西安市在历史上有周、秦、汉、隋、唐等在内的12个朝代在此建都，是世界四大古都之一，曾经作为中国首都和政治、经济、文化中心长达1100多年^[1]。2008年，西安高陵杨官寨发现的新石器时代晚期城市遗迹，是中国发现的迄今最早的城市遗址，更是将西安地区城市历史推进到6000多年前的新石器时代晚期^[2]。从古至今，城市都是人类从事生产和生活的重要场所，而土壤是城市环境的一个主要构成部分。随着全球范围内城市化进程的不断进展，城市土壤的重金属污染问题也越来越引起人们的强烈关注，进而成为当今世界的一个热门研究课题。重金属通常是指密度大于4.5g/cm³的金属^[3]。环境科学研究中重金属是指那些跟生产和生活有关并具有毒性的一类元素，包括砷、镉、铬、铜、铅、汞、锌等^[4]，这些也是城市土壤研究中主要关注的重金属元素。国际上自20世纪60年代开始关注城市的土壤重金属污染问题，通过对城市土壤中的重金属含量进行测定分析，发现其污染程度与工业活动、交通运输及人类活动等相关，以此将城市表层土壤中的重金属含量作为城市被污染指标之一^{[5, 6]}。国内对城市土壤研究相对滞后，大致始于20世纪80年代，21世纪以来城市土壤研究进入快速发展阶段^{[7, 8]}。相比之下，关于古代城市土壤重金属元素污染的研究则比较少见，文献可查的仅有杨凤根等^[9]对南京市六朝至现代各历史文化层中土壤含铜、铅、锌等重金属元素的分布规律的初步研究。对西安市历史文化层中土壤的重金属元素特征尚未见报道。

中国社会科学院考古研究所自1957年开始对唐大明宫遗址开展考古调查和发掘，历经几代人的努力，已基本框定了大明宫遗址的古代遗存范围^[1]，在此基础上建立了唐大明宫遗址公园。因此，唐大明宫遗址土壤样品中重金属元素含量的检测与分析，无论是对古代人类行为方式的探索，还是对当今城市建设都具有重要的科学价值。本文尝试通过位于西安市唐大明宫遗址几个文化层剖面中土壤的铅、锌、铜、铬、镉等5个主要重金属元素的时空分布进行研究，探讨各个历史时期生态环境的变化与人类活动之间的关系。

唐大明宫遗址位于西安市北郊龙首原上，作为唐代长安城三大宫殿之一，大明宫是唐王朝内政外交的中心，其存在时间大约为663~904A.D，唐朝21个皇帝中有19个曾在大明宫中听政和居住^[1]。采样点位于大明宫含元殿西北官署区渠道遗址，东经108°49′，北纬34°28′，剖面厚度为3.8m(图 1中*标注)，自下而上连续采集了该剖面不同时期以来古土壤粉末样品，每份样品大约50g左右，对于同一时期的样品，其检测结果取平均值，发表的数据共6份，每份样品的背景资料见表 1。

图 1(Fig. 1)

图 1 唐大明宫遗址平面示意图(*剖面点) Fig. 1 The map of the Tang Daming Palace site

表 1(Table 1)

表 1 唐大明宫官署区渠道遗址各个朝代文化层中重金属元素含量(mg/kg) Table 1 Contents of heavy metals in different cultural layers at the Tang Daming Palace site(mg/kg) 样品编号 Cu Pb Zn Cr Cd 考古背景 1 47.10 29.3 99.20 73.60 0.167 明清时期农耕土 2 47.60 28.2 94.80 74.70 0.203 五代至宋元时期遗址废弃过程中形成的堆积层 3 52.30 25.2 127.00 74.10 0.147 唐末渠底淤积层 4 35.40 24.9 87.70 76.10 0.171 晚唐时期形成的淤积层 5 39.60 23.9 79.10 79.00 0.157 唐晚期渠道沿用过程中形成的堆积层 6 32.20 22.6 80.00 72.80 0.107 唐代前期筑渠时期形成的填垫渠底层 7 70.02 62.3 110.98 91.46 0.190 大明宫遗址现代土壤层[10] 8 20.10 20.9 66.10 60.10 0.090 陕西土壤背景值[11]

