福州市土壤重金属污染现状评价与分析

陈 雯，龙 翔，王宁涛，刘 慧（.中国地质调查局武汉地质调查中心，湖北　武汉43005；.中国地质大学（武汉）环境学院，湖北武汉430074）

福州市土壤重金属污染现状评价与分析

陈 雯1，龙 翔2，王宁涛1，刘 慧1
（1.中国地质调查局武汉地质调查中心，湖北武汉430205；2.中国地质大学（武汉）环境学院，湖北武汉430074）

通过在福州市城区进行现场调查采样与测试分析，研究了该地区0～20 cm表层土壤中5种典型重金属的累积状况，并采用污染指数法对土壤的重金属污染状况进行了评价。结果表明:参照福建省土壤背景值，福州市城区土壤中Hg、Cd、Pb积累明显，分别超过土壤背景值的183.95%、177.78%、55.19%；单项污染指数评价结果显示，Hg污染最严重，Cr污染最小；综合污染指数评价结果显示，福州市城区各功能区综合污染指数大小排序为工业区＞交通区＞居住区＞公园区，且均属于重度污染。

城市土壤；重金属；污染评价；福州市

城市化、工业化迅猛发展是城市土壤重金属污染的重要来源。城市人口密集，重金属来源复杂，工业、交通、生活、采矿等人类活动导致大量重金属直接或间接进入土壤环境，使得土壤重金属污染及危害日益突出。土壤环境作为城市环境的重要组成部分，与人体健康息息相关。重金属可通过口摄入、鼻吸入、皮肤接触等多种途径进入人体，并在人体内富集，危害人体健康；还可通过污染水和大气环境等间接破坏城市生态环境和危害人体健康。在城市化进程不断推进的今天，城市土壤重金属污染现状评价已成为实现经济社会可持续发展的一个重要方面。由于重金属在土壤中具有隐蔽性、长期性和不可逆性，且不易降解、污染难以恢复及后果严重，被科学界喻为“化学定时炸弹”［1-3］，因而在世界范围内受到广泛关注［4-10］。我国学者在南京、广州、上海、成都、香港等主要城市开展了土壤重金属污染相关的研究工作［11-21］，研究表明我国城市土壤已普遍受到不同程度的重金属污染。

福州市作为福建省的省会城市，是福建省城市化水平最高、人口最密集、经济最发达的区域，已成为以电子信息、汽车、冶金、纺织等支柱产业为主的新兴工业基地，但城市化、工业化迅速发展的同时，也给福州市城市环境带来新的挑战，尤其是受到人为干扰极大的土壤环境。为此，本文以福州市为例，开展城市土壤中Hg、As、Cd、Cr、Pb5种重金属污染现状评价，研究结果为合理利用和保护福州市土壤资源、保障城市居民身体健康、加强土壤重金属污染监控和预防、改善和提高城市环境质量提供参考和科学依据。

1　研究区概况

福州市位于我国东南沿海，福建省东部，闽江下游，东经118°23′～120°31′，北纬25°15′～26°39′，占地面积为11 968 km2，2012年全市常住人口达728万人。福州市下辖5区（鼓楼、台江、仓山、马尾、晋安）、6县（闽侯、连江、罗源、闽清、永泰、平潭）、2个县级市（福清、长乐）和1个经济区（琅岐）。该地区属亚热带海洋气候，常年气候温和，雨量充沛，素有福海宝地美誉。土壤类型主要有红壤和水稻土，呈酸性。

福州市交通网络四通八达，水、陆、空交通十分便利，福州港已被列为国家沿海20个主枢纽港之一。改革开放30多年以来，福州市以电子信息、汽车、冶金、纺织等支柱产业为主，已形成了电子信息、机械制造、纺织服装、轻工食品、冶金建材、新材料及能源等产业集群发展的工业体系。

