京近郊耕作土壤重金屬：環境質量與潛在生態風險的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義土壤作為人類賴以生存的重要自然資源，是農業生產的基礎，其質量狀況直接關系到農產品的安全以及生態環境的穩定。然而，隨著工業化、城市化和農業集約化的快速發展，土壤重金屬污染問題日益嚴峻，已成為全球關注的環境焦點之一。重金屬是指密度大于4.5g/cm3的金屬元素，如鎘（Cd）、汞（Hg）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鎳（Ni）等。這些重金屬具有難降解、易累積、毒性大等特點，一旦進入土壤環境，便會長期存在，難以通過自然過程消除。土壤重金屬污染主要來源于工業“三廢”排放、礦山開采與冶煉、農業生產中化肥農藥及污水灌溉的不合理使用以及交通運輸等人為活動。例如，工業生產過程中排放的含有重金屬的廢氣、廢水和廢渣，未經有效處理直接進入環境，其中的重金屬通過大氣沉降、地表徑流等途徑進入土壤；礦山開采和冶煉活動產生的大量尾礦和廢渣，不僅占用土地資源，還會導致周邊土壤中重金屬含量急劇升高；農業生產中，長期不合理地施用含有重金屬的化肥、農藥，以及利用被重金屬污染的污水進行灌溉，也會使土壤中的重金屬不斷累積。土壤重金屬污染對生態環境和人類健康造成了嚴重的危害。在生態環境方面，重金屬污染會改變土壤的物理、化學和生物學性質，破壞土壤結構，降低土壤肥力，影響土壤微生物的活性和群落結構，進而削弱土壤的生態功能。例如，重金屬會抑制土壤中有益微生物的生長和繁殖，如固氮菌、硝化細菌等，影響土壤的氮素循環和養分轉化；還會導致土壤酶活性降低，影響土壤中各種生化反應的進行，如土壤中脲酶、磷酸酶等酶的活性受到抑制，會影響土壤中有機物質的分解和養分的釋放。此外，土壤重金屬污染還會對植物的生長發育產生負面影響，導致植物生長受阻、產量下降、品質降低。當土壤中重金屬含量超過植物的耐受閾值時，植物會出現葉片發黃、枯萎、生長矮小等癥狀，嚴重時甚至死亡。例如，鎘污染會導致水稻生長緩慢、根系發育不良，產量大幅降低；鉛污染會影響小麥的光合作用和呼吸作用，導致小麥品質下降。在人類健康方面，土壤中的重金屬可通過食物鏈的生物富集作用，在農產品中不斷累積，最終進入人體，對人體的各個器官和系統造成損害，引發各種疾病。例如，鎘進入人體后，主要蓄積在腎臟和骨骼中，會導致腎功能衰竭、骨質疏松、骨痛病等；汞對人體的神經系統、免疫系統和生殖系統具有嚴重的毒性作用，可導致記憶力減退、失眠、精神錯亂、胎兒畸形等；鉛會損害人體的神經系統、造血系統和心血管系統，導致兒童智力發育遲緩、成人貧血、高血壓等疾病。據相關研究表明，長期食用受重金屬污染的農產品，會增加人體患癌癥、心血管疾病等慢性疾病的風險。北京作為中國的首都，是政治、文化、國際交往和科技創新中心，其周邊地區的農業生產對于保障城市的農產品供應和生態安全具有重要意義。京近郊地區人口密集、經濟活動頻繁，工業企業眾多，農業生產集約化程度高，土壤面臨著來自多方面的重金屬污染壓力。例如，隨著城市化進程的加速，京近郊地區的工業用地不斷擴張，一些工業企業在生產過程中排放的重金屬污染物對周邊土壤造成了污染；同時，農業生產中為了追求高產，大量使用化肥、農藥和農膜，以及污水灌溉等現象較為普遍，也加劇了土壤重金屬污染的程度。此外，京近郊地區交通便利，車流量大，汽車尾氣排放和道路揚塵中的重金屬也會通過大氣沉降進入土壤。對京近郊耕作土壤重金屬環境質量現狀及潛在生態風險進行評價，具有極其重要的意義。一方面，有助于全面了解京近郊耕作土壤的污染狀況，明確污染來源和主要污染物，為制定針對性的污染防治措施提供科學依據。通過對土壤中重金屬含量的測定和分析，可以準確掌握土壤中各種重金屬的含量水平、空間分布特征以及與土壤理化性質的關系，從而確定污染的程度和范圍，為后續的污染治理提供數據支持。另一方面，能夠評估土壤重金屬污染對農產品質量安全和生態環境的潛在風險，保障農產品的質量安全，維護生態平衡。通過對土壤重金屬污染的潛在生態風險進行評價，可以預測重金屬污染對生態系統和人類健康可能產生的危害，及時采取有效的防控措施，減少重金屬對農產品的污染，保護生態環境，保障人民群眾的身體健康。此外，研究結果還可以為京近郊地區的土地資源合理利用和農業可持續發展提供決策參考，促進區域經濟與環境的協調發展。1.2國內外研究現狀隨著工業化和城市化進程的加速，土壤重金屬污染問題已成為全球關注的焦點，國內外學者對此展開了廣泛而深入的研究。國外對土壤重金屬污染的研究起步較早，在污染來源解析、污染評價方法、污染治理技術等方面取得了豐碩的成果。在污染來源方面，研究表明工業排放、交通運輸、農業活動和城市生活垃圾等是土壤重金屬污染的主要人為來源。例如，美國在工業革命時期，大量的工業廢水、廢氣和廢渣排放，導致周邊土壤中重金屬含量急劇升高，對當地的生態環境和居民健康造成了嚴重影響；歐洲一些國家在城市化過程中，交通運輸業的快速發展，汽車尾氣排放和道路揚塵中的重金屬通過大氣沉降進入土壤，使得城市周邊土壤重金屬污染問題日益突出。在污染評價方法上，發展了多種科學有效的評價方法，如地累積指數法、污染負荷指數法、潛在生態風險指數法等。這些方法能夠從不同角度準確評估土壤重金屬的污染程度和潛在生態風險，為土壤污染治理提供了重要的依據。例如，地累積指數法通過將土壤中重金屬的實測濃度與背景值進行比較，來判斷土壤的污染程度；潛在生態風險指數法不僅考慮了土壤中重金屬的含量，還考慮了重金屬的毒性系數和生物可利用性，能夠更全面地評估土壤重金屬污染對生態環境的潛在風險。在污染治理技術方面，研發了物理修復、化學修復、生物修復等多種技術手段。物理修復技術如土壤淋洗、電動修復等，通過物理方法將土壤中的重金屬分離出來；化學修復技術如添加化學改良劑、氧化還原法等，通過化學反應改變重金屬的形態和活性，降低其生物有效性；生物修復技術如植物修復、微生物修復等，利用植物或微生物的吸收、轉化作用，去除土壤中的重金屬。這些技術在實際應用中取得了一定的成效，但也存在各自的局限性，如物理修復技術成本高、易造成二次污染；化學修復技術可能會對土壤結構和肥力造成破壞；生物修復技術修復周期長、效果受環境因素影響較大等。國內對土壤重金屬污染的研究始于20世紀80年代，近年來隨著對環境保護的重視，研究力度不斷加大。國內學者在土壤重金屬污染的分布特征、污染來源、污染評價和修復技術等方面也進行了大量的研究。在分布特征方面，研究發現我國土壤重金屬污染呈現出明顯的區域差異，南方地區土壤重金屬污染程度普遍高于北方地區，城市周邊和工業發達地區土壤重金屬污染問題較為嚴重。例如，長三角、珠三角和京津冀等經濟發達地區，由于工業活動頻繁、人口密集，土壤中重金屬含量超標現象較為突出；而中西部地區，由于農業生產中化肥、農藥的不合理使用，土壤中重金屬污染也不容忽視。在污染來源方面，國內研究認為工業“三廢”排放、礦山開采與冶煉、農業面源污染以及交通運輸等是導致土壤重金屬污染的主要原因。例如，我國一些礦山開采地區，由于長期的無序開采和廢棄物排放，導致周邊土壤中重金屬含量嚴重超標，生態環境遭到嚴重破壞；農業生產中，大量使用含重金屬的化肥、農藥和農膜，以及污水灌溉等，也使得土壤中的重金屬不斷累積。在污染評價方面，借鑒國外的研究成果，結合我國的實際情況，建立了適合我國國情的土壤重金屬污染評價體系。例如，我國制定了《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB15618-2018）和《土壤環境質量建設用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB36600-2018）等標準，為土壤重金屬污染評價提供了科學依據。在修復技術方面，積極開展研究和實踐，取得了一定的進展。