城市表层土壤重金属污染研究

谭 垚

城市表层土壤重金属污染研究

谭 垚

（四川轻化工大学，四川 自贡 643000）

随着城市的不断扩张与建设，城市人口的不断汇聚导致城市环境质量不断面临新的问题，迫切需要对城市表层土壤开展调查研究以获得污染来源和污染区域。文章利用X射线荧光仪采集表层土壤Cr、Ni、Cu、Zn四种重金属污染元素的含量，利用潜在生态危害指数法对测量数据进行分析，得出了区域内四种元素含量等值线图和潜在危害指数等值线图，为污染源监测控制和治理提供参考。

环境；重金属元素；生态危害指数法；等值线图

引言

随着城市化进程的加速发展，城市逐渐向四周扩张，城市土壤环境的污染也在不断向外围扩散，城市土壤品质的高低会直接影响到人们的生活质量水平和身体健康[1]。随着人类活动加强，活动区域上重金属污染会不断累积，如果含量超标就会破环人居环境。

研究区域为某市区内绿心公园，其森林面积广阔，覆盖率达三分之二以上，为城市的空气净化发挥了举足轻重的作用。公园位于主城区江边，规划范围为10平方公里，园内有山有水植物繁盛，是广大市民休闲娱乐的地方。为缓解交通压力，园内有条贯穿南北的交通要道，同时为方便市民休闲运动，园内还设有一条全长10多公里的环线道路，环线内是不允许机动车进入的。近年来随着人们生活水平的逐渐提高，此主干道的车流量不断增大，汽车尾气排放一定程度上会使园内交通要道两侧土壤受到污染，同时随着公园内人流量增多，各种人为因素的污染也在日益聚集，对公园内污染进行监测与控制势在必行。

目前针对土壤中重金属污染调查研究的办法常用的有内梅罗综合污染指数法、地累积指数法、潜在生态危害指数法等[2,3]。众多方法中各有各的优势和局限，在不同区域应根据实际情况采用合适的方法进行评价。

到目前为止，国内研究人员对城市表层土壤重金属污染做了许多基础研究并获得了一些有效成绩。城市表层土壤重金属污染机制相对来讲是错综复杂的，但是在时间和空间上又有一定的规律可循。现在不断有学者运用投影寻踪、基于MATLAB的模型等对城市表层土壤重金属污染程度和区域分布进行评价，结合地统计学模型研究重金属元素的空间分布规律等对污染影响因素进行定量分析，寻找污染源位置[4]。同样有研究者使用统计学方法对不同功能区土壤表层重金属元素进行分析研究，结果表明重金属元素在工业区和主干道重金属浓度明显偏高，说明污染源有很大程度上是由于汽车尾气排放和汽车轮胎摩擦所致。本文利用X射线荧光仪在研究区域采集数据，并对数据进行整理，得到了该区域不同点位的重金属污染元素Cr、Zn、Cu、Ni的含量值，以及该点位上潜在生态危害指数。利用克里金插值法对数据进行插值并采用sufer软件绘制了该区域四种重金属元素的含量等值线图与该区域的危害指数值等直线图。根据图像分析了该区域的污染特征，并推测了污染源的来源。

1　评价方法

1.1　地积累指数法

地累积指数法又被称为Muller指数，是在20世纪中期由德国科学家Muller提出后逐渐在欧洲兴起。主要用于研究沉积物及其他物质中重金属污染程度的定量指标[5]。在评价过程中，除了要考虑环境化学背景值以外还要考虑由于人为的各种污染因数，以及由于自然在岩石形成的机制中可能会引起背景值变动的因数，地累积指数的计算公式为:

1.2　内梅罗综合污染指数法

内梅罗指数首先需要求出每一个因子的单独指数然后再求出每个单独指数的平均值最后选择最大单独指数和平均值来进行计算。这种方法是一种能考虑最大值或者能突出最大值的计权型多因子环境质量指数。

