上海城市土壤和地表粉塵中重金屬空間分布特征及潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)

上海城市土壤和地表粉塵中重金屬空間分布特征及潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)

城市土壤是一個(gè)分布在城市和郊區(qū)的土壤的總稱，受到人類活動(dòng)的強(qiáng)烈影響，其原有的遺傳特征已經(jīng)改變。城市地表徑流是20米的一個(gè)固體顆粒。人類活動(dòng)將大量有害重金屬融入城市土壤和地表徑流的表面，造成污染。根據(jù)現(xiàn)有研究，城市環(huán)境中的鉛污染已成為影響兒童健康的重要因素之一。上海是我國(guó)最大的工業(yè)城市,城市土壤和地表灰塵重金屬污染源多而繁雜.本研究選擇上海市區(qū)為對(duì)象,分析重金屬元素(Cr、Cu、Pb、Zn)在城市土壤和地表灰塵中的含量水平,并利用空間插值方法描述重金屬元素的空間分布特征.利用Hakanson提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)重金屬的潛在生態(tài)危害,為城市環(huán)境污染管理和治理,提供科學(xué)依據(jù).1材料和方法1.1樣本布局和采集1.2降解pb、cr、cu、pb、zn含量樣品用真空冷凍干燥機(jī)冷凍干燥,待樣品干燥研磨后,土壤過100目篩,灰塵過120目篩.將樣品裝入聚乙烯塑料袋中,干燥保存.稱取過篩后的樣品0.5g于聚四氟乙烯杯中,用HNO3-HF-HClO4法消解,采用PerkinElmer公司生產(chǎn)的AANALYST800型原子吸收光譜儀,測(cè)定樣品中Cr、Cu、Pb、Zn的含量.所有樣品均做相應(yīng)的試劑空白.以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)土壤標(biāo)樣(GSS-1)進(jìn)行質(zhì)量控制.2結(jié)果與討論2.1地表石灰和地表灰灰土重金屬元素含量分布特征由表1可見,重金屬元素含量均值比背景值大幅度偏高,灰塵中的Pb濃度甚至是背景值的174倍.地表灰塵中各重金屬元素含量明顯高于城市土壤.土壤和地表灰塵中重金屬元素含量變異系數(shù)均比較大,其中Pb的變異系數(shù)在土壤與灰塵中都是最大的,提示Pb是研究區(qū)內(nèi)受人為活動(dòng)干擾最嚴(yán)重的重金屬.2.2土壤重金屬污染空間差異空間內(nèi)插可以通過離散點(diǎn)上的地表特征數(shù)據(jù)得到連續(xù)的特征要素的空間數(shù)據(jù)集,本研究采用ArcViewGIS3.2軟件的IDW(反轉(zhuǎn)距離權(quán)重)方法插值,獲得上海城市土壤和地表灰塵的重金屬的空間分布圖.由于國(guó)內(nèi)外目前還沒有統(tǒng)一的城市土壤和地表灰塵重金屬污染的界定標(biāo)準(zhǔn),為了使各重金屬元素的污染分布圖具有可比性,根據(jù)研究區(qū)各重金屬含量(表1),制定以上海土壤環(huán)境背景值不同倍數(shù)作分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),表征各重金屬元素含量值,具體定為9級(jí),分別為0～1、1～5、5～10、10～50、50～100、100～500、500～1000、1000～2000倍和>2000倍(圖2,圖3).由圖2可見,土壤重金屬元素污染在空間上存在較大的差異性.Pb、Zn的污染濃度顯著高于Cr、Cu.Cr污染濃度多處于5～10倍背景值水平,Cr在楊浦區(qū)和普陀區(qū)的東部及北部含量相對(duì)較高,污染水平在10～50倍背景值水平.Cu的污染程度最輕,處于1～5倍背景值水平;Pb和Zn在楊浦區(qū)東部和延安路與軌道交通二號(hào)線附近,形成2個(gè)100～500倍背景值的高峰值區(qū),但Zn范圍較Pb略小.由圖3可見,地表灰塵重金屬元素污染的空間分布比在土壤中復(fù)雜,無明顯規(guī)律,不同元素間的污染程度高低水平與土壤中的情況相似,即Pb>Zn>Cr>Cu.對(duì)比圖2,圖3可見,相同重金屬元素在城市土壤和地表灰塵中的分布具有一定的繼承性,即地表灰塵中重金屬元素污染水平要比土壤中相對(duì)應(yīng)元素污染水平高1個(gè)級(jí)別.