南京市紫金山土壤中6种重金属的污染特征和污染水平评价*

刘 新 李一鸣 金 辉 乔维川 虞 磊 张齐生

(南京林业大学生物与环境学院，江苏 南京 210037)

南京市紫金山土壤中6种重金属的污染特征和污染水平评价*

刘 新 李一鸣 金 辉 乔维川 虞 磊 张齐生

(南京林业大学生物与环境学院，江苏 南京 210037)

为探究人类活动对南京市紫金山国家森林公园土壤重金属污染的影响，研究了紫金山土壤中6种重金属(Cu、Zn、Pb、Cr、Ni、Mn)的污染特征，并采用单因子指数法和内梅罗综合指数法进行了污染水平评价。结果表明：Cu的质量浓度范围为4.21～249.75mg/kg，平均值为64.08mg/kg；Zn的质量浓度范围为155.26～418.75mg/kg，平均值为212.34mg/kg；Pb的质量浓度范围为112.19～608.91mg/kg，平均值为319.57mg/kg；Cr的质量浓度范围为29.54～201.25mg/kg，平均值为127.36mg/kg；Ni的质量浓度范围为46.64～142.48mg/kg，平均值为76.16mg/kg；Mn的质量浓度范围为182.59～1 634.48mg/kg，平均值为1 008.93mg/kg。总体而言，上层样(0～20cm)的重金属浓度高于下层样(20～40cm)，高海拔的重金属浓度低于低海拔的。内梅罗综合指数表明，所有采样点均处于重度污染状态。分析6种重金属的单因子指数发现，主要是因为Pb的单因子指数较大。

紫金山 土壤 重金属 评价

研究表明，城市土壤中重金属Cu、Zn、Pb、Cr、Ni、Mn受人类活动的影响较大，主要来源于交通废气、机动车部件磨损、公园化肥及农药的施用等[1]。随着城市化进程的推进，人类活动对南京市紫金山国家森林公园的影响不断增大，其土壤受到了不同程度的重金属污染。本研究采集了对南京市紫金山土壤样品，测定了Cu、Zn、Pb、Cr、Ni、Mn 6种重金属含量，分析了不同海拔和不同土层中的重金属分布，并运用单因子指数法和内梅罗综合指数法对紫金山土壤重金属污染水平做出评估。

1 材料与方法

1.1 样品采集

采样点平面分布图如图1所示。共设36个采样点，其中1～30号采样点为沿紫金山周围的低海拔采样点，人类活动较多，而31～36号采样点为自然森林区的高海拔采样点，远离人类活动。每个采样点分别取上层样(0～20 cm)和下层样(20～40 cm)约500 g，放入自封袋中，采样点信息见表1。土壤样品运回实验室后，自然风干，弃去石砾、砖块、植物根等杂质，研磨并过200目筛，备用。

图1 采样点平面分布图Fig.1 Sampling sites plan

1.2 样品测定

土壤样品重金属采用原子吸收分光光度法测定。先将样品置于石墨消解仪(Hanon-SH220)中消解，再运用火焰原子吸收分光光度计(TAS-990)测定Cu、Zn、Pb、Cr、Ni、Mn 6种重金属的含量。

1.3 评价方法

1.3.1 单因子指数法

单因子指数法[2]的计算式为：

Pi=Ci/Si

(1)

式中：Pi为重金属i的单因子指数；Ci为重金属i实测质量浓度，mg/kg；Si为重金属i的背景值，mg/kg。

1.3.2 内梅罗综合指数法

内梅罗综合指数法[3]的计算式为：

(2)

表1 采样点信息

式中：PN为内梅罗综合污染指数；Pmax为6种重金属的单因子指数最大值；Pave为6种重金属的单因子指数平均值。

1.4 评价标准

单因子指数法评价时的背景值采用文献[4]中的南京市土壤背景值，Cu、Zn、Pb、Cr、Ni、Mn的背景值分别为32.2、85.1、28.0、66.7、42.3、511.0 mg/kg。单因子指数法的评价标准如表2所示。内梅罗综合指数法评价标准如表3所示。

