潘含岳

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210095)

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我國城市土壤重金屬污染現(xiàn)狀及評價研究綜述

潘含岳

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210095)

在過去的30年中，我國的城市化正迅速推進。在取得經(jīng)濟發(fā)展成果的同時，也暴露出了諸多環(huán)境問題，城市土壤重金屬污染日益凸顯。本文梳理了我國有關(guān)城市土壤重金屬污染相對有意義的成果，綜述了我國城市土壤重金屬的污染現(xiàn)狀、來源、評價手段，并提出了研究展望，以期為日后相關(guān)研究、城市管理等方面提供參考。

城市土壤；重金屬污染；污染評價

1 引言

城市土壤研究是環(huán)境科學(xué)、地球化學(xué)、污染生態(tài)學(xué)等多交叉學(xué)科衍生出的土壤學(xué)研究下的新領(lǐng)域。國際上自20世紀60年代開始關(guān)注城市的土壤重金屬污染問題，通過對城市土壤中的重金屬含量進行測定分析，發(fā)現(xiàn)其污染程度與工業(yè)活動、交通運輸相關(guān)，以此將城市表層土壤中的重金屬含量作為城市大氣污染指標(biāo)之一[1]。我國對城市土壤研究相對落后，始于20世紀80年代[2]，目前進入快速發(fā)展階段。

最早提出“城市土壤”概念的是Bockheim[3]，他認為城市土壤是指由于人為土壤擾動[4](即非農(nóng)業(yè)作用形成)而形成的厚度約等于50cm的城區(qū)或郊區(qū)土壤。這使得城市土壤在土壤質(zhì)地、剖面結(jié)構(gòu)、孔隙度等方面與自然土壤有較大不同[5]。

“重金屬”的概念依舊模糊，通常是指密度大于4．5 g/cm3的金屬。科學(xué)研究中重金屬是指那些跟工業(yè)生產(chǎn)有關(guān)并具有毒性的一類元素，包括As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg、Ni、Zn等[6]，這些也是城市土壤重金屬中的主要研究的重金屬元素。

這一領(lǐng)域研究的熱門程度可從逐年增加的論文發(fā)表數(shù)目得知，這與前幾年的趨勢保持一致[7]。城市具有與日劇增、高度密集的城市人口，與之帶來的是人類活動的密集。這樣的高度集中使得只占全球地表面積約2%的城市土地上產(chǎn)生著全球80%的污染[8]。重金屬污染了土壤后會通過呼吸道吸入、口入、皮膚直接接觸等作用于人類[9]，尤其對血腦屏障尚未健全的兒童造成傷害[10]。這表明城市土壤在城市人工復(fù)合系統(tǒng)同時起到著源[11]和匯[12，13]的作用。因此無論從城市發(fā)展的現(xiàn)實指導(dǎo)，還是從人類健康的呵護關(guān)懷，對城市土壤的科學(xué)研究都具有十分重要的意義。

2 我國城市土壤重金屬污染狀況

2．1 城市土壤重金屬污染情況不容樂觀

據(jù)2014年環(huán)境保護部和國土資源部發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，我國土壤污染類型是以無機型為主。典型的無機污染物是重金屬，報告指出鎘、汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅、鎳8 種無機污染物點位超標(biāo)率分別為7．0%、1．6%、2．7%、2．1%、1．5%、1．1%、0．9%、4．8%[14]。

在全國土壤重金屬污染嚴重的背景之下，我國各大城市土壤普遍遭受不同程度重金屬污染[15]。在2010年之前，有包括北京、上海、洛陽、青島在內(nèi)的20個不同城市已進行了本地土壤重金屬含量的測定。結(jié)果顯示，20個城市土壤中Cr、Cu、Pb、Zn、Ni以及Cd的平均含量分別為78．43、115．07、1350．51、266．40、99．48以及1．58mg/kg，其中所有城市土壤中的Cd、Cu、Pb、Zn含量均超本地土壤背景值[16]。之后我國西北部城市也開始了類似的研究[17-24]，得出相似結(jié)論。

由于我國自然環(huán)境的地帶性差異、城市土壤本身受到人為土壤擾動很大，不同城市土壤重金屬污染具有較大的空間異質(zhì)性。我國城市土壤重金屬污染的規(guī)律可以總結(jié)為：中小城市土壤重金屬污染要低于特大城市，非工業(yè)城市污染程度小于工業(yè)城市，以長江作為分界線，長江以北城市土壤重金屬污染程度小于長江以南城市[25]。也曾有學(xué)者試圖將城市土壤的情況與城市的經(jīng)濟發(fā)展水平建立聯(lián)系，得出快速發(fā)展中的二線城市土壤的污染程度高于一線城市的結(jié)論[16]。

