城市中不同功能區(qū)土壤重金屬含量的環(huán)境質量評價

盧培虎?許繼影?葛祝時?李子卓?劉傳寧?左常海

摘 要：為掌握城市不同功能區(qū)土壤重金屬的空間分布規(guī)律，以宿州市為例，考慮市區(qū)環(huán)境復雜性，將其劃分為政務新區(qū)、經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、老城居民區(qū)、北關工業(yè)聚集區(qū)四個不同功能區(qū)，布置39個采樣點。樣品測試結果表明，檢測的Cu、Pb、Zn、Cd、Ni、Cr、Hg、As這8種重金屬元素的含量分別超出安徽省背景值246.35%、44.15%、31.76%、342.86%、43.6%、37.78%、580%和75.62%。從地質累積指數(shù)角度評判來看，宿州市政務新區(qū)與經(jīng)濟開發(fā)區(qū)的污染較輕，老城居民區(qū)和北關工業(yè)聚集區(qū)污染較重，與交通車流量、居住時間和工業(yè)發(fā)展關系密切。

關鍵詞：土壤重金屬;不同功能區(qū);地質累積指數(shù)

中圖分類號：X833;X825文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）05-0132-06

Abstract： In order to understand the spatial distribution of soil heavy metals in different functional areas of the city， taking Suzhou City as an example， considering the complexity of urban environment， it was divided into four functional areas， namely new administrative area， economic development zone， residential area of old city and Beiguan industrial agglomeration area， with 39 sampling points. The results showed that the contents of Cu， Pb， Zn， CD， Ni， Cr， Hg and as exceeded the background values of Anhui Province by 246.35%， 44.15%， 31.76%， 342.86%， 43.6%， 37.78%， 580% and 75.62%， respectively. From the perspective of geological accumulation index， the pollution in the new government area and economic development zone in suzhou was relatively light， while the pollution in the old residential area and the industrial gathering area in beiguan was relatively heavy， which was closely related to the carflow and industrial development.

Keywords： heavy metals in soil;different functional areas;geologic accumulation index

土壤是人類賴以生存的自然環(huán)境。隨著工業(yè)的快速發(fā)展、城市污染的加劇，我國土壤重金屬污染日益嚴重。土壤中的有害重金屬被稱為“化學定時炸彈”，積累到一定程度，不僅會導致土壤退化，而且會通過徑流、淋失的作用，污染地表水和地下水，惡化水文環(huán)境，并且可能會直接危害植物或通過食物鏈危害人體健康。因此，土壤重金屬污染及其由此產(chǎn)生的后果已經(jīng)成為全球關注的重大問題。

在此背景下，大量關于城市土壤重金屬污染狀況的研究得以展開。研究成果主要應用于土壤重金屬污染評價及環(huán)境修復方面。李芳、錢秋芳通過對重金屬物理和化學性質的研究，從物理、生物、化學三個方面提出了土壤重金屬污染的修復措施，并指明了各項措施的優(yōu)缺點，對土壤重金屬的治理具有重要意義[1];楊穎麗、高曉霞、李瓊等選取蘭州市的兩條交通干道北濱河路和安寧東西路，對公路旁土壤和綠化植物葉片中的Cr、Cu、Zn、Pb、Mn、Ni、Fe、Ca等元素的分布特征及其潛在的生態(tài)風險進行分析[2];王鵬等采用修正的BCR法對北京某主干道兩側土壤中重金屬存在的形態(tài)進行分析，指出了土壤重金屬總量分布規(guī)律對存在形態(tài)的分布特征有重要影響，各種形態(tài)的量隨著總量的增加而增加[3]。

本文選取的研究地點為宿州市埇橋區(qū)。該區(qū)為宿州市經(jīng)濟中心，交通發(fā)達，車流量多。建筑物、居民區(qū)、公園等多沿路而建，區(qū)內(nèi)包含老城區(qū)和新興城區(qū)，功能劃分為政務新區(qū)、經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、老城居民區(qū)、北關工業(yè)聚集區(qū)，各功能區(qū)內(nèi)的土壤被重金屬污染，勢必會對市區(qū)綠化、居民生活質量造成不良影響。因此，對該區(qū)的環(huán)境質量進行評價尤為必要。雖然近年來對城市土壤重金屬的研究報告很多，但重點分析城市功能區(qū)土壤重金屬污染的研究報告較少。基于此，本文借助全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）等分析技術，研究城市功能區(qū)土壤重金屬含量的空間分布規(guī)律，對研究范圍內(nèi)的土壤重金屬污染進行科學分析和客觀評價。