但是,城市土壤與地表灰塵中重金屬峰值區(qū)并不完全相同,如Pb在楊浦區(qū)的表層土壤中含量較高,而地表灰塵中Pb含量卻在徐匯區(qū)的漕河涇新興技術(shù)開發(fā)區(qū)較高.產(chǎn)生這樣的差別可能是由于楊浦區(qū)是老工業(yè)區(qū),點(diǎn)源污染多且重,土壤受污染時(shí)間長(zhǎng)久;而漕河涇新興技術(shù)開發(fā)區(qū)建區(qū)時(shí)間相對(duì)較短,地表灰塵來源構(gòu)成較為單一,主要來自區(qū)內(nèi)的工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)所產(chǎn)生的含有較高重金屬含量的塵埃.因而表現(xiàn)出不同的遷移累積規(guī)律.2.3潛在生態(tài)危害指數(shù)法的應(yīng)用目前,關(guān)于城市土壤和地表灰塵重金屬的污染評(píng)價(jià)尚處于探索階段,主要借鑒評(píng)價(jià)沉積物重金屬污染的方法,如地積累指數(shù)法、污染負(fù)荷指數(shù)法、回歸過量分析法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法等其中,潛在生態(tài)危害指數(shù)法是瑞典學(xué)者Hakanson于1980年根據(jù)重金屬性質(zhì)及環(huán)境行為特點(diǎn),從沉積學(xué)角度提出來的對(duì)土壤或沉積物中重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法.與其他評(píng)價(jià)方法相比,潛在生態(tài)危害指數(shù)法由于引入了主要反映重金屬的毒性水平和生物對(duì)重金屬污染的敏感程度的毒性系數(shù)rTi,從而使不同種類重金屬的毒性水平在評(píng)價(jià)中體現(xiàn)出來,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,采用具有可比的、等價(jià)屬性指數(shù)分級(jí)法進(jìn)行評(píng)價(jià).這一優(yōu)點(diǎn)是其他常用的土壤(沉積物)重金屬評(píng)價(jià)方法所不具備的.在目前我國(guó)城市土壤、灰塵重金屬污染及本研究區(qū)已有的相關(guān)研究中,“潛在生態(tài)危害指數(shù)法”已被較多采用.因此本研究選擇這種方法對(duì)上海城市土壤和街道灰塵中Cr、Cu、Pb和Zn的潛在生態(tài)危害進(jìn)行初步評(píng)價(jià).2.3.1表層沉積物重金屬濃度ci單個(gè)重金屬污染系數(shù)(Cfi):某單個(gè)重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)(Cri):多種重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)(RI):式中:Ci為表層沉積物重金屬濃度實(shí)測(cè)值;Cni為計(jì)算所需的參比值.選擇上海市土壤環(huán)境背景值作為參比值.按照Hakanson制定的標(biāo)準(zhǔn)化重金屬毒性系數(shù)為評(píng)價(jià)依據(jù),Cr、Cu、Pb和Zn的rTi值分別取值為2,5,5,1.重金屬單項(xiàng)污染系數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)參照文獻(xiàn).重金屬污染生態(tài)危害系數(shù)和生態(tài)危害指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)列于表2.2.3.2土壤重金屬污染效應(yīng)根據(jù)式(1)～式(3)計(jì)算了上海城市土壤和地表灰塵中單個(gè)重金屬的平均潛在生態(tài)危害系數(shù)Eri及4種重金屬RI,根據(jù)表2的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)得出Eri和RI值所對(duì)應(yīng)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度分級(jí)(表3).從單個(gè)重金屬Eri看,地表灰塵的Eri值均高于土壤.