目前，土壤重金属污染已经成为世界范围内重要的环境问题，在土壤环境污染方面所说的重金属主要是指汞（水银）、铜、铅、锌以及类金属砷等生物毒性显著的元素^[1]。土壤作为重金属的第一受纳体，具有以下特点：一方面长期潜伏、很难降解；另一方面又通过水体或农田作物等与人类直接或间接接触，从而影响人体健康^[2]。造成重金属污染的来源很复杂，自然来源主要是母岩或残留的生物物质，一般条件下含量较低，不会对人类及生态系统造成危害；而人为污染源包括农药、动物粪便、化石燃料的燃烧、工业生产中不同矿种的开采、运输等，若重金属含量超标会对人类及环境造成影响^[3-4]。研究发现，矿业的开采是现今研究区域内土壤重金属污染最严重的污染源之一。

目前针对土壤重金属污染的研究很多，主要专注于不同类型的单污染源重金属现状分析、空间分布、危害评价等方面^[5]。黄兴星等^[6]对密云水库上游铁矿重金属污染研究，发现其污染严重区主要集中于选矿厂周围^[6]。张爱星等^[7]对金矿矿区重金属分布研究，表明污染严重区域主要集中在尾矿库附近，主要是采矿及金属冶炼过程对土壤环境造成的污染。Yang Hongxia等^[8-9]基于DOM对煤矿矿区土壤溶解性有机质研究，探索煤矸石对生态环境的破坏污染范围。目前的风险评价多集中在对单种矿种区域或整个区域的整体风险评价方面。

尽管国内外对土壤重金属污染特征和风险评价比较多，但是对于矿区周边环境敏感区，特别是针对多种矿种并存且位于水源地上游补给区周边环境土壤重金属分布及污染特征研究较少。本次研究区域位于北京市西南的门头沟区矿集区。拥有煤矿、石灰石、页岩等多种资源，大规模的开采在过去曾经带动了区域的发展，同时也改变和破坏了当地的地质环境，产生了一系列的地质问题。本文针对研究区域复杂的污染源情况，采取多元统计分析方法，对采集的表层土壤重金属空间分布状况探究，并运用潜在生态危害指数法进行生态风险评价，分析对环境威胁系数比较严重的因子，剖析典型污染物的潜在风险危害状况^[10]，依托ArcGIS强大的空间分析功能对重金属空间分布以及污染特征进行评价。研究结果将为门头沟生态涵养区建设规划提供基础支撑。

门头沟位于北京的西南方向，对北京环境起着极其重要的作用，是防止风沙侵蚀北京的最后一道屏障，生态地位尤其突出。本文研究区域为门头沟东南部，是北京市重要的水源补给区。该区域年降水量700 mm左右。雨季为7-8月，其降水量占全年的70％，山洪主要集中在这个时期。每年6-7月为高温季节，7月平均气温为28 ℃，极高温度可达40 ℃；1-2月为低温季节，1月平均气温为-6 ℃，最低温度达-22 ℃。4-10月，日平均气温超过11 ℃，年雷暴日约37 d，多集中在雨季。该地区地层主要由震旦亚界的蓟县系和青白口系，下古生界的寒武系、石炭系、二迭系，上古生界的侏罗系和第四纪的马栏组、百花山冰期堆积所构成。地形骨架形成于中生代的燕山运动，是门头沟的主要成煤区。该区域为典型的矿业开采区，有曾经开采的矿产资源12处之多，资源种类包含煤矿、水泥和石灰厂矿，花岗岩、板岩和大理岩石料，上游区域含有落坡岭水库。

本研究以1：10 000地形图为调查工作手图，使用GPS并结合地形图定点，进行样品采集，表层土壤样品的采样深度为0～20 cm，共采集表层土样27件。按照技术要求土壤样品原始重量大于1 000 g，采样时用竹片或竹铲去除与金属采样器接触的部分，使土壤避免污染。由于土壤本身在空间分布上具有一定的不均匀性，所以采集过程中按照多点采样原则，并均匀混合成为具有代表性土壤样品。样品中弃去动、植物残留体、砾石、肥料团块等，保证上下均匀采集^[11]。研究区域及采样点分布详见图 1。

