城市表層土壤重金屬污染研究

譚 垚

城市表層土壤重金屬污染研究

譚 垚

（四川輕化工大學，四川 自貢 643000）

隨著城市的不斷擴張與建設，城市人口的不斷匯聚導致城市環境質量不斷面臨新的問題，迫切需要對城市表層土壤開展調查研究以獲得污染來源和污染區域。文章利用X射線熒光儀采集表層土壤Cr、Ni、Cu、Zn四種重金屬污染元素的含量，利用潛在生態危害指數法對測量數據進行分析，得出了區域內四種元素含量等值線圖和潛在危害指數等值線圖，為污染源監測控制和治理提供參考。

環境；重金屬元素；生態危害指數法；等值線圖

引言

隨著城市化進程的加速發展，城市逐漸向四周擴張，城市土壤環境的污染也在不斷向外圍擴散，城市土壤品質的高低會直接影響到人們的生活質量水平和身體健康[1]。隨著人類活動加強，活動區域上重金屬污染會不斷累積，如果含量超標就會破環人居環境。

研究區域為某市區內綠心公園，其森林面積廣闊，覆蓋率達三分之二以上，為城市的空氣凈化發揮了舉足輕重的作用。公園位于主城區江邊，規劃范圍為10平方公里，園內有山有水植物繁盛，是廣大市民休閑娛樂的地方。為緩解交通壓力，園內有條貫穿南北的交通要道，同時為方便市民休閑運動，園內還設有一條全長10多公里的環線道路，環線內是不允許機動車進入的。近年來隨著人們生活水平的逐漸提高，此主干道的車流量不斷增大，汽車尾氣排放一定程度上會使園內交通要道兩側土壤受到污染，同時隨著公園內人流量增多，各種人為因素的污染也在日益聚集，對公園內污染進行監測與控制勢在必行。

目前針對土壤中重金屬污染調查研究的辦法常用的有內梅羅綜合污染指數法、地累積指數法、潛在生態危害指數法等[2,3]。眾多方法中各有各的優勢和局限，在不同區域應根據實際情況采用合適的方法進行評價。

到目前為止，國內研究人員對城市表層土壤重金屬污染做了許多基礎研究并獲得了一些有效成績。城市表層土壤重金屬污染機制相對來講是錯綜復雜的，但是在時間和空間上又有一定的規律可循。現在不斷有學者運用投影尋蹤、基于MATLAB的模型等對城市表層土壤重金屬污染程度和區域分布進行評價，結合地統計學模型研究重金屬元素的空間分布規律等對污染影響因素進行定量分析，尋找污染源位置[4]。同樣有研究者使用統計學方法對不同功能區土壤表層重金屬元素進行分析研究，結果表明重金屬元素在工業區和主干道重金屬濃度明顯偏高，說明污染源有很大程度上是由于汽車尾氣排放和汽車輪胎摩擦所致。本文利用X射線熒光儀在研究區域采集數據，并對數據進行整理，得到了該區域不同點位的重金屬污染元素Cr、Zn、Cu、Ni的含量值，以及該點位上潛在生態危害指數。利用克里金插值法對數據進行插值并采用sufer軟件繪制了該區域四種重金屬元素的含量等值線圖與該區域的危害指數值等直線圖。根據圖像分析了該區域的污染特征，并推測了污染源的來源。

1　評價方法

1.1　地積累指數法

地累積指數法又被稱為Muller指數，是在20世紀中期由德國科學家Muller提出后逐漸在歐洲興起。主要用于研究沉積物及其他物質中重金屬污染程度的定量指標[5]。在評價過程中，除了要考慮環境化學背景值以外還要考慮由于人為的各種污染因數，以及由于自然在巖石形成的機制中可能會引起背景值變動的因數，地累積指數的計算公式為:

1.2　內梅羅綜合污染指數法

內梅羅指數首先需要求出每一個因子的單獨指數然后再求出每個單獨指數的平均值最后選擇最大單獨指數和平均值來進行計算。這種方法是一種能考慮最大值或者能突出最大值的計權型多因子環境質量指數。

1.2.1單因子指數法

為了確定重金屬污染的主要來源物及其危害水平可以采用單一因子指數法進行評估。普通情況下以污染指數來表現，用重金屬實測值的含量與評估標準的比值除去量綱以后再來計算污染指數：

1.2.2綜合指數法

由于單因子指數只能反映出各個重金屬元素的污染水平而不能完全反映出土壤的全面污染情況，綜合污染指數既可以考慮單因子污染指數最高值。又能考慮到平均值，可以相對表示出污染厲害的重金屬污染物的作用。綜合污染指數計算方法如下：

內梅羅綜合指數在評估時可能會因為人為的因數放大或減少一些因子的作用效果，可能會相對反映出污染指數最大的重金屬污染對環境質量影響的偏差，導致使其對環境質量評估的靈敏度不夠強。

