城市不同功能区土壤重金属特性分析——以南京市玄武区为例

余爱华，卢秀琳，2，周舒宇，佟 蕾

(1.南京林业大学 土木工程学院，南京 210037；2.福建农林大学 交通与土木工程学院，福州 350002)

土壤重金属污染是一种土壤无机污染，具有普遍性、表层积聚性、隐蔽性和不可逆性[1-4]。土壤中的重金属主要来源于工业污染、交通污染和生活垃圾污染[5-6]等。城市土壤重金属污染在很大程度上会造成农作物的污染、减产等严重的直接或间接经济损失[7-8]，使生物品质不断下降、危害人体健康[9-10]和导致生态系统退化等其他次生生态环境问题。在中国，城市土壤的重金属污染问题随着城市化进程的日趋严峻，已经成为一个全球性的研究热点问题之一[11-14]。

为了揭示城市化过程对城市土壤环境质量的影响，探究城市土壤重金属污染的特性，本研究以南京市玄武区为例，选择锁金村、藤子村、玄武湖公园和中央门，分别作为居民区、工业区、城市休闲区和交通繁忙区等4大功能区作为采样地点。通过对各功能区土壤中重金属Cr、Cd、Ni、Pb、Zn、Cu的含量进行测定，在单因子指数评价结果的基础上，采用内梅罗指数和污染负荷指数两种综合评价方法对各功能区土壤中重金属的综合污染水平进行分析，以期为城市土壤重金属污染的防治提供参考，为更准确地评价土壤表层重金属污染水平提供方法依据。

1 材料与方法

1.1 采样区的选择

江苏省南京市位于长江下游地区，距入海口347 km，北纬31°14′～32°37′，东经118°22′～119°14′。玄武区是南京市最大的中心城区，位于老城东北部，地处中纬度地区，面积80.97 km2，常住人口66.54万人(2012年)。又因玄武区区域范围很大，不易布点及采样，而在玄武区西北位置就已经分布有本次需研究的典型功能区，故将其作为整体采样区。

1.2 功能区选择

城市功能区分为居民区、工业区、城市公园休闲区以及交通繁忙区。

居民区指城市中的居住小区。锁金村位于所选定整体采样区的东南方向，该村村内活动与设施以居民的日常生活及饮食需求为主，主要是居民楼、学校、社区便利店、银行服务区和中小型餐饮店等。且该村人口众多，锁金村街道常住人口6.5万余人，流动人口9 000余人。是南京市较典型的一个居民区。

藤子村位于采样区东北方向，是南京玄武区的“工业第一村”，该村人口少，以流动人口为主，且村内居民主要进行各企业的工业生产活动，包括机械设备制造、塑料印刷、汽车修理、轮胎制造、弹簧生产和废品收购等，是典型的工业区。

城市公园休闲区是指在城市中的公园、城市大块绿地及位于城市中的高尔夫球场。玄武湖公园位于玄武区西南位置，是南京最大的城内公园，根据调查资料测算显示，景区双休日平均每天接待游客1～2万人，岛内公园主要以休闲娱乐活动为主，一般无交通工具进入，是城市休闲区的典型代表。

交通繁忙区是指城市中车流和人流集中的区域。南京中央门立交位于采样区西北位置，是鼓楼、玄武和下关三区交界的地方，经常造成交通拥堵。根据辛建丽[15]等人的调查数据可知，中央门立交实际交通量的最小值就已远超其设计通行能力469pcu/h。且该区域内有大型商业机构、商品批发市场以及酒店设施，使得中央门地区车流和人流量加剧，是典型的交通繁忙区。

1.3 样品的测定

利用德国进口的土壤污染运移监测系统00066833(TRIME-INNOV-X)中的土壤重金属测定仪测定各功能区表层(0～20cm)土壤Cr、Cd、Ni、Pb、Zn、Cu的含量，在同一个采样点测量三次，取平均值。所测数值与ICP所测数值进行对比，结果无显著差异，数据有效可用。

