南京市紫金山土壤中6種重金屬的污染特征和污染水平評價*

劉 新 李一鳴 金 輝 喬維川 虞 磊 張齊生

(南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210037)

南京市紫金山土壤中6種重金屬的污染特征和污染水平評價*

劉 新 李一鳴 金 輝 喬維川 虞 磊 張齊生

(南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210037)

為探究人類活動對南京市紫金山國家森林公園土壤重金屬污染的影響，研究了紫金山土壤中6種重金屬(Cu、Zn、Pb、Cr、Ni、Mn)的污染特征，并采用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法進行了污染水平評價。結(jié)果表明：Cu的質(zhì)量濃度范圍為4.21～249.75mg/kg，平均值為64.08mg/kg；Zn的質(zhì)量濃度范圍為155.26～418.75mg/kg，平均值為212.34mg/kg；Pb的質(zhì)量濃度范圍為112.19～608.91mg/kg，平均值為319.57mg/kg；Cr的質(zhì)量濃度范圍為29.54～201.25mg/kg，平均值為127.36mg/kg；Ni的質(zhì)量濃度范圍為46.64～142.48mg/kg，平均值為76.16mg/kg；Mn的質(zhì)量濃度范圍為182.59～1 634.48mg/kg，平均值為1 008.93mg/kg。總體而言，上層樣(0～20cm)的重金屬濃度高于下層樣(20～40cm)，高海拔的重金屬濃度低于低海拔的。內(nèi)梅羅綜合指數(shù)表明，所有采樣點均處于重度污染狀態(tài)。分析6種重金屬的單因子指數(shù)發(fā)現(xiàn)，主要是因為Pb的單因子指數(shù)較大。

紫金山 土壤 重金屬 評價

研究表明，城市土壤中重金屬Cu、Zn、Pb、Cr、Ni、Mn受人類活動的影響較大，主要來源于交通廢氣、機動車部件磨損、公園化肥及農(nóng)藥的施用等[1]。隨著城市化進程的推進，人類活動對南京市紫金山國家森林公園的影響不斷增大，其土壤受到了不同程度的重金屬污染。本研究采集了對南京市紫金山土壤樣品，測定了Cu、Zn、Pb、Cr、Ni、Mn 6種重金屬含量，分析了不同海拔和不同土層中的重金屬分布，并運用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對紫金山土壤重金屬污染水平做出評估。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

采樣點平面分布圖如圖1所示。共設(shè)36個采樣點，其中1～30號采樣點為沿紫金山周圍的低海拔采樣點，人類活動較多，而31～36號采樣點為自然森林區(qū)的高海拔采樣點，遠離人類活動。每個采樣點分別取上層樣(0～20 cm)和下層樣(20～40 cm)約500 g，放入自封袋中，采樣點信息見表1。土壤樣品運回實驗室后，自然風(fēng)干，棄去石礫、磚塊、植物根等雜質(zhì)，研磨并過200目篩，備用。

圖1 采樣點平面分布圖Fig.1 Sampling sites plan

1.2 樣品測定

土壤樣品重金屬采用原子吸收分光光度法測定。先將樣品置于石墨消解儀(Hanon-SH220)中消解，再運用火焰原子吸收分光光度計(TAS-990)測定Cu、Zn、Pb、Cr、Ni、Mn 6種重金屬的含量。

1.3 評價方法

1.3.1 單因子指數(shù)法

單因子指數(shù)法[2]的計算式為：

Pi=Ci/Si

(1)

式中：Pi為重金屬i的單因子指數(shù)；Ci為重金屬i實測質(zhì)量濃度，mg/kg；Si為重金屬i的背景值，mg/kg。

1.3.2 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法[3]的計算式為：

(2)

表1 采樣點信息

式中：PN為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；Pmax為6種重金屬的單因子指數(shù)最大值；Pave為6種重金屬的單因子指數(shù)平均值。

