張嘉暉，李衛(wèi)華，伍昌年，黃木易

(安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引言

在環(huán)境污染類型中，重金屬的污染尤為嚴(yán)重且難被治理[1]。過量攝入重金屬會對健康產(chǎn)生潛在的負(fù)面影響，如過量攝入Pb可能會導(dǎo)致人體的智力下降，在嚴(yán)重情況下還會損害人腦；過量的Zn、Cd、Cu將會導(dǎo)致內(nèi)分泌失調(diào)等問題，甚至?xí)p害人的呼吸系統(tǒng)[2]。由參考研究可知，受到污染的超標(biāo)點位在我國土壤中達(dá)到了16.1%，我國西南和東南地區(qū)內(nèi)土壤重金屬的污染較為嚴(yán)重[3]?？梢?，我國土壤環(huán)境的整體質(zhì)量堪憂，土壤重金屬的污染在部分地區(qū)較為嚴(yán)重。因此，對土壤污染的研究，特別是研究土壤重金屬污染的問題，國內(nèi)學(xué)者應(yīng)當(dāng)引起重視[4]。國內(nèi)外學(xué)者已對土壤重金屬污染問題進(jìn)行了研究。如Djordje[5]對塞爾維亞銅冶煉廠周圍重金屬元素進(jìn)行研究分析得到，Cu、Mn和Cd 含量分別達(dá)到 2540 mg·kg-1、1300 mg·kg-1和6 mg·kg-1，嚴(yán)重超過土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。Kerstin[6]對德國東南部維爾斯河上游平原周圍的土壤調(diào)查顯示，Pb含量較高，超出了土壤標(biāo)準(zhǔn)值。如楊碩等[7]發(fā)現(xiàn)農(nóng)田土壤里的Pb主要來自大氣塵埃，Hg則是來自農(nóng)藥，調(diào)查研究的地點位于河北曹妃甸的當(dāng)?shù)剞r(nóng)田；劉紅斌等[8]研究發(fā)現(xiàn)太原市周邊地區(qū)5種重金屬中，被人為活動影響明顯的重金屬有Cd、Cr、Pb和Hg，污染評價的結(jié)果表明，研究區(qū)污染情況較為嚴(yán)重，已達(dá)到重度污染。土壤重金屬直接關(guān)系到人體健康和生態(tài)食物安全，為了能更好地發(fā)展生態(tài)園產(chǎn)業(yè)和利用城市核心區(qū)周邊的土地，有必要對本地區(qū)土壤重金屬含量情況進(jìn)行調(diào)查和評價。

本文選擇合肥市大圩生態(tài)園的土壤為研究對象。經(jīng)過野外采樣得到一批土壤樣品，首先，對土壤重金屬的含量在室內(nèi)進(jìn)行了分析測定與統(tǒng)計，其次，采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法對大圩生態(tài)園進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險評價，并采用主成分分析以及GIS技術(shù)分析了土壤中各重金屬元素之間的相關(guān)性和空間分布特征[9-10]。最后，將就生態(tài)園土壤重金屬污染物的來源以及驅(qū)動力進(jìn)行深入解析，為合肥市生態(tài)園的環(huán)境污染治理和生態(tài)風(fēng)險評價提供科學(xué)指導(dǎo)[11]。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

大圩生態(tài)園東臨南淝河，北瀕巢湖，位于合肥市東南，距離主城區(qū)約10 km，年平均氣溫約16.5℃，年平均降雨量約1000 mm，土壤主要以菜園土為主，土壤熟化高，土壤類型以黃色粘土為主。

1.2 樣品采集

土壤樣品的采集是按照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》的要求，隨機的在大圩生態(tài)園種植區(qū)內(nèi)選擇某個有種植園的區(qū)域作為采樣區(qū)域。在采樣區(qū)域里，用梅花布點法取共75個采樣點，然后對生態(tài)園地表層土(0～20 cm)周邊取樣土，取得的樣土混合均勻后放入土壤樣品袋中。采集的樣品自然風(fēng)干后，研磨且篩過100目尼龍篩，密封保存待測。在合肥市生態(tài)園區(qū)進(jìn)行采樣，樣品采集多在大圩采摘果園地區(qū)，采樣點位見圖1。

圖1 研究區(qū)采樣點示意

1.3 樣品處理分析方法

用賽默飛世爾科技公司產(chǎn)的XL-3t960型手持式XRF元素分析儀來測定土壤樣品中含量較大的Cr、Mn，分析儀可適應(yīng)-10°C～50°C 的環(huán)境溫度，檢出限的范圍在1～20 mg·kg－1。每個樣品重復(fù)測3次，每次的測量時間為1 min，并且認(rèn)為精確測得的數(shù)據(jù)是在變異系數(shù)為15%以內(nèi)的。含量較低的Cu、Zn、Cd、Pb，采樣區(qū)得到土壤樣品后，在適宜條件下進(jìn)行風(fēng)干，干燥后，將土壤樣品用研缽研磨并通過100目的尼龍網(wǎng)將其過篩。碾碎樣品后，將其充分混合，取0.1 g研磨之后的樣品對其進(jìn)行硝化處理。硝化的過程中使用逆王水，并通過微波消解儀加熱，能將樣品中的硝酸鹽和其它各種形態(tài)物質(zhì)基本溶解掉，使各種元素變?yōu)橛坞x態(tài)。最后將樣品中的元素用Perkinlimer公司產(chǎn)的Optima 8000型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP)進(jìn)行測量。