采样点尽可能遍布整个功能区，每个功能区取样80个，共320个有效样品数据。

2 土壤重金属污染评价

2.1 评价方法

2.1.1 单因子指数法(Single factor index)

单因子指数法计算公式：

Pi=Ci/Si。

(1)

式中：Pi为污染物单因子指数；Ci为实测浓度，mg/kg；Si为土壤环境质量标准，mg/kg。单项污染分级指标见表1。

表1 单因子污染指数分级

2.1.2 内梅罗(Nemerow index)综合指数法

内梅罗综合指数法(Nemerow index)计算公式：

(2)

式中：PN为内梅罗综合污染指数；Pmax为所有元素污染指数中最大值；Pave为所有元素污染指数的平均值。

评价分级标准见表2。

表2 土壤重金属内梅罗污染指数评价分级标准

2.1.3 污染负荷指数法(Pollution load index)

污染负荷指数法是Tomlinson等提出来的一种评价方法，该方法的评价模式为：

CFi=Ci/Coi。

(3)

(4)

(5)

式中：Ci为元素i的实测值(mg/kg)；Coi为元素i的评价标准(mg/kg)；n为评价元素的个数；m为评价点的个数；CFi为某单一金属最高污染系数；PLI为某点污染负荷指数；PLIzone为评价区域污染负荷指数。

若PLI<1，则污染等级0，无污染或轻度污染；若1≤PLI<2，则污染等级Ⅰ，中等污染；若2≤PLI<3，则污染等级Ⅱ，强污染；若PLI≥3，则污染等级Ⅲ，极强污染。

2.2 评价标准

本次研究以国家土壤环境质量标准为评价标准。国家土壤环境质量分级标准为：

一级标准：为保护区域自然生态，维持自然背景的土壤环境质量的限制值。

二级标准：为保障农业生产，维护人体健康的土壤限制值。

三级标准：为保障农林业生产和植物正常生长的土壤临界值。

锁金村居民区土壤与居民健康息息相关，故采用国家土壤环境质量二级标准；藤子村工业区、中央门交通繁忙区土壤属于污染物容量较大的高背景值土壤，只要求保证植物正常生长，故采用国家土壤环境质量三级标准；玄武湖公园休闲区属于国家规定的自然风景区，土壤质量要求比较高，故采用国家土壤环境质量一级标准。

各级国家标准值见表3。

表3 土壤环境质量标准值 mg/kg

2.3 评价结果

2.3.1 单因子指数法的评价结果

各功能区土壤重金属含量统计与评价分析见表4。

表4 各功能区土壤重金属含量统计与污染评价值

续表4 各功能区土壤重金属含量统计与污染评价值

由表4可知，锁金村居民区土壤中各种重金属的污染程度从大到小依次为：镉>镍>铜>铬>锌>铅。重金属镉的平均浓度是背景值的91.083 3倍，达到土壤重金属重度污染，镍元素仅略微超过背景值，存在轻度污染；而其他4种重金属铬、铅、锌、铜的平均浓度均未超过背景值，污染水平为清洁。

藤子村工业区土壤中各种重金属的污染程度从大到小依次为：镉>锌>铅>镍>铜>铬。重金属镉平均浓度远远大于背景值，是背景值的52.562 5倍，达到土壤重金属重度污染；锌也大于背景值，是背景值的1.793 2倍，存在轻度污染；重金属镍、铅未超过背景值，但在其上限值附近，尚清洁；而重金属铬、铜小于背景值，在安全范围内。

玄武湖公园休闲区的土壤中各重金属污染程度由大到小依次为：镉>铬>铜>铅>锌>镍。重金属镉的平均浓度大大超过背景值，是背景值的123.625倍，达到重度污染；铬、镍、铅、锌、铜5种重金属的平均浓度均未超过背景值，均安全；其中，重金属铬的平均浓度为警戒值，污染水平为尚清洁。

