天津市某校園土壤中重金屬污染研究及其評價

盛紅坤，徐澤，王佳楠，李國東，張晨

(南開大學濱海學院，天津 300270)

土壤是人類賴以生存的物質基礎，在維持生態平衡中具有重要作用[1]。由于工業、農業等生產活動造成土壤重金屬污染，據統計2009年環保部接報的有12起重金屬污染事件，致使4 035人血鉛超標，182人鎘超標，引發32起群體事件[2]。已有大量研究表明，土壤中重金屬污染會影響人類的健康，包括影響消化、心血管和中樞神經系統，對生物具有致癌、致畸及致突變效應，甚至會帶來嚴重的社會問題[3-4]。

校園是學生生活學習的重要場所，土壤環境對學生的身心健康影響極大，而近年來針對工業區附近的校園土壤重金屬污染的研究較少。本文以天津市濱海新區某高校土壤為研究對象，使用火焰原子吸收光譜法，測定土壤中Cu、Zn、Pb、Cd、Cr五種重金屬的含量，采用單因子評價法、綜合指數法、潛在生態風險評價法對其進行評價，以期為濱海新區土壤生態風險預警和重金屬污染防治提供科學依據[5]。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

硝酸、氫氟酸、鹽酸、高氯酸均為優級純；重金屬標準儲備液,天津市環境保護總局標準樣品研究所。

AA-6300型原子吸收分光光度計;SY-2恒溫沙浴鍋。

1.2 土壤樣品的采集與處理

本研究共設置7個采樣點，均勻分布于全校區，分別以P1～P7編號，包括景觀用地、荒地、商業區、教學區、生活區等，囊括了校園所有區域，能夠科學地反映校園的整體情況。具體采樣點分布見表1。

表1 采樣地分布表Table 1 Distribution of sampling sites

每個采樣地分別采集表層(0～10 cm)和(20～30 cm)土樣各1份。采用五點交叉取樣法取樣，每層采樣地取1 kg，每個土樣按照4分法組成混合樣品，裝入樣品密封袋。在實驗室，先將土樣中的碎石和植物殘體撿出，自然風干后分別放入烘箱，在75 ℃ 下烘至恒重，用瑪瑙研缽研磨，使其全部通過80目篩，置于干燥器中備用。

1.3 樣品消解與測定方法

土壤pH值按照土水比1∶25采用電位法測定。土壤中Cu和Zn采用GB/T 17138標準方法測定，Pb和Cd采用GB/T 17141標準方法測定，Cr采用GB/T 17137標準方法測定。樣品采用鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸消解后，用火焰原子吸收分光光度法測定各金屬元素的濃度(AA-6300，日本)。在測定過程中，所有玻璃器皿均在20%硝酸溶液中浸泡過夜后經超純水洗凈使用，所有樣品均平行檢測3次，取平均值。

1.4 評價方法

評價方法采用單因子指數法、內梅羅綜合指數法和潛在生態風險評價方法。

1.4.1 單因子指數法 單因子指數法是針對土壤中單個因子進行污染評價的方法[6]。方法如下：

Pi=Ci/Si

式中,Pi為單因子i的污染指數，Ci為實測濃度，Si為參照值。等級劃分指標見表2。

表2 單因子指數等級劃分指標Table 2 The grades of single factor index

1.4.2 內梅羅綜合指數法 內梅羅綜合指數是衡量區域性綜合污染狀況的指標[7]，公式如下：

表3 內梅羅綜合指數等級劃分標準Table 3 The grades of Nemerow synthesis index

1.4.3 潛在生態風險評價方法 潛在生態風險指數法是一種從沉積學的角度，與生態學、重金屬毒理學、地球化學等學科相結合而提出的土壤污染物評價方法[8-10]，計算公式為：

