南京市不同背景值下表土重金屬污染特性分析

徐士杰，劉亞楠，徐秋男，朱亞婷，王偉杰

(南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京210037)

土壤是人類安身立命之本，不管是在城市還是農(nóng)村。生活在城市里的人口不斷增加，對(duì)土壤的作用也越來(lái)越明顯，土壤反作用于人類產(chǎn)生的影響越來(lái)越受到重視［1-2］。城市土壤是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，城市化進(jìn)程所產(chǎn)生的污染物可以在一定程度上被土壤容納、緩沖和凈化，但過(guò)分的污染(尤其是重金屬污染)則會(huì)通過(guò)該生態(tài)系統(tǒng)危害人類自身［3-4］。例如土壤細(xì)顆粒中富集的重金屬Pb可以通過(guò)受污染的城市土壤揚(yáng)塵危害人體健康，尤其可能會(huì)造成兒童血Pb含量升高［5］。重金屬污染對(duì)人類造成的威脅已不容小覷，研究重金屬污染規(guī)律和治理辦法已成為一個(gè)全球討論的熱點(diǎn)［6-10］。

本研究選取南京市區(qū)，在紫金山風(fēng)景區(qū)、鎖金村、經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)、朱莊公路樞紐四個(gè)區(qū)域布點(diǎn)取樣，分別對(duì)應(yīng)城市休閑區(qū)、居民區(qū)、工業(yè)區(qū)和交通區(qū)4大功能區(qū)。通過(guò)測(cè)定土壤樣品中Zn、Cd、Cr、Pb、Ni的含量，采用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法，在不同背景值下，對(duì)不同功能區(qū)的污染情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，探討不同功能區(qū)表土重金屬污染特性，以期為城市土壤重金屬污染的治理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 樣品的布點(diǎn)與采集

樣品采集時(shí)間為2014年3月～6月，均在晴朗無(wú)風(fēng)的天氣情況下進(jìn)行。每個(gè)功能區(qū)樣點(diǎn)均勻布設(shè)，根據(jù)實(shí)際情況采用棋盤法和蛇形法布點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)在1 m2內(nèi)均布取3次樣混合到一起作為一個(gè)樣品，用專用取土器取樣，取樣深度20 cm，并對(duì)每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行GPS定位。每個(gè)功能區(qū)取樣30個(gè)，共120個(gè)樣。每個(gè)樣品約重500 g，裝于聚乙烯袋中，自然風(fēng)干后用瑪瑙研缽研磨，過(guò)200目篩后，樣品裝入聚乙烯自封袋中備用。

1．2 功能區(qū)選擇

按照城市休閑區(qū)、居民區(qū)、工業(yè)區(qū)和交通區(qū)四種功能區(qū)，選擇紫金山風(fēng)景區(qū)、鎖金村、經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)和朱莊公路樞紐作為代表區(qū)域。

紫金山風(fēng)景區(qū)，位于南京市玄武區(qū)。主峰海拔448．9 m，周圍約30 km，是全國(guó)重點(diǎn)風(fēng)景名勝區(qū)，國(guó)家5A級(jí)風(fēng)景區(qū)中山陵園風(fēng)景區(qū)，位于紫金山南麓，是城市休閑區(qū)的典型代表。樣品采集區(qū)選擇在紫金山麓的中山陵景區(qū)，具有典型的代表意義。

鎖金村地處南京市主城區(qū)東北部，西臨玄武湖，南依紫金山，建設(shè)于八十年代，真正核心區(qū)域僅2 km2左右。該村建筑以居民樓、學(xué)校、社區(qū)便利店和中小型餐飲店為主，是南京市典型的居民區(qū)。

南京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)位于南京市棲霞區(qū)，是中國(guó)國(guó)家級(jí)開(kāi)發(fā)區(qū)十強(qiáng)，國(guó)家生態(tài)工業(yè)示范園區(qū)，是長(zhǎng)三角區(qū)域經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，是南京重要的石化、汽車、電子、建材工業(yè)區(qū)和企業(yè)、資金、人才、技術(shù)密集區(qū)，是典型的工業(yè)區(qū)。樣品采集區(qū)以戴莫爾金屬?gòu)S區(qū)為中心。

朱莊公路樞紐位于南京仙林，行車量大，行車速度快，是重要的交通樞紐，具有代表性。采樣點(diǎn)分布于綠化帶中，采樣方便。

1．3 樣品的測(cè)定

土壤樣品用微波消解儀消解處理后，利用英國(guó)進(jìn)口的Optimal-2100DV電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀精確測(cè)量樣品中重金屬Zn、Cd、Cr、Pb、Ni的含量。用Excel軟件處理所得數(shù)據(jù)，計(jì)算污染指數(shù)。

