城市不同功能區(qū)土壤重金屬特性分析
——以南京市玄武區(qū)為例

余愛華，盧秀琳，2，周舒宇，佟 蕾

(1.南京林業(yè)大學 土木工程學院，南京 210037；2.福建農(nóng)林大學 交通與土木工程學院，福州 350002)

土壤重金屬污染是一種土壤無機污染，具有普遍性、表層積聚性、隱蔽性和不可逆性[1-4]。土壤中的重金屬主要來源于工業(yè)污染、交通污染和生活垃圾污染[5-6]等。城市土壤重金屬污染在很大程度上會造成農(nóng)作物的污染、減產(chǎn)等嚴重的直接或間接經(jīng)濟損失[7-8]，使生物品質(zhì)不斷下降、危害人體健康[9-10]和導致生態(tài)系統(tǒng)退化等其他次生生態(tài)環(huán)境問題。在中國，城市土壤的重金屬污染問題隨著城市化進程的日趨嚴峻，已經(jīng)成為一個全球性的研究熱點問題之一[11-14]。

為了揭示城市化過程對城市土壤環(huán)境質(zhì)量的影響，探究城市土壤重金屬污染的特性，本研究以南京市玄武區(qū)為例，選擇鎖金村、藤子村、玄武湖公園和中央門，分別作為居民區(qū)、工業(yè)區(qū)、城市休閑區(qū)和交通繁忙區(qū)等4大功能區(qū)作為采樣地點。通過對各功能區(qū)土壤中重金屬Cr、Cd、Ni、Pb、Zn、Cu的含量進行測定，在單因子指數(shù)評價結果的基礎上，采用內(nèi)梅羅指數(shù)和污染負荷指數(shù)兩種綜合評價方法對各功能區(qū)土壤中重金屬的綜合污染水平進行分析，以期為城市土壤重金屬污染的防治提供參考，為更準確地評價土壤表層重金屬污染水平提供方法依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣區(qū)的選擇

江蘇省南京市位于長江下游地區(qū)，距入海口347 km，北緯31°14′～32°37′，東經(jīng)118°22′～119°14′。玄武區(qū)是南京市最大的中心城區(qū)，位于老城東北部，地處中緯度地區(qū)，面積80.97 km2，常住人口66.54萬人(2012年)。又因玄武區(qū)區(qū)域范圍很大，不易布點及采樣，而在玄武區(qū)西北位置就已經(jīng)分布有本次需研究的典型功能區(qū)，故將其作為整體采樣區(qū)。

1.2 功能區(qū)選擇

城市功能區(qū)分為居民區(qū)、工業(yè)區(qū)、城市公園休閑區(qū)以及交通繁忙區(qū)。

居民區(qū)指城市中的居住小區(qū)。鎖金村位于所選定整體采樣區(qū)的東南方向，該村村內(nèi)活動與設施以居民的日常生活及飲食需求為主，主要是居民樓、學校、社區(qū)便利店、銀行服務區(qū)和中小型餐飲店等。且該村人口眾多，鎖金村街道常住人口6.5萬余人，流動人口9 000余人。是南京市較典型的一個居民區(qū)。

藤子村位于采樣區(qū)東北方向，是南京玄武區(qū)的“工業(yè)第一村”，該村人口少，以流動人口為主，且村內(nèi)居民主要進行各企業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)活動，包括機械設備制造、塑料印刷、汽車修理、輪胎制造、彈簧生產(chǎn)和廢品收購等，是典型的工業(yè)區(qū)。

城市公園休閑區(qū)是指在城市中的公園、城市大塊綠地及位于城市中的高爾夫球場。玄武湖公園位于玄武區(qū)西南位置，是南京最大的城內(nèi)公園，根據(jù)調(diào)查資料測算顯示，景區(qū)雙休日平均每天接待游客1～2萬人，島內(nèi)公園主要以休閑娛樂活動為主，一般無交通工具進入，是城市休閑區(qū)的典型代表。