2　材料与方法

2.1样品采集及测试方法

本次野外研究工作根据福州市土壤的分布情况，以城区为中心，环城由近及远设定土壤采样点，并根据《区域地球化学勘查规范》（DZ/T0167—95），结合城区土地利用方式及人类活动特点，在5大城区的交通区、工业区、居住区和公园区4种典型功能区中采集0～20 cm表层土壤样品。为保证土样测试的真实准确，采用多点混合采样法，即在同一采样单元取15～20个样点随机采集0～20 cm表层土壤，然后用四分法取舍，就地混合成1个样品，总计表层土壤取样60个。采样点用GPS定位，每个土壤样品采样约1.0 kg，并装入洁净无污染的聚乙烯塑料袋中，带回实验室内自然风干，除去植物残体和砾石，粉碎，过20目尼龙筛（0.84 mm），装入密封袋，待测。

As和Hg含量采用HCl-HNO3消解，原子荧光光谱法测定；Cd和Pb含量采用HNO3-HClO4-HE消解，石墨炉原子吸收分光光度法测定；Cr含量采用火焰原子光度法测定。测定过程严格按照规范要求进行质量控制，以保证数据准确可靠。

2.2数据处理方法

本文采用SPSS19.0和EXCEL2010软件对数据进行分析与处理。

2.3评价方法和评价标准

本次研究采用单项污染指数法和综合污染指数法对研究区土壤重金属污染进行评价。土壤重金属污染评价标准依据陈振金等1992年在《福建省土壤元素背景值及其特征》中公布的福建省土壤重金属元素背景值［22］（见表1）。所有采样点土壤p H值均在4.3～7.5范围内，总体偏酸性。

表1　福建省土壤重金属元素背景值（mg/kg）Table 1 Background values of heavy metal elementsin soils of Eujian Province（mg/kg）

单项污染指数法计算公式为

式中:Pi为土壤中污染物i的污染指数；Ci为调查点污染物i的实测浓度（mg/kg）；Si为污染物i的评价标准（mg/kg）。

综合污染指数法采用内梅罗计算公式:

式中:P综为土壤综合污染指数；max Pi为污染物i污染指数最大值为污染物i污染指数的算术平均值。

结合研究区实际情况和土壤环境技术规范［23］，确定了土壤重金属污染程度分级标准，见表2。

表2　土壤重金属污染程度分级标准Table 2 The classification standards for heavy metals of soil

3　结果与分析

3.1福州市城区表层土壤重金属分布特征

3.1.1土壤重金属含量分析

经过样品处理和测试分析后，对福州市城区土壤中5种重金属元素在表层土壤中的含量进行了统计分析，其结果见表3。由表3可以看出:表层土壤中Hg的平均含量为0.23 mg/kg，变化范围为0.01～4.73 mg/kg；As的平均含量为5.83 mg/kg，变化范围为1.33～18.45 mg/kg；Cd的平均含量为0.15 mg/kg，变化范围为0.01～1.06 mg/kg；Cr的平均含量为37.56 mg/kg，变化范围为12.9～70.8 mg/kg；Pb的平均含量为54.16 mg/kg，变化范围为18.3～158.7 mg/kg。可见，福州市城区土壤的重金属平均含量相对福建省土壤背景值是较高的，除了重金属Cr的平均含量低于其土壤背景值外，其他重金属元素含量均已超过土壤背景值。其中，重金属Hg、As、Cd、Cr、Pb含量的最大值更是远远超过福建省土壤背景值，表明福州市城区表层土壤中5种重金属均有外源物质的进入，并存在一定积累；重金属Hg、As、Cd、Pb的平均含量分别超过福建省土壤背景值的183.95%、1.00%、177.78%、55.19%，且超标最严重的为Hg，其次为Cd，而重金属Cr的平均含量低于土壤背景值，无明显积累。福建省城区土壤中重金属的主要来源有工业生产、交通运输、固体废弃物堆放等。

表3　福州市城区土壤重金属元素含量统计（mg/kg）Table 3 Descriptive statistics of heavy metal element concentrations in the soil of urban area in Euzhou City（mg/kg）

变异系数是反映统计数据离散程度的参数，可以从一定程度上反映某元素的分布与均一状况。变异系数越大，数据波动越大，说明受到外界的影响越大。福州市城区土壤中重金属分布的不均一性主要与工业生产、交通排放等有关。比较5种重金属元素的变异系数，从大到小依次为Hg＞Cd＞As＞Pb ＞Cr，其中Hg的变异系数最大，表明重金属Hg在福州市城区土壤中的分布最不均匀，受人为活动的干扰比其他4种重金属强烈得多，其原因可能是城区土壤中Hg因人为活动带来的污染源种类比其他重金属更广泛；Cr的变异系数最小，说明福州市城区土壤中重金属元素Cr分布的均一性最好。