1.3　潛在生態危害指數法

本次數據分析采用潛在生態危害指數法進行評估，該方法是由瑞典科學家Hakanson從沉積學角度出發提出來的，依據重金屬化學物理性質及其環境的行為特點，對土壤或沉積物中土壤重金屬污染開展評估的方法[6]。這種辦法不僅是要考慮土壤中重金屬含量，同樣還需要全面兼顧多種元素的共同相互作用、毒性程度、污染濃度以及環境對重金屬污染敏感性等要素。潛在生態危害指數法表達式如下：

2　數據采集與整理

數據采集是城市表層土壤重金屬污染評價環節相當重要的一個步驟，數據的準確度和精確度直接關系到最終的評價結果。首先根據評價任務進行現場踏勘后再設計具體的數據采集方案，踏勘結果顯示研究區域內多為典型的丘陵地貌，森林覆蓋率較高，大多數地方沒有平坦的道路，區內以前為分散的原住農戶，后因環境改造，區內所有農戶全部搬離，然而各種建筑垃圾沒有得到及時有效的清理，這給數據采集帶來了一定的難度。

首先在地形圖上確定研究區域的大致范圍，并依據地形圖，按照1 km×1 km的網格進行采樣點布設，依照每個網格節點對應一個數據采集點的標準對表層土壤進行數據測量，用GPS記錄數據采集點的橫縱坐標，并進行編號[7]。用X射線熒光儀對表層土壤重金屬Cr、Zn、Cu、Ni的含量進行測定，在測量之前首先應對X射線熒光儀進行標定，具體步驟參照X射線熒光儀操作手冊。在實際測量時應布設一般點和檢查點，通常一般點是按任務中的要求提出的間距距離均勻地布置在整個研究區域，可以獲得被測量的對象產生的異常。布設采集點時若因為存在各種因數的限制，數據采集點可以偏離原來位置，通常不得超過標準距離的20%，最大不偏離標準距離的40%。數據采集通常使用多次測量取平均值的方法進行。在一般點上如發現測量值相對異常，此測量點數據應當適當增加測量次數，并且在異常點之間增加測量點數，以保障測量點的代表性、準確性以及精度的要求。為了檢驗在一般點上的數據采集的可靠性，需要提取一定比例的點作為檢驗點，檢查點在時間和空間上分布都應該大致均勻，檢查觀測與初次觀測應該采用不同的測量人員和不同的測量路線。

采集到的土壤金屬元素含量數據需要經過一系列的整理才能進行評定與成圖。首先要剔除明顯錯誤數據，在同一點采集的多個數據中有時由于各種因數的影響可能會測得一些不合理數據，這種數據可以直接剔除掉。為了更有效地反映區域內各種元素含量的真實情況，采集越多的數據越有效，但是需要考慮時間和工作量，同時網格太密重復的工作量也會更大。為了在原來設計每平方公里1個數據的基礎上更能客觀有效地反映區域內的真實情況，可以采用插值方法。對采集的數據進行整理后，得到了每一個點的橫縱坐標位置和四種元素的含量值和潛在危害指數RI，本次成圖采用sufer軟件繪制，采用克里金插值方法，克里金插值方法廣泛應用于各類觀測的空間插值，該方法考慮到了空間相關性的問題，使得插值結果更加可靠，經常用在土壤科學和地質相關問題中。應用sufer軟件繪制四種重金屬元素含量等值線圖（圖1）和潛在危害指數RI等值線圖（圖2），并將邊緣地區白化。圖中黑色虛線為測量區中一條主干道。

圖1　四種元素Cr、Ni、Cu、Zn含量等值線圖

3　成果分析

從圖1四種重金屬元素等值線圖中色階的顏色分布中可以看出：Zn的含量最高含量為27 mg/kg～346 mg/kg，其次是Cr含量為5 mg/kg～128 mg/kg，然后是Cu含量為11 mg/kg～88 mg/kg，Ni的含量最低，含量為15 mg/kg～39 mg/kg。

（1）從圖1中Cr含量等值線圖中可知，研究區內共有3個Cr濃度異常，分別在西北邊2個，另外一個在東北邊靠公路附近，其中東北邊靠公路附近的濃度異常基本呈現圓形，長1 km，寬1 km，面積大概有1 km2，其含量平均為110 mg/kg左右。西北邊兩個濃度異常都有向外延伸，面積大概分別為0.3 km2和0.4 km2，其含量平均值分別為100 mg/kg和80 mg/kg。（2）從圖1中Ni含量等值線圖中可知，研究區內共有3處Ni濃度異常，分別在北邊、東北邊和南邊，其中東北邊靠公路旁邊的濃度異常呈心形，長2 km，寬1 km，由于外圍沒有采集數據，異常同樣在向外圍延申，面積大約2.5 km2，其含量平均值大約為37 mg/kg。北邊異常濃度較小，范圍也較小。南邊異常有很大一部分在測量之外區域，長度大概有2 km，寬度大概有0.5 km，面積1 km2，含量平均值大約為33 mg/kg。（3）從圖中Cu含量等值線圖中可知，研究區共有3處Cu濃度異常，分別在北邊、東北邊和南邊，其中南邊濃度異常呈半圓形，長度大概1 km，寬度大概0.5 km，面積約有0.5 km2，平均含量約為85 mg/kg。東北邊異常呈三角形分布，異常同樣在向外延申，長大概1 km，高大概0.5 km，面積大約0.8 km2，平均含量約為80 mg/kg。北邊異常較小面積大約有0.2 km2，平均含量約為65 mg/kg。（4）從圖中Zn含量等值線圖中可知，研究區共有3處的Zn濃度異常，其中南邊一處濃度異常，北邊有一處濃度異常，另外一處在東北邊靠公路附近，且此處濃度異常平均值為300 mg/kg，呈三角形形狀，同樣在向外圍延申，長大約為0.8 km，高大約為0.4 km，面積大概為0.5 km2。北邊濃度異常范圍較小，且含量不太高。南邊濃度異常呈半圓形，且可判斷向外圍延申的異常較大，其中長大約為1 km，寬大約為0.8 km，面積大概為1 km2，此處濃度異常平均值為190 mg/kg。

