西安市西郊菜園土壤重金屬污染評價

賈銳魚等

摘要 在西安市西郊菜園區采集土壤樣品，測定土樣中Zn、Pb、Cd和Cr 4種重金屬元素的含量，分別為138.79、39.11、0.30、67.63 mg/kg。利用單因子指數法、內梅羅綜合因子指數法和地積累指數法，對菜園土壤重金屬的污染情況進行評價。結果表明，3個采樣區的土壤受到不同程度的污染，其中Zn為中度污染，Pb、Cd為輕度污染-中度污染，Cr為無污染-輕度污染，綜合污染程度依次為三民村>北石橋>魚化寨西村。同時，測定重金屬各種形態含量。通過生物有效性分析，發現4種重金屬中Zn和Pb對植物的潛在威脅較大，Cd對植物的影響較小，Cr會對植物造成危害。

關鍵詞 西安市菜園；土壤重金屬；污染

中圖分類號 S156 文獻標識碼

A 文章編號 0517-6611（2014）03-00735-04

Abstract By collecting samples in western suburbs garden of Xi′an， the content of heavy metals in soil was investigated. The content of soil samples of Zn， Pb， Cd and Cr were 138.79， 39.11， 0.3 and 67.63 mg/kg. The circumstances of heavy metal pollution were evaluated with single factor index method， Nemerow comprehensive index method and geoaccumulation index method. The results showed that the three soil sampling areas affected to different degrees of pollution： Zn was moderately pollution， Pb， Cd was light pollution to moderately pollution and Cr was pollution to light pollution， pollution levels from high to low is Sanmin Village> Beishi bridge> Yuhuazhai Village. The content of various forms of heavy metals were determined， through biological effectiveness analysis， it was found that Zn and Pb had high potential threats on plant， Cd had little effect on plant. Cr will cause harm to the plant.

Key words Garden of Xi′an City； Soil heavy metal； Pollution

重金屬污染土壤，不但會影響農作物的產量與品質[1]，而且當人們食用被重金屬污染的蔬菜等農作物時，重金屬會通過食物鏈進入人體，造成重金屬在人體內的積累，對人類的影響可能是災難性的，故有人形象地將土壤污染稱為“化學定時炸彈”[2]。隨著工業的迅速發展，我國大多數城市的近郊農田土壤都受到不同程度的重金屬污染，許多地方的蔬菜、水果等作物中的鎘、鉻、鉛、砷等重金屬含量接近臨界值甚至超標[3-4]。因此，土壤重金屬污染問題越來越受到人們的關注。

西安市是陜西省省會，位于我國大陸腹地，關中平原中部的渭河兩岸，屬北半球暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，氣候特點是溫暖濕潤，四季分明，雨熱同期。西安地區地勢復雜，地貌類型多樣，地勢東南高、西北與西南低，平均海拔400 m左右，呈一簸箕狀。西郊是西安市的老工業區，主要分布有電力機械、化學工業、冶金工業、機械制造等企業，會受到煙塵中有害重金屬的污染，同時上世紀開展的污水灌溉加劇了土壤重金屬污染，因此選擇西郊菜園土壤為研究對象，分析區域土壤重金屬的污染狀況，為市郊菜園蔬菜合理種植與綠色蔬菜生產提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品的采集與測定

研究區內土壤為塿土，成土母質多為黃土。在保證土壤樣品具有代表性的前提下，西郊菜園選擇北石橋、三民村、魚化寨西村3個采樣區。在每個采樣區，采用梅花形布點法[5]各采集3個混合土壤樣品，采集深度為0～20 cm，用四分法將多余土壤樣品棄掉，每個樣品留取500 g。將樣品裝入聚乙烯樣品袋中帶回實驗室。

將樣品帶回后，首先剔除土壤中作物根系和石礫等雜物，置于實驗室內通風陰干。將風干后的土樣研磨，收集過100目尼龍篩的土樣，混勻后備用。

土樣中Zn、Pb、Cd和Cr含量的測定采用HCl-HNO3-HClO4-HF消解法[6]。對預處理后的土壤樣品進行消解，用北京普析通用儀器有限公司生產的TAS-990型原子吸收分光光度計火焰法測定。

2 結果與分析

2.1 土壤重金屬污染分析

2.1.1 土壤重金屬含量測定。

該研究依據我國土壤環境質量標準（GB15618-1995）[13]。由表1可知，研究區內100%土壤中Zn、Cd含量達到2級標準，22%土樣中Pb含量達到1級標準，78%土樣中Pb含量達到2級標準，100%土樣中Cr含量達到1級標準。重金屬Zn、Pb、Cd和Cr的變異系數分別為2%、15%、16%和19%，Zn的變異系數較小，說明全區土壤中Zn含量的離散程度較小，受到人為的影響較小，而Pb、Cd和Cr的變異系數相對較大，說明這3種元素在全區土壤中離散程度較大，受到人為活動的影響比Zn大。

2.1.2 重金屬污染分析。由表2可知，在單因子指數評價中，89%土樣中Zn、78%土樣中Pb和67%土樣中Cd的單因子指數在2～3之間，表明土壤污染程度為中度污染，污染等級為3級；11%土樣中Zn、22%土樣中Pb 、33%土樣中Cd 和56%土樣中Cr的單因子指數在1～2之間，表明土壤污染程度為輕度污染，污染等級2級；44%土樣中Cr的單因子指數

