阜陽市城市規(guī)劃區(qū)土壤重金屬積累特征及其污染評價(jià)

劉建奎 王金路 殷玉忠 王龍平 姚景華

摘? 要：通過在阜陽市城市規(guī)劃區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查采樣與測試分析，研究了該地區(qū)0～20cm表層土壤中7種典型重金屬的累積狀況，并采用污染指數(shù)法對土壤重金屬的污染狀況進(jìn)行了評價(jià)。結(jié)果表明：參照安徽省土壤背景值，阜陽市城區(qū)土壤中Pb積累明顯，超過土壤背景值的 215.67%;單項(xiàng)污染指數(shù)評價(jià)結(jié)果顯示，Hg污染最嚴(yán)重，Zn污染最弱;尼梅羅綜合污染指數(shù)評價(jià)結(jié)果顯示，研究區(qū)各功能區(qū)土壤重金屬綜合污染指數(shù)排序?yàn)榻煌▍^(qū)>工業(yè)區(qū)>居住區(qū)>公園區(qū)，且交通區(qū)和工業(yè)區(qū)達(dá)到了重度污染級別。

關(guān)鍵詞：城市土壤;重金屬;污染評價(jià);阜陽市

中圖分類號：X825? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1007-1903（2019）02-0073-05

Abstract： The accumulation characteristics of Cu， Pb， Zn， Cr， Cd， As and Hg in 0～20 cm topsoil are studied by means of field sampling and laboratory detection in Fuyang urban planning area. This paper evaluates the pollution status of those heavy metals by using the pollution index method based on the background levels of heavy metals in topsoil of Anhui Province. The results show that the concentrations of Pb in urban topsoil accumulate significantly， and its average contents exceed corresponding standard levels by 215.67%， with the comparison to the concentrations of soil elements in Anhui Province. The evaluation on characteristics of heavy metal pollution in terms of area distribution by using single contamination index method indicates that Hg pollution is the most serious， and Zn pollution is the least serious. Comprehensive contamination index evaluation results show that the sorts of soil pollution index in functional areas are： transportation district > industrial urban area > residential area > park district. The transportation district and industrial urban area are both severely polluted.

Keywords： Urban soil; Heavy metal elements; Pollution evaluation; Fuyang City

0 前言

近年來我國新型工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快推進(jìn)，帶來不少負(fù)面環(huán)境問題，典型的如城市土壤重金屬污染方面，其污染程度逐步加劇，面積逐年擴(kuò)大。由于土壤重金屬污染的隱蔽性、不可逆性及難以恢復(fù)性，其被學(xué)界喻為“化學(xué)定時(shí)炸彈”（謝學(xué)錦，2000），對其開展研究已成為當(dāng)今環(huán)境地質(zhì)領(lǐng)域的重要內(nèi)容之一。

阜陽市是安徽省四大煤化工基地之一，是土壤重金屬污染較嚴(yán)重的城市。陳毛華等（2016）對阜陽潁州區(qū)郊區(qū)土地中的銅、鉛、鎘、鉻、鋅等重金屬元素污染特征進(jìn)行了初步研究，王寅等（2017）對阜陽臨泉縣重金屬污染農(nóng)田土壤修復(fù)進(jìn)行了有益探索。當(dāng)前，對阜陽市土壤重金屬污染的系統(tǒng)性研究未見報(bào)道。本文以阜陽市城市規(guī)劃區(qū)表層土壤為研究對象，開展7種重金屬污染現(xiàn)狀評價(jià)，力求為改善城市土壤環(huán)境質(zhì)量、保證市民身體健康等提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1樣點(diǎn)布設(shè)及采集

根據(jù)研究區(qū)土壤的分布情況及土地利用方式，本次采用網(wǎng)格布樣法在研究區(qū)中的交通區(qū)、工業(yè)區(qū)、居住區(qū)和公園區(qū)4 種典型功能區(qū)中采集0～20cm 表層土壤樣品，共采集161個(gè)有效土壤樣品。采樣點(diǎn)見圖 1。土樣在剔除與金屬采樣器接觸部分后，在陰涼通風(fēng)處進(jìn)行風(fēng)干，剔除殘?jiān)?、根系等侵入體，用瓷研缽研磨，分別過200目篩后裝袋備用。用ICP-MS 測定土壤中重金屬 Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、As、Hg含量，測定過程嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行質(zhì)量控制，以保證數(shù)據(jù)可靠性。

1.2 研究方法及分級標(biāo)準(zhǔn)

