西安市城墻內城市土壤鉛污染元素研究

王繼文

(陜西師范大學，陜西 西安 710119)

?

西安市城墻內城市土壤鉛污染元素研究

王繼文

(陜西師范大學，陜西 西安 710119)

摘要：采用Tessier 連續(xù)提取法，研究了西安市城墻內城市土壤中Pb的化學形態(tài)分布。結果表明：西安市城市土壤中Pb的地球化學形態(tài)分布以鐵錳氧化物結合態(tài)為主，各形態(tài)所占比例順序為鐵錳氧化物結合態(tài)>殘渣晶格態(tài)>有機結合態(tài)>碳酸鹽結合態(tài)>可交換態(tài)。西安市城市土壤活性態(tài)Pb的比例70.4%大于殘渣晶格態(tài)Pb所占的比例29.6%，土壤Pb的活性很大，具有較高的生物有效性和較大的環(huán)境潛在危害性。

關鍵詞：城市土壤；Pb；化學形態(tài)；生物有效性

鉛(Pb)是元素周期表中的第82號元素，質柔軟，延性弱，展性強，是一種銀灰色的有毒重金屬。鉛在環(huán)境中分布廣泛，并且可以長期蓄積，鉛在人體內毫無生理作用,理想血鉛值應為0,人體內的鉛均來自外界環(huán)境,主要通過土壤、食物、水和空氣等途徑進入人體[1]。重金屬鉛污染嚴重危害人體健康[2,3]，對兒童的危害尤為顯著，會降低兒童的認知能力和智力發(fā)育，發(fā)育中的胎兒和嬰幼兒是鉛危害的最易感人群[4]。我國從2000 年7 月1 日起在全國范圍內停止銷售和使用車用含鉛汽油，已經收到了顯著效果除含鉛汽油外，含鉛錫罐造成的食品鉛污染、油漆鉛和灰塵及土壤鉛也是鉛暴露的重要來源。(王冰，2013)隨著城市化的不斷推進，城市土壤直接緊密地接觸密集的城市人群,城市土壤中重金屬Pb通過食物鏈影響食品安全,還通過對水體、大氣的影響進而降低城市環(huán)境的質量，對人的生命健康和安全影響越來越大。土壤中重金屬不同的地球化學形態(tài)產生不同的環(huán)境效應，重金屬的生物毒性以及重金屬在生態(tài)系統(tǒng)中的遷移很大程度上是由其地球化學形態(tài)分布決定的[5]。因此，對人類和高等生物最具危害的有毒金屬之一的Pb進行形態(tài)分析進行研究有重要的意義。以往我國許多城市如北京、南京、杭州等對土壤中鉛的化學形態(tài)研究較多[7,8,9]，西安城市土壤鉛的研究多集中在總量與污染程度，而對于鉛的地球化學形態(tài)分布的研究甚少。因此，本論文通過Tessier 連續(xù)提取法[10],對西安市城市土壤重金屬鉛的地球化學形態(tài)進行研究，研究結果將為西安市環(huán)境污染的治理和人群健康風險評價提供科學理論依據。

1研究區(qū)域與方法

1.1研究區(qū)域概況和樣品采集

西安市城墻以內城區(qū)的城市土壤為研究對象，該區(qū)域面積約11.3平方公里，位于西安市中心區(qū)域，是西安市人類活動時間最久，內有西安市主要商圈——鐘樓商圈，以及碑林博物館、革命公園、蓮湖公園等風景區(qū)，是西安市重要的旅游目的地和商業(yè)區(qū)，人口密集，建筑面積大，服務業(yè)發(fā)達。沿著城區(qū)道路綠化帶以及深入小區(qū)內綠化景觀兼顧城區(qū)內公園，均勻隨機采樣，用不銹鋼鏟采集深度為0-15cm表層土壤,城墻內共散落分布67個采樣點，于2011年7～9月間采集。土樣避光自然風干后，對每一份樣品采用四分法取樣進行磨碎處理，過100 目(0.149mm)土壤篩，保存待壓片測定。

