徐永新,王曉旭
(許昌學院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與園林學院,河南 許昌 461000)
2005年全球城市人口數(shù)量為31.7億,預計到2030年將增長至49億.同時,中國城市人口比例將達到62.3%,約9.1億人.由此可見,城市將成為人們未來活動的重要場所[1-3].目前,中國的工業(yè)化和城市化正在迅速增長,在帶來經(jīng)濟效益的同時,也引發(fā)了一系列的資源和環(huán)境問題,成為城市發(fā)展的阻礙.城市土壤在環(huán)境中的作用至關重要,不僅能為微生物和植物的生長提供場所和養(yǎng)分,也是人類居住和活動的重要場所[4].城市土壤重金屬多半受土壤母質(zhì)和人類活動的影響,而人為因素為其主要影響因素.重金屬可能會長時間積累在土壤中,不會因為自然退化過程而發(fā)生遷移或降解,某些重金屬元素通過人類攝入的食物和吸入的灰塵進入人體,直接對人類健康造成威脅.同時,它能阻礙營養(yǎng)鹽的有效供應并控制土壤中微生物的活性,因此,判斷重金屬污染的強度、來源等特征就顯得尤為重要,這可以為土壤修復和制定控制措施提供參考,從而控制其污染,保護城市生態(tài)環(huán)境[5].
隨著人們對土壤環(huán)境的重視,城市土壤重金屬已成為國內(nèi)外學者研究的熱門話題,目前,有大量的學者對上海、西安、北京、貴陽等大、中型城市土壤的重金屬的含量、分布及來源進行探討,但對于小型城市的研究相對缺乏[6].登封作為旅游業(yè)發(fā)達的小城市,2010年已經(jīng)成功申報世界文化遺產(chǎn)—“天地之中”歷史建筑群.隨著旅游業(yè)的發(fā)展,登封市人流量和車流量增多,環(huán)境污染愈加嚴重.城市土壤作為人類生產(chǎn)和生活的主要載體,其質(zhì)量的好壞與人類息息相關.登封市城市土壤質(zhì)量如何,目前未見詳細報道.因此,本研究以此作為切入點,主要研究登封市城市土壤重金屬含量,并對其特征以及污染程度進行分析評價,以期為登封市的可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù).
根據(jù)研究區(qū)范圍及研究內(nèi)容的需要,將研究區(qū)劃分為500 m×500 m的網(wǎng)格,并確定采樣點及樣品數(shù)量,確保采樣點位置分布相對均勻(圖1).實際取樣時,由于客觀原因,一部分采樣點成為無效樣點.因此,在確保采樣點分布均勻的情況下,調(diào)整并記錄采樣點的實際位置.采樣時,依照“梅花形”布設方法,在每個有效樣點4 m2的范圍內(nèi)布設五個子樣點,用鐵鏟采集土壤表層20 cm的子樣,將五個子樣充分混合,并將土樣放入自封袋中進行編號保存,每份土壤樣品500 g,共獲得52份樣品.
圖1 研究區(qū)采樣點分布示意圖
將采集的土樣放在實驗室的通風處進行自然風干,剔除土樣中的碎石、根系等雜物,用木棍碾碎,接著將碾碎的土樣過0.25 mm的土壤篩,放入無磁性樣盒中編號備用.本研究使用Thermo Scientific Niton XL3t元素分析儀和PHS-3C型pH計對已經(jīng)預處理好的土壤樣品進行重金屬和pH值的測定.
對采集的52個土壤樣品中的重金屬元素進行測定,統(tǒng)計Pb、Zn、Cu、Mn、Cr的最大值、最小值、平均值、變異系數(shù).由表1可知,這五個元素的平均值依次為30.73、85.05、46.36、406.60、62.44 mg·kg-1,Cu的含量是背景值的2.35倍,遠高于河南省的背景值,說明Cu在土地表層有明顯的富集,Pb、Zn分別為其背景值的1.57、1.36倍,說明兩種元素在研究區(qū)內(nèi)有一定程度的富集,Mn、Cr平均值與土壤背景值接近,分別是其背景值的0.73、0.98倍,兩者污染較輕.由此可見,研究區(qū)土壤中Pb、Zn、Cu、Mn、Cr五種元素的污染程度不同,其中Cu、Pb、Zn的污染較嚴重.