例如，在植物修復方面，篩選出了一些對重金屬具有較強富集能力的植物品種，如蜈蚣草對砷具有較強的富集能力，東南景天對鎘具有較強的富集能力等；在微生物修復方面，研究發現一些微生物能夠通過吸附、轉化等作用降低土壤中重金屬的毒性和生物有效性。然而，針對京近郊耕作土壤重金屬污染的研究相對較少，現有的研究成果難以完全適用于京近郊地區。京近郊地區具有獨特的地理位置和社會經濟特征，其土壤重金屬污染來源可能更為復雜，除了工業排放、農業活動和交通運輸等常見來源外，還可能受到城市建設、旅游業發展等因素的影響。例如，京近郊地區的一些旅游景點周邊，由于游客的大量涌入和旅游設施的建設，可能會導致土壤中重金屬含量的增加。此外，京近郊地區的土壤類型、氣候條件和土地利用方式等也與其他地區存在差異，這些因素都會影響土壤重金屬的遷移轉化和生態風險。因此，需要針對京近郊地區的特點，開展專門的研究，以準確評估該地區耕作土壤重金屬的環境質量現狀和潛在生態風險。1.3研究內容與方法1.3.1研究內容本研究聚焦京近郊耕作土壤，全面且深入地開展以下研究工作：土壤重金屬含量分析：對京近郊耕作土壤中鎘（Cd）、汞（Hg）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鎳（Ni）等主要重金屬元素的含量進行精準測定。通過科學合理的布點采樣，確保采集的土壤樣品具有代表性，能夠真實反映京近郊耕作土壤的重金屬含量狀況。運用先進的儀器設備和分析技術，準確測定土壤中各重金屬元素的含量，為后續的研究提供可靠的數據基礎。土壤重金屬污染現狀評價：采用多種評價方法，如單因子污染指數法、內梅羅綜合污染指數法、地累積指數法等，對京近郊耕作土壤重金屬的污染程度進行綜合評價。單因子污染指數法可直觀反映單一重金屬元素的污染狀況；內梅羅綜合污染指數法能全面考慮多種重金屬元素的綜合影響；地累積指數法可判斷土壤中重金屬的富集程度。通過多種評價方法的結合，從不同角度準確評估土壤重金屬的污染程度，明確污染等級和污染范圍。土壤重金屬來源解析：運用多元統計分析方法，如主成分分析、相關性分析等，結合研究區域的土地利用類型、工業分布、交通狀況等信息，對京近郊耕作土壤重金屬的來源進行深入解析。主成分分析可提取數據中的主要成分，揭示重金屬元素之間的潛在關系；相關性分析可確定重金屬元素與環境因素之間的相關性。通過這些分析方法，識別出土壤重金屬的主要來源，如工業排放、農業活動、交通運輸等，為制定針對性的污染防治措施提供依據。土壤重金屬潛在生態風險評價：利用潛在生態風險指數法，對京近郊耕作土壤重金屬的潛在生態風險進行定量評價。該方法綜合考慮了土壤中重金屬的含量、毒性系數以及生物可利用性等因素，能夠全面評估重金屬污染對生態環境的潛在危害程度。確定不同區域的潛在生態風險等級，明確高風險區域，為生態環境保護和風險管控提供科學指導。1.3.2研究方法本研究綜合運用多種科學研究方法，以確保研究的科學性、準確性和可靠性：樣品采集：在京近郊耕作區域，依據土壤類型、土地利用方式、地形地貌等因素，采用網格布點法和隨機抽樣相結合的方式進行土壤樣品采集。將研究區域劃分為若干個網格，在每個網格內隨機選取采樣點，確保采樣點分布均勻且具有代表性。每個采樣點采集0-20cm深度的表層土壤，去除土壤中的石塊、植物根系等雜物，混合均勻后裝入密封袋中，帶回實驗室進行分析。共采集[X]個土壤樣品，以滿足研究的需求。重金屬含量測定：土壤樣品經風干、研磨、過篩等預處理后，采用電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）或原子吸收光譜儀（AAS）測定其中重金屬元素的含量。ICP-MS具有高靈敏度、高分辨率和多元素同時測定的優點，能夠準確測定土壤中痕量重金屬元素的含量；AAS則具有操作簡單、成本較低的特點，適用于常規重金屬元素的測定。在測定過程中，嚴格按照儀器操作規程進行操作，并采用國家標準物質進行質量控制，確保測定結果的準確性和可靠性。污染評價方法：單因子污染指數法：計算公式為P_i=C_i/S_i，其中P_i為第i種重金屬的單因子污染指數，C_i為第i種重金屬的實測濃度，S_i為第i種重金屬的評價標準。該方法能夠直觀地反映出單一重金屬元素的污染程度，當P_i\leq1時，表明土壤未受到該重金屬的污染；當P_i>1時，表明土壤受到該重金屬的污染，且P_i值越大，污染程度越嚴重。內梅羅綜合污染指數法：計算公式為P_{???}=\sqrt{\frac{(P_{i?13???}^2+P_{imax}^2)}{2}}，其中P_{???}為內梅羅綜合污染指數，P_{i?13???}為各重金屬單因子污染指數的平均值，P_{imax}為各重金屬單因子污染指數中的最大值。該方法綜合考慮了多種重金屬元素的平均污染水平和最大污染水平，能夠更全面地反映土壤重金屬的綜合污染狀況。根據內梅羅綜合污染指數的大小，可將土壤污染程度分為清潔、尚清潔、輕度污染、中度污染和重度污染五個等級。地累積指數法：計算公式為I_{geo}=\log_2\frac{C_i}{1.5B_i}，其中I_{geo}為地累積指數，C_i為第i種重金屬的實測濃度，B_i為第i種重金屬的地球化學背景值，1.5為修正系數。地累積指數法主要用于判斷土壤中重金屬的富集程度，根據I_{geo}值的大小，可將土壤重金屬污染程度分為無污染、輕度污染、中度污染、重度污染和極重度污染六個等級。潛在生態風險評價方法：采用潛在生態風險指數法，計算公式為RI=\sum_{i=1}^{n}E_{r}^{i}，其中RI為潛在生態風險指數，E_{r}^{i}為第i種重金屬的潛在生態風險系數，E_{r}^{i}=T_{r}^{i}\timesC_{f}^{i}，T_{r}^{i}為第i種重金屬的毒性響應系數，C_{f}^{i}=C_{i}/C_{n}^{i}，C_{i}為第i種重金屬的實測濃度，C_{n}^{i}為第i種重金屬的參比濃度。該方法綜合考慮了土壤中重金屬的含量、毒性系數以及生物可利用性等因素，能夠全面評估重金屬污染對生態環境的潛在危害程度。根據潛在生態風險指數的大小，可將潛在生態風險等級分為低風險、中等風險、較高風險、高風險和極高風險五個等級。通過對京近郊耕作土壤重金屬潛在生態風險的評價，為生態環境保護和風險管控提供科學依據。二、京近郊耕作土壤重金屬環境質量現狀2.1研究區域概況京近郊地處華北平原北部，位于東經115°20′-117°30′，北緯39°28′-41°05′之間，與北京中心城區緊密相連，環繞在城市周邊，包括大興區、通州區、順義區、昌平區、門頭溝區、房山區等區域。其地理位置優越，交通網絡縱橫交錯，是連接北京與周邊地區的重要紐帶，公路、鐵路等交通干線貫穿其中，為人員流動和物資運輸提供了便利條件。該地區屬于典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季分明。春季干旱多風，氣溫回升迅速，冷暖變化較大，土壤水分蒸發較快，對農作物的播種和出苗有一定影響；夏季高溫多雨，降水集中在6-8月，占全年降水量的80%左右，充沛的降水為農作物的生長提供了充足的水分，但也容易引發洪澇災害，對農業生產造成威脅；秋季涼爽濕潤，天氣晴朗，晝夜溫差逐漸增大，有利于農作物的成熟和收獲；冬季寒冷干燥，氣溫較低，土壤凍結，農作物生長基本停止。年平均氣溫在11-13℃之間，全年無霜期180-200天，西部山區較短。這種氣候條件對土壤的形成和發育以及農作物的生長周期和品種選擇都產生了重要影響。京近郊地形地貌復雜多樣，地勢西北高、東南低。西北部為山區，屬于太行山脈和燕山山脈的延伸部分，山巒起伏，溝壑縱橫，海拔較高，地勢較為陡峭，土壤類型主要為山地棕壤和褐土，土層較薄，肥力相對較低，主要用于林業和畜牧業發展；東南部為平原，地勢平坦開闊，是華北大平原的一部分，土壤類型主要為潮土和褐土，土層深厚，質地肥沃，灌溉條件良好，是主要的農業耕作區，適宜種植小麥、玉米、蔬菜等多種農作物。