1.2形態(tài)分析方法和測定

選擇了21個代表性樣品，采用Tessier5步連續(xù)提取法[10],進行了Pb可交換態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、鐵錳氧化物結合態(tài)、有機結合態(tài)、殘渣晶格態(tài)分析，具體提取步驟見文獻[10]。提取液Pb各形態(tài)的含量采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀ICP-OES測定。樣品測試的相對標準差(RSD)控制在5%內，形態(tài)分析回收率均在80%～120%以內。

2結果與討論

2.1西安城市土壤Pb地球化學形態(tài)分布

西安市城市土壤中21個采樣點土壤樣品Pb的五種化學形態(tài)的分析結果如圖2所示。由圖可以看出，總體而言，西安市城市土壤Pb的地球化學形態(tài)以鐵錳氧化物結合態(tài)為主(平均比例為41.15%)，其余四種形態(tài)的Pb所占比例的平均值均較低(可交換態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、有機結合態(tài)和殘渣晶格態(tài)所占的平均比例分別為4.35%、9.60%、15.25%和29.65%)，且分布不穩(wěn)定。西安市城市土壤Pb地球化學形態(tài)分布為鐵錳氧化物結合態(tài)>殘渣晶格態(tài)>有機結合態(tài)>碳酸鹽結合態(tài)>可交換態(tài)。Pb的鐵錳氧化物結合態(tài)含量最大，可能是由于Pb在土壤中容易與鐵錳氧化物結合形成穩(wěn)定的螯合物，在氧化條件下不易釋放[11]。另外，研究表明空氣降塵和街道灰塵中Pb含量高，以鐵錳氧化物結合態(tài)為主[8]，據報道西安機動車數量自2000年至今增長了6倍，達到200萬輛，游客人數也不斷增長。鄧碧云等研究表明,交通量和人口密度與表層土壤Pb 含量呈正相關。采集土壤的區(qū)域位于城墻以內是交通密集區(qū)，其Pb主要來源于汽車尾氣和輪胎磨損釋放的粉塵，對空氣降塵中Pb含量貢獻大，進入土壤中改變了土壤中Pb的形態(tài)分布，增加了鐵錳氧化物結合態(tài)所占的比例。值得注意的是，13、14號城市土壤樣品的有機結合態(tài)Pb占五種化學形態(tài)Pb總和的比例有顯著增加，大部分研究認為Pb的有效態(tài)以有機態(tài)為主[5]，研究表明有機結合態(tài)重金屬的釋放與有機質的分解有關[12]，該兩個采樣點土壤的有機結合態(tài)Pb的比例明顯增加可能是因為這2個采樣地土壤中所含的有機質較為豐富。

這一研究結果與其他城市土壤Pb地球化學形態(tài)分布存在差異。本研究結果和王亞宇等的研究結果烏魯木齊市中工業(yè)區(qū)和交通密集區(qū)的Pb的化學形態(tài)分布趨勢相同是鐵錳氧化物結合態(tài)>殘渣晶格態(tài)>有機結合態(tài)>碳酸鹽結合態(tài)>可交換態(tài)，表明城墻內的土壤鉛的污染源來自汽車尾氣和工業(yè)排放。[13]白世強等的研究表明[14]，洛陽城市表土中Pb的化學形態(tài)以殘余態(tài)和鐵錳氧化物結合態(tài)為主,其分布為殘余態(tài)>鐵錳氧化物結合態(tài)>有機結合態(tài)>碳酸鹽結合態(tài)>可交換態(tài)。馮琦麗等報道[15]，沈陽城市表層土壤Pb的形態(tài)分布為殘渣態(tài)>有機結合態(tài)>鐵錳氧化物結合態(tài)>碳酸鹽結合態(tài)>可交換態(tài)。盧瑛等的研究表明[8]，南京城市表層土壤Pb以殘渣態(tài)和鐵錳氧化物結合態(tài)為主,各形態(tài)所占比例為殘渣態(tài)>鐵錳氧化物結合態(tài)>有機結合態(tài)>碳酸鹽結合態(tài)>可交換態(tài)。而韓東昱等對北京市公園土壤的研究發(fā)現[7]，公園表層、深層土壤中 Pb 形態(tài)分布的總體規(guī)律均為殘渣晶格態(tài)>鐵錳氧化物結合態(tài)>有機結合態(tài)>碳酸鹽結合態(tài)>可交換態(tài)。

