土壤重金屬污染評價方法探析

陳澤華 焦思 余愛華 馮滟媚 湯若禹

摘 要：為分析不同土壤重金屬污染評價方法的適用性，以南京市不同功能區表層土壤為研究對象，通過PXRF法測定重金屬Cr、As、Ni、Pb、Zn、Cu在不同功能區土壤中的含量。利用單項污染指數法、地質累積指數法、內梅羅綜合指數法、污染負荷指數法和潛在生態危害指數法對其污染水平評估。結果表明：單項污染指數法和地質累積指數法的評價結論完全一致，其污染程度為Cr>Pb>Zn>Cu>Ni>As。污染負荷綜合指數法與潛在生態危害指數法的評價結果基本一致，由大到小順序為：工業區、休閑區、交通繁忙區、農田區。內梅羅綜合指數法與潛在生態危害指數法對各個功能區綜合評價結果也基本一致，分別為輕微污染和存在輕度生態風險。

關鍵詞：土壤重金屬;污染;評價方法

Abstract：In order to analyze the applicability of different soil heavy metal pollution assessment methods， the surface soils of different functional areas in Nanjing were used as research objects. The contents of heavy metals Cr， As， Ni， Pb， Zn and Cu in different functional areas were determined by PXRF method. The pollution level was evaluated by the single pollution index method， the geo-accumulation index method， the Nemerow comprehensive index method， the pollution load index method and the potential ecological risk index method. The results show that the evaluation results of the single pollution index method and the geo-accumulation index method were completely consistent， and the pollution degree was Cr>Pb>Zn>Cu>Ni>As. The pollution load comprehensive index method and the potential ecological risk index method were basically consistent， and are industrial area > leisure area > heavy traffic area > farmland area. The Nemerow comprehensive index method and the potential ecological risk index method were also basically consistent with the results of a comprehensive evaluation of each functional area， which were slightly polluted and had slight ecological risks.

Keywords：Soil heavy metal; pollute; evaluation methodology

0 引言

土壤污染已逐漸成為環境污染的主要問題，其中尤以土壤重金屬污染更為突出。由于土壤其自身的結構、特性以及在生態環境中扮演的特殊角色，使得土壤污染與大氣污染、水污染相差甚遠，也更加復雜[1]。

土壤重金屬污染是指在人類活動過程中將重金屬轉移到土壤中，致使土壤中重金屬含量明顯升高，同時造成生態環境惡化。土壤重金屬污染是一種由無機物造成的污染，因而具有普遍性、表層積聚性、隱蔽性和不可逆性[2]。根據2015年中國耕地地球化學調查報告顯示，土壤重金屬中度污染、重度污染或超標的點位比例占2.5%，覆蓋面積233萬 hm2;輕微污染、輕度污染或超標的點位比例占5.7%，覆蓋面積527萬 hm2[3]。城市土壤中重金屬不同程度的累積，對城市居民的健康和城市的發展都構成了潛在的威脅[4]。

目前，評價土壤重金屬污染的方法很多，每種評價方法都有一定的優勢與特點，但同時又有一定的局限性，因此為探析每種土壤重金屬污染評價方法的差異性和適用性，本研究以南京市各功能區表層土壤為研究對象，以單項污染指數法、地質累積指數法、內梅羅綜合指數法、污染負荷指數法和潛在生態危害指數法對土壤重金屬污染進行評價，以期為土壤重金屬污染評價方法的選擇及對南京市表層土壤重金屬污染狀態的了解提供一定依據和參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

根據南京市各行政區相關資料以及最新行政區劃圖，確定本研究采樣的大致目標范圍，綜合考慮研究區域內地形起伏、土地實際利用情況、土壤類型及城市功能區的分布（工業區、休閑區、農田區和交通繁忙區）等因素，選取不同行政區中的不同功能區進行土壤重金屬污染狀況調查，其中工業區3個，選取了南京煉油廠、南京汽輪機廠和新城科技園;休閑區5個，選取了棲霞山風景區、紫金山風景區、清涼山公園、武定門公園和河西奧體中心休閑區;交通繁忙區6個，選取了仙林中心、新街口、新莊立交、古平崗立交、雙橋門立交和集慶門大街;農田區1個，選取八卦洲上的農田。所選取的功能區分別位于南京市主要5個城區，盡可能做到平均分布且具有一定的代表性。同時根據《土壤環境質量 建設用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 36600—2018）和《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）中控制的6種重金屬砷（As）、鉛（Pb）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鎳（Ni）和鉻（Cr） 為分析元素。

