基于多種方法的蘇南鎮域土壤重金屬污染評價

孟令儀，徐夢潔，李小曼，，劉 勤

(1.南京農業大學公共管理學院，江蘇南京210095；2.中國科學院南京土壤研究所，江蘇南京 210008)

基于多種方法的蘇南鎮域土壤重金屬污染評價

孟令儀1，徐夢潔1，李小曼1，2，劉 勤2

(1.南京農業大學公共管理學院，江蘇南京210095；2.中國科學院南京土壤研究所，江蘇南京 210008)

以蘇南小鎮為依托，采用地累積指數法、污染負荷指數法和內梅羅指數結合土壤環境質量標準的改進法對研究區域土壤重金屬污染進行評價，比較各種方法的適用性。結果表明，內梅羅指數結合土壤環境質量標準的改進法綜合了人為因素和自然因素的作用情況，分析結果更為客觀，且污染分布的區分度較高，兼有地累積指數法和污染負荷指數法的優點，更適用于小尺度地區的土壤重金屬污染評價。

重金屬污染評價；改進方法；小尺度；蘇南

近年來，重金屬污染已經引起研究人員的廣泛關注，其主要來源包括工業污染、金屬礦山開采、污水灌溉、固體廢棄物處置等方面[1]。我國在 “十二五”規劃通過了《重金屬污染綜合防治規劃》，說明對重金屬污染問題的重視已經上升到國家層面。污染物在土壤中的聚集往往因人為活動的增強呈現出高度的空間變異性[2]。此外，土壤重金屬元素含量也會隨著時間的推移而發生改變[3]，使得土壤重金屬污染問題更為復雜。由于土壤重金屬不易移動降解，進入生物體后會積累下來，并對生物體產生不利影響，甚至可以通過食物鏈影響人類健康[4]。因此，了解土壤中重金屬的含量與空間分布，并進行污染評價，對于土壤重金屬污染防治乃至維護人體健康都具有十分重要的意義。研究表明，人為來源是導致土壤重金屬污染問題的首要因素[5]。

在城鎮化發展飛速的蘇南地區，因鄉鎮企業大力發展和監管力度缺乏而導致的村鎮地區土壤重金屬污染問題十分嚴重[6]。鄉鎮是連接農村和城市的橋梁與紐帶，在接受大中型城市輻射的同時，帶動著周圍廣大農村經濟和社會的發展，并促進農民生活水平的提高[7]。隨著蘇南鄉鎮企業的快速發展，環境問題也隨之而來。由于鄉鎮監管力度薄弱，鄉鎮企業的廠房設施一般較為簡陋，重金屬物質排放不合理，土壤受到人為因素的嚴重改變[8]，使得土壤重金屬污染成為蘇南鄉鎮環境的嚴峻問題[9]。由于重金屬在土壤中遷移緩慢，較小的尺度更能反映污染的真實性，所以開展以村鎮為單位的小尺度土壤重金屬污染研究顯得更為重要。

土壤重金屬污染研究中，評價方法也是十分重要的研究內容。目前，國內外應用較多的土壤重金屬評價方法有內梅羅指數法[10]、環境風險指數法[11]、灰色聚類法[12]等，其中內梅羅指數法應用最為廣泛，并對該方法進行了改進。在土壤重金屬污染評價時，所采用的基準值往往簡單劃一，未能因地制宜，反映研究區域的實際情況；研究人員也往往只使用一種評價方法，評價結果唯一，缺乏可比性，難以從中擇優。同時，重金屬污染評價的范圍一般趨向大中尺度，小尺度的研究較為少見。筆者以蘇南小鎮為依托，采用地累積指數法、污染負荷指數法和內梅羅結合土壤環境質量標準的改進法對研究區域的重金屬污染進行評價，探討小尺度區域重金屬污染評價的適宜方法，旨在為政府部門以及環保部門的工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況 研究區域Y鎮位于江蘇省C市，地處我國經濟最活躍的區域——上海經濟圈中心，總面積約為12.67 km2。境內四季分明，隸屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫為16 ℃；雨量充沛，水網稠密，年平均降水量為1 200 mm，土壤類型主要為水耕人為土[13]。Y鎮高速發展工業、苗木種植、水產養殖、農業觀光旅游，其中工業產值占該鎮總產值的90%以上。工廠主要集中在東部，尤其是東南部地區，主要有紡織廠、印染廠、機械制造廠、五金廠、溫室制造廠等。經調查，Y鎮有大型銅管廠、金屬材料廠和電鍍廠，很多工廠的廢水、廢渣中都含有重金屬。

