摘要：选取北京市典型再生水灌区—凉凤灌区为研究区，对该研究区土壤重金属Ti、Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、Cd 、Pb、V进行了空间变异分析，结果表明：Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、Cd 、Pb均超过北京市土壤背景值，其中Cd、Cr、Zn超标严重。从各重金属变异系数看灌区9种重金属的变异系数由大到小依次为：Zn、Ni、Cr、Pb、Cu、Cd、Mn、V、Ti，其中Zn的变异系数最大为81.76，表明Zn在研究区空间分布上有明显的差异。各重金属与Ti含量的比值表明Zn、Cu和Pb三种元素累积强度受人为干扰活动的影响明显高于其他元素，其次Cr在麦田中富集程度最高，Mn为林地，Ni、Pb为荒地，Cu、Zn、Cd为绿化地。相关分析和主成分分析综合研究结果表明灌溉用水频率、垃圾随意堆放、施肥、大气沉降是造成研究区不同土地利用类型重金属含量特征差异的关键因素。其中Ti 、Mn、V是主要由于自然的因素引起的。Cu、Pb、Zn是主要是由于施用微量元素肥料、污泥的施用以及大气沉降造成的。Cr、Ni是由于污水灌溉中污水的使用频率和使用量所引起。
关键词：重金属；富集；污水灌溉
中图分类号：X833
文献标识码：A文章编号：16749944（2016）14005304
1引言
国内外农业上应用再生水进行灌溉是缓解水资源紧张的有效方式之一。当前北京市水资源总量为40亿m3，人均拥有水资源量仅300 m3，仅农业用水缺口即达到每年10亿m3。而北京市年污水排放量达12亿m3，为缓解农业用水缺口，50%的再生水将用于农业灌溉[1]。但城市再生水的水源、肥源、污染源3种属性决定了再生水灌溉在增加土壤肥力的同时，会产生许多负面效应，如重金属累积、农产品品质变差等不良后果。土壤中的重金属元素可以通过食物链，间接的向人体转移，因此对于土壤中重金属的污染危害的研究则是当前对土壤污染研究的重点与热点。
陈涛等研究表明，在长期污灌区，Cd、Ni、Cu、Zn、Cr、Pb 等金属均存在污染。污灌年限以及距离河道远近，对重金属的富集程度产生了重要的影响[2]。2001年Eeizi M以小麦为研究材料，使用再生水对其进行灌溉，结果显示小麦体内重金属含量比常规水略高，但是并未出现严重的重金属富集的现象[3]。土壤重金属含量由于关系到食物安全及人类健康，作为土壤质量的一个重要评价指标越发地受到关注[4]。2011年杨军等以北京市东南郊凉水河灌区、北野场灌区、井水灌区为研究对象，系统分析了北京市再生水灌溉对土壤、农作物的重金属污染风险，结果表明由再生水灌溉带入的重金属与地下水灌溉带入的重金属相当，再生水灌区土壤重金属污染更大程度上是由于早期的污水灌溉或有机肥施用造成的，与再生水灌溉无直接关系。进一步查阅有无更新的关于再生水灌溉土壤的研究[5]。因此本文着力于本地区不同土壤利用类型以及进一步分类各重金属之间的关系，以找出当前该地土壤重金属累积以及空间变异的规律。
土壤重金属来源可分为自然和人为两大类。自然因素主要是由于当地的成土母质以及土壤侵蚀所表现出不同。重金属的人为输入来源主要有大气沉降、污水灌溉、固体废弃物、农资的使用等。其中大气沉降指大气中的重金属来源为以气溶胶的形态进入大气重金属，并通过自然沉降和降水的方式进入土壤[6]。大气中Pb、Cd、Cu、Zn重金属部分来自汽车汽油、发动机、轮胎、润滑油和镀金部分的燃烧或磨损[7]。2011年师彦武等对北京市凉凤灌区的研究表明Ni、Cu、Zn比北京市背景值略高，表明再生水灌溉区土壤比井灌区土壤这几种重金属有一定积累[8]。和莉莉等在2008年的研究发现垃圾堆放处在雨水的淋洗下会向土壤释放重金属有效态部分，使得重金属元素的迁移能力增强，增加了对地下水的危害[9]。化肥、有机肥和农药是土壤中重金属元素Cr、Ni、Cu、Cd、Zn的重要来源。施用的肥料质量和数量是影响不同利用方式中土壤重金属含量的主要因素[10]。2002年刘润堂等对我国污水灌溉的现状以及问题作了详细的总结，并提出了相应的对策[11]。
2研究区域概况与研究方法
2.1研究区域概况
调查区域为北京凉凤（凉水河及凤港碱河）灌区. 该区域位于北京市西南，属大陆性季风气候，受季风影响，春季干旱多风，年降水量约620 mm. 主要土壤类型为褐潮土、砂姜潮土。调查范围在39°42′0″～39°49′30″N， 116°31′30″～116°46′30″E。
