福州市土壤重金屬污染現(xiàn)狀評價與分析

陳 雯，龍 翔，王寧濤，劉 慧（.中國地質調查局武漢地質調查中心，湖北　武漢43005；.中國地質大學（武漢）環(huán)境學院，湖北武漢430074）

福州市土壤重金屬污染現(xiàn)狀評價與分析

陳 雯1，龍 翔2，王寧濤1，劉 慧1
（1.中國地質調查局武漢地質調查中心，湖北武漢430205；2.中國地質大學（武漢）環(huán)境學院，湖北武漢430074）

通過在福州市城區(qū)進行現(xiàn)場調查采樣與測試分析，研究了該地區(qū)0～20 cm表層土壤中5種典型重金屬的累積狀況，并采用污染指數(shù)法對土壤的重金屬污染狀況進行了評價。結果表明:參照福建省土壤背景值，福州市城區(qū)土壤中Hg、Cd、Pb積累明顯，分別超過土壤背景值的183.95%、177.78%、55.19%；單項污染指數(shù)評價結果顯示，Hg污染最嚴重，Cr污染最小；綜合污染指數(shù)評價結果顯示，福州市城區(qū)各功能區(qū)綜合污染指數(shù)大小排序為工業(yè)區(qū)＞交通區(qū)＞居住區(qū)＞公園區(qū)，且均屬于重度污染。

城市土壤；重金屬；污染評價；福州市

城市化、工業(yè)化迅猛發(fā)展是城市土壤重金屬污染的重要來源。城市人口密集，重金屬來源復雜，工業(yè)、交通、生活、采礦等人類活動導致大量重金屬直接或間接進入土壤環(huán)境，使得土壤重金屬污染及危害日益突出。土壤環(huán)境作為城市環(huán)境的重要組成部分，與人體健康息息相關。重金屬可通過口攝入、鼻吸入、皮膚接觸等多種途徑進入人體，并在人體內富集，危害人體健康；還可通過污染水和大氣環(huán)境等間接破壞城市生態(tài)環(huán)境和危害人體健康。在城市化進程不斷推進的今天，城市土壤重金屬污染現(xiàn)狀評價已成為實現(xiàn)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的一個重要方面。由于重金屬在土壤中具有隱蔽性、長期性和不可逆性，且不易降解、污染難以恢復及后果嚴重，被科學界喻為“化學定時炸彈”［1-3］，因而在世界范圍內受到廣泛關注［4-10］。我國學者在南京、廣州、上海、成都、香港等主要城市開展了土壤重金屬污染相關的研究工作［11-21］，研究表明我國城市土壤已普遍受到不同程度的重金屬污染。

福州市作為福建省的省會城市，是福建省城市化水平最高、人口最密集、經(jīng)濟最發(fā)達的區(qū)域，已成為以電子信息、汽車、冶金、紡織等支柱產(chǎn)業(yè)為主的新興工業(yè)基地，但城市化、工業(yè)化迅速發(fā)展的同時，也給福州市城市環(huán)境帶來新的挑戰(zhàn)，尤其是受到人為干擾極大的土壤環(huán)境。為此，本文以福州市為例，開展城市土壤中Hg、As、Cd、Cr、Pb5種重金屬污染現(xiàn)狀評價，研究結果為合理利用和保護福州市土壤資源、保障城市居民身體健康、加強土壤重金屬污染監(jiān)控和預防、改善和提高城市環(huán)境質量提供參考和科學依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

福州市位于我國東南沿海，福建省東部，閩江下游，東經(jīng)118°23′～120°31′，北緯25°15′～26°39′，占地面積為11 968 km2，2012年全市常住人口達728萬人。福州市下轄5區(qū)（鼓樓、臺江、倉山、馬尾、晉安）、6縣（閩侯、連江、羅源、閩清、永泰、平潭）、2個縣級市（福清、長樂）和1個經(jīng)濟區(qū)（瑯岐）。該地區(qū)屬亞熱帶海洋氣候，常年氣候溫和，雨量充沛，素有福海寶地美譽。土壤類型主要有紅壤和水稻土，呈酸性。

