包頭市不同功能區(qū)土壤重金屬污染評價

張連科, 張花娟, 黃學(xué)敏, 李玉梅, 孫 鵬, 姚衛(wèi)華

(1.西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院, 西安 710055; 2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院, 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

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包頭市不同功能區(qū)土壤重金屬污染評價

張連科1,2, 張花娟2, 黃學(xué)敏1, 李玉梅2, 孫 鵬2, 姚衛(wèi)華2

(1.西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院, 西安 710055; 2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院, 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

為了解包頭市城市土壤重金屬污染狀況，將包頭市城區(qū)土壤按使用功能不同進(jìn)行分區(qū)，采其表層土壤進(jìn)行重金屬含量的測定，并用地累積指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法對其進(jìn)行評價。結(jié)果表明：重金屬元素除Cr外，包頭市各功能區(qū)土壤Pb，Zn，Cu和Cd含量均已超過本地區(qū)自然土壤重金屬元素含量的平均值；地累積指數(shù)法顯示城區(qū)土壤中Pb和Cd為中度污染，其他重金屬為輕度污染或者無污染；內(nèi)梅羅污染指數(shù)法顯示工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)和科教區(qū)均呈重度污染，居民區(qū)和城市綠地為中度污染；包頭市城市土壤整體處于“中等”潛在生態(tài)風(fēng)險危害水平，這需要引起相關(guān)部門的注意。

包頭; 功能區(qū); 土壤重金屬; 污染評價

重金屬是典型的土壤污染物，因其具有隱蔽、難降解、移動性差和易被富集等特性，且可通過大氣、水體或食物鏈直接或間接地進(jìn)入人體，使人體產(chǎn)生慢性中毒甚至“三致”效應(yīng)[1-2]，已引起了社會和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[3]。

重金屬污染是指由鉛、鎘、汞、鉻和類金屬砷等生物毒性顯著的金屬及有一定毒性的鋅、銅、鎳、鈷等元素所引起的污染[4]。與自然土壤相比，城市土壤受到人類活動的影響強烈，土地利用狀況、人類干擾程度及與污染源距離的不同使得各城市土壤重金屬的來源、分布不同；同一城市不同功能區(qū)甚至同一功能區(qū)重金屬含量也可能存在顯著差異[5-8]。研究表明我國局部區(qū)域已經(jīng)受到很嚴(yán)重的土壤重金屬污染[9]。

包頭是國務(wù)院首批確定的十三個較大城市之一，是中國少數(shù)民族地區(qū)建設(shè)最早的工業(yè)城市，是國家重要的基礎(chǔ)工業(yè)基地，擁有涵蓋稀土、鋼鐵制造、冶金、機械制造及軍工等多項支柱產(chǎn)業(yè)。包頭市工業(yè)迅猛發(fā)展的同時，以各種形式排放的重金屬對周邊環(huán)境帶來巨大威脅，個別地區(qū)甚至出現(xiàn)了農(nóng)田耕種功能喪失，居民骨質(zhì)疏松、半身不遂乃至癌癥等地方病多發(fā)現(xiàn)象。為此，很多學(xué)者開始關(guān)注和開展有關(guān)包頭市重金屬污染土壤的相關(guān)研究，目前多集中于對農(nóng)田、郊區(qū)、工企業(yè)周邊和礦區(qū)等區(qū)域土壤重金屬污染狀況的調(diào)查及評價，對包頭市各功能區(qū)的總體研究則極為少見[10-16]。本研究從土壤利用方式出發(fā)，將包頭市城區(qū)土壤劃分為城市綠地、居民區(qū)、科教區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)5大功能區(qū)，共采集土壤樣品88個，分析土壤樣品中Cu，Zn，Pb，Cd，Cr的含量，并利用地累積指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法對研究區(qū)域土壤重金屬的污染狀況進(jìn)行評價，利用相關(guān)性分析解析包頭市土壤重金屬的可能來源，以期為包頭市城市土壤環(huán)境的保護(hù)及土地資源的合理和可持續(xù)利用提供一定依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

