城市表層土壤重金屬污染研究

譚 垚

城市表層土壤重金屬污染研究

譚 垚

（四川輕化工大學(xué)，四川 自貢 643000）

隨著城市的不斷擴(kuò)張與建設(shè)，城市人口的不斷匯聚導(dǎo)致城市環(huán)境質(zhì)量不斷面臨新的問題，迫切需要對城市表層土壤開展調(diào)查研究以獲得污染來源和污染區(qū)域。文章利用X射線熒光儀采集表層土壤Cr、Ni、Cu、Zn四種重金屬污染元素的含量，利用潛在生態(tài)危害指數(shù)法對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出了區(qū)域內(nèi)四種元素含量等值線圖和潛在危害指數(shù)等值線圖，為污染源監(jiān)測控制和治理提供參考。

環(huán)境；重金屬元素；生態(tài)危害指數(shù)法；等值線圖

引言

隨著城市化進(jìn)程的加速發(fā)展，城市逐漸向四周擴(kuò)張，城市土壤環(huán)境的污染也在不斷向外圍擴(kuò)散，城市土壤品質(zhì)的高低會直接影響到人們的生活質(zhì)量水平和身體健康[1]。隨著人類活動加強(qiáng)，活動區(qū)域上重金屬污染會不斷累積，如果含量超標(biāo)就會破環(huán)人居環(huán)境。

研究區(qū)域?yàn)槟呈袇^(qū)內(nèi)綠心公園，其森林面積廣闊，覆蓋率達(dá)三分之二以上，為城市的空氣凈化發(fā)揮了舉足輕重的作用。公園位于主城區(qū)江邊，規(guī)劃范圍為10平方公里，園內(nèi)有山有水植物繁盛，是廣大市民休閑娛樂的地方。為緩解交通壓力，園內(nèi)有條貫穿南北的交通要道，同時(shí)為方便市民休閑運(yùn)動，園內(nèi)還設(shè)有一條全長10多公里的環(huán)線道路，環(huán)線內(nèi)是不允許機(jī)動車進(jìn)入的。近年來隨著人們生活水平的逐漸提高，此主干道的車流量不斷增大，汽車尾氣排放一定程度上會使園內(nèi)交通要道兩側(cè)土壤受到污染，同時(shí)隨著公園內(nèi)人流量增多，各種人為因素的污染也在日益聚集，對公園內(nèi)污染進(jìn)行監(jiān)測與控制勢在必行。

目前針對土壤中重金屬污染調(diào)查研究的辦法常用的有內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、地累積指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法等[2,3]。眾多方法中各有各的優(yōu)勢和局限，在不同區(qū)域應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況采用合適的方法進(jìn)行評價(jià)。

到目前為止，國內(nèi)研究人員對城市表層土壤重金屬污染做了許多基礎(chǔ)研究并獲得了一些有效成績。城市表層土壤重金屬污染機(jī)制相對來講是錯綜復(fù)雜的，但是在時(shí)間和空間上又有一定的規(guī)律可循。現(xiàn)在不斷有學(xué)者運(yùn)用投影尋蹤、基于MATLAB的模型等對城市表層土壤重金屬污染程度和區(qū)域分布進(jìn)行評價(jià)，結(jié)合地統(tǒng)計(jì)學(xué)模型研究重金屬元素的空間分布規(guī)律等對污染影響因素進(jìn)行定量分析，尋找污染源位置[4]。同樣有研究者使用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對不同功能區(qū)土壤表層重金屬元素進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明重金屬元素在工業(yè)區(qū)和主干道重金屬濃度明顯偏高，說明污染源有很大程度上是由于汽車尾氣排放和汽車輪胎摩擦所致。本文利用X射線熒光儀在研究區(qū)域采集數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到了該區(qū)域不同點(diǎn)位的重金屬污染元素Cr、Zn、Cu、Ni的含量值，以及該點(diǎn)位上潛在生態(tài)危害指數(shù)。利用克里金插值法對數(shù)據(jù)進(jìn)行插值并采用sufer軟件繪制了該區(qū)域四種重金屬元素的含量等值線圖與該區(qū)域的危害指數(shù)值等直線圖。根據(jù)圖像分析了該區(qū)域的污染特征，并推測了污染源的來源。

1　評價(jià)方法

1.1　地積累指數(shù)法

地累積指數(shù)法又被稱為Muller指數(shù)，是在20世紀(jì)中期由德國科學(xué)家Muller提出后逐漸在歐洲興起。主要用于研究沉積物及其他物質(zhì)中重金屬污染程度的定量指標(biāo)[5]。在評價(jià)過程中，除了要考慮環(huán)境化學(xué)背景值以外還要考慮由于人為的各種污染因數(shù)，以及由于自然在巖石形成的機(jī)制中可能會引起背景值變動的因數(shù)，地累積指數(shù)的計(jì)算公式為:

1.2　內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

內(nèi)梅羅指數(shù)首先需要求出每一個因子的單獨(dú)指數(shù)然后再求出每個單獨(dú)指數(shù)的平均值最后選擇最大單獨(dú)指數(shù)和平均值來進(jìn)行計(jì)算。這種方法是一種能考慮最大值或者能突出最大值的計(jì)權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。

1.2.1單因子指數(shù)法

為了確定重金屬污染的主要來源物及其危害水平可以采用單一因子指數(shù)法進(jìn)行評估。普通情況下以污染指數(shù)來表現(xiàn)，用重金屬實(shí)測值的含量與評估標(biāo)準(zhǔn)的比值除去量綱以后再來計(jì)算污染指數(shù)：

1.2.2綜合指數(shù)法

由于單因子指數(shù)只能反映出各個重金屬元素的污染水平而不能完全反映出土壤的全面污染情況，綜合污染指數(shù)既可以考慮單因子污染指數(shù)最高值。又能考慮到平均值，可以相對表示出污染厲害的重金屬污染物的作用。綜合污染指數(shù)計(jì)算方法如下：

內(nèi)梅羅綜合指數(shù)在評估時(shí)可能會因?yàn)槿藶榈囊驍?shù)放大或減少一些因子的作用效果，可能會相對反映出污染指數(shù)最大的重金屬污染對環(huán)境質(zhì)量影響的偏差，導(dǎo)致使其對環(huán)境質(zhì)量評估的靈敏度不夠強(qiáng)。

1.3　潛在生態(tài)危害指數(shù)法

本次數(shù)據(jù)分析采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法進(jìn)行評估，該方法是由瑞典科學(xué)家Hakanson從沉積學(xué)角度出發(fā)提出來的，依據(jù)重金屬化學(xué)物理性質(zhì)及其環(huán)境的行為特點(diǎn)，對土壤或沉積物中土壤重金屬污染開展評估的方法[6]。這種辦法不僅是要考慮土壤中重金屬含量，同樣還需要全面兼顧多種元素的共同相互作用、毒性程度、污染濃度以及環(huán)境對重金屬污染敏感性等要素。潛在生態(tài)危害指數(shù)法表達(dá)式如下：

2　數(shù)據(jù)采集與整理

數(shù)據(jù)采集是城市表層土壤重金屬污染評價(jià)環(huán)節(jié)相當(dāng)重要的一個步驟，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和精確度直接關(guān)系到最終的評價(jià)結(jié)果。首先根據(jù)評價(jià)任務(wù)進(jìn)行現(xiàn)場踏勘后再設(shè)計(jì)具體的數(shù)據(jù)采集方案，踏勘結(jié)果顯示研究區(qū)域內(nèi)多為典型的丘陵地貌，森林覆蓋率較高，大多數(shù)地方?jīng)]有平坦的道路，區(qū)內(nèi)以前為分散的原住農(nóng)戶，后因環(huán)境改造，區(qū)內(nèi)所有農(nóng)戶全部搬離，然而各種建筑垃圾沒有得到及時(shí)有效的清理，這給數(shù)據(jù)采集帶來了一定的難度。

首先在地形圖上確定研究區(qū)域的大致范圍，并依據(jù)地形圖，按照1 km×1 km的網(wǎng)格進(jìn)行采樣點(diǎn)布設(shè)，依照每個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)對應(yīng)一個數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)對表層土壤進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，用GPS記錄數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)，并進(jìn)行編號[7]。用X射線熒光儀對表層土壤重金屬Cr、Zn、Cu、Ni的含量進(jìn)行測定，在測量之前首先應(yīng)對X射線熒光儀進(jìn)行標(biāo)定，具體步驟參照X射線熒光儀操作手冊。在實(shí)際測量時(shí)應(yīng)布設(shè)一般點(diǎn)和檢查點(diǎn)，通常一般點(diǎn)是按任務(wù)中的要求提出的間距距離均勻地布置在整個研究區(qū)域，可以獲得被測量的對象產(chǎn)生的異常。布設(shè)采集點(diǎn)時(shí)若因?yàn)榇嬖诟鞣N因數(shù)的限制，數(shù)據(jù)采集點(diǎn)可以偏離原來位置，通常不得超過標(biāo)準(zhǔn)距離的20%，最大不偏離標(biāo)準(zhǔn)距離的40%。數(shù)據(jù)采集通常使用多次測量取平均值的方法進(jìn)行。在一般點(diǎn)上如發(fā)現(xiàn)測量值相對異常，此測量點(diǎn)數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加測量次數(shù)，并且在異常點(diǎn)之間增加測量點(diǎn)數(shù)，以保障測量點(diǎn)的代表性、準(zhǔn)確性以及精度的要求。為了檢驗(yàn)在一般點(diǎn)上的數(shù)據(jù)采集的可靠性，需要提取一定比例的點(diǎn)作為檢驗(yàn)點(diǎn)，檢查點(diǎn)在時(shí)間和空間上分布都應(yīng)該大致均勻，檢查觀測與初次觀測應(yīng)該采用不同的測量人員和不同的測量路線。

