近年来，随着工业化、城市化和农业集约化的快速发展，我国土壤环境所面临的情况不容乐观，其中重金属污染问题尤为突出^[1-5]。土壤重金属作为土地生态系统中的慢变量，具有隐蔽性、积累性、地域性且不易降解、易富集等特点^[6-8]。工厂废水、废气，机动车尾气的排放以及农业活动化肥、农药的施用，更加剧了土壤重金属污染的局面。据2014年4月环保部和国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》报道，我国土壤无机污染物（重金属）超标点位数占全部超标点位的82.8%，其中Cr的点位超标率为1.1%^[9]。土壤中的Cr主要来源于大气中重金属Cr的沉降，农药、化肥和塑料薄膜的使用以及污水灌溉等^[10]。Cr作为五毒元素之一，它不仅能抑制土壤微生物的活性，降低土壤中的生物多样性，还会通过饮用水、食物链等方式对生物体以及生态环境造成严重影响^[11-14]。因此，有必要对区域尺度上土壤重金属Cr的污染分布特征及其影响因素进行系统研究。

围绕农田土壤重金属分布特征，很多学者已开展大量研究^[15-16]，张小敏等^[17]探讨了我国农田土壤重金属Pb、Cd、Cu、Zn和Cr的空间富集现状，表明我国重金属空间分布具有明显的区域特征；王彬武等^[18]对耕地土壤重金属的时空变化进行研究，运用潜在生态风险和指示克里格法对比分析不同年份耕地表层土壤重金属含量；韩平等^[19]对北京顺义区土壤重金属污染生态风险进行评估研究；索琳娜等^[20]研究表明，北京市菜地重金属Cd、Cr、Cu、Zn存在累积污染风险，但总体土壤环境安全；王学军等^[21]应用克里格方法对北京东郊污灌土壤表层重金属含量进行了分析，采用单因子和多因子评价，结果表明研究区土壤属于轻度污染或无污染；赵倩等^[22]运用多元统计分析和潜在风险指数方法，研究土层中重金属的分布特征与潜在生态风险。鉴于目前对于北京市土壤重金属污染研究大多集中于水平空间、不同土壤类型以及不同功能区方面，本文在已有研究的基础上，以北京平原区农田土壤为研究对象，基于所监测数据及土壤基本理化性质和相关环境因子，研究不同土壤深度Cr水平和垂直分布特征，并从不同功能区、不同种植模式，以及不同母质类型等方面探究该区域土壤重金属Cr的影响因素，旨在为今后该区域人为干预以及重金属Cr预警模型建立和污染治理提供科学参考。

北京市位于115.7°~117.4°E、39.4°~41.6°N，地处华北平原北部，背靠燕山，面积达1.641万km²，其中山区面积约为10 068 km²，约占全市总面积的61.2%。地势西北高、东南低，平均海拔为43.5 m。北京为典型的北温带大陆性半湿润季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促。年平均温度8~12 ℃，降水量600~700 mm。全年无霜期180~200 d，西部山区较短。

根据北京市数字高程，结合农用地粮田、菜地（露天菜地、设施菜地）和果园的空间分布情况，以100 m等高线为界线，将高程≤100 m的区域作为本文的研究区。研究区位于北京东南部，面积为7 779.12 km²。研究区的土壤质地分为轻壤、砂壤、砂土、中壤、重壤5种，其中以轻壤质为主，占到研究区总面积将近50%，其次是砂壤质和中壤质。根据北京市数字土壤系统，研究区可分为农业保障区、都市生活区、水源保护区3类功能分区，不同功能区土壤类型均以潮土、褐土为主，还存在有少量水稻土。主要成土母质包括冲积物、洪冲积物、钙质岩类风化物、黄土物质、红黄土性物质、页片岩类风化物等。