1．4 評(píng)價(jià)方法

1．4．1 單因子指數(shù)法(Single factor index)

單因子指數(shù)法是常用的評(píng)價(jià)方法，常用于評(píng)價(jià)土壤、大氣和水的重金屬污染。計(jì)算公式如下:

式中:Pi為污染物單因子指數(shù);Ci為實(shí)測(cè)濃度，mg/kg;Si為土壤環(huán)境背景值，mg/kg。其中，Pi≥1表示受到污染;Pi＜1表示未受污染;Pi數(shù)值越大，表示污染越嚴(yán)重。

單項(xiàng)污染分級(jí)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 單因子污染指數(shù)分級(jí)Tab．1 Classification standards of single factor pollution index

1．4．2 內(nèi)梅羅(Nemerow index)綜合指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法(Nemerow index)是基于單因子污染指數(shù)得出綜合污染指數(shù)的方法，廣泛用于評(píng)價(jià)土壤重金屬污染，其計(jì)算公式為:

式中:PN為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù);Pmax為所有元素污染指數(shù)中最大值;Pave為所有元素污染指數(shù)的平均值。

污染等級(jí)按照土壤污染指數(shù)評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行區(qū)分，見(jiàn)表2。

表2 土壤內(nèi)梅羅污染指數(shù)評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab．2 Classification standard of soil pollution evaluation index

1．5 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

本次研究以南京市土壤元素背景值和國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為不同評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以此來(lái)反映特定區(qū)域的差異性［13］。南京市土壤元素背景值為中國(guó)科學(xué)院土壤背景協(xié)作組在1979年測(cè)定所得［14］。四個(gè)功能區(qū)均與居民生活息息相關(guān)，因此土壤條件應(yīng)滿足保障居民健康生活的基本要求，故采用對(duì)應(yīng)ph值的國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［15］。其中，紫金山風(fēng)景區(qū)為自然風(fēng)景區(qū)，土壤質(zhì)量要求本應(yīng)更高，但考慮到紫金山風(fēng)景區(qū)處于人口密度大的市區(qū)，受人類活動(dòng)影響大，有別于遠(yuǎn)離人煙的自然山區(qū)，采用二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)更合理。

2 結(jié)果與分析

采用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法，在不同背景值下，對(duì)四個(gè)功能區(qū)表層土壤重金屬污染情況進(jìn)行評(píng)價(jià)［12］。

2．1 單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

各功能區(qū)土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)與污染評(píng)價(jià)見(jiàn)表3和表4，其中表3以南京市土壤元素背景值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，表4以國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

表3 以南京市土壤元素背景值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)各功能區(qū)表土重金屬含量統(tǒng)計(jì)與污染評(píng)價(jià)值Tab．3 Statistic and evaluation of heavy metal pollution in topsoil in each urban functional area on the basis of soil element background values in Nanjing

表4 以國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)各功能區(qū)表土重金屬含量統(tǒng)計(jì)與污染評(píng)價(jià)值Tab．4 Statistic and evaluation of heavy metal pollution in topsoil in each urban functional area on the basis of national secondary soil environmental quality standard

由表3可知，鎖金村居民區(qū)土壤中重金屬鎘的污染指數(shù)為195．939 9，達(dá)到重金屬重度污染程度，遠(yuǎn)超臨界值;重金屬鉛的污染指數(shù)為4．307 2，同為重度污染;鋅的污染指數(shù)為2．271，達(dá)到中度污染水平;而鎳和鉻的污染指數(shù)在輕度污染范圍內(nèi)。各元素污染程度大小順序?yàn)?鎘，鉛，鋅，鎳，鉻。

紫金山風(fēng)景區(qū)土壤中重金屬鎘濃度遠(yuǎn)超背景值，為超重度污染;鉛的平均濃度值為其背景值的4．867 3倍，二者均為重度污染;鋅的平均濃度為其背景值的2．685 4倍，為中度污染;鎳的平均濃度為其背景值的1．853 5倍，鉻平均濃度僅略微超過(guò)其背景值，二者均為輕度污染。各元素污染程度大小順序?yàn)?鎘，鉛，鋅，鎳，鉻。