包頭地處內(nèi)蒙古自治區(qū)西部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)109°50＂—111°25＂、北緯41°20＂—42°40＂，總面積為27 691 km2，平均海拔1 125 m，屬半干旱中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，全年平均氣溫為7.2℃，年平均風(fēng)速1.2 m/s，年降水總量421.8 mm，年日照時數(shù)2 882.2 h。全市常住人口276.6萬人，其中市區(qū)人口226.8萬人。包頭市礦產(chǎn)資源豐富，是自治區(qū)制造業(yè)、工業(yè)中心，是呼包銀經(jīng)濟(jì)帶、呼包鄂城市群的中心城市，是中國重要的基礎(chǔ)工業(yè)基地和全球輕稀土產(chǎn)業(yè)中心，被譽稱“草原鋼城”、“稀土之都”。

1.2樣品采集及測試

2014年10—11月，在包頭市昆都侖區(qū)、東河區(qū)、九原區(qū)、青山區(qū)按照一定的路線和隨機多點混合原則，采用GPS定位，采集地表0—20 cm的土壤樣品，每個樣品均由臨近相同類型的5個點的土壤樣品均勻混合而成，每個采樣點采集土壤樣品不少于1 kg，保存于聚乙烯塑料袋中，并注明采樣日期、采樣地點等。其中城市綠地、居民區(qū)、科教區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)分別布設(shè)21，22，7，8，30個采樣點，共88個采樣點。土壤樣品在室內(nèi)自然風(fēng)干后，剔除植物殘體、碎石，經(jīng)研磨過20目和100目尼龍篩后裝入聚乙烯塑料袋中保存待測。為防止人為因素影響，樣品采集、混合、粉碎、研磨、裝袋等處理過程均采用木頭、塑料、瑪瑙等用具，避免與金屬接觸。

土壤樣品進(jìn)行消解后，采用石墨爐原子吸收分光光度法(美國賽默飛公司AA800型)對Cd，Pb(GB/T17141—1997)含量進(jìn)行測定，采用火焰原子吸收分光光度法對Cu，Zn(GB/T17138—1997)和Cr(HJ491—2009)含量進(jìn)行測定。試驗所用Cu，Zn，Pb，Cr，Cd的混合標(biāo)準(zhǔn)液購于國家物質(zhì)研究中心、其他藥品均為優(yōu)級純，所用玻璃器皿和塑料器皿均用10%優(yōu)質(zhì)純硝酸浸泡24 h，然后用超純水洗滌，試驗過程中所用。消解過程中均設(shè)置空白樣品，分析過程中均加入國家標(biāo)準(zhǔn)土壤參比物質(zhì)(GSS-1)進(jìn)行質(zhì)量控制。

1.3數(shù)據(jù)處理與分析

1.3.1多元統(tǒng)計分析對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行均值、標(biāo)準(zhǔn)差、范圍、變異系數(shù)等描述性統(tǒng)計，然后采用相關(guān)性分析對重金屬來源進(jìn)行解析。以上統(tǒng)計分析均利用SPSS 19.0和Excel 2003進(jìn)行。

1.3.2地累積指數(shù)法地累積指數(shù)法是德國海德堡大學(xué)的Muller 教授于1969年提出的一種用于研究沉積物中重金屬污染程度的定量指標(biāo)，近年來被國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用于土壤重金屬污染的評價，并取得了較好的效果。其計算公式如下：

(1)

式中：Igeo——地質(zhì)累積指數(shù)；Cn——樣品中元素n 的測定濃度(mg/kg)；Bn——沉積物中該元素的地球化學(xué)背景值，有時也采用當(dāng)?shù)責(zé)o污染區(qū)域該元素含量作為背景值(mg/kg)，本文選用內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤重金屬背景值均值；k—修正指數(shù)，考慮各地巖石差異可能會引起背景值的變動而取的系數(shù)(一般取值為1.5)，用來表征沉積特征、巖石地質(zhì)及其他影響。

根據(jù)Igeo的計算結(jié)果，重金屬的污染程度共分為7級(0—6級)，具體如表1所示。

表1　地積累指數(shù)與污染程度分級

1.3.3內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法是在單因子指數(shù)評價基礎(chǔ)上進(jìn)行的一種兼顧極值或突出最大值的計權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。具體公式如下所示：

(2)

式中：Pn——綜合污染指數(shù)；Ci——污染物的實測濃度(mg/kg)；Si——污染物的評價標(biāo)準(zhǔn)(mg/kg)，本文選用內(nèi)蒙古土壤重金屬元素的平均背景值作為污染物的評價標(biāo)準(zhǔn)。

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2　內(nèi)梅羅指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)

