城市不同功能區(qū)土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

仝雙梅，連國奇，楊 琴，秦 趣，代 穩(wěn)

(1.六盤水師范學(xué)院 旅游與歷史文化學(xué)院，貴州 六盤水 553004；2.六盤水師范學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004)

隨著我國城市化的快速發(fā)展，人口和工業(yè)向城市高度集中，不合理的人類活動(dòng)所產(chǎn)生的大量污染物隨之進(jìn)入城市土壤，導(dǎo)致了城市土壤的組成和性質(zhì)發(fā)生變化，嚴(yán)重地影響和改變城市土壤生態(tài)系統(tǒng)的組成。重金屬在土壤中具有隱蔽性、持久性、累積性等特點(diǎn)，因此土壤重金屬污染難以治理。研究表明，城市土壤中的重金屬可通過吞食、吸入和皮膚吸收等途徑直接對(duì)人體產(chǎn)生影響，也可通過食物、大氣和水環(huán)境污染等間接對(duì)人體健康產(chǎn)生不利影響[1]。

土壤污染的評(píng)價(jià)常用土壤重金屬的含量作為標(biāo)準(zhǔn)，作為土壤污染物之一的土壤重金屬污染已嚴(yán)重危害生態(tài)安全[2-3]。目前，土壤重金屬污染已成為受到全球?qū)W者極大關(guān)注的環(huán)境問題之一，近年來，國內(nèi)學(xué)者圍繞城市土壤重金屬污染狀況展開了廣泛的研究。劉亞納[4]等對(duì)洛陽市7個(gè)不同功能區(qū)土壤重金屬含量及污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，柳云龍[5]等對(duì)上海市土壤重金屬空間變異特征及污染進(jìn)行評(píng)價(jià)，吳新民[6]等對(duì)南京市不同功能城區(qū)土壤中重金屬的污染特征進(jìn)行分析，此外，不同學(xué)者分別對(duì)北京[7]、沈陽[8]、唐山[9]、徐州[10]等城市的土壤重金屬污染狀況進(jìn)行調(diào)查研究，眾多研究結(jié)果表明城市土壤不同程度地受到了重金屬的污染。

六盤水作為西南地區(qū)重要的工業(yè)基地，以煤炭、電力、鋼鐵為重要經(jīng)濟(jì)支柱，是典型的工業(yè)城市，而目前關(guān)于六盤水城市土壤重金屬的質(zhì)量水平尚未見報(bào)導(dǎo)。本研究以六盤水城市土壤為研究對(duì)象，分別采集5個(gè)功能區(qū)居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)、學(xué)校、道路的表層土壤，分析測(cè)定土壤重金屬Cu、As、Cd、Hg的含量水平，并對(duì)其污染狀況及風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，旨在為六盤水城市環(huán)境質(zhì)量綜合治理提供參考依據(jù)，為促進(jìn)六盤水打造國際旅游休閑度假城市，提供適宜的人居環(huán)境提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

根據(jù)六盤水土地利用狀況，采集居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)、學(xué)校、道路5個(gè)功能區(qū)的表層土壤，用不銹鋼鏟采集土壤表層土(0～15cm)，多點(diǎn)混合混合成1個(gè)土樣(500g左右)，共采集土壤樣品36個(gè)。在實(shí)驗(yàn)室采用自然風(fēng)干方式干燥土壤樣品，用木棍將樣品碾碎，揀去雜物，用四分法取土樣100g，研磨過篩，裝袋編號(hào)待測(cè)。

1.2 樣品分析

用原子熒光測(cè)定儀(AFS-933)測(cè)定Hg和As，石墨爐原子吸收光譜儀(ZEE nit 700P)測(cè)定鎘(Cd)，火焰原子吸收光譜儀(WFX-210)測(cè)定銅(Cu)，隨批帶空白實(shí)驗(yàn)。測(cè)試中質(zhì)量控制用國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW-07409、GBW-07413) ,同時(shí)隨批測(cè)試平行樣，將標(biāo)樣測(cè)試值和平行樣間的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)控制在規(guī)定范圍以內(nèi)。