交通繁忙區(qū)是指城市中車流和人流集中的區(qū)域。南京中央門立交位于采樣區(qū)西北位置，是鼓樓、玄武和下關三區(qū)交界的地方，經(jīng)常造成交通擁堵。根據(jù)辛建麗[15]等人的調(diào)查數(shù)據(jù)可知，中央門立交實際交通量的最小值就已遠超其設計通行能力469pcu/h。且該區(qū)域內(nèi)有大型商業(yè)機構、商品批發(fā)市場以及酒店設施，使得中央門地區(qū)車流和人流量加劇，是典型的交通繁忙區(qū)。

1.3 樣品的測定

利用德國進口的土壤污染運移監(jiān)測系統(tǒng)00066833(TRIME-INNOV-X)中的土壤重金屬測定儀測定各功能區(qū)表層(0～20cm)土壤Cr、Cd、Ni、Pb、Zn、Cu的含量，在同一個采樣點測量三次，取平均值。所測數(shù)值與ICP所測數(shù)值進行對比，結果無顯著差異，數(shù)據(jù)有效可用。

采樣點盡可能遍布整個功能區(qū)，每個功能區(qū)取樣80個，共320個有效樣品數(shù)據(jù)。

2 土壤重金屬污染評價

2.1 評價方法

2.1.1 單因子指數(shù)法(Single factor index)

單因子指數(shù)法計算公式：

Pi=Ci/Si。

(1)

式中：Pi為污染物單因子指數(shù)；Ci為實測濃度，mg/kg；Si為土壤環(huán)境質(zhì)量標準，mg/kg。單項污染分級指標見表1。

表1 單因子污染指數(shù)分級

2.1.2 內(nèi)梅羅(Nemerow index)綜合指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法(Nemerow index)計算公式：

(2)

式中：PN為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；Pmax為所有元素污染指數(shù)中最大值；Pave為所有元素污染指數(shù)的平均值。

評價分級標準見表2。

表2 土壤重金屬內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價分級標準

2.1.3 污染負荷指數(shù)法(Pollution load index)

污染負荷指數(shù)法是Tomlinson等提出來的一種評價方法，該方法的評價模式為：

CFi=Ci/Coi。

(3)

(4)

(5)

式中：Ci為元素i的實測值(mg/kg)；Coi為元素i的評價標準(mg/kg)；n為評價元素的個數(shù)；m為評價點的個數(shù)；CFi為某單一金屬最高污染系數(shù)；PLI為某點污染負荷指數(shù)；PLIzone為評價區(qū)域污染負荷指數(shù)。

若PLI<1，則污染等級0，無污染或輕度污染；若1≤PLI<2，則污染等級Ⅰ，中等污染；若2≤PLI<3，則污染等級Ⅱ，強污染；若PLI≥3，則污染等級Ⅲ，極強污染。

2.2 評價標準

本次研究以國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準為評價標準。國家土壤環(huán)境質(zhì)量分級標準為：

一級標準：為保護區(qū)域自然生態(tài)，維持自然背景的土壤環(huán)境質(zhì)量的限制值。

二級標準：為保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，維護人體健康的土壤限制值。

三級標準：為保障農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)和植物正常生長的土壤臨界值。

鎖金村居民區(qū)土壤與居民健康息息相關，故采用國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準；藤子村工業(yè)區(qū)、中央門交通繁忙區(qū)土壤屬于污染物容量較大的高背景值土壤，只要求保證植物正常生長，故采用國家土壤環(huán)境質(zhì)量三級標準；玄武湖公園休閑區(qū)屬于國家規(guī)定的自然風景區(qū)，土壤質(zhì)量要求比較高，故采用國家土壤環(huán)境質(zhì)量一級標準。

