基于多种方法的苏南镇域土壤重金属污染评价

孟令仪，徐梦洁，李小曼，，刘 勤

(1.南京农业大学公共管理学院，江苏南京210095；2.中国科学院南京土壤研究所，江苏南京 210008)

基于多种方法的苏南镇域土壤重金属污染评价

孟令仪1，徐梦洁1，李小曼1，2，刘 勤2

(1.南京农业大学公共管理学院，江苏南京210095；2.中国科学院南京土壤研究所，江苏南京 210008)

以苏南小镇为依托，采用地累积指数法、污染负荷指数法和内梅罗指数结合土壤环境质量标准的改进法对研究区域土壤重金属污染进行评价，比较各种方法的适用性。结果表明，内梅罗指数结合土壤环境质量标准的改进法综合了人为因素和自然因素的作用情况，分析结果更为客观，且污染分布的区分度较高，兼有地累积指数法和污染负荷指数法的优点，更适用于小尺度地区的土壤重金属污染评价。

重金属污染评价；改进方法；小尺度；苏南

近年来，重金属污染已经引起研究人员的广泛关注，其主要来源包括工业污染、金属矿山开采、污水灌溉、固体废弃物处置等方面[1]。我国在 “十二五”规划通过了《重金属污染综合防治规划》，说明对重金属污染问题的重视已经上升到国家层面。污染物在土壤中的聚集往往因人为活动的增强呈现出高度的空间变异性[2]。此外，土壤重金属元素含量也会随着时间的推移而发生改变[3]，使得土壤重金属污染问题更为复杂。由于土壤重金属不易移动降解，进入生物体后会积累下来，并对生物体产生不利影响，甚至可以通过食物链影响人类健康[4]。因此，了解土壤中重金属的含量与空间分布，并进行污染评价，对于土壤重金属污染防治乃至维护人体健康都具有十分重要的意义。研究表明，人为来源是导致土壤重金属污染问题的首要因素[5]。

在城镇化发展飞速的苏南地区，因乡镇企业大力发展和监管力度缺乏而导致的村镇地区土壤重金属污染问题十分严重[6]。乡镇是连接农村和城市的桥梁与纽带，在接受大中型城市辐射的同时，带动着周围广大农村经济和社会的发展，并促进农民生活水平的提高[7]。随着苏南乡镇企业的快速发展，环境问题也随之而来。由于乡镇监管力度薄弱，乡镇企业的厂房设施一般较为简陋，重金属物质排放不合理，土壤受到人为因素的严重改变[8]，使得土壤重金属污染成为苏南乡镇环境的严峻问题[9]。由于重金属在土壤中迁移缓慢，较小的尺度更能反映污染的真实性，所以开展以村镇为单位的小尺度土壤重金属污染研究显得更为重要。

土壤重金属污染研究中，评价方法也是十分重要的研究内容。目前，国内外应用较多的土壤重金属评价方法有内梅罗指数法[10]、环境风险指数法[11]、灰色聚类法[12]等，其中内梅罗指数法应用最为广泛，并对该方法进行了改进。在土壤重金属污染评价时，所采用的基准值往往简单划一，未能因地制宜，反映研究区域的实际情况；研究人员也往往只使用一种评价方法，评价结果唯一，缺乏可比性，难以从中择优。同时，重金属污染评价的范围一般趋向大中尺度，小尺度的研究较为少见。笔者以苏南小镇为依托，采用地累积指数法、污染负荷指数法和内梅罗结合土壤环境质量标准的改进法对研究区域的重金属污染进行评价，探讨小尺度区域重金属污染评价的适宜方法，旨在为政府部门以及环保部门的工作提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况 研究区域Y镇位于江苏省C市，地处我国经济最活跃的区域——上海经济圈中心，总面积约为12.67 km2。境内四季分明，隶属亚热带季风气候，年平均气温为16 ℃；雨量充沛，水网稠密，年平均降水量为1 200 mm，土壤类型主要为水耕人为土[13]。Y镇高速发展工业、苗木种植、水产养殖、农业观光旅游，其中工业产值占该镇总产值的90%以上。工厂主要集中在东部，尤其是东南部地区，主要有纺织厂、印染厂、机械制造厂、五金厂、温室制造厂等。经调查，Y镇有大型铜管厂、金属材料厂和电镀厂，很多工厂的废水、废渣中都含有重金属。