1.3 土壤重金屬污染及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

1.3.1 單因子污染評(píng)價(jià)法

目前，單因子污染評(píng)價(jià)法為國內(nèi)通用的土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法[11]，計(jì)算公式為Pi=Ci/Si,其中，Pi為單一污染物的污染指數(shù)，Ci為某一污染物的濃度值，Si為所測(cè)污染物元素的參比值。該方法分級(jí)狀況如下：Pi≤1.0、1.03.0，分別表示污染物處于未污染、輕污染、中度污染和重污染等級(jí)。

1.3.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

計(jì)算公式為:

P綜為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)，Pi為污染物i的單項(xiàng)污染指數(shù)，Pimax為所有污染物單項(xiàng)污染指數(shù)的最大值。該評(píng)價(jià)方法共分為5級(jí)，P綜≤0.7、0.73.0分別表示所測(cè)土壤處于安全、警戒級(jí)、輕污染、中污染和重污染等級(jí)。

1.3.3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為瑞典學(xué)者Hakanson[12]提出的，可綜合反映土壤中重金屬的影響潛力[9]。計(jì)算公式如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量水平

研究區(qū)采樣點(diǎn)土壤中Cd、As、Hg、Cu的平均含量水平(見表1)分別為1.98、57.85、0.87、71.41mg/kg，4種元素平均含量均高于貴州省土壤背景值，分別為背景值的3.01、2.89、7.96、2.23倍，超標(biāo)率最高的為Hg高達(dá)100%， As和Cu的超標(biāo)率也都達(dá)到了97.22%。

研究區(qū)土壤中的重金屬含量均值與國內(nèi)其他城市唐山、石家莊、廣州等8個(gè)城市相比，Hg的含量均值高于唐山、石家莊、重慶，低于廣州，而其它元素Cd、As、Cu的含量均值均高于其它城市，說明研究區(qū)采樣點(diǎn)土壤重金屬Cd、As、Cu污染較為嚴(yán)重見表2。

表1 土壤重金屬質(zhì)量濃度 (mg/kg)

*貴州省土壤背景值 **平均值/背景值

表2 我國不同城市土壤重金屬含量

“-”表示文章中沒有相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.2 各功能區(qū)土壤重金屬含量特征

對(duì)不同功能區(qū)土壤重金屬含量變化規(guī)律和變異情況進(jìn)行分析(表3)，結(jié)果表明：

Cd含量在各功能區(qū)平均含量由高到低依次為：學(xué)校>公園>商業(yè)區(qū)>居民區(qū)>道路，Cd含量最高值在公園區(qū)，為14.02 mg/kg，最低值在學(xué)校，為0.08mg/kg；不同功能區(qū)Cd的變異系數(shù)在115%～167%，都達(dá)到了強(qiáng)變異程度，變異系數(shù)最高的為學(xué)校區(qū)，高達(dá)167%，說明各個(gè)功能區(qū)表層土壤中的Cd受人為因素的影響較大，而學(xué)校作為人員密集地區(qū)，土壤中Cd含量可能為復(fù)合污染，污染源較為復(fù)雜。

As含量在各功能區(qū)平均含量由高到低依次為：道路>公園>居民區(qū)>學(xué)校>商業(yè)區(qū)，As含量最高值在道路，為138.93mg/kg，最低值在居民區(qū)，為15.57mg/kg；不同功能區(qū)As的變異系數(shù)在27%～66%，除學(xué)校為中等變異，其它功能區(qū)均為強(qiáng)變異。居民區(qū)的As含量較高可能與生活燃煤、生活廢棄物的排放以及采樣點(diǎn)多位于垃圾回收點(diǎn)附近有關(guān)。

