孟令華 杜小亮 劉 乾 孔德金 吳樹明 王 浩

(中化地質(zhì)礦山總局山東地質(zhì)勘查院，山東 泰安 271000)

土壤是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1]，在城市化進(jìn)程不斷加快的今天，由礦產(chǎn)資源開發(fā)、道路、水利工程及城市建設(shè)等各種人類活動所引起的土壤重金屬污染問題越來越嚴(yán)重，使自然生態(tài)環(huán)境變得脆弱，直接或間接威脅人類安全健康和城市的可持續(xù)發(fā)展[2]。因此，土壤重金屬污染已成為當(dāng)今城市環(huán)境研究的熱點，許多學(xué)者針對不同城市、不同地域的土壤重金屬環(huán)境污染做了大量研究[1-6]，這些研究工作對城市總體規(guī)劃和污染防治具有重要意義。

近年來，雖然有一些學(xué)者對泰安市農(nóng)田土壤及某些生產(chǎn)企業(yè)周圍土壤的重金屬污染特征和現(xiàn)狀進(jìn)行過調(diào)查評價[7-8]，但針對城區(qū)的土壤重金屬污染評價的研究較缺乏。泰安市是我國著名的歷史文化名城和風(fēng)景旅游城市，市區(qū)位于泰山腳下，隨著城市化水平的不斷提高，現(xiàn)代化工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，不可避免地對城市環(huán)境造成一定的不良影響，很有必要對城區(qū)土壤重金屬的含量特征進(jìn)行調(diào)查研究。本次工作通過測定As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni 6種重金屬的含量，分析其空間分布特征，采用單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法、地累積指數(shù)法及潛在生態(tài)評價法對土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評價，對泰安市城區(qū)重金屬的污染防治和城市規(guī)劃具有一定的現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)北依拔地通天的五岳之首泰山，南瀕臨汶河，東、西被泰安市岱岳區(qū)環(huán)繞，范圍東至科技中路、明堂路、京滬鐵路、汶河西岸，北至環(huán)山路，西至京臺高速公路和104國道，南至天頤湖北岸、徂徠山大街，南北長約24.2 km，東西寬約20.1 km，面積207.7 km2，為泰安市中心城區(qū)(圖1)。研究區(qū)地處魯中山區(qū)西北部，為泰山山前傾斜平原及牟汶河沖、洪積平原，處于泰萊斷陷盆地的西端，總體地勢西、北部高，東、南部低。研究區(qū)屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，氣候四季分明，具有降水集中、雨熱同季、春秋短暫、冬夏較長的氣候特征。多年平均氣溫12.9 ℃，多年平均降水量1 119.70 mm，年內(nèi)降水主要集中在6、7、8月份，一般占年降水量的61.63%。

圖1 研究區(qū)位置及土壤采樣點分布圖Figure 1 The location of the study area and distribution of soil sampling points.

1.2 樣品采集與測試

本次土壤樣品采集時間為2020年12月31日至2021年1月10日，選擇泰安市城區(qū)公園、道路兩側(cè)綠地、建筑工地人工開挖的溝槽、城鄉(xiāng)結(jié)合部菜園或者其他較為穩(wěn)定、擾動較小的區(qū)域進(jìn)行采樣。在天氣晴朗的情況下，首先去除植物覆蓋物，利用木鏟刮除雜質(zhì)后采集表層15～20 cm的土壤，樣品重量約1 kg，按編號裝入聚乙烯封口塑料袋中，同時利用GPS記錄取樣點的位置。共采集表層土壤樣品30件。

在實驗室將土壤樣品自然風(fēng)干，經(jīng)去雜質(zhì)、研磨、過0.150 mm網(wǎng)篩后測定重金屬濃度。Cu、Cd、Ni、Pb測試依據(jù)HJ 803—2016《土壤和沉積物 12種金屬元素的測定 王水提取-電感耦合等離子體質(zhì)譜法》，測試儀器為電感耦合等離子體質(zhì)譜儀；As、Hg測試依據(jù)HJ 680—2013《土壤和沉積物 汞、砷、硒、鉍、銻的測定 微波消解/原子熒光法》，測試儀器為原子熒光分光光度計。As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni的檢出限分別為0.01、0.03、0.3、1.0、0.002、0.2 mg/kg，相對偏差均低于8%。測試單位為山東省魯南地質(zhì)工程勘察院實驗測試中心。

1.3 土壤重金屬污染評價方法

1.3.1 污染指數(shù)評價

單因子污染指數(shù)法：是以土壤單項重金屬含量的測定值與評價標(biāo)準(zhǔn)的比值表征土壤中某一重金屬的環(huán)境污染程度[1]。其計算公式見式(1)：

(1)

