周 燕, 李勁彬

(1.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,陜西 西安 710075； 2.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,陜西 西安 710075； 3.陜西省土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710061；4.陜西省土地整治工程技術(shù)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(dòng)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(tài)破壞和環(huán)境質(zhì)量惡化的現(xiàn)象[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界平均每年排放Hg約1.5萬(wàn)t，Cu 340萬(wàn)t，Pb 500萬(wàn)t，Mn 1500萬(wàn)t，Ni 100萬(wàn)t[2,3]。長(zhǎng)期以來(lái)，頻繁的人類活動(dòng)使城市土壤遭受強(qiáng)烈的干擾，造成嚴(yán)重的重金屬污染。土壤既是城市空間的納污場(chǎng)和凈化場(chǎng)，又是城市水、氣等環(huán)境要素的二次污染源。城市土壤的健康是都市圈生態(tài)系統(tǒng)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(xiàn)出來(lái)，就難以消除[5]。城市公園作為城市居民休閑娛樂(lè)的聚集地，與城市居民的日常生活十分密切、息息相關(guān)。其土壤質(zhì)量狀況對(duì)游客的身體健康具有重要影響，尤其對(duì)兒童這個(gè)特殊群體[6]。因此城市公園土壤的重金屬污染應(yīng)得到廣泛的關(guān)注。國(guó)內(nèi)已有大量學(xué)者基于公園土壤重金屬污染進(jìn)行過(guò)研究[7～11]。

而土壤作為污染物質(zhì)的重要儲(chǔ)存介質(zhì)，所以研究公園土壤中重金屬的污染問(wèn)題以及掌握其現(xiàn)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(lè)場(chǎng)所提供依據(jù)。本文通過(guò)對(duì)西安市17個(gè)公園樣品進(jìn)行測(cè)定，選取As、Cu、Zn、Ni、Mn、Co、Pb、Cr、Fe這 9種元素進(jìn)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(cè)定

樣品采集：本文所選取的17個(gè)樣點(diǎn)分別為西安市主要公園。采樣前，先對(duì)公園基本情況做前期調(diào)查。實(shí)際采樣過(guò)程中，根據(jù)每一個(gè)公園的面積大小，布設(shè)5～10個(gè)采樣點(diǎn)。每一個(gè)樣點(diǎn)采用對(duì)角線法進(jìn)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(gè)公園采集的所有樣品進(jìn)行混合，帶回一個(gè)質(zhì)量約為1 kg左右的土壤混合樣，總共17個(gè)土壤樣品。帶回后的土壤在室內(nèi)通風(fēng)處進(jìn)行自然晾干，初過(guò)20目(0.9 mm)的尼龍篩，去除草根、石頭、動(dòng)植物殘?bào)w等雜質(zhì)。然后再研磨過(guò)200目(0.074 mm)尼龍篩直至所有土壤樣品均通過(guò)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(cè)量，并注明采樣點(diǎn)、采樣日期、采樣人等具體信息。

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

運(yùn)用ARGGIS軟件得到采樣點(diǎn)示意圖(圖1)。分別為：灞橋生態(tài)濕地公園(P1)、唐城墻遺址公園(P2)、豐慶公園(P3)、城市運(yùn)動(dòng)公園(P4)、西安植物園(P5)、大明宮國(guó)家遺址公園(P6)、興慶宮公園(P7)、文景山公園(P8)、環(huán)南公園(P9)、文景公園(P10)、勞動(dòng)公園(P11)、曲江池遺址公園(P12)、蓮湖公園(P13)、長(zhǎng)樂(lè)公園(P14)、革命公園(P15)、兒童公園(P16)和新紀(jì)元公園(P17)。

2.2 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

2.2.1 單項(xiàng)污染指數(shù)法

單項(xiàng)污染指數(shù)法是指以某介質(zhì)中某污染物含量值與該污染物的限定值之比作為評(píng)價(jià)對(duì)象的污染指數(shù)Pi[12]，以此來(lái)確定主要的重金屬污染及其危害程度的方法。其具體評(píng)價(jià)模型為:

pi=Ci/Si

(1)

式(1)中：Pi為土壤中污染物的污染指數(shù)；Ci為土壤中重金屬的實(shí)測(cè)濃度(mg/kg或%)；Si為土壤中重金屬的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值(mg/kg或%),采用陜西省土壤背景值作為土壤重金屬的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。其中分級(jí)方法為：Pi≤1屬于清潔；13屬于重度污染。

2.2.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)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(shù)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(píng)價(jià)公式為:

(2)

式(2)中：P為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的綜合污染指數(shù)；Pimax為樣點(diǎn)最大單項(xiàng)污染指數(shù)；Piavg為樣點(diǎn)平均單項(xiàng)污染指數(shù)。根據(jù)P值變幅，確定的土壤質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為P≤0.7屬清潔(安全);0.73.0屬重污染。

2.2.3 地質(zhì)累積指數(shù)法

地質(zhì)累積指數(shù)(Igeo)[13]通常稱為Muller指數(shù)，不僅考慮了自然地質(zhì)過(guò)程造成的背景值影響，而且也充分注意了人類活動(dòng)對(duì)重金屬污染的影響，因此該指數(shù)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(dòng)對(duì)環(huán)境的影響，是區(qū)分人為活動(dòng)影響的重要參數(shù)。其計(jì)算公式為：

(3)

