包頭市不同功能區土壤重金屬污染評價

張連科, 張花娟, 黃學敏, 李玉梅, 孫 鵬, 姚衛華

(1.西安建筑科技大學 環境與市政工程學院, 西安 710055; 2.內蒙古科技大學能源與環境學院, 內蒙古 包頭 014010)

?

包頭市不同功能區土壤重金屬污染評價

張連科1,2, 張花娟2, 黃學敏1, 李玉梅2, 孫 鵬2, 姚衛華2

(1.西安建筑科技大學 環境與市政工程學院, 西安 710055; 2.內蒙古科技大學能源與環境學院, 內蒙古 包頭 014010)

為了解包頭市城市土壤重金屬污染狀況，將包頭市城區土壤按使用功能不同進行分區，采其表層土壤進行重金屬含量的測定，并用地累積指數法、內梅羅綜合污染指數法和潛在生態風險指數法對其進行評價。結果表明：重金屬元素除Cr外，包頭市各功能區土壤Pb，Zn，Cu和Cd含量均已超過本地區自然土壤重金屬元素含量的平均值；地累積指數法顯示城區土壤中Pb和Cd為中度污染，其他重金屬為輕度污染或者無污染；內梅羅污染指數法顯示工業區、商業區和科教區均呈重度污染，居民區和城市綠地為中度污染；包頭市城市土壤整體處于“中等”潛在生態風險危害水平，這需要引起相關部門的注意。

包頭; 功能區; 土壤重金屬; 污染評價

重金屬是典型的土壤污染物，因其具有隱蔽、難降解、移動性差和易被富集等特性，且可通過大氣、水體或食物鏈直接或間接地進入人體，使人體產生慢性中毒甚至“三致”效應[1-2]，已引起了社會和學術界的廣泛關注[3]。

重金屬污染是指由鉛、鎘、汞、鉻和類金屬砷等生物毒性顯著的金屬及有一定毒性的鋅、銅、鎳、鈷等元素所引起的污染[4]。與自然土壤相比，城市土壤受到人類活動的影響強烈，土地利用狀況、人類干擾程度及與污染源距離的不同使得各城市土壤重金屬的來源、分布不同；同一城市不同功能區甚至同一功能區重金屬含量也可能存在顯著差異[5-8]。研究表明我國局部區域已經受到很嚴重的土壤重金屬污染[9]。

包頭是國務院首批確定的十三個較大城市之一，是中國少數民族地區建設最早的工業城市，是國家重要的基礎工業基地，擁有涵蓋稀土、鋼鐵制造、冶金、機械制造及軍工等多項支柱產業。包頭市工業迅猛發展的同時，以各種形式排放的重金屬對周邊環境帶來巨大威脅，個別地區甚至出現了農田耕種功能喪失，居民骨質疏松、半身不遂乃至癌癥等地方病多發現象。為此，很多學者開始關注和開展有關包頭市重金屬污染土壤的相關研究，目前多集中于對農田、郊區、工企業周邊和礦區等區域土壤重金屬污染狀況的調查及評價，對包頭市各功能區的總體研究則極為少見[10-16]。本研究從土壤利用方式出發，將包頭市城區土壤劃分為城市綠地、居民區、科教區、商業區、工業區5大功能區，共采集土壤樣品88個，分析土壤樣品中Cu，Zn，Pb，Cd，Cr的含量，并利用地累積指數法、內梅羅綜合污染指數法和潛在生態風險指數法對研究區域土壤重金屬的污染狀況進行評價，利用相關性分析解析包頭市土壤重金屬的可能來源，以期為包頭市城市土壤環境的保護及土地資源的合理和可持續利用提供一定依據。

1　材料與方法

1.1研究區概況

包頭地處內蒙古自治區西部，地理坐標為東經109°50＂—111°25＂、北緯41°20＂—42°40＂，總面積為27 691 km2，平均海拔1 125 m，屬半干旱中溫帶大陸性季風氣候，全年平均氣溫為7.2℃，年平均風速1.2 m/s，年降水總量421.8 mm，年日照時數2 882.2 h。全市常住人口276.6萬人，其中市區人口226.8萬人。包頭市礦產資源豐富，是自治區制造業、工業中心，是呼包銀經濟帶、呼包鄂城市群的中心城市，是中國重要的基礎工業基地和全球輕稀土產業中心，被譽稱“草原鋼城”、“稀土之都”。

