西安市主要公园表层土壤重金属污染特征及风险评价

周 燕, 李劲彬

(1.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司,陕西 西安 710075； 2.陕西省土地工程建设集团有限责任公司,陕西 西安 710075； 3.陕西省土地整治重点实验室,陕西 西安 710061；4.陕西省土地整治工程技术研究中心,陕西 西安 710075)

1 引言

土壤重金属污染是指由于人类的活动将重金属带入土壤中，致使土壤重金属含量明显高于其自然背景值，并造成生态破坏和环境质量恶化的现象[1]。据统计，全世界平均每年排放Hg约1.5万t，Cu 340万t，Pb 500万t，Mn 1500万t，Ni 100万t[2,3]。长期以来，频繁的人类活动使城市土壤遭受强烈的干扰，造成严重的重金属污染。土壤既是城市空间的纳污场和净化场，又是城市水、气等环境要素的二次污染源。城市土壤的健康是都市圈生态系统健康的重要组成部分[4]。土壤中的重金属具有隐蔽性，在其累积初期，毒害作用并不明显，因此不易被人们轻易察觉，一旦其毒害作用表现出来，就难以消除[5]。城市公园作为城市居民休闲娱乐的聚集地，与城市居民的日常生活十分密切、息息相关。其土壤质量状况对游客的身体健康具有重要影响，尤其对儿童这个特殊群体[6]。因此城市公园土壤的重金属污染应得到广泛的关注。国内已有大量学者基于公园土壤重金属污染进行过研究[7～11]。

而土壤作为污染物质的重要储存介质，所以研究公园土壤中重金属的污染问题以及掌握其现阶段的污染状况具有重要意义，它可为居民选择健康的休闲娱乐场所提供依据。本文通过对西安市17个公园样品进行测定，选取As、Cu、Zn、Ni、Mn、Co、Pb、Cr、Fe这 9种元素进行土壤重金属污染分析研究。

2 材料与方法

2.1 样品采集、制备与测定

样品采集：本文所选取的17个样点分别为西安市主要公园。采样前，先对公园基本情况做前期调查。实际采样过程中，根据每一个公园的面积大小，布设5～10个采样点。每一个样点采用对角线法进行采样，采集0～10 cm的表层土壤混合均匀，最后按照四分法缩分取把每个公园采集的所有样品进行混合，带回一个质量约为1 kg左右的土壤混合样，总共17个土壤样品。带回后的土壤在室内通风处进行自然晾干，初过20目(0.9 mm)的尼龙筛，去除草根、石头、动植物残体等杂质。然后再研磨过200目(0.074 mm)尼龙筛直至所有土壤样品均通过尼龙筛，除石头等不易研磨的东西外。所有处理好的土壤样品装入聚乙烯塑封袋中以备测量，并注明采样点、采样日期、采样人等具体信息。

制备与测定：称取处理好的待测样品5 g放入模具中，拨平，再用硼酸进行衬底镶边，于31.6 t压力下， 经北京众合压样机SIEMENS型压样机压成圆形片状的待测样品，采用S8 tiger brochures wavelength dispersive型X-Ray荧光光谱仪测土壤中的重金属元素含量。

运用ARGGIS软件得到采样点示意图(图1)。分别为：灞桥生态湿地公园(P1)、唐城墙遗址公园(P2)、丰庆公园(P3)、城市运动公园(P4)、西安植物园(P5)、大明宫国家遗址公园(P6)、兴庆宫公园(P7)、文景山公园(P8)、环南公园(P9)、文景公园(P10)、劳动公园(P11)、曲江池遗址公园(P12)、莲湖公园(P13)、长乐公园(P14)、革命公园(P15)、儿童公园(P16)和新纪元公园(P17)。

2.2 生态风险评价方法

2.2.1 单项污染指数法

单项污染指数法是指以某介质中某污染物含量值与该污染物的限定值之比作为评价对象的污染指数Pi[12]，以此来确定主要的重金属污染及其危害程度的方法。其具体评价模型为:

pi=Ci/Si

(1)