1.2 样品采集与前期处理 采用格网布点法与半随机布点法相结合的采样方法。在乡镇工业区范围以外的研究区内以500 m格网布点；乡镇工业区内由于厂房众多，并且排列不规则，同时要避开道路等设施不便于采用格网的形式，因此采取加密布点的方式，加密时一部分考虑了主要污染源，一部分随机布点，尽量覆盖景观草坪、居民地、工厂、水稻田、养殖水面等不同的土地利用类型。采样时间为2014年10月21— 22日，用土壤样品采样器(型号为WN0306)采取用于重金属分析的土壤样品。采样时用手持式GPS精确定位，采集表层0 ～ 20 cm土壤。其中，每个样点分别向4个方向辐射约2 m(5 m×5 m方格内)，共采集5次。将5份样品均匀混合制成该样点的样品，并标号，共采集110个样。工厂附近200 m以内的点占43.64%，农作物及附近50 m以内的点(包含居民区内零碎菜地、农业科技园等)占22.72%。

采集的土壤样品带回实验室，置于阴凉处，室温下使其自然风干。将风干的土壤样品用木棒压揉捻碎过20目的尼龙筛，并分成2份，1份样品进行pH的测定，另1份样品研磨后过100目的尼龙筛并充分混合均匀，装瓶并贮存于干燥器内备用。

1.3 样品分析 土样pH的测定使用便携式pH计(SG8-FK)采用玻璃电极法进行测定，水土比为2.5∶1。测定土壤中Cr、Cu、Zn、Ni、Pb、Cd、As、Hg等重金属含量，其中Cr、Cu、Zn、Ni、Pb、Cd前处理采用了HF-HCLO4-HNO3三酸高温消解，Cr、Cu、Zn、Ni采用电感耦合等离子光谱法(ICP-AES)测定[14]，Pb和Cd含量使用液相色谱电感耦合等离子体质谱仪(HPLC-ICP-MS)测定，As和Hg含量使用GB/T 22105.1-3—2008王水溶液沸水浴消化原子荧光光度计法(AFS-230E、AFS-9700)测定。重金属分析测试过程中均用GSS- 4、GSS-5标准参考土样进行全程质量控制。

1.4 主要评价方法

1.4.1 土壤重金属污染评价标准。土壤背景值是土壤环境评价的基准值，同时也是土壤污染态势预报、土壤环境容量计算、土壤环境质量标准确立以及制定国民经济发展规划的重要基础数据[15]。为真实反映Y镇的实际情况，笔者采用当地土壤背景值作为评价基准(表1)。

该研究采用地累积指数法、污染负荷指数法和内梅罗指数法结合土壤环境质量标准的修正方法等多种方法评价Y镇重金属污染状况。

表1 土壤质量标准及背景值

1.4.2 地累积指数法。1969年，德国科学家Muller[18]提出地累积指数法，用于量化评价沉积物重金属污染程度的指标[19]，并根据计算得到的地累积指数I将评价结果的等级分为：无—中、中—强、强—极强。这种划分使污染程度更为详细，提醒人们及时控制污染，防止其恶化到更高级别。

1.4.3 污染负荷指数法。污染负荷指数法是Tomlinson等提出的基于土壤背景值和采样点多种元素的一种求积的污染评价方法。该方法的评价公式为：

CFi=Ci/C0i

(1)

(2)

(3)

其中，Ci为元素i的实测值(mg/kg)；C0i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(即采样点的个数)；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；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。

1.4.4 基于内梅罗指数法结合土壤环境质量标准的修正方法。内梅罗指数法(综合污染指数法)是一种兼顾极值或突出最大值的计权型多因子环境质量指数法[20]。该方法包括单项污染指数法和综合指数法，其中单项污染指数法能够准确反映某种重金属元素的污染程度，计算公式及分级标准参见相关文献[1]。

直接采用内梅罗指数法评价，仅在公式中依据当地土壤背景值或土壤环境质量评价标准来计算，安全系数较小，且规范性和可比性欠佳。笔者在研究区域进行了评价试点，并最终确定采用内梅罗指数结合土壤环境质量标准修正评价法。此方法是对评价体系及公式都作出改进，而不是仅对公式进行改进，使得评价结果更加合理，不会过宽或过严，使得评价值比较充分合理地分布在相应区间，可比性增强，更符合评价的实际需要。将国家土壤环境质量标准(GB 15618—1995)的三级标准分别作为评价的各级污染的初始值，将土壤重金属污染分为4级，并在划分级别上也进行相应调整。