1.2樣品采集及測試

2014年10—11月，在包頭市昆都侖區、東河區、九原區、青山區按照一定的路線和隨機多點混合原則，采用GPS定位，采集地表0—20 cm的土壤樣品，每個樣品均由臨近相同類型的5個點的土壤樣品均勻混合而成，每個采樣點采集土壤樣品不少于1 kg，保存于聚乙烯塑料袋中，并注明采樣日期、采樣地點等。其中城市綠地、居民區、科教區、商業區、工業區分別布設21，22，7，8，30個采樣點，共88個采樣點。土壤樣品在室內自然風干后，剔除植物殘體、碎石，經研磨過20目和100目尼龍篩后裝入聚乙烯塑料袋中保存待測。為防止人為因素影響，樣品采集、混合、粉碎、研磨、裝袋等處理過程均采用木頭、塑料、瑪瑙等用具，避免與金屬接觸。

土壤樣品進行消解后，采用石墨爐原子吸收分光光度法(美國賽默飛公司AA800型)對Cd，Pb(GB/T17141—1997)含量進行測定，采用火焰原子吸收分光光度法對Cu，Zn(GB/T17138—1997)和Cr(HJ491—2009)含量進行測定。試驗所用Cu，Zn，Pb，Cr，Cd的混合標準液購于國家物質研究中心、其他藥品均為優級純，所用玻璃器皿和塑料器皿均用10%優質純硝酸浸泡24 h，然后用超純水洗滌，試驗過程中所用。消解過程中均設置空白樣品，分析過程中均加入國家標準土壤參比物質(GSS-1)進行質量控制。

1.3數據處理與分析

1.3.1多元統計分析對得到的數據進行均值、標準差、范圍、變異系數等描述性統計，然后采用相關性分析對重金屬來源進行解析。以上統計分析均利用SPSS 19.0和Excel 2003進行。

1.3.2地累積指數法地累積指數法是德國海德堡大學的Muller 教授于1969年提出的一種用于研究沉積物中重金屬污染程度的定量指標，近年來被國內外學者應用于土壤重金屬污染的評價，并取得了較好的效果。其計算公式如下：

(1)

式中：Igeo——地質累積指數；Cn——樣品中元素n 的測定濃度(mg/kg)；Bn——沉積物中該元素的地球化學背景值，有時也采用當地無污染區域該元素含量作為背景值(mg/kg)，本文選用內蒙古自治區土壤重金屬背景值均值；k—修正指數，考慮各地巖石差異可能會引起背景值的變動而取的系數(一般取值為1.5)，用來表征沉積特征、巖石地質及其他影響。

根據Igeo的計算結果，重金屬的污染程度共分為7級(0—6級)，具體如表1所示。

表1　地積累指數與污染程度分級

1.3.3內梅羅綜合污染指數法內梅羅綜合污染指數法是在單因子指數評價基礎上進行的一種兼顧極值或突出最大值的計權型多因子環境質量指數。具體公式如下所示：

(2)

式中：Pn——綜合污染指數；Ci——污染物的實測濃度(mg/kg)；Si——污染物的評價標準(mg/kg)，本文選用內蒙古土壤重金屬元素的平均背景值作為污染物的評價標準。

內梅羅綜合污染指數評價標準見表2。

表2　內梅羅指數分級標準

1.3.4潛在生態風險評價法潛在生態風險評價法是1980年瑞典科學家Hankanson根據重金屬性質及環境行為特點，從沉積學角度提的對土壤中重金屬污染評價的方法，考慮了土壤的重金屬含量，并且將重金屬的生態效應、環境效應和毒理學綜合考慮，采用等價屬性指數分級法評價。RI 為多種重金屬綜合潛在生態風險指數，其數值等于各個重金屬潛在生態危險系數之和。

(3)