Hg含量在各功能區(qū)平均含量由高到低依次為：學(xué)校>商業(yè)區(qū)>居民區(qū)>公園>道路，Hg含量最高值在居民區(qū)，為3.40mg/kg，最低值也在居民區(qū)，為0.16mg/kg，高于貴州省土壤背景值；不同功能區(qū)Hg的變異系數(shù)在16%～96%，商業(yè)區(qū)、公園為中等變異，道路、居民區(qū)、學(xué)校為強(qiáng)變異。學(xué)校Hg含量較高可能與采樣點(diǎn)多位于綠化帶，而土壤膠體及有機(jī)質(zhì)對(duì) Hg 的吸附及植物吸收大氣干濕沉降中汞，并且累積 Hg 可隨植物殘?bào)w的滲透進(jìn)入土壤有關(guān)[13]。

Cu含量在各功能區(qū)平均含量由高到低依次為：學(xué)校>公園>居民區(qū)>道路>商業(yè)區(qū)，Cu含量最高值在學(xué)校，為130.20mg/kg，最低值在道路，為30.77mg/kg，低于貴州省土壤背景值；不同功能區(qū)Cu的變異系數(shù)在7%～34%，除商業(yè)區(qū)為弱變異外，道路、公園為中等變異，居民區(qū)、學(xué)校為強(qiáng)變異，說明商業(yè)區(qū)表層土壤中的Cu基本未受到人類活動(dòng)的干擾，其它各個(gè)功能區(qū)表層土壤中的Cu已受到不同程度的人為因素的影響。

表3 不同功能區(qū)土壤重金屬質(zhì)量濃度(mg/kg)

2.3 土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

研究區(qū)表層土壤中4種元素的單因子污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果結(jié)果如表4所示(參比標(biāo)準(zhǔn)為《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618─1995)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn))，Cd、As、Hg、Cu的單因子污染指數(shù)均值分別為4.39、2.19、1.92、0.83，重金屬的污染趨勢(shì)呈現(xiàn)Cd>As>Hg>Cu。從不同功能區(qū)重金屬的單項(xiàng)污染水平來看，Cd在居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、學(xué)校、公園為重污染，As在居民區(qū)、道路、公園為中等污染，在商業(yè)區(qū)、學(xué)校為輕污染，Hg在居民區(qū)、學(xué)校為中等污染，在商業(yè)區(qū)、道路、公園為輕污染，Cu在各功能區(qū)呈現(xiàn)無污染水平。

從重金屬綜合污染水平來看，研究區(qū)綜合污染指數(shù)范圍為4.13～16.64，綜合污染指數(shù)最高的為公園，為16.64，綜合污染指數(shù)最低的為道路，為4.13，不同功能區(qū)的綜合污染指數(shù)由高到低分別為：公園>學(xué)校>商業(yè)區(qū)>居民區(qū)>道路，各功能區(qū)的綜合污染指數(shù)均大于3，都達(dá)到了重污染等級(jí)。

2.4 土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

以國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618-1995)為參比值，對(duì)各功能區(qū)采用潛在生態(tài)危害指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見表6。從六盤水城市土壤單個(gè)重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)比例分布來看(圖1)，研究區(qū)采樣點(diǎn)100%土壤樣品重金屬Cu的 均低于40，表現(xiàn)為輕微的生態(tài)危害風(fēng)險(xiǎn),88.89%土壤樣品As處于輕微生態(tài)危害程度，11.11%土壤樣品As處于中等生態(tài)危害程度，土壤樣品Cd風(fēng)險(xiǎn)程度為：輕微生態(tài)危害樣品比例為61.12%、中等生態(tài)危害和強(qiáng)生態(tài)危害樣品比例各為8.33%、很強(qiáng)生態(tài)危害和極強(qiáng)生態(tài)危害樣品比例各為11.11%，土壤樣品Hg風(fēng)險(xiǎn)程度為：輕微生態(tài)危害樣品比例為2.78%、中等生態(tài)危害樣品比例為69.44%、強(qiáng)生態(tài)危害樣品比例為25%、很強(qiáng)生態(tài)危害樣品比例為2.78%，表明研究區(qū)土壤 Cd、Hg污染最重，Cd、Hg是最主要的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子。這與陳海珍對(duì)廣州市不同功能區(qū)土壤重金屬污染研究得出的廣州市總體上 Hg、Cd 污染最嚴(yán)重的結(jié)論相一致[14]。