朱莊公路樞紐區(qū)土壤中重金屬鎘和鉛的平均濃度也遠(yuǎn)超其背景值，二者均為重度污染水平;鎳、鋅、鉻的污染指數(shù)均在輕度污染范圍。各元素污染程度大小順序?yàn)?鎘，鉛，鎳，鋅，鉻。

經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)土壤中重金屬鎘和鉛的平均濃度均遠(yuǎn)高于其背景值，為重度污染;鋅和鎳的平均濃度略高于其背景值，為輕度污染;鉻的平均濃度未超過(guò)其背景值，尚無(wú)污染。各元素污染程度大小順序?yàn)?鎘，鉛，鎳，鋅，鉻。

由表4結(jié)果顯示，鎖金村居民區(qū)土壤中重金屬鎘遠(yuǎn)超背景值，為重度污染;鎳的平均濃度為其背景值的1．651 4倍，為輕度污染;鋅、鉻、鉛的平均濃度均未超過(guò)其背景值，尚無(wú)污染。各元素污染程度大小順序?yàn)?鎘，鎳，鋅，鉻，鉛。

紫金山風(fēng)景區(qū)土壤中重金屬鎘污染指數(shù)非常高，為重度污染;鎳和鋅的平均濃度略高于背景值，為輕度污染;鉛和鉻的平均濃度均在安全范圍內(nèi)，尚無(wú)污染。各元素污染程度大小順序?yàn)?鎘，鎳，鋅，鉛，鉻。

朱莊公路樞紐土壤中重金屬鎘為重度污染;鎳的平均濃度是背景值的1．7356倍，為輕度污染;鋅、鉻、鉛的平均濃度均比背景值小，尚無(wú)污染。各元素污染程度大小順序?yàn)?鎘，鎳，鋅，鉻，鉛。

經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)土壤中重金屬鎘的平均濃度是背景值的111．144 2倍，為重度污染;鎳的平均濃度略高于其背景值，為輕度污染;鋅、鉻、鉛的平均濃度在其背景值之內(nèi)，尚清潔。各元素污染程度大小順序?yàn)?鎘，鎳，鋅，鉛，鉻。

在以南京市土壤元素背景值和國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，重金屬鎘均存在重度污染，且指數(shù)遠(yuǎn)超背景值，四個(gè)功能區(qū)的污染指數(shù)從大到小依次為:紫金山風(fēng)景區(qū)，鎖金村居民區(qū)，經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)，朱莊公路樞紐。以南京市土壤元素背景值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，重金屬鉛在四個(gè)功能區(qū)均達(dá)到重度污染水平。重金屬鎳在四個(gè)功能區(qū)均屬于輕度污染。鉻除了在經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)無(wú)污染外，在其余三個(gè)功能區(qū)均為輕度污染。鎖金村居民區(qū)和紫金山風(fēng)景區(qū)存在鋅中度污染，另外兩個(gè)功能區(qū)存在鋅輕度污染。以國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為背景值的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，四個(gè)功能區(qū)均存在鎳輕度污染;重金屬鉻和鉛在4個(gè)功能區(qū)均無(wú)污染;紫金山風(fēng)景區(qū)存在鋅輕度污染，另外三個(gè)功能區(qū)無(wú)重金屬污染。

2．2 內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果反映了各功能區(qū)各重金屬元素的單一污染程度，通常為了評(píng)價(jià)某區(qū)域多種重金屬元素的綜合污染程度，需要用內(nèi)梅羅指數(shù)法進(jìn)一步評(píng)價(jià)。其結(jié)果見(jiàn)表5和表6，分別對(duì)應(yīng)南京市土壤元素背景值和國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

表5 以南京市土壤元素背景值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)各功能區(qū)表土重金屬污染內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)值Tab．5 Nemerow index value of heavy metal pollution in topsoil in each function area on the basis of soil element background values in Nanjing

表6 以國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)南京市各功能區(qū)表土重金屬污染的內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)值Tab．6 Nemerow index value of heavy metal pollution in topsoil in each function area in Nanjing on the basis of national secondary soil environmental quality standard

由表5和表6可知，鎖金村居民區(qū)、紫金山風(fēng)景區(qū)、朱莊公路樞紐和經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)均存在重金屬鎘重度污染，因此四個(gè)功能區(qū)的內(nèi)梅羅指數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)分界值，均存在重金屬重度污染，污染程度大小順序?yàn)?紫金山風(fēng)景區(qū)、鎖金村居民區(qū)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)、朱莊公路樞紐。