表 1 唐大明宫官署区渠道遗址各个朝代文化层中重金属元素含量(mg/kg) Table 1 Contents of heavy metals in different cultural layers at the Tang Daming Palace site(mg/kg)

所有土壤样品的预处理及检测均在中国社会科学院考古研究所化学实验室内进行。将白色搪瓷盘用自来水、一次水及超纯水分别清洗3次，在恒温干燥箱中烘干。再将采集来的土壤样品平摊在洁净的白色搪瓷盘中，自然晾干。其间，每隔20分钟搅拌一次，直致土样晾干为止。将干燥后的土样依次过20目、60目、100目分样筛，除去草根树叶等杂质后，在玛瑙研钵中研磨过200目分样筛，放入玻璃瓶中待测。

用硝酸-氢氟酸-高氯酸消解土壤制成待测液备用，同时做空白实验。采用ICP-MS等离子质谱仪测定土壤中重金属含量。

6份唐大明宫官署区渠道遗址各个朝代文化层中重金属元素含量测定结果列在表 1中，为了方便讨论，其中还包含现代土壤样品检测数据^[10]和陕西省土壤背景值^[11]。剖面上一定深度的土壤层位均对应有一定朝代的文化层，因此剖面上重金属元素的分布可以揭示出文化层中重金属元素的分布规律。为了更好地说明渠道在历史上各个时期重金属元素的分布情况，将表 1中的数据绘制成图 2。

图 2(Fig. 2)

图 2 唐大明宫遗址不同文化层中土壤的重金属元素含量 Fig. 2 Content of heavy metals with time in the Tang Daming Palace site