福州市交通網(wǎng)絡四通八達，水、陸、空交通十分便利，福州港已被列為國家沿海20個主樞紐港之一。改革開放30多年以來，福州市以電子信息、汽車、冶金、紡織等支柱產(chǎn)業(yè)為主，已形成了電子信息、機械制造、紡織服裝、輕工食品、冶金建材、新材料及能源等產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展的工業(yè)體系。

2　材料與方法

2.1樣品采集及測試方法

本次野外研究工作根據(jù)福州市土壤的分布情況，以城區(qū)為中心，環(huán)城由近及遠設定土壤采樣點，并根據(jù)《區(qū)域地球化學勘查規(guī)范》（DZ/T0167—95），結合城區(qū)土地利用方式及人類活動特點，在5大城區(qū)的交通區(qū)、工業(yè)區(qū)、居住區(qū)和公園區(qū)4種典型功能區(qū)中采集0～20 cm表層土壤樣品。為保證土樣測試的真實準確，采用多點混合采樣法，即在同一采樣單元取15～20個樣點隨機采集0～20 cm表層土壤，然后用四分法取舍，就地混合成1個樣品，總計表層土壤取樣60個。采樣點用GPS定位，每個土壤樣品采樣約1.0 kg，并裝入潔凈無污染的聚乙烯塑料袋中，帶回實驗室內自然風干，除去植物殘體和礫石，粉碎，過20目尼龍篩（0.84 mm），裝入密封袋，待測。

As和Hg含量采用HCl-HNO3消解，原子熒光光譜法測定；Cd和Pb含量采用HNO3-HClO4-HE消解，石墨爐原子吸收分光光度法測定；Cr含量采用火焰原子光度法測定。測定過程嚴格按照規(guī)范要求進行質量控制，以保證數(shù)據(jù)準確可靠。

2.2數(shù)據(jù)處理方法

本文采用SPSS19.0和EXCEL2010軟件對數(shù)據(jù)進行分析與處理。

2.3評價方法和評價標準

本次研究采用單項污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法對研究區(qū)土壤重金屬污染進行評價。土壤重金屬污染評價標準依據(jù)陳振金等1992年在《福建省土壤元素背景值及其特征》中公布的福建省土壤重金屬元素背景值［22］（見表1）。所有采樣點土壤p H值均在4.3～7.5范圍內，總體偏酸性。

表1　福建省土壤重金屬元素背景值（mg/kg）Table 1 Background values of heavy metal elementsin soils of Eujian Province（mg/kg）

單項污染指數(shù)法計算公式為

式中:Pi為土壤中污染物i的污染指數(shù)；Ci為調查點污染物i的實測濃度（mg/kg）；Si為污染物i的評價標準（mg/kg）。

綜合污染指數(shù)法采用內梅羅計算公式:

式中:P綜為土壤綜合污染指數(shù)；max Pi為污染物i污染指數(shù)最大值為污染物i污染指數(shù)的算術平均值。

結合研究區(qū)實際情況和土壤環(huán)境技術規(guī)范［23］，確定了土壤重金屬污染程度分級標準，見表2。

表2　土壤重金屬污染程度分級標準Table 2 The classification standards for heavy metals of soil

3　結果與分析

3.1福州市城區(qū)表層土壤重金屬分布特征

3.1.1土壤重金屬含量分析

經(jīng)過樣品處理和測試分析后，對福州市城區(qū)土壤中5種重金屬元素在表層土壤中的含量進行了統(tǒng)計分析，其結果見表3。由表3可以看出:表層土壤中Hg的平均含量為0.23 mg/kg，變化范圍為0.01～4.73 mg/kg；As的平均含量為5.83 mg/kg，變化范圍為1.33～18.45 mg/kg；Cd的平均含量為0.15 mg/kg，變化范圍為0.01～1.06 mg/kg；Cr的平均含量為37.56 mg/kg，變化范圍為12.9～70.8 mg/kg；Pb的平均含量為54.16 mg/kg，變化范圍為18.3～158.7 mg/kg。可見，福州市城區(qū)土壤的重金屬平均含量相對福建省土壤背景值是較高的，除了重金屬Cr的平均含量低于其土壤背景值外，其他重金屬元素含量均已超過土壤背景值。其中，重金屬Hg、As、Cd、Cr、Pb含量的最大值更是遠遠超過福建省土壤背景值，表明福州市城區(qū)表層土壤中5種重金屬均有外源物質的進入，并存在一定積累；重金屬Hg、As、Cd、Pb的平均含量分別超過福建省土壤背景值的183.95%、1.00%、177.78%、55.19%，且超標最嚴重的為Hg，其次為Cd，而重金屬Cr的平均含量低于土壤背景值，無明顯積累。福建省城區(qū)土壤中重金屬的主要來源有工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、固體廢棄物堆放等。

表3　福州市城區(qū)土壤重金屬元素含量統(tǒng)計（mg/kg）Table 3 Descriptive statistics of heavy metal element concentrations in the soil of urban area in Euzhou City（mg/kg）

變異系數(shù)是反映統(tǒng)計數(shù)據(jù)離散程度的參數(shù)，可以從一定程度上反映某元素的分布與均一狀況。變異系數(shù)越大，數(shù)據(jù)波動越大，說明受到外界的影響越大。福州市城區(qū)土壤中重金屬分布的不均一性主要與工業(yè)生產(chǎn)、交通排放等有關。比較5種重金屬元素的變異系數(shù)，從大到小依次為Hg＞Cd＞As＞Pb ＞Cr，其中Hg的變異系數(shù)最大，表明重金屬Hg在福州市城區(qū)土壤中的分布最不均勻，受人為活動的干擾比其他4種重金屬強烈得多，其原因可能是城區(qū)土壤中Hg因人為活動帶來的污染源種類比其他重金屬更廣泛；Cr的變異系數(shù)最小，說明福州市城區(qū)土壤中重金屬元素Cr分布的均一性最好。

3.1.2土壤重金屬元素含量相關性分析

研究土壤中重金屬含量的相關性可以推測重金屬來源是否相同。一般而言，如果重金屬含量間有顯著的相關性，說明其很可能具有相同的來源。本文應用SPSS19.0軟件對福州市城區(qū)土壤中5種重金屬元素含量進行相關性分析，其結果見表4。由表4可見:福州市城區(qū)土壤中各種重金屬元素含量間普遍存在相關性，其中，Pb與Cd、Hg的相關系數(shù)分別為0.619、0.553，達到顯著正相關水平，表明Cd、Pb、Hg來自相同的污染源，呈現(xiàn)復合污染的可能性較大，這些污染元素主要來源于人類活動的輸入，可能與工業(yè)“三廢”的排放等相關；其他重金屬元素含量間相關性不顯著，這可能與各地區(qū)不同類型土壤母質存在差異有關。

表4　福州市城區(qū)土壤重金屬元素含量相關性分析Table 4 Correlation analysis of heavy metal element concentrations in the soil of urban area in Euzhou City