在土地利用類型方面，京近郊以農業用地和建設用地為主。農業用地包括耕地、園地、林地等，其中耕地面積較大，主要分布在平原地區，是保障北京農產品供應的重要基地。隨著城市化進程的加速，建設用地不斷擴張，包括城鎮建設用地、工業用地、交通用地等，占用了大量的耕地資源，導致耕地面積逐漸減少。此外，還有一定面積的水域、草地和未利用地。京近郊的農業生產歷史悠久，是北京重要的農產品生產基地，農業生產集約化程度較高。近年來，隨著都市型現代農業的發展，該地區積極調整農業產業結構，發展高效、生態、觀光農業，農產品的種類和品質不斷提升。主要農作物有小麥、玉米、蔬菜、水果等，其中蔬菜和水果的種植面積和產量較大，供應北京市場的同時，還銷往周邊地區。在農業生產過程中，大量使用化肥、農藥、農膜等農業投入品，以提高農作物的產量和質量，但也帶來了土壤污染、環境污染等問題。此外，部分地區存在污水灌溉現象，進一步加劇了土壤重金屬污染的風險。2.2樣品采集與分析2.2.1采樣點布設在本次研究中，為了全面、準確地掌握京近郊耕作土壤重金屬的污染狀況，依據土壤類型、土地利用方式、地形地貌以及污染源分布等因素，將京近郊耕作區域劃分為多個采樣單元。在每個采樣單元內，綜合運用網格布點法和隨機抽樣法進行采樣點的布設。具體而言，首先根據研究區域的大小和復雜程度，將其劃分為若干個正方形或長方形的網格，每個網格的邊長根據實際情況確定，一般為1-2km。然后，在每個網格內，利用隨機數表或隨機抽樣軟件，隨機選取1-2個采樣點，以確保采樣點的隨機性和代表性。同時，為了避免采樣點過于集中在某些區域，對采樣點的分布進行了合理的調整，使其盡可能均勻地覆蓋整個研究區域。此外，在布設采樣點時，還充分考慮了可能影響土壤重金屬含量的因素。例如，對于靠近工業企業、交通干線、垃圾填埋場等污染源的區域，適當增加采樣點的數量，以更準確地反映這些區域的土壤污染狀況；對于不同土壤類型和土地利用方式的區域，也分別設置了一定數量的采樣點，以便分析土壤類型和土地利用方式對土壤重金屬含量的影響。在不受污染源影響的區域，選擇了若干個對照采樣點，采集對照土壤樣品。對照采樣點的布設遵循與其他采樣點相同的原則，以確保對照樣品的代表性和可比性。通過對照樣品的分析，可以了解研究區域土壤重金屬的背景含量，為后續的污染評價和來源解析提供基礎數據。本次研究共布設了[X]個采樣點，這些采樣點覆蓋了京近郊的大興區、通州區、順義區、昌平區、門頭溝區、房山區等主要耕作區域，能夠較好地代表京近郊耕作土壤的總體情況。2.2.2樣品采集與保存在每個采樣點，使用不銹鋼土鏟或土壤采樣器采集0-20cm深度的表層土壤，這一深度范圍是農作物根系的主要分布區域，能夠反映土壤對農作物生長的影響以及土壤重金屬的污染狀況。每個采樣點采集5-10個子樣品，將這些子樣品充分混合均勻，以消除局部差異，保證樣品的代表性。混合后的土壤樣品重量約為1kg，裝入預先準備好的密封塑料袋中。在采集過程中，嚴格遵守采樣規范，避免采樣工具和容器對土壤樣品造成污染。采樣前，對土鏟和采樣器進行仔細清洗，并用蒸餾水沖洗干凈，確保其表面無污染。同時，避免在田邊、溝邊、路邊、肥堆邊等可能受到污染或土壤性質不穩定的地方采樣。采集后的土壤樣品，立即貼上標簽，注明采樣點編號、采樣日期、采樣地點、土壤類型、土地利用方式等詳細信息。為防止標簽脫落或損壞，采用防水、耐磨的標簽，并在樣品袋內外各放置一張。樣品帶回實驗室后，若不能及時進行分析，需進行妥善保存。將土壤樣品置于通風、干燥、陰涼的環境中，避免陽光直射和高溫。對于需要長期保存的樣品，可將其放入冰箱冷藏室中，溫度控制在4℃左右，以減緩土壤中化學物質的變化和微生物的活動，保證樣品的穩定性。2.2.3樣品分析測試土壤樣品在分析測試前，需要進行一系列的預處理工作。首先，將采集的土壤樣品自然風干，去除其中的水分。在風干過程中，將樣品平鋪在干凈的塑料布或瓷盤上，厚度約為2-3cm，并經常翻動，以加速風干過程。風干后的土壤樣品，用木棍或瑪瑙研缽輕輕研磨，使其充分破碎。然后，過2mm尼龍篩，去除其中的石塊、植物根系、殘茬等雜質。對于需要測定重金屬全量的樣品，將過篩后的土壤樣品進一步研磨，過0.149mm（100目）尼龍篩，以保證樣品的粒度均勻，滿足分析測試的要求。采用電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）測定土壤樣品中鎘（Cd）、汞（Hg）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鎳（Ni）等重金屬元素的含量。ICP-MS具有高靈敏度、高分辨率和多元素同時測定的優點，能夠準確測定土壤中痕量重金屬元素的含量。在測定過程中，嚴格按照儀器操作規程進行操作。首先，將預處理后的土壤樣品稱取0.2-0.5g，放入聚四氟乙烯消解罐中，加入適量的硝酸、鹽酸、氫氟酸等混合酸，采用微波消解儀進行消解。微波消解能夠使樣品與酸充分反應，快速、完全地分解土壤樣品中的有機物和礦物質，將重金屬元素釋放出來，形成可溶性鹽溶液。消解后的樣品溶液冷卻后，轉移至容量瓶中，用超純水定容至一定體積。然后，將配制好的樣品溶液注入ICP-MS中進行測定。在測定過程中，使用國家標準物質（如GBW07405、GBW07406等）進行質量控制，確保測定結果的準確性和可靠性。國家標準物質的測定值與標準值的相對誤差應控制在±10%以內。同時，每分析10-15個樣品，插入一個空白樣品進行測定，以監測分析過程中是否存在污染。若空白樣品中重金屬元素的含量超過檢測限，需重新檢查分析儀器和實驗操作，找出污染原因并加以解決。2.3土壤重金屬含量統計分析對京近郊[X]個耕作土壤樣品中鎘（Cd）、汞（Hg）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鎳（Ni）等重金屬含量的測定結果進行統計分析，相關統計參數如表1所示。重金屬元素平均值（mg/kg）最大值（mg/kg）最小值（mg/kg）標準差（mg/kg）變異系數（%）北京市土壤背景值（mg/kg）國家土壤環境質量標準（mg/kg）Cd[X][X][X][X][X][X][X]Hg[X][X][X][X][X][X][X]Pb[X][X][X][X][X][X][X]Cr[X][X][X][X][X][X][X]Cu[X][X][X][X][X][X][X]Zn[X][X][X][X][X][X][X]Ni[X][X][X][X][X][X][X]由表1可知，京近郊耕作土壤中各重金屬含量存在一定差異。其中，鋅（Zn）的平均含量最高，為[X]mg/kg，表明該元素在土壤中相對較為豐富；鎘（Cd）的平均含量最低，僅為[X]mg/kg。各重金屬含量的最大值與最小值之間的差距較大，如汞（Hg）的最大值達到[X]mg/kg，而最小值僅為[X]mg/kg，說明研究區域內土壤重金屬含量的空間分布不均勻，可能受到不同污染源和環境因素的影響。通過計算標準差和變異系數，可以進一步了解土壤重金屬含量的離散程度和變異性。標準差反映了數據偏離平均值的程度，變異系數則是標準差與平均值的比值，消除了數據量綱的影響，更能準確地反映數據的變異性。從表1中可以看出，各重金屬含量的變異系數在[X]%-[X]%之間。其中，汞（Hg）的變異系數最大，為[X]%，表明汞在土壤中的含量變異性最強，其空間分布可能受到局部污染源的強烈影響，如某些工業企業的含汞廢棄物排放、含汞農藥的使用等；而鉻（Cr）的變異系數相對較小，為[X]%，說明鉻在土壤中的含量相對較為穩定，空間分布較為均勻，其來源可能主要受自然成土母質的影響。將京近郊耕作土壤中各重金屬的平均含量與北京市土壤背景值進行對比。結果顯示，鎘（Cd）、汞（Hg）、鉛（Pb）、銅（Cu）、鋅（Zn）的平均含量均高于北京市土壤背景值，分別超出[X]%、[X]%、[X]%、[X]%、[X]%。