城区不同区域土壤重金属含量与区域分布状况研究*

顾 烨 梁 峙 庄 旭 倪振威 梁 骁 马 捷

(1.徐州工程学院， 江苏 徐州 221111； 2.上海财经大学 经济学院， 上海 200433；3.中国矿业大学， 江苏 徐州 221008)

城区不同区域土壤重金属含量与区域分布状况研究*

顾 烨1梁 峙1庄 旭1倪振威1梁 骁2马 捷3

(1.徐州工程学院， 江苏 徐州 221111； 2.上海财经大学 经济学院， 上海 200433；3.中国矿业大学， 江苏 徐州 221008)

随着工业化与城市化进程的逐步深入，化工以及交通等重金属污染产业的发展，某市的土壤重金属含量在不断累积。并且由于其传播途径十分广泛，受污染的范围也在不断增加，严重影响到城市发展与人体健康。通过对某市不同行政区域土壤样本的采样分析，调查了某市各行政区的土壤重金属污染情况，并进一步探讨了重金属污染可能的成因。

城区重点区域； 城市土壤； 重金属； 采样分析

某市大部分为平原，含少数丘陵，地处中纬度，气候温和，光照充足，降雨适中，适合农作物生长。该市地质结构复杂，底层齐全，矿产资源丰富,并且交通发达。凭借其矿产资源丰富的先天优势以及发达的交通优势，工业及交通业得到大力的发展，而由此带来的人口过快增长，资源大量消耗以及污染物的大量排放等问题也日益严重。其中土壤重金属污染与工业及交通业的发展息息相关，本文通过研究其土壤重金属的含量及污染分布，探讨重金属污染可能的成因，以期对未来城市的发展规划提供参考。

1 土壤重金属污染来源

土壤重金属污染来源主要分为自然来源和人为来源两大类。在自然来源中，成土母质所含的重金属量以及成土的过程对之后土壤的重金属含量有直接的影响[1]。在人为来源中，又可分为工业污染源、交通污染源以及农业污染源三类。

工业生产过程中会产生大量的重金属污染物。其中，工业废渣的堆放与处理环节会对堆放地的土壤、大气甚至地下水造成污染。而工业废水的未经处理排放会直接对厂区周围的水环境造成污染，并经水循环使污染扩大到更大的范围。工厂排放的烟气如果未经处理也会含有大量的重金属污染物，通过大气的传播也会造成大范围的污染[2]。

汽车尾气的排放与轮胎的磨损会对道路两旁的土壤造成重金属污染，主要污染物为Pb，Cu，Zn等。其污染范围以道路为中心，呈条状分布，并且污染浓度与道路的车流量大小呈正相关。

土壤重金属污染的农业来源主要包括含重金属元素的化肥农药的使用，以及含重金属污染物的污水灌溉。

2 区域概况

该市有5个行政区，分别为A区，B区，C区，D区，E区。其中，A区为该市的开发区以及主要商业区，并且拥有创新型的商业园区；B区是该市的交通中心，拥有高铁站、火车站以及汽车站，并且在全国交通系统中占重要地位，同时该区也拥有较多的住宅区；C区为该市最早的工业发展基地，拥有多家大型化工企业，该市大部分的矿区都集中在C区；D区为该市的铜矿开采基地，工业发展程度仅次于C区。E区为该市的主要休闲区及高端住宅区。

3 城区土壤重金属分析

3.1 研究方法

在某市的5个行政区内，根据土壤的使用类型以及所属行政区域划分采样单元，以网格法进行布点采样。使用塑料采样器采集深度为20 cm的土壤表层土，共采集320个土壤样品，其中，所有样品均去除上层覆盖物。样品经混合四分法处理，并标记采样地以及采样时间，室内风干，同时剔除较大杂质如植物根、茎、叶、虫体等，之后磨碎并过筛，晾干装袋附上标签。

