地积累指数法在土壤重金属污染评价中的应用.docx
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地积累指数法在土壤重金属污染评价中的应用
地积累指数法在土壤重金属污染评价中的应用
摘要:
应用地积累指数对广州5个郊区的土壤重金属污染情况进行了评价研究.从广东省土壤重金属背景值计算
的地积累指数结果来看,广州郊区土壤中Hg和Cd都达到中度污染,Zn为轻度-中度污染,Pb,As,Cu,Cr,Ni都不存在污染.从8种元素的分级频率来看,Hg的污染频率最大,达到89.8%;其次是Cd和Zn,分别是78.2%和54.6%;其余5种元素污染频率的大小顺序为Pb,As,Cu,Cr,Ni;Hg出现了5.9%的极严重污染.广州5个郊区的污染元素和元素的污染程度存在着明显的差别,Q型聚类分析将海珠区、芳村区、天河区和黄埔区聚为一类,为较高程度污染区;而把白云区单列一类,为低污染区;同时,整个广州的污染情况与白云区聚为同一类.
关键词:
土壤重金属;污染评价;地积累指数;广州
中图分类号:
X53 文献标识码:
A 文章编号:
0253-374X（2006）12-1657-05
ApplicationofIndexofGeoaccumulation（Igeo）toPollution
EvaluationofHeavyMetalsinSoil
CHAIShiwei1,2,WENYanmao2,ZHANGYalei1,ZHAOJianfu3
（1.StateKeyLaboratoryofPollutionControlandResourcesReuse,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;
2.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,ZhongshanUniversity,Guangzhou510275,China;
3.KeyLaboratoryofYangtzeRiverWaterEnvironmentoftheMinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200092,China）
Abstract:
PollutionofheavymetalsinsoilinGuangzhousuburbsisevaluatedonthebasisoftheindex
ofgeoaccumulation.TheresultsshowthatthepollutionofHgandCdinthesoilofthesuburbsof
GuangzhouCityisclassifiedasmoderatedegree,andthatofZnasbetweenslightandmoderatede2
grees,andfiveothermetalsofnopollutionaccordingtotheresultsofIgeobasedonthebackgroundval2
ueofheavymetalsinthesoilofGuangdongProvince.ThepollutionfrequencyofHgis89.8%,the
highestamongthe8metals,andthoseofCdandZnare78.2%and54.6%respectively,nexttothe
highest,andthepollutiondegreeoftheotherfivemetalscanbeputinthisorder:
Pb,As,Cu,Cr,Ni,of
whichPbisthehighestandNiisthelowest.Hgcausesveryseriouspollution,foritreaches5.9%.
Therearequitedifferentpollutingmetalsandpollutingdegreesinthe5suburbsofGuangzhouCity.
Haizhu,Fangcun,TianheandHuangpuaregroupedintothesamedegree,whicharetheheavilypol2
lutedareas.Baiyunisalessheavilypollutedarea,thesameasGuangzhouCity.
Keywords:
heavymetalinsoil;pollutionevaluation;indexofgeoaccumulation;Guangzhoucity
第34卷第12期
2006年12月
同济大学学报（自然科学版）
JOURNALOFTONGJIUNIVERSITY（NATURALSCIENCE）
Vol.34No.12
Dec.2006
Muller[1]曾提出用地积累指数定量评价沉积物中的重金属污染程度,并定了相应的污染程度级别划分标准（表1）.这种评价方法也可用来评价土壤中重金属的污染程度及其分级情况[2,3].广州市郊区农业土壤是珠江三角洲重要的蔬菜、粮食生产用地,这些土壤的环境质量与当地居民的健康有密切的联系.近年来,温琰茂等人[4,5]对广州市郊区农业土壤重金属污染状况及其修复技术做了许多的工作.本文主要应用地积累指数对广州市郊区农业土壤重金属的污染状况进行了分析研究.
表1 Muller地积累指数分级
Tab.1 Gradingofindexofgeoaccumulation
地积累指数（Igeo）分级污染程度
543210Igeo≤00无污染
注:
Igeo=log2（Cn/1.5Bn）.式中,Cn为元素实测质量分数,mg·
kg-1;Bn为该元素背景质量分数,mg·kg-1.