从图 2中Cu、Pb、Zn、Cr、Cd含量可以看出，各个不同的历史朝代文化层中重金属元素的分布是各不相同的。其中，铜元素累积强度依次为唐末>五代至宋元时期>明清时期>唐晚期>晚唐时期>唐代前期；铅元素累积强度依次为明清时期>五代至宋元时期>唐末>晚唐时期>唐晚期>唐代前期；锌元素累积强度依次为唐末>明清时期>五代至宋元时期>晚唐时期>唐代前期>唐晚期；铬元素累积强度依次为唐晚期>晚唐时期>五代至宋元时期>唐末>明清时期>唐代前期；镉元素累积强度依次为五代至宋元时期>晚唐时期>明清时期>唐晚期>唐末>唐代前期。虽然各个元素含量在不同历史朝代文化层土壤中的变化规律是不一样的，但具有的共同趋势是，所有土壤样品中铅(Pb)、锌(Zn)、铜(Cu)、铬(Cr)、镉(Cd)元素含量均高于土壤背景值^[11]；而且几乎也高于唐代前期筑渠时期形成的填垫渠底层中各元素含量(见表 1)。说明各元素在大明宫遗址历代土壤中发生了不同程度的积累，已构成不同程度的污染。研究表明，人口密度越大、人类活动越频繁对城市土壤的影响强度越大，大量存在的静止和移动污染源加剧了重金属元素向生物圈的转移传输^[12]。唐大明宫遗址不同层位土壤中重金属元素含量不同，在一定程度上反映了当时人类活动强度的不同，说明遗址在不同朝代其使用功能可能是不同的。据文献记载^[13]，唐大明宫从贞观九年一月(公元635年)创制，经3次大规模营造，至龙朔三年四月(公元663年)全面建成，历时约28年；此后，直至懿宗朝终(公元873年)的210年间，大明宫虽然经历了安史之乱、朱溉潜伪、吐蕃进犯等事变和地震、大风、淫雨、失火等自然力的破坏，但事后都得到及时的缮治修复，始终保持完好状况，而且，各代皇帝还在宫内有所添建，新增了一些殿堂亭台等建筑，这应该是大明宫最为辉煌的时期^[13]。对于唐末大明宫的毁废过程，由于缺乏文献记录，很多问题无法一一查考清楚，只能大致勾勒出一个概况。从考古发掘的情况结合文献记载判断，大明宫毁于火焚已无疑问。至于烧毁时间，据《旧唐书》昭宗本纪所录^[14]，可能是毁于乾宁三年李茂贞的一次火烧，从记载中可看出自乾宁(公元896年)以后，昭宗本纪内所记之事多在太极宫，其后(乾宁三年)大明宫可能未再修复。从发掘情况来看，大明宫废弃后确被翻扰过，发掘的宫殿遗址等地的柱础及殿址的铺地砖石大都破坏无存，即使保存少许，也是残破不全的^[1]。从烧土的堆积和遗址地面被扰乱的状况看，所缺的柱础石、铺地砖等，也是在被烧后挖掉的^[1]。从大明宫遗址各个不同的历史朝代文化层中重金属元素的含量可知，铜、锌等元素在唐末时期达到历代峰值，其他元素含量也相比唐代前期筑渠时期形成的填垫渠底层增高。据国外学者的研究，土壤中Cu元素可以指示动物粪便、墙壁灰浆、生活垃圾和动物骨骼等的存在^[15]；Pb元素含量变化与陶瓷和金属器物的手工作坊相关联；而Zn元素含量的高值可以指示古人类的集居点、可耕地、作物残体和动物骨骼以及生活垃圾等残留物^[16]。因此，铜、锌等元素在唐末时期达到历代高值可能暗示当时所在地人类集居的模式较之前期发生了变化，与文献记载的唐末大明宫被毁弃相互呼应^[14]。杨凤根等^[9]对南京市城区不同地点的不同文化层中土壤的重金属元素含量的检测与研究也表明，在明故宫-长江路总统府旁-大行宫城东一带地区与城南、城西的靠近内秦淮河的三山街-中山南路-朝天宫一带地区检测到文化层中重金属元素含量明显不同，后者是前者的2~8倍。从而得出这两个区域在各个朝代时期人类活动的方式是大不相同的。明故宫-长江路总统府旁-大行宫城东一带地区历史上如明朝、六朝时期主要是皇宫等政治、文化、生活中心，而后者城南、城西靠近秦淮河流域历史上一直是作坊林立的工业区、商贾云集的商业区和市井嘈杂的普通大众的生活区^[9]。由此可以推测，在唐代大明宫作为皇宫使用期间，一方面皇宫内人员相对不多，各项建筑与设施都能得到及时的维护，其中肯定也包括样品采集地点——官署区渠道地区。另一方面，作为皇家宫苑禁地，其周边环境也会得到很好的保护，不会集聚大量人员从事各种污染环境的手工业活动。但自从唐末迁都洛阳之后，唐大明宫被废弃，沦为各种建筑垃圾的堆埋场，各种重金属元素的含量显著增高。至五代至宋元时期遗址废弃过程中形成的堆积层乃至明清时期，各种重金属元素的含量仍然居高不下，特别是土壤中用来指示动物粪便、生活垃圾、可耕地等存在的标示—铜和锌含量的升高，也就不难理解个中缘由。据昭宗本纪与唐鉴卷二十四记载：“(朱)全忠杀崔胤，将劫帝(昭宗)迁都，…车驾发长安，全忠以张廷范为御营使，毁长安宫室百司及民间庐舍，取其材浮渭沿河而下，长安自是遂丘墟矣”^[1]。从以上记载来看，唐末期迁都洛阳时，不仅是对唐代宫苑包括大明宫在内的破坏，而且也是对唐长安城(今西安市)内其他建筑进行拆毁，将拆卸下的木材由水路运往洛阳，用于洛阳宫室的营建，而砖瓦之类不便搬运的建筑材料，则弃置原地。唐末以后，不再是都城的西安市逐渐衰落。随着西安城市规模的不断缩小，唐大明宫区域逐渐郊野化，形成了少量的自然村落及农田。清朝以后一直人烟稀少，“北梢门外，荒野一片，常有狐狼出没”，就是其真实写照。这种状态一直持续到民国初期。1937年，黄河花园口决堤，大量河南难民在陇海铁路以北搭建棚户居住，形成“道北”棚户区；至1949年，唐大明宫遗址的南部和东南部已分布着店铺，工厂和难民居住地；1952年西安市第一次城市总体规划确定北郊为大遗址保护区、仓储区。随着陇海铁路及西安火车站的建设，陇海铁路以北、大明宫遗址南部进行了大规模的建设，大量的铁路工人也搬迁到此；直到20世纪80年代，走进道北的二马路，低矮毡棚仍比比皆是^[17]。1992年开始，在唐大明宫遗址东侧太华路沿线，逐步形成西北地区规模最大的建材集散市场。近年来，随着西安市“唐皇城复兴”计划的实施，大明宫地区承担着连接南北的作用，以大明宫遗址公园为依托，逐步形成遗址保护、文化旅游、商贸、居住等多功能为一体的城市新区。唐大明宫遗址现代土壤层各种重金属元素的含量特别是铜和锌元素含量普遍高于各个历史时期，更是为人口密度越大、人类活动越频繁，对城市土壤的影响强度越大提供了一个很好的注解。

