城區(qū)不同區(qū)域土壤重金屬含量與區(qū)域分布狀況研究*

顧 燁 梁 峙 莊 旭 倪振威 梁 驍 馬 捷

(1.徐州工程學院， 江蘇 徐州 221111； 2.上海財經(jīng)大學 經(jīng)濟學院， 上海 200433；3.中國礦業(yè)大學， 江蘇 徐州 221008)

城區(qū)不同區(qū)域土壤重金屬含量與區(qū)域分布狀況研究*

顧 燁1梁 峙1莊 旭1倪振威1梁 驍2馬 捷3

(1.徐州工程學院， 江蘇 徐州 221111； 2.上海財經(jīng)大學 經(jīng)濟學院， 上海 200433；3.中國礦業(yè)大學， 江蘇 徐州 221008)

隨著工業(yè)化與城市化進程的逐步深入，化工以及交通等重金屬污染產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，某市的土壤重金屬含量在不斷累積。并且由于其傳播途徑十分廣泛，受污染的范圍也在不斷增加，嚴重影響到城市發(fā)展與人體健康。通過對某市不同行政區(qū)域土壤樣本的采樣分析，調(diào)查了某市各行政區(qū)的土壤重金屬污染情況，并進一步探討了重金屬污染可能的成因。

城區(qū)重點區(qū)域； 城市土壤； 重金屬； 采樣分析

某市大部分為平原，含少數(shù)丘陵，地處中緯度，氣候溫和，光照充足，降雨適中，適合農(nóng)作物生長。該市地質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜，底層齊全，礦產(chǎn)資源豐富,并且交通發(fā)達。憑借其礦產(chǎn)資源豐富的先天優(yōu)勢以及發(fā)達的交通優(yōu)勢，工業(yè)及交通業(yè)得到大力的發(fā)展，而由此帶來的人口過快增長，資源大量消耗以及污染物的大量排放等問題也日益嚴重。其中土壤重金屬污染與工業(yè)及交通業(yè)的發(fā)展息息相關，本文通過研究其土壤重金屬的含量及污染分布，探討重金屬污染可能的成因，以期對未來城市的發(fā)展規(guī)劃提供參考。

1 土壤重金屬污染來源

土壤重金屬污染來源主要分為自然來源和人為來源兩大類。在自然來源中，成土母質(zhì)所含的重金屬量以及成土的過程對之后土壤的重金屬含量有直接的影響[1]。在人為來源中，又可分為工業(yè)污染源、交通污染源以及農(nóng)業(yè)污染源三類。

工業(yè)生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的重金屬污染物。其中，工業(yè)廢渣的堆放與處理環(huán)節(jié)會對堆放地的土壤、大氣甚至地下水造成污染。而工業(yè)廢水的未經(jīng)處理排放會直接對廠區(qū)周圍的水環(huán)境造成污染，并經(jīng)水循環(huán)使污染擴大到更大的范圍。工廠排放的煙氣如果未經(jīng)處理也會含有大量的重金屬污染物，通過大氣的傳播也會造成大范圍的污染[2]。

汽車尾氣的排放與輪胎的磨損會對道路兩旁的土壤造成重金屬污染，主要污染物為Pb，Cu，Zn等。其污染范圍以道路為中心，呈條狀分布，并且污染濃度與道路的車流量大小呈正相關。

土壤重金屬污染的農(nóng)業(yè)來源主要包括含重金屬元素的化肥農(nóng)藥的使用，以及含重金屬污染物的污水灌溉。

2 區(qū)域概況

該市有5個行政區(qū)，分別為A區(qū)，B區(qū)，C區(qū)，D區(qū)，E區(qū)。其中，A區(qū)為該市的開發(fā)區(qū)以及主要商業(yè)區(qū)，并且擁有創(chuàng)新型的商業(yè)園區(qū)；B區(qū)是該市的交通中心，擁有高鐵站、火車站以及汽車站，并且在全國交通系統(tǒng)中占重要地位，同時該區(qū)也擁有較多的住宅區(qū)；C區(qū)為該市最早的工業(yè)發(fā)展基地，擁有多家大型化工企業(yè)，該市大部分的礦區(qū)都集中在C區(qū)；D區(qū)為該市的銅礦開采基地，工業(yè)發(fā)展程度僅次于C區(qū)。E區(qū)為該市的主要休閑區(qū)及高端住宅區(qū)。