表3　重金屬元素的參比值和毒性系數

2　結果與分析

2.1土壤重金屬的污染狀況

2.1.1包頭市土壤重金屬含量對樣品中5種重金屬元素含量進行分析，所得結果見表5。其中，Cu，Zn，Pb，Cd 4種重金屬含量普遍超過背景值，其超標率分別為95.45%，70.45%，93.18%和86.36%，超標倍數為1.95，1.48，2.86，6.49；Cr超標率僅為25.00%，總體顯示未超標。在重金屬含量分析中，變異系數可以反映總體樣本中各采樣點平均變異程度，變異系數越大，說明所在地土壤受人類活動干擾越強烈，重金屬在空間上的分布差異越大。本文研究的5種重金屬變異系數大小順序為：Cd>Cu>Pb>Zn>Cr，具體數值分別為121.57%，97.26%，70.89%，50.48%和39.24%。可見，Cd 、Cu，Pb的變異性較強，空間分布差異顯著，受人類工業生產、交通、商業等活動的干擾較為強烈；而Zn和Cr受人類活動的干擾則較小。

表4　單個重金屬的生態風險系數及綜合生態風險指數的等級標準

表5　包頭市土壤重金屬平均含量

注：比值為平均值/內蒙古土壤背景值，下同。

2.1.2包頭市不同功能區土壤重金屬含量將所有樣品的5種重金屬含量按功能區不同進行分析，所得結果見表6。由表6可知，包頭市各個功能區土壤中Cu，Zn，Pb，Cd均發生不同程度的污染，其中Cu在各功能區土壤中的污染為工業區>科教區>居民區>商業區>城市綠地，Zn，Pb的污染均為工業區>科教區>居民區>城市綠地>商業區，Cd的污染為工業區>商業區>科教區>城市綠地>居民區；包頭市各功能區Cr的污染程度相對其他重金屬較輕，都與背景值接近或者低于背景值，說明其未受到人為活動影響或者影響較小。5種重金屬含量均表現為工業區最大，其中尤以Cd污染最為突出，含量為評價基準的10.40倍，Pb，Cu，Zn和Cr依次為3.67，2.69，1.85，1.04倍。

2.2不同功能區土壤重金屬環境質量評價

2.2.1地累積指數法評價由公式1計算得到各功能區土壤中5種重金屬的地累積指數見表7。Cd在各功能區的地累積指數為工業區>商業區>科教區>城市綠地>居民區，在工業區表現為中度污染，在其他功能區表現為偏中度污染；Pb在各功能區的地累積指數為工業區>科教區>居民區>城市綠地>商業區，在工業區表現為偏中度污染，其他區域為輕度污染；Cu在工業區、科教區和居民區表現為輕度污染，在其余區域地累積指數均小于0，呈現出未污染勢態；Zn在工業區表現為輕度污染，在其他功能區屬于無污染；而Cr在各功能區土壤樣品中地累積指數均小于0，屬于無污染。由此可以發現，Pb和Cd為包頭市土壤污染的主要因子。

2.2.2內梅羅污染指數評價由公式2計算得出包頭市各功能區土壤重金屬內梅羅指數，并按照表2對包頭市各功能區土壤重金屬進行評價，評價結果見表8。不同功能區土壤重金屬污染指數大小為：工業區(7.86)>商業區(3.63)>科教區(3.62)>居民區(2.73)>城市綠地(2.62)，其中，科教區、商業區和工業區內梅羅綜合污染指數較高，呈重度污染，其他功能區呈中度污染。總之，包頭市土壤已經受到很大程度的重金屬污染，應該引起有關部門的高度重視。

表6　不同功能區土壤重金屬含量　mg/kg

注：表中數據為平均值±標準差。

表7　不同功能區土壤重金屬的地累積指數Igeo

2.2.3潛在生態風險進行評價根據公式3計算得出各功能區土壤重金屬元素潛在生態風險指數見表9。由表9可知，Cd在工業區生態風險指數為312，介于160～320，表現“強”生態風險危害，在其他功能區的生態風險指數均處于80～160，總體表現為“中等”潛在生態危害；而Cu，Zn，Pb和Cr在5個功能區的生態風險指數均小于40，處于“輕微”的生態風險等級，無潛在生態風險影響。結合表9所列RI值和表4生態風險評價標準可知：工業區處于“強”潛在生態危害等級，商業區、居民區、科教區處于“中等”潛在生態危害等級，城市綠地處于“輕微”潛在生態危害等級，而包頭市整體處于“中等”潛在生態危害水平。