1.2.1单因子指数法

为了确定重金属污染的主要来源物及其危害水平可以采用单一因子指数法进行评估。普通情况下以污染指数来表现，用重金属实测值的含量与评估标准的比值除去量纲以后再来计算污染指数：

1.2.2综合指数法

由于单因子指数只能反映出各个重金属元素的污染水平而不能完全反映出土壤的全面污染情况，综合污染指数既可以考虑单因子污染指数最高值。又能考虑到平均值，可以相对表示出污染厉害的重金属污染物的作用。综合污染指数计算方法如下：

内梅罗综合指数在评估时可能会因为人为的因数放大或减少一些因子的作用效果，可能会相对反映出污染指数最大的重金属污染对环境质量影响的偏差，导致使其对环境质量评估的灵敏度不够强。

1.3　潜在生态危害指数法

本次数据分析采用潜在生态危害指数法进行评估，该方法是由瑞典科学家Hakanson从沉积学角度出发提出来的，依据重金属化学物理性质及其环境的行为特点，对土壤或沉积物中土壤重金属污染开展评估的方法[6]。这种办法不仅是要考虑土壤中重金属含量，同样还需要全面兼顾多种元素的共同相互作用、毒性程度、污染浓度以及环境对重金属污染敏感性等要素。潜在生态危害指数法表达式如下：

2　数据采集与整理

数据采集是城市表层土壤重金属污染评价环节相当重要的一个步骤，数据的准确度和精确度直接关系到最终的评价结果。首先根据评价任务进行现场踏勘后再设计具体的数据采集方案，踏勘结果显示研究区域内多为典型的丘陵地貌，森林覆盖率较高，大多数地方没有平坦的道路，区内以前为分散的原住农户，后因环境改造，区内所有农户全部搬离，然而各种建筑垃圾没有得到及时有效的清理，这给数据采集带来了一定的难度。

首先在地形图上确定研究区域的大致范围，并依据地形图，按照1 km×1 km的网格进行采样点布设，依照每个网格节点对应一个数据采集点的标准对表层土壤进行数据测量，用GPS记录数据采集点的横纵坐标，并进行编号[7]。用X射线荧光仪对表层土壤重金属Cr、Zn、Cu、Ni的含量进行测定，在测量之前首先应对X射线荧光仪进行标定，具体步骤参照X射线荧光仪操作手册。在实际测量时应布设一般点和检查点，通常一般点是按任务中的要求提出的间距距离均匀地布置在整个研究区域，可以获得被测量的对象产生的异常。布设采集点时若因为存在各种因数的限制，数据采集点可以偏离原来位置，通常不得超过标准距离的20%，最大不偏离标准距离的40%。数据采集通常使用多次测量取平均值的方法进行。在一般点上如发现测量值相对异常，此测量点数据应当适当增加测量次数，并且在异常点之间增加测量点数，以保障测量点的代表性、准确性以及精度的要求。为了检验在一般点上的数据采集的可靠性，需要提取一定比例的点作为检验点，检查点在时间和空间上分布都应该大致均匀，检查观测与初次观测应该采用不同的测量人员和不同的测量路线。

采集到的土壤金属元素含量数据需要经过一系列的整理才能进行评定与成图。首先要剔除明显错误数据，在同一点采集的多个数据中有时由于各种因数的影响可能会测得一些不合理数据，这种数据可以直接剔除掉。为了更有效地反映区域内各种元素含量的真实情况，采集越多的数据越有效，但是需要考虑时间和工作量，同时网格太密重复的工作量也会更大。为了在原来设计每平方公里1个数据的基础上更能客观有效地反映区域内的真实情况，可以采用插值方法。对采集的数据进行整理后，得到了每一个点的横纵坐标位置和四种元素的含量值和潜在危害指数RI，本次成图采用sufer软件绘制，采用克里金插值方法，克里金插值方法广泛应用于各类观测的空间插值，该方法考虑到了空间相关性的问题，使得插值结果更加可靠，经常用在土壤科学和地质相关问题中。应用sufer软件绘制四种重金属元素含量等值线图（图1）和潜在危害指数RI等值线图（图2），并将边缘地区白化。图中黑色虚线为测量区中一条主干道。

