熊秋林,趙佳茵,趙文吉*,王皓飛,李威望,于 雪,歐 陽,楊興川(.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院城市環(huán)境過程與數(shù)字模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,北京 00048；.北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,北京0087)

北京市地表土重金屬污染特征及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

熊秋林1,趙佳茵2,趙文吉1*,王皓飛1,李威望1,于 雪1,歐 陽1,楊興川1(1.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院城市環(huán)境過程與數(shù)字模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,北京 100048；2.北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,北京100871)

為研究北京市地表土重金屬污染特征及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),于2013年11～12月采集了北京市不同功能區(qū)的表土樣品,用沉析法進(jìn)行沉降和分級,共得到49組不同粒徑的地表土樣,并用ICP-MS測試了樣品中Cr、Ni、Cu、Zn、Mo、Cd、Ba和Pb等8種重金屬的濃度.北京地表土中Cd、Cu、Zn和Pb的平均濃度分別為1.4mg/kg、85mg/kg、333mg/kg、69mg/kg,且4種重金屬在道路交通中的污染均明顯重于其他功能區(qū). Cd、Cu、Mo、Ni、Pb和Zn的地累積指數(shù)隨粒徑的減小而升高,粒徑越小,其污染程度越高.道路交通表土重金屬總的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)高于其他功能區(qū),程度很強(qiáng);工業(yè)區(qū)和城鄉(xiāng)結(jié)合部的總的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)次之,程度較強(qiáng).北京不同粒徑地表土總的重金屬潛在生態(tài)指數(shù)隨粒徑的減小而增大,粒徑越小,其生態(tài)健康風(fēng)險(xiǎn)越大.北京地表土重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)以Cd的為主.

地表土；重金屬；粒徑分布；地累積指數(shù)；潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

城市地表土作為重金屬的重要載體,嚴(yán)重危害城市人群和水體,且對大氣 PM2.5重金屬貢獻(xiàn)較大[1-3].地表土重金屬污染已成為一個(gè)重大的環(huán)境問題,對表土重金屬污染特征以及由其引發(fā)的生態(tài)及人體健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行系統(tǒng)分析具有重要意義.不少學(xué)者[4-7]從功能區(qū)的尺度探討了表土重金屬的空間分布及其季節(jié)變化,發(fā)現(xiàn)整體上國內(nèi)表土重金屬(Zn、Cu、Cd、Pb等)污染嚴(yán)重;季節(jié)變化對表土重金屬含量影響較大.大量有關(guān)土壤重金屬粒徑分布的研究表明,除Ti和V外,其它金屬元素的含量具有明顯的粒徑效應(yīng),隨著土壤粒徑的減小而增大[8-13]. Zhao[1]、任春輝[14]、Gu[15]采用健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法對灰塵中重金屬的人體健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估,研究發(fā)現(xiàn) Cd是人類健康風(fēng)險(xiǎn)的主要影響因素;農(nóng)業(yè)區(qū)和居民區(qū)的人體健康風(fēng)險(xiǎn)最高. 磁參數(shù)法[16-17]以及統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[18-21]被廣泛應(yīng)用于解析重金屬來源.

近年來,北京土壤重金屬污染較嚴(yán)重,典型功能區(qū)居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、道路交通等均存在不同程度的Cd、Cu、Pb、Zn等重金屬污染及其生態(tài)健康風(fēng)險(xiǎn)[22-26].然而目前系統(tǒng)研究北京市不同功能區(qū)表層土壤多種重金屬污染的的研究還不多,探究不同粒徑表土重金屬污染的研究鮮有報(bào)道.因此,本研究以北京城區(qū)冬季表土中的重金屬為研究對象,研究了不同功能區(qū)表土重金屬的濃度特征及粒徑分布特征,并通過地累積指數(shù)法以及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)法探討了北京城區(qū)冬季表土中主要重金屬的污染特征及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),對于了解首都北京地表土重金屬污染狀況及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)具有重要科學(xué)意義.