3.1.2土壤重金属元素含量相关性分析

研究土壤中重金属含量的相关性可以推测重金属来源是否相同。一般而言，如果重金属含量间有显著的相关性，说明其很可能具有相同的来源。本文应用SPSS19.0软件对福州市城区土壤中5种重金属元素含量进行相关性分析，其结果见表4。由表4可见:福州市城区土壤中各种重金属元素含量间普遍存在相关性，其中，Pb与Cd、Hg的相关系数分别为0.619、0.553，达到显著正相关水平，表明Cd、Pb、Hg来自相同的污染源，呈现复合污染的可能性较大，这些污染元素主要来源于人类活动的输入，可能与工业“三废”的排放等相关；其他重金属元素含量间相关性不显著，这可能与各地区不同类型土壤母质存在差异有关。

表4　福州市城区土壤重金属元素含量相关性分析Table 4 Correlation analysis of heavy metal element concentrations in the soil of urban area in Euzhou City

3.1.3各功能区土壤重金属积累特征

通过对比分析福州市工业区、交通区、居住区、公园区4大不同功能区土壤中重金属的平均含量，结果显示不同功能区土壤重金属含量存在差异。图1为福州市城区不同功能区土壤各重金属单项污染指数。由图1可见:福州市交通区土壤中重金属元素除Cr的平均含量未超出福建省土壤背景值外，其他重金属元素Hg、Pb、Cd和As的平均含量均超过土壤背景值，其平均含量分别为0.88 mg/kg、80.62 mg/kg、0.27 mg/kg、6.36 mg/kg，分别为相应土壤背景值的10.86倍、2.31倍、5倍和1.10倍，说明福州市交通区土壤中重金属积累明显；与交通区土壤相比，工业区土壤中也是仅有重金属Cr的平均含量低于其背景值，其他Hg、Pb、Cd和As的平均含量分别为1.92 mg/kg、100.52 mg/kg、0.34 mg/kg、8.44 mg/kg，分别为相应土壤背景值的23.70倍、2.88倍、6.30倍和1.46倍，对比分析表明工业区土壤中重金属积累更为突出；公园区土壤中Hg、Pb、Cd和As的平均含量分别为0.63 mg/kg、69.45 mg/kg、0.19 mg/kg、7.28 mg/kg，分别为相应土壤背景值的7.76倍、1.99倍、3.52倍和1.26倍，且Cr的平均含量低于土壤背景值，说明除了As以外，公园区土壤中重金属积累状况远不如交通区和工业区突出；居住区土壤中Cr的平均含量低于土壤背景值，但Hg、Pb、Cd和As含量分别为0.71 mg/kg、74.34 mg/kg、0.52 mg/kg和7.69 mg/kg，均超出土壤背景值，分别为相应土壤背景值的8.82倍、2.13倍、4.56倍和1.33倍，除了As以外，居住区土壤中重金属积累均低于交通区和工业区，而高于公园区。

综上分析可知，福州市城区表层土壤中Hg、Pb 和Cd的含量在交通区、工业区这两类功能区中积累明显，其中Hg的积累量突出，可能与电子工业废弃物排放、煤炭及石油燃烧、工业废气大气沉降等过程产生的Hg有关；Cd的来源与工业发展密切相关，主要来源于电子信息、机械制造、冶金建材等工业的排放，还可能与汽车尾气的排放、含有Cd的轮胎与道路摩擦产生的粉尘相关；交通区、居住区土壤中Pb含量可能与含Pb汽油的使用和汽车尾气的排放息息相关，而工业区土壤中Pb含量较高可能与当地工业排放含Pb废物以及矿山开采冶炼有关。

图1　福州市不同功能区土壤重金属单项污染指数Eig.1 Single contamination index of heavy metals in soils of different function areas of Euzhou City