1.3.4潛在生態(tài)風(fēng)險評價法潛在生態(tài)風(fēng)險評價法是1980年瑞典科學(xué)家Hankanson根據(jù)重金屬性質(zhì)及環(huán)境行為特點，從沉積學(xué)角度提的對土壤中重金屬污染評價的方法，考慮了土壤的重金屬含量，并且將重金屬的生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)和毒理學(xué)綜合考慮，采用等價屬性指數(shù)分級法評價。RI 為多種重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)，其數(shù)值等于各個重金屬潛在生態(tài)危險系數(shù)之和。

(3)

表3　重金屬元素的參比值和毒性系數(shù)

2　結(jié)果與分析

2.1土壤重金屬的污染狀況

2.1.1包頭市土壤重金屬含量對樣品中5種重金屬元素含量進(jìn)行分析，所得結(jié)果見表5。其中，Cu，Zn，Pb，Cd 4種重金屬含量普遍超過背景值，其超標(biāo)率分別為95.45%，70.45%，93.18%和86.36%，超標(biāo)倍數(shù)為1.95，1.48，2.86，6.49；Cr超標(biāo)率僅為25.00%，總體顯示未超標(biāo)。在重金屬含量分析中，變異系數(shù)可以反映總體樣本中各采樣點平均變異程度，變異系數(shù)越大，說明所在地土壤受人類活動干擾越強烈，重金屬在空間上的分布差異越大。本文研究的5種重金屬變異系數(shù)大小順序為：Cd>Cu>Pb>Zn>Cr，具體數(shù)值分別為121.57%，97.26%，70.89%，50.48%和39.24%?？梢姡珻d 、Cu，Pb的變異性較強，空間分布差異顯著，受人類工業(yè)生產(chǎn)、交通、商業(yè)等活動的干擾較為強烈；而Zn和Cr受人類活動的干擾則較小。

表4　單個重金屬的生態(tài)風(fēng)險系數(shù)及綜合生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的等級標(biāo)準(zhǔn)

表5　包頭市土壤重金屬平均含量

注：比值為平均值/內(nèi)蒙古土壤背景值，下同。

2.1.2包頭市不同功能區(qū)土壤重金屬含量將所有樣品的5種重金屬含量按功能區(qū)不同進(jìn)行分析，所得結(jié)果見表6。由表6可知，包頭市各個功能區(qū)土壤中Cu，Zn，Pb，Cd均發(fā)生不同程度的污染，其中Cu在各功能區(qū)土壤中的污染為工業(yè)區(qū)>科教區(qū)>居民區(qū)>商業(yè)區(qū)>城市綠地，Zn，Pb的污染均為工業(yè)區(qū)>科教區(qū)>居民區(qū)>城市綠地>商業(yè)區(qū)，Cd的污染為工業(yè)區(qū)>商業(yè)區(qū)>科教區(qū)>城市綠地>居民區(qū)；包頭市各功能區(qū)Cr的污染程度相對其他重金屬較輕，都與背景值接近或者低于背景值，說明其未受到人為活動影響或者影響較小。5種重金屬含量均表現(xiàn)為工業(yè)區(qū)最大，其中尤以Cd污染最為突出，含量為評價基準(zhǔn)的10.40倍，Pb，Cu，Zn和Cr依次為3.67，2.69，1.85，1.04倍。

2.2不同功能區(qū)土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量評價

2.2.1地累積指數(shù)法評價由公式1計算得到各功能區(qū)土壤中5種重金屬的地累積指數(shù)見表7。Cd在各功能區(qū)的地累積指數(shù)為工業(yè)區(qū)>商業(yè)區(qū)>科教區(qū)>城市綠地>居民區(qū)，在工業(yè)區(qū)表現(xiàn)為中度污染，在其他功能區(qū)表現(xiàn)為偏中度污染；Pb在各功能區(qū)的地累積指數(shù)為工業(yè)區(qū)>科教區(qū)>居民區(qū)>城市綠地>商業(yè)區(qū)，在工業(yè)區(qū)表現(xiàn)為偏中度污染，其他區(qū)域為輕度污染；Cu在工業(yè)區(qū)、科教區(qū)和居民區(qū)表現(xiàn)為輕度污染，在其余區(qū)域地累積指數(shù)均小于0，呈現(xiàn)出未污染勢態(tài)；Zn在工業(yè)區(qū)表現(xiàn)為輕度污染，在其他功能區(qū)屬于無污染；而Cr在各功能區(qū)土壤樣品中地累積指數(shù)均小于0，屬于無污染。由此可以發(fā)現(xiàn)，Pb和Cd為包頭市土壤污染的主要因子。