1 材料與方法

1.1 樣品采集與預(yù)處理

1.1.1 表土樣品采集 表土樣品采集嚴(yán)格按照國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618-2008)[27]執(zhí)行.在2013年11月和12月連續(xù)干燥7d以上沒有降雨時(shí),在北京城區(qū)及周邊用小型鐵鏟同步收集城市不同功能區(qū)地表0～10cm的松散表層土壤樣品49組,用寫好標(biāo)簽的專用塑料袋密封保存,每個(gè)樣品袋收集不少于300g的顆粒物. 63、32、16、8、4和2μm粒徑的分粒徑表土樣分別要求的采樣深度為10、10、10、10、5和3cm,如表1所示. 采樣點(diǎn)遵循“隨機(jī)、均勻”的布點(diǎn)原則,基本覆蓋北京城區(qū)的主要功能區(qū)(商業(yè)區(qū)8個(gè)、居民區(qū)8個(gè)、道路交通9個(gè)、工業(yè)區(qū)8個(gè)、城鄉(xiāng)結(jié)合部7個(gè)和公園綠地9個(gè)),如圖1.

圖1 北京城區(qū)及周邊表土采樣點(diǎn)分布示意Fig.1 Schematic graph of topsoil sampling points in Beijing City and its surrounding area

表1 沉析法室溫下不同粒徑顆粒的沉降時(shí)間Table 1 Heavy chromatography settlement time of particles with different sizes

1.1.2 表土樣品粒徑分級 將表土樣品用沉析法進(jìn)行沉降和分級.首先,稱取10g表土干樣品過20目篩,去除較大礦物顆粒和其他大顆粒,并使用瑪瑙研磨罐將表土樣品充分研磨后使用硫酸紙保存好,放置在干燥罐中.其次,準(zhǔn)確稱取5g干樣品適量樣品放入離心管,加入 150mL蒸餾水,超聲波振蕩均勻,放置約12h;均勻攪拌4次,充分?jǐn)嚢?倒取上層溶液,多次倒取,去除底部的粗顆粒;加入150mL蒸餾水超聲波振蕩,均勻,放置約20min,離心機(jī)內(nèi) 3000r/min,離心 8min;上層液廢棄,連續(xù)兩次. 然后,將底部樣品加適量蒸餾水,超聲振蕩,轉(zhuǎn)入 500mL燒杯后,加蒸餾水至500mL.根據(jù)粒徑分級的需要以及室溫(15～25℃),確定提取時(shí)間(表 1).最后,把提取的溶液離心8min,倒掉上層清液, 分別得到63、32、16、8、4和2μm粒徑的分粒徑表土樣,把樣品放入烘箱中烘干備用.利用激光粒度分析儀測試隨機(jī)的分粒徑樣品,分別重復(fù)測試3次,3次測試所得的樣品粒度數(shù)據(jù)與篩網(wǎng)記錄的粒徑區(qū)間吻合良好,說明粒徑提取效果較好.以上共得到 49組分粒徑的表土樣品.

1.2 ICP-MS化學(xué)分析

準(zhǔn)確稱取40mg樣品粉末于聚四氟乙烯內(nèi)膽中,加入0.6mL HNO3和2mL HF,封蓋.待靜置后,放入防腐高效溶樣罐罐體,在防腐烘箱內(nèi) 150℃加熱24h.待冷卻后,加0.5mL HCLO4,并敞口放置在 120℃的防腐電熱板上至半干.隨后加入 1mL HNO3和1mL H2O,密閉置于防腐烘箱150℃回溶12h.冷卻后將溶液轉(zhuǎn)移至聚酯瓶內(nèi),并用高純水定容至40mL.

本研究中,樣品元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)測試所用的儀器為美國Perkin Elmer公司生產(chǎn)的Elan DRC II型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS),符合“全國土壤污染狀況詳查土壤樣品分析測試方法技術(shù)規(guī)定”[28]以及最新的《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB15618-2008》[27]中有關(guān)土壤污染分析測試方法的要求.通過ICP-MS測定Cr、Ni、Cu、Zn、Mo、Cd、Ba和Pb等8種重金屬元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù).ICP-MS法可以實(shí)現(xiàn)多元素分析,具有靈敏度高、檢出限低,分析取樣量少等優(yōu)點(diǎn),它可以同時(shí)測量周期表中大多數(shù)元素,測定分析物濃度可低至ng/L的水平.以上元素含量測定工作均在中國科學(xué)院海洋研究所完成.且采用國家海洋沉積物一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì) GBW07315、GBW07316,美國地質(zhì)調(diào)查局玄武巖標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)BCR-2、BHVO-2作質(zhì)量監(jiān)控.

