城市土地利用格局对城市水体沉积物中重金属积累总量的影响

城市地表的重金属元素在城市径流作用下向水体迁移，并随着悬浮颗粒沉积在水底沉积物中，成为导致城市水体污染的最重要因素之一。城市土地利用格局是城市径流的重要影响因素，而城市径流直接影响重金属向水体的迁移通量，因而城市土地利用格局对沉积物中重金属的积累有无直接影响？具体表现为何种影响？本研究利用RS/GIS技术、非点源污染负荷模型等方法，基于多个城市水体样本的数据建立城市土地利用格局与沉积物中重金属积累量间的函数关系。然后测定沉积芯各分层中的重金属含量，并利用210Pb/137Cs同位素测年技术确定沉积芯特征层的年份，基于相应年份的遥感数据分析其土地利用格局，最后利用城市土地利用格局历史变化与相应的沉积芯中重金属累积量验证所建立的函数关系。本研究可为城市水体非点源污染控制方案的制定提供直接参考，并可丰富关于城市环境中重金属元素的地球化学循环过程等研究内容。

高速城市化加剧了重金属在城市水体沉积物中的积累。土地利用格局由于影响地表径流而成为影响水体沉积物重金属积累的重要因素之一。但城市生态系统中，土地利用对水体沉积物重金属影响机制、效应等尚不清楚。本项目以上海市为例，通过采集从城市中心到城市郊区的14个公园水体沉积柱及水体周边土壤样品，采用210Pb测年技术及Pb稳定同位素分析技术、遥感技术等，阐述了过去100年来城市水体沉积物重金属积累的规律及其影响因素，并试图阐明快速城市化以来城市土地利用格局对水体沉积物重金属积累的影响。研究表明，城市化驱动重金属在城市公园水体沉积物中的积累，且主要来源于水体周边的地表径流对土壤颗粒的携带冲刷。从郊区至市中心区，公园湖泊表层沉积物及集水区表层土壤中的总Cd、Cu、Pb和Zn含量呈显著增加的趋势。重金属在市中心区公园的累积程度最高，Cd、Cu、Pb和Zn在表层沉积物中的富集系数（EFs）> 6。地表径流引起的重金属从集水区至受纳水体的迁移是公园湖泊表层沉积物中的重金属富集程度显著高于集水区表层土壤的重要原因。市中心区公园表层沉积物中的Cd、Cu、Pb和Zn含量是集水区表层土壤的2-3倍。过去一个世纪内燃煤、含Pb汽油使用和自然来源对上海城市公园表层土壤中总Pb的平均贡献率分别为47%、12%和41%，燃煤对沉积芯中总Pb的平均贡献率为52-69%，而含Pb汽油使用的贡献率始终 < 30%，证实燃煤是上海Pb污染的最主要人为来源。空间尺度上，人为活动和自然来源对土壤中总Pb的贡献率也呈现出显著的城市化效应，即从郊区至市中心区公园，燃煤和含Pb汽油使用的贡献率升高，而自然来源的贡献率降低。时间尺度上，在1949-2008年间，年燃煤Pb排放量远远高于汽油使用Pb排放量，且沉积芯的Pb通量与年燃煤Pb排放量显著相关，而与汽油使用Pb排放量没有显著相关关系。从1900s至当前，五根210Pb定年的公园湖泊沉积芯中Pb含量增加了2-3倍，而沉积Pb通量则在过去一个世纪呈现显著增加的趋势。沉积物重金属含量与土地利用格局间存在显著相关性。在不同的空间尺度上（离水体周边100m和10km空间范围内），由于人为干扰的存在，有些重金属含量与不透水地表面积比例呈正比、而与农业用地、水体面积比例和草地面积呈反比。