其中潛在生態(tài)危害最大的是Pb,其Eri值達(dá)到達(dá)到很強(qiáng)生態(tài)危害和極強(qiáng)生態(tài)危害水平.Zn的生態(tài)危害次之.生態(tài)危害最低的是Cr和Cu.從4種重金屬的RI來看,地表灰塵的RI值遠(yuǎn)大于土壤,達(dá)到很強(qiáng)生態(tài)危害水平,而土壤則表現(xiàn)為中等生態(tài)危害.其中,Pb對(duì)城市土壤和地表灰塵的潛在生態(tài)危害的貢獻(xiàn)最大.由圖4可見,所采集的68個(gè)土壤樣品中,屬于輕微生態(tài)危害、中等生態(tài)危害、強(qiáng)生態(tài)危害、很強(qiáng)生態(tài)危害級(jí)別的比例分別是41.18%,38.24%13.24%和7.35%,中等生態(tài)危害以上(含中等生態(tài)危害)級(jí)別占60%;地表灰塵樣品中屬于輕微生態(tài)危害、中等生態(tài)危害、強(qiáng)生態(tài)危害、很強(qiáng)生態(tài)危害級(jí)別的比例分別為4.41%,19.12%,44.12%和32.35%,中等生態(tài)危害以上(含中等生態(tài)危害)級(jí)別超過95%.2.3.3城市和社區(qū)的生態(tài)危害水平通過對(duì)各樣點(diǎn)的Eri值進(jìn)行插值,并且以表3所給出的重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度分級(jí),得到了上海城市土壤及地表灰塵重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)的空間分布圖(圖5,圖6).由圖5可見,Cr和Cu在中心區(qū)絕大部分地區(qū)都處于輕微生態(tài)危害水平,Cr僅在普陀區(qū)出現(xiàn)一個(gè)中等生態(tài)危害水平的污染中心;而Cu僅在楊浦區(qū)出現(xiàn)一個(gè)中等生態(tài)危害水平的污染中心;Zn的生態(tài)危害水平要比Cr和Cu嚴(yán)重一些,在長(zhǎng)寧區(qū)和楊浦區(qū)出現(xiàn)了3個(gè)較大的強(qiáng)生態(tài)危害的污染中心,另外還零星分布若干中等生態(tài)危害水平的污染中心;Pb的生態(tài)危害水平最為嚴(yán)重且空間格局復(fù)雜,輕微生態(tài)危害水平的區(qū)域面積極少,在長(zhǎng)寧區(qū)和楊浦區(qū)出現(xiàn)了兩塊大面積的極強(qiáng)生態(tài)危害水平的污染中心,而普陀區(qū)和黃浦區(qū)生態(tài)危害水平也極強(qiáng),表現(xiàn)出強(qiáng)烈的污染態(tài)勢(shì).由圖6可見,Cr和Cu的生態(tài)危害水平比較輕微,這與在土壤中的情況相類似,但與在城市土壤的生態(tài)危害水平相比,Cr和Cu的污染程度加重,污染中心的級(jí)別和面積都有了不同程度的增加;Zn的生態(tài)危害水平要比Cr和Cu嚴(yán)重,強(qiáng)生態(tài)危害的面積比城市土壤中大大增加;相比于其他3種元素,Pb的生態(tài)危害水平異常嚴(yán)重,極強(qiáng)生態(tài)危害水平的區(qū)域面積為80%,表現(xiàn)出異常強(qiáng)烈的污染態(tài)勢(shì).由圖7可見,上海市區(qū)地表灰塵的重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)(圖7b)超過很強(qiáng)生態(tài)危害級(jí)別的區(qū)域面積占全圖的60%以上,比城市土壤(圖7a)高得多.3重金屬污染區(qū)域確定的必要性3.1上海城市土壤和地表灰塵中重金屬Cr、Cu、Pb、Zn平均含量均遠(yuǎn)大于上海市土壤的環(huán)境背景值,污染狀況嚴(yán)重且空間分異性大.3.2對(duì)上海城市土壤和地表灰塵各樣點(diǎn)的重金屬含量及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行空間插值,得出4種重金屬含量的空間分異情況,有助于確定城市重金屬污染的重點(diǎn)區(qū)域.3.3根據(jù)城市土壤和地表灰塵重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果得