包頭市綠地土壤重金屬污染分析與評價

摘要：為研究包頭市城市綠地重金屬污染狀況，選取4種典型城市綠地，測定Cu、Zn、Pb、Cd、Cr 5種元素含量，并以污染指數法、地累積指數法、潛在生態危害指數法和重金屬毒性單位法對土壤重金屬污染狀況進行評價。結果表明，除包鋼公園外，其他3個區域內梅羅綜合指數法評價結果均為重污染；地累積指數法和潛在生態危害指數法都顯示Cd污染最嚴重；除包鋼公園處于輕微潛在生態危害外，其他3個區域處于中等潛在生態危害。

關鍵詞：土壤重金屬；城市綠地；污染評價；包頭市

中圖分類號：X53；X825 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）16-4124-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.16.013

城市化發展和城市人口的高度集中給土壤環境帶來了嚴重的破壞，土壤重金屬污染日益嚴重。在工業發達地區，土壤重金屬含量要比自然本底值超出幾倍甚至更高。城市重金屬污染以Cu、Zn、Pb、Cd和Cr最為常見，如廣東韶關、湖南株洲和廣西龍江均發生過嚴重的Cd污染事件，湖南郴州、陜西鳳翔和安徽懷寧均發生過嚴重的Pb中毒事件，可見重金屬污染問題在中國局部地區形勢非常嚴峻。

重金屬具有難降解、移動性差和易富集等特點，是土壤長期、潛在的污染物，且其可通過大氣、水體或生物鏈直接或間接地進入人體，危害到人類的健康[1，2]。因此，土壤重金屬污染逐漸備受人們的關注，有關重金屬污染和治理的研究日趨深入，研究范圍也越來越廣。目前土壤重金屬的研究方向已由傳統的農林業轉向城市，對象涵蓋城市工業區、郊區、農田、礦區以及逐漸受到重視的城市綠地等。

包頭市作為典型的重工業城市，土壤重金屬污染現象較為嚴重。目前有關包頭土壤重金屬的研究主要集中在農田、郊區、工廠企業周邊和礦區等，對城市綠地的研究則較少[3-8]。鑒于此，本研究以包頭市典型城市綠地為研究對象，通過采集分析土壤中的Cu、Zn、Pb、Cr、Cd 5種元素的含量，并使用污染指數法、地累積指數法、潛在生態危害評價法和生物毒性單位法對包頭市典型城市綠地重金屬污染進行評價，以期為包頭市城市土壤環境的保護及土地資源的合理利用提供一定的依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

2014年10月，根據在包頭市區內的實地調查，選取受人類活動影響較大的包鋼公園、賽罕塔拉城中草原、南海濕地公園和八一公園作為研究對象。用竹鏟采集地表0～20 cm的土壤樣品不少于1 kg，保存于聚乙烯塑料袋中，注明采樣日期、地點等。為避免土壤分布不均造成的影響，根據相應區域的地形特點，用梅花布點法或蛇形布點法隨機采集4～5個樣品進行混合。

1.2 樣品的處理及分析

土壤樣品在室內自然風干后，用木棍細細碾壓，剔除植物殘體、碎石等雜質，混勻后，過20目和100目尼龍篩，裝入聚乙烯塑料袋中保存待測[9]。

利用HCl-HNO3-HF-HClO3（優級純）對樣品進行消解，定容后采用火焰原子吸收分光光度法和石墨爐原子吸收分光光度法分別對Cu、Zn、Cr（GB/T 17138-1997，HJ 491-2009）和Pb、Cd（GB/T 17141-1997）進行測定。試驗所用Cu、Zn、Pb、Cr、Cd的標準液均購于國家物質研究中心，所用玻璃器皿和塑料器皿均用10%硝酸溶液浸泡24 h，然后用超純水洗滌；消解過程中設置空白樣品，分析過程均加入國家標準土壤參比物質（GSS-1）進行質量控制。

2 結果與分析

2.1 土壤中重金屬含量

將“1.2”中測得土壤重金屬含量列于表2。與內蒙古土壤背景值相比，Cu、Pb、Cd在4個研究區域均偏高，Zn在包鋼公園和賽罕塔拉城中草原偏高，Cr在4個區域均低于背景值；與全國土壤背景值比較，Cd在4個區域均偏高，Pb、Zn僅在賽罕塔拉城中草原偏高，Cu和Cr未達到背景值。綜上分析，4個區域Cd污染現象普遍，其次是Pb和Cu，部分區域出現Zn污染，Cr處于清潔狀態。

2.2 內梅羅綜合污染指數法評價結果

根據式1、式2并結合單因子和內梅羅綜合指數法評價標準（表3）可知，除Cr外，包鋼公園其余重金屬均為輕污染；賽罕塔拉城中草原Pb和Cd為重污染，Cu和Zn為輕污染，而Cr處于清潔狀態；南海濕地公園Cd處于重污染狀態，Pb處于中污染狀態，Cu處于輕污染狀態，Zn和Cr處于清潔狀態；八一公園Cd處于重污染狀態，Cu和Pb處于輕污染狀態，Zn和Cr處于清潔狀態。在4個研究區域污染程度依次為Cd：南海濕地公園>賽罕塔拉城中草原>八一公園>包鋼公園；Cu、Pb：賽罕塔拉城中草原>南海濕地公園>包鋼公園>八一公園；Zn：賽罕塔拉城中草原>包鋼公園>南海濕地公園>八一公園。內梅羅綜合指數評價結果為：南海濕地公園>賽罕塔拉城中草原>八一公園>包鋼公園，說明人為活動的影響是巨大的。