1.3 地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)(Igeo)是由德國科學(xué)家 Muller 1969年提出的用于研究沉積物中重金屬污染程度的定量指標(biāo).Igeo綜合考慮了自然界地質(zhì)過程造成的背景值的影響和人為活動(dòng)對環(huán)境的影響,是反映重金屬分布的自然變化特征和判別人為活動(dòng)對環(huán)境影響的重要參數(shù).近年來,地累積指數(shù)法被廣泛用于土壤風(fēng)沙塵[29]、大氣顆粒物[30-31]以及燃煤電廠周邊積塵[32]等中的元素污染特征研究.本文采用地累積指數(shù)法分析表土中8種重金屬元素污染特征.計(jì)算公式如下：

式中：Igeo為地積累指數(shù);Cn為表土中重金屬元素n的濃度; Bn是重金屬元素n的地球化學(xué)背景值,取北京 A層土壤元素平均值[33];1.5為考慮到各地造巖運(yùn)動(dòng)等效應(yīng)可能引起的背景值差異而取的修正系數(shù).根據(jù)計(jì)算的 Igeo值可判斷表土中元素的污染程度等級,二者的關(guān)系分級見表 2.本研究中對各項(xiàng)土壤重金屬含量進(jìn)行的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析在Excel和SPSS 17.0軟件中完成.

1.4 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)是 1980年瑞典科學(xué)家Hakanson提出的基于元素豐度響應(yīng)和污染物的協(xié)同效應(yīng)的定量指標(biāo)[34],是目前大氣顆粒物[35]、土壤[36-37]和沉積物[38]中重金屬污染程度及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)最為常用方法之一.該方法不僅反映了特定沉積物中單一重金屬的潛在生態(tài)危害,同時(shí)還考慮了多種重金屬的綜合生態(tài)效應(yīng),并定量劃分出重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級,是表征重金屬對生態(tài)環(huán)境影響程度的綜合指標(biāo).計(jì)算公式如下：

式中： Cif為第i種重金屬的污染系數(shù);Ci為樣品f中第i種重金屬濃度的實(shí)測值,mg/kg;Cin為第i種重金屬的背景值, mg/kg;Eir為第i種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù);Tir為第i種重金屬的毒性系數(shù);RI為多種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù).Eir和RI與潛在生態(tài)危害程度關(guān)系分級標(biāo)準(zhǔn)見表3[39].

表2 Igeo與污染程度分級Table 2 Contamination degree corresponding to geoaccumulation index

表3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)的分級Table 3 Classification criteria of the potential ecological risk index

2 結(jié)果與討論

2.1 不同功能區(qū)表土重金屬分布特征

根據(jù)樣品ICP-MS化學(xué)分析結(jié)果,統(tǒng)計(jì)了北京不同功能區(qū)(商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、道路交通、工業(yè)區(qū)、城鄉(xiāng)結(jié)合部和公園綠地)表土(粒級范圍2～63μm)中8種重金屬(Cr、Ni、Cu、Zn、Mo、Cd、Ba和Pb)的濃度分布,如表4和圖2所示.從表4中可以看出,Cd在道路交通、工業(yè)區(qū)和城鄉(xiāng)結(jié)合部濃度較高;Mo在道路交通、工業(yè)區(qū)濃度較高;Ni在不同功能區(qū)濃度相差不大;Pb在道路交通功能區(qū)濃度最高,其次是工業(yè)區(qū)和城鄉(xiāng)結(jié)合部;Cu在道路交通功能區(qū)濃度最高,遠(yuǎn)高于其他功能區(qū),工業(yè)區(qū)和商業(yè)區(qū)次之;Cr在道路交通、工業(yè)區(qū)和商業(yè)區(qū)濃度較高;Zn在道路交通功能區(qū)濃度最高,遠(yuǎn)高于其他功能區(qū),其次是工業(yè)區(qū);Ba在工業(yè)區(qū)功能區(qū)濃度最高,其次是道路交通,與于洋等[22]、Wei等[25]的研究結(jié)果基本一致.

