西安市主要公園表層土壤重金屬污染特征及風險評價

周 燕, 李勁彬

(1.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司,陜西 西安 710075； 2.陜西省土地工程建設集團有限責任公司,陜西 西安 710075； 3.陜西省土地整治重點實驗室,陜西 西安 710061；4.陜西省土地整治工程技術研究中心,陜西 西安 710075)

1 引言

土壤重金屬污染是指由于人類的活動將重金屬帶入土壤中，致使土壤重金屬含量明顯高于其自然背景值，并造成生態破壞和環境質量惡化的現象[1]。據統計，全世界平均每年排放Hg約1.5萬t，Cu 340萬t，Pb 500萬t，Mn 1500萬t，Ni 100萬t[2,3]。長期以來，頻繁的人類活動使城市土壤遭受強烈的干擾，造成嚴重的重金屬污染。土壤既是城市空間的納污場和凈化場，又是城市水、氣等環境要素的二次污染源。城市土壤的健康是都市圈生態系統健康的重要組成部分[4]。土壤中的重金屬具有隱蔽性，在其累積初期，毒害作用并不明顯，因此不易被人們輕易察覺，一旦其毒害作用表現出來，就難以消除[5]。城市公園作為城市居民休閑娛樂的聚集地，與城市居民的日常生活十分密切、息息相關。其土壤質量狀況對游客的身體健康具有重要影響，尤其對兒童這個特殊群體[6]。因此城市公園土壤的重金屬污染應得到廣泛的關注。國內已有大量學者基于公園土壤重金屬污染進行過研究[7～11]。

而土壤作為污染物質的重要儲存介質，所以研究公園土壤中重金屬的污染問題以及掌握其現階段的污染狀況具有重要意義，它可為居民選擇健康的休閑娛樂場所提供依據。本文通過對西安市17個公園樣品進行測定，選取As、Cu、Zn、Ni、Mn、Co、Pb、Cr、Fe這 9種元素進行土壤重金屬污染分析研究。

2 材料與方法

2.1 樣品采集、制備與測定

樣品采集：本文所選取的17個樣點分別為西安市主要公園。采樣前，先對公園基本情況做前期調查。實際采樣過程中，根據每一個公園的面積大小，布設5～10個采樣點。每一個樣點采用對角線法進行采樣，采集0～10 cm的表層土壤混合均勻，最后按照四分法縮分取把每個公園采集的所有樣品進行混合，帶回一個質量約為1 kg左右的土壤混合樣，總共17個土壤樣品。帶回后的土壤在室內通風處進行自然晾干，初過20目(0.9 mm)的尼龍篩，去除草根、石頭、動植物殘體等雜質。然后再研磨過200目(0.074 mm)尼龍篩直至所有土壤樣品均通過尼龍篩，除石頭等不易研磨的東西外。所有處理好的土壤樣品裝入聚乙烯塑封袋中以備測量，并注明采樣點、采樣日期、采樣人等具體信息。

制備與測定：稱取處理好的待測樣品5 g放入模具中，撥平，再用硼酸進行襯底鑲邊，于31.6 t壓力下， 經北京眾合壓樣機SIEMENS型壓樣機壓成圓形片狀的待測樣品，采用S8 tiger brochures wavelength dispersive型X-Ray熒光光譜儀測土壤中的重金屬元素含量。

運用ARGGIS軟件得到采樣點示意圖(圖1)。分別為：灞橋生態濕地公園(P1)、唐城墻遺址公園(P2)、豐慶公園(P3)、城市運動公園(P4)、西安植物園(P5)、大明宮國家遺址公園(P6)、興慶宮公園(P7)、文景山公園(P8)、環南公園(P9)、文景公園(P10)、勞動公園(P11)、曲江池遺址公園(P12)、蓮湖公園(P13)、長樂公園(P14)、革命公園(P15)、兒童公園(P16)和新紀元公園(P17)。

2.2 生態風險評價方法

2.2.1 單項污染指數法

單項污染指數法是指以某介質中某污染物含量值與該污染物的限定值之比作為評價對象的污染指數Pi[12]，以此來確定主要的重金屬污染及其危害程度的方法。其具體評價模型為:

pi=Ci/Si

(1)

