序为居民区>植物园>工业区>交通区，但植物园、工业区和交通区 3个功能区的质量浓度差别不是很大。

表5 各重金属元素在不同功能区TSP中的相关性Table 5 Correlations of TSP heavy metal in different functional zones

对北京市不同功能区 TSP中各重金属元素两两之间进行相关性分析（表 5），结果显示，除 Cr与Cu极显著相关（P<0.01），Cd、Mn与Pb之间

显著相关（P<0.05）外，其他重金属元素之间均不存在显著或极显著的相关性。

2.3 土壤和TSP中重金属的相关性

当大气中的重金属超过一定限值时就会对人体健康产生直接伤害，此外，其中的一部分会随降水、将尘而沉降到地面，对土壤生态系统产生不良影响。

利用数据分析软件SPSS 17.0对北京市不同功能区土壤重金属含量与 TSP中重金属进行 Person相关性分析（表6），可以看出，土壤与TSP中各重金属元素之间的相关性各不相同。其中，仅土壤和TSP中的Cd-Ni、Pb-Zn、Zn-Mn元素之间存在显著相关性（P<0.05），相关系数分别为 0.982、0.966、-0.989，其他元素之间均未达到显著水平。

表6 不同功能区土壤与TSP中重金属元素的相关性Table 6 Correlation of heavy metal concentrations between soil and TSP in different functional zones

对北京市不同土壤层与 TSP中各重金属元素间的相关性进行进一步分析（表7），Person分析表明，不同土层与TSP中各重金属元素间相关性有正有负，其中TSP与0～20 cm土壤层的Mn-Mn元素，与20～40 cm层的Mn-Mn元素，以及TSP中的Zn元素与40～60 cm层的Pb之间呈显著正相关趋势（P<0.05），相关系数分别为0.981、0.958、0.981；而TSP与20～40 cm层的Pb-Pb元素间呈显著负相关趋势（P<0.05），相关系数为-0.959。

表7 不同土壤层与TSP中重金属元素的相关性Table 7 Correlation of heavy metal concentrations between different soil layer and TSP

3 结论与讨论

3.1 结论

1）城市土壤重金属含量受人为活动影响较大，不同种类的重金属含量有所不同。北京市同一功能区土壤中 7种重金属元素质量分数大小总体趋势为：Mn>Zn>Cr>Pb>Ni>Cu>Cd。

2）北京市土壤中 7种重金属分布特征研究结果表明，空间上，表层（0～20 cm）土壤中重金属元素质量分数总体表现为工业区、居民区、交通区的质量分数高于相对清洁的公园区；7种重金属元素在工业区、居民区及交通区土壤剖面中的分布总体上以表层质量分数最高，在公园区土层中的分布则没有很一致的规律性。

3）通过对北京市土壤和大气重金属进行Person相关分析发现，不同功能区土壤和TSP中仅Cd-Ni、Pb-Zn、Zn-Mn元素之间存在显著相关性（P<0.05），不同土层和TSP中7种重金属只有Mn、Zn、Pb元素在两者之间呈显著相关，而其他元素之间未达到统计上的显著相关。

3.2 讨论

3.2.1 北京市土壤重金属污染评价

土壤重金属污染指土壤中的重金属过量积累，导致含量过高超过背景值。目前，单因子指数法是国内评价土壤重金属污染程度的一种常用方法，采用公式重金属元素污染指数=重金属元素的实测浓度/参考的土壤环境标准值（采用GB 15618-1995土壤环境质量标准中各重金属的一级标准限值），若污染指数≤1，表示土壤未受污染；指数>1，表示已受污染；污染指数越大表示受污染程度越严重（徐燕等，2008）。表8为北京市土壤重金属元素污染指数，可以看出，单因子污染指数从大到小依次为Cd>Zn>Pb>Cr>Ni>Cu，其中Cd、Zn元素污染指数超过1，表明北京市土壤已受到Cd、Zn的污染，Cd元素污染尤为严重，土壤中的重金属可通过土壤悬浮颗粒物直接或间接的对人体健康造成危害，尤其是对儿童的危害要更大，因此，要特别加强这两种重金属来源的分析与治理。

