南京市不同背景值下表土重金属污染特性分析

徐士杰，刘亚楠，徐秋男，朱亚婷，王伟杰

(南京林业大学土木工程学院，南京210037)

土壤是人类安身立命之本，不管是在城市还是农村。生活在城市里的人口不断增加，对土壤的作用也越来越明显，土壤反作用于人类产生的影响越来越受到重视［1-2］。城市土壤是城市生态系统的重要组成部分，城市化进程所产生的污染物可以在一定程度上被土壤容纳、缓冲和净化，但过分的污染(尤其是重金属污染)则会通过该生态系统危害人类自身［3-4］。例如土壤细颗粒中富集的重金属Pb可以通过受污染的城市土壤扬尘危害人体健康，尤其可能会造成儿童血Pb含量升高［5］。重金属污染对人类造成的威胁已不容小觑，研究重金属污染规律和治理办法已成为一个全球讨论的热点［6-10］。

本研究选取南京市区，在紫金山风景区、锁金村、经济技术开发区、朱庄公路枢纽四个区域布点取样，分别对应城市休闲区、居民区、工业区和交通区4大功能区。通过测定土壤样品中Zn、Cd、Cr、Pb、Ni的含量，采用单因子指数法和内梅罗指数法，在不同背景值下，对不同功能区的污染情况进行评价，探讨不同功能区表土重金属污染特性，以期为城市土壤重金属污染的治理提供依据。

1 材料与方法

1．1 样品的布点与采集

样品采集时间为2014年3月～6月，均在晴朗无风的天气情况下进行。每个功能区样点均匀布设，根据实际情况采用棋盘法和蛇形法布点，每个样点在1 m2内均布取3次样混合到一起作为一个样品，用专用取土器取样，取样深度20 cm，并对每个点进行GPS定位。每个功能区取样30个，共120个样。每个样品约重500 g，装于聚乙烯袋中，自然风干后用玛瑙研钵研磨，过200目筛后，样品装入聚乙烯自封袋中备用。

1．2 功能区选择

按照城市休闲区、居民区、工业区和交通区四种功能区，选择紫金山风景区、锁金村、经济技术开发区和朱庄公路枢纽作为代表区域。

紫金山风景区，位于南京市玄武区。主峰海拔448．9 m，周围约30 km，是全国重点风景名胜区，国家5A级风景区中山陵园风景区，位于紫金山南麓，是城市休闲区的典型代表。样品采集区选择在紫金山麓的中山陵景区，具有典型的代表意义。

锁金村地处南京市主城区东北部，西临玄武湖，南依紫金山，建设于八十年代，真正核心区域仅2 km2左右。该村建筑以居民楼、学校、社区便利店和中小型餐饮店为主，是南京市典型的居民区。

南京经济技术开发区位于南京市栖霞区，是中国国家级开发区十强，国家生态工业示范园区，是长三角区域经济的重要组成部分，是南京重要的石化、汽车、电子、建材工业区和企业、资金、人才、技术密集区，是典型的工业区。样品采集区以戴莫尔金属厂区为中心。

朱庄公路枢纽位于南京仙林，行车量大，行车速度快，是重要的交通枢纽，具有代表性。采样点分布于绿化带中，采样方便。

1．3 样品的测定

土壤样品用微波消解仪消解处理后，利用英国进口的Optimal-2100DV电感耦合等离子体发射光谱仪精确测量样品中重金属Zn、Cd、Cr、Pb、Ni的含量。用Excel软件处理所得数据，计算污染指数。

1．4 评价方法

1．4．1 单因子指数法(Single factor index)

单因子指数法是常用的评价方法，常用于评价土壤、大气和水的重金属污染。计算公式如下:

式中:Pi为污染物单因子指数;Ci为实测浓度，mg/kg;Si为土壤环境背景值，mg/kg。其中，Pi≥1表示受到污染;Pi＜1表示未受污染;Pi数值越大，表示污染越严重。

单项污染分级指标见表1。

表1 单因子污染指数分级Tab．1 Classification standards of single factor pollution index

1．4．2 内梅罗(Nemerow index)综合指数法

内梅罗综合指数法(Nemerow index)是基于单因子污染指数得出综合污染指数的方法，广泛用于评价土壤重金属污染，其计算公式为:

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。

污染等级按照土壤污染指数评价分级标准表进行区分，见表2。

表2 土壤内梅罗污染指数评价分级标准Tab．2 Classification standard of soil pollution evaluation index