各級國家標準值見表3。

表3 土壤環(huán)境質(zhì)量標準值 mg/kg

2.3 評價結果

2.3.1 單因子指數(shù)法的評價結果

各功能區(qū)土壤重金屬含量統(tǒng)計與評價分析見表4。

表4 各功能區(qū)土壤重金屬含量統(tǒng)計與污染評價值

續(xù)表4 各功能區(qū)土壤重金屬含量統(tǒng)計與污染評價值

由表4可知，鎖金村居民區(qū)土壤中各種重金屬的污染程度從大到小依次為：鎘>鎳>銅>鉻>鋅>鉛。重金屬鎘的平均濃度是背景值的91.083 3倍，達到土壤重金屬重度污染，鎳元素僅略微超過背景值，存在輕度污染；而其他4種重金屬鉻、鉛、鋅、銅的平均濃度均未超過背景值，污染水平為清潔。

藤子村工業(yè)區(qū)土壤中各種重金屬的污染程度從大到小依次為：鎘>鋅>鉛>鎳>銅>鉻。重金屬鎘平均濃度遠遠大于背景值，是背景值的52.562 5倍，達到土壤重金屬重度污染；鋅也大于背景值，是背景值的1.793 2倍，存在輕度污染；重金屬鎳、鉛未超過背景值，但在其上限值附近，尚清潔；而重金屬鉻、銅小于背景值，在安全范圍內(nèi)。

玄武湖公園休閑區(qū)的土壤中各重金屬污染程度由大到小依次為：鎘>鉻>銅>鉛>鋅>鎳。重金屬鎘的平均濃度大大超過背景值，是背景值的123.625倍，達到重度污染；鉻、鎳、鉛、鋅、銅5種重金屬的平均濃度均未超過背景值，均安全；其中，重金屬鉻的平均濃度為警戒值，污染水平為尚清潔。

中央門交通繁忙區(qū)的土壤中各重金屬的污染程度從大到小依次為：鎘>鎳>鋅>銅>鉻>鉛。重金屬鎘的平均濃度也大幅度超過背景值，已經(jīng)達到重度污染，但其他各重金屬的平均濃度均小于背景值，其中，鎳的平均濃度在背景值附近，處于警戒線上。

各功能區(qū)單個土壤重金屬污染程度與其濃度值相關，但程度的大小并不是完全取決于濃度值的大小，它與評價所采用的土壤背景值有很大的關系；本研究中，雖然各功能區(qū)土壤中重金屬鎘的濃度值相對于其他重金屬均較小，但由于其土壤環(huán)境質(zhì)量標準值的允許范圍小，使其在各功能區(qū)土壤中的污染程度較其他各種重金屬都大，污染水平均為最高。

在國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準值的評價背景下，重金屬鎘在四大功能區(qū)上均存在重度污染，其污染指數(shù)從大到小依次為：玄武湖公園休閑區(qū)>鎖金村居民區(qū)>藤子村工業(yè)區(qū)>中央門交通繁忙區(qū)，且在玄武湖公園休閑區(qū)的污染指數(shù)最大達123.625。鉻、鉛、銅3種重金屬在以上4個研究功能區(qū)土壤中的污染指數(shù)均小于1，污染水平基本處于清潔范圍內(nèi)，均不存在污染。而重金屬鎳、鋅除了分別在鎖金村居民區(qū)和藤子村工業(yè)區(qū)受到輕度污染以外，在其他功能區(qū)不存在污染，均在安全范圍內(nèi)。

2.3.2 內(nèi)梅羅指數(shù)法的評價結果

在單因子指數(shù)評價結果的基礎上，為了初步得出玄武區(qū)上各研究功能區(qū)整體的土壤重金屬污染程度及分布特征，首先用內(nèi)梅羅指數(shù)法對其進行評價，其結果見表5。