本文以北京市农业用地为研究对象，采样时间为2015年6月，针对不同种植模式、不同土壤深度（0~25、25~50 cm）选取94个采样点。每个样点选取中心点及相邻两角，并将同一深度土样混合作为代表该点的样品，样品均经野外剔除与金属采样器械接触部分。94个采样点覆盖北京平原区各区县，共分布于九区一县，自北向南依次包括水源保护区的密云、平谷、怀柔、昌平，农业保障区的顺义、通州、大兴和房山，以及都市生活区的海淀、丰台。采样点分布位置见图 1。利用GPS定位采样点，并记录采样点的功能区属性、种植模式、土壤类型和土质等基本属性，检测了土壤样品中重金属Cr的含量。土壤中重金属Cr采用火焰原子吸收分光光度法进行测定，分析过程采用平行双样、加标进行质量控制。

图 1 研究区位置及采样点位置分布图 Figure 1　Location of the study area and distribution of sampling points

图选项

采用SPSS 21.0进行描述性统计分析、方差分析，计算变异系数，并结合ArcGIS 10.2软件对样点数据进行插值处理分析，预测其空间分布特征。

采用单因子指数法对土壤中不同深度的重金属Cr污染强度进行评价，评价标准见表 1，计算公式为：

(1)

表 1　土壤评价分级标准^[23] Table 1　Evaluation of soil classification standard ^[23]

表选项

式中：P_i为土壤中污染物i的环境质量指数；C_i为污染物i的实测浓度，mg·kg^-1；S_i为污染物i的评价标准，mg·kg^-1。

经验贝叶斯克里格法（EBK）是一种常用的地统计插值方法，目前常用的克里格方法是通过已知的数据位置计算半变异函数，并使用此单一变异函数在未知位置进行预测，具有一定的平滑效应，不能够完全反映出土壤本身的性质特点^[24-26]。本文所采用的经验贝叶斯克里格法与其他克里格方法有所不同，它通过估计基础半变异函数来说明所引入的误差，可准确预测一般程度上不稳定的数据，预测标准误差比其他克里格方法准确，尤其对于小型数据集更准确。因此，针对研究区的实际情况，该方法更适用于土壤重金属Cr污染空间分布的研究。

利用SPSS 21.0对各区县不同深度（0~25、25~50 cm）土壤重金属Cr含量特征进行描述性统计分析，结果见表 2。

表 2　土壤重金属Cr含量描述性统计 Table 2　Descriptive statistics of soil heavy metal Cr

表选项

由表 2可知，大兴、怀柔、海淀、丰台、通州5个区域0~25 cm深度的土壤Cr含量均高于25~50 cm深度，顺义、房山、昌平、密云、平谷5个区Cr含量随土壤深度的增加而增加。除平谷和昌平，其他各地区土壤Cr含量均已超过北京市土壤重金属Cr环境背景值（29.8 mg·kg^-1）。0~25 cm深度，海淀区和丰台区Cr含量最高，分别为（57.725±18.055）mg·kg^-1和（47.217±6.298）mg·kg^-1；25~50 cm土壤中，海淀区Cr含量为（49.625±10.471）mg·kg^-1，位居首位，海淀和丰台两区的点位超标率均达100%。平谷25~50 cm土壤Cr变异系数为1.181，属强变异程度。为进一步分析不同区县土壤Cr含量是否存在显著差异，分别对不同区县0~25 cm及25~50 cm土壤深度的数据进行方差齐性检验及多重比较，检验结果表明，0~25 cm土壤中丰台与昌平、平谷两地，以及平谷和通州地区Cr含量存在显著性差异（P < 0.05），丰台位于市区周边，在区域农业生产及人类活动频繁的干扰下，该地区土壤Cr的聚集趋势较为明显^[22]，通州处在研究区东南部，该地区主要是冲积平原，其Cr含量偏高与冲积过程有一定关系^[28]，水源保护区的昌平与平谷受人类活动扰动相对较少，因此上述不同区县间土壤Cr含量存在差异；25~50 cm土壤深度各区县Cr含量无显著差异。垂直方向Cr分布不同于以往随深度增加而降低的规律，表现出人为和自然地质的双重叠加影响，与赵倩等^[22]的研究结果一致。

