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包头市绿地土壤重金属污染分析与评价

【林业技术总结】摘要:为研究包头市城市绿地重金属污染状况,选取4种典型城市绿地,测定Cu、Zn、Pb、Cd、Cr 5种元素含量,并以污染指数法、地累积指数法、潜在生态危害指数法和重金属毒性单位法对土壤重金属污染状况进行评价。结果表明,除包钢公园外,其他3个区域内梅罗综合指数法评
 摘要:为研究包头市城市绿地重金属污染状况,选取4种典型城市绿地,测定Cu、Zn、Pb、Cd、Cr 5种元素含量,并以污染指数法、地累积指数法、潜在生态危害指数法和重金属毒性单位法对土壤重金属污染状况进行评价。结果表明,除包钢公园外,其他3个区域内梅罗综合指数法评价结果均为重污染;地累积指数法和潜在生态危害指数法都显示Cd污染最严重;除包钢公园处于轻微潜在生态危害外,其他3个区域处于中等潜在生态危害。
关键词:土壤重金属;城市绿地;污染评价;包头市
中图分类号:X53;X825 文献标识码:A 文章编号:0439-8114(2016)16-4124-05
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.16.013
城市化发展和城市人口的高度集中给土壤环境带来了严重的破坏,土壤重金属污染日益严重。在工业发达地区,土壤重金属含量要比自然本底值超出几倍甚至更高。城市重金属污染以Cu、Zn、Pb、Cd和Cr最为常见,如广东韶关、湖南株洲和广西龙江均发生过严重的Cd污染事件,湖南郴州、陕西凤翔和安徽怀宁均发生过严重的Pb中毒事件,可见重金属污染问题在中国局部地区形势非常严峻。
重金属具有难降解、移动性差和易富集等特点,是土壤长期、潜在的污染物,且其可通过大气、水体或生物链直接或间接地进入人体,危害到人类的健康[1,2]。因此,土壤重金属污染逐渐备受人们的关注,有关重金属污染和治理的研究日趋深入,研究范围也越来越广。目前土壤重金属的研究方向已由传统的农林业转向城市,对象涵盖城市工业区、郊区、农田、矿区以及逐渐受到重视的城市绿地等。
包头市作为典型的重工业城市,土壤重金属污染现象较为严重。目前有关包头土壤重金属的研究主要集中在农田、郊区、工厂企业周边和矿区等,对城市绿地的研究则较少[3-8]。鉴于此,本研究以包头市典型城市绿地为研究对象,通过采集分析土壤中的Cu、Zn、Pb、Cr、Cd 5种元素的含量,并使用污染指数法、地累积指数法、潜在生态危害评价法和生物毒性单位法对包头市典型城市绿地重金属污染进行评价,以期为包头市城市土壤环境的保护及土地资源的合理利用提供一定的依据。
1 材料与方法
1.1 样品采集
2014年10月,根据在包头市区内的实地调查,选取受人类活动影响较大的包钢公园、赛罕塔拉城中草原、南海湿地公园和八一公园作为研究对象。用竹铲采集地表0~20 cm的土壤样品不少于1 kg,保存于聚乙烯塑料袋中,注明采样日期、地点等。为避免土壤分布不均造成的影响,根据相应区域的地形特点,用梅花布点法或蛇形布点法随机采集4~5个样品进行混合。
1.2 样品的处理及分析
土壤样品在室内自然风干后,用木棍细细碾压,剔除植物残体、碎石等杂质,混匀后,过20目和100目尼龙筛,装入聚乙烯塑料袋中保存待测[9]。
利用HCl-HNO3-HF-HClO3(优级纯)对样品进行消解,定容后采用火焰原子吸收分光光度法和石墨炉原子吸收分光光度法分别对Cu、Zn、Cr(GB/T 17138-1997,HJ 491-2009)和Pb、Cd(GB/T 17141-1997)进行测定。试验所用Cu、Zn、Pb、Cr、Cd的标准液均购于国家物质研究中心,所用玻璃器皿和塑料器皿均用10%硝酸溶液浸泡24 h,然后用超纯水洗涤;消解过程中设置空白样品,分析过程均加入国家标准土壤参比物质(GSS-1)进行质量控制。
2 结果与分析
2.1 土壤中重金属含量
将“1.2”中测得土壤重金属含量列于表2。与内蒙古土壤背景值相比,Cu、Pb、Cd在4个研究区域均偏高,Zn在包钢公园和赛罕塔拉城中草原偏高,Cr在4个区域均低于背景值;与全国土壤背景值比较,Cd在4个区域均偏高,Pb、Zn仅在赛罕塔拉城中草原偏高,Cu和Cr未达到背景值。综上分析,4个区域Cd污染现象普遍,其次是Pb和Cu,部分区域出现Zn污染,Cr处于清洁状态。
2.2 内梅罗综合污染指数法评价结果