3 城區(qū)土壤重金屬分析

3.1 研究方法

在某市的5個行政區(qū)內(nèi)，根據(jù)土壤的使用類型以及所屬行政區(qū)域劃分采樣單元，以網(wǎng)格法進行布點采樣。使用塑料采樣器采集深度為20 cm的土壤表層土，共采集320個土壤樣品，其中，所有樣品均去除上層覆蓋物。樣品經(jīng)混合四分法處理，并標記采樣地以及采樣時間，室內(nèi)風干，同時剔除較大雜質(zhì)如植物根、莖、葉、蟲體等，之后磨碎并過篩，晾干裝袋附上標簽。

樣品經(jīng)消解后，采用X熒光光譜法、玻璃電極法、原子熒光法、石墨爐原子吸收法檢測出Cu，Cr，Pb，Zn，Hg，As，Cd的含量進行進一步的數(shù)據(jù)分析。

3.2 某市土壤重金屬含量分析

將某市土壤重金屬含量數(shù)據(jù)進行匯總，分析總體的重金屬污染狀況，研究數(shù)據(jù)的分布情況，并計算出相應元素含量的變異系數(shù)，分析各重金屬污染的可能來源。

中國土壤主要重金屬含量背景值如表1所示。將各樣品的重金屬含量檢測數(shù)據(jù)整理分析，結(jié)果如表2所示。表3列出了某市土壤重金屬元素平均含量與國家背景值之比。

表1 中國土壤重金屬含量背景值[3] mg/kg

表2 某市土壤重金屬含量統(tǒng)計值 mg/kg

表3 某市土壤重金屬元素平均含量與國家背景值之比

由表2可知，某市土壤重金屬含量的范圍較大，對比表1，可知各種重金屬的含量最大值嚴重超過了國家土壤重金屬含量的背景值。而在表3的某市土壤重金屬元素含量與國家背景值之比中，發(fā)現(xiàn)某市土壤各重金屬含量的平均值均超過國家背景值，且含量是國家背景值的1～2倍。一般認為，土壤中重金屬含量累積到土壤環(huán)境背景值的2～3倍時，說明該土壤中相應的重金屬元素含量異常，歸類為土壤的輕度污染，此為土壤重金屬污染的起始值。據(jù)此，某市的土壤重金屬含量未達到土壤輕度污染的范圍。其中砷、鉻、鎘的含量略超過國家環(huán)境背景值，而汞的含量已達國家環(huán)境背景值的1.692倍，相對于其他6種重金屬的含量比值情況屬于較高的水平。

從表2中可以看出某市土壤重金屬含量的變異系數(shù)普遍偏高。變異系數(shù)的大小可以反映土壤重金屬污染的空間變異性。變異系數(shù)由樣本的離散程度決定，一般認為變異系數(shù)小于10%為弱變異；介于10%～100%為中等變異；而大于100%為強變異[4]。從表2中發(fā)現(xiàn)As，Hg，Cr，Cu，Pb，Zn的變異系數(shù)在10%～100%之間，屬于中等變異，而Cd的變異系數(shù)超過了100%，達到445.45%，屬于強變異類型。通過空間變異的強弱，可以大致推測出當?shù)刂亟饘傥廴镜膩碓矗话阏J為，變異性越大，該種重金屬受人為的影響因素可能性較大，而如果變異性較小，則基本只受自然因素的影響[5]。表2中Cd的變異系數(shù)很明顯的體現(xiàn)出其受人為的因素影響相當嚴重。