1 样品的采集与处理
按照《农业环境监测技术规范》,在综合考虑的情况下,本研究于1997年11月—1998年1月在广州市郊区采集土壤样品36个（海珠区9个,天河区3个,黄埔区4个,白云区13个,芳村区7个）,2001年1月采集土壤样品83个（该次土壤样品主要分布在白云区）,即两次共采集了有效土壤表层样品119个.为了避免偶然性,采样皆采取多点采样混合法,即在一定面积（约0.5hm2）的土壤中采集3～5个点的土壤,形成一个土壤混合样,土壤样品采集自耕作层（0～20cm）.广州各区土壤样品的数目见表2.
表2 广州市五郊区土壤样品数分布
Tab.2 Distributionofsoilsamplesinfive
suburbsofGuangzhouCity个
郊区海珠区天河区黄埔区白云区芳村区总计
土样1468847119
土壤样品用聚乙烯薄膜袋包装,在实验室中用牛皮纸自然风干,磨碎,分别过20目、60目和100目尼龙筛,贮于聚乙烯薄膜袋中,以备分析使用.分别测定土壤中重金属铜（Cu）、铅（Pb）、锌（Zn）、铬（Cr）、镍（Ni）、镉（Cd）、砷（As）和汞（Hg）的含量,测定方法见参考文献[6].
2 结果与分析
2.1 广州土壤重金属污染地积累指数法评价
地积累指数常用于评价沉积物中重金属的污染状况[3].根据计算,广州市郊土壤中8种重金属元素的地积累指数及其分级情况见表3.可以看出用广东省土壤重金属背景值和国家背景值计算的结果会得出不同的结论[7],这主要是因为各种元素广东省背景值和国家背景值的差异所致.8种重金属元素的广东省背景值和国家背景值结果见表4.从应用广东省土壤重金属背景值计算的地积累指数结果来看,广州郊区土壤中Hg和Cd都达到中度污染,Zn为轻度-中度污染,其余5种元素都没有造成污染.但从国家土壤重金属背景值计算结果来看,除了以上3种元素遭受污染以外,Pb也达到了轻度-中度污染.
表3 8种土壤重金属元素按广东省及国家背景值计算地积累指数及其分级情况
Tab.3 Igeoandthegradingof8heavymetalsinsoilinsuburbsofGuangzhouCity
元素统计个数
平均值
广东省国家
最小值
广东省国家
最大值
广东省国家
标准差
分级
广东省国家
污染程度
广东省国家
Cu119-0.64-1.05-2.52-2.932.281.870.1100无污染无污染
Pb118-0.23 0.24-2.23-1.762.793.260.0901无污染轻度-中等
污染
Zn119 0.50-0.15-2.21-2.863.673.020.1210轻度-中等
污染无污染
Cr118-0.62-0.89-2.70-2.971.611.340.1000无污染无污染
Ni119-1.15-2.05-3.26-4.161.640.740.1000无污染无污染
Cd119 1.11 0.32-2.00-2.794.663.860.1221中等污染轻度-中等
污染
As118-1.00-1.33-4.74-5.071.851.510.1500无污染无污染
Hg118 1.71 1.97-1.23-0.965.515.770.1422中等污染中等污染
16 58同济大学学报（自然科学版）第34卷
表4 8种重金属元素的广东省土壤背景值和国家土壤背景值
Tab.4 Backguoundvalueof8heavymetalsinsoilofGuangdongProvinceandthenationmg·kg-1
计算背景CuPbZnCrNiCdAsHg
广东省17.0036.0047.3050.5014.400.0568.900.078
国家22.6026.0074.2061.0026.900.09711.200.065
从8种元素的地积累指数分级频率计算的结果
来看（表5）,Hg的污染频率最大,达到89.8%（Igeo
值按照广东省背景值计算,指1级及以上级别所占
的百分比,以下同）;其次是Cd和Zn,分别是78.2%
和54.6%;其余5种元素污染频率的大小顺序为
Pb,As,Cu,Cr,Ni,且Hg出现了5.9%的极严重污
染（6级所占的百分比）.可以看出,地积累指数评价
方法的优点在于它将土壤重金属的污染等级更加细
化,从而为进一步分析和研究广州地区土壤重金属
的污染状况以及选择最佳的修复技术提供了更好的
依据.
