徐永新，王曉旭

(許昌學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與園林學(xué)院,河南 許昌 461000)

2005年全球城市人口數(shù)量為31.7億，預(yù)計(jì)到2030年將增長(zhǎng)至49億.同時(shí)，中國(guó)城市人口比例將達(dá)到62.3%，約9.1億人.由此可見，城市將成為人們未來活動(dòng)的重要場(chǎng)所[1-3].目前，中國(guó)的工業(yè)化和城市化正在迅速增長(zhǎng)，在帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也引發(fā)了一系列的資源和環(huán)境問題，成為城市發(fā)展的阻礙.城市土壤在環(huán)境中的作用至關(guān)重要，不僅能為微生物和植物的生長(zhǎng)提供場(chǎng)所和養(yǎng)分，也是人類居住和活動(dòng)的重要場(chǎng)所[4].城市土壤重金屬多半受土壤母質(zhì)和人類活動(dòng)的影響，而人為因素為其主要影響因素.重金屬可能會(huì)長(zhǎng)時(shí)間積累在土壤中，不會(huì)因?yàn)樽匀煌嘶^程而發(fā)生遷移或降解，某些重金屬元素通過人類攝入的食物和吸入的灰塵進(jìn)入人體，直接對(duì)人類健康造成威脅.同時(shí)，它能阻礙營(yíng)養(yǎng)鹽的有效供應(yīng)并控制土壤中微生物的活性，因此，判斷重金屬污染的強(qiáng)度、來源等特征就顯得尤為重要，這可以為土壤修復(fù)和制定控制措施提供參考，從而控制其污染，保護(hù)城市生態(tài)環(huán)境[5].

隨著人們對(duì)土壤環(huán)境的重視，城市土壤重金屬已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱門話題，目前，有大量的學(xué)者對(duì)上海、西安、北京、貴陽等大、中型城市土壤的重金屬的含量、分布及來源進(jìn)行探討，但對(duì)于小型城市的研究相對(duì)缺乏[6].登封作為旅游業(yè)發(fā)達(dá)的小城市，2010年已經(jīng)成功申報(bào)世界文化遺產(chǎn)—“天地之中”歷史建筑群.隨著旅游業(yè)的發(fā)展，登封市人流量和車流量增多，環(huán)境污染愈加嚴(yán)重.城市土壤作為人類生產(chǎn)和生活的主要載體，其質(zhì)量的好壞與人類息息相關(guān).登封市城市土壤質(zhì)量如何，目前未見詳細(xì)報(bào)道.因此，本研究以此作為切入點(diǎn)，主要研究登封市城市土壤重金屬含量，并對(duì)其特征以及污染程度進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，以期為登封市的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù).

1 材料和方法

根據(jù)研究區(qū)范圍及研究?jī)?nèi)容的需要，將研究區(qū)劃分為500 m×500 m的網(wǎng)格，并確定采樣點(diǎn)及樣品數(shù)量，確保采樣點(diǎn)位置分布相對(duì)均勻(圖1).實(shí)際取樣時(shí)，由于客觀原因,一部分采樣點(diǎn)成為無效樣點(diǎn).因此，在確保采樣點(diǎn)分布均勻的情況下，調(diào)整并記錄采樣點(diǎn)的實(shí)際位置.采樣時(shí)，依照“梅花形”布設(shè)方法，在每個(gè)有效樣點(diǎn)4 m2的范圍內(nèi)布設(shè)五個(gè)子樣點(diǎn)，用鐵鏟采集土壤表層20 cm的子樣，將五個(gè)子樣充分混合，并將土樣放入自封袋中進(jìn)行編號(hào)保存，每份土壤樣品500 g，共獲得52份樣品.

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布示意圖

將采集的土樣放在實(shí)驗(yàn)室的通風(fēng)處進(jìn)行自然風(fēng)干，剔除土樣中的碎石、根系等雜物，用木棍碾碎，接著將碾碎的土樣過0.25 mm的土壤篩，放入無磁性樣盒中編號(hào)備用.本研究使用Thermo Scientific Niton XL3t元素分析儀和PHS-3C型pH計(jì)對(duì)已經(jīng)預(yù)處理好的土壤樣品進(jìn)行重金屬和pH值的測(cè)定.

