登封市城市土壤重金屬污染特征及評價

徐永新，王曉旭

(許昌學院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與園林學院,河南 許昌 461000)

2005年全球城市人口數(shù)量為31.7億，預計到2030年將增長至49億.同時，中國城市人口比例將達到62.3%，約9.1億人.由此可見，城市將成為人們未來活動的重要場所[1-3].目前，中國的工業(yè)化和城市化正在迅速增長，在帶來經(jīng)濟效益的同時，也引發(fā)了一系列的資源和環(huán)境問題，成為城市發(fā)展的阻礙.城市土壤在環(huán)境中的作用至關重要，不僅能為微生物和植物的生長提供場所和養(yǎng)分，也是人類居住和活動的重要場所[4].城市土壤重金屬多半受土壤母質(zhì)和人類活動的影響，而人為因素為其主要影響因素.重金屬可能會長時間積累在土壤中，不會因為自然退化過程而發(fā)生遷移或降解，某些重金屬元素通過人類攝入的食物和吸入的灰塵進入人體，直接對人類健康造成威脅.同時，它能阻礙營養(yǎng)鹽的有效供應并控制土壤中微生物的活性，因此，判斷重金屬污染的強度、來源等特征就顯得尤為重要，這可以為土壤修復和制定控制措施提供參考，從而控制其污染，保護城市生態(tài)環(huán)境[5].

隨著人們對土壤環(huán)境的重視，城市土壤重金屬已成為國內(nèi)外學者研究的熱門話題，目前，有大量的學者對上海、西安、北京、貴陽等大、中型城市土壤的重金屬的含量、分布及來源進行探討，但對于小型城市的研究相對缺乏[6].登封作為旅游業(yè)發(fā)達的小城市，2010年已經(jīng)成功申報世界文化遺產(chǎn)—“天地之中”歷史建筑群.隨著旅游業(yè)的發(fā)展，登封市人流量和車流量增多，環(huán)境污染愈加嚴重.城市土壤作為人類生產(chǎn)和生活的主要載體，其質(zhì)量的好壞與人類息息相關.登封市城市土壤質(zhì)量如何，目前未見詳細報道.因此，本研究以此作為切入點，主要研究登封市城市土壤重金屬含量，并對其特征以及污染程度進行分析評價，以期為登封市的可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù).

1 材料和方法

根據(jù)研究區(qū)范圍及研究內(nèi)容的需要，將研究區(qū)劃分為500 m×500 m的網(wǎng)格，并確定采樣點及樣品數(shù)量，確保采樣點位置分布相對均勻(圖1).實際取樣時，由于客觀原因,一部分采樣點成為無效樣點.因此，在確保采樣點分布均勻的情況下，調(diào)整并記錄采樣點的實際位置.采樣時，依照“梅花形”布設方法，在每個有效樣點4 m2的范圍內(nèi)布設五個子樣點，用鐵鏟采集土壤表層20 cm的子樣，將五個子樣充分混合，并將土樣放入自封袋中進行編號保存，每份土壤樣品500 g，共獲得52份樣品.

圖1 研究區(qū)采樣點分布示意圖

將采集的土樣放在實驗室的通風處進行自然風干，剔除土樣中的碎石、根系等雜物，用木棍碾碎，接著將碾碎的土樣過0.25 mm的土壤篩，放入無磁性樣盒中編號備用.本研究使用Thermo Scientific Niton XL3t元素分析儀和PHS-3C型pH計對已經(jīng)預處理好的土壤樣品進行重金屬和pH值的測定.

2 結果與分析

2.1 研究區(qū)城市土壤重金屬含量特征

對采集的52個土壤樣品中的重金屬元素進行測定，統(tǒng)計Pb、Zn、Cu、Mn、Cr的最大值、最小值、平均值、變異系數(shù).由表1可知，這五個元素的平均值依次為30.73、85.05、46.36、406.60、62.44 mg·kg-1，Cu的含量是背景值的2.35倍，遠高于河南省的背景值，說明Cu在土地表層有明顯的富集，Pb、Zn分別為其背景值的1.57、1.36倍，說明兩種元素在研究區(qū)內(nèi)有一定程度的富集，Mn、Cr平均值與土壤背景值接近，分別是其背景值的0.73、0.98倍，兩者污染較輕.由此可見，研究區(qū)土壤中Pb、Zn、Cu、Mn、Cr五種元素的污染程度不同，其中Cu、Pb、Zn的污染較嚴重.

