登封市城市土壤重金属污染特征及评价

徐永新，王晓旭

(许昌学院 城乡规划与园林学院,河南 许昌 461000)

2005年全球城市人口数量为31.7亿，预计到2030年将增长至49亿.同时，中国城市人口比例将达到62.3%，约9.1亿人.由此可见，城市将成为人们未来活动的重要场所[1-3].目前，中国的工业化和城市化正在迅速增长，在带来经济效益的同时，也引发了一系列的资源和环境问题，成为城市发展的阻碍.城市土壤在环境中的作用至关重要，不仅能为微生物和植物的生长提供场所和养分，也是人类居住和活动的重要场所[4].城市土壤重金属多半受土壤母质和人类活动的影响，而人为因素为其主要影响因素.重金属可能会长时间积累在土壤中，不会因为自然退化过程而发生迁移或降解，某些重金属元素通过人类摄入的食物和吸入的灰尘进入人体，直接对人类健康造成威胁.同时，它能阻碍营养盐的有效供应并控制土壤中微生物的活性，因此，判断重金属污染的强度、来源等特征就显得尤为重要，这可以为土壤修复和制定控制措施提供参考，从而控制其污染，保护城市生态环境[5].

随着人们对土壤环境的重视，城市土壤重金属已成为国内外学者研究的热门话题，目前，有大量的学者对上海、西安、北京、贵阳等大、中型城市土壤的重金属的含量、分布及来源进行探讨，但对于小型城市的研究相对缺乏[6].登封作为旅游业发达的小城市，2010年已经成功申报世界文化遗产—“天地之中”历史建筑群.随着旅游业的发展，登封市人流量和车流量增多，环境污染愈加严重.城市土壤作为人类生产和生活的主要载体，其质量的好坏与人类息息相关.登封市城市土壤质量如何，目前未见详细报道.因此，本研究以此作为切入点，主要研究登封市城市土壤重金属含量，并对其特征以及污染程度进行分析评价，以期为登封市的可持续发展提供科学依据.

1 材料和方法

根据研究区范围及研究内容的需要，将研究区划分为500 m×500 m的网格，并确定采样点及样品数量，确保采样点位置分布相对均匀(图1).实际取样时，由于客观原因,一部分采样点成为无效样点.因此，在确保采样点分布均匀的情况下，调整并记录采样点的实际位置.采样时，依照“梅花形”布设方法，在每个有效样点4 m2的范围内布设五个子样点，用铁铲采集土壤表层20 cm的子样，将五个子样充分混合，并将土样放入自封袋中进行编号保存，每份土壤样品500 g，共获得52份样品.

图1 研究区采样点分布示意图

将采集的土样放在实验室的通风处进行自然风干，剔除土样中的碎石、根系等杂物，用木棍碾碎，接着将碾碎的土样过0.25 mm的土壤筛，放入无磁性样盒中编号备用.本研究使用Thermo Scientific Niton XL3t元素分析仪和PHS-3C型pH计对已经预处理好的土壤样品进行重金属和pH值的测定.

2 结果与分析

2.1 研究区城市土壤重金属含量特征

对采集的52个土壤样品中的重金属元素进行测定，统计Pb、Zn、Cu、Mn、Cr的最大值、最小值、平均值、变异系数.由表1可知，这五个元素的平均值依次为30.73、85.05、46.36、406.60、62.44 mg·kg-1，Cu的含量是背景值的2.35倍，远高于河南省的背景值，说明Cu在土地表层有明显的富集，Pb、Zn分别为其背景值的1.57、1.36倍，说明两种元素在研究区内有一定程度的富集，Mn、Cr平均值与土壤背景值接近，分别是其背景值的0.73、0.98倍，两者污染较轻.由此可见，研究区土壤中Pb、Zn、Cu、Mn、Cr五种元素的污染程度不同，其中Cu、Pb、Zn的污染较严重.

研究区内 Pb、Zn、Cu、Mn、Cr的含量变化范围分别是10.84～94.32、37.16～316.41、33.19～72.43、261.08～577.32、39.03～101.42 mg·kg-1，含量变化明显.Pb、Zn、Cu、Cr、Mn五种元素的最大值分别是最小值的8.70、8.15、3.77、5.21、2.34倍，说明五种元素受外界不同程度的影响.由数据可知，前四种元素空间分异大，可能受到交通或其他人类活动的影响,而Mn元素的平均值接近于河南省的土壤背景值.因此，Mn元素的污染源可能来自于自然条件中母岩或生物残体.

将研究区土壤重金属含量与《土壤环境质量标准(GB15618-1995)》中的土壤质量进行对比[7]可发现，Cu、Pb、Zn、Cr四种元素在研究区内都有不同程度的超标.与国家土壤环境质量中的一级标准相比，有76%的样品中Cu的含量超标，最大值为93.64 mg·kg-1；有19.23%的样品中Zn的含量超标，最大值为316.41 mg·kg-1；有17.3%的样品中Pb的含量超标，最大值为94.32 mg·kg-1；Cr只有3.8%的样品超标，最大值为101.42 mg·kg-1.52个样品中Mn的含量均未超标，最大值为577.32 mg·kg-1.总体而言，登封市城市土壤重金属污染较轻，但某些元素对登封市土壤污染的贡献率较大.