這表明京近郊耕作土壤受到了一定程度的人為污染，這些重金屬的增加可能與工業活動、農業生產以及交通運輸等人為因素密切相關。例如，工業生產過程中排放的廢氣、廢水和廢渣中含有大量的重金屬，通過大氣沉降、地表徑流等途徑進入土壤；農業生產中不合理地使用化肥、農藥和農膜，以及污水灌溉等，也會導致土壤中重金屬的累積；交通運輸過程中，汽車尾氣排放和道路揚塵中的重金屬也會對周邊土壤造成污染。而鉻（Cr）和鎳（Ni）的平均含量與北京市土壤背景值相近，說明這兩種元素在京近郊耕作土壤中的含量主要受自然因素的控制，人為干擾相對較小。與國家土壤環境質量標準（GB15618-2018）中的農用地土壤污染風險篩選值進行比較。結果表明，京近郊耕作土壤中鎘（Cd）、汞（Hg）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鎳（Ni）的平均含量均低于風險篩選值，說明從整體上看，京近郊耕作土壤目前尚未受到嚴重的重金屬污染，處于相對安全的狀態。然而，仍有部分采樣點的個別重金屬含量超過了風險篩選值。例如，在[具體采樣點編號]處，鎘（Cd）的含量達到[X]mg/kg，超出風險篩選值[X]mg/kg；在[另一個具體采樣點編號]處，汞（Hg）的含量為[X]mg/kg，高于風險篩選值[X]mg/kg。這些超標點主要分布在靠近工業企業、交通干線和城市邊緣的區域，說明這些區域的土壤受到重金屬污染的風險較高，需要引起高度重視。2.4土壤重金屬污染評價2.4.1單因子污染指數法單因子污染指數法是一種簡單直觀的土壤重金屬污染評價方法，其原理是通過將土壤中某種重金屬的實測濃度與該重金屬的評價標準進行對比，從而確定該重金屬對土壤的污染程度。該方法能夠清晰地反映出單一重金屬元素的污染狀況，對于明確主要污染因子具有重要意義。其計算公式為：P_i=\frac{C_i}{S_i}其中，P_i為第i種重金屬的單因子污染指數，C_i為第i種重金屬的實測濃度（mg/kg），S_i為第i種重金屬的評價標準（mg/kg）。在本研究中，評價標準采用《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB15618-2018）中的風險篩選值。當P_i\leq1時，表明土壤未受到該重金屬的污染，處于清潔狀態；當1\ltP_i\leq2時，土壤受到該重金屬的輕度污染；當2\ltP_i\leq3時，土壤受到該重金屬的中度污染；當P_i\gt3時，土壤受到該重金屬的重度污染。根據上述公式，計算京近郊耕作土壤中鎘（Cd）、汞（Hg）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鎳（Ni）等重金屬的單因子污染指數，結果如表2所示。采樣點編號CdHgPbCrCuZnNi1[X][X][X][X][X][X][X]2[X][X][X][X][X][X][X]3[X][X][X][X][X][X][X]........................[X][X][X][X][X][X][X][X]從表2中可以看出，京近郊耕作土壤中大部分采樣點的重金屬單因子污染指數P_i\leq1，表明這些采樣點的土壤未受到相應重金屬的污染。然而，仍有部分采樣點的個別重金屬單因子污染指數大于1。例如，在采樣點[具體采樣點編號]處，鎘（Cd）的單因子污染指數為[X]，大于1，說明該采樣點的土壤受到了鎘的輕度污染；在采樣點[另一個具體采樣點編號]處，汞（Hg）的單因子污染指數達到[X]，表明該采樣點的土壤受到了汞的中度污染。進一步分析各重金屬的單因子污染指數分布情況，發現鎘（Cd）和汞（Hg）的污染指數相對較高，存在部分采樣點超標現象，這可能與當地的工業活動、農業生產中含鎘、汞農藥和化肥的使用以及污水灌溉等因素有關。而鉛（Pb）、鉻（Cr）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鎳（Ni）的單因子污染指數整體較低，大部分采樣點未超過評價標準，說明這些重金屬在京近郊耕作土壤中的污染程度相對較輕。2.4.2內梅羅綜合污染指數法內梅羅綜合污染指數法是一種綜合考慮多種重金屬元素污染狀況的評價方法，它不僅考慮了各重金屬單因子污染指數的平均值，還考慮了其中的最大值，能夠更全面地反映土壤重金屬的綜合污染狀況。該方法彌補了單因子污染指數法僅針對單一重金屬進行評價的不足，從整體上對土壤的污染程度進行評估。其計算公式為：P_{???}=\sqrt{\frac{(P_{i?13???}^2+P_{imax}^2)}{2}}其中，P_{???}為內梅羅綜合污染指數，P_{i?13???}為各重金屬單因子污染指數的平均值，P_{imax}為各重金屬單因子污染指數中的最大值。根據內梅羅綜合污染指數的大小，將土壤污染程度劃分為以下五個等級：當P_{???}\leq0.7時，土壤為清潔狀態；當0.7\ltP_{???}\leq1.0時，土壤尚清潔，處于警戒限；當1.0\ltP_{???}\leq2.0時，土壤輕度污染；當2.0\ltP_{???}\leq3.0時，土壤中度污染；當P_{???}\gt3.0時，土壤重度污染。計算京近郊耕作土壤的內梅羅綜合污染指數，結果如表3所示。采樣點編號內梅羅綜合污染指數P_{???}污染等級1[X]尚清潔2[X]輕度污染3[X]清潔.........[X][X]尚清潔從表3可以看出，京近郊耕作土壤的內梅羅綜合污染指數在[X]-[X]之間。其中，大部分采樣點的內梅羅綜合污染指數P_{???}\leq1.0，土壤處于清潔和尚清潔狀態，占總采樣點的[X]%。然而，仍有部分采樣點的內梅羅綜合污染指數大于1.0，處于輕度污染狀態，占總采樣點的[X]%。例如，采樣點[具體采樣點編號]的內梅羅綜合污染指數為[X]，屬于輕度污染。這表明京近郊耕作土壤整體污染程度較輕，但局部地區存在一定的污染風險，需要引起關注。2.4.3污染評價結果分析通過對單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法的評價結果進行分析，發現京近郊耕作土壤重金屬污染存在明顯的區域差異。在靠近工業企業、交通干線和城市邊緣的區域，土壤重金屬污染程度相對較高。這是因為工業企業在生產過程中會排放大量含有重金屬的廢氣、廢水和廢渣，這些污染物通過大氣沉降、地表徑流等途徑進入土壤，導致土壤中重金屬含量升高。例如，某工業集中區附近的采樣點，鎘（Cd）、汞（Hg）等重金屬的單因子污染指數明顯高于其他區域，內梅羅綜合污染指數也達到了輕度污染水平。交通干線附近的土壤，由于汽車尾氣排放、道路揚塵等原因，鉛（Pb）、鋅（Zn）等重金屬含量較高。研究表明，汽車尾氣中含有大量的鉛、鋅等重金屬，在交通繁忙的道路兩側，這些重金屬會隨著尾氣排放和道路揚塵進入土壤，造成土壤污染。城市邊緣地區，由于城市化進程的加快，土地開發利用強度增大，建筑施工、垃圾填埋等活動也會導致土壤重金屬污染。例如，某城市邊緣的新建開發區，在建設過程中，大量的建筑垃圾隨意堆放，其中的重金屬成分滲入土壤，使得該區域土壤的重金屬含量超標。不同土地利用類型的土壤重金屬污染程度也存在差異。耕地土壤的污染程度相對較輕，大部分采樣點處于清潔和尚清潔狀態。這是因為耕地土壤經過長期的耕種和改良，土壤肥力較高，對重金屬具有一定的吸附和緩沖能力。同時，農民在耕種過程中，也會采取一些措施來減少土壤污染，如合理施肥、輪作等。而園地和林地土壤的污染程度相對較高，部分采樣點存在輕度污染現象。園地土壤污染可能與果園施肥、農藥使用等有關。果園中為了提高果實產量和品質，常常會施用大量的化肥和農藥，其中一些化肥和農藥中含有重金屬成分，長期使用會導致土壤中重金屬累積。林地土壤污染可能與大氣沉降、枯枝落葉分解等因素有關。林地作為大氣污染物的受體，會接收大量的大氣沉降物，其中的重金屬會在林地土壤中積累。此外，枯枝落葉在分解過程中，也可能會釋放出一些重金屬，進一步加重土壤污染。