1.2 樣品采集與前期處理 采用格網布點法與半隨機布點法相結合的采樣方法。在鄉鎮工業區范圍以外的研究區內以500 m格網布點；鄉鎮工業區內由于廠房眾多，并且排列不規則，同時要避開道路等設施不便于采用格網的形式，因此采取加密布點的方式，加密時一部分考慮了主要污染源，一部分隨機布點，盡量覆蓋景觀草坪、居民地、工廠、水稻田、養殖水面等不同的土地利用類型。采樣時間為2014年10月21— 22日，用土壤樣品采樣器(型號為WN0306)采取用于重金屬分析的土壤樣品。采樣時用手持式GPS精確定位，采集表層0 ～ 20 cm土壤。其中，每個樣點分別向4個方向輻射約2 m(5 m×5 m方格內)，共采集5次。將5份樣品均勻混合制成該樣點的樣品，并標號，共采集110個樣。工廠附近200 m以內的點占43.64%，農作物及附近50 m以內的點(包含居民區內零碎菜地、農業科技園等)占22.72%。

采集的土壤樣品帶回實驗室，置于陰涼處，室溫下使其自然風干。將風干的土壤樣品用木棒壓揉捻碎過20目的尼龍篩，并分成2份，1份樣品進行pH的測定，另1份樣品研磨后過100目的尼龍篩并充分混合均勻，裝瓶并貯存于干燥器內備用。

1.3 樣品分析 土樣pH的測定使用便攜式pH計(SG8-FK)采用玻璃電極法進行測定，水土比為2.5∶1。測定土壤中Cr、Cu、Zn、Ni、Pb、Cd、As、Hg等重金屬含量，其中Cr、Cu、Zn、Ni、Pb、Cd前處理采用了HF-HCLO4-HNO3三酸高溫消解，Cr、Cu、Zn、Ni采用電感耦合等離子光譜法(ICP-AES)測定[14]，Pb和Cd含量使用液相色譜電感耦合等離子體質譜儀(HPLC-ICP-MS)測定，As和Hg含量使用GB/T 22105.1-3—2008王水溶液沸水浴消化原子熒光光度計法(AFS-230E、AFS-9700)測定。重金屬分析測試過程中均用GSS- 4、GSS-5標準參考土樣進行全程質量控制。

1.4 主要評價方法

1.4.1 土壤重金屬污染評價標準。土壤背景值是土壤環境評價的基準值，同時也是土壤污染態勢預報、土壤環境容量計算、土壤環境質量標準確立以及制定國民經濟發展規劃的重要基礎數據[15]。為真實反映Y鎮的實際情況，筆者采用當地土壤背景值作為評價基準(表1)。

該研究采用地累積指數法、污染負荷指數法和內梅羅指數法結合土壤環境質量標準的修正方法等多種方法評價Y鎮重金屬污染狀況。

表1 土壤質量標準及背景值

1.4.2 地累積指數法。1969年，德國科學家Muller[18]提出地累積指數法，用于量化評價沉積物重金屬污染程度的指標[19]，并根據計算得到的地累積指數I將評價結果的等級分為：無—中、中—強、強—極強。這種劃分使污染程度更為詳細，提醒人們及時控制污染，防止其惡化到更高級別。

1.4.3 污染負荷指數法。污染負荷指數法是Tomlinson等提出的基于土壤背景值和采樣點多種元素的一種求積的污染評價方法。該方法的評價公式為：

CFi=Ci/C0i

(1)

(2)

(3)

其中，Ci為元素i的實測值(mg/kg)；C0i為元素i的評價標準(mg/kg)；n為評價元素的個數；m為評價點的個數(即采樣點的個數)；CFi為某單一金屬最高污染系數；PLI為某點污染負荷指數；PLIzone為評價區域污染負荷指數。若PLI<1，則污染等級0，無污染；若1 ≤PLI< 2，則污染等級 Ⅰ，中等污染；若2≤PLI<3，則污染等級Ⅱ，強污染；若PLI≥3，則污染等級Ⅲ，極強污染。

1.4.4 基于內梅羅指數法結合土壤環境質量標準的修正方法。內梅羅指數法(綜合污染指數法)是一種兼顧極值或突出最大值的計權型多因子環境質量指數法[20]。該方法包括單項污染指數法和綜合指數法，其中單項污染指數法能夠準確反映某種重金屬元素的污染程度，計算公式及分級標準參見相關文獻[1]。