中央门交通繁忙区的土壤中各重金属的污染程度从大到小依次为：镉>镍>锌>铜>铬>铅。重金属镉的平均浓度也大幅度超过背景值，已经达到重度污染，但其他各重金属的平均浓度均小于背景值，其中，镍的平均浓度在背景值附近，处于警戒线上。

各功能区单个土壤重金属污染程度与其浓度值相关，但程度的大小并不是完全取决于浓度值的大小，它与评价所采用的土壤背景值有很大的关系；本研究中，虽然各功能区土壤中重金属镉的浓度值相对于其他重金属均较小，但由于其土壤环境质量标准值的允许范围小，使其在各功能区土壤中的污染程度较其他各种重金属都大，污染水平均为最高。

在国家土壤环境质量标准值的评价背景下，重金属镉在四大功能区上均存在重度污染，其污染指数从大到小依次为：玄武湖公园休闲区>锁金村居民区>藤子村工业区>中央门交通繁忙区，且在玄武湖公园休闲区的污染指数最大达123.625。铬、铅、铜3种重金属在以上4个研究功能区土壤中的污染指数均小于1，污染水平基本处于清洁范围内，均不存在污染。而重金属镍、锌除了分别在锁金村居民区和藤子村工业区受到轻度污染以外，在其他功能区不存在污染，均在安全范围内。

2.3.2 内梅罗指数法的评价结果

在单因子指数评价结果的基础上，为了初步得出玄武区上各研究功能区整体的土壤重金属污染程度及分布特征，首先用内梅罗指数法对其进行评价，其结果见表5。

表5 玄武区各功能区土壤重金属污染的内梅罗指数法评价值

由表5可知，玄武区中的锁金村居民区、藤子村工业区、玄武湖公园休闲区和中央门交通繁忙区4个功能区的内梅罗综合指数均远远超过重度污染的分界值3.0，其中藤子村工业区的内梅罗指数最大，为402.24，污染程度为超重度污染，且各功能区的土壤重金属整体污染程度从大到小依次为：藤子村工业区>玄武湖公园休闲区>锁金村居民区>中央门交通繁忙区。

从评价过程可知，在利用内梅罗指数法对玄武区各功能区的土壤重金属的整体污染程度进行评价时，该方法同时利用了土壤中Cr、Cd、Ni、Pb、Zn、Cu的平均污染指数和最大污染指数，既能较全面地评判各种土壤重金属的污染程度，突出各功能区上相对于背景值的高浓度重金属镉元素对土壤环境质量的影响，也可减小由于利用各重金属的平均浓度值带来的削弱影响。经过进一步的研究发现，各功能区上污染指数最大的重金属镉在这种评价方法中具有关键性的作用，因此Cd的污染指数决定了各功能区土壤重金属的整体污染水平为重度污染。若不考虑Cd的污染，玄武区各功能区的土壤重金属均只存在轻度污染。

2.3.3 污染负荷指数法的评价结果

为进一步分析玄武区各功能区整体的土壤重金属污染程度及玄武区整个区域土壤重金属污染程度，本研究采用了污染负荷指数法进一步进行评价。评价结果见表6。

表6 玄武区各功能区土壤重金属整体污染的污染负荷指数法评价值

由表6可知：

(1)各功能区土壤重金属的整体污染负荷指数由大到小依次为：藤子村工业区>玄武湖公园休闲区>锁金村居民区>中央门交通繁忙区，其中藤子村工业区土壤重金属的污染负荷指数最大，达到3.003 4，污染等级为Ⅲ级，污染程度为极强污染。