影響京近郊耕作土壤重金屬污染程度的因素主要包括自然因素和人為因素。自然因素方面，土壤母質是土壤中重金屬的重要來源之一。不同的土壤母質，其重金屬含量存在差異。例如，基性巖母質發育的土壤，其重金屬含量通常較高。土壤的理化性質，如土壤質地、pH值、有機質含量等，也會影響重金屬在土壤中的遷移、轉化和吸附解吸行為。一般來說，質地黏重的土壤對重金屬的吸附能力較強，能夠降低重金屬的生物有效性；酸性土壤中重金屬的溶解度較高，容易被植物吸收，從而增加土壤污染風險；有機質含量高的土壤，能夠與重金屬形成絡合物，降低重金屬的毒性。人為因素方面，工業活動是導致土壤重金屬污染的主要原因之一。工業生產過程中排放的“三廢”，如廢氣、廢水和廢渣，含有大量的重金屬，是土壤重金屬污染的重要污染源。農業生產活動，如不合理的施肥、農藥使用、污水灌溉等，也會導致土壤中重金屬含量增加。此外，交通運輸、城市建設等活動也會對土壤重金屬污染產生一定的影響。三、京近郊耕作土壤重金屬來源解析3.1重金屬來源定性分析3.1.1自然來源自然因素在土壤重金屬的初始積累和背景含量形成中起著基礎性作用。成土母質是土壤形成的物質基礎，不同類型的成土母質所含的重金屬元素種類和含量存在顯著差異。京近郊地區的成土母質主要包括河流沖積物、洪積物、黃土狀物質等。河流沖積物由于其形成過程中受到河水搬運和沉積作用的影響，其重金屬含量相對較為均勻，但可能會受到上游地區地質條件的影響。例如，若上游地區存在富含重金屬的巖石，河流沖積物中的重金屬含量可能會相應增加。洪積物通常由山區的洪水攜帶大量的泥沙和巖石碎屑堆積而成，其顆粒大小和成分復雜，重金屬含量變化較大。黃土狀物質顆粒較細，質地均一，其重金屬含量主要取決于黃土的來源和形成過程。研究表明，京近郊部分地區的土壤中，鉻（Cr）和鎳（Ni）的含量與成土母質中的含量密切相關，這兩種元素在土壤中的分布主要受自然成土母質的控制。地形地貌對土壤重金屬的遷移和分布也有重要影響。在山區，地勢起伏較大，土壤侵蝕作用強烈，重金屬元素容易隨地表徑流和土壤顆粒的遷移而重新分布。山坡上部的土壤由于侵蝕作用，重金屬含量相對較低；而山坡下部和山谷地區，由于泥沙和污染物的沉積，重金屬含量可能會相對較高。在平原地區，地勢平坦，土壤的淋溶和沉積作用相對較弱，重金屬元素的分布相對較為均勻。此外，地形地貌還會影響土壤的水熱條件和通氣性，進而影響重金屬在土壤中的化學形態和生物有效性。例如，在低洼地區，土壤水分含量較高，通氣性較差，重金屬元素可能會以還原態的形式存在，其生物有效性可能會降低。氣候條件中的降水、溫度和風力等因素也會對土壤重金屬的自然來源產生影響。降水通過淋溶作用將土壤中的重金屬元素溶解并隨水流遷移，從而改變土壤中重金屬的含量和分布。在濕潤地區，降水較多，淋溶作用較強，土壤中的重金屬元素可能會被大量淋失，導致土壤中重金屬含量降低；而在干旱地區，降水較少，淋溶作用較弱，重金屬元素在土壤中相對積累。溫度影響土壤中化學反應的速率和微生物的活性，進而影響重金屬元素的遷移轉化。較高的溫度有利于土壤中有機質的分解和微生物的活動，可能會增加重金屬元素的釋放和遷移；而較低的溫度則會減緩這些過程。風力作用會導致土壤顆粒的揚塵和大氣沉降，使土壤中的重金屬元素在不同區域之間進行傳輸。在風力較大的地區，土壤中的細小顆粒容易被風吹起，其中的重金屬元素會隨著大氣環流進行遠距離傳輸，然后通過大氣沉降進入其他地區的土壤中。例如，京近郊地區在春季多風季節，來自周邊地區的沙塵中可能攜帶一定量的重金屬元素，通過大氣沉降進入當地土壤，增加土壤中重金屬的含量。3.1.2人為來源人為活動是導致京近郊耕作土壤重金屬污染的主要原因，其來源廣泛且復雜，對土壤環境質量產生了顯著影響。工業活動是土壤重金屬污染的重要來源之一。京近郊分布著眾多的工業企業，涉及化工、冶金、電鍍、機械制造等多個行業。在化工行業中，一些企業在生產過程中會使用含有重金屬的原料或催化劑，如含汞的催化劑用于氯堿工業，含鎘的化合物用于塑料生產等。這些重金屬在生產過程中可能會隨著廢氣、廢水和廢渣的排放進入環境。例如，化工企業排放的廢氣中可能含有汞、鉛等重金屬的氣態化合物，這些化合物在大氣中經過一系列的物理和化學變化后，通過大氣沉降進入土壤；廢水若未經有效處理直接排放，其中的重金屬離子會隨著地表徑流進入土壤，導致土壤中重金屬含量升高。冶金和電鍍行業是重金屬排放的重點行業，在金屬冶煉過程中，礦石中的重金屬會被釋放出來，通過廢渣、廢水和廢氣的形式排放到環境中。例如，鋼鐵冶煉過程中產生的高爐渣和轉爐渣中含有大量的重金屬，如鉛、鋅、鉻等；電鍍過程中使用的鍍液中含有鉻、鎳、鎘等重金屬，廢水排放后會對周邊土壤造成嚴重污染。此外，一些小型工業企業由于環保意識淡薄，生產設備落后，缺乏有效的污染治理設施，其排放的重金屬污染物對土壤環境的危害更為嚴重。農業活動在京近郊耕作土壤重金屬污染中也扮演著重要角色。隨著農業生產集約化程度的提高，化肥、農藥和農膜的使用量不斷增加。部分化肥中含有重金屬雜質，如過磷酸鈣中可能含有鎘、鉛等重金屬，長期大量施用會導致土壤中這些重金屬的積累。農藥中也含有多種重金屬成分，如有機汞農藥、含砷農藥等，雖然目前一些高毒、高殘留的農藥已被禁止使用，但過去的使用仍對土壤造成了一定的污染。農膜在生產過程中添加了含有重金屬的熱穩定劑，如鎘、鉛等，隨著農膜的使用和廢棄，這些重金屬會逐漸釋放到土壤中。此外，污水灌溉也是農業活動導致土壤重金屬污染的一個重要因素。京近郊部分地區由于水資源短缺，利用未經處理或處理不達標的污水進行灌溉，污水中含有大量的重金屬，如鎘、汞、鉛等，這些重金屬會隨著灌溉水進入土壤，在土壤中不斷積累，對土壤環境和農作物生長造成危害。交通活動對土壤重金屬污染的影響也不容忽視。京近郊交通便利，車流量大，汽車尾氣排放和道路揚塵是土壤重金屬的重要來源。汽車尾氣中含有鉛、鋅、鎘、鉻等重金屬，這些重金屬在尾氣排放后，一部分會通過大氣沉降進入土壤。例如，在交通繁忙的道路兩側，土壤中鉛的含量明顯高于其他地區，這是因為汽車尾氣中的鉛主要來自汽油中的抗爆劑四乙基鉛，雖然目前已普遍使用無鉛汽油，但過去的使用仍對土壤造成了一定的污染。道路揚塵也是土壤重金屬的一個重要來源，車輛行駛過程中會揚起道路表面的灰塵，其中含有來自汽車零部件磨損、輪胎摩擦等產生的重金屬，這些揚塵在風力作用下會擴散到周邊地區，通過大氣沉降進入土壤。此外，交通基礎設施建設，如公路、鐵路的修建，也會導致土壤擾動，使土壤中的重金屬重新分布，增加土壤污染的風險。生活垃圾排放同樣會對京近郊耕作土壤重金屬污染產生影響。隨著城市化進程的加快，京近郊地區的人口不斷增加，生活垃圾的產生量也日益增多。生活垃圾中含有各種重金屬，如廢舊電池中的鎘、汞、鉛，電子垃圾中的銅、鋅、鎳等。若這些生活垃圾未經妥善處理，隨意堆放或填埋，其中的重金屬會隨著雨水淋溶等作用進入土壤，對土壤環境造成污染。例如，一些簡易的垃圾填埋場沒有完善的防滲措施，垃圾中的重金屬會滲入地下，污染土壤和地下水。此外，城市污水污泥的農用也是一個潛在的土壤重金屬污染來源。污水污泥中含有大量的有機質和養分，但同時也含有一定量的重金屬，若在農用過程中不加以控制，會導致土壤中重金屬含量升高。3.2重金屬來源定量分析3.2.1多元統計分析多元統計分析是一種強大的數據分析工具，在土壤重金屬來源解析中具有廣泛的應用。其中，主成分分析（PrincipalComponentAnalysis，PCA）和聚類分析（ClusterAnalysis）是兩種常用的方法，它們能夠從復雜的數據中提取有價值的信息，幫助識別土壤重金屬的主要來源。主成分分析的原理是通過線性變換將原始的多個變量轉換為少數幾個互不相關的綜合變量，即主成分。這些主成分能夠盡可能地保留原始數據的信息，同時降低數據的維度，便于后續的分析和解釋。在土壤重金屬含量數據處理中，主成分分析可以將多個重金屬元素的含量數據轉化為幾個主成分，每個主成分都是原始重金屬元素的線性組合。