表8 北京市土壤重金属元素污染指数Table 8 Soil pollution index of heavy metal in Beijing city

镉的污染源主要来自工业源，如电池、电镀、塑料稳定剂等，随着备战 2008年奥运会，北京市实施经济转型，大型污染企业都已经外迁，污染源减少，但是由于重金属污染的隐蔽性、不可逆转性和长期性等特点，北京城市土壤中已经有一定量的镉积累；另外，煤炭中也潜存有一定量的 Cr元素（杨景辉，1995），冬季北京市有些地区通过燃煤供暖，产生飘尘将重金属元素释放到大气环境中，然后沉降富集到土壤中。随着北京市汽车保有量的不断增加，交通活动引起的重金属污染问题不容忽视，如汽车轮胎磨损及发动机润滑油的燃烧是Zn、Cd的主要来源（Markus和Mcbratney，1996；Wilcke等，1998），此外路面安全栏的腐蚀、防腐镀锌汽车板的使用所产生的大量含 Zn粉尘（Al-Khashman，2007），都会导致土壤中重金属元素的增加。

一些研究也表明，北京市土壤重金属污染除与人类活动有关外，城市土壤本身固有的理化性质也是影响城市土壤重金属污染的重要因素（Navas和Machin，2002），如北京市土壤pH值呈碱性、有机质含量低、肥力差等，使土壤对外来重金属元素具有一定的吸收、固定和积累作用（庞静，2008）。

3.2.2 北京市土壤重金属的分布特征

（1）空间上。自然土壤中重金属含量主要受成土母质和生物残体的影响，因此元素含量水平波动较小，分布规律较为稳定。但随着社会的进步，城市化进程的加快，各种新的污染源相继出现，人为活动的干扰作用也越来越强烈，具体表现为不同土地利用方式下城市土壤重金属污染特征呈现出显著差异。总体来说，工业区、交通区、居民区等人类活动较为密集的地区，重金属污染较为严重；而公园、风景区、城郊等人为活动较少的地区，其重金属污染较轻或未受污染（徐福银和胡艳燕，2014；郭伟等，2013；卢德亮等，2012），本研究结果与此基本一致。此外，土壤重金属污染强度也与距污染源远近、气候环境、时间长短等因素有关，方凤满等（方凤满等，2010）对芜湖燃煤电厂周边土壤中砷汞的研究表明，距电厂1 km处最大，1 km内次之，1 km以外随距离增大而减小，其中汞随距离衰减明显，此外，土壤中汞含量在东南—西北主导风向上明显大于东北—西南非主导方向；陈潇霖等（2012）研究显示，公园外重金属含量超过公园内，车流量大、堵车严重地区土壤重金属含量较高；郑袁明等（2002）对北京市公园土壤的试验结果表明，土壤 Pb含量随公园建园时间的延长呈不断增长的趋势。

自人们认识到土壤重金属的危害以来，不断采取各种物理、化学、生物措施对其进行治理，如减少污染源、利用植物的吸收作用来降低土壤中重金属含量等等。而城市土壤中重金属以人为源为主，通过减少污染源会对不同功能区同一种重金属元素分布格局产生影响。如本研究中 Pb元素表现为居民区含量大于交通区，主要在于无 Pb汽油的使用减少了交通区 Pb的污染源，而居民区除受大气降尘影响外，还与含重金属的电池、金属装饰器材等日常垃圾的污染有关。因此，对重金属来源进行分析有非常重要的意义。

（2）垂直剖面。除公园区外，北京市其他3个功能区土壤在垂直剖面上，表层土壤存在一定程度的重金属积累，一方面说明人类活动是其重要来源，土壤母质作为内源是北京市土壤重金属含量的次要来源；另一方面，土壤重金属的表聚性与土壤中存在着的有机胶体、无机胶体和有机—无机复合胶体有关，它们对重金属有较强的吸附和螯合能力，限制了重金属在土壤中的迁移能力（李梦红，2009）。虽然，北京市土壤重金属存在表聚现象，但其表聚性较弱，7种重金属元素含量在剖面各层次中的差异性较小，垂直分布规律较差，主要原因可能在于人类对城市土壤的扰动打破了土壤原有的自然垂直分布状态，使土壤剖面上下层之间在发生学上的联系被破坏、扰乱；其次北京市有些土壤，特别是行道树下的土壤，是经从其他地方运来后填埋而成，可能对垂直分布产生一定影响。此外，土壤重金属可以随水分的流动而进行迁移，北京市土壤水分除受到降雨影响外，在对北京市城市绿地管理、养护过程中的灌溉措施也对其有较大作用，进而影响重金属的分布。

相比其他功能区，公园区要远离各污染源，土壤中重金属元素含量表现为：表层土壤重金属元素的外来性不是很明显，中、下层土壤中重金属含量要高于表层土壤，公园区土壤表现为很好的原始性。