式(1)中：Pi为土壤中污染物的污染指数；Ci为土壤中重金属的实测浓度(mg/kg或%)；Si为土壤中重金属的评价标准值(mg/kg或%),采用陕西省土壤背景值作为土壤重金属的评价标准。其中分级方法为：Pi≤1属于清洁；13属于重度污染。

2.2.2 内梅罗综合污染指数法

内梅罗综合污染指数法[12]能全面地反映土壤的污染状况，而且兼顾了单因子污染指数的平均值和最高值，可以突出污染较重的重金属污染物的作用。其评价公式为:

(2)

式(2)中：P为监测点的综合污染指数；Pimax为样点最大单项污染指数；Piavg为样点平均单项污染指数。根据P值变幅，确定的土壤质量分级标准为P≤0.7属清洁(安全);0.73.0属重污染。

2.2.3 地质累积指数法

地质累积指数(Igeo)[13]通常称为Muller指数，不仅考虑了自然地质过程造成的背景值影响，而且也充分注意了人类活动对重金属污染的影响，因此该指数不仅反映了重金属分布的自然变化特征，而且还可以判别人为活动对环境的影响，是区分人为活动影响的重要参数。其计算公式为：

(3)

式(3)中，Cn为样品中元素n的浓度，BEn为环境背景浓度值，1.5为修正指数， 通常用来表征沉积特征、岩石地质及其他影响。Forstner等将地质累积指数可分为7个级别，Igeo<0，污染级别为0级，表示无污染；0≤Igeo<1，污染级别为1级，表示无污染到中度污染；1≤Igeo<2，污染级别为2级，表示中度污染；2≤Igeo<3，污染级别为3级，表示中度污染到强污染；3≤Igeo<4，污染级别为4级，表示强污染；4≤Igeo<5，污染级别为5级，表示强污染到极强度污染；Igeo≥5，污染级别为6级，表示极强污染。

3 结果与分析

3.1 土壤重金属元素含量分析

西安市公园表层土壤中Pb、Zn、Ni、Mn、Cu、Cr、As、Fe、Co等重金属元素的相关统计结果见表1。与土壤背景值[14]相比，除As元素在P1和P8低于土壤背景值外，其它8种元素在公园表层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属累积。17个公园表层土壤中Pb、Zn、Ni、Mn、Cu、Cr、As、Fe、Co 9种重金属的均值分别为：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种元素的平均值均高于土壤背景值[14]，高出土壤背景值质量分数分别为：105.4%、51.4%、17.9%、30.0%、87.7%、17.2%、19.4%、51.4%和126.1%，可以看出：9种元素在公园土壤中均呈现出了不同程度的富集和累积，其中Pb和Co在公园土壤中表现出很强的富集和累积程度，元素Ni、Cr和As 3种重金属的元素基本和土壤背景值持平，累积和富集程度比较低。从9种元素的变异系数来看，Ni、Mn、Cr和Fe的变异系数比较小，分别为0.048、0.036、0.040和0.034，而Pb、Zn、 Cu 、Co的变异系数比较高，分别为：0.370、0.212、0.334和0.248,说明9种重金属在土壤中的污染程度存在很大差异，这与黄静[14]对西安市公园6种重金属元素的变异系数研究比较一致。

无论是从变异系数还是累积强度两个指标来看，重金属Pb、Cu和Co 3种重金属元素在土壤表层有很强的累积性，原因可能是随着经济发展，人们生活质量的提高，车辆、人为污染排放、工业排放和建筑装饰材料的使用等都会造成污染物在土壤中的长期累积富集从而造成严重污染。尤其是装修活动使用油漆和涂料等中添加Pb元素作为着色剂或其他用途[6,15]都会造成Pb排放从而通过迁移在土壤中累积起来。