图 1 研究区域及采样点位置图 Figure 1 Map of study area and sampling point

图选项

采集样品在华北有色地质勘查局燕郊中心实验室进行化验分析。参照中华人民共和国地质矿产行业标准DZ/T 0130-2006《地质矿产实验室测试质量管理规范》中区域地球化学调查之规定。准确称取0.25 g样品置于50 mL聚四氟乙烯烧杯中，加几滴水润湿，加6 mL HF，2 mL HClO₄，盖好盖子，浸泡过夜。24 h后加入2.5 mL HCl，2.5 mL HNO₃，在控温电热板上于200 ℃加热1.5 h，再升温至240 ℃，蒸发至白烟冒尽。升温至320 ℃加热1 h。关掉电热板，加5 mL HCl（1+1），利用余温浸取5 min，取下用少量水冲冼杯壁，移入25 mL比色管中，用水稀释至刻度，摇匀。准确分取1.00 mL溶液于10 mL比色管中，用水稀释至刻度，摇匀，采用电感耦合等离子质谱法上机测定Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn；准确称取样品0.25 g于50 mL比色管中，以水润湿，加入10 mL 1+1王水于沸水浴锅中加热溶解1 h，中间摇动2～3次，冷却加入10%的抗坏血酸-硫脲混合溶液5 mL，摇匀。20 min后用水稀释至25 mL体积，摇匀，在选定的氢化物发生-原子荧光法测定As和Hg。

参照中华人民共和国地质矿产行业标准DZ/T 0130-2006《地质矿产实验室测试质量管理规范》中区域地球化学调查之规定要求，采用金标准物质GAu-2a、GAu-7a、GAu-13、GAu-11a、GAu-9a、GAu-10a、GAu-12、GAu-8；土壤成分分析标准物质GBW07401、GBW07402、GBW07403、GBW07404、GBW 07405、GBW07406、GBW07407、GBW07408，对测试准确度进行监控，监控标准为：检出限3倍以内的ΔlgC（测定值与标准值的平均对数差）≤±0.20，RE%≤±50%；检出限3倍以上ΔlgC≤±0.13，RE%≤±35%的要求，各元素准确度监控限均符合要求。计算ΔlgC，对数标准偏差（λ），对测试精确度进行监控，监控标准为：检出限3倍以内的ΔlgC≤±0.25，λ≤0.40；检出限3倍以上ΔlgC≤±0.15，λ≤0.25的要求，各元素精确度监控限均符合要求。

根据报出率管理办法要求，实验室精心选择分析方法，测试结果的报出率均大于90%，满足报出率控制的要求，详见表 1。

表 1 元素测试方法及检出限要求（μg·g^-1） Table 1 Element test method and detection limit (μg·g^-1)

表选项

常用的土壤重金属污染评价的方法包括内梅罗指数法、地累积指数法、潜在生态危害指数法等等。内梅罗指数法着重考虑评价项目的平均值与最大值，在一定程度上可能会受到其中某些因子的影响从而夸大或者缩小了结果^[12]；地累积指数法优点在于考虑了成岩作用对土壤背景值的影响，但该方法只能给出各采样点某种重金属的污染指数，无法对元素间或区域间环境质量进行比较分析^[13]；本次研究区域采用潜在生态危害指数法，作为国际上土壤（沉积物）重金属研究的方法之一，该方法结合环境化学、生物毒理学、生态学等相关理论^[14]，以定量的方法划分出重金属潜在危害的程度，是目前此类研究中应用较为广泛的一种研究方法，模型公式如下：

式中，RI为多种重金属潜在生态危害指数；E_rⁱ为重金属i的潜在生态危害单项系数；T_rⁱ为某一种重金属的毒性系数，本次研究中Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、Cd、As、Hg 8种重金属的毒性系数分别为5、5、1、2、5、30、10、40^[15-17]；C_fⁱ为重金属的单项污染系数；C_表ⁱ为表层土壤重金属含量实测值；C_nⁱ为参比值^[18]。考虑研究区域为北京市，经过分析研究若以《中国土壤元素背景值》^[19]作为评价土壤污染水平的参考依据，则研究区域大部分地区的土壤重金属均低于背景值，与实际情况不符，最终采用中国科学院陈同斌等^[20]的北京背景值研究数据作为背景值，得出的分析结论符合研究区域的现实情况。重金属污染潜在生态危害单项系数和潜在生态危害指数分级标准列于表 2中。