通過網格布點法確定采樣點和取樣數，使取樣點分布相對均勻，采樣點盡可能遍布整個功能區。采樣點通過GPS精確定位，土壤采樣集中在0～20 cm的深度。利用美國Innov公司生產的TRIME-INNOV-X土壤重金屬探測儀原位測定各功能區表層（0～20 cm）土壤中Cr、Zn、Cu、Pb、Ni、As的含量，在同一個采樣點儀器測量時間為30 s，重復測量3次，取平均值。

土壤pH采用電位法測定[5]，土壤重金屬的平均值、變異系數等描述性統計分析采用Excel 2013和SPSS 10.0軟件計算。

1.2 評價方法

1.2.1 單項污染指數法

單項污染指數法是針對某一污染物的污染程度進行評價的方法，是其他環境質量評價方法和質量等級評價的基礎[6]，可以直觀地反映出該區域中主要的污染因子和其他單個重金屬的污染程度。

單項污染指數法計算公式為：

1.2.2 內梅羅綜合指數法

單項污染指數法只能反映不同種類的單個污染物的污染程度，不能完全和充分地反映土壤整體的污染程度。因此就需要將各個重金屬元素的污染指數結合起來進行評價，內梅羅綜合指數法是目前被廣泛使用的一種綜合指數法[7]。

內梅羅綜合指數法計算公式為：

1.2.3 地質累積指數法

地質累積指數法也被稱為Muller指數，是由德國海德堡大學沉積物研究所的科學家Muller[8]在20世紀60年代首次提出，最初它是一種研究水環境沉積物中重金屬污染程度的定量指標。在評估土壤中重金屬污染時除了考慮到人為污染的因素和土壤環境背景值，還應當考慮到自然成巖作用是否會引起土壤背景值的變動。地質累積指數法公式為：

在研究某一區域內土壤中重金屬元素的地質累積指數時，應該用這個區域內土壤自身背景值作為計算地質累積指數的地球化學背景值，本研究采用南京市土壤重金屬背景值[9]作為參比，見表3。重金屬地質累積指數（Igeo） 分級與污染程度的關系，見表4。

1.2.4 污染負荷指數法

污染負荷指數法是Tomlinson等提出來的一種針對重金屬污染分級的評價方法[10]，該方法被廣泛應用于土壤和河流沉積物重金屬污染的評價。

污染負荷指數法評價模式如下。

首先計算單個元素的最高污染系數（CFi）公式為：

1.2.5 潛在生態危害指數法

潛在生態危害指數法由瑞典科學家Hakanson提出[11]，本方法根據沉積學原理同重金屬相關性質結合，通過沉積轉換規律建立出土壤或沉積物中重金屬污染評價的模型。潛在生態危害指數RI（公式中用RI表示）計算方法公式為：

2 結果分析

2.1 不同功能區重金屬含量及數量統計

由于土壤重金屬污染程度與不同地區相關功能存在著密切的聯系，不同功能區對于土壤重金屬的貢獻也不盡相同，因此不同功能區土壤中重金屬（Cr、As、Ni、Pb、Zn、Cu）的污染情況存在著很大差異。對不同功能區1 600 多個樣點數據進行分析，得出各區域6種重金屬的平均含量，見表8。

以《土壤環境質量 建設用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 36600—2018）為標準，計算土壤中6種重金屬的單項污染指數。結果表明，Cr、Ni、Cu、Zn 、Pb 5種重金屬的單項污染指數均略大于1，存在輕度污染，As 平均含量低于南京市土壤背景值。這也與徐銘焓等[12]在2014年得到的南京市不同功能區路域表土重金屬污染評價相接近，除As外的其余5種重金屬為輕度污染。

2.2 單項污染指數法和地質累積指數法

單項污染指數與地質累積指數都是對單個重金屬元素的污染狀況進行評價。但兩種方法使用的參考背景值不相同，單項污染指數法參考背景值為本區域的土壤重金屬背景值，本研究參考南京市土壤重金屬背景值（表3）為參考值，其重金屬單項污染指數見表10。地質累積污染指數評價方法考慮到自然成巖作用，可能會引起土壤背景值發生變動，考慮成巖作用后的南京土壤重金屬背景值見表11。根據表8不同功能區6種重金屬平均含量，計算得各個樣點地質累積指數（Igeo）值見表12。