1 樣品采集與測試

1.1 研究區(qū)概況

宿州位于安徽省最北部，與蘇、魯、豫3省11個市縣接壤，是淮海經(jīng)濟協(xié)作區(qū)的核心城市之一，也是安徽省距離出?？谧罱某鞘?。京滬高鐵途經(jīng)，省道國道交匯，交通路線復雜，人口密集。

1.2 采樣點布置

本次共布置了39個采樣點，采樣點主要布置在宿州市區(qū)主干道附近。點位1—8位于汴河路東側延長線上。點位17、25、33、36位于城區(qū)東側的港口路、宿固路上;點位18—22位于城區(qū)南側的迎賓大道;點位12、13、23位于城區(qū)西側的拂曉大道;點位28—31位于城區(qū)北側，這4條線路從4個方位完整地將城區(qū)環(huán)繞一圈。點位9、10、11、14、15、16、24、27、28、29、30較均勻地散布于市區(qū)內(nèi)部。點位37—39沿匯源大道分布在汴河兩岸。采點分布兼顧了政務新區(qū)、經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、老城居民區(qū)、北關工業(yè)聚集區(qū)。在商貿(mào)城、醫(yī)院、汽車站、火車站、公園等可能造成土壤污染的區(qū)域均布置了采點。具體的采樣點分布如圖1所示。

在39個采樣點中，每個采樣點分8個采樣單元，道路兩側各4個采樣單元，相鄰兩個采樣單元間隔約為10 m，采樣點間隔約為1 000 m。

1.3 樣品處理方法

用四分法保留樣品1 kg。將所有采樣點的樣品攤在塑料布上，除去雜質，將大塊的樣品粉碎，混勻，攤成圓形，中間畫十字分成4份，然后對角線去掉兩份，若樣品還多，將樣品再混合均勻，再反復進行四分法，保留500 g作為測試樣品。

過篩、裝袋。在樣品處理階段，將各個采樣點的樣品用瑪瑙研缽充分研碎，然后用200目的尼龍篩篩一遍。篩過的土樣裝入密封袋，貼標簽。需要注意的是，每次處理樣品前，使用過的尼龍篩、研缽均要清洗干凈，瑪瑙研缽用酒精擦拭一遍，確保樣品不會受污染。

壓制樣片。將土樣和硼酸依次緩慢倒入壓片模具中，模具預置好后放入液壓機中壓制成片。開始壓片前，搖動液壓機手柄直至刻度表的內(nèi)圈數(shù)字達到10 Ma以上，接著靜置1 min左右。最后，取片。取樣片時注意手不要觸碰到樣品土樣一面。完成一個樣片后注意及時用酒精清洗模具，避免污染之后的樣片。

測試。測試時，將樣片放入儀器中，點擊電腦桌面的測試儀器軟件，開始測試。測試所使用的儀器為RXF熒光光譜儀，該儀器采用物理方法測量重金屬含量，測試速度快，綜合效率高。RXF熒光光譜儀測得的重金屬元素有Cu、Pb、Zn、Cd、Ni、Cr、Hg、As。各樣品測試結果如表1和表2所示。

由表可知：在所測得的8種重金屬元素中，含量最多的是Zn元素，含量平均值為97.94 mg·kg-1，含量范圍為56.93～259.40 mg·kg-1;含量最少的是Cd元素，含量平均值為0.31 mg·kg-1，含量范圍為0.15～0.39 mg·kg-1;其余元素含量平均值由大到小依次是Cu元素含量平均值為69.34 mg·kg-1，含量范圍為30.81～114.65 mg·kg-1，Cr元素含量平均值為62.33 mg·kg-1，含量范圍為47.00～153.27 mg·kg-1，Pb元素含量平均值為38.04 mg·kg-1，含量范圍為30.06～64.62 mg·kg-1，Ni元素含量平均值為33.66 mg·kg-1，含量范圍為9.37～53.23 mg·kg-1，As元素含量平均值為15.70 mg·kg-1，含量范圍為11.31～25.72 mg·kg-1，Hg元素含量平均值為0.34 mg·kg-1，含量范圍為0.29～0.57 mg·kg-1。

