天津市某校園土壤中重金屬污染研究及其評價

盛紅坤，徐澤，王佳楠，李國東，張晨

(南開大學(xué)濱海學(xué)院，天津 300270)

土壤是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，在維持生態(tài)平衡中具有重要作用[1]。由于工業(yè)、農(nóng)業(yè)等生產(chǎn)活動造成土壤重金屬污染，據(jù)統(tǒng)計2009年環(huán)保部接報的有12起重金屬污染事件，致使4 035人血鉛超標(biāo)，182人鎘超標(biāo)，引發(fā)32起群體事件[2]。已有大量研究表明，土壤中重金屬污染會影響人類的健康，包括影響消化、心血管和中樞神經(jīng)系統(tǒng)，對生物具有致癌、致畸及致突變效應(yīng)，甚至?xí)韲?yán)重的社會問題[3-4]。

校園是學(xué)生生活學(xué)習(xí)的重要場所，土壤環(huán)境對學(xué)生的身心健康影響極大，而近年來針對工業(yè)區(qū)附近的校園土壤重金屬污染的研究較少。本文以天津市濱海新區(qū)某高校土壤為研究對象，使用火焰原子吸收光譜法，測定土壤中Cu、Zn、Pb、Cd、Cr五種重金屬的含量，采用單因子評價法、綜合指數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險評價法對其進(jìn)行評價，以期為濱海新區(qū)土壤生態(tài)風(fēng)險預(yù)警和重金屬污染防治提供科學(xué)依據(jù)[5]。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

硝酸、氫氟酸、鹽酸、高氯酸均為優(yōu)級純；重金屬標(biāo)準(zhǔn)儲備液,天津市環(huán)境保護(hù)總局標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所。

AA-6300型原子吸收分光光度計;SY-2恒溫沙浴鍋。

1.2 土壤樣品的采集與處理

本研究共設(shè)置7個采樣點，均勻分布于全校區(qū)，分別以P1～P7編號，包括景觀用地、荒地、商業(yè)區(qū)、教學(xué)區(qū)、生活區(qū)等，囊括了校園所有區(qū)域，能夠科學(xué)地反映校園的整體情況。具體采樣點分布見表1。

表1 采樣地分布表Table 1 Distribution of sampling sites

每個采樣地分別采集表層(0～10 cm)和(20～30 cm)土樣各1份。采用五點交叉取樣法取樣，每層采樣地取1 kg，每個土樣按照4分法組成混合樣品，裝入樣品密封袋。在實驗室，先將土樣中的碎石和植物殘體撿出，自然風(fēng)干后分別放入烘箱，在75 ℃ 下烘至恒重，用瑪瑙研缽研磨，使其全部通過80目篩，置于干燥器中備用。

1.3 樣品消解與測定方法

土壤pH值按照土水比1∶25采用電位法測定。土壤中Cu和Zn采用GB/T 17138標(biāo)準(zhǔn)方法測定，Pb和Cd采用GB/T 17141標(biāo)準(zhǔn)方法測定，Cr采用GB/T 17137標(biāo)準(zhǔn)方法測定。樣品采用鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸消解后，用火焰原子吸收分光光度法測定各金屬元素的濃度(AA-6300，日本)。在測定過程中，所有玻璃器皿均在20%硝酸溶液中浸泡過夜后經(jīng)超純水洗凈使用，所有樣品均平行檢測3次，取平均值。

1.4 評價方法

評價方法采用單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險評價方法。

1.4.1 單因子指數(shù)法 單因子指數(shù)法是針對土壤中單個因子進(jìn)行污染評價的方法[6]。方法如下：

Pi=Ci/Si

式中,Pi為單因子i的污染指數(shù)，Ci為實測濃度，Si為參照值。等級劃分指標(biāo)見表2。

表2 單因子指數(shù)等級劃分指標(biāo)Table 2 The grades of single factor index

1.4.2 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)是衡量區(qū)域性綜合污染狀況的指標(biāo)[7]，公式如下：

表3 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 3 The grades of Nemerow synthesis index

1.4.3 潛在生態(tài)風(fēng)險評價方法 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法是一種從沉積學(xué)的角度，與生態(tài)學(xué)、重金屬毒理學(xué)、地球化學(xué)等學(xué)科相結(jié)合而提出的土壤污染物評價方法[8-10]，計算公式為：

表4 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)等級劃分指標(biāo)Table 4 The grades of potential ecological risk index