2.2.2內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價由公式2計算得出包頭市各功能區(qū)土壤重金屬內(nèi)梅羅指數(shù)，并按照表2對包頭市各功能區(qū)土壤重金屬進(jìn)行評價，評價結(jié)果見表8。不同功能區(qū)土壤重金屬污染指數(shù)大小為：工業(yè)區(qū)(7.86)>商業(yè)區(qū)(3.63)>科教區(qū)(3.62)>居民區(qū)(2.73)>城市綠地(2.62)，其中，科教區(qū)、商業(yè)區(qū)和工業(yè)區(qū)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)較高，呈重度污染，其他功能區(qū)呈中度污染?？傊?，包頭市土壤已經(jīng)受到很大程度的重金屬污染，應(yīng)該引起有關(guān)部門的高度重視。

表6　不同功能區(qū)土壤重金屬含量　mg/kg

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

表7　不同功能區(qū)土壤重金屬的地累積指數(shù)Igeo

2.2.3潛在生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評價根據(jù)公式3計算得出各功能區(qū)土壤重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)見表9。由表9可知，Cd在工業(yè)區(qū)生態(tài)風(fēng)險指數(shù)為312，介于160～320，表現(xiàn)“強”生態(tài)風(fēng)險危害，在其他功能區(qū)的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)均處于80～160，總體表現(xiàn)為“中等”潛在生態(tài)危害；而Cu，Zn，Pb和Cr在5個功能區(qū)的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)均小于40，處于“輕微”的生態(tài)風(fēng)險等級，無潛在生態(tài)風(fēng)險影響。結(jié)合表9所列RI值和表4生態(tài)風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)可知：工業(yè)區(qū)處于“強”潛在生態(tài)危害等級，商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、科教區(qū)處于“中等”潛在生態(tài)危害等級，城市綠地處于“輕微”潛在生態(tài)危害等級，而包頭市整體處于“中等”潛在生態(tài)危害水平。

表8　包頭市城區(qū)土壤重金屬內(nèi)梅羅指數(shù)

表9　重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)及劃分等級

3　討 論

本研究中對包頭市5種重金屬的含量分析結(jié)果及污染評價結(jié)果均顯示Cd超標(biāo)最為嚴(yán)重，尤其是工業(yè)區(qū)Cd超標(biāo)10.40倍，污染等級最重，呈現(xiàn)“強”潛在生態(tài)危害等級。研究表明[17]Cd主要來源于工業(yè)活動，如冶煉廠的廢水、塵埃和廢渣等，施用磷肥、含鋅肥料等也會帶來一定程度的Cd污染。本研究所選的工業(yè)區(qū)及部分綠地監(jiān)測點位于包鋼集團(tuán)、希望鋁業(yè)等廠區(qū)附近，上述企業(yè)各個生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)產(chǎn)生的廢氣、廢渣、廢液直接或借助空氣的擴(kuò)散傳播作用而降落于土壤并產(chǎn)生富集，造成工業(yè)區(qū)及附近綠地Cd的實際含量遠(yuǎn)超過其背景值。除Cd外，Pb，Cu與Zn的超標(biāo)現(xiàn)象也較為普遍。Pb主要來源于汽車尾氣排放，Cu，Zn主要來源于汽油、車體的磨損等[17]；此外，交通活動產(chǎn)生的灰塵經(jīng)外力揚起沉積在周圍土壤中，也會導(dǎo)致土壤中Pb，Zn和Cu含量升高；同時，工業(yè)活動對Pb，Cu和Zn的影響也不容忽視。包頭地區(qū)Cr主要來自于自然源，受成土母質(zhì)控制，人為影響較小。