研究區(qū)內(nèi) Pb、Zn、Cu、Mn、Cr的含量變化范圍分別是10.84～94.32、37.16～316.41、33.19～72.43、261.08～577.32、39.03～101.42 mg·kg-1，含量變化明顯.Pb、Zn、Cu、Cr、Mn五種元素的最大值分別是最小值的8.70、8.15、3.77、5.21、2.34倍，說明五種元素受外界不同程度的影響.由數(shù)據(jù)可知，前四種元素空間分異大，可能受到交通或其他人類活動的影響,而Mn元素的平均值接近于河南省的土壤背景值.因此，Mn元素的污染源可能來自于自然條件中母巖或生物殘體.

將研究區(qū)土壤重金屬含量與《土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB15618-1995)》中的土壤質(zhì)量進行對比[7]可發(fā)現(xiàn)，Cu、Pb、Zn、Cr四種元素在研究區(qū)內(nèi)都有不同程度的超標.與國家土壤環(huán)境質(zhì)量中的一級標準相比，有76%的樣品中Cu的含量超標，最大值為93.64 mg·kg-1；有19.23%的樣品中Zn的含量超標，最大值為316.41 mg·kg-1；有17.3%的樣品中Pb的含量超標，最大值為94.32 mg·kg-1；Cr只有3.8%的樣品超標，最大值為101.42 mg·kg-1.52個樣品中Mn的含量均未超標，最大值為577.32 mg·kg-1.總體而言，登封市城市土壤重金屬污染較輕，但某些元素對登封市土壤污染的貢獻率較大.

表1 登封市城市土壤重金屬含量

2.2 城市土壤重金屬元素的相關性

土壤中重金屬各元素的來源是否一致，可以通過對其相關關系的研究來判斷.本研究對各重金屬元素間的相關性作出分析(表2)，由表2可知，登封市城市土壤中的重金屬元素間存在著相關或顯著的相關性，Pb與Cr在0.01的置信水平下呈極顯著正相關，兩元素的相關系數(shù)為0.732；Pb與Zn、Zn與Cr、Cu與Cr的相關系數(shù)依次是0.678、0.556、0.415，呈顯著正相關；Cu與Pb， Mn與其他四種元素均為弱相關，其相關系數(shù)介于0.186～0.372之間；Zn與Cu的相關系數(shù)為-0.109，其絕對值接近于0，說明兩元素之間有較弱的負相關性.由數(shù)據(jù)可知，Cr可能與Pb、Zn、Cu有相同來源，Pb與Zn可能為相同來源，Mn與其他元素來源一致性的可能較小.

表2 登封市城市土壤重金屬元素含量相關系數(shù)

2.3 城市土壤重金屬與pH的關系

研究表明，土壤的pH值越高，重金屬元素陽離子的溶解度就越小，活性也越小，導致其在固相上吸附能力上升，同時土壤溶液的重金屬濃度下降[8].研究結果表明：土壤樣品pH的平均值為7.40，與土壤酸堿性分級標準對照可知，登封市城市土壤屬于中性土，其值的變化介于6.18～9.49，說明登封市不同區(qū)域內(nèi)土壤pH值存在一定的差異.其pH值的標準差為0.65，變異系數(shù)為8.80%，說明登封市土壤pH值屬于弱變異，人為因素對其貢獻率較小.

通過SPSS 20.0軟件統(tǒng)計分析，計算登封市城市土壤重金屬各元素含量與土壤pH之間的相關系數(shù)(表3).由表3可知，pH值與Pb、Cr、Cu均屬于正相關，與Zn和Mn屬于負相關；土壤pH值與Pb與相關系數(shù)為0.425，屬于顯著線性相關，與Cr、Cu、Zn、Mn均屬于弱線性相關，說明登封市城市土壤中Pb的活性受到pH值的影響最大，與其他元素相比，土壤對Pb的吸附容量受到土壤酸堿度的影響較大.