研究區(qū)內(nèi) Pb、Zn、Cu、Mn、Cr的含量變化范圍分別是10.84~94.32、37.16~316.41、33.19~72.43、261.08~577.32、39.03~101.42 mg·kg-1,含量變化明顯.Pb、Zn、Cu、Cr、Mn五種元素的最大值分別是最小值的8.70、8.15、3.77、5.21、2.34倍,說明五種元素受外界不同程度的影響.由數(shù)據(jù)可知,前四種元素空間分異大,可能受到交通或其他人類活動的影響,而Mn元素的平均值接近于河南省的土壤背景值.因此,Mn元素的污染源可能來自于自然條件中母巖或生物殘體.
將研究區(qū)土壤重金屬含量與《土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB15618-1995)》中的土壤質(zhì)量進行對比[7]可發(fā)現(xiàn),Cu、Pb、Zn、Cr四種元素在研究區(qū)內(nèi)都有不同程度的超標.與國家土壤環(huán)境質(zhì)量中的一級標準相比,有76%的樣品中Cu的含量超標,最大值為93.64 mg·kg-1;有19.23%的樣品中Zn的含量超標,最大值為316.41 mg·kg-1;有17.3%的樣品中Pb的含量超標,最大值為94.32 mg·kg-1;Cr只有3.8%的樣品超標,最大值為101.42 mg·kg-1.52個樣品中Mn的含量均未超標,最大值為577.32 mg·kg-1.總體而言,登封市城市土壤重金屬污染較輕,但某些元素對登封市土壤污染的貢獻率較大.
表1 登封市城市土壤重金屬含量
土壤中重金屬各元素的來源是否一致,可以通過對其相關關系的研究來判斷.本研究對各重金屬元素間的相關性作出分析(表2),由表2可知,登封市城市土壤中的重金屬元素間存在著相關或顯著的相關性,Pb與Cr在0.01的置信水平下呈極顯著正相關,兩元素的相關系數(shù)為0.732;Pb與Zn、Zn與Cr、Cu與Cr的相關系數(shù)依次是0.678、0.556、0.415,呈顯著正相關;Cu與Pb, Mn與其他四種元素均為弱相關,其相關系數(shù)介于0.186~0.372之間;Zn與Cu的相關系數(shù)為-0.109,其絕對值接近于0,說明兩元素之間有較弱的負相關性.由數(shù)據(jù)可知,Cr可能與Pb、Zn、Cu有相同來源,Pb與Zn可能為相同來源,Mn與其他元素來源一致性的可能較小.
表2 登封市城市土壤重金屬元素含量相關系數(shù)
研究表明,土壤的pH值越高,重金屬元素陽離子的溶解度就越小,活性也越小,導致其在固相上吸附能力上升,同時土壤溶液的重金屬濃度下降[8].研究結果表明:土壤樣品pH的平均值為7.40,與土壤酸堿性分級標準對照可知,登封市城市土壤屬于中性土,其值的變化介于6.18~9.49,說明登封市不同區(qū)域內(nèi)土壤pH值存在一定的差異.其pH值的標準差為0.65,變異系數(shù)為8.80%,說明登封市土壤pH值屬于弱變異,人為因素對其貢獻率較小.
通過SPSS 20.0軟件統(tǒng)計分析,計算登封市城市土壤重金屬各元素含量與土壤pH之間的相關系數(shù)(表3).由表3可知,pH值與Pb、Cr、Cu均屬于正相關,與Zn和Mn屬于負相關;土壤pH值與Pb與相關系數(shù)為0.425,屬于顯著線性相關,與Cr、Cu、Zn、Mn均屬于弱線性相關,說明登封市城市土壤中Pb的活性受到pH值的影響最大,與其他元素相比,土壤對Pb的吸附容量受到土壤酸堿度的影響較大.