表5 玄武區(qū)各功能區(qū)土壤重金屬污染的內(nèi)梅羅指數(shù)法評價值

由表5可知，玄武區(qū)中的鎖金村居民區(qū)、藤子村工業(yè)區(qū)、玄武湖公園休閑區(qū)和中央門交通繁忙區(qū)4個功能區(qū)的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)均遠遠超過重度污染的分界值3.0，其中藤子村工業(yè)區(qū)的內(nèi)梅羅指數(shù)最大，為402.24，污染程度為超重度污染，且各功能區(qū)的土壤重金屬整體污染程度從大到小依次為：藤子村工業(yè)區(qū)>玄武湖公園休閑區(qū)>鎖金村居民區(qū)>中央門交通繁忙區(qū)。

從評價過程可知，在利用內(nèi)梅羅指數(shù)法對玄武區(qū)各功能區(qū)的土壤重金屬的整體污染程度進行評價時，該方法同時利用了土壤中Cr、Cd、Ni、Pb、Zn、Cu的平均污染指數(shù)和最大污染指數(shù)，既能較全面地評判各種土壤重金屬的污染程度，突出各功能區(qū)上相對于背景值的高濃度重金屬鎘元素對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響，也可減小由于利用各重金屬的平均濃度值帶來的削弱影響。經(jīng)過進一步的研究發(fā)現(xiàn)，各功能區(qū)上污染指數(shù)最大的重金屬鎘在這種評價方法中具有關鍵性的作用，因此Cd的污染指數(shù)決定了各功能區(qū)土壤重金屬的整體污染水平為重度污染。若不考慮Cd的污染，玄武區(qū)各功能區(qū)的土壤重金屬均只存在輕度污染。

2.3.3 污染負荷指數(shù)法的評價結果

為進一步分析玄武區(qū)各功能區(qū)整體的土壤重金屬污染程度及玄武區(qū)整個區(qū)域土壤重金屬污染程度，本研究采用了污染負荷指數(shù)法進一步進行評價。評價結果見表6。

表6 玄武區(qū)各功能區(qū)土壤重金屬整體污染的污染負荷指數(shù)法評價值

由表6可知：

(1)各功能區(qū)土壤重金屬的整體污染負荷指數(shù)由大到小依次為：藤子村工業(yè)區(qū)>玄武湖公園休閑區(qū)>鎖金村居民區(qū)>中央門交通繁忙區(qū)，其中藤子村工業(yè)區(qū)土壤重金屬的污染負荷指數(shù)最大，達到3.003 4，污染等級為Ⅲ級，污染程度為極強污染。

(2)鎖金村居民區(qū)和玄武湖公園休閑區(qū)的土壤重金屬污染負荷指數(shù)在1≤PLI<2之間，污染等級為Ⅰ級，污染程度為中等污染。

(3)中央門交通繁忙區(qū)土壤重金屬污染負荷指數(shù)接近1，功能區(qū)區(qū)域土壤重金屬存在輕度污染。

(4)玄武區(qū)整個區(qū)域土壤重金屬的污染負荷指數(shù)為1.769 2，污染等級為Ⅰ，其土壤重金屬存在中等污染。

在一定的背景值下，污染負荷指數(shù)法既可以用于玄武區(qū)所研究的各功能區(qū)土壤重金屬整體污染程度的評價，也可進一步用于評價玄武區(qū)整個區(qū)域的土壤重金屬污染程度。該方法以單因子指數(shù)法為基礎，結合所有土壤重金屬Cr、Cd、Ni、Pb、Zn、Cu的最高污染指數(shù)，使用了求積的統(tǒng)計法，從而有效避免污染指數(shù)加和關系造成彎曲評價結果的現(xiàn)象，可大大削弱高污染指數(shù)的重金屬鎘對各個功能區(qū)的整體土壤重金屬污染水平的決定作用，較客觀可靠，彌補了內(nèi)梅羅指數(shù)法的不足。

3 結論與討論

3.1 評價結果

以國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準為背景值，用單因子指數(shù)法對玄武區(qū)的鎖金村居民區(qū)、藤子村工業(yè)區(qū)、玄武湖公園休閑區(qū)以及中央門交通繁忙區(qū)等各功能區(qū)單個土壤重金屬污染程度進行評價與分析，其結果如下。