小于1，表明這些采樣點的土壤沒有受到Cr污染，污染等級

1級。

內梅羅綜合指數評價結果為89%土樣的內梅羅綜合指數在2～3之間，污染程度為中度污染，污染等級為4級；11%土樣的內梅羅綜合污染指數≤2，污染程度為輕度污染，污染等級為3級。

地積累指數統計結果為100%土樣中Zn、Pb、Cd 3種元素的地積累指數均在0～1之間，表明土壤污染程度為輕污染—中污染，污染等級為1級；全部土樣中Cr元素的地積累指數均小于0，表明土壤沒有受到污染，污染等級為0。

單因子指數評價法和地積累指數法都是針對土壤中單一重金屬元素進行評價分析的。以土壤背景值為評價標準，發現單因子指數法中有56%采樣點土壤處于Cr元素輕度污染狀態，地積累指數法中所有土樣都沒有受到Cr元素的污染。主要原因是地積累指數考慮到自然成巖對土壤中重金屬積累的作用。對于其他元素的評價結果，兩者基本一致。

從內梅羅綜合污染指數法的評價結果可以看出，各采樣點的重金屬污染程度幾乎均處在中度污染。其原因在于該方法是綜合評價多種重金屬元素對土壤的綜合污染程度。它既兼顧單元素污染指數的平均值和最大值，又突出高濃度重金屬污染物對土壤環境質量的影響，反映各種污染物對土壤環境的作用。

2.2 土壤中重金屬元素各形態分析

重金屬形態根據生物利用性的大小分為可利用態（可交換態）、潛在可利用態（包括碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態和有機物結合態）和不可利用態（殘渣態）3種[15]。采用多步連續提取方法，提取土壤樣品中不同形態的重金屬。采用火焰原子法，測定各形態重金屬含量。重金屬土壤中Zn含量的大小順序為殘渣態（58.71 mg/kg）>有機物結合態（40.11 mg/kg）>鐵錳氧化物結合態（33.17 mg/kg）>可交換態（5.69 mg/kg）>碳酸鹽結合態（1.53 mg/kg）。土壤中Pb含量的大小順序為有機物結合態（24.72 mg/kg）>殘渣態（7.24 mg/kg）>（3.25 mg/kg）>可交換態（2.93 mg/kg）>碳酸鹽結合態（0.98 mg/kg）。土壤中Cd含量的大小順序為殘渣態（0.219 mg/kg）>可交換態（0.045 mg/kg）>碳酸鹽結合態（0.025 mg/kg）>有機物結合態（0.009 mg/kg）>鐵錳氧化物結合態（0.002 mg/kg）。土壤中Cr含量的大小順序為殘渣態（35.17 mg/kg）>可交換態（32.46 mg/kg）。

重金屬元素形態和生物有效性關系十分密切。生物有效性是研究不同重金屬形態被植物吸收或在植物體內積累的過程。不同形態重金屬在植物體內遷移和累積有差異。可利用態易被植物吸收。潛在可利用態不易被植物直接吸收，但在一定條件下能轉化為可利用態。有研究表明，潛在可利用態的遷移活動能力受到土壤pH的影響很大，隨著土壤pH的降低，移動性和生物活性顯著增加，如燕麥等谷類作物根系分泌的酸性物質就可以溶解碳酸鹽結合態和鐵錳氧化物結合態，使之轉化為可交換態被植物吸收，殘渣態則不能被植物吸收[16]。

由圖1～4可知，Zn、Pb和Cd 3種元素的可利用態分別為4%、8%和15%，所占比例較小，Cr的可利用態占48%。這部分重金屬元素易通過土壤—植物系統遷移，被蔬菜吸收并累積在植物體內，對蔬菜造成污染。Zn和Pb 2種元素的潛在可利用態分別占總量的54%和74%。這部分元素不會直接被蔬菜吸收，但在一定條件下會轉化為可利用態，對蔬菜污染具有潛在的威脅。Cd和Cr 2種元素以殘渣態為主，分別占總量的73%和52%。這部分不會轉移到植物中造成污染。

3 結論

（1）利用單因子指數法和地積累指數法對西安市西郊菜園種植區土壤中Zn、Pb、Cd、Cr 4種重金屬污染進行評價，發現兩者評價結果基本相同。結果還表明，除幾個采樣點沒有受到Cr元素污染外，其余各采樣點中4種元素均對土壤有著一定的污染，其中Zn為中度污染，Pb、Cd為輕度污染-中度污染，Cr為無污染-輕度污染。各個采樣區受元素污染程度大小依次為北石橋Pb>Cd>Zn>Cr，三民村Pb>Zn>Cd>Cr，魚化寨西村Zn>Pb>Cd>Cr。

（2）利用內梅羅綜合污染指數法對西郊菜園土壤中4種重金屬污染程度進行綜合評價，結果表明全部采樣點土壤都受到不同程度的污染，44%的采樣點為中度污染，大小順序為三民村>北石橋>魚化寨西村。

（3）通過對各種重金屬形態進行分析，發現Zn和Pb的可利用態含量較小，小部分易被植物吸收，對植物的影響不大，但潛在可利用態所占比例較大，在一定條件下如當pH降低土壤呈酸性時會通過土壤——植物系統進入植物并積累在植物體內，對植物具有潛在的威脅；Cd的殘渣態占總量的3/4，可被植物吸收的很少，對植物的影響較小；雖然Cr的總含量與土壤背景值相近，但可利用態含量較大，會被植物吸收并積累在植物體內，對植物造成危害。

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