不同土壤深度重金属Cr的单因子污染指数P_i在不同区域的数值存在差异。0~25 cm土壤深度，平谷区Cr污染指数P_i(ave)最低为0.66，说明水源保护区的平谷土壤处于清洁水平；房山、昌平两区P_i(ave)分别为0.984和0.848，属尚清洁水平，但由于其处于警戒线位置，应予以重视；其余各区县均超过警戒线。25~50 cm土壤中，除昌平和平谷处于尚清洁状态，其余各区县均达到轻度污染水平，其中以海淀区重金属Cr的P_i(ave)最高，为1.665。在0~25 cm及25~50 cm土壤中，受污染的样点数分别占总样点数的73.4%和77.7%，整体比例较高。

利用ArcGIS软件中的地统计分析工具，采用EBK法得到不同土壤深度重金属Cr的空间分布图（图 2），整体了解不同土壤深度Cr随区域变化的空间分布趋势。EBK子集大小为100，重叠因子为1，模拟次数为100次。邻域类型为半滑圆形，平滑系数为0.2。

图 2 不同土壤深度Cr空间分布图 Figure 2　Different soil depths spatial distribution pattern of Cr

图选项

图 2a、图 2b分别为研究区0~25 cm和25~50 cm深度土壤重金属Cr含量分布图，其含量范围分别为16.525~59.551 mg·kg^-1，12.055~84.849 mg·kg^-1。整体上，0~25 cm和25~50 cm深度土壤Cr水平分布格局基本一致，均为都市生活区的海淀、丰台含量居高，并以城区周围为中心向外逐渐降低，可见人类活动导致了部分土壤中Cr的积累，对土壤Cr含量造成一定影响^[29]。密云北部在不同土壤深度下重金属Cr含量分布显著高于周边地区，这主要与该地区有一个Cr矿有关。25~50 cm深度下，密云南部、顺义东部及平谷西部位置有明显的Cr富集现象，由于该区域土壤环境质量与北京市生活用水的水质有较大关系，因此Cr含量过高是否会对水质产生影响则值得关注。插值分析与表 2所述结果基本一致，预测结果与实测的拟合程度较高。

为检验垂直方向重金属Cr的含量间相似性和来源差异，对0~25 cm及25~50 cm土壤深度的重金属Cr含量进行相关性分析（相关系数越接近1或-1，相关性越强；相关系数越接近0，相关程度则越弱^[30]）。结果显示0~25 cm和25~50 cm土壤深度重金属Cr含量呈显著正相关，相关系数为0.579。因此，北京市平原区农田土壤垂直方向Cr的含量存在相关性。

采用ArcGIS中常用的地统计分析工具EBK对研究区不同土壤深度重金属Cr的环境质量指数P_i插值，并进行等级划分（图 3），统计出不同等级重金属Cr所占面积，从而判断研究区不同土壤深度整体Cr的富集程度。EBK子集大小为100，重叠系数为1，模拟次数为300，领域类型为平滑圆形，平滑系数为0.2。

图 3 不同土壤深度Cr污染等级分布图 Figure 3　The distribution of Cr pollution grade in different soil depths

