城市中不同功能区土壤重金属含量的环境质量评价

卢培虎?许继影?葛祝时?李子卓?刘传宁?左常海

摘 要：为掌握城市不同功能区土壤重金属的空间分布规律，以宿州市为例，考虑市区环境复杂性，将其划分为政务新区、经济开发区、老城居民区、北关工业聚集区四个不同功能区，布置39个采样点。样品测试结果表明，检测的Cu、Pb、Zn、Cd、Ni、Cr、Hg、As这8种重金属元素的含量分别超出安徽省背景值246.35%、44.15%、31.76%、342.86%、43.6%、37.78%、580%和75.62%。从地质累积指数角度评判来看，宿州市政务新区与经济开发区的污染较轻，老城居民区和北关工业聚集区污染较重，与交通车流量、居住时间和工业发展关系密切。

关键词：土壤重金属;不同功能区;地质累积指数

中图分类号：X833;X825文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）05-0132-06

Abstract： In order to understand the spatial distribution of soil heavy metals in different functional areas of the city， taking Suzhou City as an example， considering the complexity of urban environment， it was divided into four functional areas， namely new administrative area， economic development zone， residential area of old city and Beiguan industrial agglomeration area， with 39 sampling points. The results showed that the contents of Cu， Pb， Zn， CD， Ni， Cr， Hg and as exceeded the background values of Anhui Province by 246.35%， 44.15%， 31.76%， 342.86%， 43.6%， 37.78%， 580% and 75.62%， respectively. From the perspective of geological accumulation index， the pollution in the new government area and economic development zone in suzhou was relatively light， while the pollution in the old residential area and the industrial gathering area in beiguan was relatively heavy， which was closely related to the carflow and industrial development.

Keywords： heavy metals in soil;different functional areas;geologic accumulation index

土壤是人类赖以生存的自然環境。随着工业的快速发展、城市污染的加剧，我国土壤重金属污染日益严重。土壤中的有害重金属被称为“化学定时炸弹”，积累到一定程度，不仅会导致土壤退化，而且会通过径流、淋失的作用，污染地表水和地下水，恶化水文环境，并且可能会直接危害植物或通过食物链危害人体健康。因此，土壤重金属污染及其由此产生的后果已经成为全球关注的重大问题。

在此背景下，大量关于城市土壤重金属污染状况的研究得以展开。研究成果主要应用于土壤重金属污染评价及环境修复方面。李芳、钱秋芳通过对重金属物理和化学性质的研究，从物理、生物、化学三个方面提出了土壤重金属污染的修复措施，并指明了各项措施的优缺点，对土壤重金属的治理具有重要意义[1];杨颖丽、高晓霞、李琼等选取兰州市的两条交通干道北滨河路和安宁东西路，对公路旁土壤和绿化植物叶片中的Cr、Cu、Zn、Pb、Mn、Ni、Fe、Ca等元素的分布特征及其潜在的生态风险进行分析[2];王鹏等采用修正的BCR法对北京某主干道两侧土壤中重金属存在的形态进行分析，指出了土壤重金属总量分布规律对存在形态的分布特征有重要影响，各种形态的量随着总量的增加而增加[3]。

本文选取的研究地点为宿州市埇桥区。该区为宿州市经济中心，交通发达，车流量多。建筑物、居民区、公园等多沿路而建，区内包含老城区和新兴城区，功能划分为政务新区、经济开发区、老城居民区、北关工业聚集区，各功能区内的土壤被重金属污染，势必会对市区绿化、居民生活质量造成不良影响。因此，对该区的环境质量进行评价尤为必要。虽然近年来对城市土壤重金属的研究报告很多，但重点分析城市功能区土壤重金属污染的研究报告较少。基于此，本文借助全球定位系统（Global Positioning System，GPS）等分析技术，研究城市功能区土壤重金属含量的空间分布规律，对研究范围内的土壤重金属污染进行科学分析和客观评价。