阜陽研究區(qū)土壤重金屬污染采用單項(xiàng)污染指數(shù)法與綜合污染指數(shù)法進(jìn)行評價(jià)。評價(jià)分級標(biāo)準(zhǔn)是依據(jù)國家土壤環(huán)境質(zhì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（GB15168-2008）及陳興仁等（2012）研究成果。結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，土壤重金屬污染程度分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。評價(jià)方法分述如下：

單項(xiàng)污染指數(shù)法計(jì)算公式為：Pi=Ci / Si

式中：Pi為土壤中重金屬i的污染指數(shù)，Ci為重金屬i的實(shí)測濃度（mg/kg），Si為重金屬i的分級標(biāo)準(zhǔn)。

尼梅羅綜合污染指數(shù)法的計(jì)算公式為：

式中：P綜為土壤綜合污染指數(shù)，Pimax為重金屬i污染指數(shù)最大值;為重金屬i污染指數(shù)的算術(shù)平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量及分布特征分析

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，研究區(qū)7種土壤重金屬元素含量結(jié)果見表2。

由上表可知，研究區(qū)除 Cd重金屬元素外，其他6種重金屬含量均不同程度超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)或安徽省土壤背景值，其中Pb污染最為嚴(yán)重，Pb平均含量達(dá)到78.6 mg/kg，超過我省土壤背景值的215.67%，這說明表層土壤中Pb重金屬有外源物質(zhì)的進(jìn)入，并存在一定程度積累。另外，Zn、Cr、As、Hg重金屬含量平均值低于安徽省土壤背景值;個(gè)別區(qū)域Zn、Cr、As、Hg含量超過我省土壤背景值，但含量均在國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

變異系數(shù)是反映數(shù)據(jù)離散程度的參數(shù)，其數(shù)值越大，表明數(shù)據(jù)波動就越大，因此變異系數(shù)可以反映數(shù)據(jù)的分布均一水平。表2顯示，研究區(qū)7種土壤重金屬元素的變異系數(shù)大小排序?yàn)椋篊d>Hg> Zn > As > Cu>Pb>Cr，Cd元素的變異系數(shù)最大，這表明Cd在研究區(qū)表層土壤中的分布最不均勻，受到的人為活動干擾比其他重金屬更強(qiáng)烈;Cr元素的變異系數(shù)最小，這表明Cr在研究區(qū)表層土壤中的分布均一性最好。

2.2 阜陽市與其它城市土壤重金屬含量對比

將研究區(qū)土壤重金屬含量與我國廣州（陳海珍等，2010）、上海（劉玉燕等，2008）、西安（陰雷鵬等，2006）、武漢（黃敏等，2010）、蘭州（楊蘇才等，2004）、臨汾（王浚卿等，2014）等城市進(jìn)行比較（表3），上述城市之間的重金屬含量存在明顯差異。阜陽研究區(qū)土壤中Cd、As、Hg、Zn、Cr含量低于其它城市，但重金屬Pb和Cu含量與其它城市相比較已處于中等偏上水平，阜陽Pb和Cu污染應(yīng)當(dāng)引起重視。上述不同城市之間重金屬含量差異主要是由于工礦規(guī)模、人口規(guī)模、交通運(yùn)輸狀況等因素綜合影響的結(jié)果。

2.3 各功能區(qū)土壤重金屬積累特征

圖2為研究區(qū)各功能分區(qū)的土壤重金屬污染指數(shù)評價(jià)結(jié)果，由圖可知，土壤重金屬含量在研究區(qū)四大功能分區(qū)中差異明顯。分述如下：交通區(qū)土壤中重金屬元素均超出安徽省土壤背景值，其中Cd、Hg、Pb、As和Cu分別達(dá)到相應(yīng)土壤背景值的3.93倍、3.66倍、2.93倍、1.65倍和1.44倍，這表明交通區(qū)土壤中重金屬積累最為突出。工業(yè)區(qū)土壤中重金屬積累次之，工業(yè)區(qū)土壤中僅有Zn的平均含量低于其背景值;其他Hg、Pb、Cd和 As的平均含量分別為0.15mg/kg、75.95 mg/kg、0.14 mg/kg、17.13 mg/kg，分別達(dá)到相應(yīng)土壤背景值的 3.75倍、3.05倍、2.27倍和1.73倍。公園區(qū)土壤中Cd、Hg、Pb、As和Cu的平均含量分別為相應(yīng)土壤背景值的1.87倍、1.47倍、1.53倍和1.37倍，對比分析表明公園區(qū)土壤中重金屬積累狀況位于處于交通區(qū)和工業(yè)區(qū)之后。居住區(qū)土壤中重金屬Cd、Pb、 Hg、Cu 和 As含量分別為背景值的 2.12倍、1.71倍、1.59倍、1.42倍和1.42倍，總體來看居住區(qū)土壤重金屬除了As和Pb以外，其他重金屬積累均高于公園區(qū)。