采集到的土壤金屬元素含量數(shù)據(jù)需要經(jīng)過一系列的整理才能進(jìn)行評定與成圖。首先要剔除明顯錯誤數(shù)據(jù)，在同一點(diǎn)采集的多個數(shù)據(jù)中有時(shí)由于各種因數(shù)的影響可能會測得一些不合理數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)可以直接剔除掉。為了更有效地反映區(qū)域內(nèi)各種元素含量的真實(shí)情況，采集越多的數(shù)據(jù)越有效，但是需要考慮時(shí)間和工作量，同時(shí)網(wǎng)格太密重復(fù)的工作量也會更大。為了在原來設(shè)計(jì)每平方公里1個數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上更能客觀有效地反映區(qū)域內(nèi)的真實(shí)情況，可以采用插值方法。對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理后，得到了每一個點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)位置和四種元素的含量值和潛在危害指數(shù)RI，本次成圖采用sufer軟件繪制，采用克里金插值方法，克里金插值方法廣泛應(yīng)用于各類觀測的空間插值，該方法考慮到了空間相關(guān)性的問題，使得插值結(jié)果更加可靠，經(jīng)常用在土壤科學(xué)和地質(zhì)相關(guān)問題中。應(yīng)用sufer軟件繪制四種重金屬元素含量等值線圖（圖1）和潛在危害指數(shù)RI等值線圖（圖2），并將邊緣地區(qū)白化。圖中黑色虛線為測量區(qū)中一條主干道。

圖1　四種元素Cr、Ni、Cu、Zn含量等值線圖

3　成果分析

從圖1四種重金屬元素等值線圖中色階的顏色分布中可以看出：Zn的含量最高含量為27 mg/kg～346 mg/kg，其次是Cr含量為5 mg/kg～128 mg/kg，然后是Cu含量為11 mg/kg～88 mg/kg，Ni的含量最低，含量為15 mg/kg～39 mg/kg。

（1）從圖1中Cr含量等值線圖中可知，研究區(qū)內(nèi)共有3個Cr濃度異常，分別在西北邊2個，另外一個在東北邊靠公路附近，其中東北邊靠公路附近的濃度異?；境尸F(xiàn)圓形，長1 km，寬1 km，面積大概有1 km2，其含量平均為110 mg/kg左右。西北邊兩個濃度異常都有向外延伸，面積大概分別為0.3 km2和0.4 km2，其含量平均值分別為100 mg/kg和80 mg/kg。（2）從圖1中Ni含量等值線圖中可知，研究區(qū)內(nèi)共有3處Ni濃度異常，分別在北邊、東北邊和南邊，其中東北邊靠公路旁邊的濃度異常呈心形，長2 km，寬1 km，由于外圍沒有采集數(shù)據(jù)，異常同樣在向外圍延申，面積大約2.5 km2，其含量平均值大約為37 mg/kg。北邊異常濃度較小，范圍也較小。南邊異常有很大一部分在測量之外區(qū)域，長度大概有2 km，寬度大概有0.5 km，面積1 km2，含量平均值大約為33 mg/kg。（3）從圖中Cu含量等值線圖中可知，研究區(qū)共有3處Cu濃度異常，分別在北邊、東北邊和南邊，其中南邊濃度異常呈半圓形，長度大概1 km，寬度大概0.5 km，面積約有0.5 km2，平均含量約為85 mg/kg。東北邊異常呈三角形分布，異常同樣在向外延申，長大概1 km，高大概0.5 km，面積大約0.8 km2，平均含量約為80 mg/kg。北邊異常較小面積大約有0.2 km2，平均含量約為65 mg/kg。（4）從圖中Zn含量等值線圖中可知，研究區(qū)共有3處的Zn濃度異常，其中南邊一處濃度異常，北邊有一處濃度異常，另外一處在東北邊靠公路附近，且此處濃度異常平均值為300 mg/kg，呈三角形形狀，同樣在向外圍延申，長大約為0.8 km，高大約為0.4 km，面積大概為0.5 km2。北邊濃度異常范圍較小，且含量不太高。南邊濃度異常呈半圓形，且可判斷向外圍延申的異常較大，其中長大約為1 km，寬大約為0.8 km，面積大概為1 km2，此處濃度異常平均值為190 mg/kg。