1.4 評價標準

單因子指數(shù)法評價時的背景值采用文獻[4]中的南京市土壤背景值，Cu、Zn、Pb、Cr、Ni、Mn的背景值分別為32.2、85.1、28.0、66.7、42.3、511.0 mg/kg。單因子指數(shù)法的評價標準如表2所示。內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評價標準如表3所示。

2 結(jié)果與分析

表2 單因子指數(shù)法評價標準

表3 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評價標準

圖2 土壤樣品的重金屬質(zhì)量濃度Fig.2 Heavy metals mass concentrations of soil samples

項目CuZnPbCrNiMn單因子指數(shù)平均值1.9902.49511.4131.9091.8011.974污染等級輕度污染中度污染重度污染輕度污染輕度污染輕度污染

2.1 土壤重金屬含量

由圖2可知，南京市紫金山國家森林公園土壤樣品中Cu的質(zhì)量濃度范圍為4.21～249.75 mg/kg，平均值為64.08 mg/kg，變異系數(shù)為76.4%。Zn的質(zhì)量濃度范圍為155.26～418.75 mg/kg，平均值為212.34 mg/kg，變異系數(shù)為26.6%。Pb的質(zhì)量濃度范圍為112.19～608.91 mg/kg，平均值為319.57 mg/kg，變異系數(shù)為21.3%。Cr的質(zhì)量濃度范圍為29.54～201.25 mg/kg，平均值為127.36 mg/kg，變異系數(shù)為30.8%。Ni的質(zhì)量濃度范圍為46.64～142.48 mg/kg，平均值為76.16 mg/kg，變異系數(shù)為28.6%。Mn的質(zhì)量濃度范圍為182.59～1 634.48 mg/kg，平均值為1 008.93 mg/kg，變異系數(shù)為29.6%。

總體而言，上層樣與下層樣的變化趨勢一致，且表現(xiàn)為上層樣的重金屬濃度略高于下層樣，這是因為表層土壤有機質(zhì)含量高，有機質(zhì)對重金屬的吸附、絡(luò)合等作用使得土壤中的重金屬大部分被固定在表層[5]。個別采樣點出現(xiàn)明顯的反常現(xiàn)象，即下層樣的重金屬濃度明顯高于上層樣，如7號采樣點的Zn和12號采樣點的Pb，可能是由于雨水淋溶、翻動土層的影響使得重金屬垂直變化規(guī)律發(fā)生了改變[6-7]。

圖3分別計算了低海拔采樣點和高海拔采樣點的6種重金屬質(zhì)量濃度平均值。結(jié)果表明，高海拔采樣點的6種重金屬濃度平均值均低于低海拔采樣點，這與低海拔采樣點離道路較近，受汽車尾氣等人類活動的影響較大相符。

圖3 不同海拔的重金屬質(zhì)量濃度平均值比較Fig.3 Comparison of mean heavy metals mass concentrations of different altitudes

2.2 土壤重金屬污染狀況評價

2.2.1 單因子指數(shù)法評價結(jié)果

紫金山國家森林公園每個采樣點的6種重金屬單因子指數(shù)平均值見表4。Pb的單因子指數(shù)平均值最大，為11.413，處于重度污染；Zn的單因子指數(shù)平均值為2.495，處于中度污染；其余4種重金屬均處于輕度污染。從2.1節(jié)來看，6種重金屬中Mn的濃度最高，而其單因子指數(shù)平均值并不高，處于輕度污染，是因為南京市的Mn土壤背景值本身比較高；而Pb土壤背景值并不高，但單因子指數(shù)平均值如此之高，說明Pb主要來源于人類活動的影響。