從潛在生態(tài)危害指數(shù) 均值來看，5個(gè)功能區(qū)所采集的土壤樣品As、Cu的 均值均小于40，處于輕微的生態(tài)危害程度；道路土壤Cd的 均值為56.20，處于中等生態(tài)危害程度，居民區(qū)、商業(yè)區(qū)土壤Cd的 均值分別為92.09、125.43，處于強(qiáng)生態(tài)危害程度，學(xué)校、公園土壤Cd的 均值分別為203.83、181.80，處于很強(qiáng)生態(tài)危害程度；商業(yè)區(qū)、道路、公園土壤Hg的 均值分別為72.06、69.16、65.68，處于中等生態(tài)危害程度，居民區(qū)、學(xué)校土壤Hg的 均值分別為84.80、92.51，處于強(qiáng)生態(tài)危害程度。

多種重金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI的范圍為156.76～320.26，均值為234.76，土壤整體平均風(fēng)險(xiǎn)為中等生態(tài)危害，居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、道路、公園、學(xué)校均處于中等生態(tài)危害程度，而學(xué)校RI為320.26處于強(qiáng)生態(tài)危害程度。不同功能區(qū)的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI依次為學(xué)校(320.26)>公園(274.33)>商業(yè)區(qū)(219.48)>居民區(qū)(202.99)>道路(156.76)。采樣點(diǎn)土壤整體生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度為(圖2)：輕微生態(tài)危害樣品比例為55.56%、中等生態(tài)危害樣品比例為22.22%、強(qiáng)生態(tài)危害樣品比例為16.67%、很強(qiáng)生態(tài)危害樣品比例為5.55%。

表4 不同功能區(qū)土壤重金屬污染狀況

表4(續(xù))

Fig.1 Distribution potential ecological hazard of soil heavy metals in Liupanshui

Fig.2 Synthetic potential ecological hazard

3 結(jié)論

(1)六盤水城市表層土壤重金屬Cd、As、Hg、Cu的含量均值均高于背景值，其中Hg的超標(biāo)率最大，高達(dá)100%，其次為As和Cu，超標(biāo)率都為97.22%。

(2)土壤Cd、As、Hg、Cu的單因子污染指數(shù)均值分別為4.39、2.19、1.92、0.83，重金屬的污染趨勢(shì)呈現(xiàn)Cd>As>Hg>Cu。研究區(qū)綜合污染指數(shù)范圍為4.13～16.64，研究區(qū)土壤的綜合污染程度呈現(xiàn)公園>學(xué)校>商業(yè)區(qū)>居民區(qū)>道路的規(guī)律。

(3)各重金屬元素中，Cd、Hg是最主要的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子，多種重金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI的范圍為156.76～320.26，均值為234.76，土壤整體為中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，不同功能區(qū)的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI依次為學(xué)校>公園>商業(yè)區(qū)>居民區(qū)>道路。

本次研究表明六盤水市土壤重金屬的出現(xiàn)了不同程度的污染，但本次調(diào)查取樣的采樣點(diǎn)有限，數(shù)量較少，不能很好地全面反映六盤水土壤整體的污染狀況，相關(guān)部門應(yīng)開展更大范圍的調(diào)查取樣來全面了解六盤水市土壤重金屬的污染狀況，對(duì)土壤重金屬的污染狀況開展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，明確污染源并及早采取預(yù)防措施及治理措施，來確保城市土壤生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的良好持續(xù)發(fā)展及提高居民的健康水平。