合肥市生态园区土壤重金属空间差异分析及生态风险评价

张嘉晖，李卫华，伍昌年，黄木易

(安徽建筑大学 环境与能源工程学院，安徽 合肥 230601)

0 引言

在环境污染类型中，重金属的污染尤为严重且难被治理[1]。过量摄入重金属会对健康产生潜在的负面影响，如过量摄入Pb可能会导致人体的智力下降，在严重情况下还会损害人脑；过量的Zn、Cd、Cu将会导致内分泌失调等问题，甚至会损害人的呼吸系统[2]。由参考研究可知，受到污染的超标点位在我国土壤中达到了16.1%，我国西南和东南地区内土壤重金属的污染较为严重[3]。可见，我国土壤环境的整体质量堪忧，土壤重金属的污染在部分地区较为严重。因此，对土壤污染的研究，特别是研究土壤重金属污染的问题，国内学者应当引起重视[4]。国内外学者已对土壤重金属污染问题进行了研究。如Djordje[5]对塞尔维亚铜冶炼厂周围重金属元素进行研究分析得到，Cu、Mn和Cd 含量分别达到 2540 mg·kg-1、1300 mg·kg-1和6 mg·kg-1，严重超过土壤质量标准。Kerstin[6]对德国东南部维尔斯河上游平原周围的土壤调查显示，Pb含量较高，超出了土壤标准值。如杨硕等[7]发现农田土壤里的Pb主要来自大气尘埃，Hg则是来自农药，调查研究的地点位于河北曹妃甸的当地农田；刘红斌等[8]研究发现太原市周边地区5种重金属中，被人为活动影响明显的重金属有Cd、Cr、Pb和Hg，污染评价的结果表明，研究区污染情况较为严重，已达到重度污染。土壤重金属直接关系到人体健康和生态食物安全，为了能更好地发展生态园产业和利用城市核心区周边的土地，有必要对本地区土壤重金属含量情况进行调查和评价。

本文选择合肥市大圩生态园的土壤为研究对象。经过野外采样得到一批土壤样品，首先，对土壤重金属的含量在室内进行了分析测定与统计，其次，采用潜在生态危害指数法对大圩生态园进行生态风险评价，并采用主成分分析以及GIS技术分析了土壤中各重金属元素之间的相关性和空间分布特征[9-10]。最后，将就生态园土壤重金属污染物的来源以及驱动力进行深入解析，为合肥市生态园的环境污染治理和生态风险评价提供科学指导[11]。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

大圩生态园东临南淝河，北濒巢湖，位于合肥市东南，距离主城区约10 km，年平均气温约16.5℃，年平均降雨量约1000 mm，土壤主要以菜园土为主，土壤熟化高，土壤类型以黄色粘土为主。

1.2 样品采集

土壤样品的采集是按照《土壤环境监测技术规范》的要求，随机的在大圩生态园种植区内选择某个有种植园的区域作为采样区域。在采样区域里，用梅花布点法取共75个采样点，然后对生态园地表层土(0～20 cm)周边取样土，取得的样土混合均匀后放入土壤样品袋中。采集的样品自然风干后，研磨且筛过100目尼龙筛，密封保存待测。在合肥市生态园区进行采样，样品采集多在大圩采摘果园地区，采样点位见图1。

图1 研究区采样点示意

1.3 样品处理分析方法

用赛默飞世尔科技公司产的XL-3t960型手持式XRF元素分析仪来测定土壤样品中含量较大的Cr、Mn，分析仪可适应-10°C～50°C 的环境温度，检出限的范围在1～20 mg·kg－1。每个样品重复测3次，每次的测量时间为1 min，并且认为精确测得的数据是在变异系数为15%以内的。含量较低的Cu、Zn、Cd、Pb，采样区得到土壤样品后，在适宜条件下进行风干，干燥后，将土壤样品用研钵研磨并通过100目的尼龙网将其过筛。碾碎样品后，将其充分混合，取0.1 g研磨之后的样品对其进行硝化处理。硝化的过程中使用逆王水，并通过微波消解仪加热，能将样品中的硝酸盐和其它各种形态物质基本溶解掉，使各种元素变为游离态。最后将样品中的元素用Perkinlimer公司产的Optima 8000型电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP)进行测量。