3.3 某市土壤重金屬區(qū)域分析

將所有土壤樣本的檢測數(shù)據(jù)按采樣點所在的行政區(qū)劃分，匯總后分析數(shù)據(jù)，可研究各行政區(qū)的重金屬污染現(xiàn)狀，并能判斷出相應行政區(qū)內(nèi)的污染最嚴重的重金屬元素，這對未來該行政區(qū)的發(fā)展規(guī)劃與工業(yè)及交通業(yè)的建設規(guī)劃有重要意義。

鎘在土壤中的含量微乎其微，我國的土壤鎘背景值為0.097 mg/kg，但是，鎘對動植物及人體的毒害作用并不微弱，當土壤中的鎘含量超過0.5 mg/kg時，菠菜、大豆等植物生長發(fā)育就受到影響，并且在體內(nèi)富集一定量的鎘，通過食物鏈的傳遞，鎘會進入動物體及人體內(nèi)，在動物或人的內(nèi)臟內(nèi)富集，嚴重時將引起鎘中毒。由圖1可知，各行政區(qū)的土壤含鎘量均超過了國家土壤含鎘量背景值，其中，C區(qū)的鎘污染最為嚴重，其鎘含量超過了國家土壤含鎘量背景值的3倍，已經(jīng)屬于中度污染，并且變異系數(shù)接近300%，人為影響的痕跡相當明顯。這與該區(qū)多年的工業(yè)發(fā)展有很大關系。有研究表明[6]，鎘污染一定程度上與磷肥的使用有關，并且在煉鋁廠的下風向也會測得高濃度的鎘含量。根據(jù)對含鎘量較高的樣本采樣點的研究，發(fā)現(xiàn)在靠近煉鋁廠和郊區(qū)的采樣點中都有鎘含量較高的樣本。

圖1 某市土壤全Cd分布統(tǒng)計

汞在土壤中以化合物的形態(tài)存在，并且其化合物的毒性各異，其中升汞(氯化汞)是劇毒物質(zhì)，甲基汞最容易被人體吸收，并在腦內(nèi)富集，對人體危害極大。從圖2中可以看出各行政區(qū)的土壤汞含量均較高，變異系數(shù)也表現(xiàn)出大量人為影響的痕跡，像B區(qū)，由于該區(qū)為全市主要住宅區(qū)，相應的汞污染也較為嚴重，變異系數(shù)超過了120%，而變異系數(shù)最小的D區(qū)也達到了70%以上。有研究表明，土壤中的汞基本來自于醫(yī)療器械和節(jié)能燈、日光燈管等，而由于如今國家大力推行節(jié)能減排，節(jié)能燈的普及率大大提升，卻使得土壤汞污染愈發(fā)嚴重。另一方面，水銀溫度計造成的汞污染是節(jié)能燈的200倍，這已經(jīng)使汞污染成為廣域性的問題，特別是在作為住宅區(qū)的區(qū)域。

圖2 某市土壤全Hg分布統(tǒng)計

鉛是一種能致癌、致畸的重金屬，鉛的化合物在環(huán)境中一般比較穩(wěn)定，動物及人類能通過食物鏈吸收約10%的鉛并在體內(nèi)富集[7]。從圖3中能看出該市的鉛污染狀況不太嚴重，相比于國家土壤背景值中的鉛含量26.0 mg/kg，該市的土壤含鉛量未超過國家土壤環(huán)境背景值的2倍，未達到輕微污染的程度。其中C區(qū)的土壤鉛含量為38.94 mg/kg，為全市最低。各區(qū)的變異指數(shù)均低于45%，可以推測某市的鉛污染只受到小部分的人為因素的影響，而當?shù)氐某赏聊纲|(zhì)及成土過程對鉛污染的影響較大。由人為因素造成的土壤鉛污染主要通過機動車燃燒含

圖3 某市土壤全Pb分布統(tǒng)計

鉛汽油產(chǎn)生，圖中作為交通集中區(qū)域的B區(qū)以及工業(yè)產(chǎn)業(yè)較為集中的D區(qū)表現(xiàn)出較高的變異系數(shù)。推測由于未來汽車的不斷普及，鉛污染會變得嚴重，而污染的范圍將以交通線為中心擴散。