單項污染指數法是針對某一污染物的污染程度進行評價的方法，也是其他環境質量評價方法和質量等級評價的基礎。因此在綜合評價方法中一般會采用較為客觀的單項污染指數作為基礎。由表10可知，4種不同功能區的重金屬元素單項污染程度排列為：Cr>Pb>Zn>Cu>Ni>As。由表12可知，不同功能區6種重金屬元素的地質累積指數排列為：Cr>Pb>Zn>Cu>Ni>As，與單項污染指數排列順序一致。

2.3 內梅羅綜合指數法、污染負荷指數法和潛在生態危害指數法

在對單個重金屬元素污染評價結果的基礎上，為了能夠初步研究并得出不同功能區整體的土壤重金屬污染程度及分布特征，需要采用綜合的評價方法進行評價。本研究分別采用內梅羅綜合指數法、污染負荷指數法和潛在生態危害指數法進行評價，其評價結果分別見表13—表16。同時對3種方法進行比較，見表17。

內梅羅綜合指數均處在輕度污染分界值1.0至重度污染分界值3.0以內，污染等級為輕度污染。按照不同功能劃分后土壤重金屬內梅羅綜合指數從大到小排列依次為：休閑區、工業區、農田區、交通繁忙區。

污染負荷指數表明南京市不同功能重金屬的污染狀況整體上較嚴重，污染等級為Ⅰ，污染負荷指數為1.26，屬于中等污染。按照不同功能劃分后土壤重金屬污染負荷指數從大到小排列依次為：工業區、休閑區、交通繁忙區、農田區。

不同重金屬元素的潛在生態風險程度由于考慮到了重金屬毒性響應系數，因此其順序為：As>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn;與單項指數法和地質累積指數法結果存在差異。南京市不同功能區所有樣點中重金屬生態風險系數全部為Ⅰ級（Ei<40），綜合生態風險指數RI 為31.72，為輕微生態風險水平。其中，As 對研究區RI 貢獻率最大，應引起重視。4種不同功能區中根據潛在生態危害指數RI數值全部小于150，對生態的危害全部屬于輕微危害。按照不同功能劃分后潛在生態危害指數從大到小排列依次為：工業區、休閑區、交通繁忙區、農田區。

綜上所述，單項污染指數和地質累積指數的評價結果在不同功能區的重金屬元素排列順序一致，其中單項污染指數得到污染情況相較于地質累積指數更為嚴重，在使用地質累積指數法評價土壤重金屬時沒有出現重污染及以上污染等級，這與其他城市，例如：贛州市[13]、長春市[14]，土壤重金屬的污染水平相近。

由綜合評價方法結果可知：工業區受到的污染程度較大，休閑區、農田和交通繁忙區土壤污染程度較小，南京市整體上存在一定程度的土壤重金屬污染，與全國大多省會城市土壤環境相同[15]。對南京市不同功能區土壤重金屬污染進行污染等級評價時，既要考慮多種重金屬協同作用效應，各個不同功能區地域的影響，又要考慮不同的評價方法，這樣能更加全面準確地反映實際污染情況。

3 結論與討論

通過對南京市不同功能區表層土壤重金屬污染狀況進行分析，進一步探討5種評價法的適用性及異同。其結論如下。

（1）南京市主要城區土壤重金屬Cr、Ni、Cu、Zn、Pb平均質量分數均高于南京市土壤背景值，為背景值的1.04～1.91倍。其中，As不存在污染。

（2）單項指數法和地質累積指數法評價結果完全一致，其單項重金屬的污染特征表現為：Cr>Pb>Zn>Cu>Ni>As，其中Cr、Cu、Zn在4種功能區中處于輕微污染等級，As在4種功能區中處于無污染等級。

（3）內梅羅綜合指數與污染負荷指數得到的結果存在差異，內梅羅綜合評價結果由高到低順序為：休閑區、工業區、農田區、交通繁忙區。從評價土壤污染程度的過程中發現，內梅羅綜合指數法選擇單項污染指數法的評價結果可以避免人為主觀因素的影響[16]，這樣不僅能夠較為全面地評價不同功能區土壤重金屬的污染程度，還能突出不同功能區中相對于南京市土壤背景值的最高濃度重金屬元素對土壤環境質量的影響，也能削弱由于使用各重金屬的平均濃度值帶來對環境污染評價的作用。污染負荷指數評價結果由高到低順序為：工業區、休閑區、交通繁忙區、農田區。由于兩種計算方法的不同，累積計算比累加計算更客觀，同時緩解了最大單項重金屬污染指數，污染負荷指數更為準確。