表5 广州土壤中8种重金属元素地积累指数分级频率分布
Tab.5 FrequenciesofgradingofIgeoof8heavymetalsinsoilinGuangzhouCity%
分级
地积累指数
（Igeo）污染程度计算
背景
污染频率/%
CuPbZnCrNiCdAsHg
0Igeo≤0无污染广东省
国家
72.3
77.3
64.4
44.9
45.4
61.3
74.6
77.1
88.2
99.2
21.8
47.9
71.2
77.1
10.2
6.8
10污染
广东省
国家
14.3
15.1
25.4
32.2
24.4
17.6
14.4
19.5
10.9
0.8
28.6
17.6
19.5
20.3
29.7
20.3
21国家
10.9
7.6
9.3
18.6
14.3
10.9
11.0
3.4
0.8
0
23.5
22.7
9.3
2.5
24.6
33.9
32污染
广东省
国家
2.5
0
0.8
3.4
9.2
9.2
0
0
0
0
20.2
10.1
0
0
16.9
14.4
43国家
0
0
0
0.8
6.7
0.8
0
0
0
0
4.2
1.7
0
0
11.9
12.7
54污染
广东省
国家
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1.7
0
0
0
0.8
5.9
65国家
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
5.9
5.9
2.2 广州市5个郊区土壤重金属地积累指数比较
研究
从广州各区的平均地积累指数来看（表6）,广州地区主要存在Zn的轻度-中等污染,Cd和Hg的中等污染,其余元素不存在污染的情况.然而对于各区来说,又有明显的差别.对于海珠区,存在Pb的轻度-中等污染,Cu和Zn的中等污染,Cd和Hg的中等-强污染;对于天河区,存在Pb的轻度-中等污染,Zn,Cd和Hg的中等-强污染;对于黄埔区,存在Cu和Pb的轻度-中等污染,Zn和Cd的中等污染,Hg的强污染;对于芳村区,存在Cu,Pb,Ni和As的轻度-中等污染,Zn的中等-强污染,Hg的强污染;对于白云区,仅存在Cd的轻度-中等污染和Hg的中等污染.由于以上分析是基于广州地区或广州5个区内各元素的地积累指数的平均值,因此也只能解释这些区域8种土壤重金属元素污染的平均情况.从进一步计算的广州和5个郊区地积累指数污染级别的频率分布结果看,海珠区样品中Cu,Pb,Cr,Ni,As的污染频率分别为92.9%,85.7%,28.6%,42.9%和64.3%,Zn,Cd和Hg的污染频率都为100%,其中21.4%的Cd和42.9%的Hg达到强污染以上;天河区样品中Cr和Ni没有污染,Cu,Pb和As的污染频率都为50.0%,Zn,Cd和Hg的污染频率为100%,其中33.3%的Cd和50.0%的Hg达到强污染以上;黄埔区样品中不存在Cr污染,Cu,Ni和As的污染频率分别为62.5%,12.5%和37.5%,Pb,Zn,Cd,和Hg的污染频率为100%,其中25.0%的Zn和50.0%的Hg达到强污染以上;芳村区样品中不存在Cr污染,Cu和Pb的污染频率都为85.7%,Ni的污染频率为57.1%,Zn,Cd,As和Hg的污染频率都为100%,其中57.1%的Zn,42.9%的Cd和71.4%的Hg达到强污染以上;白云区样品中Cu,Pb,Zn,Cr,Ni,Cd,As和Hg的污染频率分别为7.1%,1.2%,35.7%,31.3%,3.6%,69.0%,14.5%和85.5%,其中1.2%的Cd和4.8%
第12期柴世伟,等:
地积累指数法在土壤重金属污染评价中的应用165 9
的Hg达到强污染以上;整个广州有6.7%的Zn,5.9%的Cd和18.6%的Hg达到强污染以上.