3.2.3 大气沉降对土壤重金属累积的影响

土壤中重金属的含量除了受污水灌溉、固体废弃物、过量施用农药化肥等污染外，大气沉降是土壤重金属元素污染的一个主要来源，如 Kloke（1984）研究发现，相比其他各种外源输入因子，大气降尘对工业发达国家土壤系统中重金属的累积贡献率居于首位。

大气中的重金属主要来自机动车尾气、大气飘尘、粉尘和工业废气，它们经过自然的沉降、雨水的淋溶进入土壤，因此，大气中重金属浓度高低直接影响大气沉降对土壤重金属的输入量，邹海明等（2006）对焦作市的研究表明不同区域大气污染状况与大气沉降输入土壤重金属的量的顺序一致，矿区高，近郊和市区次之，远郊和公园最低；王定勇等（1999）发现土壤中Hg含量随大气Hg浓度的升高而升高，土壤系统中Hg累积量与大气Hg浓度有显著的相关性。

北京市土壤和大气重金属的相关性分析结果，一方面说明大气干湿沉降作为影响土壤重金属含量的一种外援输入途径并未使北京市土壤中重金属含量产生显著变化，可能与土壤中元素的含量受多种因素的控制有关，如成土母质、风化作用、土壤矿物组成特征及人为活动等；另一方面可能与北京市大气沉降中的元素来自远源有关，如沙尘天气会带来外源降尘，在一定程度上会削弱本地物质来源的贡献（丛源等，2008）。

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Study on Heavy Metals Distribution and Correlation in Soil and TSP of Beijing

HAN Yuli, QIU Erfa, WANG Yafei, TANG Liqing
Forestry Research Institute of the CAF, Research Center of Urban Forest of the State Forestry Administration, Key Laboratory of Forest Cultivation of the State Forestry Administration, Beijing, 100091, China

As the major component of urban ecosystem, soil and air are the basic material environment for urban residents to survive. Thereby, heavy metal pollution has been become a hot research topic. With different degrees of human activities, the distributions of heavy metal in urban soil and air are not homogenous with different land use manners. Thus in the paper the contents of heavy metals（Cd, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb and Zn）in soil and TSP samples were determined by the electricity plate digestion and Inductively Coupled Plasma(ICP), which were collected from four different functional zones(industrial, traffic, residential, park)in Beijing, China, And the distribution characteristics of 7 kinds of heavy metals in different soil layers, different functional zones soil and TSP as well as the correlations between them were studied. Meanwhile, in this paper also were analyzed the spatial distribution characteristics of heavy metal in soil and TSP and their correlationship, which was beneficial to correctly recognize the influence of human activities on urban soil and air environment and provide theoretical basis for the Beijing environmental protection and management. The results showed that: 1) the average contents of Cd, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb and Zn in urban soil were 2.62, 61.34, 11.87, 533.82, 23.45, 24.36, 116.42 mg·kg-1, respectively. In addition, according to the single factor pollution index, the average contents of Cd and Zn exceeded class I of the soil environmental quality standard and their pollution index were respectively 13.1, 1.16, which was greater than 1 and indicated that soil had been contaminated by cadmium and zinc. 2) In space, the heavy metal concentrations of surface soil in industrial, residential and traffic zones were relatively higher than that in park. In soil vertical cross section, the heavy metals in industrial, residential and traffic zones showed a weak table cohesion, and the soil in park zone maintained a good natural features. 3）The ratio of maximum content value and minimum value of 7 kinds of heavy metal in TSP was (from high to low): Ni(4.73)>(3.26)>Mn(2.85)>Cd(2.59)>Cu(2.19)>Cr(1.83)>Zn(1.46). 4) The correlation between heavy metal contents in soil and that in TSP was not strong, which indicated that atmospheric deposition didn’t produced a significant change to the heavy metal contents of soil in Beijing city.

Beijing; soil; TSP; heavy metal; distribution characteristics; correlation

X131.3；X131.1

A

1674-5906（2015）01-0146-10

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.01.022

韩玉丽，邱尔发，王亚飞，唐丽清. 北京市土壤和TSP中重金属分布特征及相关性研究[J]. 生态环境学报, 2015, 24(1): 146-155.

HAN Yuli, QIU Erfa, WANG Yafei, TANG Liqing. Study on Heavy Metals Distribution and Correlation in Soil and TSP of Beijing [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(1): 146-155.

国家“十二五”科技支撑计划项目（2011BAD38B03）

韩玉丽（1988年生），女，硕士研究生，主要研究方向为城市林业*通讯作者：邱尔发（1968年生），男，副研究员，博士，主要从事森林培育研究。E-mail：efqiu@163.com

2014-10-14