式(3)中，Cn為樣品中元素n的濃度，BEn為環(huán)境背景濃度值，1.5為修正指數(shù)， 通常用來(lái)表征沉積特征、巖石地質(zhì)及其他影響。Forstner等將地質(zhì)累積指數(shù)可分為7個(gè)級(jí)別，Igeo<0，污染級(jí)別為0級(jí)，表示無(wú)污染；0≤Igeo<1，污染級(jí)別為1級(jí)，表示無(wú)污染到中度污染；1≤Igeo<2，污染級(jí)別為2級(jí)，表示中度污染；2≤Igeo<3，污染級(jí)別為3級(jí)，表示中度污染到強(qiáng)污染；3≤Igeo<4，污染級(jí)別為4級(jí)，表示強(qiáng)污染；4≤Igeo<5，污染級(jí)別為5級(jí)，表示強(qiáng)污染到極強(qiáng)度污染；Igeo≥5，污染級(jí)別為6級(jí)，表示極強(qiáng)污染。

3 結(jié)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(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)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(gè)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(xiàn)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(xiàn)出很強(qiáng)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(shù)來(lái)看，Ni、Mn、Cr和Fe的變異系數(shù)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(shù)比較高，分別為：0.370、0.212、0.334和0.248,說(shuō)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(duì)西安市公園6種重金屬元素的變異系數(shù)研究比較一致。

無(wú)論是從變異系數(shù)還是累積強(qiáng)度兩個(gè)指標(biāo)來(lái)看，重金屬Pb、Cu和Co 3種重金屬元素在土壤表層有很強(qiáng)的累積性，原因可能是隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們生活質(zhì)量的提高，車輛、人為污染排放、工業(yè)排放和建筑裝飾材料的使用等都會(huì)造成污染物在土壤中的長(zhǎng)期累積富集從而造成嚴(yán)重污染。尤其是裝修活動(dòng)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(huì)造成Pb排放從而通過(guò)遷移在土壤中累積起來(lái)。

3.2 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)分析

以土壤背景值為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出單項(xiàng)污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)的結(jié)果見表2。從表2中可以看出，除As在P8和P1的單項(xiàng)污染指數(shù)分別為0.96和0.81小于1，表明在這兩個(gè)公園As沒有對(duì)土壤造成污染。其他9種元素在各公園的單項(xiàng)污染指數(shù)均大于1，對(duì)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(jí)別。其中，Pb在P15、P16和P13的指數(shù)大于3，達(dá)到了重度污染級(jí)別；Cu在P13為3.53達(dá)到了重度污染級(jí)別；Zn除在P15外其他公園均屬于輕度污染；Co對(duì)公園土壤屬于輕度污染到重度污染。從內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法可以得到：17個(gè)公園的結(jié)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(huán)境污染。其中，P15、P16、P13、P5的綜合污染指數(shù)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(yán)重，要引起相關(guān)部門的注意。主要原因是均位于市中心，建園時(shí)間比較早，受人為活動(dòng)影響時(shí)間比較久，以及市中心人流量車流量比較集中都會(huì)造成污染物的富集。

表2 西安市公園重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)

重金屬元素的地質(zhì)累積指數(shù)見表3。從表3中可以看出，元素Ni、Mn、Cr、As的地質(zhì)累積指數(shù)均小于0，屬于0級(jí)污染，表明這4種元素對(duì)公園表層土壤沒有造成污染。Fe、Pb、Co、Zn、Cu對(duì)公園表層土壤的污染介于0～2之間，屬于無(wú)污染到中度污染。Zn的地質(zhì)累積指數(shù)值除在P16、P3、P17、P11、P7、P15和P13這7個(gè)公園中指數(shù)大于0外，其他公園的地質(zhì)累積指數(shù)均小于0屬于無(wú)污染級(jí)別，說(shuō)明Zn對(duì)這7個(gè)公園表層土壤的污染較嚴(yán)重，屬于1級(jí)污染。Cu元素的地質(zhì)累積指數(shù)在P16、P15和P13這3個(gè)公園最高，分別為：0.896、0.750和1.234，介于1級(jí)污染到2級(jí)污染之間，其中蓮湖公園Cu污染最為嚴(yán)重，污染等級(jí)為2，屬于中度污染；在P12、P3、P17、P11、P7和P6的結(jié)果均大于0，出現(xiàn)了不同程度的污染；其余8個(gè)公園指數(shù)均小于0沒有造成土壤污染。Co的地質(zhì)累積指數(shù)均大于0，表明所有點(diǎn)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(jí)別達(dá)到2為中度污染，其余14個(gè)公園均介于無(wú)污染到中度污染之間。Pb元素的地質(zhì)累積指數(shù)除了在P2、P9、P8、P10和P4小于0未對(duì)土壤造成污染外，其余12個(gè)公園指數(shù)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(shù)分別為：1.293、1.112和1.185大于1，屬于2級(jí)污染，對(duì)公園土壤造成了中度污染。

表3 西安市公園重金屬地質(zhì)累積指數(shù)

4 結(jié)論

(1)17個(gè)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(xiàn)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(xiàn)出很強(qiáng)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(xiàng)污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)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(jí)別。其中，Pb在P15、P16和P13的指數(shù)大于3，達(dá)到重度污染級(jí)別；Cu在P13點(diǎn)位為3.53達(dá)到重度污染級(jí)別；Zn除在P15外其他公園均屬于輕度污染；Co對(duì)公園土壤屬于輕度污染到重度污染。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果表明：17個(gè)公園的結(jié)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(huán)境污染。

(3)地質(zhì)累積指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明：Ni、Mn、Cr、As 4種元素的地質(zhì)累積指數(shù)小于0，對(duì)公園表層土壤沒有造成污染。Pb、Co、Zn、Cu對(duì)公園表層土壤的污染等級(jí)介于0～2之間，屬于無(wú)污染到中度污染之間。其中，Pb在P15、P16和P13點(diǎn)位，Cu在P13點(diǎn)位，Co在P1、P6和P5點(diǎn)位達(dá)到了中度污染。