3.1.3各功能區(qū)土壤重金屬積累特征

通過對比分析福州市工業(yè)區(qū)、交通區(qū)、居住區(qū)、公園區(qū)4大不同功能區(qū)土壤中重金屬的平均含量，結果顯示不同功能區(qū)土壤重金屬含量存在差異。圖1為福州市城區(qū)不同功能區(qū)土壤各重金屬單項污染指數(shù)。由圖1可見:福州市交通區(qū)土壤中重金屬元素除Cr的平均含量未超出福建省土壤背景值外，其他重金屬元素Hg、Pb、Cd和As的平均含量均超過土壤背景值，其平均含量分別為0.88 mg/kg、80.62 mg/kg、0.27 mg/kg、6.36 mg/kg，分別為相應土壤背景值的10.86倍、2.31倍、5倍和1.10倍，說明福州市交通區(qū)土壤中重金屬積累明顯；與交通區(qū)土壤相比，工業(yè)區(qū)土壤中也是僅有重金屬Cr的平均含量低于其背景值，其他Hg、Pb、Cd和As的平均含量分別為1.92 mg/kg、100.52 mg/kg、0.34 mg/kg、8.44 mg/kg，分別為相應土壤背景值的23.70倍、2.88倍、6.30倍和1.46倍，對比分析表明工業(yè)區(qū)土壤中重金屬積累更為突出；公園區(qū)土壤中Hg、Pb、Cd和As的平均含量分別為0.63 mg/kg、69.45 mg/kg、0.19 mg/kg、7.28 mg/kg，分別為相應土壤背景值的7.76倍、1.99倍、3.52倍和1.26倍，且Cr的平均含量低于土壤背景值，說明除了As以外，公園區(qū)土壤中重金屬積累狀況遠不如交通區(qū)和工業(yè)區(qū)突出；居住區(qū)土壤中Cr的平均含量低于土壤背景值，但Hg、Pb、Cd和As含量分別為0.71 mg/kg、74.34 mg/kg、0.52 mg/kg和7.69 mg/kg，均超出土壤背景值，分別為相應土壤背景值的8.82倍、2.13倍、4.56倍和1.33倍，除了As以外，居住區(qū)土壤中重金屬積累均低于交通區(qū)和工業(yè)區(qū)，而高于公園區(qū)。

綜上分析可知，福州市城區(qū)表層土壤中Hg、Pb 和Cd的含量在交通區(qū)、工業(yè)區(qū)這兩類功能區(qū)中積累明顯，其中Hg的積累量突出，可能與電子工業(yè)廢棄物排放、煤炭及石油燃燒、工業(yè)廢氣大氣沉降等過程產(chǎn)生的Hg有關；Cd的來源與工業(yè)發(fā)展密切相關，主要來源于電子信息、機械制造、冶金建材等工業(yè)的排放，還可能與汽車尾氣的排放、含有Cd的輪胎與道路摩擦產(chǎn)生的粉塵相關；交通區(qū)、居住區(qū)土壤中Pb含量可能與含Pb汽油的使用和汽車尾氣的排放息息相關，而工業(yè)區(qū)土壤中Pb含量較高可能與當?shù)毓I(yè)排放含Pb廢物以及礦山開采冶煉有關。

圖1　福州市不同功能區(qū)土壤重金屬單項污染指數(shù)Eig.1 Single contamination index of heavy metals in soils of different function areas of Euzhou City

3.2福州市城區(qū)表層土壤重金屬污染評價

根據(jù)單項污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法（內羅梅計算公式）得出福州市城區(qū)不同功能區(qū)土壤中Hg、As、Cd、Cr、Pb 5種重金屬污染評價結果，見表5。由表5可見:福州市各功能區(qū)重金屬綜合污染指數(shù)P綜均大于5.91，表明重金屬在福州市城區(qū)表層土壤中已有一定程度的積累，且各功能區(qū)均達到重度污染水平；全市的平均重金屬綜合污染指數(shù)P綜為10.38，總體上處于重度污染水平。總體上看，福州市城區(qū)土壤環(huán)境質量已經(jīng)遠遠超出了福建省土壤環(huán)境背景值，需要高度重視。

各功能區(qū)不同的土地利用方式，對土壤中重金屬含量的影響顯著。公園區(qū)、工業(yè)區(qū)、交通區(qū)、居住區(qū)P綜值分別為5.91、6.76、8.71和18.52，各功能區(qū)重金屬綜合污染指數(shù)P綜值的排序為工業(yè)區(qū)＞交通區(qū)＞居住區(qū)＞公園區(qū)。各功能區(qū)P綜值的大小差異主要取決于人類活動干擾程度的差異。其中，工業(yè)區(qū)由于工業(yè)“三廢”的排放，受到的污染最為嚴重；交通區(qū)的污染則與福州市城市化過程中交通流量不斷增大、物流行業(yè)的蓬勃發(fā)展有關；居住區(qū)作為居民生活區(qū)，主要受到生活垃圾、污水的影響，隨著人口的增加，居住區(qū)受到的影響也越來越大；公園距離市中心相對較遠，受到的工業(yè)和交通污染的影響最小，但公園作為城市中重要的休閑娛樂場所，每天接待游客數(shù)量眾多，其表土環(huán)境顯得尤為重要，尤其對兒童和老年人的健康有重大影響，目前公園區(qū)土壤已受到重度污染，應引起相關部門的重視。