重金屬Cd對4個功能區(qū)土壤均已造成重度污染；原因可能是南京作為一個典型的工業(yè)城市，冶煉、電池、電鍍等工業(yè)排放使得各功能區(qū)Cd含量遠遠超過土壤背景值。近年來，大米重金屬超標的情況在全國多地皆有存在，其實“鎘大米”暴露出的核心問題不是大米本身，而是土壤重金屬污染?；趪谰耐寥乐亟饘傥廴粳F(xiàn)狀，相關部門必須行動起來，從法律、政策等方面強化措施落實，實施綜合治理。

重金屬Ni和Zn只分別對鎖金村居民區(qū)和藤子村工業(yè)區(qū)的土壤造成輕度污染；Cr、Pb、Cu三種重金屬在4大功能區(qū)的土壤中均處于安全范圍內(nèi)。

綜合內(nèi)梅羅指數(shù)法和污染負荷指數(shù)法對以上各功能區(qū)整體的土壤重金屬污染程度評價結果，得出以下結論：

(1)各功能區(qū)土壤均受到了不同程度的污染，重金屬綜合污染程度由大到小依次為：藤子村工業(yè)區(qū)>玄武湖公園休閑區(qū)>鎖金村居民區(qū)>中央門交通繁忙區(qū)。這與夏運生[16]等人的對東莞全市和各區(qū)土壤研究結果相似。玄武湖公園休閑區(qū)土壤重金屬污染水平與劉申[17]等人對天津城市公園土壤重金屬污染的研究結果一致，都達到了中度污染，且重金屬主要污染因子為Cd。

(2)在國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準的背景值下，藤子村工業(yè)區(qū)土壤重金屬的整體污染程度達到重度污染。藤子村工業(yè)區(qū)的當?shù)鼐用癫灰死闷渫恋胤N植農(nóng)作物，否則其土壤重金屬會隨著食物鏈進入人體，對居民的身體健康造成不利影響。

3.2 評價方法

在評價玄武區(qū)各功能區(qū)土壤重金屬的整體污染程度時，同時采用了內(nèi)梅羅指數(shù)法和污染負荷指數(shù)法，兩種方法的評價標準相同，但均有各自的適用性和局限性，使兩種評價結果有異同點。

內(nèi)梅羅指數(shù)法能夠較全面地評價研究區(qū)土壤重金屬的整體污染程度，突出高污染指數(shù)的重金屬對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響，也可以避免由于平均作用削弱污染金屬權重現(xiàn)象的發(fā)生[18]。然而，隨著該方法的廣泛運用，許多學者已經(jīng)注意到這種方法沒有考慮土壤中各種污染物對作物毒害性的差別且過分強調(diào)污染指數(shù)最大的污染物對環(huán)境質(zhì)量的影響和作用，使其計算結果難以區(qū)分土壤環(huán)境質(zhì)量污染程度的差別，對環(huán)境質(zhì)量評價的靈敏性不夠高，可能會因此偏離客觀情況[19]。

污染負荷指數(shù)法由評價區(qū)域所研究的各種重金屬的最高污染指數(shù)共同構成，并使用了求積的統(tǒng)計法，能直觀地反映各個重金屬對污染的貢獻程度和避免污染指數(shù)加和關系造成歪曲評價結果的現(xiàn)象。同時，該方法是基于沉積學理論上提出的，能反映重金屬在時間、空間上的變化趨勢，應用比較方便[20]。

因此，在評價研究區(qū)土壤重金屬的整體污染程度時建議能綜合利用內(nèi)梅羅指數(shù)和污染負荷指數(shù)法，兩種方法能形成互補，評價結果更客觀更全面，但若只采用一種方法，建議在得到區(qū)域中單個土壤重金屬污染程度較平均的情況下采用內(nèi)梅羅指數(shù)法，而在該區(qū)域能得到較多土壤樣品的前提下采用污染負荷指數(shù)法。

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