表6 广州5个郊区8种土壤重金属地积累指数及其分级情况
Tab.6 Igeoandthegradingof8heavymetalsinsoilinfivesuburbsofGuangzhouCity
元素计算背景
海珠区
Igeo分级
天河区
Igeo分级
黄埔区
Igeo分级
芳村区
Igeo分级
白云区
Igeo分级
平均值
Igeo分级
Cu广东省
国家
1.32
0.91
2
1
-0.06
-0.47
0
0
0.42
0.01
1
1
0.72
0.31
1
1
-1.22
-1.63
0
0
-0.64
-1.05
0
0
Pb广东省
国家
0.79
1.26
1
2
0.18
0.65
1
1
0.92
1.39
1
2
0.65
1.12
1
2
-0.61
-0.14
0
0
-0.23
0.24
0
1
Zn广东省
国家
1.78
1.13
2
1
2.28
1.63
3
2
1.44
0.79
2
1
2.43
1.78
3
2
-0.09
-0.74
0
0
0.50
-0.15
1
0
Cr广东省
国家
-0.80
-1.07
0
0
-1.35
-1.62
0
0
-1.62
-1.89
0
0
-0.46
-0.73
0
0
-0.46
-0.73
0
0
-0.62
-0.89
0
0
Ni广东省
国家
-0.74
-1.65
0
0
-1.45
-2.35
0
0
-1.24
-2.15
0
0
0.03
-0.87
1
0
-1.28
-2.18
0
0
-1.15
-2.05
0
0
Cd广东省
国家
2.73
1.94
3
2
2.29
1.50
3
2
1.97
1.18
2
2
3.05
2.26
4
3
0.51
-0.28
1
0
1.11
0.32
2
1
As广东省
国家
-0.09
-0.42
0
0
-0.04
-0.37
0
0
-1.06
-1.39
0
0
0.87
0.54
1
1
-1.37
-1.70
0
0
-1.00
-1.33
0
0
Hg广东省
国家
2.81
3.08
3
4
2.86
3.13
3
4
3.42
3.69
4
4
3.31
3.57
4
4
1.14
1.40
2
2
1.71
1.97
2
2
2.3 土壤重金属地积累指数聚类分析
聚类分析评价是分析土壤环境重金属含量特征的重要手段,尤其是进行元素间或区域间环境质量的比较研究时,聚类分析更显出了它特有的功能[8].本研究采用SPSS软件的群集分析功能,对广州土壤中8种重金属污染指数进行了Q型聚类分析[9].图1a为广州5个郊区地积累指数的Q型聚类分析树状图（按照广东省背景值）,它将海珠区、芳村区、天河区和黄埔区聚为一类,为较高程度污染区;而把白云区单列一类,白云区为低污染区.图1b为将广州5个郊区的地积累指数平均值作为广州整个地区的污染指数,然后将它与广州5个郊区的地积累指数进行Q型聚类分析的树状图;可以看出,整个广州的污染情况与白云区聚为同一类,其他没有变化.这是因为白云区污染程度较轻,同时白云区的采样点布置得最多,从而使得广州的土壤重金属污染整体情况与白云区的污染情况相近.
3 结论
（1）从广东省土壤重金属背景值计算的地积累指数结果来看,广州郊区土壤中,Hg和Cd都达到中度污染,Zn为轻度-中等污染,其余5种元素都没有造成污染.但从国家土壤重金属背景值计算结果来看,除了以上3种元素遭受污染以外,Pb也达到了轻度-中等污染.
（2）从8种元素的地积累指数分级频率计算的结果来看,Hg的污染频率最大,达到89.8%（Igeo值按照广东省背景值计算）,其次是Cd和Zn,分别是78.2和54.6%,其余5种元素污染频率的大小顺序为Pb,As,Cu,Cr,Ni,而Hg出现了5.9%的极严重污染.
（3）虽然广州地区主要存在Zn的轻度-中等污染,Cd和Hg的中等污染,然而对于各区来说,各区污染元素和元素的污染程度又有明显的差别.
（4）广州5个郊区地积累指数的Q型聚类分析树状图（按照广东省背景值）将海珠区、芳村区、天河区和黄埔区聚为一类,为较高程度污染区;而把白云区单列一类,白云区为低污染区.同时可以看出,整个广州的污染情况与白云区聚为同一类.
图1 广州5个郊区土壤重金属地积累指数聚类分析
Fig.1 ClusteringdistributionIgeoofheavymetalsin
soilinfivesuburbsofGuangzhouCity
16 60同济大学学报（自然科学版）第34卷
参考文献:
[1] MullerG.IndexofgeoaccumulationinsedimentsoftheRhine
river[J].Geojournal,1969
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