內(nèi)梅羅指數(shù)法在評(píng)價(jià)過(guò)程中利用了土壤中重金屬元素、鉻、鎳、鉛、鋅的單項(xiàng)平均污染指數(shù)和最大污染指數(shù)，全面評(píng)判土壤中重金屬的綜合污染程度，同時(shí)可以判斷其中重金屬元素鎘的污染程度對(duì)整體環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的影響。由于鎘的污染指數(shù)遠(yuǎn)大于其他重金屬，在內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)過(guò)程中所占權(quán)重過(guò)大，導(dǎo)致整體結(jié)果以鎘為導(dǎo)向。以表5評(píng)價(jià)結(jié)果為例，若不考慮重金屬鎘，四個(gè)功能區(qū)內(nèi)梅羅指數(shù)分別為 3．912 8，3．371 5，3．484 9，3．143 5，雖依然在重度污染范圍，但污染程度低很多。另外，除了鎘污染外，鉛污染是導(dǎo)致內(nèi)梅羅指數(shù)大于3的主要因素，因此，本次研究結(jié)果應(yīng)引起我們對(duì)鎘污染和鉛污染的高度重視。

3 結(jié)論與討論

3．1 結(jié) 論

(1)單因子指數(shù)法所得結(jié)果表明，無(wú)論在何種背景值下，各功能區(qū)均存在鎘(Cd)重度污染和鎳(Ni)輕度污染，其中鎘(Cd)的污染屬于超重污染，這與余愛(ài)華［16］等對(duì)南京土壤重金屬污染的研究結(jié)果吻合。傳統(tǒng)認(rèn)為鎘污染主要通過(guò)兩種形式:一是工業(yè)廢氣中的Cd隨風(fēng)擴(kuò)散沉降;一是工業(yè)廢水的排放。南京作為一個(gè)典型的工業(yè)城市，雖然近些年加大污染的控制和治理力度，但前期的冶煉、電池、電鍍等工業(yè)廢氣廢水排放，導(dǎo)致各功能區(qū)鎘和鉛累積短時(shí)間內(nèi)無(wú)法徹底清除，治理土壤重金屬污染任重而道遠(yuǎn)。

(2)內(nèi)梅羅指數(shù)法所得結(jié)果顯示，在兩種背景值下，各功能區(qū)綜合污染均為重度，這與鎘元素超重度污染有很大關(guān)系，綜合污染程度由大到小依次為:紫金山風(fēng)景區(qū)、鎖金村居民區(qū)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)、朱莊公路樞紐。該污染特征與徐銘焓［17］等的研究結(jié)果有很大差別，原因可能是因?yàn)椴键c(diǎn)區(qū)域不同，且采樣點(diǎn)沒(méi)有完全覆蓋整個(gè)功能區(qū)導(dǎo)致土壤重金屬濃度上的差別。

3．2 討 論

由于南京市土壤元素背景值比國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)小很多，這就使得評(píng)價(jià)結(jié)果有明顯差異。以國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為背景值所得結(jié)果顯示，除紫金山風(fēng)景區(qū)存在鋅輕度污染外，其他功能區(qū)鋅、鉻和鉛元素均無(wú)污染，土壤質(zhì)量良好;而在南京市土壤元素背景值下，鋅、鉻和鉛則普遍存在輕度到重度污染，土壤污染形勢(shì)則較嚴(yán)峻。而土壤重金屬到底污染到何種程度，對(duì)居民生活的影響有多深刻，根據(jù)兩種評(píng)價(jià)結(jié)果，不能很好地做出判斷，因此研究并制定新的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并輔以潛在危害系數(shù)法補(bǔ)充評(píng)價(jià)很有必要。

本次研究從評(píng)價(jià)結(jié)果上看，各功能區(qū)雖然污染程度有差別，但總體并沒(méi)有很明顯的區(qū)域特征，比如紫金山風(fēng)景區(qū)的各個(gè)重金屬污染程度甚至高于其他功能區(qū)，經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)作為工業(yè)區(qū)污染程度反而較輕，四個(gè)功能區(qū)呈現(xiàn)污染特征相似性。造成此結(jié)果的原因可能是污染源反復(fù)隨空氣擴(kuò)散、沉降，使各個(gè)功能區(qū)的污染物長(zhǎng)期互相干擾，導(dǎo)致各功能區(qū)污染情況有相通性。因此還需要對(duì)研究區(qū)的大氣和地表植物進(jìn)行重金屬污染監(jiān)測(cè)并做進(jìn)一步研究。

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