根据式1、式2并结合单因子和内梅罗综合指数法评价标准(表3)可知,除Cr外,包钢公园其余重金属均为轻污染;赛罕塔拉城中草原Pb和Cd为重污染,Cu和Zn为轻污染,而Cr处于清洁状态;南海湿地公园Cd处于重污染状态,Pb处于中污染状态,Cu处于轻污染状态,Zn和Cr处于清洁状态;八一公园Cd处于重污染状态,Cu和Pb处于轻污染状态,Zn和Cr处于清洁状态。在4个研究区域污染程度依次为Cd:南海湿地公园>赛罕塔拉城中草原>八一公园>包钢公园;Cu、Pb:赛罕塔拉城中草原>南海湿地公园>包钢公园>八一公园;Zn:赛罕塔拉城中草原>包钢公园>南海湿地公园>八一公园。内梅罗综合指数评价结果为:南海湿地公园>赛罕塔拉城中草原>八一公园>包钢公园,说明人为活动的影响是巨大的。
2.3 地累积指数法评价结果
由“2.1”和“2.2”结论可知,包头市并未出现Cr污染,故地累积指数法仅对Cu、Zn、Pb、Cd 4种重金属进行评价。根据式3和地累积指数法评价标准(表4)可知,5种重金属元素的地累积指数范围为:Igeo(Cd)0.26~2.05,Igeo(Pb)0.53~1.45,Igeo(Zn)1.11~0.04,Igeo(Cu)0.40~0.02。4个区域的土壤样品均受到不同程度的Cd污染,其中南海湿地公园为中-强污染,赛罕塔拉城中草原和八一公园为中污染,包钢公园为轻污染;Pb除在赛罕塔拉城中草原为中污染外,其他3个区域表现为轻污染或者无污染;其他两种重金属在4个区域表现为轻污染或者无污染。
2.4 潜在生态危害指数评价结果
对包头市典型城市绿地土壤潜在生态危害指数及风险程度进行评价(表5)可知,Cd在赛罕塔拉城中草原和南海湿地公园处于很强的潜在生态危害,在八一公园表现为强潜在生态危害,在包钢公园处于中等潜在生态危害;而研究区域Cu、Zn、Pb、Cr均处于轻微潜在生态危害状态,其中Pb和Cu在以上评价中因含量超过背景值较多而表现出较重的污染,但因其毒性系数较小,仅为Cd的1/6,表现出较低的潜在生态危害。通过比较RI可知,除包钢公园处于轻微潜在生态危害以外,其他3个研究区域均处于中等潜在生态危害,表明包头市城市绿地已经受到很大程度的人为污染。 2.5 土壤重金属生态毒性评价结果
土壤重金属含量超过最低效应(LEL,当重金属含量低于LEL时,不利于生物生长的毒性效应很少发生[14])或严重效应(SEL,重金属元素含量高于SEL时,不利于生物生长的毒性效应将频繁发生[14])阈值时,会对生态系统产生不同程度的环境风险和毒性效应[12,13]。通过与土壤重金属产生的生态阈值(表2)对比发现,评价的5种重金属元素在所有研究区域内均未超过SEL,但Cu在4个研究区域、Pb在赛罕塔拉城中草原均超过了LEL,Zn、Cd则在4个研究区域均未超过LEL。
根据土壤重金属含量与SEL的比值累积得到土壤重金属毒性单位(∑TU),见图1。由∑TU可知,4个区域的土壤毒性排序:赛罕塔拉城中草原>南海湿地公园>包钢公园>八一公园,其中4个研究对象土壤∑TU<4,表现为无毒性;土壤∑TU在4个研究区域贡献比较高的有Cr、Cu、Pb、Zn,最低的为Cd。
3 讨论
研究结果发现,污染严重的主要为南海湿地公园和赛罕塔拉城中草原区域,这可能是由于这两个区域作为旅游区人口活动密集,且南海湿地公园位于包头二里半机场附近造成其浓度较高。
不同的评价方法在计算手段和侧重点上的不同导致所得结果有所不同。尤其是毒性单位法与其他3种方法评价结果有很大不同,结果显示包头市城市绿地重金属污染较轻,无急性生物毒性。前3种评价放大都表明Cd是4个研究区域污染最严重的元素,但Cd对土壤毒性的贡献却不大,主要是由于Cd的SEL(10 mg/kg)相对较大,导致其毒性值较小。宋玉芳等[17]研究也表明蔬菜对Cu的毒性效应最敏感,而对Cd的毒性效应不敏感,在大量吸收Cd的情况下仍能良好地生长。
4 结论
在4个研究区域,Cd均超过土壤背景值;Pb、Cu偏高于内蒙古土壤背景值,在赛罕塔拉城中草原Pb、Zn超过全国土壤背景值;Zn在包钢公园和赛罕塔拉城中草原高于内蒙古土壤背景值;Cr均未超过土壤背景值。
单因子和地累积指数法评价结果为在4个研究区域Cd污染最为严重,其次是Pb,其他3种重金属表现为无污染或者轻污染;内梅罗污染指数显示除在包钢公园为轻污染外,其他3个区域均表现为重污染。
Cd在4个区域均为中等以上的潜在生态危害,其他4种重金属处于轻微潜在生态危害;除包钢公园整体处于轻微潜在危害外,其他3个研究区域均处于中等潜在生态危害。
土壤毒性大小为赛罕塔拉城中草原>南海湿地公园>包钢公园>八一公园,但其均表现为无毒性。
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