2．2 城市不同功能區(qū)土壤重金屬污染

由于對土地利用方式、人為活動強度的不同，城市內(nèi)部不同功能區(qū)土壤重金屬污染來源、污染程度各有不同，使污染呈現(xiàn)特定的空間分布特征[26]。李一蒙[61]等對全國23個城市土壤的7種重金屬含量進行縱向統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)其變異系數(shù)為38． 62% -75． 30%(中等變異)，并認為這與不同城市的人類活動強度和土壤元素背景差異有關(guān)。

一般工業(yè)區(qū)與車輛、人群較聚集的區(qū)域呈現(xiàn)較高污染。吳新民[27]等對南京市內(nèi)冶礦區(qū) 、開發(fā)區(qū) 、商業(yè)區(qū) 、城市廣場 、風(fēng)景區(qū) 、老居民區(qū)等六大功能區(qū)的土壤進行采樣測定，發(fā)現(xiàn)其中冶礦區(qū)污染程度較高。劉亞納[28]等對洛陽市內(nèi)7個不同功能區(qū)與土壤重金屬污染特征的研究也得出相似結(jié)論。張海珍[29]等對西湖景區(qū)內(nèi)5種不同土地利用類型與景區(qū)內(nèi)土壤重金屬污染物Cu、Pb和Zn積累影響的研究發(fā)現(xiàn)，城市主干道中3種重金屬含量是最高的，林地土壤中則含量最低。王幼奇[17]等對寧夏銀川市內(nèi)8個不同功能區(qū)與土壤重金屬污染程度的研究，同樣發(fā)現(xiàn)城市道路旁土壤中重金屬含量是最高的。

郭偉[18]等對呼和浩特市不同功能區(qū)土壤重金屬污染特征的研究卻得到不同規(guī)律，商業(yè)區(qū)土壤重金屬含量最高，城市主干道次之。Chen[30]等對北京市6種土地利用方式(商業(yè)區(qū)、古代園林、文教區(qū)、公共綠地、居民區(qū)和城市主干道)與城市土壤中重金屬含量研究發(fā)現(xiàn)，由于古代園林建筑中顏料、木材保護和黃銅期的使用，造成古代園林中Cd、Cu、Pb以及Zn含量顯著高于其他五種土地利用方式下的水平，其次是城市主干道區(qū)域的含量?？梢姡煌鞘袃?nèi)部土壤重金屬污染空間分布特征差異較大，這是由于不同城市發(fā)展歷史及水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等多方面因素決定的[31]。

3 城市土壤重金屬污染來源

3．1 自然源

成土因素包括氣候、生物、母質(zhì)、地形、水文和時間，土壤重金屬主要的自然源是成土母質(zhì)和殘落的生物物質(zhì)中帶有的微量重金屬[32]。雖然成土過程和其影響因素會造成土壤中重金屬量的差異[33]，但是這種自然過程是緩慢的。而且在進行研究中，常把未受到或受到較小污染的自然土壤中的重金屬含量作為背景值，故自然源的影響在具體評價中是可以被抵消掉的。

3．2 人為源

以往對城市土壤重金屬污染源分析的研究中已經(jīng)可以得出人為源是主要污染來源的結(jié)論[34]。人為源主要包括交通運輸排放(汽車尾氣顆粒、汽車輪胎磨損顆粒、風(fēng)化路面顆粒、汽車制動磨損顆粒等)、工業(yè)活動排放(采礦冶煉活動、化工廠以煤等化石原料為燃料的發(fā)電廠等)、居民生活排放等[35-39]。

3．1．1 交通運輸排放

Chen[30]等在對北京市幾處路段附近土壤采樣調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，Cd、Cu、Pb和Zn含量在離道路距離增大時顯示減小趨勢，同時具有最大車流量的西二環(huán)路段土壤樣品中重金屬含量最高，數(shù)據(jù)表明Pb含量與車流量有顯著關(guān)系。這也表明即使中國早在2000年就停止使用將四乙基鉛作為車輛防凍劑之后，Pb仍以較高濃度存在于土壤中[40]。各項研究表明[41-43]，汽車輪胎和所用燃料在生產(chǎn)時所用添加劑中含有微量重金屬，故在輪胎和地面摩擦等機械過程中產(chǎn)生的微粒、燃料燃燒排放廢氣的顆粒物中附著有重金屬元素，使得交通繁忙區(qū)域周邊土壤中重金屬含量相對較高。