Zn的變異系數(shù)最大，達到了52%;Ni和Cu的變異系數(shù)僅次于Ni，分別為35%和32%。這3個元素的變異系數(shù)遠大于剩余元素，剩余5種元素的變異系數(shù)均小于30%。變異系數(shù)最小的是Cd，為12%。變異系數(shù)的分析并不能直接代表污染狀況，污染與否還需要具體結合其他條件進行分析。變異系數(shù)大說明重金屬分布差異大，受人為工業(yè)因素影響的可能性越大;反之，則說明分布差異小，受人為工業(yè)污染的可能性較小。

Cu、Pb和Zn的元素含量超過了宿州土壤背景值，其余元素部分采點所測數(shù)據(jù)超過了安徽省土壤背景值。若超過了安徽省土壤背景值，則說明在本省環(huán)境分析中，該元素屬于污染范疇，超過背景值越多，污染越嚴重。

2 交通干道沿線土壤重金屬分布及其來源分析

所有元素的指標均超過了安徽土壤背景值，其中Cu超標的空間范圍廣，但Pb超標幅度并不高且較均勻，而Zn超標幅度偏高且較不均勻。Cu、Cd、Pb和Zn各有97%，95%，67%和33%的采樣點的數(shù)據(jù)超過了土壤環(huán)境質量一級標準。Ni基本低于土壤環(huán)境質量一級標準，Cr僅有1個采樣點超標，As全部低于環(huán)境質量一級標準，處在正常狀態(tài)。所以對Cu、Pb、Zn、Cd作進一步研究分析，各元素分布如圖2、圖3、圖4、圖5所示。由圖可知，Cu元素主要分布在礦區(qū)附近，Pb分布于火車站附近，Zn分布于加油站周邊，Cd主要分布于市區(qū)交通干線。

Cu、Pb、Zn、Cd作為主要的重金屬污染元素，其來源分析如下。

①Cu的污染來源主要是銅鋅礦的開采和冶煉、金屬加工、機械制造、鋼鐵生產(chǎn)等。冶煉排放的煙塵是大氣銅污染的主要來源，含銅淝水灌溉農(nóng)田會使銅在土壤和農(nóng)作物中累積。銅是生命所必需的微量元素，但過量的銅對人和植物都有害。土壤中正常含銅量為2～200 mg·kg-1。中國土壤含銅量是3～300 mg·kg-1，平均值為22 mg·kg-1。銅可在土壤中富集并被農(nóng)作物吸收。在靠近銅冶煉廠附近的土壤，含有高濃度的銅。巖石風化和含銅廢水灌溉均可使銅在土壤中積累并長期保留。德意志聯(lián)邦共和國一些銅冶煉廠附近，土壤含銅量為正常土壤的3～232倍。在銅污染的土壤上生長的植物，含銅量為正常植物的33～50倍。灌溉以及硫酸銅殺蟲劑等農(nóng)藥的使用也使一部分銅進入土壤中。

②汽車尾氣是環(huán)境中Pb污染的主要污染源之一[4]。據(jù)估計，75%的Pb會以顆粒態(tài)的形式隨汽車尾氣進入環(huán)境。自1999年《車用無鉛汽油國家標準》（GB 17930—1999）實施后（車用汽油含Pb量應低于或等于0.005 g·L-1），汽車尾氣Pb排放量有所改觀。使用無鉛汽油后，全國汽車尾氣對大氣中Pb顆粒物的貢獻率均有所降低。但是，在交通運輸中，Pb除了曾被大量用于汽油外，還作為合金元素、電器電子材料等用于發(fā)動機零件、電池電極等汽車部位。當輪胎、剎車片等零部件與路面發(fā)生摩擦時，會產(chǎn)生重金屬顆粒物，通過粉塵的自然沉降和地面徑流逐漸造成周邊土壤中重金屬的累積。

宿州Pb元素在火車站附近含量最高，為64～66 mg·kg-1。這主要是因為該區(qū)域車流量較大，交通堵塞嚴重。火車站廣場及周邊區(qū)域車輛停放數(shù)量多、時間長，車輛尾氣排放量大。市區(qū)西北和市區(qū)南部Pb富集程度較低。市區(qū)西北部有大型濕地公園，植被覆蓋程度好，自然凈化功能強。市區(qū)南部多為文教區(qū)及新建的開發(fā)區(qū)，車流量較少，開發(fā)時間較短，尚未構成污染。