1.4 数据处理分析方法

Hakanson建立了一套评价重金属潜在生态危害的方法，即潜在生态危害指数法，它从沉积学的角度出发，根据周围环境特点以及重金属的性质[12]。重金属的潜在生态风险单项因子的计算公式[13]如式(1)：

本评价采用的是合肥市土壤背景值算术平均值[14]，式中为某重金属的毒性系数，Ci为重金属含量，为参考值。且多个重金属的之和即为重金属的综合生态风险指数RI：

2 结果与分析

2.1 重金属元素在表层土壤中的统计描述

大圩研究区内土壤样品重金属元素含量采用如下5个统计指标进行初步的分析统计：最大值、平均值、最小值、变异系数、标准差，结果见表1。

表 1 显示了土壤样品重金属 Cu、Cd、Mn、Zn、Pb、Cr 的平均含量分别为 30.93、3.55、334.35、48.64、19.81、72.41 mg·kg-1，表 1 列出的 6 种元素中，Mn、Zn、Pb的含量低于中国土壤背景值。Cu平均浓度为30.93 mg·kg-1，高于中国土壤背景值Cu的浓度 22.6 mg·kg-1，Cd 的平均浓度为 3.55 mg·kg-1，高于中国土壤背景Cd的浓度0.097 mg·kg-1，Cr平均浓度为72.41 mg·kg-1，高于中国土壤背景值Cr的浓度61 mg·kg-1。上述重金属含量均高于《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)二级标准，可能是该生态园采样区内农业生产、道路交通等人为原因较多。每个采样点的平均变异程度即为变异系数，主要表示为此类金属元素受到人为影响的程度，即变异系数大的这些元素的分布可能会受到更多的人为影响因素，而变异系数较小的元素主要基于局部背景含量[15]。且研究区内的6种金属元素变异程度平均值依次为：Cd＞Mn＞Cu＞Zn＞Pb＞Cr。从初步分析变异系数可知，Cd、Mn、Cu可能受到较为明显的人为影响。以上结果表明，大圩生态园地表颗粒物中已经出现一定程度的重金属富集现象，其中Cd的富集程度最严重。大圩生态园作为合肥著名的生态旅游景区，交通运输业和旅游业发达，人流量大，旅游观光车辆多，可能是导致颗粒物重金属富集的主要原因。

表1 土壤中重金属元素含量的参数统计 (mg·kg-1)

2.2 重金属潜在生态风险评价

目前用于估量重金属元素与生态环境的主要生态风险方法为Hakanson潜在生态风险指数法[16]。研究区域内单项生态风险因子和多个重金属元素的生态风险综合指数RI如表2所示。合肥市土壤重金属元素背景值作为分析的参比值，研究区土壤中 Cu、Cd、Mn、Zn、Pb、Cr合肥市土壤背景值分别为 28、0.06、777、60、26、83 mg·kg-1。大圩生态园内土壤重金属的潜在生态风险因子如表3所示，分析单个金属元素可知，Cd元素的平均潜在生态风险因子大于320，属于极高生态风险。Cu、Mn、Zn、Pb、Cr的平均潜在生态风险因子分别为5.52、17.21、0.81、3.81、1.74 均小于 40，因此这五类元素危害均为轻微，危害程度依次为通过多个重金属元素的分析，得到研究区域内重金属的综合生态风险指数平均值为141.9，属于低生态风险。分析结果表明研究区范围内潜在风险的总体水平处于轻微污染，

2.3 土壤重金属元素的主成分分析

人类的活动和成土母质是土壤重金属的主要来源，主成分分析可以有效的确定重金属元素的污染源[17]。在通过上述的相关分析后，得到大部分重金属元素之间存在着显著的相关性，且KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)检验统计值为0.784，表明主成分分析得到的结果具有统计意义。通过表4与表5中土壤重金属含量的分析结果，可以得知对前2个主成分进行分析后，即能得到大部分信息有关于所测得6种重金属的数据量。分析污染来源时，同一污染源之间可能会存在一定的相关性。