1.4 數(shù)據(jù)處理分析方法

Hakanson建立了一套評價重金屬潛在生態(tài)危害的方法，即潛在生態(tài)危害指數(shù)法，它從沉積學(xué)的角度出發(fā)，根據(jù)周圍環(huán)境特點以及重金屬的性質(zhì)[12]。重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險單項因子的計算公式[13]如式(1)：

本評價采用的是合肥市土壤背景值算術(shù)平均值[14]，式中為某重金屬的毒性系數(shù)，Ci為重金屬含量，為參考值。且多個重金屬的之和即為重金屬的綜合生態(tài)風(fēng)險指數(shù)RI：

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬元素在表層土壤中的統(tǒng)計描述

大圩研究區(qū)內(nèi)土壤樣品重金屬元素含量采用如下5個統(tǒng)計指標(biāo)進(jìn)行初步的分析統(tǒng)計：最大值、平均值、最小值、變異系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果見表1。

表 1 顯示了土壤樣品重金屬 Cu、Cd、Mn、Zn、Pb、Cr 的平均含量分別為 30.93、3.55、334.35、48.64、19.81、72.41 mg·kg-1，表 1 列出的 6 種元素中，Mn、Zn、Pb的含量低于中國土壤背景值。Cu平均濃度為30.93 mg·kg-1，高于中國土壤背景值Cu的濃度 22.6 mg·kg-1，Cd 的平均濃度為 3.55 mg·kg-1，高于中國土壤背景Cd的濃度0.097 mg·kg-1，Cr平均濃度為72.41 mg·kg-1，高于中國土壤背景值Cr的濃度61 mg·kg-1。上述重金屬含量均高于《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-1995)二級標(biāo)準(zhǔn)，可能是該生態(tài)園采樣區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、道路交通等人為原因較多。每個采樣點的平均變異程度即為變異系數(shù)，主要表示為此類金屬元素受到人為影響的程度，即變異系數(shù)大的這些元素的分布可能會受到更多的人為影響因素，而變異系數(shù)較小的元素主要基于局部背景含量[15]。且研究區(qū)內(nèi)的6種金屬元素變異程度平均值依次為：Cd＞Mn＞Cu＞Zn＞Pb＞Cr。從初步分析變異系數(shù)可知，Cd、Mn、Cu可能受到較為明顯的人為影響。以上結(jié)果表明，大圩生態(tài)園地表顆粒物中已經(jīng)出現(xiàn)一定程度的重金屬富集現(xiàn)象，其中Cd的富集程度最嚴(yán)重。大圩生態(tài)園作為合肥著名的生態(tài)旅游景區(qū)，交通運輸業(yè)和旅游業(yè)發(fā)達(dá)，人流量大，旅游觀光車輛多，可能是導(dǎo)致顆粒物重金屬富集的主要原因。

表1 土壤中重金屬元素含量的參數(shù)統(tǒng)計 (mg·kg-1)

2.2 重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價

目前用于估量重金屬元素與生態(tài)環(huán)境的主要生態(tài)風(fēng)險方法為Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法[16]。研究區(qū)域內(nèi)單項生態(tài)風(fēng)險因子和多個重金屬元素的生態(tài)風(fēng)險綜合指數(shù)RI如表2所示。合肥市土壤重金屬元素背景值作為分析的參比值，研究區(qū)土壤中 Cu、Cd、Mn、Zn、Pb、Cr合肥市土壤背景值分別為 28、0.06、777、60、26、83 mg·kg-1。大圩生態(tài)園內(nèi)土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險因子如表3所示，分析單個金屬元素可知，Cd元素的平均潛在生態(tài)風(fēng)險因子大于320，屬于極高生態(tài)風(fēng)險。Cu、Mn、Zn、Pb、Cr的平均潛在生態(tài)風(fēng)險因子分別為5.52、17.21、0.81、3.81、1.74 均小于 40，因此這五類元素危害均為輕微，危害程度依次為通過多個重金屬元素的分析，得到研究區(qū)域內(nèi)重金屬的綜合生態(tài)風(fēng)險指數(shù)平均值為141.9，屬于低生態(tài)風(fēng)險。分析結(jié)果表明研究區(qū)范圍內(nèi)潛在風(fēng)險的總體水平處于輕微污染，

2.3 土壤重金屬元素的主成分分析

人類的活動和成土母質(zhì)是土壤重金屬的主要來源，主成分分析可以有效的確定重金屬元素的污染源[17]。在通過上述的相關(guān)分析后，得到大部分重金屬元素之間存在著顯著的相關(guān)性，且KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)檢驗統(tǒng)計值為0.784，表明主成分分析得到的結(jié)果具有統(tǒng)計意義。通過表4與表5中土壤重金屬含量的分析結(jié)果，可以得知對前2個主成分進(jìn)行分析后，即能得到大部分信息有關(guān)于所測得6種重金屬的數(shù)據(jù)量。分析污染來源時，同一污染源之間可能會存在一定的相關(guān)性。

