南京市不同背景值下表土重金屬污染特性分析

徐士杰，劉亞楠，徐秋男，朱亞婷，王偉杰

(南京林業大學土木工程學院，南京210037)

土壤是人類安身立命之本，不管是在城市還是農村。生活在城市里的人口不斷增加，對土壤的作用也越來越明顯，土壤反作用于人類產生的影響越來越受到重視［1-2］。城市土壤是城市生態系統的重要組成部分，城市化進程所產生的污染物可以在一定程度上被土壤容納、緩沖和凈化，但過分的污染(尤其是重金屬污染)則會通過該生態系統危害人類自身［3-4］。例如土壤細顆粒中富集的重金屬Pb可以通過受污染的城市土壤揚塵危害人體健康，尤其可能會造成兒童血Pb含量升高［5］。重金屬污染對人類造成的威脅已不容小覷，研究重金屬污染規律和治理辦法已成為一個全球討論的熱點［6-10］。

本研究選取南京市區，在紫金山風景區、鎖金村、經濟技術開發區、朱莊公路樞紐四個區域布點取樣，分別對應城市休閑區、居民區、工業區和交通區4大功能區。通過測定土壤樣品中Zn、Cd、Cr、Pb、Ni的含量，采用單因子指數法和內梅羅指數法，在不同背景值下，對不同功能區的污染情況進行評價，探討不同功能區表土重金屬污染特性，以期為城市土壤重金屬污染的治理提供依據。

1 材料與方法

1．1 樣品的布點與采集

樣品采集時間為2014年3月～6月，均在晴朗無風的天氣情況下進行。每個功能區樣點均勻布設，根據實際情況采用棋盤法和蛇形法布點，每個樣點在1 m2內均布取3次樣混合到一起作為一個樣品，用專用取土器取樣，取樣深度20 cm，并對每個點進行GPS定位。每個功能區取樣30個，共120個樣。每個樣品約重500 g，裝于聚乙烯袋中，自然風干后用瑪瑙研缽研磨，過200目篩后，樣品裝入聚乙烯自封袋中備用。

1．2 功能區選擇

按照城市休閑區、居民區、工業區和交通區四種功能區，選擇紫金山風景區、鎖金村、經濟技術開發區和朱莊公路樞紐作為代表區域。

紫金山風景區，位于南京市玄武區。主峰海拔448．9 m，周圍約30 km，是全國重點風景名勝區，國家5A級風景區中山陵園風景區，位于紫金山南麓，是城市休閑區的典型代表。樣品采集區選擇在紫金山麓的中山陵景區，具有典型的代表意義。

鎖金村地處南京市主城區東北部，西臨玄武湖，南依紫金山，建設于八十年代，真正核心區域僅2 km2左右。該村建筑以居民樓、學校、社區便利店和中小型餐飲店為主，是南京市典型的居民區。

南京經濟技術開發區位于南京市棲霞區，是中國國家級開發區十強，國家生態工業示范園區，是長三角區域經濟的重要組成部分，是南京重要的石化、汽車、電子、建材工業區和企業、資金、人才、技術密集區，是典型的工業區。樣品采集區以戴莫爾金屬廠區為中心。

朱莊公路樞紐位于南京仙林，行車量大，行車速度快，是重要的交通樞紐，具有代表性。采樣點分布于綠化帶中，采樣方便。

1．3 樣品的測定

土壤樣品用微波消解儀消解處理后，利用英國進口的Optimal-2100DV電感耦合等離子體發射光譜儀精確測量樣品中重金屬Zn、Cd、Cr、Pb、Ni的含量。用Excel軟件處理所得數據，計算污染指數。

1．4 評價方法

1．4．1 單因子指數法(Single factor index)

單因子指數法是常用的評價方法，常用于評價土壤、大氣和水的重金屬污染。計算公式如下:

式中:Pi為污染物單因子指數;Ci為實測濃度，mg/kg;Si為土壤環境背景值，mg/kg。其中，Pi≥1表示受到污染;Pi＜1表示未受污染;Pi數值越大，表示污染越嚴重。

單項污染分級指標見表1。

表1 單因子污染指數分級Tab．1 Classification standards of single factor pollution index

1．4．2 內梅羅(Nemerow index)綜合指數法

內梅羅綜合指數法(Nemerow index)是基于單因子污染指數得出綜合污染指數的方法，廣泛用于評價土壤重金屬污染，其計算公式為:

式中:PN為內梅羅綜合污染指數;Pmax為所有元素污染指數中最大值;Pave為所有元素污染指數的平均值。

污染等級按照土壤污染指數評價分級標準表進行區分，見表2。

表2 土壤內梅羅污染指數評價分級標準Tab．2 Classification standard of soil pollution evaluation index