綜上可知，研究區(qū)在交通區(qū)、工業(yè)區(qū)重金屬Hg、Pb及Cd含量積累明顯，尤其是汞的積累更突出，究其原因，這可能與汽車尾氣、煤炭及石油燃燒等過程產(chǎn)生的Hg有關(guān)。交通區(qū)、居住區(qū)土壤中Pb含量較高，這可能與含鉛汽油使用、車輛尾氣排放等有關(guān);而工業(yè)區(qū)土壤Pb重金屬含量較高，這可能與研究區(qū)工礦礦石冶煉及排放含Pb廢物有關(guān);Cd重金屬含量積累可能與當(dāng)?shù)貦C(jī)械制造、冶金建材等工礦排放相關(guān)。

2.4 阜陽市城區(qū)表層土壤重金屬污染評價(jià)

表4為研究區(qū)分別采用單因子指數(shù)和尼梅羅綜合污染指數(shù)評價(jià)土壤重金屬污染計(jì)算結(jié)果。單項(xiàng)污染指數(shù)結(jié)果顯示，Hg的指數(shù)為3.12，數(shù)值最大，達(dá)到重度污染級別;Pb指數(shù)次之，達(dá)到中度污染級別;As、Cu和Cr的指數(shù)為輕度污染級別，Zn為警戒級別。尼梅羅綜合污染指數(shù)結(jié)果顯示，研究區(qū)四大功能區(qū)土壤重金屬污染指數(shù)值均為P綜 >1.5，這表明研究區(qū)土壤重金屬整體已有一定程度的積累，且達(dá)到了輕度污染級別;交通區(qū)和工業(yè)區(qū)綜合污染指數(shù)超過3.0，這表明上述兩個(gè)功能區(qū)達(dá)到重污染級別。全市的土壤重金屬綜合污染指數(shù)平均為P綜 =2.59，處于中度污染級別，總之，研究區(qū)土壤重金屬污染已比較嚴(yán)重。

由表4可以看出，各功能分區(qū)土壤中重金屬含量受土地利用方式影響顯著，各功能區(qū)重金屬綜合指數(shù)P綜 值的排序?yàn)榻煌▍^(qū)>工業(yè)區(qū)>居住區(qū)>公園區(qū)。人類活動干擾程度是造成P綜值差異的主要原因，其中，交通區(qū)土壤重金屬污染與研究區(qū)交通流量和物流行業(yè)持續(xù)增大有關(guān)，受到的污染程度最重;工業(yè)區(qū)由于部分工礦搬遷導(dǎo)致工業(yè)“三廢”的排放有所減弱，因此受到的污染次之;居住區(qū)土壤重金屬含量主要受到生活垃圾及生活污廢水的影響;公園區(qū)受到外在的工礦和交通污染的影響程度最小，受到人類生活污染活動干擾相對較少，但由于其每天接待眾多市民休閑游園，其表層土壤環(huán)境顯得尤為重要，目前該區(qū)土壤重金屬已達(dá)輕度污染級別，應(yīng)引起相關(guān)部門的重視。

此外，對比發(fā)現(xiàn)Pb的空間變異特征與研究區(qū)各樣點(diǎn)土壤重金屬綜合污染指數(shù)具有明顯的相似性，這表明Pb對研究區(qū)土壤重金屬污染的整體貢獻(xiàn)率較大，是研究區(qū)土壤重金屬污染的最主要控制因子。

3 結(jié)論

（1）阜陽市城區(qū)表層土壤中Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、As、Hg的平均含量分別為28.5mg/kg、78.6mg/kg、63.4mg/kg、72.6mg/kg、0.017mg/kg、9.8mg/kg、0.04mg/kg。與國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)或安徽省土壤背景值相比，除Cd外，其他6種重金屬含量均有不同程度的超標(biāo)，其中Pb污染最為嚴(yán)重。

（2）將阜陽土壤重金屬含量與我國其它城市進(jìn)行對比，結(jié)果表明，阜陽市表層土壤中Cr、Cd、As、Hg、Zn含量均低于其它城市，但Pb和Cu含量屬于中等水平，阜陽市Pb和Cu污染應(yīng)當(dāng)引起重視。

（3）尼梅羅綜合污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果表明，阜陽市各功能分區(qū)土壤重金屬綜合污染指數(shù)排序?yàn)榻煌▍^(qū)>工業(yè)區(qū)>居住區(qū)>公園區(qū)，且交通區(qū)和工業(yè)區(qū)均達(dá)到重度污染級別。

（4 ）Pb是阜陽研究區(qū)土壤重金屬污染的最主要控制因子。

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