表8　包頭市城區土壤重金屬內梅羅指數

表9　重金屬元素潛在生態風險指數及劃分等級

3　討 論

本研究中對包頭市5種重金屬的含量分析結果及污染評價結果均顯示Cd超標最為嚴重，尤其是工業區Cd超標10.40倍，污染等級最重，呈現“強”潛在生態危害等級。研究表明[17]Cd主要來源于工業活動，如冶煉廠的廢水、塵埃和廢渣等，施用磷肥、含鋅肥料等也會帶來一定程度的Cd污染。本研究所選的工業區及部分綠地監測點位于包鋼集團、希望鋁業等廠區附近，上述企業各個生產加工環節產生的廢氣、廢渣、廢液直接或借助空氣的擴散傳播作用而降落于土壤并產生富集，造成工業區及附近綠地Cd的實際含量遠超過其背景值。除Cd外，Pb，Cu與Zn的超標現象也較為普遍。Pb主要來源于汽車尾氣排放，Cu，Zn主要來源于汽油、車體的磨損等[17]；此外，交通活動產生的灰塵經外力揚起沉積在周圍土壤中，也會導致土壤中Pb，Zn和Cu含量升高；同時，工業活動對Pb，Cu和Zn的影響也不容忽視。包頭地區Cr主要來自于自然源，受成土母質控制，人為影響較小。

采用地累積指數法、內梅羅污染指數法和潛在生態危害指數法對包頭市5種重金屬的評價結果總體一致，但因地累積指數法側重評價單一重金屬對不同功能區土壤的污染，不考慮多種重金屬的協同作用，因此判定的污染等級較其他兩種方法較輕。內梅羅污染指數法與潛在生態危害指數法分別從重金屬污染程度和生態風險兩方面評價了5種重金屬綜合作用下各功能區的污染等級和生態風險等級，兩種方法的定量評價結果分別為工業區(7.86)>商業區(3.63)≈科教區(3.62)>居民區(2.73)>城市綠地(2.62)和工業區(347.72)>科教區(162.62)≈商業區(161.47)>居民區(123.95)>城市綠地(120.98)，雖然兩種評價方法中城市綠地和居民區所得數值順序相反但大小非常接近，因此認為兩種方法具有很強的一致性。但污染評價定性結果為工業區、商業區、科教區重度污染，居民區與城市綠地輕度污染；生態風險評價定性結果為工業區“強”潛在生態危害，商業區、居民區、科教區“中等”潛在生態危害，城市綠地“輕微”潛在生態危害，差別較大。這主要是因為有些功能區污染評價或生態風險評價的計算結果與等級劃定界限特別接近所致。綜合考慮上述因素，對包頭市重金屬的環境危害進行評價時，考慮多種金屬共同作用的綜合評價法較單一金屬評價方法法更能反映實際的土壤污染狀況；對同一對象，多種評價方法并行對該對象的實際污染狀況的判斷更為準確和全面。

4　結 論

(1) 包頭市土壤中Cu，Zn，Pb，Cd含量普遍超過背景值，其中Cd超標最嚴重；人類活動對包頭市土壤中Cd，Cu，Pb均產生了較大影響。

(2) 不同重金屬對不同功能區土壤污染情況不同。所有重金屬在工業區含量均明顯高于其他區；各功能區受Cd的污染最為嚴重，Pb，Cu次之。采用地累積指數法對包頭市土壤進行評價表明，Cd和Pb已呈現中度污染，其他重金屬為輕度污染或者無污染。不同功能區土壤重金屬內梅羅污染指數大小為：工業區(7.86)>商業區(3.63)>科教區(3.62)>居民區(2.73)>城市綠地(2.62)，工業區、商業區和科教區均已呈重度污染，居民區和城市綠地中度污染。

(3) 從生態風險評價結果來看，包頭市城市土壤目前整體處于“中等”潛在生態風險危害水平，其中僅因Cd的貢獻已使工業區處于“強”生態風險危害等級，為此應對包頭市城市土壤尤其是工業區的Cd污染給予高度關注和防治。

[1]陳滿懷.土壤環境學[M].北京:科學出版社,2005.

