劉 奕，胡立嵩*，張彩香，謝夢(mèng)縈，謝新末，黃長(zhǎng)生

1.武漢工程大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，湖北 武漢 430205

2014年全國(guó)土壤污染調(diào)查顯示，全國(guó)土壤總的污染超標(biāo)率為16.1%，污染類型以無(wú)機(jī)型為主。Cd、As、Cu、Pb四種無(wú)機(jī)污染物的超標(biāo)率分別為7.0%、2.7%、2.1%、1.5%，屬于8種無(wú)機(jī)污染物中超標(biāo)率較高的4種金屬元素［1］。因此《土十條》將鎘、砷、鉛等重金屬列為監(jiān)管重點(diǎn)，要求明確各類污染源并進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控，到2020年全國(guó)土壤污染加重趨勢(shì)得到初步遏制，土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)得到基本管控［2-3］。

根據(jù)土壤污染分布情況，南方土壤污染明顯重于北方，長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲等部分區(qū)域土壤重金屬超標(biāo)范圍較大［4-5］。珠江-西江經(jīng)濟(jì)帶作為六個(gè)先行試驗(yàn)區(qū)之一，已經(jīng)開始加強(qiáng)重金屬污染綜合防治和土壤污染治理。本文在珠江-西江經(jīng)濟(jì)帶先行試驗(yàn)區(qū)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)之上對(duì)污染較嚴(yán)重的地區(qū)進(jìn)行了詳查，利用地理信息系統(tǒng)對(duì)該地區(qū)的空間變異及空間分布特征進(jìn)行了分析［6-8］，并采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法對(duì)該地區(qū)重金屬污染整體情況進(jìn)行了評(píng)價(jià)［9-10］，旨在為廣州市土壤污染治理及土地利用提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 土壤樣品采集

在珠江-西江經(jīng)濟(jì)帶先行試驗(yàn)區(qū)1∶50 000環(huán)境地質(zhì)調(diào)查的土壤重金屬污染狀況基礎(chǔ)上，本研究對(duì)廣州市重金屬污染較嚴(yán)重的地區(qū)進(jìn)行詳查（采樣點(diǎn)如圖1），首先對(duì)采樣區(qū)進(jìn)行功能分區(qū)，如生活區(qū)、工業(yè)（園）區(qū)、農(nóng)業(yè)區(qū)、重點(diǎn)污染區(qū)及工業(yè)場(chǎng)地等區(qū)域。根據(jù)《土壤環(huán)境檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（HJ/T166—2004）［11］，采用“梅花形”采樣方法進(jìn)行布點(diǎn)，主要采集表層土（0 cm～20 cm），將采取的4或5個(gè)點(diǎn)混合為1個(gè)土樣，利用四分法取樣。樣品共計(jì)69個(gè)。

圖1 采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution diagram of sampling points

1.2 樣品分析

所有土壤樣品自然風(fēng)干，剔除其中的樹枝、石頭等雜物，研磨后過孔徑0.075 mm篩，存于自封袋中，用于樣品理化性質(zhì)的測(cè)定。

土壤 pH 的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)為 NY/T1377—2007［12］。重金屬含量送往武漢市地調(diào)院統(tǒng)一測(cè)定，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES）測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2010和SPSS22.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，用統(tǒng)計(jì)軟件ArcGIS9.4進(jìn)行空間變異分析。

1.4 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

潛在生態(tài)危害指數(shù)法是由瑞典科學(xué)家Hakan?son提出的，從沉積學(xué)的角度對(duì)土壤重金屬進(jìn)行評(píng)價(jià)。計(jì)算公式為公式（1）（2）［13］：

其中，Cf=C實(shí)測(cè)/Cn（Cn為標(biāo)準(zhǔn)值，即土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)），As、Pb、Cu、Cd的毒性系數(shù)分別為10、5、5、30。分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Pollution evaluation criteria