2.2西安市城市土壤Pb的生物有效性

由于土壤中的重金屬以不同的形態(tài)存在,它們對生物的有效性也不同.根據不同形態(tài)重金屬對生物的有效性,可以分為3 類: 易利用態(tài)、中等可利用態(tài)和惰性態(tài)。[16]易利用態(tài)主要包括水溶態(tài)和陽離子可交換態(tài); 中等可利用態(tài)主要包括碳酸鹽結合態(tài)、鐵錳水合氧化物結合態(tài)及有機/ 硫化物結合態(tài),它們要在比較強的酸性介質及適當的環(huán)境條件下才能釋放出來,成為生物可利用態(tài); 惰性態(tài)主要是殘渣態(tài)的金屬,不能被生物利用.[何孟常]研究表明，在五種不同的化學形態(tài)中，可交換態(tài)(包括水溶態(tài))和碳酸鹽結合態(tài)重金屬與土壤的結合較弱，最容易被釋放出來，對人類和環(huán)境的危害較大；鐵錳氧化物結合態(tài)和有機結合態(tài)較為穩(wěn)定，但在外界條件變化時也可釋放出來。殘渣晶格態(tài)一般稱為非有效態(tài)，因為這部分重金屬在自然條件下不易釋放出來[11]。可交換態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、鐵錳氧化物結合態(tài)和有機結合態(tài)的總量可以作為活性態(tài)重金屬的一種指標[17]，西安城市土壤中重金屬活性態(tài)(可交換態(tài)+碳酸鹽結合態(tài)+鐵錳氧化物結合態(tài)+有機結合態(tài))的比例見圖2。土壤中生物可利用態(tài)Pb占0.51%-23.5%，平均值是4.4%，中等可利用Pb占38.5%-86.2%，；平均值是66%，惰性態(tài)Pb占12.3%-59%,均值是29.6%.由圖2可以看出，Pb的非殘渣晶格態(tài)所占比例之和遠遠大于殘渣晶格態(tài)所占的比例，活性態(tài)的鉛占70.4%。因此，西安市城市土壤Pb的活性很大，具有較高的生物有效性，對環(huán)境的潛在危害性大。

將此研究結果與其他文獻的研究結果進行比較。對比發(fā)現，與西安市城市土壤Pb情況類似，洛陽、南京城市土壤以及北京市公園土壤中Pb不僅含量高，而且活性大，具有一定的釋放潛力和生物有效性，對人體健康和生態(tài)環(huán)境的危害性大[17、7、8]。因此,對環(huán)境的危險性不容忽視[14]。

3結論

(1)西安市城市土壤Pb地球化學形態(tài)分布以鐵錳氧化物結合態(tài)為主，各形態(tài)所占比例為鐵錳氧化物結合態(tài)>碳酸鹽結合態(tài)>有機結合態(tài)>可交換態(tài)>殘渣晶格態(tài)。

(2)西安市城市土壤活性態(tài)Pb比例遠遠大于殘渣晶格態(tài)所占的比例，土壤Pb的活性很大，因此，西安市城市土壤Pb具有較高的生物有效性和較大的環(huán)境潛在危害性。

參考文獻：

[1]Kabata-Pendias A,Pendias H.Trace elements in soils and plants[M].Boca Raton,FL: CRC,2001.