表4 潛在生態風險指數等級劃分指標Table 4 The grades of potential ecological risk index

2 結果與討論

2.1 土壤pH值

土壤的pH值會影響土壤的理化性質以及重金屬的形態和活性[12]。由于本區域臨近渤海灣，隨著時間的演化以及工業的發展，本區域大部分的土壤演變成了鹽堿地，本研究采集的14個土壤樣品pH值均在8.55～9.71，因此該校園的土壤整體呈堿性，也印證了本校園的本土是鹽堿土。

2.2 土壤重金屬含量與分布

表5列出了校園各土壤采樣點5種重金屬的含量。由表1可知，校園土壤Cd含量較低，其它4種重金屬的含量較高。其中Cu、Pb、Cd含量的平均值分別為24.38，28.47，0.40 mg/kg低于國家建設用地第一類用地的篩選值[13]，說明土壤中這3種重金屬對人體健康的風險可以忽略。

表5 樣品測定結果Table 5 Table of sample test results

與天津市土壤背景值[14]相比，土壤樣品中5種重金屬的最大含量都超過了土壤背景值，但是Cu、Cr的平均含量低于背景值，另外3種重金屬的平均含量高于天津市土壤背景值，由此可知，這5種重金屬元素在采樣區土壤上有一定程度的積累，特別是Zn、Pb和Cd的平均濃度為天津土壤背景值的2.16，1.4，4.6倍，表明人類活動和工業發展已經導致了此區域土壤的重金屬含量升高，并以Zn、Pb的累積效應較大，而Cd的累積效應最大。

2.3 土壤重金屬污染評價

2.3.1 單因子評價法 以天津市土壤背景值為標準，待測校園各取樣點土壤中Cu，Zn，Pb，Cd，Cr 5種重金屬元素的平均含量及單因子污染指數見表6。

表6 校園土壤中重金屬元素的平均含量及單因子污染指數Table 6 The average content and single factor pollution index of heavy metals in campus soil

該校園土壤重金屬Zn、Pb、Cd的污染指數平均值均>1，說明此區域土壤受到了這3種重金屬的污染，Cd的單因子污染指數最高，說明Cd污染最嚴重，而Zn的污染指數>2，屬于中度污染。Pb、Cr、Cu的污染指數相對較低，都在1左右徘徊，屬于輕度污染或者清潔。校園土壤重金屬污染程度次序為：Cd>Zn>Pb>Cu>Cr。

2.3.2 內梅羅綜合指數法 由綜合污染指數法評價可得，所有取樣點的綜合污染指數>1，說明校園各取樣點土壤均發生重金屬污染。

表7 校園土壤重金屬綜合污染指數及其污染程度Table 7 Nemerow composite pollution index and pollution degree of heavy metals in campus soil

并且P1、P3、P7取樣點的綜合污染指數均>3，屬于重度污染程度，其他取樣點P4、P5、P6綜合污染指數也都在2～3，說明P4、P5、P6的污染程度是中度污染程度，P2的綜合污染指數為1.66屬于輕度污染。

表8 學校各取樣點及RI值Table 8 Soil heavy metal ecological hazard ecaluation index in campus

3 結論

(1)研究區域的校園土壤重金屬Zn、Pb和Cd含量的平均值均超過了天津市土壤背景值，呈現了不同程度的積累，且Cd的積累效應最大。Cu、Pb、Cd元素均未超過國家建設用地第一類用地的標準，說明對人體健康的風險可以忽略。

(2)重金屬Cd和Zn的污染分指數較高，基于天津市土壤背景值進行評價，重金屬污染程度順序為：Cd>Zn>Pb>Cu>Cr。

(3)所有取樣點的綜合污染指數>1，說明校園各取樣點土壤均發生重金屬污染。P1點的綜合污染指數最高，原因可能是取樣點距離工業園區和公路較近有關。

(4)從重金屬潛在風險評估指數來看，P1點的生態風險等級為重，其余取樣點土壤重金屬污染的潛在風險處于中等或者低水平，而鎘元素對土壤潛在風險貢獻最大。