表4 北京不同功能區(qū)表土重金屬濃度(mg/kg)Table 4 Concentrations of topsoil Heavy metals in different function areas of Beijing (mg/kg)

不同粒徑的表土重金屬在不同功能區(qū)濃度的高低順序基本一致,大致為：公園綠地＜居民區(qū)＜城鄉(xiāng)結(jié)合部＜商業(yè)區(qū)＜工業(yè)區(qū)＜道路交通.且重金屬Pb、Cu、Zn、Ba在不同功能區(qū)濃度的差異較大,其中Pb、Cu、Zn三種重金屬在道路交通采樣點(diǎn)處的濃度明顯高于其他功能區(qū)采樣點(diǎn)處,而Ba在工業(yè)區(qū)附近的濃度要高于其他功能區(qū).具體到不同粒徑(63、32、16、8、4和2μm),其重金屬濃度分布在不同功能區(qū)表現(xiàn)出細(xì)微的差異,如圖2所示：(1)63μm粒徑,Cd、Mo、Ni、Pb、Cu、Zn濃度在道路交通監(jiān)測點(diǎn)濃度最高;Cr、Ba在工業(yè)區(qū)監(jiān)測點(diǎn)濃度最高;大部分重金屬在公園綠地監(jiān)測點(diǎn)濃度最低. (2)32μm粒徑,Cd、Mo、Ni、Pb、Cu、Zn、Cr、Ba濃度均在道路交通監(jiān)測點(diǎn)濃度最高,且明顯高于其他功能區(qū);Mo、Pb、Cu、Zn在城鄉(xiāng)結(jié)合部監(jiān)測點(diǎn)濃度次高;Cr、Ba濃度在工業(yè)區(qū)濃度次高;大部分重金屬在公園綠地監(jiān)測點(diǎn)濃度最低.(3)16μm粒徑,Cd、Mo、Pb、Cu、Zn、Cr濃度均在道路交通監(jiān)測點(diǎn)濃度最高,且明顯高于其他功能區(qū);Ni、Ba在城鄉(xiāng)結(jié)合部監(jiān)測點(diǎn)濃度最高;大部分重金屬在公園綠地監(jiān)測點(diǎn)濃度最低.(4)細(xì)表土(8、4和2μm粒徑)中,Cd、Mo、Pb、Cu、Zn、Cr濃度均在道路交通監(jiān)測點(diǎn)濃度最高,且明顯高于其他功能區(qū);Ba在城鄉(xiāng)結(jié)合部監(jiān)測點(diǎn)濃度最高;大部分重金屬在公園綠地監(jiān)測點(diǎn)濃度最低;而 Ni的濃度在不同功能區(qū)之間差異不顯著.

圖2 不同功能區(qū)表土重金屬濃度分布Fig.2 Concentration distribution of topsoil heavy metals in different function area

2.2 表土重金屬的粒徑分布特征

表土的粒徑對吸附在其中的重金屬濃度分布影響較大.8種重金屬粒徑分布如表5.由表5可知,一般來講,表土粒徑越小,其重金屬濃度越高,在細(xì)表土中呈現(xiàn)出一定的富集特征;且其粒徑分布具有分段特征,粒徑2、4和8μm的表土重金屬濃度比較接近,為細(xì)表土,其重金屬濃度最高;粒徑16μm的表土重金屬濃度與其他重金屬濃度存在明顯的“分層”效應(yīng),為中表土,其重金屬濃度較高;粒徑32和63μm的表土重金屬濃度比較接近,為粗表土,其重金屬濃度最低.具體來看,重金屬Cr、Ni、Cu、Zn、Mo、Cd、Ba、Pb在細(xì)表土(2～8μm粒徑)中濃度明顯高于粗表土(32～63μm粒徑),而細(xì)表土之間或者粗表土不同粒徑之間存在細(xì)微差異.不同粒徑表土中重金屬含量隨粒徑增加而降低的結(jié)果與陳景輝等[8]、康丹等[9]對西安市土壤重金屬粒徑分布的研究結(jié)果較一致.

從功能區(qū)尺度來看,不同功能區(qū)的表土重金屬粒徑分布特征有所差異.如圖3所示,各功能區(qū)表土重金屬粒徑分布特征如下：(1)商業(yè)區(qū),除Ba外,其余重金屬粒徑分布明顯,隨著粒徑增大,重金屬濃度呈階梯式遞減;(2)居民區(qū),除Ba、Cd外,粒徑分布明顯,隨著粒徑增大,重金屬濃度呈階梯式遞減;(3)道路交通,Cu、Zn、Pb分級明顯;(4)工業(yè)區(qū), Cd、Ni、Zn濃度在2μm粒徑中很突出;(5)公園綠地,除 Ba外,粒徑分布明顯,隨著粒徑增大,重金屬濃度呈階梯式遞減;(6)城鄉(xiāng)結(jié)合部,Cd在 8μm粒徑濃度最高,Mo在 32μm粒徑濃度最高.