1．5 評價標準

本次研究以南京市土壤元素背景值和國家土壤環境質量標準為不同評價標準，以此來反映特定區域的差異性［13］。南京市土壤元素背景值為中國科學院土壤背景協作組在1979年測定所得［14］。四個功能區均與居民生活息息相關，因此土壤條件應滿足保障居民健康生活的基本要求，故采用對應ph值的國家土壤環境質量二級標準［15］。其中，紫金山風景區為自然風景區，土壤質量要求本應更高，但考慮到紫金山風景區處于人口密度大的市區，受人類活動影響大，有別于遠離人煙的自然山區，采用二級標準更合理。

2 結果與分析

采用單因子指數法和內梅羅綜合污染指數法，在不同背景值下，對四個功能區表層土壤重金屬污染情況進行評價［12］。

2．1 單因子指數法評價結果

各功能區土壤重金屬含量統計與污染評價見表3和表4，其中表3以南京市土壤元素背景值為評價標準，表4以國家土壤環境質量二級標準為評價標準。

表3 以南京市土壤元素背景值為評價標準各功能區表土重金屬含量統計與污染評價值Tab．3 Statistic and evaluation of heavy metal pollution in topsoil in each urban functional area on the basis of soil element background values in Nanjing

表4 以國家土壤環境質量二級標準為評價標準各功能區表土重金屬含量統計與污染評價值Tab．4 Statistic and evaluation of heavy metal pollution in topsoil in each urban functional area on the basis of national secondary soil environmental quality standard

由表3可知，鎖金村居民區土壤中重金屬鎘的污染指數為195．939 9，達到重金屬重度污染程度，遠超臨界值;重金屬鉛的污染指數為4．307 2，同為重度污染;鋅的污染指數為2．271，達到中度污染水平;而鎳和鉻的污染指數在輕度污染范圍內。各元素污染程度大小順序為:鎘，鉛，鋅，鎳，鉻。

紫金山風景區土壤中重金屬鎘濃度遠超背景值，為超重度污染;鉛的平均濃度值為其背景值的4．867 3倍，二者均為重度污染;鋅的平均濃度為其背景值的2．685 4倍，為中度污染;鎳的平均濃度為其背景值的1．853 5倍，鉻平均濃度僅略微超過其背景值，二者均為輕度污染。各元素污染程度大小順序為:鎘，鉛，鋅，鎳，鉻。

朱莊公路樞紐區土壤中重金屬鎘和鉛的平均濃度也遠超其背景值，二者均為重度污染水平;鎳、鋅、鉻的污染指數均在輕度污染范圍。各元素污染程度大小順序為:鎘，鉛，鎳，鋅，鉻。

經濟技術開發區土壤中重金屬鎘和鉛的平均濃度均遠高于其背景值，為重度污染;鋅和鎳的平均濃度略高于其背景值，為輕度污染;鉻的平均濃度未超過其背景值，尚無污染。各元素污染程度大小順序為:鎘，鉛，鎳，鋅，鉻。

由表4結果顯示，鎖金村居民區土壤中重金屬鎘遠超背景值，為重度污染;鎳的平均濃度為其背景值的1．651 4倍，為輕度污染;鋅、鉻、鉛的平均濃度均未超過其背景值，尚無污染。各元素污染程度大小順序為:鎘，鎳，鋅，鉻，鉛。

紫金山風景區土壤中重金屬鎘污染指數非常高，為重度污染;鎳和鋅的平均濃度略高于背景值，為輕度污染;鉛和鉻的平均濃度均在安全范圍內，尚無污染。各元素污染程度大小順序為:鎘，鎳，鋅，鉛，鉻。

朱莊公路樞紐土壤中重金屬鎘為重度污染;鎳的平均濃度是背景值的1．7356倍，為輕度污染;鋅、鉻、鉛的平均濃度均比背景值小，尚無污染。各元素污染程度大小順序為:鎘，鎳，鋅，鉻，鉛。

經濟技術開發區土壤中重金屬鎘的平均濃度是背景值的111．144 2倍，為重度污染;鎳的平均濃度略高于其背景值，為輕度污染;鋅、鉻、鉛的平均濃度在其背景值之內，尚清潔。各元素污染程度大小順序為:鎘，鎳，鋅，鉛，鉻。

在以南京市土壤元素背景值和國家土壤環境質量標準為評價標準的前提下，重金屬鎘均存在重度污染，且指數遠超背景值，四個功能區的污染指數從大到小依次為:紫金山風景區，鎖金村居民區，經濟技術開發區，朱莊公路樞紐。以南京市土壤元素背景值為評價標準，重金屬鉛在四個功能區均達到重度污染水平。重金屬鎳在四個功能區均屬于輕度污染。鉻除了在經濟技術開發區無污染外，在其余三個功能區均為輕度污染。鎖金村居民區和紫金山風景區存在鋅中度污染，另外兩個功能區存在鋅輕度污染。以國家土壤環境質量標準為背景值的評價結果顯示，四個功能區均存在鎳輕度污染;重金屬鉻和鉛在4個功能區均無污染;紫金山風景區存在鋅輕度污染，另外三個功能區無重金屬污染。