2 结果与分析

表2 单因子指数法评价标准

表3 内梅罗综合指数法评价标准

图2 土壤样品的重金属质量浓度Fig.2 Heavy metals mass concentrations of soil samples

项目CuZnPbCrNiMn单因子指数平均值1.9902.49511.4131.9091.8011.974污染等级轻度污染中度污染重度污染轻度污染轻度污染轻度污染

2.1 土壤重金属含量

由图2可知，南京市紫金山国家森林公园土壤样品中Cu的质量浓度范围为4.21～249.75 mg/kg，平均值为64.08 mg/kg，变异系数为76.4%。Zn的质量浓度范围为155.26～418.75 mg/kg，平均值为212.34 mg/kg，变异系数为26.6%。Pb的质量浓度范围为112.19～608.91 mg/kg，平均值为319.57 mg/kg，变异系数为21.3%。Cr的质量浓度范围为29.54～201.25 mg/kg，平均值为127.36 mg/kg，变异系数为30.8%。Ni的质量浓度范围为46.64～142.48 mg/kg，平均值为76.16 mg/kg，变异系数为28.6%。Mn的质量浓度范围为182.59～1 634.48 mg/kg，平均值为1 008.93 mg/kg，变异系数为29.6%。

总体而言，上层样与下层样的变化趋势一致，且表现为上层样的重金属浓度略高于下层样，这是因为表层土壤有机质含量高，有机质对重金属的吸附、络合等作用使得土壤中的重金属大部分被固定在表层[5]。个别采样点出现明显的反常现象，即下层样的重金属浓度明显高于上层样，如7号采样点的Zn和12号采样点的Pb，可能是由于雨水淋溶、翻动土层的影响使得重金属垂直变化规律发生了改变[6-7]。

图3分别计算了低海拔采样点和高海拔采样点的6种重金属质量浓度平均值。结果表明，高海拔采样点的6种重金属浓度平均值均低于低海拔采样点，这与低海拔采样点离道路较近，受汽车尾气等人类活动的影响较大相符。

图3 不同海拔的重金属质量浓度平均值比较Fig.3 Comparison of mean heavy metals mass concentrations of different altitudes

2.2 土壤重金属污染状况评价

2.2.1 单因子指数法评价结果

紫金山国家森林公园每个采样点的6种重金属单因子指数平均值见表4。Pb的单因子指数平均值最大，为11.413，处于重度污染；Zn的单因子指数平均值为2.495，处于中度污染；其余4种重金属均处于轻度污染。从2.1节来看，6种重金属中Mn的浓度最高，而其单因子指数平均值并不高，处于轻度污染，是因为南京市的Mn土壤背景值本身比较高；而Pb土壤背景值并不高，但单因子指数平均值如此之高，说明Pb主要来源于人类活动的影响。

对每个采样点的污染等级评价结果进行比例统计，结果如图4所示。Pb的所有采样点都处于重度污染。对于重金属Cu，处于无污染、轻度污染、中度污染和重度污染的采样点分别占25%、36%、22%、17%。Zn处于轻度污染、中度污染和重度污染的采样点分别占8%、81%、11%。Cr处于无污染、轻度污染和中度污染的采样点分别占3%、50%、47%。Ni处于轻度污染、中度污染和重度污染的采样点分别占66%、31%、3%。Mn处于无污染、轻度污染和中度污染的采样点分别占5%、42%、53%。

图4 每个采样点的单因子指数污染等级比例Fig.4 Pecentage of different pollution degree of all sampling sites by single factor index

2.2.2 内梅罗综合指数法评价结果

所有采样点的内梅罗综合污染指数如表5所示，范围为6.244～14.146，平均值为8.706，变异系数为20.6%，均处于重度污染污染状态。由此可见，与南京市土壤背景值相比，紫金山国家森林公园的土壤重金属污染总体处于重度污染状态，应该引起重视。