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤重金屬的分布特征

采樣區(qū)土壤中重金屬含量見表2。從表2中數(shù)據(jù)可知，As的含量在 2.49 mg/kg～122 mg/kg之間，平均值為19.08mg/kg，中值為16.5mg/kg；Pb含量在13.8mg/kg～247 mg/kg之間，平均值為64.49 mg/kg，中值為53.8 mg/kg；Cd含量在0.07 mg/kg～2.12 mg/kg之間，平均值為0.41 mg/kg，中值為0.4 mg/kg；Cu含量在15mg/kg～104mg/kg之間，平均值為40.97mg/kg，中值為38 mg/kg。根據(jù)測(cè)定的pH值顯示，土壤樣品的pH值在6.5～7.5之間，整體呈中性。以《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618—1995）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，As的超標(biāo)率為8.70%，Cd的超標(biāo)率為56.52%，Cu的超標(biāo)率為1.45%，只有Pb未出現(xiàn)超標(biāo)的情況。結(jié)合已有文獻(xiàn)，李艷利等［14］對(duì)焦作市城市土壤重金屬研究發(fā)現(xiàn)，Cd的超標(biāo)率為22.73%，Cu和Pb均未超標(biāo)；姚娜等［15］對(duì)石家莊北郊土壤重金屬研究表明該區(qū)Pb、Cd、Cu均為背景值的1.5倍～2.5倍；李小曼等［16］對(duì)蘇南村鎮(zhèn)土壤重金屬含量分析發(fā)現(xiàn)，Cd超標(biāo)10.91%，Cu、Pb、As未超標(biāo)。以上均表明不同城市土壤都受到了不同程度的重金屬污染，其中Cd污染都相對(duì)較嚴(yán)重。

表2 土壤中重金屬含量統(tǒng)計(jì)（n=69）Tab.2 Statistics of heavy metals in soil（n=69）

2.2 土壤重金屬的空間變異結(jié)構(gòu)分析

以上描述性統(tǒng)計(jì)只能分析出該地區(qū)重金屬污染的整體情況，而對(duì)于空間變異特征，應(yīng)采用地統(tǒng)計(jì)法對(duì)其進(jìn)行分析［17］。使用半變異函數(shù)對(duì)各種元素進(jìn)行模擬［18］，不同金屬的變異函數(shù)理論模型及檢驗(yàn)參數(shù)見表3。

表3 變異函數(shù)理論模型及檢驗(yàn)參數(shù)Tab.3 Semivariogram models and fitted parameters

在半方差函數(shù)中，C0表示塊金方差，是由實(shí)驗(yàn)誤差等隨機(jī)性因素引起的變異；（C+C0）為基臺(tái)值，表示系統(tǒng)內(nèi)總的變異；C0/（C+C0）則表示的是空間變異程度，當(dāng)該比值小于25%時(shí)，證明系統(tǒng)的空間相關(guān)性很強(qiáng)；在25%～75%之間時(shí)，表明系統(tǒng)的空間相關(guān)性屬于中等程度；而大于75%則表明空間相關(guān)性很弱。

結(jié)合表3可知，As和Cd的基底效應(yīng)分別為72.45%和67.40%，在25%～75%之間，呈現(xiàn)中等程度的空間相關(guān)性，表明既受到內(nèi)源污染的影響，如土壤特征、氣候變化等，又受外界的因素影響，如交通、建設(shè)、人為活動(dòng)等［19］。而Pb和Cu的基底效應(yīng)分別為93.71%和91.68%，均大于75%，表明空間相關(guān)性很弱，受到了人為活動(dòng)的強(qiáng)烈干擾。

2.3 土壤重金屬的空間分布特征

使用普通克里金插值法，繪制研究區(qū)域的重金屬的空間分布圖。由圖2可知，高As區(qū)的范圍較大，集中出現(xiàn)在研究區(qū)域南部，根據(jù)地理分區(qū)圖，主要污染在佛山市的順德區(qū)。黃慶熙等［20］對(duì)廣州主城區(qū)土壤砷污染研究發(fā)現(xiàn)，在人口密集的地區(qū)，交通和生活垃圾的排放是城市土壤As污染的主要來源。而順德自古經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，商業(yè)繁榮，土壤As污染的人為來源應(yīng)主要是交通活動(dòng)以及生活廢棄物的排放，部分農(nóng)田及公園地區(qū)As含量較高還源于噴灑了含砷農(nóng)藥導(dǎo)致土壤中As的累積。