3．1．2 工業(yè)活動排放

在典型的工業(yè)城市中，工、礦業(yè)的發(fā)展造成工廠周邊地區(qū)出現(xiàn)與其生產(chǎn)金屬本身或有伴生關(guān)系的重金屬污染。廖曉勇[23]等對鎳都金昌市建成區(qū)的土壤重金屬調(diào)查研究顯示，Ni和Cu的超標(biāo)率超50%，Cr污染出現(xiàn)在尾礦庫和采礦區(qū)附近，與Cr在工業(yè)生產(chǎn)中的排放相關(guān)。戴彬[44]等對典型工業(yè)城市萊蕪市鋼城區(qū)表層土壤樣品的測定和分析發(fā)現(xiàn)，本地的鋼鐵冶煉活動導(dǎo)致土壤中As和Hg含量的偏高。對長春[45]、沈陽[46]、長沙[47]、寶雞[48]等重工業(yè)城市土壤重金屬含量的調(diào)查表明這幾座老工業(yè)城市無一例外成為重金屬污染“重災(zāi)區(qū)”，且工業(yè)活動排放是主要源。

3．1．3 居民生活排放

中國現(xiàn)正面臨著每年9%左右的垃圾增長速度，全國1/3以上城市上演“垃圾圍城”[49]。與此同時，含大量有毒有害物質(zhì)的垃圾滲濾液會向周圍環(huán)境中逐步釋放重金屬離子[50]。銀燕春[51]等對成都市區(qū)生活垃圾中重金屬污染特性及來源的研究中發(fā)現(xiàn)，重金屬濃度在生活垃圾周邊土壤中的濃度普遍較當(dāng)?shù)乇尘爸蹈?。李曉勇[52]對上海市不同功能區(qū)中垃圾中重金屬污染研究發(fā)現(xiàn)，商業(yè)區(qū)垃圾中重金屬為生活垃圾中重金屬主要來源。重金屬元素的釋放，一般情況下會導(dǎo)致其污染的空間分布是隨著距廢棄堆距離增加而減小的[53]。

4 城市土壤重金屬污染分析與評價

目前我國對于城市土壤重金屬污染分析與評價處于快速發(fā)展階段，對于土壤中重金屬的污染程度，我國學(xué)者們通常借鑒國外學(xué)者引入從沉積物角度對重金屬污染評價的一些方法[54]。除此之外，多元分析以及地統(tǒng)計學(xué)方法也越來越廣泛地應(yīng)用于我國城市土壤重金屬元素的來源判別、空間變異及分布特征和風(fēng)險評判工作中[55]。以下是對我國城市土壤重金屬污染分析與評價中常用的方法與手段進行的分類闡述。

4．1 數(shù)理統(tǒng)計方法

4．1．1 單項污染指數(shù)

(1) 單因子污染指數(shù)

單因子污染指數(shù)(Pi)是進行污染評價的基礎(chǔ)指標(biāo)，基于土壤環(huán)境背景值對污染水平進行評價。但這種方法只適用于單一重金屬污染的有限區(qū)域評價，也只能從單一的含量上給出參考。評價時所采用的標(biāo)準由于我國尚無針對包括城市土壤在內(nèi)的適用于不同用途的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準，通常學(xué)者們采用與本地區(qū)土壤重金屬元素表層背景值或參照國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準[56]中對于重金屬含量限值的要求，有的學(xué)者也通過參考國際上的標(biāo)準進行評價[57-58]。

(2)地積累指數(shù)

地積累指數(shù)(MULL指數(shù)，Igeo)[59]可理解為對單因子污染指數(shù)的改進，因其在表達式中加入了常數(shù)以表征自然條件造成的沉積特征、巖石地質(zhì)及其他未知影響。目前研究中使用較少，多采用以單因子污染指數(shù)為基礎(chǔ)的綜合污染指數(shù)法。

4．1．2 綜合污染指數(shù)

(1)污染負荷指數(shù)

污染負荷指數(shù)(PLI)[51，60]通過在表達式中融合多點位實測值可以很好地反應(yīng)不同污染元素的貢獻大小及時空變化情況，但沒能排除不同污染物來源所造成的影響。