研究区域从20世纪60年代初开始进行污水灌溉，主要引用凉水河及凤港碱河的污水，其污水主要来自南郊工业区的工业及生活废水。历经30余年的污灌，在20世纪90年代初期开始，污水灌溉的危害开始被公众重视，污灌面积逐渐减小，再生水多为达标排放的中水[12]。本研究区域主要使用来自小红门污水处理厂以及黄村污水处理厂的再生水进行灌溉。
2.2取样方法
调查于2013年1月，对凉风灌区进行按经纬度1′30″进行分割，将该灌区划分为50个经纬格.对每个经纬格内的典型土地利用类型进行观察记录，并对该土地利用类型进行采样，对于有多个典型类型的地图进行多点采样， 采取表层（0～20 cm）土壤约1 kg组成混合样品，共采集土壤样品61个。
2.3样品测定与数据分析
将样品在室温下干燥并剔除其中侵入体和新生体，经研钵研磨处理，全部过200目尼龙筛，储存备用。使用“HNO3—HF”消解法，利用电感耦合等离子发射光谱法（ICP-OES）测定Ti、Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、Cd 、Pb、V。
本文土壤重金属的平均值、变异系数、金属相关性、痕量金属比值、不同土地利用类型聚类分析以及主成分分析均使用SPSS19.0版本进行数据转换、分析成图。
3灌区重金属研究
3.1灌区重金属统计特征
将灌区重金属测定结果与北京市土壤背景值进行比较（表1），从表1可以得出Cr、Mn 、Ni、Cu、Zn、Cd ，均显著的超过当地背景平均值，Pb的平均值甚至低于北京市土壤背景值， Pb虽然在平均值上小于北京市土壤背景值，但是在最大值上仍有超过平均值的采样点，因此在凉凤灌区当地的Cr、Mn 、Ni、Cu、Zn、Cd 、Pb，均存在累积现象。从变异系数可以看出本次测定的9种重金属元素变异系数由大到小依次为Zn、Ni、Cr、Pb、Cu、Cd、Mn、V、Ti。其中Zn的变异系数最大为81.76，属于强变异，表明土壤中的Zn受到外界干扰严重，空间分异现象较强。其次为Cr、Ni、Pb，具较高变异系数值，表明这些重金属元素在空间上存在一定程度的分布不均匀性。究其原因主要归结于耕作、管理措施、污染等强烈的人为活动的影响[13]。测试结果与1976年和2004年的土壤重金属含量进行比较，结果表明Cr、Cu、Zn、Cd均有明显富集，而Pb浓度较历史值相呈现一定程度的降低趋势，该变化趋势可能由于早期使用污泥、污水造成Pb高度富集，而后期使用达标排放的再生水一定程度上对该研究区Pb迁移发挥作用，也说明该灌区后期土壤中 Pb 主要来源于大气沉降和垃圾堆放。
3.2相关统计分析
相关分析可以用来检验成对数据之间的相似性[14]。本文利用SPSS19中的相关分析对污灌区土壤中9种重金属进行偏相关分析（表2）。从表可以看出Cr与Ni高度相关，说明Cr和Ni元素属于复合污染，且二者具有高度同源性；其次Mn、Ti与V之间两两高度相关，而Cu、Zn与Pb之间两两高度相关，同样说明该不同组内三元素为复合污染，且具有同源性的污染特点。
3.3重金属富集情况
在自然界中，元素与重金属之间存在一定的比例关系，这些比值主要取决于地球化学循环过程。其中，痕量金属与稳定元素比值可以揭示由于人类活动使得痕量金属浓度提高而引起的地球化学不平衡[15]。在本研究中，Ti的变异系数仅为7.3%，表明该元素在研究区空间差异较小，即Ti含量在研究区较为稳定，可以作为与该区痕量金属比较的元素。表3给出了各重金属与Ti含量的比值。从表中可以看出各个元素的与各个元素在不同土地利用类型上的富集程度，同种元素在不同土地利用类型上都表现出富集程度有所不同。其中Cu、Zn、Pb三种元素与痕量金属相比比值较大，因此这三种元素受到的人类活动的影响最大。为进一步分析土地利用类型对该研究区土壤重金属空间变异的影响，我们分别计算了不同土地利用类型下各重金属与Ti含量的比值，可以看出这8种重金属在不同土地利用类型中的富集程度是不同的。其中Cr在麦田中富集程度最高，Mn为林地，Ni、Pb为荒地，Cu、Zn、Cd为绿化地，V为水田。Cr在麦田的富集程度高，表征该元素重要来源为农田施用的有机肥以及常年的污水灌溉。而Mn、Ni、Pb所处的林下以及荒地则因为当地垃圾随意堆放而导致生活垃圾中的大量重金属元素随降水冲刷而迁移至土壤，且据调查当地所采荒地样点数年前为麦田。Cu、Zn、Cd所处的绿化用地，因其多年施用大量的化学肥料，研究表明磷肥中Cd的含量较高[16]，而Cu与Zn则常作为微量元素肥料施用。总的来看，Ni、Zn两元素的富集程度远大于其他几种重金属元素，指示Ni、Zn受人为因素的影响程度远高于其他重金属元素。由于近年来当地居民用地扩大，导致部分村庄外围麦田废弃，堆放垃圾。这也与Ni、Cr具有同源性的研究结果相吻合。