3.2福州市城区表层土壤重金属污染评价

根据单项污染指数法和综合污染指数法（内罗梅计算公式）得出福州市城区不同功能区土壤中Hg、As、Cd、Cr、Pb 5种重金属污染评价结果，见表5。由表5可见:福州市各功能区重金属综合污染指数P综均大于5.91，表明重金属在福州市城区表层土壤中已有一定程度的积累，且各功能区均达到重度污染水平；全市的平均重金属综合污染指数P综为10.38，总体上处于重度污染水平。总体上看，福州市城区土壤环境质量已经远远超出了福建省土壤环境背景值，需要高度重视。

各功能区不同的土地利用方式，对土壤中重金属含量的影响显著。公园区、工业区、交通区、居住区P综值分别为5.91、6.76、8.71和18.52，各功能区重金属综合污染指数P综值的排序为工业区＞交通区＞居住区＞公园区。各功能区P综值的大小差异主要取决于人类活动干扰程度的差异。其中，工业区由于工业“三废”的排放，受到的污染最为严重；交通区的污染则与福州市城市化过程中交通流量不断增大、物流行业的蓬勃发展有关；居住区作为居民生活区，主要受到生活垃圾、污水的影响，随着人口的增加，居住区受到的影响也越来越大；公园距离市中心相对较远，受到的工业和交通污染的影响最小，但公园作为城市中重要的休闲娱乐场所，每天接待游客数量众多，其表土环境显得尤为重要，尤其对儿童和老年人的健康有重大影响，目前公园区土壤已受到重度污染，应引起相关部门的重视。

表5　福州市不同功能区土壤中重金属污染评价结果Table5 Pollution indices of heavy metals in soils of different function areas of Euzhou City based on soil environment background values in Eujian

从福州市全部土壤来看（见表5），Hg的单项污染指数最大，达到13.30，为重度污染；其次是Cd，单项污染指数为4.91，为重度污染；Pb、As、Cr的单项污染指数分别为2.36、1.29、0.91，其中Pb为中度污染，As为轻度污染，Cr为警戒级。

此外，通过对比分析各采样点重金属综合污染指数发现，评价结果与Hg的空间变异特征具有明显的相似性，这表明Hg对研究区土壤重金属污染的贡献率极大，是福州市城区表层土壤重金属污染的最主要控制因子。

4　结 论

（1）福州市城区表层土壤中Hg、As、Cd、Cr、Pb的平均含量分别为0.23 mg/kg、5.83 mg/kg、0.15 mg/kg、37.56 mg/kg、54.16 mg/kg，除了Cr以外，Hg、As、Cd、Pb的平均含量均超过福建省土壤背景值，其含量分别为土壤背景值的2.84倍、1.01倍、2.78倍、1.55倍，超标最严重的为Hg，其次为Cd。

（2）对福州市城区表层土壤中5种重金属元素含量间相关性分析表明:Cd与Pb、Hg达到显著正相关，表明Cd、Pb、Hg来自相同的污染源，呈现复合污染的可能性较大；其他重金属元素含量之间相关性不明显，这可能与各地区不同类型土壤母质存在差异有关。

（3）综合污染指数法评价结果显示，福州市各功能区重金属综合污染指数的排序为工业区＞交通区＞居住区＞公园区，各功能区均属于重度污染。

（4）Hg元素是福州市城区表层土壤重金属污染最关键的控制因子。

［1］Staglini W M，Doelman P，Salomons W，et al.Chemical time bombs:Predicting the unpredictable［J］.Environment，1991，33 （4）:4-30.

［2］Konstern C J M，Termeulensmidt G R B，Stigliani W M，et al. Summary of the workshop on delayed effects of chemical in soils and sediments（chemical time bombs）with emphasis on the Scandinavian region［J］.Applied Geochemistry，1993，12:295-299.

［3］谢学锦.“化学定时炸弹”与可持续发展——早日制定治理延缓性地球化学灾害的长期战略［J］.中国青年科技，2000（11）:32-35.

［4］Mantad D S，Angelone M，Bellanga A，et al.Heavy metal in urban soil:A case study from the city of Palermo（Sicily），Italy ［J］.The Science of the Total Environment，2002，300（1/2/3）: 229-243.