(2)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)(PN)在運算時需結(jié)合單因子污染指數(shù)，兼顧其平均值和最大值，相對全面包含了各種重金屬的不同貢獻大小，同時突出了高濃度重金屬污染物對土壤質(zhì)量的影響[62]。該法能綜合、全面地表征重金屬污染程度。

(3)潛在生態(tài)危害指數(shù)

潛在生態(tài)危害指數(shù)法最早由瑞典學(xué)者Hakanson[63]提出，是一種依據(jù)重金屬性質(zhì)及環(huán)境行為特點對湖泊沉積物中的PCB、Hg、Cd、As、Pb、Cu、Cr和Zn等污染物環(huán)境影響的評價方法，引入了可區(qū)別不同種類重金屬毒性水平的毒性系數(shù)，將重金屬的生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)與毒理學(xué)聯(lián)系在一起[54，61]。

由于潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(RI)的大小與重金屬的數(shù)量和種類有關(guān)，因此在實際應(yīng)用中需根據(jù)實際的參評污染物的數(shù)量和種類進行調(diào)整，制定更加適合我國國情的分級標(biāo)準。李一蒙[61]等在應(yīng)用該方法評價開封城市土壤重金屬污染時利用原有分級極限值求得單位RI值，再通過單位RI值求得自身研究的毒性系數(shù)總值，進而逐級推算得到研究時可以進行參比的分級標(biāo)準。

內(nèi)梅羅(Nemero)綜合污染指數(shù)(PN)和潛在生態(tài)危害指數(shù)法(RI)是在研究中目前應(yīng)用較多的[27]，都能相對全面的評價污染情況。劉亞納[27]等還獨創(chuàng)性地將內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)與潛在生態(tài)危害指數(shù)結(jié)合起來對土壤污染程度進行分級。

(4)健康風(fēng)險評價

在土壤中的重金屬可通過吸入和直接接觸作用對城市居民造成健康風(fēng)險[64]，故可參考美國環(huán)境保護總署發(fā)布的暴露因素手冊[65]對應(yīng)以上這兩種途徑計算每日暴露劑量(ADD)，再乘以接觸面積(SA)等指標(biāo)算出攝食率(IR)以衡量暴露水平。如果用ADD與RfD(美國環(huán)保局首先提出的，表示環(huán)境介質(zhì)中污染物的日平均接觸劑量的估計值)作商值可得到HQ，將HQ算術(shù)平均可得到總暴露風(fēng)險指數(shù)HI，該值可用于評價非致癌污染物的風(fēng)險。重金屬雖然不是致癌物，但具有潛在的致癌性[66]，故可將ADD乘以SF(致癌潛勢因子)得到致癌風(fēng)險[67]。Wang[68]等依據(jù)以上方法對我國部分省份土壤重金屬污染做了健康風(fēng)險評價發(fā)現(xiàn)，城市居民的健康風(fēng)險較高。但是目前應(yīng)用健康風(fēng)險評價污染程度的研究在我國并不多見，因為已有的模型顯然無法估計以及預(yù)測出人體真正的暴露于健康風(fēng)險[68]。

4．2 多元統(tǒng)計分析方法

城市土壤重金屬污染研究應(yīng)用多元分析時主要采用相關(guān)分析、聚類分析和主成分分析等經(jīng)典方法，主要用于重金屬污染源的識別[55]。通常是先進行Pearson相關(guān)性分析，良好的相關(guān)性有利于源辨識[44]。主成分分析是在相關(guān)分析基礎(chǔ)上，得到主成分貢獻值，可辨識自然源及人為源。聚類分析可通過分析不同重金屬的相似性得到聚類樹狀圖，能形象地反映重金屬元素之間的遠近程度，將重金屬元素分組簡化后，進行接下來的源識別分析[23]。

4．3 基于GIS的地統(tǒng)計學(xué)方法

地統(tǒng)計學(xué)方法能最大程度保留空間變異信息，很好地描述空間變異結(jié)構(gòu)，通常借助ArcGIS軟件進行[16，27，28 ]。地統(tǒng)計學(xué)方法主要分為變異函數(shù)模型及其參數(shù)(用于分析重金屬污染的空間變異與結(jié)構(gòu))和克里格空間插值法(用于重金屬污染的空間局部估計)，其中克里格方法中的普通克里格在重金屬污染研究中得到最為廣泛應(yīng)用，利用該方法可以對重金屬污染在空間上進行無偏最優(yōu)估計，得出重金屬污染在城市的環(huán)境風(fēng)險圖，體現(xiàn)出空間差異的變化。但缺點是需要數(shù)據(jù)呈現(xiàn)正太分布，需要對數(shù)據(jù)進行處理。