[2]Sterrett S B,Chaney R L,Gifford C H,et al.Influence of fertilizer and sewage sludge compost on yield and heavy metal accumulation by lettuce grown in urban soils[J].Environment Geochemistry and Health,1996,18:135—142.

[3]Culbard E B,et al.Metal contamination in British urban dusts and soils[J].Journal of Environmental Quality,1998,17(2):226-234.

[4]DEFRA and Environment Agency.Contaminants in soil: Collation of toxicological data and intake values for humans[R].Swindon: The R&D Dissemination Centre,2002.

[5]毛竹，王浩.土壤重金屬形態(tài)分布特性及其影響因素[J].科技資訊，2013,8:163-164.

[6]王冰，張金良，劉玲.我國禁用含鉛汽油后兒童血鉛水平的變化[J].環(huán)境與健康雜志，2013，5：377-384.

[7]韓東昱,龔慶杰,岑況.北京市公園土壤銅、鉛含量及化學形態(tài)分布特征[J].環(huán)境科學與技術，2006,3:31-37.

[8]盧瑛,龔子同,張甘霖.南京城市土壤Pb的含量及其化學形態(tài)[J].環(huán)境科學學報,2002,22(2):156-160.

[9]符娟林,章明奎,歷仁安.杭州城市土壤鉛的化學形態(tài)和可溶性研究[J].浙江大學學報(農業(yè)與生命科學版)，2004，30(3):305-310.

[10]Tessier A,Campbell P G C,Blsson M,Sequential Extraction Procedure for the Speciation of Particulate Trace Metals.Analytical Chemistry,1979,51(7)∶844—851.

[11]王美青，章明奎.杭州市城郊土壤重金屬含量和形態(tài)的研究[J].環(huán)境科學學報，2002，22(5):603-608.

[12]吳江瑛.西安市道路路域土壤重金屬賦存形態(tài)研究[D].長安大學環(huán)境工程系,2013.

[13]王亞宇，錢翌，朱建雯，王靈.烏魯木齊市表層土壤Pb 的化學形態(tài)分布及潛在生態(tài)危害評價[J].環(huán)境科學研究，2008，21(5)：104-109.

[14]白世強，盧升高.洛陽城區(qū)及郊區(qū)土壤中Pb的分布特征及化學形態(tài)研究[J].土壤通報，2007,38(3):544-548.

[15]馮琦麗，魏忠義，王晶.沈陽城市土壤Pb的污染狀況及其化學形態(tài)研究[J].江西農業(yè)學報，2008,20(2):97-99.

[16]Mao M Z.Speciation of metals in sediments along the Le’an River CERP Final Report[R].France Imprimerie Jouve Mayenne，1996: 51-57.

[17]盧瑛，龔子同，張甘霖.南京城市土壤中重金屬的化學形態(tài)分布[J].環(huán)境化學,2003,22(2):131-136.

The chemical speciation of Pb in Xi’an urban soils

Cheng Shanshan

(College of Tourism and Environment Sciences，Shaanxi Normal University，Xi’an 710119)

Abstract:This paper studied the chemical speciation of Pb in urban soils collected from green belt within Xi’an City Wall in Xi’an City used Tessier.The results indicated that the Pb was dominated by Fe-Mn oxides fractions,and followed by the order of Fe-Mn oxides > carbonate > organic > exchangeable > residual.The proportion of active fractions of Pb in Xi’an urban soils are far higher than the residual fractions.Pb in Xi’an urban soils had not only high activity,but also high bioavailability and serious potential threat to the environment.

Key Words:urban soils; Pb; chemical speciation; bioavailability

作者簡介：王繼文(1989-)，男，漢族，山西渾源縣人，本科，陜西師范大學，專業(yè)環(huán)境工程，研究方向：環(huán)境污染控制。

中圖分類號:X53

文獻標志碼：A

文章編號：1671-1602(2016)10-0026-03