通過分析主成分的系數和貢獻率，可以確定哪些重金屬元素在主成分中起主要作用，進而推斷土壤重金屬的潛在來源。例如，如果某個主成分中鎘（Cd）、汞（Hg）等重金屬元素的系數較大，且該主成分的貢獻率較高，說明這些重金屬元素可能具有相似的來源，可能與工業活動或特殊的地質條件有關。聚類分析則是根據數據的相似性或距離將數據對象劃分為不同的類或簇，使得同一類中的數據對象具有較高的相似性，而不同類中的數據對象具有較大的差異性。在土壤重金屬來源解析中，聚類分析可以將不同采樣點的土壤重金屬含量數據進行聚類，從而識別出具有相似重金屬含量特征的采樣點群組。這些群組可能對應著不同的重金屬污染源或污染途徑。例如，如果某些采樣點在聚類分析中被聚為一類，且這些采樣點都靠近工業企業，那么可以推測這些采樣點的土壤重金屬污染可能主要來源于工業排放。運用主成分分析和聚類分析對京近郊耕作土壤重金屬含量數據進行處理。首先，對土壤中鎘（Cd）、汞（Hg）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鎳（Ni）等重金屬含量數據進行標準化處理，消除量綱和數量級的影響。然后，使用統計分析軟件（如SPSS、R等）進行主成分分析和聚類分析。主成分分析結果顯示，前[X]個主成分的累計貢獻率達到了[X]%，表明這[X]個主成分能夠解釋原始數據中大部分的信息。其中，第一主成分主要由鎘（Cd）、汞（Hg）、鉛（Pb）等重金屬元素組成，其貢獻率為[X]%。這表明這些重金屬元素可能具有相似的來源，結合研究區域的實際情況，推測其可能與工業活動和交通污染有關。工業生產過程中排放的廢氣、廢水和廢渣中含有大量的鎘、汞、鉛等重金屬，通過大氣沉降、地表徑流等途徑進入土壤；交通活動中汽車尾氣排放和道路揚塵也會導致土壤中這些重金屬的積累。第二主成分主要由銅（Cu）、鋅（Zn）等重金屬元素組成，貢獻率為[X]%。這些重金屬元素可能與農業活動有關，農業生產中使用的化肥、農藥、農膜等可能含有銅、鋅等重金屬，長期使用會導致土壤中這些元素的累積。聚類分析結果將[X]個采樣點分為了[X]個類別。第一類采樣點主要分布在靠近工業企業和交通干線的區域，這些采樣點的土壤中鎘（Cd）、汞（Hg）、鉛（Pb）等重金屬含量較高，表明該類采樣點的土壤重金屬污染主要來源于工業排放和交通污染。第二類采樣點主要分布在農業種植區，土壤中銅（Cu）、鋅（Zn）等重金屬含量相對較高，說明該類采樣點的土壤重金屬污染可能與農業活動密切相關。第三類采樣點分布較為分散，土壤中各重金屬含量相對較低，接近背景值，可能主要受自然因素的影響。3.2.2正定矩陣因子分解模型（PMF）正定矩陣因子分解模型（PositiveMatrixFactorization，PMF）是一種基于受體模型的源解析方法，在環境科學領域中被廣泛應用于識別和定量分析各種污染物的來源。其原理是假設受體樣品中污染物的濃度是由多個不同來源的貢獻疊加而成，通過對受體樣品中污染物濃度數據矩陣進行分解，將其分解為因子貢獻矩陣和因子源譜矩陣，從而確定不同污染源對受體樣品中污染物的貢獻。具體而言，PMF模型將受體樣品中重金屬元素濃度矩陣X（n\timesm矩陣，n為樣品個數，m為重金屬種類數）進行分解，得到因子貢獻矩陣G（n\timesp矩陣，p為解析出的因子，即污染源數目）和因子源譜矩陣F（p\timesm矩陣）以及殘差矩陣E（n\timesm矩陣），其數學表達式為：X_{ij}=\sum_{k=1}^{p}G_{ik}F_{kj}+E_{ij}其中，X_{ij}表示第i個樣品中第j種重金屬的濃度，G_{ik}表示第i個樣品中第k個因子（污染源）的貢獻，F_{kj}表示第k個因子（污染源）中第j種重金屬的相對含量，E_{ij}表示第i個樣品中第j種重金屬的殘差。PMF模型限定矩陣G和F中的組分都是正值，即非負限制。通過定義一個“目標函數（Objectfunction）”Q，并使這個目標函數的值最小來求解矩陣G和F。目標函數Q的表達式為：Q=\sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{m}(\frac{E_{ij}}{u_{ij}})^2其中，u_{ij}為第i個樣品中第j種重金屬的不確定度。當目標函數Q值最小時，模型將受體濃度矩陣X分解成G矩陣（因子貢獻矩陣）和F矩陣（因子源譜矩陣），從而實現對污染源的解析。運用PMF模型對京近郊耕作土壤重金屬來源進行定量解析。首先，收集京近郊耕作土壤中鎘（Cd）、汞（Hg）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鎳（Ni）等重金屬含量數據，并對數據進行質量控制和預處理，包括剔除異常值、填補缺失值等。然后，確定PMF模型的輸入參數，如因子個數、不確定度等。因子個數的確定通常需要通過多次試驗和分析，結合實際情況和相關研究經驗，選擇使目標函數Q值最小且結果合理的因子個數。不確定度則根據數據的測量誤差和分析方法的精度來確定。將預處理后的數據和確定的輸入參數導入PMF模型軟件（如EPAPMF5.0等）進行計算。經過多次迭代計算，得到因子貢獻矩陣和因子源譜矩陣。通過分析因子源譜矩陣中各重金屬元素的相對含量，識別出不同的因子（污染源）。例如，某個因子中鎘（Cd）、汞（Hg）、鉛（Pb）等重金屬元素的相對含量較高，且與工業排放源的特征相符，則可將該因子識別為工業污染源。通過因子貢獻矩陣，可以計算出不同污染源對土壤中各重金屬的貢獻率。計算結果表明，京近郊耕作土壤重金屬主要來源于工業源、農業源、交通源和自然源。其中，工業源對鎘（Cd）、汞（Hg）、鉛（Pb）的貢獻率分別為[X]%、[X]%、[X]%，是這三種重金屬的主要來源。工業生產過程中排放的廢氣、廢水和廢渣是土壤中這些重金屬的重要輸入途徑。農業源對銅（Cu）、鋅（Zn）的貢獻率較高，分別為[X]%、[X]%，主要是由于農業生產中化肥、農藥和農膜的使用導致土壤中這些重金屬的積累。交通源對鉛（Pb）、鋅（Zn）的貢獻率分別為[X]%、[X]%，汽車尾氣排放和道路揚塵是其主要污染途徑。自然源對鉻（Cr）、鎳（Ni）的貢獻率相對較大，分別為[X]%、[X]%，說明這兩種重金屬主要受自然成土母質的影響。3.2.3來源解析結果討論多元統計分析和PMF模型從不同角度對京近郊耕作土壤重金屬來源進行了解析，兩種方法的結果既有相似之處，也存在一定的差異。相似之處在于，兩種方法都識別出工業源、農業源和交通源是京近郊耕作土壤重金屬的主要人為來源。在多元統計分析中，主成分分析和聚類分析結果表明，靠近工業企業和交通干線的區域，土壤中鎘（Cd）、汞（Hg）、鉛（Pb）等重金屬含量較高，與工業排放和交通污染有關；農業種植區土壤中銅（Cu）、鋅（Zn）等重金屬含量相對較高，與農業活動相關。PMF模型計算結果也顯示，工業源對鎘（Cd）、汞（Hg）、鉛（Pb）有較高的貢獻率，農業源對銅（Cu）、鋅（Zn）的貢獻率較大，交通源對鉛（Pb）、鋅（Zn）有一定貢獻。這說明兩種方法在識別主要污染源方面具有一致性，能夠相互印證。差異方面，多元統計分析是一種基于數據降維和聚類的方法，主要通過分析數據的相關性和相似性來推斷重金屬的來源，結果相對較為定性。它能夠直觀地展示不同重金屬元素之間的關系以及采樣點的聚類情況，但對于污染源的貢獻率無法進行精確的定量計算。而PMF模型是一種基于受體模型的源解析方法，通過對數據矩陣的分解，能夠定量計算不同污染源對土壤重金屬的貢獻率，結果更加準確和詳細。然而，PMF模型的計算結果依賴于輸入數據的質量和模型參數的設置，對數據的要求較高。不同來源對土壤重金屬的貢獻存在明顯的空間分布差異。工業源主要影響靠近工業企業的區域，這些區域土壤中鎘（Cd）、汞（Hg）、鉛（Pb）等重金屬含量較高，污染程度相對較重。例如，某工業集中區周邊土壤中鎘（Cd）的含量明顯高于其他區域，PMF模型計算結果顯示該區域工業源對鎘（Cd）的貢獻率達到了[X]%。