[2]管東生,陳玉娟,阮國標.廣州城市及近郊土壤重金屬含量特征及人類活動的影響[J].中山大學學報：自然科學版,2001,40(4):93-96.

[3]孟昭虹,周嘉,鄭元福.哈爾濱市城市土壤重金屬生態風險評價[J].水土保持研究,2009,16(2):152-155.

[4]鄭喜珅,魯安懷,高翔,等.土壤中重金屬污染現狀與防治方法[J].土壤與環境,2002,11(1):79-84.

[5]余健,房莉,方鳳滿,等.蕪湖市不同功能區土壤重金屬污染狀況與環境質量評價[J].水土保持學報,2010,24(2):210-213,217.

[6]秦普豐,劉麗,侯紅,等.工業城市不同功能區土壤和蔬菜中重金屬污染及其健康風險評價[J].生態環境學報,2010,19(7):1668-1674.

[7]孫文惠.呼和浩特市不同功能區土壤重金屬污染特征及評價[D].呼和浩特:內蒙古大學,2012.

[8]馬建華，李燦，陳云增.土地利用與經濟增長對城市土壤重金屬污染的影響:以開封市為例[J].土壤學報,2011,48(4):744-750.

[9]宋偉,陳百明,劉琳.中國耕地土壤重金屬污染概況[J].水土保持研究,2013,20(2):293-298.

[10]張慶輝,王貴.包頭市農田表層土壤重金屬含量綜合評價[J].安徽農業科學,2008,36(31):13527-13528，13546.

[11]張慶輝,王貴,朱晉.包頭南郊污灌區農田表層土壤重金屬潛在生態風險綜合評價[J].西北農林科技大學學報：自然科學版,2012,40(7):181-186，192.

[12]唐力.包頭市常見綠化樹種體內與生境土壤中重金屬元素含量的相關分析研究[D].呼和浩特:內蒙古農業大學,2011.

[13]郭偉,趙仁鑫,張君，等.內蒙古包頭鐵礦區土壤重金屬污染特征及其評價[J].環境科學,2011,32(10):3009-3105.

[14]王貴,王芳.重工業城市土壤重金屬含量分布特征及污染評價:以包頭市為例[J].干旱區資源與環境,2008,22(8):170-173.

[15]王貴,姚德,郜睿智.公園土壤重金屬含量水平及污染評價[J].山東理工大學學報：自然科學版,2007,21(5):1-4.

[16]徐清,張立新,劉素紅，等.表層土壤重金屬污染及潛在生態風險評價:包頭市不同功能區案例研究[J].自然災害學報,2008,17(6):6-12.

[17]宋玉芳,許華夏,任麗萍,等.土壤重金屬污染對蔬菜生長的抑制作用及其生態毒性[J].農業環境科學學報,2003,22(1):13-15.

Assessment of Soil Heavy Metal Pollution in Different Function Areas in Baotou

ZHANG Lianke1,2, ZHANG Huajuan2, HUANG Xuemin1, LI Yumei2, SUN Peng2, YAO Weihua2

(1.School of Environmental and Municipal Engineering, Xi′an University of ArchitectureandTechnology,Xi′an710055,China; 2.CollegeofEnergyandEnvironment,InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology,Baotou,InnerMongolia014010,China)

In order to understand the pollution status of soil heavy metal in different function areas in Baotou, we analyzed the heavy metal in the surface soil，and used the geoaccumulation index, the Nemerow Indices and the potential ecological risk to estimate pollution levels. The result shows that the heavy metals such asPb，Zn，Cu and Cd are above the background value of soil in Baotou except for Cr. The geoaccumulation index shows that the pollution status of Pb and Cd in the soil of the urban area is in middle level pollution，the others are in the mild contamination or pollution-free. The Nemerow Indices displayed in industrial area, commercial area and science or education area are in severe pollution, residential areas and urban green space belong to the moderate pollution. Soils in Baotou City as a whole are at the ‘medium’ the potential ecological risk level，to which should be paid the attention by relevant departments．

Baotou; functional areas; soil heavy metal; pollution assessment

2015-03-18

2015-04-14

張連科(1980—),男,內蒙赤峰人,博士生,副教授,主要從事土壤污染修復研究。Email:lkzhang@126.com

X53

A

1005-3409(2016)02-0352-05