2．2 內梅羅指數法評價結果

單因子指數法評價結果反映了各功能區各重金屬元素的單一污染程度，通常為了評價某區域多種重金屬元素的綜合污染程度，需要用內梅羅指數法進一步評價。其結果見表5和表6，分別對應南京市土壤元素背景值和國家土壤環境質量二級標準。

表5 以南京市土壤元素背景值為評價標準各功能區表土重金屬污染內梅羅指數評價值Tab．5 Nemerow index value of heavy metal pollution in topsoil in each function area on the basis of soil element background values in Nanjing

表6 以國家土壤環境質量二級標準為評價標準南京市各功能區表土重金屬污染的內梅羅指數評價值Tab．6 Nemerow index value of heavy metal pollution in topsoil in each function area in Nanjing on the basis of national secondary soil environmental quality standard

由表5和表6可知，鎖金村居民區、紫金山風景區、朱莊公路樞紐和經濟技術開發區均存在重金屬鎘重度污染，因此四個功能區的內梅羅指數遠遠超過分界值，均存在重金屬重度污染，污染程度大小順序為:紫金山風景區、鎖金村居民區、經濟技術開發區、朱莊公路樞紐。

內梅羅指數法在評價過程中利用了土壤中重金屬元素、鉻、鎳、鉛、鋅的單項平均污染指數和最大污染指數，全面評判土壤中重金屬的綜合污染程度，同時可以判斷其中重金屬元素鎘的污染程度對整體環境質量評價的影響。由于鎘的污染指數遠大于其他重金屬，在內梅羅指數評價過程中所占權重過大，導致整體結果以鎘為導向。以表5評價結果為例，若不考慮重金屬鎘，四個功能區內梅羅指數分別為 3．912 8，3．371 5，3．484 9，3．143 5，雖依然在重度污染范圍，但污染程度低很多。另外，除了鎘污染外，鉛污染是導致內梅羅指數大于3的主要因素，因此，本次研究結果應引起我們對鎘污染和鉛污染的高度重視。

3 結論與討論

3．1 結 論

(1)單因子指數法所得結果表明，無論在何種背景值下，各功能區均存在鎘(Cd)重度污染和鎳(Ni)輕度污染，其中鎘(Cd)的污染屬于超重污染，這與余愛華［16］等對南京土壤重金屬污染的研究結果吻合。傳統認為鎘污染主要通過兩種形式:一是工業廢氣中的Cd隨風擴散沉降;一是工業廢水的排放。南京作為一個典型的工業城市，雖然近些年加大污染的控制和治理力度，但前期的冶煉、電池、電鍍等工業廢氣廢水排放，導致各功能區鎘和鉛累積短時間內無法徹底清除，治理土壤重金屬污染任重而道遠。

(2)內梅羅指數法所得結果顯示，在兩種背景值下，各功能區綜合污染均為重度，這與鎘元素超重度污染有很大關系，綜合污染程度由大到小依次為:紫金山風景區、鎖金村居民區、經濟技術開發區、朱莊公路樞紐。該污染特征與徐銘焓［17］等的研究結果有很大差別，原因可能是因為布點區域不同，且采樣點沒有完全覆蓋整個功能區導致土壤重金屬濃度上的差別。

3．2 討 論

由于南京市土壤元素背景值比國家二級標準小很多，這就使得評價結果有明顯差異。以國家土壤環境質量標準為背景值所得結果顯示，除紫金山風景區存在鋅輕度污染外，其他功能區鋅、鉻和鉛元素均無污染，土壤質量良好;而在南京市土壤元素背景值下，鋅、鉻和鉛則普遍存在輕度到重度污染，土壤污染形勢則較嚴峻。而土壤重金屬到底污染到何種程度，對居民生活的影響有多深刻，根據兩種評價結果，不能很好地做出判斷，因此研究并制定新的評價標準，并輔以潛在危害系數法補充評價很有必要。

本次研究從評價結果上看，各功能區雖然污染程度有差別，但總體并沒有很明顯的區域特征，比如紫金山風景區的各個重金屬污染程度甚至高于其他功能區，經濟技術開發區作為工業區污染程度反而較輕，四個功能區呈現污染特征相似性。造成此結果的原因可能是污染源反復隨空氣擴散、沉降，使各個功能區的污染物長期互相干擾，導致各功能區污染情況有相通性。因此還需要對研究區的大氣和地表植物進行重金屬污染監測并做進一步研究。

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