3.2 土壤重金属污染评价分析

以土壤背景值为标准，计算出单项污染指数和综合污染指数的结果见表2。从表2中可以看出，除As在P8和P1的单项污染指数分别为0.96和0.81小于1，表明在这两个公园As没有对土壤造成污染。其他9种元素在各公园的单项污染指数均大于1，对公园土壤都造成了不同程度的污染。Ni、Mn、Cr、As、Fe的值在各公园均小于2，属于轻度污染级别。其中，Pb在P15、P16和P13的指数大于3，达到了重度污染级别；Cu在P13为3.53达到了重度污染级别；Zn除在P15外其他公园均属于轻度污染；Co对公园土壤属于轻度污染到重度污染。从内梅罗综合污染指数法可以得到：17个公园的结果均小于3，公园污染处于轻度污染到中度污染之间，没有造成重度土壤环境污染。其中，P15、P16、P13、P5的综合污染指数大于2小于3处于中度污染水平，分别为：2.63、2.88、2.90、2.75，污染较严重，要引起相关部门的注意。主要原因是均位于市中心，建园时间比较早，受人为活动影响时间比较久，以及市中心人流量车流量比较集中都会造成污染物的富集。

表2 西安市公园重金属单项污染指数和综合污染指数

重金属元素的地质累积指数见表3。从表3中可以看出，元素Ni、Mn、Cr、As的地质累积指数均小于0，属于0级污染，表明这4种元素对公园表层土壤没有造成污染。Fe、Pb、Co、Zn、Cu对公园表层土壤的污染介于0～2之间，属于无污染到中度污染。Zn的地质累积指数值除在P16、P3、P17、P11、P7、P15和P13这7个公园中指数大于0外，其他公园的地质累积指数均小于0属于无污染级别，说明Zn对这7个公园表层土壤的污染较严重，属于1级污染。Cu元素的地质累积指数在P16、P15和P13这3个公园最高，分别为：0.896、0.750和1.234，介于1级污染到2级污染之间，其中莲湖公园Cu污染最为严重，污染等级为2，属于中度污染；在P12、P3、P17、P11、P7和P6的结果均大于0，出现了不同程度的污染；其余8个公园指数均小于0没有造成土壤污染。Co的地质累积指数均大于0，表明所有点位均受到了污染，在P6、P1和P5分别为：1.110、1.019和1.245，污染级别达到2为中度污染，其余14个公园均介于无污染到中度污染之间。Pb元素的地质累积指数除了在P2、P9、P8、P10和P4小于0未对土壤造成污染外，其余12个公园指数均大于0，表层土壤均受到了不同程度的Pb污染，其中在P16、P15和P13的指数分别为：1.293、1.112和1.185大于1，属于2级污染，对公园土壤造成了中度污染。

表3 西安市公园重金属地质累积指数

4 结论

(1)17个公园表层土壤中9种重金属元素除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种元素呈现出了不同程度的富集和累积，其中Pb和Co在公园土壤中表现出很强的富集和累积程度，元素Ni、Cr和As累积和富集程度比较低。

(2)单项污染指数评价结果表明：Ni、Mn、Cr、As、Fe的值在各公园均小于2，属于轻度污染级别。其中，Pb在P15、P16和P13的指数大于3，达到重度污染级别；Cu在P13点位为3.53达到重度污染级别；Zn除在P15外其他公园均属于轻度污染；Co对公园土壤属于轻度污染到重度污染。内梅罗综合污染指数法评价结果表明：17个公园的结果均小于3，公园污染处于轻度污染到中度污染之间，没有造成重度土壤环境污染。

(3)地质累积指数评价结果表明：Ni、Mn、Cr、As 4种元素的地质累积指数小于0，对公园表层土壤没有造成污染。Pb、Co、Zn、Cu对公园表层土壤的污染等级介于0～2之间，属于无污染到中度污染之间。其中，Pb在P15、P16和P13点位，Cu在P13点位，Co在P1、P6和P5点位达到了中度污染。