由表 4可知，第一主成分(F1)贡献率为43.49%，Cu、Cr、Pb在主成分因子1中占有较高的载荷。这3种元素中Cu、Cr的平均值均明显超过了合肥市土壤背景值，且Cu、Cr、Pb两两之间存在极显著相关，分析判断出主成分1中这3种重金属可能受到相同的污染源影响。研究区域内的公路所引起的污染可能是它们的主要来源，一些研究得知，汽车尾气、轮胎磨损、刹车磨损以及汽车的润滑剂可能是土壤重金属的重要来源[18]。因此，第一主成分主要被认为是交通运输的等人为影响。

表2 Hakanson潜在生态危害指标与分级关系

表3 采样区土壤重金属潜在生态风险指数

第二主成分(F2)的贡献率为19.59%，Mn、Zn、Cd在主成分因子2中占有较大的载荷。Mn、Zn这2种元素的平均值均未超过合肥市土壤背景值，早期研究得出的结论认为Mn和Zn在土壤表层的含量受人为活动影响较小，主要是受成土母质或母岩的风化等自然源的影响[19]。这类金属受外环境影响较小，因此，第二主成分主要被认为是成土母质等自然因素的影响。

表4 重金属主成分分析结果

表5 土壤重金属主成分荷载分析

2.4 土壤重金属空间分布特征

由合肥市大圩生态园75个采样点为基础，再通过反距离权重插值方法对6种重金属进行插值，可以很直观地得到6种重金属元素的分布情况(图2)。

从图2可知，研究区中各个重金属元素空间分布还是有明显差异的，高值区主要分布呈岛状。Mn高值区主要分布在研究区的北部，Zn高值区分布在研究区的西北部，次高值区分布在研究区的北部，Cd、Cr高值区主要分布在研究区的东北与东南部；Cu高值区主要分布在研究区南部、西北部以及东部；Pb高值区主要分布在研究区的西北部与东南部。综上所述，各重金属高值区多数分布在研究区偏北部区域，其次为东南部区域。

3 结论与讨论

(1)研究区土壤中 Cu、Cd、Mn、Zn、Pb 和 Cr的平均含量分别为 30.93、3.55、334.35、48.64、19.81、72.41 mg·kg-1。其中Cd、Cu含量高于合肥的土壤背景值，与《土壤环境质量标准》(GB 15618-1995)相比较，Cu、Cr、Cd 存在不同程度的超标，Cd 超标率最高，生态园土壤受到不同程度的重金属污染。

(2)与合肥市土壤重金属背景值相比，研究区的重金属含量没有体现出明显的累积，总体含量偏低，呈轻度污染；Cu、Mn、Zn、Pb、Cr的平均潜在生态风险指数分别为 5.52、17.21、0.81、3.81、1.74，生态危害程度均为轻微；但Cd元素的平均潜在生态风险因子大于80，属于较高生态风险，是研究区重金属污染防治的重点。

图2 研究区土壤重金属插值图

(3)通过主成分分析和反距离权重插值法显示，研究区核心范围的土壤中重金属的富集具有一定的分布特性，其受施用化肥、农药等农业活动与人类活动影响明显。Mn、Zn的主要富集地区为研究区的北部，Cr、Cd的含量突出地区均处于研究区的东南和南部，Cu的含量突出地区为研究区的西北部与南部，Pb的含量突出地区处于研究区的西部，东南部。

本文通过研究区的野外采样和室内分析，基于风险评价、空间分析等方法对大圩生态园区土壤重金属含量、生态风险及空间分布特征进行了分析。后期将继续加强生态园区的外围采样，并与研究区核心范围采样做深入对比，将就生态园土壤重金属污染物的来源以及驱动力进行深入解析。同时，将进一步加强生态园区农产品中的重金属与土壤重金属含量的相关性分析，为生态园区的污染治理和绿色生态经济发展提供调控与管理决策依据。