2.3 地累積指數法評價結果

由“2.1”和“2.2”結論可知，包頭市并未出現Cr污染，故地累積指數法僅對Cu、Zn、Pb、Cd 4種重金屬進行評價。根據式3和地累積指數法評價標準（表4）可知，5種重金屬元素的地累積指數范圍為：Igeo（Cd）0.26～2.05，Igeo（Pb）0.53～1.45，Igeo（Zn）1.11～0.04，Igeo（Cu）0.40～0.02。4個區域的土壤樣品均受到不同程度的Cd污染，其中南海濕地公園為中-強污染，賽罕塔拉城中草原和八一公園為中污染，包鋼公園為輕污染；Pb除在賽罕塔拉城中草原為中污染外，其他3個區域表現為輕污染或者無污染；其他兩種重金屬在4個區域表現為輕污染或者無污染。

2.4 潛在生態危害指數評價結果

對包頭市典型城市綠地土壤潛在生態危害指數及風險程度進行評價（表5）可知，Cd在賽罕塔拉城中草原和南海濕地公園處于很強的潛在生態危害，在八一公園表現為強潛在生態危害，在包鋼公園處于中等潛在生態危害；而研究區域Cu、Zn、Pb、Cr均處于輕微潛在生態危害狀態，其中Pb和Cu在以上評價中因含量超過背景值較多而表現出較重的污染，但因其毒性系數較小，僅為Cd的1/6，表現出較低的潛在生態危害。通過比較RI可知，除包鋼公園處于輕微潛在生態危害以外，其他3個研究區域均處于中等潛在生態危害，表明包頭市城市綠地已經受到很大程度的人為污染。

2.5 土壤重金屬生態毒性評價結果

土壤重金屬含量超過最低效應（LEL，當重金屬含量低于LEL時，不利于生物生長的毒性效應很少發生[14]）或嚴重效應（SEL，重金屬元素含量高于SEL時，不利于生物生長的毒性效應將頻繁發生[14]）閾值時，會對生態系統產生不同程度的環境風險和毒性效應[12，13]。通過與土壤重金屬產生的生態閾值（表2）對比發現，評價的5種重金屬元素在所有研究區域內均未超過SEL，但Cu在4個研究區域、Pb在賽罕塔拉城中草原均超過了LEL，Zn、Cd則在4個研究區域均未超過LEL。

根據土壤重金屬含量與SEL的比值累積得到土壤重金屬毒性單位（∑TU），見圖1。由∑TU可知，4個區域的土壤毒性排序：賽罕塔拉城中草原>南海濕地公園>包鋼公園>八一公園，其中4個研究對象土壤∑TU<4，表現為無毒性；土壤∑TU在4個研究區域貢獻比較高的有Cr、Cu、Pb、Zn，最低的為Cd。

3 討論

研究結果發現，污染嚴重的主要為南海濕地公園和賽罕塔拉城中草原區域，這可能是由于這兩個區域作為旅游區人口活動密集，且南海濕地公園位于包頭二里半機場附近造成其濃度較高。

不同的評價方法在計算手段和側重點上的不同導致所得結果有所不同。尤其是毒性單位法與其他3種方法評價結果有很大不同，結果顯示包頭市城市綠地重金屬污染較輕，無急性生物毒性。前3種評價放大都表明Cd是4個研究區域污染最嚴重的元素，但Cd對土壤毒性的貢獻卻不大，主要是由于Cd的SEL（10 mg/kg）相對較大，導致其毒性值較小。宋玉芳等[17]研究也表明蔬菜對Cu的毒性效應最敏感，而對Cd的毒性效應不敏感，在大量吸收Cd的情況下仍能良好地生長。

4 結論

在4個研究區域，Cd均超過土壤背景值；Pb、Cu偏高于內蒙古土壤背景值，在賽罕塔拉城中草原Pb、Zn超過全國土壤背景值；Zn在包鋼公園和賽罕塔拉城中草原高于內蒙古土壤背景值；Cr均未超過土壤背景值。

單因子和地累積指數法評價結果為在4個研究區域Cd污染最為嚴重，其次是Pb，其他3種重金屬表現為無污染或者輕污染；內梅羅污染指數顯示除在包鋼公園為輕污染外，其他3個區域均表現為重污染。

Cd在4個區域均為中等以上的潛在生態危害，其他4種重金屬處于輕微潛在生態危害；除包鋼公園整體處于輕微潛在危害外，其他3個研究區域均處于中等潛在生態危害。

土壤毒性大小為賽罕塔拉城中草原>南海濕地公園>包鋼公園>八一公園，但其均表現為無毒性。

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