直接采用內梅羅指數法評價，僅在公式中依據當地土壤背景值或土壤環境質量評價標準來計算，安全系數較小，且規范性和可比性欠佳。筆者在研究區域進行了評價試點，并最終確定采用內梅羅指數結合土壤環境質量標準修正評價法。此方法是對評價體系及公式都作出改進，而不是僅對公式進行改進，使得評價結果更加合理，不會過寬或過嚴，使得評價值比較充分合理地分布在相應區間，可比性增強，更符合評價的實際需要。將國家土壤環境質量標準(GB 15618—1995)的三級標準分別作為評價的各級污染的初始值，將土壤重金屬污染分為4級，并在劃分級別上也進行相應調整。

2 結果與分析

采用上述方法分別對研究區土壤中的8種重金屬元素進行污染評價，對采樣點進行分級統計。為了更直觀地反映研究區的整體污染狀況，選用插值效果較好的徑向基函數法的高次曲面函數對樣點土壤環境質量分類評價結果進行空間插值，并運用ArcGIS軟件進行等值線圖的繪制。

2.1 基于地累積指數的重金屬污染評價 地累積指數是通過扣除重金屬背景含量從而獲取由人為原因所引起的重金屬積累。該研究選取蘇南地區土壤背景值作為基準。由表2可知，污染強度最高的是Cd元素。除Ni、Cr和As以外，其他元素都達到中—強、強度污染，其中，Hg、Cd強度污染所占比例較高，而Hg、Pb、Cd在中—強及中度污染所占比例非常高，尤其是Pb中度污染的樣點達到68個，而Hg在中—強度污染樣點達到35個。

由表3可知，各元素的累積指數變化范圍最大的是Cd，說明Cd局部污染非常嚴重，區域污染程度參差不齊。I值均值從大到小排序依次為Pb、Cd、Hg、Cu、Ni、Zn、Cr、As。Pb元素極值污染程度不高，但整體污染嚴重，都大于1級，地累積指數法將其歸為中度污染。

表3 地累積指數均值評價結果

Table 3 Evaluation results of average values of geoaccumulation index

重金屬元素ElementsofheavymetalsI值等級范圍DegreeofIvalue評價結果(均值)Evaluationresults(mean)累積污染程度AccumulativepollutiondegreeCu0～30．45無—中Ni0～20．21無—中Zn0～40．02無—中Cr0～2-0．38無Cd0～51．49中Pb1～41．69中As0～1-0．70無Hg0～41．35中

2.2 基于污染負荷指數的重金屬污染評價

2.2.1 最高污染系數(CF)。以蘇南地區背景值作為評價標準，對采樣點8種重金屬的最高污染系數進行統計。從表4可以看出，8種元素的污染強度從強到弱依次為Hg、Pb、Cd、Cu、Zn、Ni、Cr、As，這與地累積指數的污染程度均值排序較為一致。這說明Hg和Pb的污染最為嚴重，對區域污染負荷貢獻最大。此外，各采樣點元素的污染系數極差較大，變化范圍大，元素之間相差幾倍甚至幾十倍，而標準偏差偏小，所以元素含量分布可能存在一定規律性，值得深究。

2.2.2 點污染評價。根據公式和分級標準可得到8種重金屬點污染負荷指數PLI、4種毒性強的重金屬點污染負荷指數PLIHg-As(Hg、Pb、Cd、As)及4種毒性相對較弱的重金屬點污染負荷指數PLICu-Cr(Cu、Ni、Zn、Cr)的統計結果。從8種重金屬污染負荷指數來看，沒有無污染級別的樣品，說明Y鎮土壤重金屬污染已經十分嚴峻。從4種毒性強的重金屬點污染負荷指數來看，強污染以上樣品占到73.64%，極強污染占33.64%，說明毒性強的重金屬污染很嚴重。

表4 采樣點8種重金屬的最高污染系數分析

Table 4 The analysis of the highest pollution coefficient for 8 kinds of heavy metals in sampling points

重金屬元素Elementsofheavymetals平均值Mean最大值Maximum最小值Minimum極差Range標準差StandarddeviationCu2．196．620．915．710．95Ni1．875．780．085．690．77Zn1．8717．920．5817．341．94Cr1．265．070．055．020．70Cd5．1537．720．9536．774．25Pb5．1816．492．3414．152．10As0．931．780．521．260．15Hg5．4619．550．4119．154．18

從圖1可以看出，Hg、Pb、Cd、As綜合污染程度不僅從覆蓋范圍上，而且從污染級別上都要遠大于Cu、Ni、Zn、Cr。毒性強的元素污染總體分布在東北、西南區域，絕大部分污染程度在強污染以上，只有西北部地區污染在中污染水平，其余污染都在強污染以上。