样品经消解后，采用X荧光光谱法、玻璃电极法、原子荧光法、石墨炉原子吸收法检测出Cu，Cr，Pb，Zn，Hg，As，Cd的含量进行进一步的数据分析。

3.2 某市土壤重金属含量分析

将某市土壤重金属含量数据进行汇总，分析总体的重金属污染状况，研究数据的分布情况，并计算出相应元素含量的变异系数，分析各重金属污染的可能来源。

中国土壤主要重金属含量背景值如表1所示。将各样品的重金属含量检测数据整理分析，结果如表2所示。表3列出了某市土壤重金属元素平均含量与国家背景值之比。

表1 中国土壤重金属含量背景值[3] mg/kg

表2 某市土壤重金属含量统计值 mg/kg

表3 某市土壤重金属元素平均含量与国家背景值之比

由表2可知，某市土壤重金属含量的范围较大，对比表1，可知各种重金属的含量最大值严重超过了国家土壤重金属含量的背景值。而在表3的某市土壤重金属元素含量与国家背景值之比中，发现某市土壤各重金属含量的平均值均超过国家背景值，且含量是国家背景值的1～2倍。一般认为，土壤中重金属含量累积到土壤环境背景值的2～3倍时，说明该土壤中相应的重金属元素含量异常，归类为土壤的轻度污染，此为土壤重金属污染的起始值。据此，某市的土壤重金属含量未达到土壤轻度污染的范围。其中砷、铬、镉的含量略超过国家环境背景值，而汞的含量已达国家环境背景值的1.692倍，相对于其他6种重金属的含量比值情况属于较高的水平。

从表2中可以看出某市土壤重金属含量的变异系数普遍偏高。变异系数的大小可以反映土壤重金属污染的空间变异性。变异系数由样本的离散程度决定，一般认为变异系数小于10%为弱变异；介于10%～100%为中等变异；而大于100%为强变异[4]。从表2中发现As，Hg，Cr，Cu，Pb，Zn的变异系数在10%～100%之间，属于中等变异，而Cd的变异系数超过了100%，达到445.45%，属于强变异类型。通过空间变异的强弱，可以大致推测出当地重金属污染的来源，一般认为，变异性越大，该种重金属受人为的影响因素可能性较大，而如果变异性较小，则基本只受自然因素的影响[5]。表2中Cd的变异系数很明显的体现出其受人为的因素影响相当严重。

3.3 某市土壤重金属区域分析

将所有土壤样本的检测数据按采样点所在的行政区划分，汇总后分析数据，可研究各行政区的重金属污染现状，并能判断出相应行政区内的污染最严重的重金属元素，这对未来该行政区的发展规划与工业及交通业的建设规划有重要意义。

镉在土壤中的含量微乎其微，我国的土壤镉背景值为0.097 mg/kg，但是，镉对动植物及人体的毒害作用并不微弱，当土壤中的镉含量超过0.5 mg/kg时，菠菜、大豆等植物生长发育就受到影响，并且在体内富集一定量的镉，通过食物链的传递，镉会进入动物体及人体内，在动物或人的内脏内富集，严重时将引起镉中毒。由图1可知，各行政区的土壤含镉量均超过了国家土壤含镉量背景值，其中，C区的镉污染最为严重，其镉含量超过了国家土壤含镉量背景值的3倍，已经属于中度污染，并且变异系数接近300%，人为影响的痕迹相当明显。这与该区多年的工业发展有很大关系。有研究表明[6]，镉污染一定程度上与磷肥的使用有关，并且在炼铝厂的下风向也会测得高浓度的镉含量。根据对含镉量较高的样本采样点的研究，发现在靠近炼铝厂和郊区的采样点中都有镉含量较高的样本。