(2)锁金村居民区和玄武湖公园休闲区的土壤重金属污染负荷指数在1≤PLI<2之间，污染等级为Ⅰ级，污染程度为中等污染。

(3)中央门交通繁忙区土壤重金属污染负荷指数接近1，功能区区域土壤重金属存在轻度污染。

(4)玄武区整个区域土壤重金属的污染负荷指数为1.769 2，污染等级为Ⅰ，其土壤重金属存在中等污染。

在一定的背景值下，污染负荷指数法既可以用于玄武区所研究的各功能区土壤重金属整体污染程度的评价，也可进一步用于评价玄武区整个区域的土壤重金属污染程度。该方法以单因子指数法为基础，结合所有土壤重金属Cr、Cd、Ni、Pb、Zn、Cu的最高污染指数，使用了求积的统计法，从而有效避免污染指数加和关系造成弯曲评价结果的现象，可大大削弱高污染指数的重金属镉对各个功能区的整体土壤重金属污染水平的决定作用，较客观可靠，弥补了内梅罗指数法的不足。

3 结论与讨论

3.1 评价结果

以国家土壤环境质量标准为背景值，用单因子指数法对玄武区的锁金村居民区、藤子村工业区、玄武湖公园休闲区以及中央门交通繁忙区等各功能区单个土壤重金属污染程度进行评价与分析，其结果如下。

重金属Cd对4个功能区土壤均已造成重度污染；原因可能是南京作为一个典型的工业城市，冶炼、电池、电镀等工业排放使得各功能区Cd含量远远超过土壤背景值。近年来，大米重金属超标的情况在全国多地皆有存在，其实“镉大米”暴露出的核心问题不是大米本身，而是土壤重金属污染。基于严峻的土壤重金属污染现状，相关部门必须行动起来，从法律、政策等方面强化措施落实，实施综合治理。

重金属Ni和Zn只分别对锁金村居民区和藤子村工业区的土壤造成轻度污染；Cr、Pb、Cu三种重金属在4大功能区的土壤中均处于安全范围内。

综合内梅罗指数法和污染负荷指数法对以上各功能区整体的土壤重金属污染程度评价结果，得出以下结论：

(1)各功能区土壤均受到了不同程度的污染，重金属综合污染程度由大到小依次为：藤子村工业区>玄武湖公园休闲区>锁金村居民区>中央门交通繁忙区。这与夏运生[16]等人的对东莞全市和各区土壤研究结果相似。玄武湖公园休闲区土壤重金属污染水平与刘申[17]等人对天津城市公园土壤重金属污染的研究结果一致，都达到了中度污染，且重金属主要污染因子为Cd。

(2)在国家土壤环境质量标准的背景值下，藤子村工业区土壤重金属的整体污染程度达到重度污染。藤子村工业区的当地居民不宜利用其土地种植农作物，否则其土壤重金属会随着食物链进入人体，对居民的身体健康造成不利影响。

3.2 评价方法

在评价玄武区各功能区土壤重金属的整体污染程度时，同时采用了内梅罗指数法和污染负荷指数法，两种方法的评价标准相同，但均有各自的适用性和局限性，使两种评价结果有异同点。

内梅罗指数法能够较全面地评价研究区土壤重金属的整体污染程度，突出高污染指数的重金属对土壤环境质量的影响，也可以避免由于平均作用削弱污染金属权重现象的发生[18]。然而，随着该方法的广泛运用，许多学者已经注意到这种方法没有考虑土壤中各种污染物对作物毒害性的差别且过分强调污染指数最大的污染物对环境质量的影响和作用，使其计算结果难以区分土壤环境质量污染程度的差别，对环境质量评价的灵敏性不够高，可能会因此偏离客观情况[19]。

污染负荷指数法由评价区域所研究的各种重金属的最高污染指数共同构成，并使用了求积的统计法，能直观地反映各个重金属对污染的贡献程度和避免污染指数加和关系造成歪曲评价结果的现象。同时，该方法是基于沉积学理论上提出的，能反映重金属在时间、空间上的变化趋势，应用比较方便[20]。

因此，在评价研究区土壤重金属的整体污染程度时建议能综合利用内梅罗指数和污染负荷指数法，两种方法能形成互补，评价结果更客观更全面，但若只采用一种方法，建议在得到区域中单个土壤重金属污染程度较平均的情况下采用内梅罗指数法，而在该区域能得到较多土壤样品的前提下采用污染负荷指数法。

【参 考 文 献】

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