式(1)中：Pi為土壤中污染物的污染指數；Ci為土壤中重金屬的實測濃度(mg/kg或%)；Si為土壤中重金屬的評價標準值(mg/kg或%),采用陜西省土壤背景值作為土壤重金屬的評價標準。其中分級方法為：Pi≤1屬于清潔；13屬于重度污染。

2.2.2 內梅羅綜合污染指數法

內梅羅綜合污染指數法[12]能全面地反映土壤的污染狀況，而且兼顧了單因子污染指數的平均值和最高值，可以突出污染較重的重金屬污染物的作用。其評價公式為:

(2)

式(2)中：P為監測點的綜合污染指數；Pimax為樣點最大單項污染指數；Piavg為樣點平均單項污染指數。根據P值變幅，確定的土壤質量分級標準為P≤0.7屬清潔(安全);0.73.0屬重污染。

2.2.3 地質累積指數法

地質累積指數(Igeo)[13]通常稱為Muller指數，不僅考慮了自然地質過程造成的背景值影響，而且也充分注意了人類活動對重金屬污染的影響，因此該指數不僅反映了重金屬分布的自然變化特征，而且還可以判別人為活動對環境的影響，是區分人為活動影響的重要參數。其計算公式為：

(3)

式(3)中，Cn為樣品中元素n的濃度，BEn為環境背景濃度值，1.5為修正指數， 通常用來表征沉積特征、巖石地質及其他影響。Forstner等將地質累積指數可分為7個級別，Igeo<0，污染級別為0級，表示無污染；0≤Igeo<1，污染級別為1級，表示無污染到中度污染；1≤Igeo<2，污染級別為2級，表示中度污染；2≤Igeo<3，污染級別為3級，表示中度污染到強污染；3≤Igeo<4，污染級別為4級，表示強污染；4≤Igeo<5，污染級別為5級，表示強污染到極強度污染；Igeo≥5，污染級別為6級，表示極強污染。

3 結果與分析

3.1 土壤重金屬元素含量分析

西安市公園表層土壤中Pb、Zn、Ni、Mn、Cu、Cr、As、Fe、Co等重金屬元素的相關統計結果見表1。與土壤背景值[14]相比，除As元素在P1和P8低于土壤背景值外，其它8種元素在公園表層土壤中的含量的最小值均高于背景值，表明在土壤中存在重金屬累積。17個公園表層土壤中Pb、Zn、Ni、Mn、Cu、Cr、As、Fe、Co 9種重金屬的均值分別為：42.94 mg/kg、100.08 mg/kg、32.65 mg/kg、690.39 mg/kg、37.74 mg/kg、71.63 mg/kg、12.90 mg/kg、4.65%、22.84 mg/kg，9種元素的平均值均高于土壤背景值[14]，高出土壤背景值質量分數分別為：105.4%、51.4%、17.9%、30.0%、87.7%、17.2%、19.4%、51.4%和126.1%，可以看出：9種元素在公園土壤中均呈現出了不同程度的富集和累積，其中Pb和Co在公園土壤中表現出很強的富集和累積程度，元素Ni、Cr和As 3種重金屬的元素基本和土壤背景值持平，累積和富集程度比較低。從9種元素的變異系數來看，Ni、Mn、Cr和Fe的變異系數比較小，分別為0.048、0.036、0.040和0.034，而Pb、Zn、 Cu 、Co的變異系數比較高，分別為：0.370、0.212、0.334和0.248,說明9種重金屬在土壤中的污染程度存在很大差異，這與黃靜[14]對西安市公園6種重金屬元素的變異系數研究比較一致。

無論是從變異系數還是累積強度兩個指標來看，重金屬Pb、Cu和Co 3種重金屬元素在土壤表層有很強的累積性，原因可能是隨著經濟發展，人們生活質量的提高，車輛、人為污染排放、工業排放和建筑裝飾材料的使用等都會造成污染物在土壤中的長期累積富集從而造成嚴重污染。尤其是裝修活動使用油漆和涂料等中添加Pb元素作為著色劑或其他用途[6,15]都會造成Pb排放從而通過遷移在土壤中累積起來。