图1 某市土壤全Cd分布统计

汞在土壤中以化合物的形态存在，并且其化合物的毒性各异，其中升汞(氯化汞)是剧毒物质，甲基汞最容易被人体吸收，并在脑内富集，对人体危害极大。从图2中可以看出各行政区的土壤汞含量均较高，变异系数也表现出大量人为影响的痕迹，像B区，由于该区为全市主要住宅区，相应的汞污染也较为严重，变异系数超过了120%，而变异系数最小的D区也达到了70%以上。有研究表明，土壤中的汞基本来自于医疗器械和节能灯、日光灯管等，而由于如今国家大力推行节能减排，节能灯的普及率大大提升，却使得土壤汞污染愈发严重。另一方面，水银温度计造成的汞污染是节能灯的200倍，这已经使汞污染成为广域性的问题，特别是在作为住宅区的区域。

图2 某市土壤全Hg分布统计

铅是一种能致癌、致畸的重金属，铅的化合物在环境中一般比较稳定，动物及人类能通过食物链吸收约10%的铅并在体内富集[7]。从图3中能看出该市的铅污染状况不太严重，相比于国家土壤背景值中的铅含量26.0 mg/kg，该市的土壤含铅量未超过国家土壤环境背景值的2倍，未达到轻微污染的程度。其中C区的土壤铅含量为38.94 mg/kg，为全市最低。各区的变异指数均低于45%，可以推测某市的铅污染只受到小部分的人为因素的影响，而当地的成土母质及成土过程对铅污染的影响较大。由人为因素造成的土壤铅污染主要通过机动车燃烧含

图3 某市土壤全Pb分布统计

铅汽油产生，图中作为交通集中区域的B区以及工业产业较为集中的D区表现出较高的变异系数。推测由于未来汽车的不断普及，铅污染会变得严重，而污染的范围将以交通线为中心扩散。

铬在环境中的含量原本就比较高，国家土壤环境背景值中，铬含量就达61.0 mg/kg，从图4中能看出除A区的土壤铬含量相对较高外，其他区的土壤铬含量都较小，接近国家土壤环境背景值。A区的土壤含铬量虽偏高，但其变异系数很小，为9.91%，属于弱变异型，可以推测出，A区的土壤含铬量的偏高相当一部分原因是该地的成土母质的性质类型与其成土过程中产生了较多的铬。但B区的土壤铬含量虽然较少，但人为影响的痕迹较其他4个区要严重，结合该区域的产业特征，推测其成因可能与住宅区人们生活习惯的改变有关。铬污染主要由劣质化妆品原料以及其他工业化工原料引起，应尝试在源头进行控制。

图4 某市土壤全Cr分布统计

砷虽然不是金属元素，但是它是“类金属”元素，也是重金属污染元素之一。砷的众多化合物中，3价砷的毒性最强，能迅速致人死亡。由图5可知，除B区外，其他4个区的土壤砷含量普遍较高，C区的土壤砷含量达到了14.3 mg/kg，超过国家土壤环境背景值的27%，变异系数也较其他区高，体现出较为明显的人为影响痕迹。而B区的土壤砷含量为11.2 mg/kg，等于国家土壤环境背景值。变异系数小于20%，人为干扰不太强烈。砷污染的主要途径包括含砷化肥农药的使用，含砷污水污泥的排放以及含砷废物的堆放等，在控制砷污染时，应注意对含砷废物的妥善处理避免二次污染。从图中的趋势看，C区的工业非常发达，所造成的砷污染也较为严重，由于砷污染传播途径的便利性以及其极易造成二次污染，不排除其向周围区域扩散污染的可能。

图5 某市土壤全As分布统计

锌在自然界中分布较广，当在土壤中富集时会使土壤中的微生物活性降低，并影响相应酶的活性，对植物的影响也较明显，特别是对小麦的影响，锌能使其出苗不齐，分蘖减少，叶片枯黄，子粒干瘪，直接导致产量及质量下降，同时，在植物中富集的锌会通过食物链影响到动物及人体的健康[8]。由图6可以看出，各区的锌污染情况差异较明显，其中，较严重的是C区，其土壤中锌含量达到98.94 mg/kg，超过国家土壤环境背景值33.3%，同时变异系数较高，说明其锌污染的影响因素中，人为影响因素占多数；锌污染较轻的是E区，其土壤含锌量平均值为87.24 mg/kg，但其变异系数较高，说明该地区已出现人为的锌污染状况，如果不加控制，将影响到未来该地区土壤中的含锌量。锌的污染源包括锌矿的开采和冶炼，造纸厂的废物排放等，另外，汽车轮胎磨损也会造成道路周围的锌污染，这使得交通污染源也成为锌污染源的一部分。而图中作为该市休闲区的E区变异系数的反常情况可以看出旅游产业的开发对当地土壤锌含量有一定的影响。