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)城市土壤重金屬含量特征

對(duì)采集的52個(gè)土壤樣品中的重金屬元素進(jìn)行測(cè)定，統(tǒng)計(jì)Pb、Zn、Cu、Mn、Cr的最大值、最小值、平均值、變異系數(shù).由表1可知，這五個(gè)元素的平均值依次為30.73、85.05、46.36、406.60、62.44 mg·kg-1，Cu的含量是背景值的2.35倍，遠(yuǎn)高于河南省的背景值，說明Cu在土地表層有明顯的富集，Pb、Zn分別為其背景值的1.57、1.36倍，說明兩種元素在研究區(qū)內(nèi)有一定程度的富集，Mn、Cr平均值與土壤背景值接近，分別是其背景值的0.73、0.98倍，兩者污染較輕.由此可見，研究區(qū)土壤中Pb、Zn、Cu、Mn、Cr五種元素的污染程度不同，其中Cu、Pb、Zn的污染較嚴(yán)重.

研究區(qū)內(nèi) Pb、Zn、Cu、Mn、Cr的含量變化范圍分別是10.84～94.32、37.16～316.41、33.19～72.43、261.08～577.32、39.03～101.42 mg·kg-1，含量變化明顯.Pb、Zn、Cu、Cr、Mn五種元素的最大值分別是最小值的8.70、8.15、3.77、5.21、2.34倍，說明五種元素受外界不同程度的影響.由數(shù)據(jù)可知，前四種元素空間分異大，可能受到交通或其他人類活動(dòng)的影響,而Mn元素的平均值接近于河南省的土壤背景值.因此，Mn元素的污染源可能來自于自然條件中母巖或生物殘?bào)w.

將研究區(qū)土壤重金屬含量與《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618-1995)》中的土壤質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比[7]可發(fā)現(xiàn)，Cu、Pb、Zn、Cr四種元素在研究區(qū)內(nèi)都有不同程度的超標(biāo).與國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量中的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)相比，有76%的樣品中Cu的含量超標(biāo)，最大值為93.64 mg·kg-1；有19.23%的樣品中Zn的含量超標(biāo)，最大值為316.41 mg·kg-1；有17.3%的樣品中Pb的含量超標(biāo)，最大值為94.32 mg·kg-1；Cr只有3.8%的樣品超標(biāo)，最大值為101.42 mg·kg-1.52個(gè)樣品中Mn的含量均未超標(biāo)，最大值為577.32 mg·kg-1.總體而言，登封市城市土壤重金屬污染較輕，但某些元素對(duì)登封市土壤污染的貢獻(xiàn)率較大.

表1 登封市城市土壤重金屬含量

2.2 城市土壤重金屬元素的相關(guān)性

土壤中重金屬各元素的來源是否一致，可以通過對(duì)其相關(guān)關(guān)系的研究來判斷.本研究對(duì)各重金屬元素間的相關(guān)性作出分析(表2)，由表2可知，登封市城市土壤中的重金屬元素間存在著相關(guān)或顯著的相關(guān)性，Pb與Cr在0.01的置信水平下呈極顯著正相關(guān)，兩元素的相關(guān)系數(shù)為0.732；Pb與Zn、Zn與Cr、Cu與Cr的相關(guān)系數(shù)依次是0.678、0.556、0.415，呈顯著正相關(guān)；Cu與Pb， Mn與其他四種元素均為弱相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)介于0.186～0.372之間；Zn與Cu的相關(guān)系數(shù)為-0.109，其絕對(duì)值接近于0，說明兩元素之間有較弱的負(fù)相關(guān)性.由數(shù)據(jù)可知，Cr可能與Pb、Zn、Cu有相同來源，Pb與Zn可能為相同來源，Mn與其他元素來源一致性的可能較小.

表2 登封市城市土壤重金屬元素含量相關(guān)系數(shù)

2.3 城市土壤重金屬與pH的關(guān)系

研究表明，土壤的pH值越高，重金屬元素陽離子的溶解度就越小，活性也越小，導(dǎo)致其在固相上吸附能力上升，同時(shí)土壤溶液的重金屬濃度下降[8].研究結(jié)果表明：土壤樣品pH的平均值為7.40，與土壤酸堿性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照可知，登封市城市土壤屬于中性土，其值的變化介于6.18～9.49，說明登封市不同區(qū)域內(nèi)土壤pH值存在一定的差異.其pH值的標(biāo)準(zhǔn)差為0.65，變異系數(shù)為8.80%，說明登封市土壤pH值屬于弱變異，人為因素對(duì)其貢獻(xiàn)率較小.

通過SPSS 20.0軟件統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算登封市城市土壤重金屬各元素含量與土壤pH之間的相關(guān)系數(shù)(表3).由表3可知，pH值與Pb、Cr、Cu均屬于正相關(guān)，與Zn和Mn屬于負(fù)相關(guān)；土壤pH值與Pb與相關(guān)系數(shù)為0.425，屬于顯著線性相關(guān)，與Cr、Cu、Zn、Mn均屬于弱線性相關(guān)，說明登封市城市土壤中Pb的活性受到pH值的影響最大，與其他元素相比，土壤對(duì)Pb的吸附容量受到土壤酸堿度的影響較大.

