土壤重金属污染评价方法探析
陈泽华 焦思 余爱华 冯滟媚 汤若禹
摘 要：为分析不同土壤重金属污染评价方法的适用性，以南京市不同功能区表层土壤为研究对象，通过PXRF法测定重金属Cr、As、Ni、Pb、Zn、Cu在不同功能区土壤中的含量。利用单项污染指数法、地质累积指数法、内梅罗综合指数法、污染负荷指数法和潜在生态危害指数法对其污染水平评估。结果表明：单项污染指数法和地质累积指数法的评价结论完全一致，其污染程度为Cr>Pb>Zn>Cu>Ni>As。污染负荷综合指数法与潜在生态危害指数法的评价结果基本一致，由大到小顺序为：工业区、休闲区、交通繁忙区、农田区。内梅罗综合指数法与潜在生态危害指数法对各个功能区综合评价结果也基本一致，分别为轻微污染和存在轻度生态风险。
关键词：土壤重金属;污染;评价方法
Abstract：In order to analyze the applicability of different soil heavy metal pollution assessment methods， the surface soils of different functional areas in Nanjing were used as research objects. The contents of heavy metals Cr， As， Ni， Pb， Zn and Cu in different functional areas were determined by PXRF method. The pollution level was evaluated by the single pollution index method， the geo-accumulation index method， the Nemerow comprehensive index method， the pollution load index method and the potential ecological risk index method. The results show that the evaluation results of the single pollution index method and the geo-accumulation index method were completely consistent， and the pollution degree was Cr>Pb>Zn>Cu>Ni>As. The pollution load comprehensive index method and the potential ecological risk index method were basically consistent， and are industrial area > leisure area > heavy traffic area > farmland area. The Nemerow comprehensive index method and the potential ecological risk index method were also basically consistent with the results of a comprehensive evaluation of each functional area， which were slightly polluted and had slight ecological risks.
Keywords：Soil heavy metal; pollute; evaluation methodology
0 引言
土壤污染已逐漸成为环境污染的主要问题，其中尤以土壤重金属污染更为突出。由于土壤其自身的结构、特性以及在生态环境中扮演的特殊角色，使得土壤污染与大气污染、水污染相差甚远，也更加复杂[1]。
土壤重金属污染是指在人类活动过程中将重金属转移到土壤中，致使土壤中重金属含量明显升高，同时造成生态环境恶化。土壤重金属污染是一种由无机物造成的污染，因而具有普遍性、表层积聚性、隐蔽性和不可逆性[2]。根据2015年中国耕地地球化学调查报告显示，土壤重金属中度污染、重度污染或超标的点位比例占2.5%，覆盖面积233万 hm2;轻微污染、轻度污染或超标的点位比例占5.7%，覆盖面积527万 hm2[3]。城市土壤中重金属不同程度的累积，对城市居民的健康和城市的发展都构成了潜在的威胁[4]。
