基于城乡环境梯度的土壤重金属富集机制及源解析研究-以广州市为例

The evolution of urban-rural environmental gradient zone is the result from the process of urbanization in different period.The former also has the records of gradually enhanced human activities from nature to farming, to industrialization era and at the same time leads to the accumulation of anthropogenicheavy metal element in soil to varying degrees. How to reveal these enrichment mechanism and identify the heavy metal sources from the evolution process is the core scientific issues discussed in this program.Taking Guangzhou, a megacity in south China as an example, the specific methods to investigate the human source and enrichment mechanism of the heavy metalin soils includes spatial variability analysis of heavy metal contents in soils between city center-built-surburb-outer surburd-rural areas and soil profile comparision between different evolution period in urban-rural gradient zone, as well as Geochemistry and Geo-statistics theory. Based on these methods, a futher Pb isotope analysis is undertook for typical soil profile to investigate the definiteapproaches of human sources and natural enrichments. The program is helpful to expand the spatiotemporal scales of soil environmental evolution, and provides scientific evidence for evaluation of soil environmental quality and ecosystem health in study area, gives a fundamental and innovative study for phase repair of heavy metal pollution according to the urban-ruralenvironmental Gradient at the same time.

城乡环境梯度演化带是不同时期城市化进程的结果，也记录着自然-农耕-工业化时代，人类活动逐渐增强的过程，同时也导致了人为排放的重金属元素在土壤中不同程度的富集。如何从该演进过程中，揭示土壤重金属元素的富集机制，探寻其物质来源，是本项目研究的核心科学问题。本项目拟以广州市为例，开展以中心城区-建成区-近郊区-远郊区-农村为城乡环境梯度的土壤重金属元素含量的空间变异分析，结合不同城乡环境梯度演进时期土壤剖面对比研究，利用地球化学和相关地统计学理论，探讨研究区土壤重金属元素的人为来源和自然富集机制，在此基础上，对典型土壤剖面开展Pb同位素分析，进一步追溯人为来源和自然富集的具体途径。本项目的开展有助于拓展土壤环境演化的时空研究尺度，并为研究区土壤环境质量和生态健康评价提供理论依据，同时也为我国城乡进程中按环境梯度进行土壤重金属元素污染分层次修复、治理提供科学依据。

本项目以广州市为例，开展城乡环境梯度带的土壤重金属元素富集机制和源解析的研究工作。以城乡环境梯度演进线建立时间序列，采集广州市城乡梯度带208个0~20 cm表层土壤样品，测定Pb、Cd、Cr、Hg、As、Cu、Zn和Ni等8种重金属的含量，结合典型土壤剖面和Pb同位素研究，利用地球化学和相关地统计学理论，探讨研究区土壤重金属元素的人为来源和自然富集机制及其来源具体途径。主要研究进展包括：（1）单因素方差分析和地统计学分析结果显示，广州土壤重金属含量与城乡环境梯度特征密切相关。表层土壤中Pb、Cd、Zn和Hg的浓度均呈现建成区>近郊区>远郊区>农村的分布规律，并且建成区这四种重金属的浓度与近郊区、远郊区和农村相比有显著性差异（P<0.05）。其分布规律与广州城乡环境梯度演进带吻合，形成时间长、人口密集、商业发达的建成区重金属浓度最高，而人类活动较少，城市化程度小的农村重金属含量最低。（2）表层土壤中各重金属浓度的分布与广州市土利用类型的分布具有较强的相关性。城乡、工矿、居民用地占各城乡梯度带总面积的比例顺序为建成区>近郊区>远郊区>农村，与广州表层土壤中Pb、Cd、Zn和Hg的浓度均呈现建成区>近郊区>远郊区>农村的分布规律一致。（3）利用经典的铅同位素识别污染源模型估算出越秀公园土壤中铅大气气溶胶贡献率在32.3%~56.9%之间。大气气溶胶中的Pb主要来源于人为排放，由此可见，越秀公园土壤中的铅的富集与人类活动有密切关系。（4）运用PCA/APCS受体模型，将8种重金属元素辨识为3种主成分，PC1（Cd、As、Zn、Cu、Cr、Ni）为自然源；PC2（Pb、Cd、Hg）为交通源；PC3（Hg）为工业源。Cd源贡献率为自然源占53.7%，交通源占46.3%；Hg源贡献率为自然源占19.5%，交通源占35.7%，工业源占44.8%；Pb源贡献率为自然源占33.7%，交通源占51.5%，工业源占14.8%；As、Zn、Cu、Cr、Ni的自然源贡献率均达到60%以上。本项目的开展有助于拓展土壤环境演化的时空研究尺度，并为研究区土壤环境质量和生态健康评价提供理论依据，同时也为我国城乡进程中按环境梯度进行土壤重金属元素污染分层次修复、治理提供科学依据。