表3 登封市土壤重金屬元素與pH值的相關(guān)系數(shù)

3 登封市城市土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

3.1 單因子指數(shù)污染評(píng)價(jià)

運(yùn)用單因子指數(shù)法，對(duì)登封市城市土壤中Pb、Zn、Cu、Mn、Cr各元素進(jìn)行污染評(píng)價(jià)(表4)[9].整體來看，登封市城市土壤重金屬污染較輕.Cu、Pb、Zn的污染指數(shù)分別為2.67、1.56和1.28，屬于輕度污染；Cr的污染指數(shù)為1.00，存在有潛在污染；而Mn元素未出現(xiàn)污染，其污染指數(shù)為0.74.

表4 登封市城市土壤重金屬單因子污染指數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.2 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法污染評(píng)價(jià)

通過計(jì)算內(nèi)梅羅綜合指數(shù)，采用定量的方法對(duì)登封市城市土壤重金屬污染進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)(表5)[10].從整體上看，登封市城市土壤的總體污染指數(shù)為2.15，為中度污染.具體來看，不同土地利用的污染特征如下：交通、商業(yè)、農(nóng)業(yè)用地和荒地四種用地類型的污染指數(shù)分別是2.63、2.52、2.55、2.33，均屬于中度污染.這可能與汽車尾氣排放、垃圾的處理不當(dāng)或肥料的施放有關(guān).重金屬對(duì)農(nóng)業(yè)用地的污染可能危害到糧食安全，進(jìn)而危害人類身體健康，應(yīng)受到人類的足夠重視.市政文教、公園綠地、居住用地的污染指數(shù)分別是1.72、1.97、1.78，均屬于輕度污染，所以，該區(qū)內(nèi)的重金屬可能源于土壤母質(zhì)，而人為因素加劇土壤污染.由此可見，登封市城市土壤的重金屬污染與機(jī)動(dòng)車尾氣排放、人類垃圾處理不當(dāng)?shù)刃袨槊芮邢嚓P(guān).

對(duì)研究區(qū)內(nèi)52個(gè)土壤樣品進(jìn)行內(nèi)梅羅綜合指數(shù)統(tǒng)計(jì)表明：清潔樣品和警戒樣品的數(shù)量均為0，52%的樣品屬輕度污染，33%的樣品屬中度污染，15%的樣品屬重度污染.因此，登封市城市土壤重金屬污染較輕，但局部地區(qū)污染嚴(yán)重，應(yīng)予以重視.

表5 登封市城市土壤重金屬綜合污染評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié)語

為研究登封市土壤重金屬污染特征，通過對(duì)Pb、Zn、Cu、Mn、Cr五種元素進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)，元素間相關(guān)分析，土壤重金屬與pH值相關(guān)性分析，并結(jié)合單因子指數(shù)和內(nèi)梅羅指數(shù)對(duì)研究區(qū)土壤實(shí)施評(píng)價(jià)，得出以下結(jié)論：

(1)登封市城市土壤的重金屬Pb、Zn、Cu、Mn、Cr這五種元素的平均值分別為30.73、85.05、46.36、406.60、62.44 mg·kg-1，均屬于中等變異，其土壤pH的平均值為7.40，屬于中性土，變異系數(shù)為8.80%，屬于弱變異.

(2)Cr可能與Pb、Zn、Cu有相同來源，Pb與Zn可能為相同來源，Mn與其他元素來源一致性可能較小.通過對(duì)pH值與重金屬元素的相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，土壤對(duì)Pb的吸附容量受到土壤酸堿度的影響較大.

(3)與其他元素相比，Cu的污染指數(shù)最高，污染最嚴(yán)重，其污染指數(shù)排序?yàn)镃u>Zn>Pb>Cr>Mn.七種用地類型中，交通用地的污染最為嚴(yán)重；市政文教用地污染最輕.

從整體上看，在登封市城市的七種不同用地類型中，交通用地的污染最為嚴(yán)重；五種重金屬元素中Cu的污染最為嚴(yán)重，在登封市未來的發(fā)展過程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)交通用地的管理，提倡市民多使用自行車、公共汽車或新能源汽車；同時(shí)，增加城市公共設(shè)施和衛(wèi)生設(shè)施，減少由于人類對(duì)垃圾處理不當(dāng)而形成的土壤污染；提高市民素質(zhì)，增強(qiáng)市民環(huán)保意識(shí)，逐步改善登封市城市的土壤環(huán)境質(zhì)量.