（4）污染負荷指數法與潛在生態危害指數法所得出的評價結論基本一致，其污染等級由高到低分別為：工業區、休閑區、交通繁忙區、農田區。潛在生態危害指數法相較于前兩種綜合評價法，不僅考慮了單一土壤重金屬含量，而且綜合考慮了多種元素之間的相互作用以及土壤環境對重金屬污染不同特性等因素，更為全面。

（5）3種重金屬污染綜合指數評價結果表明，南京市不同功能區均處于3種方法最低污染等級。總體而言，根據不同方法得出結果都指出南京市不同功能區土壤整體重金屬污染水平較低，尚不存在較大的生態風險。

兩種單因子評價方法即單項污染指數法和地質累積指數法的結果沒有因不同的評價尺度而得出不同的結論。單項污染指數法的評價結果指數與重金屬含量具有線性關系;而地質累積指數法評價土壤污染程度時，其評價結果與重金屬的分布情況呈現非線性關系，計算南京土壤重金屬地質累積指數時，既考慮了自然成巖作用引起土壤背景值的變化，同時考慮到了人為因素的影響，因此地質累積指數法彌補了單項指數法的不足。為了克服兩種方法自身的局限性對評價結果的影響，將這兩種污染指數結合起來，綜合評定土壤樣本對不同功能區中單項重金屬指數的污染等級將更為合適。

由于這兩種方法的側重不同，評價結果也略有差別。單項指數法得到的結果輕度污染為污染的最輕級別，同時地質累積指數法中無—中污染也為最輕級別，兩者綜合后可用輕微污染來描述，因此將兩種評價方法的結果綜合起來見表18。

由污染負荷指數法與內梅羅綜合指數法得到的結果對比可知，工業區污染指數在兩種計算方法中得到的結果分別排在第1和第2，也僅為中等污染;因為在內梅羅綜合指數評價農田區時考慮到污染最大值的作用，且由于Pb在農田區指數較高，所以農田區污染指數大于交通繁忙區污染指數，污染負荷指數法中農田區污染等級最低，但兩種方法都是最低污染等級，為清潔土壤;在兩種方法中休閑區污染指數均高于交通繁忙區污染指數。內梅羅綜合指數法與其他方法結果存在一定出入，造成這種現象的原因可能是內梅羅指數法中受到某種重金屬元素最大含量的影響，導致其結果產生偏差，污染負荷指數得到的結果與內梅羅綜合指數進行對比得到結果存在差異，在污染負荷指數法中將所有出現的重金屬元素采用同樣的方法累積計算，累積比累加更為客觀，這在一定程度上有效地避免了單一元素對綜合評價的影響，評價方法不僅考慮了單一土壤重金屬含量，而且綜合考慮了多種元素之間的相互作用，更加客觀現實，消除了內梅羅指數法的部分缺陷。

潛在生態危害指數法與污染負荷指數法兩種方法得到的結果相同，但是潛在生態危害指數在考慮了土壤重金屬的平均含量的基礎上，將重金屬的生態效應和毒理學知識聯系起來，綜合考慮了重金屬的毒性在土壤中危害，對于評價區域內重金屬污染水平，消除區域差異影響，劃分出重金屬潛在危害的程度有一定價值[17-18]。

單項污染指數法適用于簡單快速地評價土壤重金屬污染情況，可以直接反映出每一種重金屬元素的污染情況。地質累積指數法則是考慮到成巖作用后，相較于單項污染指數法更為精細，現在也已經被廣泛地接受。內梅羅綜合指數法作為評價環境整體綜合方法具有一定的局限性和不足，不適用于某一重金屬污染情況較嚴重的情形。污染負荷指數法通過累積的計算方法，適合應用于研究土壤重金屬在時間上和空間上變化。而潛在生態風險指數法則結合了重金屬毒理學，更適合于評價重金屬潛在危害以及對人類的影響。

因此，對于類似于南京的人口密集且功能區分布復雜的城市進行土壤重金屬污染評價，要根據實際評價地區的情況、評價結果的精度要求以及是否需要評估重金屬對人類的潛在危害等多種因素綜合考慮，再選擇使用不同的評價方法，以使評價結論更加準確，同時滿足研究的需要。

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