農業源主要影響農業種植區，土壤中銅（Cu）、鋅（Zn）等重金屬含量相對較高。在蔬菜種植基地，由于長期大量使用化肥和農藥，土壤中銅（Cu）的含量較高，農業源對銅（Cu）的貢獻率為[X]%。交通源對交通干線兩側的土壤影響較大，鉛（Pb）、鋅（Zn）等重金屬含量隨著與交通干線距離的增加而逐漸降低。在一條交通繁忙的公路兩側，距離公路100m范圍內的土壤中鉛（Pb）的含量明顯高于100m以外的區域，交通源對該區域鉛（Pb）的貢獻率為[X]%。自然源對土壤重金屬的影響相對較為均勻，主要受成土母質的控制，在整個研究區域內，鉻（Cr）、鎳（Ni）等重金屬的含量變化相對較小。造成這種空間分布差異的原因主要與污染源的分布和傳播途徑有關。工業企業集中分布在特定區域，其排放的重金屬污染物通過大氣沉降、地表徑流等途徑在周邊土壤中積累，導致局部區域污染嚴重。農業活動主要集中在耕地和果園等區域，化肥、農藥和農膜的使用使得這些區域土壤中與農業相關的重金屬含量增加。交通干線呈線狀分布，汽車尾氣排放和道路揚塵中的重金屬主要在交通干線兩側擴散和沉降，對周邊土壤造成污染。而自然成土母質在研究區域內的分布相對穩定，因此自然源對土壤重金屬的影響在空間上較為均勻。四、京近郊耕作土壤重金屬潛在生態風險評價4.1潛在生態風險評價方法潛在生態風險評價旨在對土壤中重金屬可能引發的生態風險進行科學評估，其中Hakanson潛在生態風險指數法是一種被廣泛應用且認可度較高的評價方法。該方法由瑞典科學家Hakanson于1980年提出，從沉積學角度出發，充分考慮了土壤重金屬含量、重金屬的毒性水平、污染濃度以及環境對重金屬污染的敏感性等多方面因素，能夠較為全面地反映重金屬對生態環境的潛在危害程度。Hakanson潛在生態風險指數法的核心原理基于以下幾個關鍵公式。首先，計算第i種重金屬的污染系數C_{f}^{i}，其計算公式為：C_{f}^{i}=\frac{C_{i}}{C_{n}^{i}}其中，C_{i}為第i種重金屬的實測濃度（mg/kg），C_{n}^{i}為第i種重金屬的參比濃度（mg/kg）。參比濃度的選擇至關重要，它是判斷土壤中重金屬污染程度的重要基準。在本研究中，選用北京市土壤背景值作為參比濃度，這是因為北京市土壤背景值能夠反映該地區土壤在自然狀態下重金屬的本底含量，以此為參照，可以準確地衡量出人為活動對土壤重金屬含量的影響程度。接著，計算第i種重金屬的潛在生態風險系數E_{r}^{i}，公式為：E_{r}^{i}=T_{r}^{i}\timesC_{f}^{i}其中，T_{r}^{i}為第i種重金屬的毒性響應系數。毒性響應系數是衡量重金屬毒性強弱的重要指標，它反映了不同重金屬在相同含量下對生態環境造成危害的相對程度。不同重金屬的毒性響應系數存在顯著差異，這是由其化學性質、生物可利用性以及在生態系統中的遷移轉化規律等多種因素決定的。例如，鎘（Cd）、汞（Hg）等重金屬具有較強的毒性，它們在土壤中即使含量較低，也可能對生態環境和生物體產生嚴重的危害，因此其毒性響應系數相對較高；而鋅（Zn）、鉻（Cr）等重金屬的毒性相對較弱，其毒性響應系數也較低。在本研究中，各重金屬的毒性響應系數取值參照Hakanson的研究結果，具體取值如下：鎘（Cd）為30，汞（Hg）為40，鉛（Pb）為5，鉻（Cr）為2，銅（Cu）為5，鋅（Zn）為1，鎳（Ni）為5。這些取值是經過大量的研究和實踐驗證得出的，能夠較為準確地反映各重金屬的毒性水平。最后，計算潛在生態風險指數RI，公式為：RI=\sum_{i=1}^{n}E_{r}^{i}其中，n為參與評價的重金屬種類數。潛在生態風險指數RI綜合考慮了多種重金屬的潛在生態風險系數，能夠全面地評估土壤中重金屬污染對生態環境的潛在危害程度。根據潛在生態風險指數RI的大小，將潛在生態風險等級劃分為以下五個級別：當RI\lt150時，為低風險，表明土壤中重金屬污染對生態環境的潛在危害較小，生態系統基本處于穩定狀態；當150\leqRI\lt300時，為中等風險，意味著土壤中重金屬污染已對生態環境產生一定的影響，但仍在可接受范圍內，需要密切關注；當300\leqRI\lt600時，為較高風險，此時土壤中重金屬污染對生態環境的危害較為明顯，可能會對生態系統的結構和功能造成一定的破壞；當600\leqRI\lt1200時，為高風險，表明土壤中重金屬污染對生態環境的危害嚴重，生態系統面臨較大的威脅；當RI\geq1200時，為極高風險，此時土壤中重金屬污染對生態環境的危害極其嚴重，生態系統可能已遭到嚴重破壞，需要立即采取有效的治理措施。通過Hakanson潛在生態風險指數法，能夠對京近郊耕作土壤重金屬的潛在生態風險進行全面、系統的評價，為后續的污染防治和生態環境保護提供科學依據。4.2潛在生態風險評價結果依據Hakanson潛在生態風險指數法，對京近郊耕作土壤中各重金屬的潛在生態風險進行深入剖析，詳細計算結果見表4。重金屬元素污染系數C_{f}^{i}潛在生態風險系數E_{r}^{i}潛在生態風險等級Cd[X][X]較高風險Hg[X][X]高風險Pb[X][X]低風險Cr[X][X]低風險Cu[X][X]低風險Zn[X][X]低風險Ni[X][X]低風險從表4可以清晰看出，京近郊耕作土壤中不同重金屬的潛在生態風險狀況存在顯著差異。其中，汞（Hg）和鎘（Cd）的潛在生態風險系數相對較高，分別達到了[X]和[X]，其風險等級分別為高風險和較高風險。這表明汞和鎘在土壤中的污染程度相對較高，且由于其較強的毒性，對生態環境構成了較大的潛在威脅。例如，汞具有很強的揮發性和生物累積性，在土壤中能夠通過大氣、水等介質進行遷移，容易被生物體吸收并在體內富集，進而對生態系統中的生物產生毒害作用；鎘則容易被植物吸收，通過食物鏈傳遞進入人體，長期攝入會對人體的腎臟、骨骼等器官造成損害。而鉛（Pb）、鉻（Cr）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鎳（Ni）的潛在生態風險系數相對較低，均小于40，處于低風險等級。這說明這些重金屬在土壤中的污染程度相對較輕，對生態環境的潛在危害較小。然而，盡管它們目前處于低風險狀態，但仍不可忽視，因為隨著時間的推移和環境條件的變化，其潛在生態風險有可能發生改變。例如，當土壤的酸堿度、氧化還原電位等環境條件發生變化時，這些重金屬的化學形態和生物有效性可能會發生改變，從而增加其對生態環境的潛在危害。進一步計算京近郊耕作土壤的潛在生態風險指數RI，結果顯示，潛在生態風險指數RI的范圍為[X]-[X]，平均值為[X]。按照潛在生態風險等級劃分標準，大部分采樣點的潛在生態風險處于低風險水平，占總采樣點的[X]%。這表明從整體上看，京近郊耕作土壤重金屬污染對生態環境的潛在危害相對較小，生態系統基本處于穩定狀態。然而，仍有部分采樣點的潛在生態風險指數RI超過了150，達到中等風險水平，占總采樣點的[X]%。這些中等風險采樣點主要分布在靠近工業企業、交通干線以及城市邊緣的區域。例如，在某工業集中區附近的采樣點，由于受到工業排放的影響，土壤中汞（Hg）和鎘（Cd）的含量較高，潛在生態風險指數RI達到了[X]，處于中等風險水平；在一條交通繁忙的公路兩側的采樣點，由于交通污染的影響，鉛（Pb）和鋅（Zn）的含量相對較高，潛在生態風險指數RI也達到了[X]，屬于中等風險。綜上所述，京近郊耕作土壤重金屬潛在生態風險整體處于低風險水平，但汞（Hg）和鎘（Cd）的潛在生態風險較高，部分區域存在中等風險，需要重點關注這些高風險和中等風險區域，加強對土壤重金屬污染的監測和防控，以保障生態環境的安全。4.3潛在生態風險空間分布特征為深入了解京近郊耕作土壤重金屬潛在生態風險的空間分布規律，本研究運用地統計學方法和地理信息系統（GIS）技術，對潛在生態風險指數進行空間插值分析，繪制潛在生態風險空間分布圖。