唐大明宫官署区渠道遗址土壤中铅(Pb)、锌(Zn)、铜(Cu)、铬(Cr)、镉(Cd)的分析结果已经说明各个不同的历史朝代文化层中重金属元素的分布是各不相同的。如何评价土壤中铅、锌、铜、铬和镉等重金属含量对当时生态环境的影响也是急需关注的课题之一。经过多年的研究，国外学者建立了多种评价模型。因为国内关于这方面的研究也是近几年才开展^{[18, 19]}，特别是关于古代城市土壤中重金属元素污染与环境之间的相关研究很少见^[9]，所以，根据唐大明宫遗址的具体情况，为了能够更为科学、综合的反映评价区域内总体环境质量状况，采用瑞典科学家哈坎松^[20](H kanson)提出的沉积物潜在生态风险指数评价方法对唐大明宫遗址的重金属污染状况进行评价。该方法作为国际上土壤(沉积物)中重金属研究的评价模型，不仅反映了某一特定环境各种污染物的影响，也反映了多种污染物的综合影响，并以定量的方法划分出潜在危害的程度，是目前重金属研究中应用最广的一种方法。本次研究的土壤样品采样点位于唐大明宫官署区渠道遗址，特别适用于这一方法。根据这一方法，某一区域土壤中第i种重金属的潜在生态风险因子(E_fⁱ)及土壤中多种重金属的综合潜在生态风险指数(RI)可分别表示为：

上式中C_文化层ⁱ代表了取样层的实测质量分数，C_nⁱ代表背景参比值；C_fⁱ是单个污染物的污染因子，为土壤中重金属含量与土壤背景值的重金属含量的比值，反映出人类活动对单个重金属在土壤中的富集作用。对于参比值的选择，H kanson^[20]提出以现代工业化前沉积物中重金属的最高背景值为参比值。文献报道的各国学者所选择的参比值各有不同，有以全球沉积物重金属的平均背景值为参比值^[21]，或以当地土壤背景值为参比值^[22]，或以国家土壤质量标准为参比值^[23]。考虑到我国开始现代工业化的时间较晚，而且国土资源辽阔，历史上各地区经济形态发展状况不同，应以遗址所在地的土壤背景值为参比值为宜。本研究选择铅(Pb)、锌(Zn)、铜(Cu)、铬(Cr)和镉(Cd)共5种重金属作为评价参数，采用陕西省土壤背景值作为参比值^[11]。土壤背景值是指未受人为影响的土壤原来固有的化学组成^[11]。以土壤背景值作为评价标准，可以反映土壤中各元素相对于土壤背景值的超标情况，以便相对定量地反映出唐大明宫遗址地区土壤污染程度，继而推测出人为活动对土壤环境的影响。Tⁱ代表不同金属生物毒性系数，反映了重金属在水相、固相和生物相之间的响应关系^[20]，各金属的Tⁱ分别为Cd＝30＞Cu＝Pb＝5＞Cr＝2＞Zn＝1^{[20, 24]}；E_fⁱ代表单一重金属潜在生态风险因子，是由某种重金属的污染因子与其毒性相应系数决定的，反映的是这种重金属对生态潜在的危害，不同的E_fⁱ值范围所对应的潜在生态风险程度是不同的；RI代表多种重金属的综合潜在生态危害指数，反映这些重金属元素在土壤中的综合污染状况^[20]。根据上述公式计算得出的污染程度与潜在生态风险程度的划分标准列于表 2中。

表 2(Table 2)