2.2.3 區域污染評價。4種毒性強的重金屬區域污染負荷指數為2.91；4種毒性相對較弱的重金屬區域污染負荷指數為1.58；8種重金屬區域污染負荷指數為2.15。研究區重金屬污染整體為強污染，盡管毒性較弱的重金屬污染負荷指數只有中等污染，但是毒性強的重金屬污染指數接近極強污染，對生物健康危害極大。因此，綜合評價結果為強污染。

2.3 基于內梅羅指數結合土壤環境質量標準的重金屬污染評價 由表5和表6可知，Hg和Cd的污染程度較大。在中度污染部分，Ni、Hg、Cd的比例較修正前大幅提高，在輕度污染方面，除了Cd下降外，Hg和Ni基本持平，其余元素較修正前均有所上升，其中上升最為明顯的是Pb、Cu、Zn。改進后的多因子綜合污染評價，與修正前相比，P綜值從1.98上升為2.20，即從原來的輕度污染上升為中度污染。

圖1 點污染負荷指數評價結果Fig.1 Evaluation results of point pollution load index

表6 改進后單因子綜合污染指數評價

Table 6 The evaluation results of modified comprehensive pollution index of single factor

重金屬元素ElementsofheavymetalsPjPjmaxP綜2污染程度PollutiondegreeCu0．501．511．12輕度Ni1．093．362．50中度Zn0．545．233．72重度Cr0．281．110．81輕度Cd1．9914．5910．41重度Pb0．351．120．83清潔As0．330．630．50清潔Hg1．786．374．68重度

3 結論

從評價結果來看，地累積指數法相對客觀，分級更加準確，沒有夸大局部值的效果，且相對污染負荷指數法更能反映人為因素和自然因素的綜合作用情況，分析結果更為客觀；污染負荷指數法比地累積指數法更能反映實際情況，且污染分布的區分度較高，更加形象清晰。

結合土壤環境質量標準的內梅羅指數法，改進后的單項污染指數污染程度普遍上升一個級別，并且增強了區分度，污染評價結果更為準確，對于Pb、Cd污染指數普遍較高的能夠合理地區分污染程度，而不是全部歸為無污染的級別，改進方法比改進前的規范性和可比性有所提高。改進后的指數計算方式更為科學、規范，不會出現過大或過小的值，不會使最后的污染指數偏差較大。改進后的單因子綜合指數排序發生了較大的變化，Zn位居第2，說明它保留了內梅羅指數重視極值的特點；Pb和Cu排名有所提前，說明它也改進了內梅羅指數不關注中間值及普遍污染程度的缺點。整體來看，污染程度較改進前有所上升，如Cu、Cr和Pb的污染級別升高，其他元素基本不變，這種評價方法更符合實際情況，優勢十分明顯。內梅羅結合土壤環境質量標準的改進法兼有前2種方法的優點。

該評價結果表明，毒性強的元素污染總體分布在東北和西南區域。人類活動密集的區域往往是污染來源最大的區域，同時也是污染風險較大的地區，例如紡織廠、印染廠、機械制造廠、五金廠、溫室制造廠等。其中農作物種植區的污染危害程度最大，往往需要保護，其余地區則需要進行防治。因此，在Y鎮這樣的小尺度區域，重金屬污染評價適宜采用內梅羅指數的改進方法，因為該方法更符合實際，對于制訂針對性調控措施具有更大的參考價值。

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Evaluation of Soil Heavy Metal Pollution in Southern Towns of Jiangsu Province by Multiple Methods

MENG Ling-yi1, XU Meng-jie1，LI Xiao-man1,2et al

(1. College of Public and Administration, Nanjing Agricultural University, Nanjing, Jiangsu 210095；2. Institute of Soil Science，Chinese Academy of Sciences，Nanjing，Jiangsu 210008)

Taking a small town in southern areas of Jiangsu Province as an example, the soil heavy metal pollution in research area was evaluated by using geo-accumulation index method, pollution load index method and the modified method of Nemero index combined with soil environmental quality standards. The feasibility of these methods was discussed. The results showed that the modified method of Nemerow index combined with soil environmental quality standards combined with human factors and natural factors. This method had advantages of more objective evaluation results，higher discriminabiltity of pollution distribution. And the modified method of Nemerow index had the advantages of both geo-accumulation index method and pollution load index method，so this method was most suitable for the evaluation of soil heavy metal pollution in a small scale region.

Evaluation of heavy metal pollution; Improvement method; Small scale; Southern area of Jiangsu Province

國家科技支撐計劃項目(2012BAJ24B06)。

孟令儀(1992- )，女，江蘇南京人，碩士研究生，研究方向：土地利用與土地規劃。

2016-09-19

S 158.4

A

0517-6611(2016)34-0114-05