图选项

图 3为北京平原区不同土壤深度Cr污染等级分布图。结合表 1，共分为4个等级，从研究区整体看，不同土壤深度重金属Cr污染指数分布格局大体一致，其中处于警戒线以内的区域占研究区总面积的19.16%（0~25 cm）和14.81%（25~50 cm），轻度污染的地区整体比例明显高于其他等级，分别占研究区总面积的80.35%（0~25 cm）和84.84%（25~50 cm）；处于中度污染及以上等级的区域面积仅占总体的0.03%（0~25 cm）和0.36%（25~50 cm）；保持在清洁水平的区域基本位于水源保护区的平谷区内。分析垂直方向不同土壤深度Cr污染等级分布可见，除清洁水平外，其余各等级25~50 cm土壤深度重金属Cr的富集程度均高于0~25 cm，其中0~25 cm土壤深度中都市生活区的海淀存在2.52 km²区域处于中度污染，25~50 cm深度密云北部及其与顺义、平谷交界处均出现了Cr的富集，达到中度污染等级。研究认为该区域土壤Cr含量受母质影响较大^[31]，与郑袁明等^[28]的研究结果一致。

本研究将北京市平原区农用地划分为3种不同的功能分区：包括水源保护区的密云、平谷、怀柔、昌平，农业保障区的顺义、通州、大兴和房山，以及都市生活区的海淀、丰台，对0~25、25~50 cm不同土壤深度的重金属Cr含量的分布特点进行比较分析。

图 4为北京市平原区农用地不同功能区土壤Cr含量平均值。如图 4所示，都市生活区和农业保障区中0~25 cm土壤重金属Cr含量均高于25~50 cm。Cr含量在不同土壤深度中排序均为都市生活区>农业保障区>水源保护区，且0~25 cm土壤中数值变化更为明显。影响土壤重金属含量与空间分布趋势的因素主要有两大类：一是母质及土壤自身的性质；二是人为活动的影响^[32]。水源保护区受人类活动扰动较少，因此土壤Cr含量极可能受其母质影响，pH值、黏粒含量等会影响土壤对Cr吸附以及重金属本身的迁移，从而造成土壤中Cr含量发生变化。相比较水源保护区与农业保障区，都市生活区受人类活动影响较大，进而导致了部分土壤中Cr的积累。为进一步分析不同功能区土壤Cr含量是否有显著差异，分别对0~25 cm及25~50 cm土壤深度的数据进行方差齐性检验，检验结果表明，0~25 cm数据满足方差齐性，可采用LSD法进行多重比较，而25~50 cm数据不满足方差齐性，因此采用Games-Howell（A）法进行多重比较，检验结果显示组间存在差异（图 4）。通过采用单因素方差分析，结果显示不同功能区对不同土壤深度重金属Cr的含量均存在显著性影响（P < 0.05）。

同一土壤深度下不同字母表示在0.05水平具有显著性差异 Different letters at the same soil depth indicate significant differences at the 0.05 level 图 4 不同功能区土壤重金属Cr含量平均值 Figure 4　The average of soil heavy metal Cr content in different functional zones

图选项

该研究区主要种植模式为果园、耕地、菜地3种类型，3种种植模式下不同土壤深度（0~25、25~50 cm）重金属Cr含量数值统计见表 3。通过方差齐性检验及多重比较分析，结果显示不同种植模式组间无显著性差异。

表 3　不同种植模式下土壤重金属Cr含量平均值（mg·kg^-1） Table 3　The average of soil heavy metal Cr content under different planting patterns(mg·kg^-1)

表选项

由表 3可见，0~25 cm及25~50 cm土壤中不同种植模式下Cr含量均值较为接近，且3种不同种植模式下重金属Cr的含量均已超过北京市土壤重金属Cr环境背景值。果园的土壤Cr含量在0~25 cm土壤深度中高于耕地，25~50 cm土壤深度中含量为最高。原因在于一些农业污染源如肥料、农药的施用，鸡粪是主要有机肥，鸡粪中Cr的含量达到20.5 mg·kg^{-1 [33]}，磷肥中含有一定量的Cr元素^[34]，相比耕地和菜地，果园需肥量较大，因此造成该区域果园重金属Cr含量偏高。此外，我国土壤有机质普遍较低，土壤磷素也普遍偏少，因此肥料的投入增加是导致研究区Cr累积的重要原因。河水和灌溉用水中Cr的沉淀易被土壤吸附，污水灌溉与该区域Cr含量富集程度较高也具有一定的关联性。