表 2 污染程度与潜在生态风险程度的划分标准 Table 2 Indices and grades of potential ecological risk assessment 单个污染物污染因子(Cfi) 单个污染物污染程度 单一重金属潜在生态风险因子(Efi) 潜在生态风险程度 多种重金属综合潜在生态风险指数(RI) 潜在生态风险程度 Cfi＜1 低污染 Efi＜40 低潜在生态风险 ＜150 轻度 1≤Cfi＜3 中污染 40≤Efi＜80 中潜在生态风险 150~300 中等 3≤Cfi＜6 较高污染 80≤Efi＜160 较高潜在生态风险 300~600 强 Cfi≥6 很高污染 160≤Efi＜320 高潜在生态风险 600~1200 很强 Efi≥320 很高潜在生态风险 ＞1200 极强

表 2 污染程度与潜在生态风险程度的划分标准 Table 2 Indices and grades of potential ecological risk assessment

利用上述公式对唐大明宫遗址单一重金属污染因子和多项污染程度计算结果列于表 3中。单项污染因子能够比较直观地反映环境中各项污染指标的情况，而多金属污染程度是将多个单项污染因子进行加和，可以综合反映环境中各项污染指标的情况。从表 3可以看出，唐大明宫遗址在不同历史时期(除现代土壤层中的Cu以外)单一重金属元素污染因子均大于1而小于3，基本上处于中等程度的污染状态；现代土壤中Cu污染已达较高程度。多项污染系数还表明，唐大明宫遗址在每个时期重金属元素的综合污染程度是不同的。污染状态在唐代前期最低，之后一直升高，持续到明清时期，在现代已达到最高峰值，总体趋势是逐渐升高。

表 3(Table 3)

表 3 唐大明宫遗址土壤单一重金属污染因子和多项重金属污染程度 Table 3 Single pollution factor and multiple pollution coefficient of heavy metals in sediments of the Tang Daming Palace site 样品编号 时期 Cfi 多项污染程度 Cu Pb Zn Cr Cd 1 明清时期 2.34 1.45 1.50 1.20 1.86 8.35 2 五代至宋元时期 2.37 1.35 1.43 1.24 2.26 8.65 3 唐末 2.60 1.21 1.92 1.21 1.63 8.57 4 晚唐时期 1.76 1.19 1.33 1.27 1.90 7.45 5 唐晚期 1.97 1.14 1.19 1.29 1.74 7.33 6 唐代前期 1.60 1.08 1.21 1.19 1.19 6.27 7 现代 3.48 2.98 1.68 1.50 2.10 12.06

表 3 唐大明宫遗址土壤单一重金属污染因子和多项重金属污染程度 Table 3 Single pollution factor and multiple pollution coefficient of heavy metals in sediments of the Tang Daming Palace site

根据计算公式，对唐大明宫遗址土壤中单一重金属潜在生态风险因子和多种重金属的综合潜在生态风险指数的计算结果列于表 4中。从表 4的数据可知，除镉(Cd)元素以外，铅(Pb)、锌(Zn)、铜(Cu)、铬(Cr)各元素的单一重金属潜在生态风险因子全部低于40，而多种重金属的综合潜在生态风险指数(RI)也全部低于100；依据潜在生态风险程度的划分标准(见表 2)，生活在唐大明宫遗址地区的人们，在历史上不同时期均处于低潜在生态风险状态中。

表 4(Table 4)

表 4 唐大明宫遗址土壤重金属元素的单一潜在生态风险因子和综合潜在生态风险指数 Table 4 Single potential ecological risk factor and potential ecological risk index of heavy metals in sediments of the Tang Daming Palace site 样品编号 时期 Efi RI Cu Pb Zn Cr Cd 1 明清 11.70 7.25 1.50 2.40 55.7 78.55 2 五代至宋元 11.84 6.75 1.43 2.48 67.7 90.20 3 唐末 13.00 6.05 1.92 2.42 49.0 72.39 4 晚唐 8.81 5.95 1.33 2.54 57.0 75.63 5 唐晚期 9.85 5.70 1.19 2.58 52.3 71.62 6 唐前期 8.00 5.40 1.21 2.38 35.7 52.69 7 现代 17.40 14.90 1.68 3.00 63.0 99.98

表 4 唐大明宫遗址土壤重金属元素的单一潜在生态风险因子和综合潜在生态风险指数 Table 4 Single potential ecological risk factor and potential ecological risk index of heavy metals in sediments of the Tang Daming Palace site