呂建樹[55]等用指示克里格法對主成分進行空間插值的結(jié)果與等間距法劃分環(huán)境風(fēng)險得到的環(huán)境風(fēng)險概率格局圖對比后，表明指示克里格法是可用于重金屬環(huán)境風(fēng)險評價，同時指示克里格法的優(yōu)點在于可用于解決高偏態(tài)情況下的土壤污染數(shù)據(jù)分析。

5 總結(jié)與展望

5．1 我國城市土壤重金屬污染研究現(xiàn)狀

目前我國各大省會城市已普遍完成了對土壤中重金屬污染情況的初步調(diào)查，也獲得了大量數(shù)據(jù)和相關(guān)進展。但需要注意的是(1)目前只有香港、南京兩所城市對土壤重金屬的研究有了較為系統(tǒng)、可觀的進展，而相較于東部地區(qū)，西部城市只開展了零星研究;(2)對于不同城市的研究所采用的分析手段各有不同、比較分散，難以進行橫向?qū)Ρ?(3)雖然我國已在幾年前進行了全國土壤普查，但由于土壤系統(tǒng)的復(fù)雜性和特殊性，在城市化背景之下，對于全國城市土壤系統(tǒng)調(diào)查也十分需要;(4)對于城市土壤分類、定義，適用污染的環(huán)境風(fēng)險和健康評價指標(biāo)等，我國尚未建立適合我國國情的完善體系，相關(guān)研究難以縱向深入。

5．2 城市土壤重金屬領(lǐng)域內(nèi)研究趨勢

(1) 對城市土壤重金屬的研究將利用土壤學(xué)、分子生物學(xué)等多學(xué)科研究手段轉(zhuǎn)向重金屬與土壤作用的分子機制等微界面過程[66]，為重金屬污染修復(fù)提供理論基礎(chǔ)。

(2) 重金屬污染極大地威脅著城市居民的健康，解決重金屬污染是維系城市土壤健康可持續(xù)的首要任務(wù)和重大科學(xué)問題。重金屬通過遷移轉(zhuǎn)化作用改變其賦存形態(tài)及生物有效性，可在除土壤圈以外的大氣圈、水圈造成影響。因此重金屬在城市人工生態(tài)系統(tǒng)中的地球化學(xué)循環(huán)，以及不同重金屬、不同形態(tài)、生物可利用性的環(huán)境效應(yīng)和生態(tài)效應(yīng)如何體現(xiàn)在對其環(huán)境風(fēng)險和健康風(fēng)險評價指標(biāo)當(dāng)中，都將繼續(xù)得到研究。

(3)利用多樣的重金屬污染評價手段和方法達到對不同城市的污染源和源強識別的目的，確定重金屬的重點預(yù)防和重點污染區(qū)域，以制定合理的城市環(huán)境綜合管控和城市管理、規(guī)劃的政策與法規(guī)，有針對性地采取措施。例如以交通源為主要源的城市可以實施車輛限行等管控措施，并研究相關(guān)治理技術(shù)與措施，在主干道旁種植既能富集重金屬又能美化城市的綠植等；以工業(yè)活動為主要源的功能區(qū)可以加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)升級，降低工業(yè)活動強度，以減少對環(huán)境造成的不利影響，并對工業(yè)區(qū)周邊的土壤進行修復(fù)等。

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A review of the present situation and assessment on heavy metal contamination in urban soils of China

PAN Han-yue

(NanjingAgriculturalUniversity，NanjingJiangsu210095，China)

The urbanization in China has propelled promptly over the past thirty years．An increasing number of environmental problems exposed，along with acquiring positive achievements on economic development，while heavy metal contamination in urban soils become prominent．This paper presents some meaningful achievements on heavy metal pollution in urban soils of China，and summarized the state of pollution，sources and current evaluation methodologies，as well as proposed research prospect，aiming to contributing to related research and environmental management．

Urban soils；Heavy metal contamination；Contamination evaluation

2016-08-22

1001-9383(2016)03-0054-08

X53

A