1．5 评价标准

本次研究以南京市土壤元素背景值和国家土壤环境质量标准为不同评价标准，以此来反映特定区域的差异性［13］。南京市土壤元素背景值为中国科学院土壤背景协作组在1979年测定所得［14］。四个功能区均与居民生活息息相关，因此土壤条件应满足保障居民健康生活的基本要求，故采用对应ph值的国家土壤环境质量二级标准［15］。其中，紫金山风景区为自然风景区，土壤质量要求本应更高，但考虑到紫金山风景区处于人口密度大的市区，受人类活动影响大，有别于远离人烟的自然山区，采用二级标准更合理。

2 结果与分析

采用单因子指数法和内梅罗综合污染指数法，在不同背景值下，对四个功能区表层土壤重金属污染情况进行评价［12］。

2．1 单因子指数法评价结果

各功能区土壤重金属含量统计与污染评价见表3和表4，其中表3以南京市土壤元素背景值为评价标准，表4以国家土壤环境质量二级标准为评价标准。

表3 以南京市土壤元素背景值为评价标准各功能区表土重金属含量统计与污染评价值Tab．3 Statistic and evaluation of heavy metal pollution in topsoil in each urban functional area on the basis of soil element background values in Nanjing

表4 以国家土壤环境质量二级标准为评价标准各功能区表土重金属含量统计与污染评价值Tab．4 Statistic and evaluation of heavy metal pollution in topsoil in each urban functional area on the basis of national secondary soil environmental quality standard

由表3可知，锁金村居民区土壤中重金属镉的污染指数为195．939 9，达到重金属重度污染程度，远超临界值;重金属铅的污染指数为4．307 2，同为重度污染;锌的污染指数为2．271，达到中度污染水平;而镍和铬的污染指数在轻度污染范围内。各元素污染程度大小顺序为:镉，铅，锌，镍，铬。

紫金山风景区土壤中重金属镉浓度远超背景值，为超重度污染;铅的平均浓度值为其背景值的4．867 3倍，二者均为重度污染;锌的平均浓度为其背景值的2．685 4倍，为中度污染;镍的平均浓度为其背景值的1．853 5倍，铬平均浓度仅略微超过其背景值，二者均为轻度污染。各元素污染程度大小顺序为:镉，铅，锌，镍，铬。

朱庄公路枢纽区土壤中重金属镉和铅的平均浓度也远超其背景值，二者均为重度污染水平;镍、锌、铬的污染指数均在轻度污染范围。各元素污染程度大小顺序为:镉，铅，镍，锌，铬。

经济技术开发区土壤中重金属镉和铅的平均浓度均远高于其背景值，为重度污染;锌和镍的平均浓度略高于其背景值，为轻度污染;铬的平均浓度未超过其背景值，尚无污染。各元素污染程度大小顺序为:镉，铅，镍，锌，铬。

由表4结果显示，锁金村居民区土壤中重金属镉远超背景值，为重度污染;镍的平均浓度为其背景值的1．651 4倍，为轻度污染;锌、铬、铅的平均浓度均未超过其背景值，尚无污染。各元素污染程度大小顺序为:镉，镍，锌，铬，铅。

紫金山风景区土壤中重金属镉污染指数非常高，为重度污染;镍和锌的平均浓度略高于背景值，为轻度污染;铅和铬的平均浓度均在安全范围内，尚无污染。各元素污染程度大小顺序为:镉，镍，锌，铅，铬。

朱庄公路枢纽土壤中重金属镉为重度污染;镍的平均浓度是背景值的1．7356倍，为轻度污染;锌、铬、铅的平均浓度均比背景值小，尚无污染。各元素污染程度大小顺序为:镉，镍，锌，铬，铅。

经济技术开发区土壤中重金属镉的平均浓度是背景值的111．144 2倍，为重度污染;镍的平均浓度略高于其背景值，为轻度污染;锌、铬、铅的平均浓度在其背景值之内，尚清洁。各元素污染程度大小顺序为:镉，镍，锌，铅，铬。

在以南京市土壤元素背景值和国家土壤环境质量标准为评价标准的前提下，重金属镉均存在重度污染，且指数远超背景值，四个功能区的污染指数从大到小依次为:紫金山风景区，锁金村居民区，经济技术开发区，朱庄公路枢纽。以南京市土壤元素背景值为评价标准，重金属铅在四个功能区均达到重度污染水平。重金属镍在四个功能区均属于轻度污染。铬除了在经济技术开发区无污染外，在其余三个功能区均为轻度污染。锁金村居民区和紫金山风景区存在锌中度污染，另外两个功能区存在锌轻度污染。以国家土壤环境质量标准为背景值的评价结果显示，四个功能区均存在镍轻度污染;重金属铬和铅在4个功能区均无污染;紫金山风景区存在锌轻度污染，另外三个功能区无重金属污染。