根据文献报道^[10]，现代大明宫遗址土壤重金属元素铅(Pb)、锌(Zn)、铜(Cu)、铬(Cr)、镉(Cd)元素含量与重金属污染情况也分别列于表 1、表 3和表 4中，从各表中数据可知，现代大明宫遗址土壤中5种重金属元素含量均高于土壤背景值^[11]。与现代大明宫遗址土壤重金属元素铅(Pb)、锌(Zn)、铜(Cu)、铬(Cr)、镉(Cd)元素含量相比^[10]，唐代至明清时期的土壤样品中除了镉以外，其他重金属元素含量均较低，只有镉是个例外。数据显示，现代土壤样品中镉(Cd)元素含量低于五代至宋元时期，但高于其他历史时期。据贾锐鱼等^[10]对西安市内6个公园表层土壤和地表灰尘的取样调查，大明宫遗址公园表层土壤重金属污染属中度污染水平，而公园地表灰尘重金属元素属重污染水平。地表灰尘以重金属元素Cd累积尤以大明宫遗址公园最为严重。另外，重金属元素镉(Cd)在土壤和灰尘之间不存在显著相关性，说明土壤和灰尘中的镉元素可能受到不同污染源的影响，污染来源较为复杂。唐大明宫遗址五代至宋元时期土壤中镉(Cd)元素含量高于现代土壤，但低于现代地表灰尘。由于缺少文献记载，尚不能确定其原因何在。今后也要继续关注这方面的研究。

通过唐大明宫官署区渠道遗址不同层位土壤中铅(Pb)、锌(Zn)、铜(Cu)、铬(Cr)、镉(Cd)元素含量的分析结果可以得知，唐大明宫遗址文化层中重金属元素发生了明显的积累效应，从时间上看主要发生在现代、明清时期、五代至宋元时期及唐末。虽然各个元素含量在不同历史朝代文化层土壤中的变化规律是不一样的，但具有的共同趋势是所有土壤样品中铅(Pb)、锌(Zn)、铜(Cu)、铬(Cr)、镉(Cd)元素含量不仅高于土壤背景值，而且也高于唐代前期筑渠时期形成的填垫渠底层中各元素含量，说明各元素在唐大明宫遗址历代土壤中已构成不同程度的污染。采用瑞典科学家哈坎松(H kanson)提出的沉积物潜在生态危害指数评价方法对大明宫遗址的重金属污染状况进行评价的结果显示，唐大明宫遗址的多金属污染程度在历史不同时期是有差异的，其中，唐代前期的土壤中重金属污染程度最轻，之后一直升高，在现代已达到最高峰值，总体趋势是逐渐升高。这一结果也提醒我们要更加重视现代土壤重金属污染问题。

毫无疑问，城市土壤的重金属污染问题是目前全球环境科学研究的重要内容。城市土壤中的重金属不仅来源复杂，而且对人类的危害方式也变得复杂化，加之城市又是人类活动的密集区，所以城市土壤的重金属污染对人类的健康威胁更大。目前国内外有关这方面的研究主要集中在现代都市，而对古代都城遗址土壤重金属污染问题的研究也需要引起重视。我们的研究结果显示，在古代都城同样也存在环境污染问题。以古鉴今，在城市化进程不断加快的今天，城市土壤的重金属污染更应得到人们的广泛关注。积极探寻造成污染的原因及建立消除污染的办法，是现代人类需要解决的问题。因此，研究古代都城遗址土壤重金属污染问题就具有重要的现实意义。此外，都城遗址的研究在考古学研究中的重要意义是不言而喻的。无论是黄河流域还是长江流域，都已发现多处古代都城遗迹。但利用现代分析测试技术研究土壤重金属污染问题则首推唐大明宫遗址。更难能可贵的是，发掘者在田野考古工作中有意识地第一时间采集了遗迹不同层位的土壤样品，为以后的科学研究保留了可贵的研究资料。而且检测结果也从不同角度为探讨当时人类活动提供了依据，其意义和作用同样也是不可低估的。

致谢 感谢中国社会科学院考古研究所唐城工作队的全体同仁在样品采集过程中所给予的大力协助。特别感谢匿名审稿人及编辑部杨美芳老师提出的宝贵意见和建议。