1 样品采集与测试

1.1 研究区概况

宿州位于安徽省最北部，与苏、鲁、豫3省11个市县接壤，是淮海经济协作区的核心城市之一，也是安徽省距离出海口最近的城市。京沪高铁途经，省道国道交汇，交通路线复杂，人口密集。

1.2 采样点布置

本次共布置了39个采样点，采样点主要布置在宿州市区主干道附近。点位1—8位于汴河路东侧延长线上。点位17、25、33、36位于城区东侧的港口路、宿固路上;点位18—22位于城区南侧的迎宾大道;点位12、13、23位于城区西侧的拂晓大道;点位28—31位于城区北侧，这4条线路从4个方位完整地将城区环绕一圈。点位9、10、11、14、15、16、24、27、28、29、30较均匀地散布于市区内部。点位37—39沿汇源大道分布在汴河两岸。采点分布兼顾了政务新区、经济开发区、老城居民区、北关工业聚集区。在商贸城、医院、汽车站、火车站、公园等可能造成土壤污染的区域均布置了采点。具体的采样点分布如图1所示。

在39个采样点中，每个采样点分8个采样单元，道路两侧各4个采样单元，相邻两个采样单元间隔约为10 m，采样点间隔约为1 000 m。

1.3 样品处理方法

用四分法保留样品1 kg。将所有采样点的样品摊在塑料布上，除去杂质，将大块的样品粉碎，混匀，摊成圆形，中间画十字分成4份，然后对角线去掉两份，若样品还多，将样品再混合均匀，再反复进行四分法，保留500 g作为测试样品。

过筛、装袋。在样品处理阶段，将各个采样点的样品用玛瑙研钵充分研碎，然后用200目的尼龙筛筛一遍。筛过的土样装入密封袋，贴标签。需要注意的是，每次处理样品前，使用过的尼龙筛、研钵均要清洗干净，玛瑙研钵用酒精擦拭一遍，确保样品不会受污染。

压制样片。将土样和硼酸依次缓慢倒入压片模具中，模具预置好后放入液压机中压制成片。开始压片前，摇动液压机手柄直至刻度表的内圈数字达到10 Ma以上，接着静置1 min左右。最后，取片。取样片时注意手不要触碰到样品土样一面。完成一个样片后注意及时用酒精清洗模具，避免污染之后的样片。

测试。测试时，将样片放入仪器中，点击电脑桌面的测试仪器软件，开始测试。测试所使用的仪器为RXF荧光光谱仪，该仪器采用物理方法测量重金属含量，测试速度快，综合效率高。RXF荧光光谱仪测得的重金属元素有Cu、Pb、Zn、Cd、Ni、Cr、Hg、As。各样品测试结果如表1和表2所示。

由表可知：在所测得的8种重金属元素中，含量最多的是Zn元素，含量平均值为97.94 mg·kg-1，含量范围为56.93～259.40 mg·kg-1;含量最少的是Cd元素，含量平均值为0.31 mg·kg-1，含量范围为0.15～0.39 mg·kg-1;其余元素含量平均值由大到小依次是Cu元素含量平均值为69.34 mg·kg-1，含量范围为30.81～114.65 mg·kg-1，Cr元素含量平均值为62.33 mg·kg-1，含量范围为47.00～153.27 mg·kg-1，Pb元素含量平均值为38.04 mg·kg-1，含量范围为30.06～64.62 mg·kg-1，Ni元素含量平均值为33.66 mg·kg-1，含量范围为9.37～53.23 mg·kg-1，As元素含量平均值为15.70 mg·kg-1，含量范围为11.31～25.72 mg·kg-1，Hg元素含量平均值为0.34 mg·kg-1，含量范围为0.29～0.57 mg·kg-1。

Zn的变异系数最大，达到了52%;Ni和Cu的变异系数仅次于Ni，分别为35%和32%。这3个元素的变异系数远大于剩余元素，剩余5种元素的变异系数均小于30%。变异系数最小的是Cd，为12%。变异系数的分析并不能直接代表污染状况，污染与否还需要具体结合其他条件进行分析。变异系数大说明重金属分布差异大，受人为工业因素影响的可能性越大;反之，则说明分布差异小，受人为工业污染的可能性较小。

