天津市某校园土壤中重金属污染研究及其评价

盛红坤，徐泽，王佳楠，李国东，张晨

(南开大学滨海学院，天津 300270)

土壤是人类赖以生存的物质基础，在维持生态平衡中具有重要作用[1]。由于工业、农业等生产活动造成土壤重金属污染，据统计2009年环保部接报的有12起重金属污染事件，致使4 035人血铅超标，182人镉超标，引发32起群体事件[2]。已有大量研究表明，土壤中重金属污染会影响人类的健康，包括影响消化、心血管和中枢神经系统，对生物具有致癌、致畸及致突变效应，甚至会带来严重的社会问题[3-4]。

校园是学生生活学习的重要场所，土壤环境对学生的身心健康影响极大，而近年来针对工业区附近的校园土壤重金属污染的研究较少。本文以天津市滨海新区某高校土壤为研究对象，使用火焰原子吸收光谱法，测定土壤中Cu、Zn、Pb、Cd、Cr五种重金属的含量，采用单因子评价法、综合指数法、潜在生态风险评价法对其进行评价，以期为滨海新区土壤生态风险预警和重金属污染防治提供科学依据[5]。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

硝酸、氢氟酸、盐酸、高氯酸均为优级纯；重金属标准储备液,天津市环境保护总局标准样品研究所。

AA-6300型原子吸收分光光度计;SY-2恒温沙浴锅。

1.2 土壤样品的采集与处理

本研究共设置7个采样点，均匀分布于全校区，分别以P1～P7编号，包括景观用地、荒地、商业区、教学区、生活区等，囊括了校园所有区域，能够科学地反映校园的整体情况。具体采样点分布见表1。

表1 采样地分布表Table 1 Distribution of sampling sites

每个采样地分别采集表层(0～10 cm)和(20～30 cm)土样各1份。采用五点交叉取样法取样，每层采样地取1 kg，每个土样按照4分法组成混合样品，装入样品密封袋。在实验室，先将土样中的碎石和植物残体捡出，自然风干后分别放入烘箱，在75 ℃ 下烘至恒重，用玛瑙研钵研磨，使其全部通过80目筛，置于干燥器中备用。

1.3 样品消解与测定方法

土壤pH值按照土水比1∶25采用电位法测定。土壤中Cu和Zn采用GB/T 17138标准方法测定，Pb和Cd采用GB/T 17141标准方法测定，Cr采用GB/T 17137标准方法测定。样品采用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸消解后，用火焰原子吸收分光光度法测定各金属元素的浓度(AA-6300，日本)。在测定过程中，所有玻璃器皿均在20%硝酸溶液中浸泡过夜后经超纯水洗净使用，所有样品均平行检测3次，取平均值。

1.4 评价方法

评价方法采用单因子指数法、内梅罗综合指数法和潜在生态风险评价方法。

1.4.1 单因子指数法 单因子指数法是针对土壤中单个因子进行污染评价的方法[6]。方法如下：

Pi=Ci/Si

式中,Pi为单因子i的污染指数，Ci为实测浓度，Si为参照值。等级划分指标见表2。

表2 单因子指数等级划分指标Table 2 The grades of single factor index

1.4.2 内梅罗综合指数法 内梅罗综合指数是衡量区域性综合污染状况的指标[7]，公式如下：

表3 内梅罗综合指数等级划分标准Table 3 The grades of Nemerow synthesis index

1.4.3 潜在生态风险评价方法 潜在生态风险指数法是一种从沉积学的角度，与生态学、重金属毒理学、地球化学等学科相结合而提出的土壤污染物评价方法[8-10]，计算公式为：

表4 潜在生态风险指数等级划分指标Table 4 The grades of potential ecological risk index

2 结果与讨论

2.1 土壤pH值

土壤的pH值会影响土壤的理化性质以及重金属的形态和活性[12]。由于本区域临近渤海湾，随着时间的演化以及工业的发展，本区域大部分的土壤演变成了盐碱地，本研究采集的14个土壤样品pH值均在8.55～9.71，因此该校园的土壤整体呈碱性，也印证了本校园的本土是盐碱土。

2.2 土壤重金属含量与分布

表5列出了校园各土壤采样点5种重金属的含量。由表1可知，校园土壤Cd含量较低，其它4种重金属的含量较高。其中Cu、Pb、Cd含量的平均值分别为24.38，28.47，0.40 mg/kg低于国家建设用地第一类用地的筛选值[13]，说明土壤中这3种重金属对人体健康的风险可以忽略。

表5 样品测定结果Table 5 Table of sample test results

与天津市土壤背景值[14]相比，土壤样品中5种重金属的最大含量都超过了土壤背景值，但是Cu、Cr的平均含量低于背景值，另外3种重金属的平均含量高于天津市土壤背景值，由此可知，这5种重金属元素在采样区土壤上有一定程度的积累，特别是Zn、Pb和Cd的平均浓度为天津土壤背景值的2.16，1.4，4.6倍，表明人类活动和工业发展已经导致了此区域土壤的重金属含量升高，并以Zn、Pb的累积效应较大，而Cd的累积效应最大。

2.3 土壤重金属污染评价

2.3.1 单因子评价法 以天津市土壤背景值为标准，待测校园各取样点土壤中Cu，Zn，Pb，Cd，Cr 5种重金属元素的平均含量及单因子污染指数见表6。

表6 校园土壤中重金属元素的平均含量及单因子污染指数Table 6 The average content and single factor pollution index of heavy metals in campus soil

该校园土壤重金属Zn、Pb、Cd的污染指数平均值均>1，说明此区域土壤受到了这3种重金属的污染，Cd的单因子污染指数最高，说明Cd污染最严重，而Zn的污染指数>2，属于中度污染。Pb、Cr、Cu的污染指数相对较低，都在1左右徘徊，属于轻度污染或者清洁。校园土壤重金属污染程度次序为：Cd>Zn>Pb>Cu>Cr。

2.3.2 内梅罗综合指数法 由综合污染指数法评价可得，所有取样点的综合污染指数>1，说明校园各取样点土壤均发生重金属污染。

表7 校园土壤重金属综合污染指数及其污染程度Table 7 Nemerow composite pollution index and pollution degree of heavy metals in campus soil

并且P1、P3、P7取样点的综合污染指数均>3，属于重度污染程度，其他取样点P4、P5、P6综合污染指数也都在2～3，说明P4、P5、P6的污染程度是中度污染程度，P2的综合污染指数为1.66属于轻度污染。

表8 学校各取样点及RI值Table 8 Soil heavy metal ecological hazard ecaluation index in campus

3 结论

(1)研究区域的校园土壤重金属Zn、Pb和Cd含量的平均值均超过了天津市土壤背景值，呈现了不同程度的积累，且Cd的积累效应最大。Cu、Pb、Cd元素均未超过国家建设用地第一类用地的标准，说明对人体健康的风险可以忽略。

(2)重金属Cd和Zn的污染分指数较高，基于天津市土壤背景值进行评价，重金属污染程度顺序为：Cd>Zn>Pb>Cu>Cr。

(3)所有取样点的综合污染指数>1，说明校园各取样点土壤均发生重金属污染。P1点的综合污染指数最高，原因可能是取样点距离工业园区和公路较近有关。

(4)从重金属潜在风险评估指数来看，P1点的生态风险等级为重，其余取样点土壤重金属污染的潜在风险处于中等或者低水平，而镉元素对土壤潜在风险贡献最大。