Chemical speciation and bioavailability of five heavy metals in soil of Beijing plain area in two years
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摘要:
为了监测北京市平原区2015年和2016年土壤中5种重金属As、Cd、Hg、Pb、Zn化学形态的变化趋势，运用Tessier连续提取法对土壤重金属进行了形态分析，并对影响重金属元素生物有效性的因素进行研究。结果表明，2年内研究区表层土壤重金属元素的形态变化微弱，有效态含量以Cd元素最高，达到45.67%，故潜在生态危害性最大；其次为Zn元素，达12.16%，其中碳酸盐结合态占比虽大，但由于研究区土壤呈偏碱性，Zn元素的迁移能力较弱，潜在危害性较小；As、Hg、Pb均以难迁移态存在，故潜在危害性也较小。土壤重金属元素的生物活性系数及迁移系数分别为：Cd > Zn > Pb > As > Hg和Cd > As > Zn > Pb=Hg，其中Cd元素2年的生物活性系数和迁移系数最高，展现出较强的生物活性和迁移能力，其余重金属元素的活性系数和迁移系数较低，潜在危害性较弱。影响重金属元素生物有效性的因素较复杂，以重金属元素全量为主，pH、有机质、CEC等理化性质次之。
Abstract:To effectively monitor the overall variation trend of the chemical forms for 5 heavy metals (As, Cd, Hg, Pb and Zn) in the soil in Beijing plain area during the year 2015 and 2016, the authors employed the Tessier sequential extraction method to ana-lyze the morphological characteristics of these soil heavy minerals. The authors studied the factors controlling the bio-availability of these heavy minerals. The results show that there is only minor change in the morphology of soil heavy metals in these 2 years. The element with highest effective concentration is Cd (45.67%), which thus poses greatest potential ecological risk. The following ele-ment is Zn with concentration of 12.16%. Though Zn is largely incorporated in carbonates, the mobility of Zn is reduced by the al-kaline soil, thus having less ecologically hazardous effect. The elements As, Hg and Pb are immobile with little potential hazards on ecology. The orders of activity coefficients and migration coefficients of the heavy metal elements in topsoil in the study area are Cd > Zn > Pb > As > Hg and Cd > As > Zn > Pb=Hg respectively. This suggests that Cd has the highest values in both the 2-year biological activity coefficient and transfer coefficient, implying a strong biological activity and migration capability, while other soil heavy metals have smaller activity coefficients and migration coefficients, indicating relatively low potential ecological risks. In the study area, the factors that affect the bio-availability of heavy metals are complex, and the dominant one is the total amount of heavy metal elements, followed by pH, organic matter, CEC, and other physical and chemical properties, and the connections of these factors are complicated.
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Key words:
- Beijing /
- soil /
- heavy metal /
- morphology /
- bioavailability
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表 1 供试土壤基本理化性质
Table 1. Basic physico-chemical properties of studied soils
年份 理化参数 范围 平均值±标准差 中值 2015年 有机质/% 0.24~6.59 1.07±0.83 0.95 PH 7.2~8.34 7.9±0.26 7.99 CEC/(cmol·kg-1) 4.88~18.16 11.81±3.04 11.76 2016年 有机质/% 0.17~8.59 1.38±1.22 1.17 PH 7.23~9.08 8.1±0.38 8.20 CEC/(cmol·kg-1) 3.63~23.36 11.28±3.67 11.38 粒径/% 砂粒(2~0.2mm) 0.6~69.8 14.85±13.27 10.15 粘粒(< 0.002mm) 3.1~25.3 13.68±4.19 13.95 注:CEC代表阳离子交换量 
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表 2 表层土壤中重金属元素不同形态统计参数（n=120）
Table 2. Statistical parameters of different forms of heavy metal elements in topsoil