表1 登封市城市土壤重金属含量

2.2 城市土壤重金属元素的相关性

土壤中重金属各元素的来源是否一致，可以通过对其相关关系的研究来判断.本研究对各重金属元素间的相关性作出分析(表2)，由表2可知，登封市城市土壤中的重金属元素间存在着相关或显著的相关性，Pb与Cr在0.01的置信水平下呈极显著正相关，两元素的相关系数为0.732；Pb与Zn、Zn与Cr、Cu与Cr的相关系数依次是0.678、0.556、0.415，呈显著正相关；Cu与Pb， Mn与其他四种元素均为弱相关，其相关系数介于0.186～0.372之间；Zn与Cu的相关系数为-0.109，其绝对值接近于0，说明两元素之间有较弱的负相关性.由数据可知，Cr可能与Pb、Zn、Cu有相同来源，Pb与Zn可能为相同来源，Mn与其他元素来源一致性的可能较小.

表2 登封市城市土壤重金属元素含量相关系数

2.3 城市土壤重金属与pH的关系

研究表明，土壤的pH值越高，重金属元素阳离子的溶解度就越小，活性也越小，导致其在固相上吸附能力上升，同时土壤溶液的重金属浓度下降[8].研究结果表明：土壤样品pH的平均值为7.40，与土壤酸碱性分级标准对照可知，登封市城市土壤属于中性土，其值的变化介于6.18～9.49，说明登封市不同区域内土壤pH值存在一定的差异.其pH值的标准差为0.65，变异系数为8.80%，说明登封市土壤pH值属于弱变异，人为因素对其贡献率较小.

通过SPSS 20.0软件统计分析，计算登封市城市土壤重金属各元素含量与土壤pH之间的相关系数(表3).由表3可知，pH值与Pb、Cr、Cu均属于正相关，与Zn和Mn属于负相关；土壤pH值与Pb与相关系数为0.425，属于显著线性相关，与Cr、Cu、Zn、Mn均属于弱线性相关，说明登封市城市土壤中Pb的活性受到pH值的影响最大，与其他元素相比，土壤对Pb的吸附容量受到土壤酸碱度的影响较大.

表3 登封市土壤重金属元素与pH值的相关系数

3 登封市城市土壤重金属污染评价

3.1 单因子指数污染评价

运用单因子指数法，对登封市城市土壤中Pb、Zn、Cu、Mn、Cr各元素进行污染评价(表4)[9].整体来看，登封市城市土壤重金属污染较轻.Cu、Pb、Zn的污染指数分别为2.67、1.56和1.28，属于轻度污染；Cr的污染指数为1.00，存在有潜在污染；而Mn元素未出现污染，其污染指数为0.74.

表4 登封市城市土壤重金属单因子污染指数统计结果

3.2 内梅罗综合指数法污染评价

通过计算内梅罗综合指数，采用定量的方法对登封市城市土壤重金属污染进行综合评价(表5)[10].从整体上看，登封市城市土壤的总体污染指数为2.15，为中度污染.具体来看，不同土地利用的污染特征如下：交通、商业、农业用地和荒地四种用地类型的污染指数分别是2.63、2.52、2.55、2.33，均属于中度污染.这可能与汽车尾气排放、垃圾的处理不当或肥料的施放有关.重金属对农业用地的污染可能危害到粮食安全，进而危害人类身体健康，应受到人类的足够重视.市政文教、公园绿地、居住用地的污染指数分别是1.72、1.97、1.78，均属于轻度污染，所以，该区内的重金属可能源于土壤母质，而人为因素加剧土壤污染.由此可见，登封市城市土壤的重金属污染与机动车尾气排放、人类垃圾处理不当等行为密切相关.

对研究区内52个土壤样品进行内梅罗综合指数统计表明：清洁样品和警戒样品的数量均为0，52%的样品属轻度污染，33%的样品属中度污染，15%的样品属重度污染.因此，登封市城市土壤重金属污染较轻，但局部地区污染严重，应予以重视.

表5 登封市城市土壤重金属综合污染评价结果

4 结语

为研究登封市土壤重金属污染特征，通过对Pb、Zn、Cu、Mn、Cr五种元素进行描述性统计，元素间相关分析，土壤重金属与pH值相关性分析，并结合单因子指数和内梅罗指数对研究区土壤实施评价，得出以下结论：

(1)登封市城市土壤的重金属Pb、Zn、Cu、Mn、Cr这五种元素的平均值分别为30.73、85.05、46.36、406.60、62.44 mg·kg-1，均属于中等变异，其土壤pH的平均值为7.40，属于中性土，变异系数为8.80%，属于弱变异.

(2)Cr可能与Pb、Zn、Cu有相同来源，Pb与Zn可能为相同来源，Mn与其他元素来源一致性可能较小.通过对pH值与重金属元素的相关分析发现，土壤对Pb的吸附容量受到土壤酸碱度的影响较大.

(3)与其他元素相比，Cu的污染指数最高，污染最严重，其污染指数排序为Cu>Zn>Pb>Cr>Mn.七种用地类型中，交通用地的污染最为严重；市政文教用地污染最轻.

从整体上看，在登封市城市的七种不同用地类型中，交通用地的污染最为严重；五种重金属元素中Cu的污染最为严重，在登封市未来的发展过程中，应加强对交通用地的管理，提倡市民多使用自行车、公共汽车或新能源汽车；同时，增加城市公共设施和卫生设施，减少由于人类对垃圾处理不当而形成的土壤污染；提高市民素质，增强市民环保意识，逐步改善登封市城市的土壤环境质量.