2 结果与分析

采用上述方法分别对研究区土壤中的8种重金属元素进行污染评价，对采样点进行分级统计。为了更直观地反映研究区的整体污染状况，选用插值效果较好的径向基函数法的高次曲面函数对样点土壤环境质量分类评价结果进行空间插值，并运用ArcGIS软件进行等值线图的绘制。

2.1 基于地累积指数的重金属污染评价 地累积指数是通过扣除重金属背景含量从而获取由人为原因所引起的重金属积累。该研究选取苏南地区土壤背景值作为基准。由表2可知，污染强度最高的是Cd元素。除Ni、Cr和As以外，其他元素都达到中—强、强度污染，其中，Hg、Cd强度污染所占比例较高，而Hg、Pb、Cd在中—强及中度污染所占比例非常高，尤其是Pb中度污染的样点达到68个，而Hg在中—强度污染样点达到35个。

由表3可知，各元素的累积指数变化范围最大的是Cd，说明Cd局部污染非常严重，区域污染程度参差不齐。I值均值从大到小排序依次为Pb、Cd、Hg、Cu、Ni、Zn、Cr、As。Pb元素极值污染程度不高，但整体污染严重，都大于1级，地累积指数法将其归为中度污染。

表3 地累积指数均值评价结果

Table 3 Evaluation results of average values of geoaccumulation index

重金属元素ElementsofheavymetalsI值等级范围DegreeofIvalue评价结果(均值)Evaluationresults(mean)累积污染程度AccumulativepollutiondegreeCu0～30．45无—中Ni0～20．21无—中Zn0～40．02无—中Cr0～2-0．38无Cd0～51．49中Pb1～41．69中As0～1-0．70无Hg0～41．35中

2.2 基于污染负荷指数的重金属污染评价

2.2.1 最高污染系数(CF)。以苏南地区背景值作为评价标准，对采样点8种重金属的最高污染系数进行统计。从表4可以看出，8种元素的污染强度从强到弱依次为Hg、Pb、Cd、Cu、Zn、Ni、Cr、As，这与地累积指数的污染程度均值排序较为一致。这说明Hg和Pb的污染最为严重，对区域污染负荷贡献最大。此外，各采样点元素的污染系数极差较大，变化范围大，元素之间相差几倍甚至几十倍，而标准偏差偏小，所以元素含量分布可能存在一定规律性，值得深究。

2.2.2 点污染评价。根据公式和分级标准可得到8种重金属点污染负荷指数PLI、4种毒性强的重金属点污染负荷指数PLIHg-As(Hg、Pb、Cd、As)及4种毒性相对较弱的重金属点污染负荷指数PLICu-Cr(Cu、Ni、Zn、Cr)的统计结果。从8种重金属污染负荷指数来看，没有无污染级别的样品，说明Y镇土壤重金属污染已经十分严峻。从4种毒性强的重金属点污染负荷指数来看，强污染以上样品占到73.64%，极强污染占33.64%，说明毒性强的重金属污染很严重。

表4 采样点8种重金属的最高污染系数分析

Table 4 The analysis of the highest pollution coefficient for 8 kinds of heavy metals in sampling points

重金属元素Elementsofheavymetals平均值Mean最大值Maximum最小值Minimum极差Range标准差StandarddeviationCu2．196．620．915．710．95Ni1．875．780．085．690．77Zn1．8717．920．5817．341．94Cr1．265．070．055．020．70Cd5．1537．720．9536．774．25Pb5．1816．492．3414．152．10As0．931．780．521．260．15Hg5．4619．550．4119．154．18

从图1可以看出，Hg、Pb、Cd、As综合污染程度不仅从覆盖范围上，而且从污染级别上都要远大于Cu、Ni、Zn、Cr。毒性强的元素污染总体分布在东北、西南区域，绝大部分污染程度在强污染以上，只有西北部地区污染在中污染水平，其余污染都在强污染以上。

2.2.3 区域污染评价。4种毒性强的重金属区域污染负荷指数为2.91；4种毒性相对较弱的重金属区域污染负荷指数为1.58；8种重金属区域污染负荷指数为2.15。研究区重金属污染整体为强污染，尽管毒性较弱的重金属污染负荷指数只有中等污染，但是毒性强的重金属污染指数接近极强污染，对生物健康危害极大。因此，综合评价结果为强污染。