表5 所有采样点的内梅罗综合污染指数

3 结 论

(1) 南京市紫金山国家森林公园土壤样品中Cu的质量浓度范围为4.21～249.75 mg/kg，平均值为64.08 mg/kg。Zn的质量浓度范围为155.26～418.75 mg/kg，平均值为212.34 mg/kg。Pb的质量浓度范围为112.19～608.91 mg/kg，平均值为319.57 mg/kg。Cr的质量浓度范围为29.54～201.25 mg/kg，平均值为127.36 mg/kg。Ni的质量浓度范围为46.64～142.48 mg/kg，平均值为76.16 mg/kg。Mn的质量浓度范围为182.59～1 634.48 mg/kg，平均值为1 008.93 mg/kg。总体而言，上层样的重金属浓度高于下层样，高海拔的重金属浓度低于低海拔的。

(2) 内梅罗综合指数表明，所有采样点均处于重度污染状态。分析6种重金属的单因子指数，主要是Pb的单因子指数较大导致的。

[1] 徐甜甜.西安市城市公园土壤重金属污染状况研究[D].西安：西安工程大学,2012.

[2] 王志伟,张晓郁.土壤重金属污染评价方法研究进展[R].唐山:唐山市环境保护局,2012.

[3] 陈国珍,严峰,党露.土壤重金属污染及检测方法的研究进展[J].广东化工,2016,43(2):77-78.

[4] 中国科学院土壤背景值协作组.北京、南京地区土壤中若干元素的自然背景值[J].土壤学报,1979,16(4):319-328.

[5] 李灵,梁彦兰,江慧华,等.旅游干扰对武夷山风景区土壤重金属污染和土壤性质的影响[J].广东农业科学,2012(19):171-174.

[6] LUO X,YU S,ZHU Y,et al.Trace metal contamination in urban soils of China[J].Science of the Total Environment,2012,421/422:17-30.

[7] 林跃胜,方凤满,魏晓飞,等.黄山景区土壤重金属分布特征及其潜在生态风险评价[J].水土保持学报,2012,26(2):256-260.

Pollutioncharacteristicsandpollutionlevelevaluationof6heavymetalsinPurpleMountainsoil,Nanjing

LIUXin，LIYiming，JINHui，QIAOWeichuan，YULei，ZHANGQisheng.

(CollegeofBiologyandEnvironment，NanjingForestryUniversity，NanjingJiangsu210037)

In order to explore influence of human activities on soil of Purple Mountain Forest Park in Nanjing,pollution characteristics of 6 heavy metals (Cu,Zn,Pb,Cr,Ni,Mn) were studied. Moreover,pollution level evaluation was conducted using single factor index method and Nemero comprehensive index method. Results showed that Cu mass concentrations ranged from 4.21 to 249.75 mg/kg with an average of 64.08 mg/kg,Zn ranged from 155.26 to 418.75 mg/kg with an average of 212.34 mg/kg,Pb ranged from 112.19 to 608.91 mg/kg with an average of 319.57 mg/kg,Cr ranged from 29.54 to 201.25 mg/kg with an average of 127.36 mg/kg,Ni ranged from 46.64 to 142.48 mg/kg with an average of 76.16 mg/kg,and Mn ranged from 182.59 to 1 634.48 mg/kg with an average of 1 008.93 mg/kg. In general,heavy metal mass concentrations of upper samples (0-20 cm) were higher than that of lower ones (20-40 cm),and that of high altitude lower than that of low altitude. Nemero comprehensive index implied that all samples were at heavy pollution level. Pb were found to be the main contributor through single factor index analysis.

Purple Mountain; soil; heavy metal; evaluation

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.10.003

刘 新，男，1968年生，硕士，副教授，主要从事水污染控制与土壤修复技术研究。

*国家自然科学基金青年基金资助项目(No.51308300)；江苏省高校优势学科建设工程项目(No.PAPD)。

2017-06-19)