［5］De Kimple C R，Morel J L.Urban soil management:A growing concern［J］.Soil Sciences，2000，165（1）:31-40

［6］Chou H T，Kim K W，Kim J，et al.Metal contamination of soils and dusts in Seoul metropolitan city，Korea［J］.Environment Geochemistry Health，1995，17（3）:139-146

［7］Imperato M，Adamo P，Naimo D.Spatial distribution of heavy metals in urban soils of Naples city（Italy）［J］.Environmental Pollution，2003，124（2）:247-256.

［8］Bityukova L，Shogenova A，Birke M.Urban Gchemistry:A study of element distribution in the soils of Tanllinn（Estonia）［J］.Environmental Geochemistry and Health，2000，22（2）:173-193.

［9］Pichtel J，Sawyerr H T，Czarnowska K.Spatial and temporal distribution of metals in soils of Warsaw，Poland［J］.Environmental Pollution，1997，98（2）:169-174.

［10］卢瑛，龚子同，张甘霖，等.南京城市土壤重金属含量及其影响因素［J］.应用生态学报，2004，15（1）:123-126.

［11］卓文珊，唐建锋，管东生.广州市城区土壤重金属空间分布特征及其污染评价［J］.中山大学学报（自然科学版），2009，48（4）: 47-51.

［12］陈同斌，黄铭洪，黄焕忠，等.香港土壤中的重金属含量及其污染现状［J］.地理学报，1997，52（3）:228-236.

［13］孟飞，刘敏，候立军，等.上海中心城区地表灰尘与土壤中重金属累积及污染评价［J］.华东师范大学学报（自然科学版），2007 （4）:56-63.

［14］施泽明，倪师军，张成江，等.成都市城市土壤中重金属的现状评价［J］.成都理工大学学报（自然科学版），2005，32，（4）:391-395.

［15］息朝庄，戴塔根，黄丹艳.湖南株洲市土壤重金属分布特征及污染评价［J］.中国地质，2008，35（3）:524-530.

［16］赵翠翠，南忠仁，王胜利，等.兰州市主城区土壤重金属空间分布特征及污染评价［J］.城市环境与城市生态，2010，23（3）:5-8.

［17］刘绍贵，张桃林，王兴祥，等.南昌市城郊表层土壤重金属污染特征研究［J］.土壤通报，2010，41（2）:463-466.

［18］邢新丽，周爱国，梁合诚，等.南昌市土壤环境质量评价［J］.贵州地质，2005，22（3）:171-175.

［19］古德宁，李立平，邢维芹，等.郑州市城市土壤重金属分布和土壤质量评价［J］.土壤通报，2009，40（4）:921-925.

［20］张久明，迟凤琴，宿庆瑞，等.哈尔滨市城市土壤重金属空间分布特征及相关分析［J］.东北农业大学学报，2010，41（7）:56-61.

［21］陈振金，陈春秀，刘用清，等.福建省土壤元素背景值及其特征［J］.中国环境监测，1992，8（3）:107-110.

［22］HJ/T 166—2004 土壤环境监测技术规范［S］.

Pollution Evaluation and Analysis of Heavy Metals in Soils of Fuzhou City

CHEN Wen1，LONG Xiang2，WANG Ningtao1，LIU Hui1
（1.Wuhan Center of Geological Survey，China Geological Survey，Wuhan 430205，China；2.School of Environmental Studies，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

The accumulation characteristics of Hg，As，Cd，Cr and Pb in 0～20 cm topsoil are studied by means of field sampling and laboratory detection from urban districts in Euzhou City，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 Eujian Province.The results show that the concentrations of Hg，Cd and Pb in urban topsoil accumulate significantly，and their average contents exceed corresponding standard levels by 183.95%，177.78%and 55.19%respectively，with the comparison to the concentrations of soil elements in Eujian 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 Cr pollution is the least serious.Comprehensive contamination index evaluation results show that the sort of soil pollution index in functional areas are:industrial urban area＞transportation district＞residential area＞park district.The residential area，park district，transportation district and industrial urban area are all severely polluted.

urban soil；heavy metals；pollution evaluation；Euzhou City

X825

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.05.012

1671-1556（2015）05-0068-05

2015-03-09

2015-07-10

陈 雯（1985—），女，工程师，主要从事环境地质与水文地质方面的研究。E-mail:382500864@qq.com

王宁涛（1982—），男，硕士，助理研究员，主要人事水工环地质调查工作。E-mail:wnt113@126.com