图1　四种元素Cr、Ni、Cu、Zn含量等值线图

3　成果分析

从图1四种重金属元素等值线图中色阶的颜色分布中可以看出：Zn的含量最高含量为27 mg/kg～346 mg/kg，其次是Cr含量为5 mg/kg～128 mg/kg，然后是Cu含量为11 mg/kg～88 mg/kg，Ni的含量最低，含量为15 mg/kg～39 mg/kg。

（1）从图1中Cr含量等值线图中可知，研究区内共有3个Cr浓度异常，分别在西北边2个，另外一个在东北边靠公路附近，其中东北边靠公路附近的浓度异常基本呈现圆形，长1 km，宽1 km，面积大概有1 km2，其含量平均为110 mg/kg左右。西北边两个浓度异常都有向外延伸，面积大概分别为0.3 km2和0.4 km2，其含量平均值分别为100 mg/kg和80 mg/kg。（2）从图1中Ni含量等值线图中可知，研究区内共有3处Ni浓度异常，分别在北边、东北边和南边，其中东北边靠公路旁边的浓度异常呈心形，长2 km，宽1 km，由于外围没有采集数据，异常同样在向外围延申，面积大约2.5 km2，其含量平均值大约为37 mg/kg。北边异常浓度较小，范围也较小。南边异常有很大一部分在测量之外区域，长度大概有2 km，宽度大概有0.5 km，面积1 km2，含量平均值大约为33 mg/kg。（3）从图中Cu含量等值线图中可知，研究区共有3处Cu浓度异常，分别在北边、东北边和南边，其中南边浓度异常呈半圆形，长度大概1 km，宽度大概0.5 km，面积约有0.5 km2，平均含量约为85 mg/kg。东北边异常呈三角形分布，异常同样在向外延申，长大概1 km，高大概0.5 km，面积大约0.8 km2，平均含量约为80 mg/kg。北边异常较小面积大约有0.2 km2，平均含量约为65 mg/kg。（4）从图中Zn含量等值线图中可知，研究区共有3处的Zn浓度异常，其中南边一处浓度异常，北边有一处浓度异常，另外一处在东北边靠公路附近，且此处浓度异常平均值为300 mg/kg，呈三角形形状，同样在向外围延申，长大约为0.8 km，高大约为0.4 km，面积大概为0.5 km2。北边浓度异常范围较小，且含量不太高。南边浓度异常呈半圆形，且可判断向外围延申的异常较大，其中长大约为1 km，宽大约为0.8 km，面积大概为1 km2，此处浓度异常平均值为190 mg/kg。

结合四种元素含量等值线图，不难发现存在一定的规律，其中Zn、Cu、Ni异常分布比较相似，说明污染轨迹相同。并且四种异常分布主要在测量区边缘地带，边缘地区是生活区和公园相结合的部分，边缘地带人们活动较强污染也较强。由图2的潜在生态危害指数RI等直线图可知，RI值均未超过150，属于轻微生态危害。RI相对高值同样有三个区域，分别分布在南边，东北边和北边，都向外围延申。其中南边呈半圆形，长大概为3 km，宽大概为1.5 km，面积大概为3 km2，平均RI值约为20。东北边靠近公路的区域呈梯形，其中长大约为3 km，宽大约为2 km，面积大概为6 km2，平均RI值约为20。北边区域呈三角形，长大约为1 km，高大约为0.5 km，面积大概为0.8 km2，平均RI值约为18。区域内边缘地带危害风险指数相对较高，与人类活动强烈有关，图中右上角位于公路右侧有一高危害指数区域，从图1中也反映出同样的结果，后据调查该区域表层土壤为转移土壤，极有可能是土壤被污染后搬运至此。