由表 4可知，第一主成分(F1)貢獻(xiàn)率為43.49%，Cu、Cr、Pb在主成分因子1中占有較高的載荷。這3種元素中Cu、Cr的平均值均明顯超過了合肥市土壤背景值，且Cu、Cr、Pb兩兩之間存在極顯著相關(guān)，分析判斷出主成分1中這3種重金屬可能受到相同的污染源影響。研究區(qū)域內(nèi)的公路所引起的污染可能是它們的主要來源，一些研究得知，汽車尾氣、輪胎磨損、剎車磨損以及汽車的潤滑劑可能是土壤重金屬的重要來源[18]。因此，第一主成分主要被認(rèn)為是交通運輸?shù)牡热藶橛绊憽?/p>

表2 Hakanson潛在生態(tài)危害指標(biāo)與分級關(guān)系

表3 采樣區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)

第二主成分(F2)的貢獻(xiàn)率為19.59%，Mn、Zn、Cd在主成分因子2中占有較大的載荷。Mn、Zn這2種元素的平均值均未超過合肥市土壤背景值，早期研究得出的結(jié)論認(rèn)為Mn和Zn在土壤表層的含量受人為活動影響較小，主要是受成土母質(zhì)或母巖的風(fēng)化等自然源的影響[19]。這類金屬受外環(huán)境影響較小，因此，第二主成分主要被認(rèn)為是成土母質(zhì)等自然因素的影響。

表4 重金屬主成分分析結(jié)果

表5 土壤重金屬主成分荷載分析

2.4 土壤重金屬空間分布特征

由合肥市大圩生態(tài)園75個采樣點為基礎(chǔ)，再通過反距離權(quán)重插值方法對6種重金屬進(jìn)行插值，可以很直觀地得到6種重金屬元素的分布情況(圖2)。

從圖2可知，研究區(qū)中各個重金屬元素空間分布還是有明顯差異的，高值區(qū)主要分布呈島狀。Mn高值區(qū)主要分布在研究區(qū)的北部，Zn高值區(qū)分布在研究區(qū)的西北部，次高值區(qū)分布在研究區(qū)的北部，Cd、Cr高值區(qū)主要分布在研究區(qū)的東北與東南部；Cu高值區(qū)主要分布在研究區(qū)南部、西北部以及東部；Pb高值區(qū)主要分布在研究區(qū)的西北部與東南部。綜上所述，各重金屬高值區(qū)多數(shù)分布在研究區(qū)偏北部區(qū)域，其次為東南部區(qū)域。

3 結(jié)論與討論

(1)研究區(qū)土壤中 Cu、Cd、Mn、Zn、Pb 和 Cr的平均含量分別為 30.93、3.55、334.35、48.64、19.81、72.41 mg·kg-1。其中Cd、Cu含量高于合肥的土壤背景值，與《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618-1995)相比較，Cu、Cr、Cd 存在不同程度的超標(biāo)，Cd 超標(biāo)率最高，生態(tài)園土壤受到不同程度的重金屬污染。

(2)與合肥市土壤重金屬背景值相比，研究區(qū)的重金屬含量沒有體現(xiàn)出明顯的累積，總體含量偏低，呈輕度污染；Cu、Mn、Zn、Pb、Cr的平均潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)分別為 5.52、17.21、0.81、3.81、1.74，生態(tài)危害程度均為輕微；但Cd元素的平均潛在生態(tài)風(fēng)險因子大于80，屬于較高生態(tài)風(fēng)險，是研究區(qū)重金屬污染防治的重點。

圖2 研究區(qū)土壤重金屬插值圖

(3)通過主成分分析和反距離權(quán)重插值法顯示，研究區(qū)核心范圍的土壤中重金屬的富集具有一定的分布特性，其受施用化肥、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)活動與人類活動影響明顯。Mn、Zn的主要富集地區(qū)為研究區(qū)的北部，Cr、Cd的含量突出地區(qū)均處于研究區(qū)的東南和南部，Cu的含量突出地區(qū)為研究區(qū)的西北部與南部，Pb的含量突出地區(qū)處于研究區(qū)的西部，東南部。

本文通過研究區(qū)的野外采樣和室內(nèi)分析，基于風(fēng)險評價、空間分析等方法對大圩生態(tài)園區(qū)土壤重金屬含量、生態(tài)風(fēng)險及空間分布特征進(jìn)行了分析。后期將繼續(xù)加強生態(tài)園區(qū)的外圍采樣，并與研究區(qū)核心范圍采樣做深入對比，將就生態(tài)園土壤重金屬污染物的來源以及驅(qū)動力進(jìn)行深入解析。同時，將進(jìn)一步加強生態(tài)園區(qū)農(nóng)產(chǎn)品中的重金屬與土壤重金屬含量的相關(guān)性分析，為生態(tài)園區(qū)的污染治理和綠色生態(tài)經(jīng)濟發(fā)展提供調(diào)控與管理決策依據(jù)。