3.4不同土地利用类型关系分析
由于土地利用类型为非数值型参数，在进行统计分析之前需进行赋值。进一步对原始数据进行转置、聚类分析并形成树状图（图1）。在相似性系数为10%处进行划分，可以将研究区土地利用类型分为4类。这4大类依据与灌溉水的接触频次及水质类型进行7种土地利用类型分群并类。其中，绿化用地由于使用机井中的浅层地下水而与其他土地利用类型有所不同，成为机井灌溉型。除绿化用地外，其他6种土地利用类型根据其灌溉频次分为3类。第一类为常接触型，由麦田以及水田组成，这两类用地类型由于常年接受污水灌溉引起其重金属积累显著；第二类为过渡型，菜地由于灌溉频率次数适中且当地近年来部分菜地改用地下水灌溉而区别于其他类型；第三类由荒地、林地、果林三种构成，这三种用地类型接受污水灌溉，但接触时间与强度不及前两类，其次由于近年来当地居民用地扩大，导致荒地及林地堆放垃圾和农家肥，污水灌溉和垃圾堆放综合作用导致荒地、林地和果林三者组成一个独立的类群。
3.5主成分分析
从表4可以看出，主成分分析与相关分析分析结果具有一致性。前三个主成分累积了73%的贡献率，能够反映数据的大部分信息。第一主成分包括：Ti 、Mn、V；第二主成分包括：Cr、Ni；第三主成分包括：Cu、Zn、Pb。 第一主成分被认为是由于自然的因素引起的，主要受岩石组成和流域侵蚀的影响。第二和第三主成分被认为是人为的因素引起的。结合土地利用类型分类结果解析第二主成分主要是由于灌溉频次高和肥料等使用引起的；而第三主成分主要是由于施用微量元素肥料、污泥的施用以及大气沉降造成的，污水灌溉频次低。虽然如今该地区的污水多经过污水处理厂处理，但由于在污灌初期当地使用了大量含有超标重金属的污泥、污水进行灌溉导致当地土壤重金属含量至今仍受污灌初期的影响，富集程度极高。作为农产品产地，农药，化肥的使用给当地带来了众多的外来重金属。
4讨论与结论
（1）从各重金属含量特征看灌区Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、Cd 均显著的超过当地背景平均值，均存在累积。从各重金属变异系数看灌区9种重金属的变异系数由大到小依次为Zn、Ni、Cr、Pb、Cu、Cd、Mn、V、Ti，其中Zn的变异系数最大为81.76，属于强变异，表明该地区Zn在空间分布上有明显的区别。其他8种重金属大体上在空间分布上比较均匀。与1976年和2004年同研究区土壤重金属含量相比Cr、Cu、Zn、Cd均有明显富集，Pb则由于污染来源的改变而未出现明显变化。
（2）凉凤灌区主要土地利用类型根据与污水的接触次数以及灌溉水质可分为常接触、不常接触以、过渡型以及机井灌溉4大类型，由于使用的水源以及灌溉次数导致不同的土地利用类型之间存在着一定的相关性。因此当地不同的土地利用类型的重金属的富集程度有着显著的差异。杨军等通过对凉凤灌区及其灌区过渡带的研究发现，重金属的积累有呈凉水河样带大于过渡带的现象，距离河口越远，富集程度越低。其实质也是由于与污水的接触频次的不同引起，与该次研究结果相符。
（3）通过研究区重金属与Ti的比值分析，表明该研究区主要几种土壤重金属均存在富集现象，不同元素受到的人为影响存在差异。灌溉用水频率、水质、肥料施用以及大气沉降是造成不同土地利用类型重金属含量特征差异的关键因素。其中Ti 、Mn、V是由于自然的因素引起的。Cr、Ni是由于污水灌溉中污水的使用频率和使用量引起的。Cu、Zn、Pb由于由于施用微量元素肥料、污泥的施用以及大气沉降有关。朱先芳对于北京北部水系重金属的研究表明Ti、V为自然因素引起的富集，本文研究结果与其相符，根据同源性污染认为本文中Mn主要因自然因素引起，对于人为因素对其富集的影响有待进一步研究。本文给出的重金属来源辨析，主要根据研究区历史以及当前现状给出主要影响因素。
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