表3 登封市土壤重金屬元素與pH值的相關系數(shù)

3 登封市城市土壤重金屬污染評價

3.1 單因子指數(shù)污染評價

運用單因子指數(shù)法，對登封市城市土壤中Pb、Zn、Cu、Mn、Cr各元素進行污染評價(表4)[9].整體來看，登封市城市土壤重金屬污染較輕.Cu、Pb、Zn的污染指數(shù)分別為2.67、1.56和1.28，屬于輕度污染；Cr的污染指數(shù)為1.00，存在有潛在污染；而Mn元素未出現(xiàn)污染，其污染指數(shù)為0.74.

表4 登封市城市土壤重金屬單因子污染指數(shù)統(tǒng)計結果

3.2 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法污染評價

通過計算內(nèi)梅羅綜合指數(shù)，采用定量的方法對登封市城市土壤重金屬污染進行綜合評價(表5)[10].從整體上看，登封市城市土壤的總體污染指數(shù)為2.15，為中度污染.具體來看，不同土地利用的污染特征如下：交通、商業(yè)、農(nóng)業(yè)用地和荒地四種用地類型的污染指數(shù)分別是2.63、2.52、2.55、2.33，均屬于中度污染.這可能與汽車尾氣排放、垃圾的處理不當或肥料的施放有關.重金屬對農(nóng)業(yè)用地的污染可能危害到糧食安全，進而危害人類身體健康，應受到人類的足夠重視.市政文教、公園綠地、居住用地的污染指數(shù)分別是1.72、1.97、1.78，均屬于輕度污染，所以，該區(qū)內(nèi)的重金屬可能源于土壤母質(zhì)，而人為因素加劇土壤污染.由此可見，登封市城市土壤的重金屬污染與機動車尾氣排放、人類垃圾處理不當?shù)刃袨槊芮邢嚓P.

對研究區(qū)內(nèi)52個土壤樣品進行內(nèi)梅羅綜合指數(shù)統(tǒng)計表明：清潔樣品和警戒樣品的數(shù)量均為0，52%的樣品屬輕度污染，33%的樣品屬中度污染，15%的樣品屬重度污染.因此，登封市城市土壤重金屬污染較輕，但局部地區(qū)污染嚴重，應予以重視.

表5 登封市城市土壤重金屬綜合污染評價結果

4 結語

為研究登封市土壤重金屬污染特征，通過對Pb、Zn、Cu、Mn、Cr五種元素進行描述性統(tǒng)計，元素間相關分析，土壤重金屬與pH值相關性分析，并結合單因子指數(shù)和內(nèi)梅羅指數(shù)對研究區(qū)土壤實施評價，得出以下結論：

(1)登封市城市土壤的重金屬Pb、Zn、Cu、Mn、Cr這五種元素的平均值分別為30.73、85.05、46.36、406.60、62.44 mg·kg-1，均屬于中等變異，其土壤pH的平均值為7.40，屬于中性土，變異系數(shù)為8.80%，屬于弱變異.

(2)Cr可能與Pb、Zn、Cu有相同來源，Pb與Zn可能為相同來源，Mn與其他元素來源一致性可能較小.通過對pH值與重金屬元素的相關分析發(fā)現(xiàn)，土壤對Pb的吸附容量受到土壤酸堿度的影響較大.

(3)與其他元素相比，Cu的污染指數(shù)最高，污染最嚴重，其污染指數(shù)排序為Cu>Zn>Pb>Cr>Mn.七種用地類型中，交通用地的污染最為嚴重；市政文教用地污染最輕.

從整體上看，在登封市城市的七種不同用地類型中，交通用地的污染最為嚴重；五種重金屬元素中Cu的污染最為嚴重，在登封市未來的發(fā)展過程中，應加強對交通用地的管理，提倡市民多使用自行車、公共汽車或新能源汽車；同時，增加城市公共設施和衛(wèi)生設施，減少由于人類對垃圾處理不當而形成的土壤污染；提高市民素質(zhì)，增強市民環(huán)保意識，逐步改善登封市城市的土壤環(huán)境質(zhì)量.