對每個采樣點的污染等級評價結(jié)果進行比例統(tǒng)計，結(jié)果如圖4所示。Pb的所有采樣點都處于重度污染。對于重金屬Cu，處于無污染、輕度污染、中度污染和重度污染的采樣點分別占25%、36%、22%、17%。Zn處于輕度污染、中度污染和重度污染的采樣點分別占8%、81%、11%。Cr處于無污染、輕度污染和中度污染的采樣點分別占3%、50%、47%。Ni處于輕度污染、中度污染和重度污染的采樣點分別占66%、31%、3%。Mn處于無污染、輕度污染和中度污染的采樣點分別占5%、42%、53%。

圖4 每個采樣點的單因子指數(shù)污染等級比例Fig.4 Pecentage of different pollution degree of all sampling sites by single factor index

2.2.2 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評價結(jié)果

所有采樣點的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)如表5所示，范圍為6.244～14.146，平均值為8.706，變異系數(shù)為20.6%，均處于重度污染污染狀態(tài)。由此可見，與南京市土壤背景值相比，紫金山國家森林公園的土壤重金屬污染總體處于重度污染狀態(tài)，應(yīng)該引起重視。

表5 所有采樣點的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)

3 結(jié) 論

(1) 南京市紫金山國家森林公園土壤樣品中Cu的質(zhì)量濃度范圍為4.21～249.75 mg/kg，平均值為64.08 mg/kg。Zn的質(zhì)量濃度范圍為155.26～418.75 mg/kg，平均值為212.34 mg/kg。Pb的質(zhì)量濃度范圍為112.19～608.91 mg/kg，平均值為319.57 mg/kg。Cr的質(zhì)量濃度范圍為29.54～201.25 mg/kg，平均值為127.36 mg/kg。Ni的質(zhì)量濃度范圍為46.64～142.48 mg/kg，平均值為76.16 mg/kg。Mn的質(zhì)量濃度范圍為182.59～1 634.48 mg/kg，平均值為1 008.93 mg/kg。總體而言，上層樣的重金屬濃度高于下層樣，高海拔的重金屬濃度低于低海拔的。

(2) 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)表明，所有采樣點均處于重度污染狀態(tài)。分析6種重金屬的單因子指數(shù)，主要是Pb的單因子指數(shù)較大導(dǎo)致的。

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Pollutioncharacteristicsandpollutionlevelevaluationof6heavymetalsinPurpleMountainsoil,Nanjing

LIUXin，LIYiming，JINHui，QIAOWeichuan，YULei，ZHANGQisheng.

(CollegeofBiologyandEnvironment，NanjingForestryUniversity，NanjingJiangsu210037)

In order to explore influence of human activities on soil of Purple Mountain Forest Park in Nanjing,pollution characteristics of 6 heavy metals (Cu,Zn,Pb,Cr,Ni,Mn) were studied. Moreover,pollution level evaluation was conducted using single factor index method and Nemero comprehensive index method. Results showed that Cu mass concentrations ranged from 4.21 to 249.75 mg/kg with an average of 64.08 mg/kg,Zn ranged from 155.26 to 418.75 mg/kg with an average of 212.34 mg/kg,Pb ranged from 112.19 to 608.91 mg/kg with an average of 319.57 mg/kg,Cr ranged from 29.54 to 201.25 mg/kg with an average of 127.36 mg/kg,Ni ranged from 46.64 to 142.48 mg/kg with an average of 76.16 mg/kg,and Mn ranged from 182.59 to 1 634.48 mg/kg with an average of 1 008.93 mg/kg. In general,heavy metal mass concentrations of upper samples (0-20 cm) were higher than that of lower ones (20-40 cm),and that of high altitude lower than that of low altitude. Nemero comprehensive index implied that all samples were at heavy pollution level. Pb were found to be the main contributor through single factor index analysis.

Purple Mountain; soil; heavy metal; evaluation

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.10.003

劉 新，男，1968年生，碩士，副教授，主要從事水污染控制與土壤修復(fù)技術(shù)研究。

*國家自然科學(xué)基金青年基金資助項目(No.51308300)；江蘇省高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項目(No.PAPD)。

2017-06-19)