Cu、Pb和Zn的元素含量超过了宿州土壤背景值，其余元素部分采点所测数据超过了安徽省土壤背景值。若超过了安徽省土壤背景值，则说明在本省环境分析中，该元素属于污染范畴，超过背景值越多，污染越严重。

2 交通干道沿线土壤重金属分布及其来源分析

所有元素的指标均超过了安徽土壤背景值，其中Cu超标的空间范围广，但Pb超标幅度并不高且较均匀，而Zn超标幅度偏高且较不均匀。Cu、Cd、Pb和Zn各有97%，95%，67%和33%的采样点的数据超过了土壤环境质量一级标准。Ni基本低于土壤环境质量一级标准，Cr仅有1个采样点超标，As全部低于环境质量一级标准，处在正常状态。所以对Cu、Pb、Zn、Cd作进一步研究分析，各元素分布如图2、图3、图4、图5所示。由图可知，Cu元素主要分布在矿区附近，Pb分布于火车站附近，Zn分布于加油站周边，Cd主要分布于市区交通干线。

Cu、Pb、Zn、Cd作为主要的重金属污染元素，其来源分析如下。

①Cu的污染来源主要是铜锌矿的开采和冶炼、金属加工、机械制造、钢铁生产等。冶炼排放的烟尘是大气铜污染的主要来源，含铜淝水灌溉农田会使铜在土壤和农作物中累积。铜是生命所必需的微量元素，但过量的铜对人和植物都有害。土壤中正常含铜量为2～200 mg·kg-1。中国土壤含铜量是3～300 mg·kg-1，平均值为22 mg·kg-1。铜可在土壤中富集并被农作物吸收。在靠近铜冶炼厂附近的土壤，含有高浓度的铜。岩石风化和含铜废水灌溉均可使铜在土壤中积累并长期保留。德意志联邦共和国一些铜冶炼厂附近，土壤含铜量为正常土壤的3～232倍。在铜污染的土壤上生长的植物，含铜量为正常植物的33～50倍。灌溉以及硫酸铜杀虫剂等农药的使用也使一部分铜进入土壤中。

②汽车尾气是环境中Pb污染的主要污染源之一[4]。据估计，75%的Pb会以颗粒态的形式随汽车尾气进入环境。自1999年《车用无铅汽油国家标准》（GB 17930—1999）实施后（车用汽油含Pb量应低于或等于0.005 g·L-1），汽车尾气Pb排放量有所改观。使用无铅汽油后，全国汽车尾气对大气中Pb颗粒物的贡献率均有所降低。但是，在交通运输中，Pb除了曾被大量用于汽油外，还作为合金元素、電器电子材料等用于发动机零件、电池电极等汽车部位。当轮胎、刹车片等零部件与路面发生摩擦时，会产生重金属颗粒物，通过粉尘的自然沉降和地面径流逐渐造成周边土壤中重金属的累积。

宿州Pb元素在火车站附近含量最高，为64～66 mg·kg-1。这主要是因为该区域车流量较大，交通堵塞严重。火车站广场及周边区域车辆停放数量多、时间长，车辆尾气排放量大。市区西北和市区南部Pb富集程度较低。市区西北部有大型湿地公园，植被覆盖程度好，自然净化功能强。市区南部多为文教区及新建的开发区，车流量较少，开发时间较短，尚未构成污染。

③Zn广泛用于橡胶加工，用以提高橡胶制品的抗氧化性能，延长使用寿命。同时，车辆所使用的润滑油中也含有锌盐等抗氧化剂。机动车轮胎磨损、机油的使用和机械磨损是交通干道锌污染的重要来源。