mg/kg 元素 年份 参数 水溶态 离子交换态 碳酸盐结合态 腐殖酸结合态 铁锰结合态 强有机结合态 残渣态 As 2016年 范围 0.03~0.55 0.01~0.17 0.01~0.51 0.21~2.58 0.36~2.49 0.01~0.38 1.4~12.3 平均值±标准差 0.147±0.093 0.061±0.038 0.134±0.099 1.170±0.513 1.034±0.423 0.050±0.094 6.228±2.217 变异系数 0.63 0.62 0.74 0.44 0.41 1.89 0.36 2015年 范围 0.009~0.36 0~0.318 0.018~0.85 0.285~3.331 0.138~2.558 0~0.321 1.098~13.92 平均值±标准差 0.114±0.079 0.046±0.045 0.135±0.145 1.397±0.528 0.873±0.468 0.036±0.059 6.249±1.967 变异系数 0.69 0.99 1.08 0.38 0.54 1.63 0.31 Cd 2016年 范围 0.0006~0.008 0.009~0.41 0.01~0.44 0.003~0.340 0.003~0.42 0.006~0.048 0.02~0.28 平均值±标准差 0.002±0.002 0.062±0.070 0.082±0.090 0.031±0.052 0.039±0.065 0.017±0.008 0.102±0.0517 变异系数 0.73 1.13 1.10 1.69 1.68 0.50 0.51 2015年 范围 0.001~0.005 0.007~0.91 0.02~1.05 0.001~0.684 0.005~0.21 0.002~0.108 0.008~0.135 平均值±标准差 0.001±0.001 0.059±0.122 0.077±0.147 0.047±0.101 0.034±0.041 0.021±0.021 0.049±0.025 变异系数 0.68 2.06 1.91 2.14 1.2 0.98 0.51 Hg 2016年 范围 0.0005~2.4022 0.0006~2.0355 0.00001~.58646 0.0034~1.9066 0.0004~.7146 0.0011~3.3235 0.0039~1.655 平均值±标准差 0.003±0.007 0.0034±0.0068 0.0022±0.0034 0.0230±0.0438 0.00176±.0013 0.0507±0.1687 0.7265±.2198 变异系数 2.40 2.04 1.59 1.91 0.71 3.32 4.43 2015年 范围 0.0002~0.0239 0.0001~0.0035 0.0001~0.0107 0.0003~0.2382 0~0.0207 0.0003~2.511 0.0053~14.9496 平均值±标准差 0.0029±0.0042 0.0005±0.0006 0.0013±0.0019 0.022±0.0377 0.0015±0.0029 0.0862±0.4097 0.5366±.4705 变异系数 1.43 1.14 1.48 1.72 1.89 4.75 4.6 Pb 2016年 范围 0.003~1.02 0.001~0.22 0.46~22.9 0.3~24.3 2.32~53.5 0.012~3.24 7.45~41.9 平均值±标准差 0.133±0.160 0.053±0.0580 3.577±3.863 3.291±3.934 11.688±8.937 0.330±0.472 14.392±6.917 变异系数 1.20 1.10 1.08 1.20 0.76 1.43 0.48 2015年 范围 0.0019~1.21 0.0001~0.22 0.06~25.65 0.51~31.68 1.98~45.5 0.06~1.84 9.54~41.5 平均值±标准差 0.172±0.255 0.029±0.044 2.683±4.189 3.248±4.48 8.333±7.918 0.425±0.439 16.438±6.81 变异系数 1.48 1.49 1.56 1.38 0.95 1.03 0.41 Zn 2016年 范围 0.010~3.95 0.005~18.8 0.2~170 1.85~265 2.08~173 0.57~16.4 29.5~106 平均值±标准差 0.741±0.620 0.935±2.537 12.099±23.299 12.226±33.851 15.663±24.414 3.725±2.730 56.08±14.781 变异系数 0.84 2.71 1.93 2.77 1.56 0.73 0.26 2015年 范围 0.02~9.009 0.1~1.53 0.18~63.6 1.88~39.95 2.66~76.78 1.11~39 26.9~184 平均值±标准差 0.893±1.317 0.386±0.282 8.445±11.914 8.706±7.592 12.124±10.793 8.149±7.03 51.84±21.084 变异系数 1.48 0.73 1.41 0.87 0.89 0.86 0.41
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表 3 不同形态重金属元素所占比例与土壤理化性质的相关分析（n=120）
Table 3. Correlation coefficients between percentage of heavy metal fractions and soil properties
元素 形态 全量 pH Corg CEC 砂粒(2~0.2mm) 粘粒(< 0.002mm) As 水溶态 0.534** -0.170 0.209* 0.159 -0.082 0.119 离子交换态 0.144 0.199* 0.160 -0.133 -0.223* -0.077 碳酸盐结合态 0.389** -0.161 0.244** 0.148 -0.099 -0.015 Cd 水溶态 0.582** -0.048 0.287** 0.102 -0.088 0.107 离子交换态 0.955** -0.297** 0.292** 0.251** 0.033 -0.022 碳酸盐结合态 0.942** -0.199* 0.333** 0.144 0.008 -0.069 Hg 水溶态 0.472** -0.067 0.082 0.091 0.024 0.076 离子交换态 0.020 0.090 0.046 -0.093 -0.096 0.193 碳酸盐结合态 0.042 -0.327** 0.105 0.205* -0.048 0.176 Pb 水溶态 0.609** -0.145 0.112 0.124 0.112 0.054 离子交换态 0.567** -0.203* 0.310** 0.173 -0.035 0.187 碳酸盐结合态 0.828** 0.265** 0.386** 0.002 -0.152 -0.011 Zn 水溶态 0.203* -0.235** 0.141 0.221* -0.158 0.121 离子交换态 0.823** -0.311** 0.263** 0.231* 0.015 0.144 碳酸盐结合态 0.928** -0.315** 0.412** 0.208* -0.019 0.186 注：**表示显著性水平为0.01;*表示显著性水平为0.05; Corg代表有机质; CEC代表阳离子交换量
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