目前，评价土壤重金属污染的方法很多，每种评价方法都有一定的优势与特点，但同时又有一定的局限性，因此为探析每种土壤重金属污染评价方法的差异性和适用性，本研究以南京市各功能区表层土壤为研究对象，以单项污染指数法、地质累积指数法、内梅罗综合指数法、污染负荷指数法和潜在生态危害指数法对土壤重金属污染进行评价，以期为土壤重金属污染评价方法的选择及对南京市表层土壤重金属污染状态的了解提供一定依据和参考。
1 材料与方法
1.1 样品采集与分析
根据南京市各行政区相关资料以及最新行政区划图，确定本研究采样的大致目标范围，综合考虑研究区域内地形起伏、土地实际利用情况、土壤类型及城市功能区的分布（工业区、休闲区、农田区和交通繁忙区）等因素，选取不同行政区中的不同功能区进行土壤重金属污染状况调查，其中工业区3个，选取了南京炼油厂、南京汽轮机厂和新城科技园;休闲区5个，选取了栖霞山风景区、紫金山风景区、清凉山公园、武定门公园和河西奥体中心休闲区;交通繁忙区6个，选取了仙林中心、新街口、新庄立交、古平岗立交、双桥门立交和集庆门大街;农田区1个，选取八卦洲上的农田。所选取的功能区分别位于南京市主要5个城区，尽可能做到平均分布且具有一定的代表性。同时根据《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 36600—2018）和《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）中控制的6种重金属砷（As）、铅（Pb）、铜（Cu）、锌（Zn）、镍（Ni）和铬（Cr） 为分析元素。
通过网格布点法确定采样点和取样数，使取样点分布相对均匀，采样点尽可能遍布整个功能区。采样点通过GPS精确定位，土壤采样集中在0～20 cm的深度。利用美国Innov公司生产的TRIME-INNOV-X土壤重金属探测仪原位测定各功能区表层（0～20 cm）土壤中Cr、Zn、Cu、Pb、Ni、As的含量，在同一个采样点仪器测量时间为30 s，重复测量3次，取平均值。
土壤pH采用电位法测定[5]，土壤重金属的平均值、变异系数等描述性统计分析采用Excel 2013和SPSS 10.0软件计算。
1.2 评价方法
1.2.1 单项污染指数法
单项污染指数法是针对某一污染物的污染程度进行评价的方法，是其他环境质量评价方法和质量等级评价的基础[6]，可以直观地反映出该區域中主要的污染因子和其他单个重金属的污染程度。
单项污染指数法计算公式为：
1.2.2 内梅罗综合指数法
单项污染指数法只能反映不同种类的单个污染物的污染程度，不能完全和充分地反映土壤整体的污染程度。因此就需要将各个重金属元素的污染指数结合起来进行评价，内梅罗综合指数法是目前被广泛使用的一种综合指数法[7]。
内梅罗综合指数法计算公式为：
1.2.3 地质累积指数法
地质累积指数法也被称为Muller指数，是由德国海德堡大学沉积物研究所的科学家Muller[8]在20世纪60年代首次提出，最初它是一种研究水环境沉积物中重金属污染程度的定量指标。在评估土壤中重金属污染时除了考虑到人为污染的因素和土壤环境背景值，还应当考虑到自然成岩作用是否会引起土壤背景值的变动。地质累积指数法公式为：
在研究某一区域内土壤中重金属元素的地质累积指数时，应该用这个区域内土壤自身背景值作为计算地质累积指数的地球化学背景值，本研究采用南京市土壤重金属背景值[9]作为参比，见表3。重金属地质累积指数（Igeo） 分级与污染程度的关系，见表4。
1.2.4 污染负荷指数法
污染负荷指数法是Tomlinson等提出来的一种针对重金属污染分级的评价方法[10]，该方法被广泛应用于土壤和河流沉积物重金属污染的评价。
污染负荷指数法评价模式如下。
首先计算单个元素的最高污染系数（CFi）公式为：
1.2.5 潜在生态危害指数法
潜在生态危害指数法由瑞典科学家Hakanson提出[11]，本方法根据沉积学原理同重金属相关性质结合，通过沉积转换规律建立出土壤或沉积物中重金属污染评价的模型。潜在生态危害指数RI（公式中用RI表示）计算方法公式为：
2 结果分析
2.1 不同功能区重金属含量及数量统计
由于土壤重金属污染程度与不同地区相关功能存在着密切的联系，不同功能区对于土壤重金属的贡献也不尽相同，因此不同功能区土壤中重金属（Cr、As、Ni、Pb、Zn、Cu）的污染情况存在着很大差异。对不同功能区1 600 多个样点数据进行分析，得出各区域6种重金属的平均含量，见表8。