(1)式中：Pi—土壤中重金屬i的單因子污染指數(shù)；Ci—土壤中重金屬i的實測濃度值，mg/kg；Si—重金屬i的土壤環(huán)境背景值，mg/kg。將Pi分為4個等級，即Pi≤1時，無污染；13，嚴(yán)重污染。

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)：其不僅考慮土壤中各重金屬污染物的平均污染水平，又突出了最嚴(yán)重重金屬污染物的平均污染水平，能夠全面反映某種污染物的污染程度[9]，計算公式如式(2)所示：

(2)

(2)式中：PN—內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；Pimax—各重金屬單因子污染指數(shù)的最大值；Piave—各重金屬單因子污染指數(shù)的平均值。將PN劃分為5個等級，即：PN≤0.7，安全(清潔)；0.73.0，重污染[10]。

地累積指數(shù)法：是一種研究土壤中重金屬污染程度的定量指標(biāo)，它不僅考慮自然成巖作用引起的環(huán)境地球化學(xué)背景值的變動，還突出了人為活動等污染因素[11]。計算公式如式(3)所示：

Igeo=log2[Ci/1.5Bi]

(3)

(3)式中：Igeo—地累積指數(shù)；Ci—土壤樣品中重金屬元素i的實測濃度值，mg/kg；Bi—重金屬元素i的土壤環(huán)境背景值，mg/kg；1.5為修正指數(shù)，通常用來表征成巖作用、沉積特征、人類活動及其它影響。將Igeo分為7個等級，即Igeo≤0，無污染，污染等級0級；0

1.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險評價

潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(RI)是瑞典地球化學(xué)家Lars Hakanson于1980年提出的，用于評價土壤中多種重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險，能夠反映多種重金屬污染物的綜合潛在影響[12]，是目前常用的重金屬污染評價方法之一。其計算公式見式(4)：

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量特征

對泰安市城區(qū)土壤樣品中重金屬元素的最小值、最大值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表1。As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni的平均含量分別為6.72、0.066、20.33、18.19、0.031和19.92 mg/kg，其中As、Cd、Cu、Pb、Ni的平均含量均低于泰安市和山東省土壤背景值[16]，Hg的平均含量略高于泰安市土壤背景值。與泰安市土壤背景值相比，在30個樣品中，As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni分別有12、1、8、3、10、4個樣品超過了背景值；而與山東省土壤背景值相比，在30個樣品中，As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni分別有11、1、9、1、10、4個樣品超過了背景值；表明泰安市城區(qū)土壤重金屬As、Cu、Hg的富集性較明顯。

表1 泰安市城區(qū)土壤重金屬含量Table 1 The content of heavy metals in soil in urban area of Tai′an /(mg·kg-1)

變異系數(shù)是元素標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均值的比值，是表征土壤中元素分布均勻性的參數(shù)[17-18]，變異系數(shù)越大，說明其分布越不均勻，受人類活動擾動越大[3]。6種重金屬的變異系數(shù)大小依次為Hg>Cd>As>Ni>Cu>Pb，Cd和Hg的變異系數(shù)>0.6，說明其含量受人類活動影響較大，空間分布差異性較大；As、Ni、Cu、Pb的變異系數(shù)在0.2～0.6，屬于中等變異，說明不同采樣地點的As、Ni、Cu、Pb含量有差異，存在局部富集現(xiàn)象。

2.2 土壤重金屬空間分布特征

從土壤重金屬含量空間分布圖(圖2)上可以看出，各重金屬元素的空間分布具有一定的規(guī)律，As、Cd、Cu、Pb、Ni高值區(qū)多呈點狀分布。其中As元素含量最大值為13.67 mg/kg，位于省莊鎮(zhèn)一園林基地；Cd、Pb元素高值區(qū)集中在徐家樓街道小白峪便民市場西北側(cè)樹林，最大值分別為0.27、25.23 mg/kg，其余樣點含量均低于環(huán)境背景值；Cu元素最高含量點出現(xiàn)在天平街道鋼材大市場，最大值為46.86 mg/kg；Ni元素最大值為58.88 mg/kg，位于粥店街道北辛莊附近。Hg元素的高值區(qū)分布范圍較大，且較集中，分布于徐家樓街道-岱廟街道-上高街道-省莊鎮(zhèn)一帶，集中在農(nóng)業(yè)園、公園、園林等部位，其中最大含量為0.110 mg/kg，是山東省土壤背景值的3.55倍。另外，Cu與Ni的高值區(qū)有部分重合，Cd、Pb與As的高值區(qū)亦有部分重合，表明Cu與Ni及Cd、Pb與As的成因關(guān)系相對較密切。

圖2 研究區(qū)土壤重金屬含量空間分布圖Figure 2 The spatial distribution map of soil heavy metal content in the study area.