結(jié)合四種元素含量等值線圖，不難發(fā)現(xiàn)存在一定的規(guī)律，其中Zn、Cu、Ni異常分布比較相似，說明污染軌跡相同。并且四種異常分布主要在測量區(qū)邊緣地帶，邊緣地區(qū)是生活區(qū)和公園相結(jié)合的部分，邊緣地帶人們活動較強(qiáng)污染也較強(qiáng)。由圖2的潛在生態(tài)危害指數(shù)RI等直線圖可知，RI值均未超過150，屬于輕微生態(tài)危害。RI相對高值同樣有三個區(qū)域，分別分布在南邊，東北邊和北邊，都向外圍延申。其中南邊呈半圓形，長大概為3 km，寬大概為1.5 km，面積大概為3 km2，平均RI值約為20。東北邊靠近公路的區(qū)域呈梯形，其中長大約為3 km，寬大約為2 km，面積大概為6 km2，平均RI值約為20。北邊區(qū)域呈三角形，長大約為1 km，高大約為0.5 km，面積大概為0.8 km2，平均RI值約為18。區(qū)域內(nèi)邊緣地帶危害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)相對較高，與人類活動強(qiáng)烈有關(guān)，圖中右上角位于公路右側(cè)有一高危害指數(shù)區(qū)域，從圖1中也反映出同樣的結(jié)果，后據(jù)調(diào)查該區(qū)域表層土壤為轉(zhuǎn)移土壤，極有可能是土壤被污染后搬運(yùn)至此。

圖2 潛在生態(tài)危害指數(shù)RI等直線圖

4　結(jié)論

城市地表土壤重金屬污染監(jiān)測是環(huán)境監(jiān)測中一項(xiàng)需要長期堅(jiān)持的重要工作，重金屬的污染會不斷惡化人們生活環(huán)境。本文采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法對研究區(qū)域開展調(diào)查分析并用克里金插值方法進(jìn)行插值數(shù)據(jù)處理，結(jié)合sufer軟件繪制了Cr、Ni、Cu、Zn四種重金屬元素含量等值線線圖和污染指數(shù)RI等值線圖，得出了四種重金屬污染元素濃度含量大?。篜Zn＞PCr＞PCu＞PNi。四種重金屬元素污染在空間上有一定規(guī)律，即分布位置基本相同，主要分布在研究區(qū)南邊和北邊以及東北邊的邊緣地區(qū)和道路兩側(cè)，研究區(qū)邊緣地區(qū)是城區(qū)和綠心公園的結(jié)合地帶主要是人們在此區(qū)域日常生活造成的污染，而道路兩側(cè)的重金屬元素污染主要是主干道上汽車尾氣排放和汽車輪胎摩擦造成的污染，以及由于之前原住農(nóng)民房屋基地建設(shè)轉(zhuǎn)移來的土壤造成的污染。由RI等值線圖可知區(qū)域內(nèi)RI指數(shù)均為超過150，屬于輕微生態(tài)危害，相對高指數(shù)值與四種元素污染異常分布基本相同，基本分布在研究區(qū)邊緣地區(qū)和主干道路兩側(cè)，并且有向研究區(qū)中心擴(kuò)展趨勢。該研究結(jié)果分析確定了污染源和污染區(qū)域，為城市生態(tài)環(huán)境重金屬污染監(jiān)測和治理提供了有利的參考價(jià)值。

根據(jù)此次調(diào)查研究結(jié)果提出以下建議供參考：一是對公園內(nèi)主干公路實(shí)行管制措施，或者提醒大家可以繞道通過，尤其是早晚出行高峰期，從而減少汽車尾氣排放以及汽車輪胎摩擦對公園的污染；二是控制公園內(nèi)游覽人數(shù)，由于公園有一定的承載限度，游覽人數(shù)過多會容易破環(huán)公園的環(huán)境質(zhì)量針對節(jié)假日可以實(shí)行預(yù)約制度，從而可以減少人為活動過強(qiáng)對公園的影響；三是對公園內(nèi)轉(zhuǎn)移土壤進(jìn)行有效治理；四是對公園邊緣地帶采取一些宣傳措施提高人們對該過渡地區(qū)的環(huán)境保護(hù)意識等。

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Study on Heavy Metal Pollution in Urban Topsoil

With the continuous expansion and construction of the city and the continuous convergence of urban population, the urban environmental quality is constantly facing new problems. It is urgent to investigate and study the urban topsoil in order to obtain the pollution source and pollution area. In this paper, the contents of Cr, Ni, Cu and Zn in surface soil were collected by X-ray fluorescence instrument, the measured data were analyzed by potential ecological hazard index method, and the content contour map of four elements and potential hazard index contour map in the region were obtained, which provided a reference evidence for pollution source monitoring, control and treatment.

environment; heavy metal elements; ecological hazard index method;contour map

X53

A

1008-1151(2022)01-0028-04

2021-11-29

譚垚（2002－），男，四川樂山人，四川輕化工大學(xué)學(xué)生，研究方向?yàn)楦叻肿踊衔铩?/p>