3.2 土壤重金屬污染評價分析

以土壤背景值為標準，計算出單項污染指數和綜合污染指數的結果見表2。從表2中可以看出，除As在P8和P1的單項污染指數分別為0.96和0.81小于1，表明在這兩個公園As沒有對土壤造成污染。其他9種元素在各公園的單項污染指數均大于1，對公園土壤都造成了不同程度的污染。Ni、Mn、Cr、As、Fe的值在各公園均小于2，屬于輕度污染級別。其中，Pb在P15、P16和P13的指數大于3，達到了重度污染級別；Cu在P13為3.53達到了重度污染級別；Zn除在P15外其他公園均屬于輕度污染；Co對公園土壤屬于輕度污染到重度污染。從內梅羅綜合污染指數法可以得到：17個公園的結果均小于3，公園污染處于輕度污染到中度污染之間，沒有造成重度土壤環境污染。其中，P15、P16、P13、P5的綜合污染指數大于2小于3處于中度污染水平，分別為：2.63、2.88、2.90、2.75，污染較嚴重，要引起相關部門的注意。主要原因是均位于市中心，建園時間比較早，受人為活動影響時間比較久，以及市中心人流量車流量比較集中都會造成污染物的富集。

表2 西安市公園重金屬單項污染指數和綜合污染指數

重金屬元素的地質累積指數見表3。從表3中可以看出，元素Ni、Mn、Cr、As的地質累積指數均小于0，屬于0級污染，表明這4種元素對公園表層土壤沒有造成污染。Fe、Pb、Co、Zn、Cu對公園表層土壤的污染介于0～2之間，屬于無污染到中度污染。Zn的地質累積指數值除在P16、P3、P17、P11、P7、P15和P13這7個公園中指數大于0外，其他公園的地質累積指數均小于0屬于無污染級別，說明Zn對這7個公園表層土壤的污染較嚴重，屬于1級污染。Cu元素的地質累積指數在P16、P15和P13這3個公園最高，分別為：0.896、0.750和1.234，介于1級污染到2級污染之間，其中蓮湖公園Cu污染最為嚴重，污染等級為2，屬于中度污染；在P12、P3、P17、P11、P7和P6的結果均大于0，出現了不同程度的污染；其余8個公園指數均小于0沒有造成土壤污染。Co的地質累積指數均大于0，表明所有點位均受到了污染，在P6、P1和P5分別為：1.110、1.019和1.245，污染級別達到2為中度污染，其余14個公園均介于無污染到中度污染之間。Pb元素的地質累積指數除了在P2、P9、P8、P10和P4小于0未對土壤造成污染外，其余12個公園指數均大于0，表層土壤均受到了不同程度的Pb污染，其中在P16、P15和P13的指數分別為：1.293、1.112和1.185大于1，屬于2級污染，對公園土壤造成了中度污染。

表3 西安市公園重金屬地質累積指數

4 結論

(1)17個公園表層土壤中9種重金屬元素除As元素在P1和P8低于背景值外，其余元素含量均高于土壤背景值。9種元素呈現出了不同程度的富集和累積，其中Pb和Co在公園土壤中表現出很強的富集和累積程度，元素Ni、Cr和As累積和富集程度比較低。

(2)單項污染指數評價結果表明：Ni、Mn、Cr、As、Fe的值在各公園均小于2，屬于輕度污染級別。其中，Pb在P15、P16和P13的指數大于3，達到重度污染級別；Cu在P13點位為3.53達到重度污染級別；Zn除在P15外其他公園均屬于輕度污染；Co對公園土壤屬于輕度污染到重度污染。內梅羅綜合污染指數法評價結果表明：17個公園的結果均小于3，公園污染處于輕度污染到中度污染之間，沒有造成重度土壤環境污染。

(3)地質累積指數評價結果表明：Ni、Mn、Cr、As 4種元素的地質累積指數小于0，對公園表層土壤沒有造成污染。Pb、Co、Zn、Cu對公園表層土壤的污染等級介于0～2之間，屬于無污染到中度污染之間。其中，Pb在P15、P16和P13點位，Cu在P13點位，Co在P1、P6和P5點位達到了中度污染。