Cd高值區(qū)在研究區(qū)域中部以及南部，在廣州市和佛山市交界處，屬于廣州市的番禹區(qū)和佛山市的順德區(qū)。除受土壤母質(zhì)的自然影響外，番禹區(qū)的農(nóng)業(yè)頗具特色，Cd含量較高可能是因?yàn)楦鞣N農(nóng)藥的濫用造成的；而順德區(qū)自古有“世界美食之都”之稱，大量的人口聚集產(chǎn)生的生活垃圾、汽車尾氣等是造成該地區(qū)Cd含量較高的重要原因。李蘋等［21］對(duì)北京市懷柔區(qū)土壤重金屬研究發(fā)現(xiàn)Cd的富集與農(nóng)業(yè)施肥及工業(yè)活動(dòng)等有關(guān)；劉子龍等［22］的研究中也有類似結(jié)論，認(rèn)為含Cd化肥及農(nóng)藥的施用造成了土壤中Cd含量的升高。

Cu的污染程度較輕，偏高值零星分布在研究區(qū)域中偏南部，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，文化公園、江邊公園等附近的Cu含量都偏高，表明土壤Cu的富集與交通流量有關(guān)。李永杰等［23］對(duì)廣州市公園土壤重金屬的研究也發(fā)現(xiàn)，公園土壤中重金屬的含量與交通流量有顯著的相關(guān)性。Pb的整體受污染程度最小，未超過國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。較高濃度主要出現(xiàn)在采樣區(qū)域的東邊，該地區(qū)包含有工業(yè)園區(qū)以及化工區(qū)，工業(yè)園區(qū)的各種工廠產(chǎn)生的廢水、廢氣、廢渣中存在的Pb沉降到土壤中造成土壤Pb的累積。此外，園區(qū)內(nèi)及周圍的汽車尾氣排放也是該地區(qū)Pb含量較高的一個(gè)重要原因。

圖2 土壤重金屬空間分布圖：（a）As含量；（b）Cu含量；（c）Cd含量；（d）Pb含量Fig.2 Spatial distribution of heavy metals in soil：content of（a）As；（b）Cu；（c）Cd and（d）Pb

2.4 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

為了解研究區(qū)重金屬污染的整體情況，采用潛在生態(tài)危害法對(duì)土壤重金屬的污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果見表4。所有樣品中Pb和Cu的Er值均小于40，表現(xiàn)為輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平（見表1）；土壤As含量中，有1.45%的樣品為中等風(fēng)險(xiǎn)，剩余98.55%為輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；而土壤中的Cd有43.48%處于中等風(fēng)險(xiǎn)，5.80%處于較強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)，1.45%處于很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)，表明該地區(qū)的Cd污染是最嚴(yán)重的，屬于主要的潛在生態(tài)危害因子。根據(jù)潛在生態(tài)危害指數(shù)RI，有98.55%的樣品RI值小于150，表現(xiàn)為輕微風(fēng)險(xiǎn)，剩余1.45%表現(xiàn)為中等風(fēng)險(xiǎn)。采樣區(qū)域重金屬的潛在生態(tài)危害整體上表現(xiàn)為輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平，目前對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響較小。

表4 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)Tab.4 Potential ecological risk assessment

3 結(jié) 語(yǔ)

1）土壤重金屬詳查區(qū)含量除Pb未超過國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)外，其他金屬元素都存在不同程度的超標(biāo)情況，最嚴(yán)重的為Cd，樣品數(shù)達(dá)到56.52%。

2）根據(jù)半方差函數(shù)擬合，采樣區(qū)土壤中的As和Cd都呈現(xiàn)中等程度的相關(guān)性，證明其既受到內(nèi)源污染的影響，也受外界的人為活動(dòng)、城市建設(shè)等的影響；Pb和Cu的空間相關(guān)性很弱，證明受人為活動(dòng)干擾嚴(yán)重。根據(jù)空間分布情況，As、Cd、Cu三者的高值區(qū)均出現(xiàn)在采樣區(qū)域中部以及偏南方向上，根據(jù)實(shí)際調(diào)查，該區(qū)域人流量較大，存在大量的公園、交通主干道、菜地等；Pb含量的高值區(qū)集中在采樣區(qū)域東部，該區(qū)內(nèi)工業(yè)園較多。

3）潛在生態(tài)危害指數(shù)法的分析結(jié)果表明，采樣區(qū)整體屬于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平，目前對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的威脅較小。主要的潛在生態(tài)危害因子為Cd。

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