表3 登封市土壤重金屬元素與pH值的相關系數(shù)
運用單因子指數(shù)法,對登封市城市土壤中Pb、Zn、Cu、Mn、Cr各元素進行污染評價(表4)[9].整體來看,登封市城市土壤重金屬污染較輕.Cu、Pb、Zn的污染指數(shù)分別為2.67、1.56和1.28,屬于輕度污染;Cr的污染指數(shù)為1.00,存在有潛在污染;而Mn元素未出現(xiàn)污染,其污染指數(shù)為0.74.
表4 登封市城市土壤重金屬單因子污染指數(shù)統(tǒng)計結果
通過計算內(nèi)梅羅綜合指數(shù),采用定量的方法對登封市城市土壤重金屬污染進行綜合評價(表5)[10].從整體上看,登封市城市土壤的總體污染指數(shù)為2.15,為中度污染.具體來看,不同土地利用的污染特征如下:交通、商業(yè)、農(nóng)業(yè)用地和荒地四種用地類型的污染指數(shù)分別是2.63、2.52、2.55、2.33,均屬于中度污染.這可能與汽車尾氣排放、垃圾的處理不當或肥料的施放有關.重金屬對農(nóng)業(yè)用地的污染可能危害到糧食安全,進而危害人類身體健康,應受到人類的足夠重視.市政文教、公園綠地、居住用地的污染指數(shù)分別是1.72、1.97、1.78,均屬于輕度污染,所以,該區(qū)內(nèi)的重金屬可能源于土壤母質(zhì),而人為因素加劇土壤污染.由此可見,登封市城市土壤的重金屬污染與機動車尾氣排放、人類垃圾處理不當?shù)刃袨槊芮邢嚓P.
對研究區(qū)內(nèi)52個土壤樣品進行內(nèi)梅羅綜合指數(shù)統(tǒng)計表明:清潔樣品和警戒樣品的數(shù)量均為0,52%的樣品屬輕度污染,33%的樣品屬中度污染,15%的樣品屬重度污染.因此,登封市城市土壤重金屬污染較輕,但局部地區(qū)污染嚴重,應予以重視.
表5 登封市城市土壤重金屬綜合污染評價結果
為研究登封市土壤重金屬污染特征,通過對Pb、Zn、Cu、Mn、Cr五種元素進行描述性統(tǒng)計,元素間相關分析,土壤重金屬與pH值相關性分析,并結合單因子指數(shù)和內(nèi)梅羅指數(shù)對研究區(qū)土壤實施評價,得出以下結論:
(1)登封市城市土壤的重金屬Pb、Zn、Cu、Mn、Cr這五種元素的平均值分別為30.73、85.05、46.36、406.60、62.44 mg·kg-1,均屬于中等變異,其土壤pH的平均值為7.40,屬于中性土,變異系數(shù)為8.80%,屬于弱變異.
(2)Cr可能與Pb、Zn、Cu有相同來源,Pb與Zn可能為相同來源,Mn與其他元素來源一致性可能較小.通過對pH值與重金屬元素的相關分析發(fā)現(xiàn),土壤對Pb的吸附容量受到土壤酸堿度的影響較大.
(3)與其他元素相比,Cu的污染指數(shù)最高,污染最嚴重,其污染指數(shù)排序為Cu>Zn>Pb>Cr>Mn.七種用地類型中,交通用地的污染最為嚴重;市政文教用地污染最輕.
從整體上看,在登封市城市的七種不同用地類型中,交通用地的污染最為嚴重;五種重金屬元素中Cu的污染最為嚴重,在登封市未來的發(fā)展過程中,應加強對交通用地的管理,提倡市民多使用自行車、公共汽車或新能源汽車;同時,增加城市公共設施和衛(wèi)生設施,減少由于人類對垃圾處理不當而形成的土壤污染;提高市民素質(zhì),增強市民環(huán)保意識,逐步改善登封市城市的土壤環(huán)境質(zhì)量.