母质是形成土壤的物质基础，是土壤的骨架和矿物质的来源。其机械组成影响土壤的机械组成，化学成分对土壤形成、性质和肥力均有显著影响^[35]。研究区不同区县其土壤母质类型有所差异，大兴区母质类型主要为冲积物，顺义、昌平、通州、海淀和丰台地区均以冲积物和洪冲积物为主，其中海淀区存在少量的红黄土性物质，丰台地区存在部分钙质盐类风化物，密云和平谷地区母质类型较为复杂，密云地区为红黄土性物质、冲积物、洪冲积物、水库、长石岩类风化物，平谷地区则以钙质岩类风化物、洪冲积物、冲积物为主要母质成分。结合北京土壤环境背景特点分析不同母质类型下（主要分为冲积物、钙质岩类风化物、红黄土性物质、洪冲积物、黄土物质和其他6种类型）土壤重金属Cr的含量变化情况，见图 5。

图 5 不同母质类型下土壤重金属Cr含量平均值 Figure 5　The average of soil heavy metal Cr content in different parent material types

图选项

由图 5可知，冲积物、红黄土性物质、洪冲积物、黄土物质和其他这5种母质类型下在不同土壤深度重金属Cr含量均超过北京市土壤重金属Cr环境背景值（29.8 mg·kg^-1），其中在25~50 cm土层中红黄土性物质所形成的土壤重金属Cr含量最高，为40.975 mg·kg^-1，是北京土壤重金属Cr环境背景值的1.375倍。钙质岩类风化物和红黄土性物质中，25~50 cm土层深度Cr的含量高于0~25 cm，而平谷和密云地区的母质分别存在大量钙质岩类风化物和红黄土性物质，因而该区域部分样点25~50 cm中Cr含量高于0~25 cm，这与图 2通过EBK插值得到不同土壤深度重金属Cr的空间分布结果一致。多重比较分析表明，不同母质类型对各区县不同土层中土壤重金属Cr含量无显著影响，单因素方差分析显示不同土壤深度组间无显著性差异。

（1）从研究区整体看，不同土壤深度重金属Cr含量存在差异，海淀和丰台Cr平均含量最高。除昌平和平谷外，其余各区县Cr污染指数均已超过警戒线，应予以重视。空间分布上土壤Cr以城区周围为中心向外逐渐降低，不同土壤深度Cr分布格局基本一致，垂直方向上Cr含量存在显著相关性，其分布不同于以往随深度增加而降低的规律，表现出人为和自然地质的双重叠加影响。从Cr的污染等级分布看，处于轻度污染等级的区域占研究区总体的80.35%（0~25 cm深度）及84.84%（25~50 cm深度）。整个研究区土壤Cr存在富集现象，有一定污染风险。密云与平谷交界处土壤环境质量对北京市生活用水的水质影响较大，因此Cr含量过高是否会对水质产生影响则值得关注。

（2）针对不同功能区，土壤Cr含量在不同土壤深度中排序均为都市生活区>农业保障区>水源保护区，不同功能区对不同土壤深度Cr含量存在显著影响（P < 0.05）。不同种植模式下，不同土壤深度Cr含量无显著性差异，由于其含量均已超过北京市土壤重金属Cr环境背景值，而农药、肥料的投入增加是导致研究区Cr累积的重要原因，因此今后化肥农药施用及污水灌溉等方面应严格要求。

（3）本文主要针对土壤Cr的空间分布规律以及Cr污染评价方面进行研究，从定性角度分析不同功能区、不同种植模式及不同母质类型对不同土壤深度重金属Cr的影响，揭示了土壤Cr的分布特征，但并没有针对平原区农田土壤特点定量化地深入研究土壤Cr的来源，在后续研究中将继续探讨Cr分布特点并进行有关定量的析源分析，以期为农田土壤重金属污染防治提供科学依据。