2.3 土壤重金屬污染評價

2.3.1 單因子污染指數(shù)評價

分別采用泰安市土壤環(huán)境背景值和山東省土壤背景值作為參比值對城區(qū)的土壤重金屬進(jìn)行評價，結(jié)果見表2。以泰安市土壤環(huán)境背景值作為參比值，各重金屬的Pi平均值順序為Hg>As>Cu>Pb>Ni>Cd。其中，Hg的Pi平均值最大，為1.03，嚴(yán)重污染、中度污染、輕微污染和無污染采樣點數(shù)量占比分別為3%、7%、23%和67%；其他重金屬Pi平均值小于1，為無污染狀態(tài)，但Cd、Cu、Ni各有1個樣點達(dá)中度污染。以山東省土壤環(huán)境背景值作為參比值，Hg的Pi平均值亦為最大(1.00)。

表2 泰安市城區(qū)土壤重金屬單因子污染指數(shù)評價結(jié)果Table 2 The evaluation results of single factor pollution index of heavy metal elements in soil in urban area of Tai′an

2.3.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價

從表2可以看出，以泰安市土壤環(huán)境背景值和山東省土壤背景值作為參比值，Pb的綜合污染指數(shù)PN值在0.7～1.0，污染等級為警戒(尚清潔)；As、Cd、Cu、Ni的綜合污染指數(shù)PN值在1.0～2.0，污染等級為輕度污染；Hg的綜合污染指數(shù)PN值在2.0～3.0，污染等級為中度污染?？傮w上，研究區(qū)土壤重金屬綜合污染指數(shù)平均為1.58～1.64，整體屬于輕污染水平，Hg是內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價貢獻(xiàn)最大的因子，在研究區(qū)的東部岱廟街道-上高街道一帶污染嚴(yán)重。

2.3.3 地累積指數(shù)評價

以泰安市土壤環(huán)境背景值作為參比值，經(jīng)計算，As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni的地累積指數(shù)Igeo的范圍分別是-5.53～0.30、-2.91～0.44、-1.64～0.45、-1.64～-0.43、-2.09～1.29、-2.97～0.53，平均值分別為-1.08、-1.75、-0.84、-0.94、-0.82、-1.18(表3)；以山東省土壤環(huán)境背景值作為參比值，As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni的地累積指數(shù)Igeo的平均值分別為-1.30、-1.76、-0.82、-1.00、-0.87、-1.18(表3)?？傮w表明泰安市城區(qū)土壤重金屬累積較輕，多數(shù)為無污染狀態(tài)，個別樣點為輕度-中度污染(1級)，Hg的最大地累積指數(shù)為1.29，達(dá)中度污染(2級)水平。

表3 泰安市城區(qū)土壤重金屬的地累積指數(shù)評價結(jié)果Table 3 The evaluation results of geological accumulation index of heavy metal elements in soil in urban area of Tai′an

2.4 土壤重金屬污染生態(tài)風(fēng)險評價

表4 泰安市城區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)計算結(jié)果Table 4 The calculation results of potential ecological risk coefficient of heavy metal elements in soil in urban area of Tai′an

經(jīng)計算，綜合生態(tài)風(fēng)險指數(shù)RI的范圍為39.96～191.81(參比值為泰安市土壤環(huán)境背景值)，平均值77.60(小于150)，綜合生態(tài)風(fēng)險為輕微。除Hg元素以外，其余重金屬元素的生態(tài)風(fēng)險均為輕微，幾乎不具有潛在生態(tài)風(fēng)險。RI值最大為191.81，位于泰山區(qū)上高街道農(nóng)業(yè)科技園區(qū)，Hg的貢獻(xiàn)率為76.44%，其他元素的貢獻(xiàn)率均在10%以下；位于泰山區(qū)徐家樓街道小白峪便民市場西的樣點RI值為154.09，Hg和Cd的貢獻(xiàn)率分別為43.90%、39.69%?？傮w表明，泰安市城區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量良好，為低生態(tài)風(fēng)險區(qū)，但Hg為引起風(fēng)險的主要因子，需要加強(qiáng)關(guān)注。

2.5 土壤重金屬污染來源淺析

土壤重金屬來源比較復(fù)雜，有自然來源和人為來源，自然來源主要與土壤母質(zhì)、礦產(chǎn)資源等有關(guān)，人為來源主要是人類活動造成的影響[3，19]。在城區(qū)，土壤重金屬更容易受到人類活動的干擾，其來源存在多源性，有交通運(yùn)輸和工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的氣體和粉塵、城市生產(chǎn)生活污水、固體廢棄物、農(nóng)用物資等。