鉻在環(huán)境中的含量原本就比較高，國家土壤環(huán)境背景值中，鉻含量就達61.0 mg/kg，從圖4中能看出除A區(qū)的土壤鉻含量相對較高外，其他區(qū)的土壤鉻含量都較小，接近國家土壤環(huán)境背景值。A區(qū)的土壤含鉻量雖偏高，但其變異系數(shù)很小，為9.91%，屬于弱變異型，可以推測出，A區(qū)的土壤含鉻量的偏高相當一部分原因是該地的成土母質(zhì)的性質(zhì)類型與其成土過程中產(chǎn)生了較多的鉻。但B區(qū)的土壤鉻含量雖然較少，但人為影響的痕跡較其他4個區(qū)要嚴重，結(jié)合該區(qū)域的產(chǎn)業(yè)特征，推測其成因可能與住宅區(qū)人們生活習慣的改變有關。鉻污染主要由劣質(zhì)化妝品原料以及其他工業(yè)化工原料引起，應嘗試在源頭進行控制。

圖4 某市土壤全Cr分布統(tǒng)計

砷雖然不是金屬元素，但是它是“類金屬”元素，也是重金屬污染元素之一。砷的眾多化合物中，3價砷的毒性最強，能迅速致人死亡。由圖5可知，除B區(qū)外，其他4個區(qū)的土壤砷含量普遍較高，C區(qū)的土壤砷含量達到了14.3 mg/kg，超過國家土壤環(huán)境背景值的27%，變異系數(shù)也較其他區(qū)高，體現(xiàn)出較為明顯的人為影響痕跡。而B區(qū)的土壤砷含量為11.2 mg/kg，等于國家土壤環(huán)境背景值。變異系數(shù)小于20%，人為干擾不太強烈。砷污染的主要途徑包括含砷化肥農(nóng)藥的使用，含砷污水污泥的排放以及含砷廢物的堆放等，在控制砷污染時，應注意對含砷廢物的妥善處理避免二次污染。從圖中的趨勢看，C區(qū)的工業(yè)非常發(fā)達，所造成的砷污染也較為嚴重，由于砷污染傳播途徑的便利性以及其極易造成二次污染，不排除其向周圍區(qū)域擴散污染的可能。

圖5 某市土壤全As分布統(tǒng)計

鋅在自然界中分布較廣，當在土壤中富集時會使土壤中的微生物活性降低，并影響相應酶的活性，對植物的影響也較明顯，特別是對小麥的影響，鋅能使其出苗不齊，分蘗減少，葉片枯黃，子粒干癟，直接導致產(chǎn)量及質(zhì)量下降，同時，在植物中富集的鋅會通過食物鏈影響到動物及人體的健康[8]。由圖6可以看出，各區(qū)的鋅污染情況差異較明顯，其中，較嚴重的是C區(qū)，其土壤中鋅含量達到98.94 mg/kg，超過國家土壤環(huán)境背景值33.3%，同時變異系數(shù)較高，說明其鋅污染的影響因素中，人為影響因素占多數(shù)；鋅污染較輕的是E區(qū)，其土壤含鋅量平均值為87.24 mg/kg，但其變異系數(shù)較高，說明該地區(qū)已出現(xiàn)人為的鋅污染狀況，如果不加控制，將影響到未來該地區(qū)土壤中的含鋅量。鋅的污染源包括鋅礦的開采和冶煉，造紙廠的廢物排放等，另外，汽車輪胎磨損也會造成道路周圍的鋅污染，這使得交通污染源也成為鋅污染源的一部分。而圖中作為該市休閑區(qū)的E區(qū)變異系數(shù)的反常情況可以看出旅游產(chǎn)業(yè)的開發(fā)對當?shù)赝寥冷\含量有一定的影響。