以《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 36600—2018）为标准，计算土壤中6种重金属的单项污染指数。结果表明，Cr、Ni、Cu、Zn 、Pb 5种重金属的单项污染指数均略大于1，存在轻度污染，As 平均含量低于南京市土壤背景值。这也与徐铭焓等[12]在2014年得到的南京市不同功能区路域表土重金属污染评价相接近，除As外的其余5种重金属为轻度污染。
2.2 单项污染指数法和地质累积指数法
单项污染指数与地质累积指数都是对单个重金属元素的污染状况进行评价。但两种方法使用的参考背景值不相同，单项污染指数法参考背景值为本区域的土壤重金属背景值，本研究参考南京市土壤重金属背景值（表3）为参考值，其重金属单项污染指数见表10。地质累积污染指数评价方法考虑到自然成岩作用，可能会引起土壤背景值发生变动，考虑成岩作用后的南京土壤重金属背景值见表11。根据表8不同功能区6种重金属平均含量，计算得各个样点地质累积指数（Igeo）值见表12。
单项污染指数法是针对某一污染物的污染程度进行评价的方法，也是其他环境质量评价方法和质量等级评价的基础。因此在综合评价方法中一般会采用较为客观的单项污染指数作为基础。由表10可知，4种不同功能区的重金属元素单项污染程度排列为：Cr>Pb>Zn>Cu>Ni>As。由表12可知，不同功能区6种重金属元素的地质累积指数排列为：Cr>Pb>Zn>Cu>Ni>As，与单项污染指数排列顺序一致。
2.3 内梅罗综合指数法、污染负荷指数法和潜在生态危害指数法
在对单个重金属元素污染评价结果的基础上，为了能够初步研究并得出不同功能区整体的土壤重金属污染程度及分布特征，需要采用综合的评价方法进行评价。本研究分别采用内梅罗综合指数法、污染负荷指数法和潜在生态危害指数法进行评价，其评价结果分别见表13—表16。同时对3种方法进行比较，见表17。
内梅罗综合指数均处在轻度污染分界值1.0至重度污染分界值3.0以内，污染等级为轻度污染。按照不同功能划分后土壤重金属内梅罗综合指数从大到小排列依次为：休闲区、工业区、农田区、交通繁忙区。
污染负荷指数表明南京市不同功能重金属的污染状况整体上较严重，污染等级为Ⅰ，污染负荷指数为1.26，属于中等污染。按照不同功能划分后土壤重金属污染负荷指数从大到小排列依次为：工业区、休闲区、交通繁忙区、农田区。
不同重金属元素的潜在生态风险程度由于考虑到了重金属毒性响应系数，因此其顺序为：As>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn;与单项指数法和地质累积指数法结果存在差异。南京市不同功能区所有样点中重金属生态风险系数全部为Ⅰ级（Ei<40），综合生态风险指数RI 为31.72，为轻微生态风险水平。其中，As 对研究区RI 贡献率最大，应引起重视。4种不同功能区中根据潜在生态危害指数RI数值全部小于150，对生态的危害全部属于轻微危害。按照不同功能划分后潜在生态危害指数从大到小排列依次为：工业区、休闲区、交通繁忙区、农田区。
综上所述，单项污染指数和地质累积指数的评价结果在不同功能区的重金属元素排列顺序一致，其中单项污染指数得到污染情况相较于地质累积指数更为严重，在使用地质累积指数法评价土壤重金属时没有出现重污染及以上污染等级，这与其他城市，例如：赣州市[13]、长春市[14]，土壤重金属的污染水平相近。
由综合评价方法结果可知：工业区受到的污染程度较大，休闲区、农田和交通繁忙区土壤污染程度较小，南京市整体上存在一定程度的土壤重金属污染，与全国大多省会城市土壤环境相同[15]。对南京市不同功能区土壤重金属污染进行污染等级评价时，既要考虑多种重金属协同作用效应，各个不同功能区地域的影响，又要考虑不同的评价方法，这样能更加全面准确地反映实际污染情况。
3 结论与讨论
通过对南京市不同功能区表层土壤重金属污染状况进行分析，进一步探讨5种评价法的适用性及异同。其结论如下。
（1）南京市主要城区土壤重金属Cr、Ni、Cu、Zn、Pb平均质量分数均高于南京市土壤背景值，为背景值的1.04～1.91倍。其中，As不存在污染。
（2）单项指数法和地质累积指数法评价结果完全一致，其单项重金属的污染特征表现为：Cr>Pb>Zn>Cu>Ni>As，其中Cr、Cu、Zn在4种功能区中处于轻微污染等级，As在4种功能区中处于无污染等级。