③Zn廣泛用于橡膠加工，用以提高橡膠制品的抗氧化性能，延長使用壽命。同時，車輛所使用的潤滑油中也含有鋅鹽等抗氧化劑。機動車輪胎磨損、機油的使用和機械磨損是交通干道鋅污染的重要來源。

宿州的Zn污染高值區(qū)位于加油站周邊，含量為250～260 mg·kg-1，加油站附近車流量很大，同時，加油站東側有個交叉路口，道路通暢度不佳，車輛磨損加劇。

④Cd的主要污染源[5]是電鍍、采礦、冶煉、染料、電池和化學工業(yè)等排放的廢水。相當數(shù)量的鎘通過廢氣、廢水、廢渣排入環(huán)境，造成污染。宿州Cd元素主要富集在市區(qū)的交通干線，含量為0.39～0.40 mg·kg-1，主要原因是汽車尾氣排放、輪胎及車輛鍍金部分磨損以及燃料和潤滑油的泄漏釋放大量Cd，通過大氣沉降，直接影響交通路旁土壤的重金屬濃度。

3 數(shù)據(jù)分析方法

地質累積指數(shù)是對沉積物中重金屬污染程度進行評價的指數(shù)，其表達式如下：

式中，[Igeo]為地質累積指數(shù);[BEn]為基線濃度;[Cn]為樣品中元素n的濃度;修正指數(shù)通常取1.5。地質累積指數(shù)可分為7個級別，不同的級別分別代表不同的重金屬污染程度（見表3）。

地質累積指數(shù)測試結果如表4所示。

由表4可知，依據(jù)地質累積指數(shù)污染等級的劃分，Cu、Zn、Ni的中等及以上污染率分別為69%、13%、77%，Cu、Ni的污染率分別為100%、92%。Pb、Zn、Cd、Cr、Hg、As基本無污染。

若從地質累積指數(shù)角度評判宿州市重金屬污染情況，會發(fā)現(xiàn)Pb、Zn、Zn、Cd、Ni、Cr、Hg和As的污染程度雖主要介于無污染到中度污染之間，但仍然不能忽視。部分地區(qū)的元素富集導致污染，說明人類活動對土壤的環(huán)境質量具有較大的影響。宿州市的發(fā)展較全國范圍內(nèi)還是比較落后的，今后的發(fā)展仍需要注意重金屬污染問題。

綜上所述，宿州市市區(qū)范圍內(nèi)的污染情況普遍比郊區(qū)嚴重。交通發(fā)達，車輛通行密集的地方污染比較嚴重;老城區(qū)污染嚴重，新城區(qū)污染較低。人流疏密、交通疏密、工業(yè)發(fā)展情況和植被濕地覆蓋情況等因素也直接影響污染情況。

4 結論和建議

4.1 結論

①宿州市總體污染情況較好，重金屬主要富集在老城居民區(qū)和北關工業(yè)聚集區(qū)，主要受人為和工業(yè)影響嚴重，而政務新區(qū)和經(jīng)濟開發(fā)區(qū)的重金屬含量則比較低。

②以地質累積指數(shù)作為評價手段，在所測得的8種重金屬元素中，Cu、Zn、Ni的污染范圍較廣。Cu和Ni的部分測點污染程度達到了中等以上，Zn基本處于初級污染程度，其余元素基本處于無污染。但仍需加強防范，避免因高速發(fā)展而忽略重金屬污染的防治。

4.2 建議

為了解決土壤污染問題，政府可采取以下措施：第一，化學處理，即化學穩(wěn)定固化，添加重金屬穩(wěn)化劑，形成的固化物質在環(huán)境條件改變的情況下，也可抑制污染物質的再次溶出擴散;第二，工程治理，主要采取添加無污染土、污染土壤轉移或將污染表土移去等措施;第三，生物治理，可采用微生物修復技術[7]，利用生物某些習性來抑制和改良重金屬污染。此外，還要

加強污染防治宣傳教育，推廣新能源的使用，減少汽車尾氣和重工業(yè)污水的排放。

參考文獻：

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[3]王鵬，賈學秀，涂明，等.北京某道路外側土壤重金屬形態(tài)特征與污染評價[J].環(huán)境科學與技術，2012（6）：165-172.

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