圖6 某市土壤全Zn分布統(tǒng)計

銅雖然是人體的必需微量元素，但是，過量的銅會使人體出現(xiàn)中毒現(xiàn)象。銅可在土壤中富集并被農(nóng)作物吸收，在銅污染的土壤中生長的植物體內(nèi)含銅量是正常植物的33～50倍。由圖7可以看出，A區(qū)的土壤含銅量達到37.93mg/kg超出國家土壤環(huán)境背景值67%，接近輕度污染，而且其較高的變異系數(shù)反映出其明顯的人為干擾痕跡。在作為開發(fā)區(qū)以及主要工業(yè)區(qū)的A區(qū)和B區(qū)，較高的變異系數(shù)反應出了產(chǎn)業(yè)的開發(fā)與工業(yè)的發(fā)展易造成銅的污染。D區(qū)與E區(qū)的土壤含銅量也處于相對較高的水平，但變異系數(shù)較低，推測這兩個地區(qū)的銅污染原因與當?shù)氐牡刭|(zhì)條件有關，但也含有少量的人為因素。銅污染的最主要污染源是銅礦的開采與冶煉，對于銅礦開采冶煉相關企業(yè)應加強監(jiān)管，規(guī)范操作，改進技術，減小污染。

圖7 某市土壤全Cu分布統(tǒng)計

4 結(jié)語

經(jīng)過采樣分析，表明某市土壤重金屬含量平均值均未超過國家土壤環(huán)境背景值的2倍，均未達到輕度污染級別，但其中汞污染相對嚴重，接近輕度污染級別，另外，砷與鉻的污染水平較輕，略微超過國家土壤環(huán)境背景值，其余4種重金屬元素(銅、鉛、鋅、鎘)的污染情況處于相對中等水平。

對某市土壤重金屬污染的區(qū)域分析表明A區(qū)的鉻、銅污染較嚴重，B區(qū)的汞、鉛污染較嚴重，C區(qū)的鎘、汞、砷、鋅的污染較嚴重，D區(qū)的汞、銅污染較嚴重，E區(qū)的汞、鉛污染較嚴重。并且所有重金屬污染來源中均有一定的人為干擾因素。所以，某市的土壤重金屬污染與其發(fā)展建設和相關產(chǎn)業(yè)活動有一定關系，在住宅區(qū)，其汞污染會相對較嚴重，并且鉻污染也在該種類型的區(qū)域內(nèi)展現(xiàn)出較多的人為影響痕跡；在工業(yè)區(qū)，幾乎會檢測到所有的重金屬污染；在交通集中區(qū)，鉛，鋅以及銅的污染會較嚴重；在商業(yè)區(qū)，鋅污染會較明顯。

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Research on concentrations and regional distribution of heavy metal in different areas of a given city

Gu Ye1， Liang Zhi1， Zhuang Xu1， Ni Zhenwei1， Liang Xiao2， Ma Jie3

(1 College of Environment Engineering，Xuzhou Institute of Technology，Xuzhou 221111，China；2 School of Economics，Shanghai University of Finance and Economics，Shanghai 200433，China; 3 China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008，China)

with the gradual deepening of industrialization and urbanization，development of industries that are likely to produce heavy metals pollution such as chemical，transport industries etc., heavy metals have been increasingly accumulated in soil of given city. Due to their wide range of transmission routes，heavy metals contaminated areas have also been expanded steadily, which may endanger both urban development and human health of the given city. This paper presents the findings of a survey on status quos of soil heavy metals pollution in given city through sampling and lab analysis，and further discusses the possible causes for this situation.

urban area；urban soils；heavy metal；sampling and analysis

* 國家星火計劃(2014GA690133)；中國建筑材料聯(lián)合會項目(2014-M3-3)；住建部項目(2013-K7-11)；江蘇省高校大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃(201411998021Z)；徐州市科技發(fā)展(XF13C028)；省食品資源開發(fā)重點實驗室開放課題(SPKF201416)；校級實驗儀器課題

2015-05-02；2015-05-08修回

顧燁，男，1990年生，助教，研究方向：環(huán)境工程。E-mail:91396739@qq.com

梁峙,男, 1961年生，副教授,研究方向:材料工程。E-mail:xuzhouliangzhi@163.com

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