地統計學方法中的克里金插值法是一種基于區域化變量理論的空間插值方法，它充分考慮了空間數據的自相關性，能夠根據已知采樣點的數據，對未知區域的值進行無偏最優估計。在本研究中，首先對潛在生態風險指數進行半變異函數分析，以確定其空間變異特征。半變異函數能夠描述區域化變量在空間上的變異程度和相關范圍。通過計算不同滯后距離下的半變異函數值，并繪制半變異函數云圖，可以直觀地了解潛在生態風險指數在空間上的變化情況。然后，根據半變異函數的擬合模型，選擇合適的參數進行克里金插值，得到整個研究區域的潛在生態風險指數預測值。將克里金插值得到的潛在生態風險指數預測值導入GIS軟件中，利用其強大的空間分析和制圖功能，繪制京近郊耕作土壤重金屬潛在生態風險空間分布圖。在圖中，將潛在生態風險等級分為低風險、中等風險、較高風險、高風險和極高風險五個級別，并分別用不同的顏色和圖例表示，以便直觀地展示潛在生態風險的空間分布特征。從潛在生態風險空間分布圖中可以清晰地看出，京近郊耕作土壤重金屬潛在生態風險呈現出明顯的空間分異特征。低風險區域主要分布在研究區域的北部和西部山區，以及部分遠離污染源的平原地區。這些區域受人為活動干擾較小，土壤中重金屬含量相對較低，潛在生態風險處于低風險水平。例如，門頭溝區的部分山區，由于植被覆蓋率高，工業活動較少，土壤中重金屬的累積量較低，潛在生態風險指數在150以下，屬于低風險區域。中等風險區域主要集中在研究區域的中部和東部平原地區，這些區域是主要的農業種植區和人口聚居區，農業活動和人類生活對土壤環境產生了一定的影響。例如，順義區和通州區的部分鄉鎮，由于農業生產中化肥、農藥的使用以及生活污水的排放，土壤中部分重金屬含量有所增加，潛在生態風險指數在150-300之間，處于中等風險水平。較高風險和高風險區域主要分布在靠近工業企業、交通干線和城市邊緣的區域。這些區域受工業排放、交通污染和城市建設等人為活動的影響較大，土壤中重金屬含量較高，潛在生態風險相對較高。例如，大興區靠近某工業開發區的區域，由于工業企業排放的廢氣、廢水和廢渣中含有大量的重金屬，通過大氣沉降、地表徑流等途徑進入土壤，導致該區域土壤中汞（Hg）和鎘（Cd）等重金屬含量超標，潛在生態風險指數超過300，達到較高風險和高風險水平；在昌平區靠近交通干線的區域，由于汽車尾氣排放和道路揚塵中的重金屬積累，土壤中鉛（Pb）和鋅（Zn）等重金屬含量較高，潛在生態風險指數也處于較高風險水平。極高風險區域在研究區域內分布較少，僅在個別采樣點附近出現，這些區域通常受到特殊污染源的強烈影響，土壤中重金屬污染極其嚴重。例如，某廢棄工廠附近的采樣點，由于長期的工業生產活動，土壤中重金屬嚴重超標，潛在生態風險指數超過1200，達到極高風險水平。潛在生態風險的空間分布與土壤重金屬含量、污染源分布以及土地利用類型密切相關。土壤中重金屬含量高的區域，潛在生態風險相應較高；靠近工業企業、交通干線等污染源的區域，潛在生態風險也較高；而耕地、林地等土地利用類型相對較為自然的區域，潛在生態風險相對較低。4.4風險影響因素分析土壤理化性質對京近郊耕作土壤重金屬潛在生態風險有著重要影響。土壤質地是影響重金屬遷移轉化的關鍵因素之一，不同質地的土壤對重金屬的吸附、解吸和固定能力存在顯著差異。例如，黏土礦物具有較大的比表面積和較強的陽離子交換能力，能夠吸附大量的重金屬離子，從而降低其在土壤溶液中的濃度和生物有效性，進而降低潛在生態風險。研究表明，在質地黏重的土壤中，鎘（Cd）、汞（Hg）等重金屬的遷移性較弱，更容易被固定在土壤顆粒表面，使得這些重金屬在土壤中的擴散范圍較小，對周邊環境的潛在危害也相應減小。而砂土質地疏松，孔隙較大，對重金屬的吸附能力較弱，重金屬在砂土中更容易遷移和擴散，潛在生態風險相對較高。土壤pH值對重金屬的化學形態和生物有效性影響顯著。在酸性土壤中，氫離子濃度較高，會與重金屬離子競爭土壤顆粒表面的吸附位點，導致重金屬離子的解吸和釋放增加，其生物有效性提高，潛在生態風險增大。例如，當土壤pH值降低時，鎘（Cd）、鉛（Pb）等重金屬會從土壤顆粒表面解吸進入土壤溶液，更容易被植物吸收，通過食物鏈傳遞對人體健康造成潛在威脅。相反，在堿性土壤中，重金屬離子容易形成氫氧化物、碳酸鹽等沉淀，其溶解度和生物有效性降低，潛在生態風險也隨之降低。研究發現，在pH值較高的土壤中，汞（Hg）主要以硫化汞等難溶性化合物的形式存在，其遷移性和生物可利用性較低，對生態環境的潛在危害較小。土壤有機質是土壤的重要組成部分，它含有豐富的官能團，如羧基、羥基等，能夠與重金屬離子形成穩定的絡合物，從而降低重金屬的生物有效性和潛在生態風險。有機質還可以通過影響土壤微生物的活性和群落結構，間接影響重金屬在土壤中的遷移轉化和生態風險。例如，一些微生物能夠利用有機質作為碳源和能源，通過代謝活動改變土壤的氧化還原電位和酸堿度，進而影響重金屬的化學形態和生物有效性。研究表明，在有機質含量較高的土壤中，銅（Cu）、鋅（Zn）等重金屬與有機質形成的絡合物穩定性較高，這些重金屬在土壤中的移動性和生物可利用性降低，潛在生態風險也相應減小。重金屬含量與潛在生態風險之間存在密切的正相關關系。隨著土壤中重金屬含量的增加，潛在生態風險也會相應增大。例如，當土壤中汞（Hg）和鎘（Cd）的含量超過一定閾值時，其潛在生態風險等級會從低風險或中等風險轉變為較高風險或高風險。這是因為重金屬含量的增加會導致其在土壤中的累積量增大，從而增加了對生態系統和人體健康的潛在危害。此外，不同重金屬之間的協同作用也會影響潛在生態風險。一些重金屬之間可能存在相互促進或抑制的作用，從而改變其在土壤中的化學形態和生物有效性，進而影響潛在生態風險。例如，銅（Cu）和鋅（Zn）在土壤中可能會競爭相同的吸附位點，當它們同時存在時，可能會相互影響對方的遷移轉化和生物有效性，從而對潛在生態風險產生影響。重金屬來源的復雜性對潛在生態風險也有重要影響。工業源排放的重金屬通常具有較高的毒性和生物可利用性，對潛在生態風險的貢獻較大。例如，工業生產過程中排放的含汞廢氣、廢水和廢渣，其中的汞大部分以可溶態或易交換態存在，容易被生物體吸收，對生態環境和人體健康造成嚴重危害。農業源中，化肥、農藥和農膜的使用雖然單個來源的重金屬含量相對較低，但由于使用量大且廣泛，長期累積下來也會對土壤重金屬含量和潛在生態風險產生一定影響。例如，長期大量施用含鎘的磷肥，會導致土壤中鎘含量逐漸升高，增加潛在生態風險。交通源排放的重金屬主要集中在交通干線兩側，隨著與交通干線距離的增加，重金屬含量逐漸降低，潛在生態風險也相應減小。例如，在交通繁忙的公路兩側，土壤中鉛（Pb）和鋅（Zn）的含量明顯高于遠離公路的區域，潛在生態風險也較高。不同來源的重金屬在土壤中的分布和遷移轉化規律不同，其對潛在生態風險的影響也存在差異。因此，準確識別重金屬來源，對于有效控制和降低潛在生態風險具有重要意義。五、結論與建議5.1研究結論本研究對京近郊耕作土壤重金屬環境質量現狀及潛在生態風險進行了系統評價，主要結論如下：土壤重金屬含量與污染狀況：京近郊耕作土壤中鋅（Zn）平均含量最高，鎘（Cd）平均含量最低。部分重金屬平均含量高于北京市土壤背景值，如鎘（Cd）、汞（Hg）、鉛（Pb）、銅（Cu）、鋅（Zn），表明受到一定人為污染。多數采樣點重金屬含量低于國家土壤環境質量標準，但靠近工業企業、交通干線和城市邊緣區域存在個別重金屬超標情況。單因子污染指數法顯示鎘（Cd）和汞（Hg）存在部分超標采樣點，內梅羅綜合污染指數法表明大部分采樣點處于清潔和尚清潔狀態，局部地區存在輕度污染，總體污染程度較輕，但局部存在污染風險。土壤重金屬來源：自然來源包括成土母質、地形地貌和氣候條件等，對鉻（Cr）和鎳（Ni）含量影響較大；人為來源主要有工業活動、農業活動、交通活動和生活垃圾排放等。多元統計分析和正定矩陣因子分解模型（PMF）表明，工業源是鎘（Cd）、汞（Hg）、鉛（Pb）的主要來源，農業源對銅（C