結合四種元素含量等值線圖，不難發現存在一定的規律，其中Zn、Cu、Ni異常分布比較相似，說明污染軌跡相同。并且四種異常分布主要在測量區邊緣地帶，邊緣地區是生活區和公園相結合的部分，邊緣地帶人們活動較強污染也較強。由圖2的潛在生態危害指數RI等直線圖可知，RI值均未超過150，屬于輕微生態危害。RI相對高值同樣有三個區域，分別分布在南邊，東北邊和北邊，都向外圍延申。其中南邊呈半圓形，長大概為3 km，寬大概為1.5 km，面積大概為3 km2，平均RI值約為20。東北邊靠近公路的區域呈梯形，其中長大約為3 km，寬大約為2 km，面積大概為6 km2，平均RI值約為20。北邊區域呈三角形，長大約為1 km，高大約為0.5 km，面積大概為0.8 km2，平均RI值約為18。區域內邊緣地帶危害風險指數相對較高，與人類活動強烈有關，圖中右上角位于公路右側有一高危害指數區域，從圖1中也反映出同樣的結果，后據調查該區域表層土壤為轉移土壤，極有可能是土壤被污染后搬運至此。

圖2 潛在生態危害指數RI等直線圖

4　結論

城市地表土壤重金屬污染監測是環境監測中一項需要長期堅持的重要工作，重金屬的污染會不斷惡化人們生活環境。本文采用潛在生態危害指數法對研究區域開展調查分析并用克里金插值方法進行插值數據處理，結合sufer軟件繪制了Cr、Ni、Cu、Zn四種重金屬元素含量等值線線圖和污染指數RI等值線圖，得出了四種重金屬污染元素濃度含量大小：PZn＞PCr＞PCu＞PNi。四種重金屬元素污染在空間上有一定規律，即分布位置基本相同，主要分布在研究區南邊和北邊以及東北邊的邊緣地區和道路兩側，研究區邊緣地區是城區和綠心公園的結合地帶主要是人們在此區域日常生活造成的污染，而道路兩側的重金屬元素污染主要是主干道上汽車尾氣排放和汽車輪胎摩擦造成的污染，以及由于之前原住農民房屋基地建設轉移來的土壤造成的污染。由RI等值線圖可知區域內RI指數均為超過150，屬于輕微生態危害，相對高指數值與四種元素污染異常分布基本相同，基本分布在研究區邊緣地區和主干道路兩側，并且有向研究區中心擴展趨勢。該研究結果分析確定了污染源和污染區域，為城市生態環境重金屬污染監測和治理提供了有利的參考價值。

根據此次調查研究結果提出以下建議供參考：一是對公園內主干公路實行管制措施，或者提醒大家可以繞道通過，尤其是早晚出行高峰期，從而減少汽車尾氣排放以及汽車輪胎摩擦對公園的污染；二是控制公園內游覽人數，由于公園有一定的承載限度，游覽人數過多會容易破環公園的環境質量針對節假日可以實行預約制度，從而可以減少人為活動過強對公園的影響；三是對公園內轉移土壤進行有效治理；四是對公園邊緣地帶采取一些宣傳措施提高人們對該過渡地區的環境保護意識等。

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Study on Heavy Metal Pollution in Urban Topsoil

With the continuous expansion and construction of the city and the continuous convergence of urban population, the urban environmental quality is constantly facing new problems. It is urgent to investigate and study the urban topsoil in order to obtain the pollution source and pollution area. In this paper, the contents of Cr, Ni, Cu and Zn in surface soil were collected by X-ray fluorescence instrument, the measured data were analyzed by potential ecological hazard index method, and the content contour map of four elements and potential hazard index contour map in the region were obtained, which provided a reference evidence for pollution source monitoring, control and treatment.

environment; heavy metal elements; ecological hazard index method;contour map

X53

A

1008-1151(2022)01-0028-04

2021-11-29

譚垚（2002－），男，四川樂山人，四川輕化工大學學生，研究方向為高分子化合物。