宿州的Zn污染高值区位于加油站周边，含量为250～260 mg·kg-1，加油站附近车流量很大，同时，加油站东侧有个交叉路口，道路通畅度不佳，车辆磨损加剧。

④Cd的主要污染源[5]是电镀、采矿、冶炼、染料、电池和化学工业等排放的废水。相当数量的镉通过废气、废水、废渣排入环境，造成污染。宿州Cd元素主要富集在市区的交通干线，含量为0.39～0.40 mg·kg-1，主要原因是汽车尾气排放、轮胎及车辆镀金部分磨损以及燃料和润滑油的泄漏释放大量Cd，通过大气沉降，直接影响交通路旁土壤的重金属浓度。

3 数据分析方法

地质累积指数是对沉积物中重金属污染程度进行评价的指数，其表达式如下：

式中，[Igeo]为地质累积指数;[BEn]为基线浓度;[Cn]为样品中元素n的浓度;修正指数通常取1.5。地質累积指数可分为7个级别，不同的级别分别代表不同的重金属污染程度（见表3）。

地质累积指数测试结果如表4所示。

由表4可知，依据地质累积指数污染等级的划分，Cu、Zn、Ni的中等及以上污染率分别为69%、13%、77%，Cu、Ni的污染率分别为100%、92%。Pb、Zn、Cd、Cr、Hg、As基本无污染。

若从地质累积指数角度评判宿州市重金属污染情况，会发现Pb、Zn、Zn、Cd、Ni、Cr、Hg和As的污染程度虽主要介于无污染到中度污染之间，但仍然不能忽视。部分地区的元素富集导致污染，说明人类活动对土壤的环境质量具有较大的影响。宿州市的发展较全国范围内还是比较落后的，今后的发展仍需要注意重金属污染问题。

综上所述，宿州市市区范围内的污染情况普遍比郊区严重。交通发达，车辆通行密集的地方污染比较严重;老城区污染严重，新城区污染较低。人流疏密、交通疏密、工业发展情况和植被湿地覆盖情况等因素也直接影响污染情况。

4 结论和建议

4.1 结论

①宿州市总体污染情况较好，重金属主要富集在老城居民区和北关工业聚集区，主要受人为和工业影响严重，而政务新区和经济开发区的重金属含量则比较低。

②以地质累积指数作为评价手段，在所测得的8种重金属元素中，Cu、Zn、Ni的污染范围较广。Cu和Ni的部分测点污染程度达到了中等以上，Zn基本处于初级污染程度，其余元素基本处于无污染。但仍需加强防范，避免因高速发展而忽略重金属污染的防治。

4.2 建议

为了解决土壤污染问题，政府可采取以下措施：第一，化学处理，即化学稳定固化，添加重金属稳化剂，形成的固化物质在环境条件改变的情况下，也可抑制污染物质的再次溶出扩散;第二，工程治理，主要采取添加无污染土、污染土壤转移或将污染表土移去等措施;第三，生物治理，可采用微生物修复技术[7]，利用生物某些习性来抑制和改良重金属污染。此外，还要

加强污染防治宣传教育，推广新能源的使用，减少汽车尾气和重工业污水的排放。

参考文献：

[1]李芳，钱秋芳.土壤重金属污染研究进展[J].安徽农学通报，2011（10）：80-82，202.

[2]杨颖丽，李琼，马婷，等.兰州市交通干道土壤重金属污染及其对植物的影响[J].兰州大学学报（自然科学版），2017（5）：664-670.

[3]王鹏，贾学秀，涂明，等.北京某道路外侧土壤重金属形态特征与污染评价[J].环境科学与技术，2012（6）：165-172.

[4]朱梦杰，汤琳，刘丹青.交通干道沿线土壤重金属监测与评估综述[J].中国环境监测，2015（3）：84-91

[5]陈为峰，孙其远，宋希亮，等.不同城市功能区绿地土壤重金属分布及其生态风险评价[J].水土保持研究，2019（3）：148-153.

[6]高杨，许东升，李琦.宿州市表层土壤重金属元素环境地球化学基线研究[J].地球与环境，2018（5）：444-450.

[7]戴士博，赵晶琳，秦磊.重金属污染治理的环境保护优化策略探讨[J].环境与发展，2019（7）：34，36.