表 2 E_rⁱ和RI的分级标准 Table 2 Grades and description of E_rⁱ and RI

表选项

本研究运用SPSS19.0进行多元统计分析，通过分析重金属元素之间的相似性或者占比程度，更加客观清晰地了解污染的现状及空间分布状况。

运用ArcGIS进行空间插值分析，空间分析是通过对有限的样点根据相互的位置关系、数据变差函数模型转换为连续的数据曲面。ArcGIS软件在环境和地质领域已经运用比较成熟，如重金属空间分布、水文地质调查、密度分析（城市空间规划）等^[21]。本研究采用其中的反距离权重法模型探索研究区域的重金属空间分布特征^[22]。

研究土壤中重金属含量可以揭示区域的污染现状，研究区域土壤重金属含量如表 3所示。本研究对Cu、Pb、Zn、Ni、Cr、Cd、As、Hg 8种元素进行了分析，与北京市背景值比较，超标倍数表现为Hg>Cd>Pb>Cr>Zn>Cu>Ni>As，土壤中重金属汞（Hg）、铅（Pb）、锌（Zn）、铬（Cr）、镉（Cd）元素的平均含量在北京市土壤背景值2.77、1.74、1.41、1.53、1.75倍上下，并且一些区域重金属含量很高，铅（Pb）含量最大值是背景值的19.31倍，汞（Hg）含量最大值是背景值的9.27倍。在空间分布上有较明显的差异，受到外来干扰比较大，而重金属元素铜（Cu）、镍（Ni）、砷（As）的含量在北京市土壤背景值上下，说明附近土壤中重金属污染较轻。

表 3 重金属含量分析结果统计（mg·kg^-1） Table 3 Statistical analysis of heavy metals content (mg·kg^-1)

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区域重金属空间分布如图 2所示。根据重金属空间分布特征及区域生态环境特征划分研究区域为：水库上游区域、中段煤矿矿集区域、王平镇矿集区域。水库上游区域除As元素略高外，其他元素均很低；中段煤矿矿集区域Cd、Ni、Zn、Pb、Hg值较高；王平镇矿集区域（南港、韭园沟域）Pb、Zn、As、Hg值都比较高。

图 2 研究区域重金属含量空间分布图 Figure 2 Spatial distribution of heavy metals in the study area

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研究区域8种重金属元素的极差（最大值与最小值的求差）分别为：Cu 29.80 mg·kg^-1、Pb 462.40 mg·kg^-1、Cr 39.4 mg·kg^-1、Cd 0.45 mg·kg^-1、As 8.41 mg·kg^-1、Hg 0.265 mg·kg^-1、Zn 96.00 mg·kg^-1、Ni 31.80 mg·kg^-1。Zn、Hg、Pb的极差较大，说明元素分布不均匀，污染程度不同。Hg的最大值出现在22号点位，为0.278 mg·kg^-1，采样点位于色树坟煤矿、东石古岩岩石厂附近，主要与矿业开采与运输过程有关；Pb的最大值出现在16号点位，为475 mg·kg^-1，采样点位于王平废弃煤矿和木城涧煤矿（在生产矿区）等矿集区域，采集样品为煤矸石样品。重金属含量在煤矸石堆积区与远离煤矸石堆积区存在着显著差异，污染情况复杂，推测矿业开采对其造成影响较大。

对土壤环境的危害状况进行分析评价，研究区域RI值在67.81~668.53之间。结合表 4可以看出，所有采样点Cu、Zn、Ni、Cr、As元素，属于轻微生态风险；3个采样点Pb元素，属于中等以上生态风险，24个采样点Pb元素，属于轻微生态风险；16个采样点Cd元素，属于中等以上生态风险；25个采样点Hg元素，属于中等以上生态风险。研究区域8种重金属潜在生态危害风险系数平均值从大到小依次为Hg>Cd>As>Pb>Ni>Cu>Cr>Zn。Hg和Cd污染程度较高，危害较大，其中Hg最为严重。重金属的超标倍数危害程度与潜在生态风险系数存在差异，其原因主要是重金属毒性系数的影响。Cd、Hg元素潜在生态危害指数较高是因为土壤中的Cd和Hg的含量高、毒性系数大，Pb元素潜在生态危害指数较高是因为土壤中的Pb含量高，与前人分析也是一致的^[23]。As元素具有较高的生物毒性效应（T_rⁱ=10），因此，其生态风险也随之上升；而Zn元素的生态毒性系数最低（T_rⁱ=1），故其生态风险也降低。与重金属含量超标倍数方法相比，潜在生态危害指数法考虑了各个重金属的生物毒性影响，后者的评价结果更准确。