采用地累積指數(shù)法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對包頭市5種重金屬的評價結(jié)果總體一致，但因地累積指數(shù)法側(cè)重評價單一重金屬對不同功能區(qū)土壤的污染，不考慮多種重金屬的協(xié)同作用，因此判定的污染等級較其他兩種方法較輕。內(nèi)梅羅污染指數(shù)法與潛在生態(tài)危害指數(shù)法分別從重金屬污染程度和生態(tài)風(fēng)險兩方面評價了5種重金屬綜合作用下各功能區(qū)的污染等級和生態(tài)風(fēng)險等級，兩種方法的定量評價結(jié)果分別為工業(yè)區(qū)(7.86)>商業(yè)區(qū)(3.63)≈科教區(qū)(3.62)>居民區(qū)(2.73)>城市綠地(2.62)和工業(yè)區(qū)(347.72)>科教區(qū)(162.62)≈商業(yè)區(qū)(161.47)>居民區(qū)(123.95)>城市綠地(120.98)，雖然兩種評價方法中城市綠地和居民區(qū)所得數(shù)值順序相反但大小非常接近，因此認(rèn)為兩種方法具有很強的一致性。但污染評價定性結(jié)果為工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)、科教區(qū)重度污染，居民區(qū)與城市綠地輕度污染；生態(tài)風(fēng)險評價定性結(jié)果為工業(yè)區(qū)“強”潛在生態(tài)危害，商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、科教區(qū)“中等”潛在生態(tài)危害，城市綠地“輕微”潛在生態(tài)危害，差別較大。這主要是因為有些功能區(qū)污染評價或生態(tài)風(fēng)險評價的計算結(jié)果與等級劃定界限特別接近所致。綜合考慮上述因素，對包頭市重金屬的環(huán)境危害進(jìn)行評價時，考慮多種金屬共同作用的綜合評價法較單一金屬評價方法法更能反映實際的土壤污染狀況；對同一對象，多種評價方法并行對該對象的實際污染狀況的判斷更為準(zhǔn)確和全面。

4　結(jié) 論

(1) 包頭市土壤中Cu，Zn，Pb，Cd含量普遍超過背景值，其中Cd超標(biāo)最嚴(yán)重；人類活動對包頭市土壤中Cd，Cu，Pb均產(chǎn)生了較大影響。

(2) 不同重金屬對不同功能區(qū)土壤污染情況不同。所有重金屬在工業(yè)區(qū)含量均明顯高于其他區(qū)；各功能區(qū)受Cd的污染最為嚴(yán)重，Pb，Cu次之。采用地累積指數(shù)法對包頭市土壤進(jìn)行評價表明，Cd和Pb已呈現(xiàn)中度污染，其他重金屬為輕度污染或者無污染。不同功能區(qū)土壤重金屬內(nèi)梅羅污染指數(shù)大小為：工業(yè)區(qū)(7.86)>商業(yè)區(qū)(3.63)>科教區(qū)(3.62)>居民區(qū)(2.73)>城市綠地(2.62)，工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)和科教區(qū)均已呈重度污染，居民區(qū)和城市綠地中度污染。

(3) 從生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果來看，包頭市城市土壤目前整體處于“中等”潛在生態(tài)風(fēng)險危害水平，其中僅因Cd的貢獻(xiàn)已使工業(yè)區(qū)處于“強”生態(tài)風(fēng)險危害等級，為此應(yīng)對包頭市城市土壤尤其是工業(yè)區(qū)的Cd污染給予高度關(guān)注和防治。

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Assessment of Soil Heavy Metal Pollution in Different Function Areas in Baotou

ZHANG Lianke1,2, ZHANG Huajuan2, HUANG Xuemin1, LI Yumei2, SUN Peng2, YAO Weihua2

(1.School of Environmental and Municipal Engineering, Xi′an University of ArchitectureandTechnology,Xi′an710055,China; 2.CollegeofEnergyandEnvironment,InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology,Baotou,InnerMongolia014010,China)

In order to understand the pollution status of soil heavy metal in different function areas in Baotou, we analyzed the heavy metal in the surface soil，and used the geoaccumulation index, the Nemerow Indices and the potential ecological risk to estimate pollution levels. The result shows that the heavy metals such asPb，Zn，Cu and Cd are above the background value of soil in Baotou except for Cr. The geoaccumulation index shows that the pollution status of Pb and Cd in the soil of the urban area is in middle level pollution，the others are in the mild contamination or pollution-free. The Nemerow Indices displayed in industrial area, commercial area and science or education area are in severe pollution, residential areas and urban green space belong to the moderate pollution. Soils in Baotou City as a whole are at the ‘medium’ the potential ecological risk level，to which should be paid the attention by relevant departments．

Baotou; functional areas; soil heavy metal; pollution assessment

2015-03-18

2015-04-14

張連科(1980—),男,內(nèi)蒙赤峰人,博士生,副教授,主要從事土壤污染修復(fù)研究。Email:lkzhang@126.com

X53

A

1005-3409(2016)02-0352-05