土壤重金屬元素之間的相關(guān)性可以用來推測土壤重金屬污染來源和途徑等信息，元素間的相關(guān)性系數(shù)越高，他們之間的依存關(guān)系就越顯著，其來源越相似[20-21]。由表5可知，重金屬Cu與Ni的相關(guān)系數(shù)最高，為0.626，表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性，同源的可能性較大。Pb與As、Cd在置信水平為0.01時表現(xiàn)為顯著相關(guān)，但相關(guān)系數(shù)都不高。Hg與其他5種重金屬無顯著相關(guān)，表明Hg元素是受到不同的自然、人為因素綜合影響而富集的。

表5 泰安市城區(qū)土壤重金屬元素之間的相關(guān)分析Table 5 The correlation analysis of heavy metal elements in soil in urban area of Tai′an

因子分析是一種多變量統(tǒng)計方法，它往往指示出某種地質(zhì)上的共生組合和成因聯(lián)系[19]，被廣泛應(yīng)用于土壤或沉積物中污染物來源的判別[3，7，22]。因此，為了進(jìn)一步識別污染源，對本區(qū)重金屬元素進(jìn)行因子分析。表6顯示，前2個因子的特征值大于1，方差貢獻(xiàn)率分別為33.514%和28.099%，累積為61.612%，能夠反映出本區(qū)6種重金屬元素的大部分信息。為了使各因子的信息更加清晰，對因子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，得到前兩個因子的正交旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣(表7)。

表6 土壤重金屬元素的累積方差解釋表Table 6 The interpretation table of cumulative variance of heavy metal elements in soil

表7 正交旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣Table 7 The orthogonal rotation factor load matrix

因子1為Pb-As-Hg-Cd元素組合，載荷分別為0.826、0.732、0.652、0.602，方差貢獻(xiàn)率為33.514%，另外Cd、Pb與As的含量高值區(qū)有部分重合。Pb、Cd的Pi平均值均低于環(huán)境背景值，最高值為泰安市土壤環(huán)境背景值的1.12、2.04倍，判斷為局部污染，受自然因素和交通、工業(yè)生產(chǎn)的共同影響[23]；As的來源比較廣泛，除了成土母質(zhì)外，還與化肥和農(nóng)藥的使用、生活污水的排污等有關(guān)[7]；總體上Pb、Cd、As主要來源于自然背景因素，部分受人類活動影響。Hg的生物毒性較強(qiáng)，一般與化肥、塑料地膜和含重金屬的無機(jī)農(nóng)藥使用有較大關(guān)聯(lián)[7]，Hg超標(biāo)區(qū)域主要分布在農(nóng)業(yè)園區(qū)、公園、園林、小型菜地等區(qū)域，受農(nóng)業(yè)活動和居民生活影響較大。

因子2為Cu-Ni組合，載荷分別為0.897、0.882，方差貢獻(xiàn)率為28.099%，且Cu與Ni的含量高值區(qū)有部分重合。土壤中Cu、Ni的含量較低，其富集主要受土壤母質(zhì)和自然過程的控制，在天平街道鋼材大市場、粥店街道北辛莊有點狀超標(biāo)，推測主要來源于交通、工業(yè)制造等人類活動。

3 結(jié)論

1)泰安市城區(qū)土壤中As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni的平均含量分別為6.72、0.066、20.33、18.19、0.031和19.92 mg/kg，其中As、Cd、Cu、Pb、Ni的平均含量均低于泰安市和山東省土壤背景值，Hg的平均含量略高于泰安市土壤背景值。重金屬含量的變異系數(shù)大小依次為Hg>Cd>As>Ni>Cu>Pb，Cd和Hg的變異系數(shù)>0.6，其含量受人類活動影響較大，空間分布差異性較大。

2)研究區(qū)土壤重金屬綜合污染指數(shù)平均為1.58～1.64，整體屬于輕污染水平，Hg是內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價貢獻(xiàn)最大的因子。各重金屬的單因子污染指數(shù)Pi平均值順序為Hg>As>Cu>Pb>Ni>Cd。Hg的Pi平均值最大，為1.03，嚴(yán)重污染、中度污染、輕微污染和無污染采樣點數(shù)量占比分別為3%、7%、23%和67%；其他重金屬Pi平均值小于1，為無污染狀態(tài)，但Cd、Cu、Ni各有1個樣點達(dá)中度污染。地累積指數(shù)說明土壤重金屬累積較輕，多數(shù)為無污染狀態(tài)，個別樣點為輕度-中度污染(1級)，Hg的最大地累積指數(shù)為1.29，達(dá)中度污染(2級)。

4)研究區(qū)土壤中Cu、Ni具有顯著相關(guān)性，但含量較低，其富集主要受土壤母質(zhì)和自然過程的控制。Pb、As、Hg、Cd具有一定的相關(guān)性，Pb、Cd、As主要來源于自然背景因素，部分受人類活動影響；Hg的污染來源于化肥、塑料地膜和含重金屬的無機(jī)農(nóng)藥使用，受農(nóng)業(yè)活動和居民生活影響較大。