表5　福州市不同功能區(qū)土壤中重金屬污染評價結果Table5 Pollution indices of heavy metals in soils of different function areas of Euzhou City based on soil environment background values in Eujian

從福州市全部土壤來看（見表5），Hg的單項污染指數(shù)最大，達到13.30，為重度污染；其次是Cd，單項污染指數(shù)為4.91，為重度污染；Pb、As、Cr的單項污染指數(shù)分別為2.36、1.29、0.91，其中Pb為中度污染，As為輕度污染，Cr為警戒級。

此外，通過對比分析各采樣點重金屬綜合污染指數(shù)發(fā)現(xiàn)，評價結果與Hg的空間變異特征具有明顯的相似性，這表明Hg對研究區(qū)土壤重金屬污染的貢獻率極大，是福州市城區(qū)表層土壤重金屬污染的最主要控制因子。

4　結 論

（1）福州市城區(qū)表層土壤中Hg、As、Cd、Cr、Pb的平均含量分別為0.23 mg/kg、5.83 mg/kg、0.15 mg/kg、37.56 mg/kg、54.16 mg/kg，除了Cr以外，Hg、As、Cd、Pb的平均含量均超過福建省土壤背景值，其含量分別為土壤背景值的2.84倍、1.01倍、2.78倍、1.55倍，超標最嚴重的為Hg，其次為Cd。

（2）對福州市城區(qū)表層土壤中5種重金屬元素含量間相關性分析表明:Cd與Pb、Hg達到顯著正相關，表明Cd、Pb、Hg來自相同的污染源，呈現(xiàn)復合污染的可能性較大；其他重金屬元素含量之間相關性不明顯，這可能與各地區(qū)不同類型土壤母質存在差異有關。

（3）綜合污染指數(shù)法評價結果顯示，福州市各功能區(qū)重金屬綜合污染指數(shù)的排序為工業(yè)區(qū)＞交通區(qū)＞居住區(qū)＞公園區(qū)，各功能區(qū)均屬于重度污染。

（4）Hg元素是福州市城區(qū)表層土壤重金屬污染最關鍵的控制因子。

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Pollution Evaluation and Analysis of Heavy Metals in Soils of Fuzhou City

CHEN Wen1，LONG Xiang2，WANG Ningtao1，LIU Hui1
（1.Wuhan Center of Geological Survey，China Geological Survey，Wuhan 430205，China；2.School of Environmental Studies，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

The accumulation characteristics of Hg，As，Cd，Cr and Pb in 0～20 cm topsoil are studied by means of field sampling and laboratory detection from urban districts in Euzhou City，this paper evaluates the pollution status of those heavy metals by using the pollution index method based on the background levels of heavy metals in topsoil of Eujian Province.The results show that the concentrations of Hg，Cd and Pb in urban topsoil accumulate significantly，and their average contents exceed corresponding standard levels by 183.95%，177.78%and 55.19%respectively，with the comparison to the concentrations of soil elements in Eujian Province.The evaluation on characteristics of heavy metal pollution in terms of area distribution by using single contamination index method indicates that Hg pollution is the most serious，and Cr pollution is the least serious.Comprehensive contamination index evaluation results show that the sort of soil pollution index in functional areas are:industrial urban area＞transportation district＞residential area＞park district.The residential area，park district，transportation district and industrial urban area are all severely polluted.

urban soil；heavy metals；pollution evaluation；Euzhou City

X825

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.05.012

1671-1556（2015）05-0068-05

2015-03-09

2015-07-10

陳 雯（1985—），女，工程師，主要從事環(huán)境地質與水文地質方面的研究。E-mail:382500864@qq.com

王寧濤（1982—），男，碩士，助理研究員，主要人事水工環(huán)地質調查工作。E-mail:wnt113@126.com