图6 某市土壤全Zn分布统计

铜虽然是人体的必需微量元素，但是，过量的铜会使人体出现中毒现象。铜可在土壤中富集并被农作物吸收，在铜污染的土壤中生长的植物体内含铜量是正常植物的33～50倍。由图7可以看出，A区的土壤含铜量达到37.93mg/kg超出国家土壤环境背景值67%，接近轻度污染，而且其较高的变异系数反映出其明显的人为干扰痕迹。在作为开发区以及主要工业区的A区和B区，较高的变异系数反应出了产业的开发与工业的发展易造成铜的污染。D区与E区的土壤含铜量也处于相对较高的水平，但变异系数较低，推测这两个地区的铜污染原因与当地的地质条件有关，但也含有少量的人为因素。铜污染的最主要污染源是铜矿的开采与冶炼，对于铜矿开采冶炼相关企业应加强监管，规范操作，改进技术，减小污染。

图7 某市土壤全Cu分布统计

4 结语

经过采样分析，表明某市土壤重金属含量平均值均未超过国家土壤环境背景值的2倍，均未达到轻度污染级别，但其中汞污染相对严重，接近轻度污染级别，另外，砷与铬的污染水平较轻，略微超过国家土壤环境背景值，其余4种重金属元素(铜、铅、锌、镉)的污染情况处于相对中等水平。

对某市土壤重金属污染的区域分析表明A区的铬、铜污染较严重，B区的汞、铅污染较严重，C区的镉、汞、砷、锌的污染较严重，D区的汞、铜污染较严重，E区的汞、铅污染较严重。并且所有重金属污染来源中均有一定的人为干扰因素。所以，某市的土壤重金属污染与其发展建设和相关产业活动有一定关系，在住宅区，其汞污染会相对较严重，并且铬污染也在该种类型的区域内展现出较多的人为影响痕迹；在工业区，几乎会检测到所有的重金属污染；在交通集中区，铅，锌以及铜的污染会较严重；在商业区，锌污染会较明显。

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Research on concentrations and regional distribution of heavy metal in different areas of a given city

Gu Ye1， Liang Zhi1， Zhuang Xu1， Ni Zhenwei1， Liang Xiao2， Ma Jie3

(1 College of Environment Engineering，Xuzhou Institute of Technology，Xuzhou 221111，China；2 School of Economics，Shanghai University of Finance and Economics，Shanghai 200433，China; 3 China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008，China)

with the gradual deepening of industrialization and urbanization，development of industries that are likely to produce heavy metals pollution such as chemical，transport industries etc., heavy metals have been increasingly accumulated in soil of given city. Due to their wide range of transmission routes，heavy metals contaminated areas have also been expanded steadily, which may endanger both urban development and human health of the given city. This paper presents the findings of a survey on status quos of soil heavy metals pollution in given city through sampling and lab analysis，and further discusses the possible causes for this situation.

urban area；urban soils；heavy metal；sampling and analysis

* 国家星火计划(2014GA690133)；中国建筑材料联合会项目(2014-M3-3)；住建部项目(2013-K7-11)；江苏省高校大学生创新创业训练计划(201411998021Z)；徐州市科技发展(XF13C028)；省食品资源开发重点实验室开放课题(SPKF201416)；校级实验仪器课题

2015-05-02；2015-05-08修回

顾烨，男，1990年生，助教，研究方向：环境工程。E-mail:91396739@qq.com

梁峙,男, 1961年生，副教授,研究方向:材料工程。E-mail:xuzhouliangzhi@163.com

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