图2 潜在生态危害指数RI等直线图

4　结论

城市地表土壤重金属污染监测是环境监测中一项需要长期坚持的重要工作，重金属的污染会不断恶化人们生活环境。本文采用潜在生态危害指数法对研究区域开展调查分析并用克里金插值方法进行插值数据处理，结合sufer软件绘制了Cr、Ni、Cu、Zn四种重金属元素含量等值线线图和污染指数RI等值线图，得出了四种重金属污染元素浓度含量大小：PZn＞PCr＞PCu＞PNi。四种重金属元素污染在空间上有一定规律，即分布位置基本相同，主要分布在研究区南边和北边以及东北边的边缘地区和道路两侧，研究区边缘地区是城区和绿心公园的结合地带主要是人们在此区域日常生活造成的污染，而道路两侧的重金属元素污染主要是主干道上汽车尾气排放和汽车轮胎摩擦造成的污染，以及由于之前原住农民房屋基地建设转移来的土壤造成的污染。由RI等值线图可知区域内RI指数均为超过150，属于轻微生态危害，相对高指数值与四种元素污染异常分布基本相同，基本分布在研究区边缘地区和主干道路两侧，并且有向研究区中心扩展趋势。该研究结果分析确定了污染源和污染区域，为城市生态环境重金属污染监测和治理提供了有利的参考价值。

根据此次调查研究结果提出以下建议供参考：一是对公园内主干公路实行管制措施，或者提醒大家可以绕道通过，尤其是早晚出行高峰期，从而减少汽车尾气排放以及汽车轮胎摩擦对公园的污染；二是控制公园内游览人数，由于公园有一定的承载限度，游览人数过多会容易破环公园的环境质量针对节假日可以实行预约制度，从而可以减少人为活动过强对公园的影响；三是对公园内转移土壤进行有效治理；四是对公园边缘地带采取一些宣传措施提高人们对该过渡地区的环境保护意识等。

[1]代永强，王联国. 城市表层土壤重金属污染评价[J]. 计算机与现代化，2019(8): 105-111.

[2]刘春英，李洪义. 南昌市不同功能区绿化带土壤重金属污染特征及生态风险评价[J]. 生态环境学报，2019，28(8): 1691-1699.

[3]闫欣荣，樊旭辉. 多种方法评价城市表层土壤重金属污染的比较研究[J]. 甘肃农业大学学报，2013，48(1): 118-124.

[4]刘富坤，张玲. 基于MATLAB的城市表层土壤重金属污染模型优化分析[J]. 安徽建筑，2020，27(7): 104-105.

[5]柴立立，崔邢涛. 河北省重点城市土壤重金属污染评价与防治对策——以石家庄市为例[J]. 科学技术与工程，2019，19(3): 261-268.

[6]Mass S, Scheifler R, Benslama M, et al. Spatial distribution of heavy metalconcentrations in urban, suburban andagricultural soils in a mediterranean city of Algeria[J]. Environmental Pollution, 2010, 158: 2294- 2301.

[7]常兰，文雪梅，周洪祥，等. 乐山市绿心公园土壤重金属含量的环境质量分析与评价[J]. 四川环境，2019(4): 133-137.

Study on Heavy Metal Pollution in Urban Topsoil

With the continuous expansion and construction of the city and the continuous convergence of urban population, the urban environmental quality is constantly facing new problems. It is urgent to investigate and study the urban topsoil in order to obtain the pollution source and pollution area. In this paper, the contents of Cr, Ni, Cu and Zn in surface soil were collected by X-ray fluorescence instrument, the measured data were analyzed by potential ecological hazard index method, and the content contour map of four elements and potential hazard index contour map in the region were obtained, which provided a reference evidence for pollution source monitoring, control and treatment.

environment; heavy metal elements; ecological hazard index method;contour map

X53

A

1008-1151(2022)01-0028-04

2021-11-29

谭垚（2002－），男，四川乐山人，四川轻化工大学学生，研究方向为高分子化合物。