表5 北京表土重金屬粒徑分布(mg/kg)Table 5 Concentration distribution of topsoil Heavy metals in Beijing (mg/kg)

圖3 不同功能區(qū)地表土重金屬粒徑分布Fig.3 Heavy metals concentration distribution of topsoil fraction in different function areas

2.3 表土重金屬的污染特征

北京市不同功能區(qū)地表土中重金屬的地累積指數(shù)(Igeo)計(jì)算結(jié)果見表6.由表6可知,重金屬在不同功能區(qū)地表土中的分布有差異,北京不同功能區(qū)表土中重金屬元素的污染程度的大致順序?yàn)椋汗珗@綠地＜居民區(qū)＜商業(yè)區(qū)＜城鄉(xiāng)結(jié)合部＜工業(yè)區(qū)＜道路交通.其中,道路交通中8種重金屬全部呈現(xiàn)出不同程度的污染, Mo、Ba、Ni、Cr輕微污染,Pb輕度污染,Cu、Zn中度污染,Cd重度污染.公園綠地、居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、城鄉(xiāng)結(jié)合部和工業(yè)區(qū)中重金屬M(fèi)o、Ni和Pb的污染級別一致：Mo無污染,Ni和Pb輕微污染. Cd在所有重金屬中污染最嚴(yán)重,其中在公園綠地、居民區(qū)和商業(yè)區(qū)中為中度污染,在城鄉(xiāng)結(jié)合部和工業(yè)區(qū)中為偏重污染,在道路交通中為中度污染. Cu、Zn和Pb在道路交通中的污染明顯重于其他功能區(qū).Mo僅在道路交通處為輕微污染,在其他功能區(qū)無污染;Ba在道路交通和工業(yè)區(qū)為輕微污染,在其他功能區(qū)無污染;Cr僅在公園綠地?zé)o污染.Ni在所有功能區(qū)中污染級別相當(dāng),均為輕微污染.

表6 北京不同功能區(qū)表土重金屬地累積指數(shù)Table 6 Geoaccumulation index of heavy metals in topsoil of different functional areas in Beijing

北京市不同粒徑地表土中重金屬的地累積指數(shù)(Igeo)計(jì)算結(jié)果見表7.由表7可知,北京地表土中大部分重金屬的Igeo值隨粒徑的增加而降低,粒徑越大,對應(yīng)的重金屬地累積指數(shù)越低,其污染程度越小.其中, 10μm以下不同粒徑(8、4、2μm)之間各重金屬的污染級別一致： Mo、Ba無污染, Ni、Cr輕微污染, Pb、Cu、Zn輕度污染, Cd偏重污染. 10μm以上粒徑(16、32、63μm)重金屬Cd、Cu、Pb的Igeo值較10μm以下粒徑對應(yīng)的數(shù)值明顯降低; Zn在32和63μm粒徑處的Igeo值較細(xì)粒徑(16、8、4、2μm)處顯著降低.與此同時(shí),部分重金屬在較粗粒徑處的污染級別相比較細(xì)粒徑處要低一級：重金屬Cd和Cu分別由較細(xì)粒徑(16、8、4、2μm)處的偏重污染和輕度污染降為 32、63μm粒徑處的中度污染和輕微污染; Pb由10μm以下粒徑處的輕度污染降為10μm以上粒徑處的輕微污染; Zn在63μm粒徑處由較細(xì)粒徑處的輕度污染降為輕微污染.

表7 北京不同粒徑表土重金屬地累積指數(shù)Table 7 Geoaccumulation index of heavy metals in topsoil of different sizes in Beijing

2.4 表土重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

表土中含有大量有害元素,尤其是具有毒性和持久毒性的重金屬對人體危害較大.本文采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法分別對北京不同功能區(qū)、不同粒徑表土中Cd、Pb、Cu、Ni、Cr和Zn 6種有毒重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià). Cd、Ni、Pb、Cu、Cr和Zn 6種有毒重金屬元素的土壤背景值[33]依次為為0.1、27、26、23、61、74. Cd、Pb、Cu、Ni、Cr和Zn的毒性系數(shù)[40]分別為 30、5、5、5、2、1.北京不同功能區(qū)和不同粒徑表土中重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)(Eir)及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)計(jì)算結(jié)果分別見表8和表9.北京表土重金屬在不同粒徑和不同功能區(qū)分布上的差異,導(dǎo)致其生態(tài)環(huán)境或人體健康風(fēng)險(xiǎn)的增加或降低.