表 4 土壤重金属潜在生态风险指数统计分析 Table 4 Statistical analysis of potential ecological risk index of heavy metals

表选项

研究区域的土壤环境潜在风险评价分布如图 3所示。RI值较高区域主要集中在王平镇矿集区域，均值为327.52，属于强或者极强生态危害。RI值中等区域主要集中在中段煤矿矿集区域，均值为267.33，属于中等生态危害或者强危害程度。RI值较低区域主要集中在落坡岭水库区域，均值为147.56，属于轻微生态危害或无生态危害。研究区域中局部地区已经不适合居住，现今为搬迁改造区域。大量研究表明^[24-26]，矿业开采产生大量粉尘随着风力作用对环境造成影响；同时大量煤矸石和尾矿渣压占土地，经过长期淋滤作用，矿体内重金属元素如Pb、Hg等可随之迁移进入周边环境，对生物及人体造成危害。重金属污染来源非常复杂，人为源与自然源均存在。

图 3 研究区域潜在生态危害评价图 Figure 3 Map of the potential ecological risk assessment of study area

图选项

中段煤矿矿集区域RI值较高区域位于煤矿、屯煤地及其他矿种开采区周边。Hg的最大值出现在22号点位，重金属含量达0.278 mg·kg^-1，E_rⁱ值达到208.39，属于极强生态危害。采样点位于色树坟煤矿、东石古岩岩石厂附近，可能与矿业开采与运输过程有关；Pb的最大值出现在16号点位，为475 mg·kg^-1，E_rⁱ值达到103.7，属于强生态危害。煤矿区大量煤矸石的无序堆积存放对周边生态环境造成危害，也有研究发现煤矸石堆的土壤持水性比较差，从而会造成重金属富集^[27]。虽然危害范围有限，但如若发生突发情况造成重金属元素迁移，通过生物链的放大作用，必然会传入人类身体，对人类健康造成危害，污染情况仍不容小视^[28]。

王平镇矿集区域RI值较高区域位于韭园沟域及南港沟域。王平镇韭园沟域含有少许煤层地区，受到人为影响严重，周围环境因为资源开采及旅游开发、果园耕种施肥等人为活动影响造成的重金属含量较高；南港沟域区域基本属于中等生态危害或者强危害程度，村域范围内地下蕴藏着丰富的煤炭资源，开采历史悠久，最早可上溯至解放前。该区域大部分为煤矿开采，采集样品为煤矸石堆及附近土壤样品，经过化验分析发现极大值点位于3号和7号点位，Cu、Pb、Zn、Hg潜在风险危害系数较高，经过现场勘查发现，经雨水冲刷及其他自然作用使煤矸石重金属发生迁移淋溶。尚爱安、刘玉荣等通过对贵州水城汪家寨等煤矿区周边环境中土壤重金属含量研究也发现，土壤中Cu、Pb、Zn含量远高于Ⅱ级土壤环境标准值，重金属元素在由煤矸石风化成的土壤中产生了不同程度的累积^{[27, 29]}。

（1）8种重金属含量空间分布由西向东自水库上游区域至中段矿集区区域至王平镇区域逐渐升高，而矿区的分布亦具有相似的趋势，采集样品从水库周边土壤到煤矸石堆土壤及砂石矿附近土壤重金属含量变化表明煤矿矿集区对土壤重金属含量影响远大于其他类型影响源。研究区域重金属危害程度由大到小依次排序为Hg>Cd>Pb>Cr>Zn>Cu>Ni>As。

（2）研究区域重金属单项污染潜在生态风险系数平均值从大到小依次为Hg>Cd>As>Pb>Ni>Cu>Cr>Zn。其中Cd、Hg、Pb表现中等以上生态风险，As、Ni、Cu、Cr、Zn元素表现为轻微生态风险。

（3）8种重金属综合潜在生态危害指数RI值在67.81~668.53之间。水库上游区域基本属于轻微生态危害或者无危害程度，RI均值147.56；中段矿集区域基本属于中等生态危害或者强危害程度，RI均值267.33；王平镇区域生态危害属于强或者极强生态危害，RI均值327.52。自北向南由西向东方向土壤的重金属生态危害逐渐增强。