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤pH值

土壤的pH值會影響土壤的理化性質(zhì)以及重金屬的形態(tài)和活性[12]。由于本區(qū)域臨近渤海灣，隨著時間的演化以及工業(yè)的發(fā)展，本區(qū)域大部分的土壤演變成了鹽堿地，本研究采集的14個土壤樣品pH值均在8.55～9.71，因此該校園的土壤整體呈堿性，也印證了本校園的本土是鹽堿土。

2.2 土壤重金屬含量與分布

表5列出了校園各土壤采樣點5種重金屬的含量。由表1可知，校園土壤Cd含量較低，其它4種重金屬的含量較高。其中Cu、Pb、Cd含量的平均值分別為24.38，28.47，0.40 mg/kg低于國家建設(shè)用地第一類用地的篩選值[13]，說明土壤中這3種重金屬對人體健康的風(fēng)險可以忽略。

表5 樣品測定結(jié)果Table 5 Table of sample test results

與天津市土壤背景值[14]相比，土壤樣品中5種重金屬的最大含量都超過了土壤背景值，但是Cu、Cr的平均含量低于背景值，另外3種重金屬的平均含量高于天津市土壤背景值，由此可知，這5種重金屬元素在采樣區(qū)土壤上有一定程度的積累，特別是Zn、Pb和Cd的平均濃度為天津土壤背景值的2.16，1.4，4.6倍，表明人類活動和工業(yè)發(fā)展已經(jīng)導(dǎo)致了此區(qū)域土壤的重金屬含量升高，并以Zn、Pb的累積效應(yīng)較大，而Cd的累積效應(yīng)最大。

2.3 土壤重金屬污染評價

2.3.1 單因子評價法 以天津市土壤背景值為標(biāo)準(zhǔn)，待測校園各取樣點土壤中Cu，Zn，Pb，Cd，Cr 5種重金屬元素的平均含量及單因子污染指數(shù)見表6。

表6 校園土壤中重金屬元素的平均含量及單因子污染指數(shù)Table 6 The average content and single factor pollution index of heavy metals in campus soil

該校園土壤重金屬Zn、Pb、Cd的污染指數(shù)平均值均>1，說明此區(qū)域土壤受到了這3種重金屬的污染，Cd的單因子污染指數(shù)最高，說明Cd污染最嚴(yán)重，而Zn的污染指數(shù)>2，屬于中度污染。Pb、Cr、Cu的污染指數(shù)相對較低，都在1左右徘徊，屬于輕度污染或者清潔。校園土壤重金屬污染程度次序為：Cd>Zn>Pb>Cu>Cr。

2.3.2 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法 由綜合污染指數(shù)法評價可得，所有取樣點的綜合污染指數(shù)>1，說明校園各取樣點土壤均發(fā)生重金屬污染。

表7 校園土壤重金屬綜合污染指數(shù)及其污染程度Table 7 Nemerow composite pollution index and pollution degree of heavy metals in campus soil

并且P1、P3、P7取樣點的綜合污染指數(shù)均>3，屬于重度污染程度，其他取樣點P4、P5、P6綜合污染指數(shù)也都在2～3，說明P4、P5、P6的污染程度是中度污染程度，P2的綜合污染指數(shù)為1.66屬于輕度污染。

表8 學(xué)校各取樣點及RI值Table 8 Soil heavy metal ecological hazard ecaluation index in campus

3 結(jié)論

(1)研究區(qū)域的校園土壤重金屬Zn、Pb和Cd含量的平均值均超過了天津市土壤背景值，呈現(xiàn)了不同程度的積累，且Cd的積累效應(yīng)最大。Cu、Pb、Cd元素均未超過國家建設(shè)用地第一類用地的標(biāo)準(zhǔn)，說明對人體健康的風(fēng)險可以忽略。

(2)重金屬Cd和Zn的污染分指數(shù)較高，基于天津市土壤背景值進(jìn)行評價，重金屬污染程度順序為：Cd>Zn>Pb>Cu>Cr。

(3)所有取樣點的綜合污染指數(shù)>1，說明校園各取樣點土壤均發(fā)生重金屬污染。P1點的綜合污染指數(shù)最高，原因可能是取樣點距離工業(yè)園區(qū)和公路較近有關(guān)。

(4)從重金屬潛在風(fēng)險評估指數(shù)來看，P1點的生態(tài)風(fēng)險等級為重，其余取樣點土壤重金屬污染的潛在風(fēng)險處于中等或者低水平，而鎘元素對土壤潛在風(fēng)險貢獻(xiàn)最大。