由表 8可知,不同功能區(qū)表土總的重金屬潛在生態(tài)指數(shù)(RI)大小排序?yàn)椋汗珗@綠地＜居民區(qū)＜商業(yè)區(qū)＜城鄉(xiāng)結(jié)合部＜工業(yè)區(qū)＜道路交通,與表土中重金屬元素的污染程度的順序一致.其中,道路交通(RI為 870.42)重金屬總的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)高于其他功能區(qū),程度很強(qiáng);工業(yè)區(qū)(RI為556.12)和城鄉(xiāng)結(jié)合部(RI為 544.66)總的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)次之,程度較強(qiáng);居民區(qū)和商業(yè)區(qū)的 RI值稍高于300,總的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)偏強(qiáng);公園綠地RI值不到300,總的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)中等. Cd、Pb、Zn在不同功能區(qū)中的單因子潛在生態(tài)危害程度變化較顯著,在城鄉(xiāng)結(jié)合部、工業(yè)區(qū)和道路交通點(diǎn)明顯高于其他功能區(qū);而Cu、Ni、Cr在不同功能區(qū)中的單因子潛在生態(tài)危害程度變化不大.除 Zn外,其余 5種重金屬在不同功能區(qū)表土中的單因子潛在生態(tài)危害程度大小排序具有一致性：Cd＞Cu＞Pb＞Ni＞Cr. Zn在公園綠地和商業(yè)區(qū)中單因子潛在生態(tài)危害程度最底;在居民區(qū)、城鄉(xiāng)結(jié)合部和工業(yè)區(qū)中單因子潛在生態(tài)危害程度僅高于Cr;在道路交通中單因子潛在生態(tài)危害程度高于Cr和Ni.

由表 9可知,北京不同粒徑表土總的重金屬潛在生態(tài)指數(shù)(RI)大小隨粒徑的減小而增大,粒徑越小,對應(yīng)的重金屬總的潛在生態(tài)指數(shù)(RI)越高,其生態(tài)健康風(fēng)險(xiǎn)越大.北京不同粒徑表土均呈現(xiàn)出不同程度的重金屬生態(tài)健康風(fēng)險(xiǎn)：其中 2、4μm粒徑處的重金屬總的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均超過600,生態(tài)健康風(fēng)險(xiǎn)很強(qiáng); 8、16μm粒徑處的重金屬總的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在 300～600,生態(tài)健康風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng); 32、63μm粒徑處的重金屬總的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在 150～300,生態(tài)健康風(fēng)險(xiǎn)中等.大部分重金屬的單因子潛在生態(tài)危害程度隨粒徑的減小而增大,粒徑越小,對應(yīng)的單因子生態(tài)健康風(fēng)險(xiǎn)越大.Cd在較細(xì)粒徑(16、8、4、2μm)處的單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均超過 320,危害程度極強(qiáng);在32和63μm粒徑處的單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)介于 160和 320之間,危害程度很強(qiáng). Cu、Ni、Cr、Pb、Zn在6種粒徑處的單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均不超過40,危害程度輕微.

表8 北京不同功能區(qū)表土重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果Table 8 The potential ecological risk index of heavy metals of different functional areas in topsoil

表9 北京不同粒徑表土重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果Table 9 The potential ecological risk index of heavy metals of different sizes in topsoil of Beijing

3 結(jié)論

3.1 北京表土中不同功能區(qū)表土重金屬濃度的高低順序大致為：公園綠地＜居民區(qū)＜城鄉(xiāng)結(jié)合部＜商業(yè)區(qū)＜工業(yè)區(qū)＜道路交通,且重金屬 Pb、Cu、Zn、Ba在不同功能區(qū)濃度的差異較大,其中Pb、Cu、Zn三種重金屬在道路交通采樣點(diǎn)處的濃度明顯高于其他功能區(qū),而 Ba在工業(yè)區(qū)附近的濃度要高于其他功能區(qū).

3.2 北京表土重金屬濃度具有明顯的粒徑分布特征：表土粒徑越小,其重金屬濃度越高;其中,粒徑 16μm的表土重金屬濃度與其他粒徑之間存在明顯的“分層”效應(yīng).