2.3 基于内梅罗指数结合土壤环境质量标准的重金属污染评价 由表5和表6可知，Hg和Cd的污染程度较大。在中度污染部分，Ni、Hg、Cd的比例较修正前大幅提高，在轻度污染方面，除了Cd下降外，Hg和Ni基本持平，其余元素较修正前均有所上升，其中上升最为明显的是Pb、Cu、Zn。改进后的多因子综合污染评价，与修正前相比，P综值从1.98上升为2.20，即从原来的轻度污染上升为中度污染。

图1 点污染负荷指数评价结果Fig.1 Evaluation results of point pollution load index

表6 改进后单因子综合污染指数评价

Table 6 The evaluation results of modified comprehensive pollution index of single factor

重金属元素ElementsofheavymetalsPjPjmaxP综2污染程度PollutiondegreeCu0．501．511．12轻度Ni1．093．362．50中度Zn0．545．233．72重度Cr0．281．110．81轻度Cd1．9914．5910．41重度Pb0．351．120．83清洁As0．330．630．50清洁Hg1．786．374．68重度

3 结论

从评价结果来看，地累积指数法相对客观，分级更加准确，没有夸大局部值的效果，且相对污染负荷指数法更能反映人为因素和自然因素的综合作用情况，分析结果更为客观；污染负荷指数法比地累积指数法更能反映实际情况，且污染分布的区分度较高，更加形象清晰。

结合土壤环境质量标准的内梅罗指数法，改进后的单项污染指数污染程度普遍上升一个级别，并且增强了区分度，污染评价结果更为准确，对于Pb、Cd污染指数普遍较高的能够合理地区分污染程度，而不是全部归为无污染的级别，改进方法比改进前的规范性和可比性有所提高。改进后的指数计算方式更为科学、规范，不会出现过大或过小的值，不会使最后的污染指数偏差较大。改进后的单因子综合指数排序发生了较大的变化，Zn位居第2，说明它保留了内梅罗指数重视极值的特点；Pb和Cu排名有所提前，说明它也改进了内梅罗指数不关注中间值及普遍污染程度的缺点。整体来看，污染程度较改进前有所上升，如Cu、Cr和Pb的污染级别升高，其他元素基本不变，这种评价方法更符合实际情况，优势十分明显。内梅罗结合土壤环境质量标准的改进法兼有前2种方法的优点。

该评价结果表明，毒性强的元素污染总体分布在东北和西南区域。人类活动密集的区域往往是污染来源最大的区域，同时也是污染风险较大的地区，例如纺织厂、印染厂、机械制造厂、五金厂、温室制造厂等。其中农作物种植区的污染危害程度最大，往往需要保护，其余地区则需要进行防治。因此，在Y镇这样的小尺度区域，重金属污染评价适宜采用内梅罗指数的改进方法，因为该方法更符合实际，对于制订针对性调控措施具有更大的参考价值。

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Evaluation of Soil Heavy Metal Pollution in Southern Towns of Jiangsu Province by Multiple Methods

MENG Ling-yi1, XU Meng-jie1，LI Xiao-man1,2et al

(1. College of Public and Administration, Nanjing Agricultural University, Nanjing, Jiangsu 210095；2. Institute of Soil Science，Chinese Academy of Sciences，Nanjing，Jiangsu 210008)

Taking a small town in southern areas of Jiangsu Province as an example, the soil heavy metal pollution in research area was evaluated by using geo-accumulation index method, pollution load index method and the modified method of Nemero index combined with soil environmental quality standards. The feasibility of these methods was discussed. The results showed that the modified method of Nemerow index combined with soil environmental quality standards combined with human factors and natural factors. This method had advantages of more objective evaluation results，higher discriminabiltity of pollution distribution. And the modified method of Nemerow index had the advantages of both geo-accumulation index method and pollution load index method，so this method was most suitable for the evaluation of soil heavy metal pollution in a small scale region.

Evaluation of heavy metal pollution; Improvement method; Small scale; Southern area of Jiangsu Province

国家科技支撑计划项目(2012BAJ24B06)。

孟令仪(1992- )，女，江苏南京人，硕士研究生，研究方向：土地利用与土地规划。

2016-09-19

S 158.4

A

0517-6611(2016)34-0114-05