2．2 内梅罗指数法评价结果

单因子指数法评价结果反映了各功能区各重金属元素的单一污染程度，通常为了评价某区域多种重金属元素的综合污染程度，需要用内梅罗指数法进一步评价。其结果见表5和表6，分别对应南京市土壤元素背景值和国家土壤环境质量二级标准。

表5 以南京市土壤元素背景值为评价标准各功能区表土重金属污染内梅罗指数评价值Tab．5 Nemerow index value of heavy metal pollution in topsoil in each function area on the basis of soil element background values in Nanjing

表6 以国家土壤环境质量二级标准为评价标准南京市各功能区表土重金属污染的内梅罗指数评价值Tab．6 Nemerow index value of heavy metal pollution in topsoil in each function area in Nanjing on the basis of national secondary soil environmental quality standard

由表5和表6可知，锁金村居民区、紫金山风景区、朱庄公路枢纽和经济技术开发区均存在重金属镉重度污染，因此四个功能区的内梅罗指数远远超过分界值，均存在重金属重度污染，污染程度大小顺序为:紫金山风景区、锁金村居民区、经济技术开发区、朱庄公路枢纽。

内梅罗指数法在评价过程中利用了土壤中重金属元素、铬、镍、铅、锌的单项平均污染指数和最大污染指数，全面评判土壤中重金属的综合污染程度，同时可以判断其中重金属元素镉的污染程度对整体环境质量评价的影响。由于镉的污染指数远大于其他重金属，在内梅罗指数评价过程中所占权重过大，导致整体结果以镉为导向。以表5评价结果为例，若不考虑重金属镉，四个功能区内梅罗指数分别为 3．912 8，3．371 5，3．484 9，3．143 5，虽依然在重度污染范围，但污染程度低很多。另外，除了镉污染外，铅污染是导致内梅罗指数大于3的主要因素，因此，本次研究结果应引起我们对镉污染和铅污染的高度重视。

3 结论与讨论

3．1 结 论

(1)单因子指数法所得结果表明，无论在何种背景值下，各功能区均存在镉(Cd)重度污染和镍(Ni)轻度污染，其中镉(Cd)的污染属于超重污染，这与余爱华［16］等对南京土壤重金属污染的研究结果吻合。传统认为镉污染主要通过两种形式:一是工业废气中的Cd随风扩散沉降;一是工业废水的排放。南京作为一个典型的工业城市，虽然近些年加大污染的控制和治理力度，但前期的冶炼、电池、电镀等工业废气废水排放，导致各功能区镉和铅累积短时间内无法彻底清除，治理土壤重金属污染任重而道远。

(2)内梅罗指数法所得结果显示，在两种背景值下，各功能区综合污染均为重度，这与镉元素超重度污染有很大关系，综合污染程度由大到小依次为:紫金山风景区、锁金村居民区、经济技术开发区、朱庄公路枢纽。该污染特征与徐铭焓［17］等的研究结果有很大差别，原因可能是因为布点区域不同，且采样点没有完全覆盖整个功能区导致土壤重金属浓度上的差别。

3．2 讨 论

由于南京市土壤元素背景值比国家二级标准小很多，这就使得评价结果有明显差异。以国家土壤环境质量标准为背景值所得结果显示，除紫金山风景区存在锌轻度污染外，其他功能区锌、铬和铅元素均无污染，土壤质量良好;而在南京市土壤元素背景值下，锌、铬和铅则普遍存在轻度到重度污染，土壤污染形势则较严峻。而土壤重金属到底污染到何种程度，对居民生活的影响有多深刻，根据两种评价结果，不能很好地做出判断，因此研究并制定新的评价标准，并辅以潜在危害系数法补充评价很有必要。

本次研究从评价结果上看，各功能区虽然污染程度有差别，但总体并没有很明显的区域特征，比如紫金山风景区的各个重金属污染程度甚至高于其他功能区，经济技术开发区作为工业区污染程度反而较轻，四个功能区呈现污染特征相似性。造成此结果的原因可能是污染源反复随空气扩散、沉降，使各个功能区的污染物长期互相干扰，导致各功能区污染情况有相通性。因此还需要对研究区的大气和地表植物进行重金属污染监测并做进一步研究。

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