3.3 北京不同功能區(qū)表土中重金屬元素的污染程度的大致順序?yàn)椋汗珗@綠地＜居民區(qū)＜商業(yè)區(qū)＜城鄉(xiāng)結(jié)合部＜工業(yè)區(qū)＜道路交通.其中,道路交通中8種重金屬全部呈現(xiàn)出不同程度的污染：Mo、Ba、Ni、Cr輕微污染,Pb輕度污染,Cu、Zn中度污染,Cd重度污染.北京地表土中大部分重金屬的地累積指數(shù)隨粒徑的增加而降低,粒徑越大,對應(yīng)的值越低,其污染程度越小.

3.4 北京表土重金屬在不同功能區(qū)和不同粒徑分布上的差異,導(dǎo)致它們的生態(tài)環(huán)境或人體健康風(fēng)險(xiǎn)的增加或降低.道路交通總的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)高于其他功能區(qū),程度很強(qiáng);工業(yè)區(qū)和城鄉(xiāng)結(jié)合部的總的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)次之,程度較強(qiáng).北京不同粒徑表土總的重金屬潛在生態(tài)指數(shù)隨粒徑的減小而增大,粒徑越小,對應(yīng)的值越高,其生態(tài)健康風(fēng)險(xiǎn)越大.北京不同功能區(qū)不同粒徑表土均呈現(xiàn)出不同程度的重金屬生態(tài)健康風(fēng)險(xiǎn),且以 Cd的潛在生態(tài)健康風(fēng)險(xiǎn)為主.

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致謝：本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采樣工作由首都師范大學(xué)研究生束同同、陳凡濤、鄭曉霞等協(xié)助完成,在此表示感謝.

Pollution characteristics and potential ecological risks of heavy metals in topsoil of Beijing

XIONG Qiu-lin1, ZHAOJia-yin2, ZHAO Wen-ji1*, WANG Hao-fei1, LI Wei-wang1, YU Xue1, OU Yang1, YANG Xing-chuan1(1.Urban Environmental Process and Digital Modeling Laboratory, College of Resources, Environment & Tourism, Capital Normal University, Beijing 100048, China；2.College of Environmental Sciences and Enginnering, Peking University, Beijing 100871, China). China Environmental Science, 2017,37(6)：2211～2221

In order to study the pollution characteristics and potential ecological risk of heavy metals in topsoil of Beijing, topsoil samples were collected in different functional areas of Beijing during November 2013 to December 2013. And 49groups of topsoil samples with different particle sizes were obtained using settling-out method after the settlement and classification from the initial samples. Then the concentrations of 8heavy metals Cr, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Ba and Pb were measured by ICP-MS. The results showed that the average concentrations of Cd, Cu, Zn and Pb were respectively 1.4mg/kg, 85mg/kg, 333mg/kg and 69mg/kg in topsoil of Beijing, and the pollution of those heavy metals in traffic areas was significantly heavier than that in other functional areas. Geo-accumulation indexes of Cd, Cu, Mo, Ni, Pb and Zn were negatively correlated with the particle size. That is to say, the smaller the particle size was, the higher the corresponding value would be, and the higher its pollution degree would be. The total potential ecological risks of heavy metals in traffic areas were much higher than those in other functional areas. And the total potential ecological risks of heavy metals in industrial zones and urban-rural fringe areas were the second highest. The smaller the particle size was, the higher the potential ecological indexes would be, and the bigger its potential ecological risk would be. In addition, the potential ecological risk of Cd accounted for the most part of the total potential ecological risks.

topsoil；heavy metal；particle size distribution；geo-accumulation index；potential ecological risk index

X53

A

1000-6923(2017)06-2211-11

熊秋林(1988-),男,江西高安人,首都師范大學(xué)博士研究生,研究方向?yàn)镚IS和RS在城市環(huán)境中的應(yīng)用.發(fā)表論文16篇.

2016-10-17

國家教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(20111102110004);國家青年科學(xué)基金 項(xiàng) 目 (41101404);北 京 市 教委科技 計(jì) 劃 項(xiàng) 目(KM201110028013);北京市教委學(xué)科建設(shè)與研究生教育建設(shè)項(xiàng)目(028-145321400)

* 責(zé)任作者, 教授, zhwenji1215@163.com