（3）内梅罗综合指数与污染负荷指数得到的结果存在差异，内梅罗综合评价结果由高到低顺序为：休闲区、工业区、农田区、交通繁忙区。从评价土壤污染程度的过程中发现，内梅罗综合指数法选择单项污染指数法的评价结果可以避免人为主观因素的影响[16]，这样不仅能够较为全面地评价不同功能区土壤重金属的污染程度，还能突出不同功能区中相对于南京市土壤背景值的最高浓度重金属元素对土壤环境质量的影响，也能削弱由于使用各重金属的平均浓度值带来对环境污染评价的作用。污染负荷指数评价结果由高到低顺序为：工业区、休闲区、交通繁忙区、农田区。由于两种计算方法的不同，累积计算比累加计算更客观，同时缓解了最大单项重金属污染指数，污染负荷指数更为准确。
（4）污染负荷指数法与潜在生态危害指数法所得出的评价结论基本一致，其污染等级由高到低分别为：工业区、休闲区、交通繁忙区、农田区。潜在生态危害指数法相较于前两种综合评价法，不仅考虑了单一土壤重金属含量，而且综合考虑了多种元素之间的相互作用以及土壤环境对重金属污染不同特性等因素，更为全面。
（5）3种重金属污染综合指数评价结果表明，南京市不同功能区均处于3种方法最低污染等级。总体而言，根据不同方法得出结果都指出南京市不同功能区土壤整体重金属污染水平较低，尚不存在较大的生态风险。
两种单因子评价方法即单项污染指数法和地质累积指数法的结果没有因不同的评价尺度而得出不同的结论。单项污染指数法的评价结果指数与重金属含量具有线性关系;而地质累积指数法评价土壤污染程度时，其评价结果与重金属的分布情况呈现非线性关系，计算南京土壤重金属地质累积指数时，既考虑了自然成岩作用引起土壤背景值的变化，同时考虑到了人为因素的影响，因此地质累积指数法弥补了单项指数法的不足。为了克服两种方法自身的局限性对评价结果的影响，将这两种污染指数结合起来，综合评定土壤样本对不同功能区中单项重金属指数的污染等级将更为合适。
由于这两种方法的侧重不同，评价结果也略有差别。单项指数法得到的结果轻度污染为污染的最轻级别，同时地质累积指数法中无—中污染也为最轻级别，两者综合后可用轻微污染来描述，因此将两种评价方法的结果综合起来见表18。
由污染负荷指数法与内梅罗综合指数法得到的结果对比可知，工业区污染指数在两种计算方法中得到的结果分别排在第1和第2，也仅为中等污染;因为在内梅罗综合指数评价农田区时考虑到污染最大值的作用，且由于Pb在农田区指数较高，所以农田区污染指数大于交通繁忙区污染指数，污染负荷指数法中农田区污染等级最低，但两种方法都是最低污染等级，为清洁土壤;在两种方法中休闲区污染指数均高于交通繁忙区污染指数。内梅罗综合指数法与其他方法结果存在一定出入，造成这种现象的原因可能是内梅罗指数法中受到某种重金属元素最大含量的影响，导致其结果产生偏差，污染负荷指数得到的结果与内梅罗综合指数进行对比得到结果存在差异，在污染负荷指数法中将所有出现的重金属元素采用同样的方法累积计算，累积比累加更为客观，这在一定程度上有效地避免了单一元素对综合评价的影响，评价方法不仅考虑了单一土壤重金属含量，而且綜合考虑了多种元素之间的相互作用，更加客观现实，消除了内梅罗指数法的部分缺陷。
潜在生态危害指数法与污染负荷指数法两种方法得到的结果相同，但是潜在生态危害指数在考虑了土壤重金属的平均含量的基础上，将重金属的生态效应和毒理学知识联系起来，综合考虑了重金属的毒性在土壤中危害，对于评价区域内重金属污染水平，消除区域差异影响，划分出重金属潜在危害的程度有一定价值[17-18]。
单项污染指数法适用于简单快速地评价土壤重金属污染情况，可以直接反映出每一种重金属元素的污染情况。地质累积指数法则是考虑到成岩作用后，相较于单项污染指数法更为精细，现在也已经被广泛地接受。内梅罗综合指数法作为评价环境整体综合方法具有一定的局限性和不足，不适用于某一重金属污染情况较严重的情形。污染负荷指数法通过累积的计算方法，适合应用于研究土壤重金属在时间上和空间上变化。而潜在生态风险指数法则结合了重金属毒理学，更适合于评价重金属潜在危害以及对人类的影响。
因此，对于类似于南京的人口密集且功能区分布复杂的城市进行土壤重金属污染评价，要根据实际评价地区的情况、评价结果的精度要求以及是否需要评估重金属对人类的潜在危害等多种因素综合考虑，再选择使用不同的评价方法，以使评价结论更加准确，同时满足研究的需要。
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