包頭市綠地土壤重金屬污染分析與評(píng)價(jià)

摘要：為研究包頭市城市綠地重金屬污染狀況，選取4種典型城市綠地，測(cè)定Cu、Zn、Pb、Cd、Cr 5種元素含量，并以污染指數(shù)法、地累積指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法和重金屬毒性單位法對(duì)土壤重金屬污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，除包鋼公園外，其他3個(gè)區(qū)域內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果均為重污染；地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法都顯示Cd污染最嚴(yán)重；除包鋼公園處于輕微潛在生態(tài)危害外，其他3個(gè)區(qū)域處于中等潛在生態(tài)危害。

關(guān)鍵詞：土壤重金屬；城市綠地；污染評(píng)價(jià)；包頭市

中圖分類號(hào)：X53；X825 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）16-4124-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.16.013

城市化發(fā)展和城市人口的高度集中給土壤環(huán)境帶來了嚴(yán)重的破壞，土壤重金屬污染日益嚴(yán)重。在工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)，土壤重金屬含量要比自然本底值超出幾倍甚至更高。城市重金屬污染以Cu、Zn、Pb、Cd和Cr最為常見，如廣東韶關(guān)、湖南株洲和廣西龍江均發(fā)生過嚴(yán)重的Cd污染事件，湖南郴州、陜西鳳翔和安徽懷寧均發(fā)生過嚴(yán)重的Pb中毒事件，可見重金屬污染問題在中國(guó)局部地區(qū)形勢(shì)非常嚴(yán)峻。

重金屬具有難降解、移動(dòng)性差和易富集等特點(diǎn)，是土壤長(zhǎng)期、潛在的污染物，且其可通過大氣、水體或生物鏈直接或間接地進(jìn)入人體，危害到人類的健康[1，2]。因此，土壤重金屬污染逐漸備受人們的關(guān)注，有關(guān)重金屬污染和治理的研究日趨深入，研究范圍也越來越廣。目前土壤重金屬的研究方向已由傳統(tǒng)的農(nóng)林業(yè)轉(zhuǎn)向城市，對(duì)象涵蓋城市工業(yè)區(qū)、郊區(qū)、農(nóng)田、礦區(qū)以及逐漸受到重視的城市綠地等。

包頭市作為典型的重工業(yè)城市，土壤重金屬污染現(xiàn)象較為嚴(yán)重。目前有關(guān)包頭土壤重金屬的研究主要集中在農(nóng)田、郊區(qū)、工廠企業(yè)周邊和礦區(qū)等，對(duì)城市綠地的研究則較少[3-8]。鑒于此，本研究以包頭市典型城市綠地為研究對(duì)象，通過采集分析土壤中的Cu、Zn、Pb、Cr、Cd 5種元素的含量，并使用污染指數(shù)法、地累積指數(shù)法、潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)法和生物毒性單位法對(duì)包頭市典型城市綠地重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為包頭市城市土壤環(huán)境的保護(hù)及土地資源的合理利用提供一定的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

2014年10月，根據(jù)在包頭市區(qū)內(nèi)的實(shí)地調(diào)查，選取受人類活動(dòng)影響較大的包鋼公園、賽罕塔拉城中草原、南海濕地公園和八一公園作為研究對(duì)象。用竹鏟采集地表0～20 cm的土壤樣品不少于1 kg，保存于聚乙烯塑料袋中，注明采樣日期、地點(diǎn)等。為避免土壤分布不均造成的影響，根據(jù)相應(yīng)區(qū)域的地形特點(diǎn)，用梅花布點(diǎn)法或蛇形布點(diǎn)法隨機(jī)采集4～5個(gè)樣品進(jìn)行混合。

1.2 樣品的處理及分析

土壤樣品在室內(nèi)自然風(fēng)干后，用木棍細(xì)細(xì)碾壓，剔除植物殘?bào)w、碎石等雜質(zhì)，混勻后，過20目和100目尼龍篩，裝入聚乙烯塑料袋中保存待測(cè)[9]。

利用HCl-HNO3-HF-HClO3（優(yōu)級(jí)純）對(duì)樣品進(jìn)行消解，定容后采用火焰原子吸收分光光度法和石墨爐原子吸收分光光度法分別對(duì)Cu、Zn、Cr（GB/T 17138-1997，HJ 491-2009）和Pb、Cd（GB/T 17141-1997）進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)所用Cu、Zn、Pb、Cr、Cd的標(biāo)準(zhǔn)液均購于國(guó)家物質(zhì)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，然后用超純水洗滌；消解過程中設(shè)置空白樣品，分析過程均加入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)土壤參比物質(zhì)（GSS-1）進(jìn)行質(zhì)量控制。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中重金屬含量

將“1.2”中測(cè)得土壤重金屬含量列于表2。與內(nèi)蒙古土壤背景值相比，Cu、Pb、Cd在4個(gè)研究區(qū)域均偏高，Zn在包鋼公園和賽罕塔拉城中草原偏高，Cr在4個(gè)區(qū)域均低于背景值；與全國(guó)土壤背景值比較，Cd在4個(gè)區(qū)域均偏高，Pb、Zn僅在賽罕塔拉城中草原偏高，Cu和Cr未達(dá)到背景值。綜上分析，4個(gè)區(qū)域Cd污染現(xiàn)象普遍，其次是Pb和Cu，部分區(qū)域出現(xiàn)Zn污染，Cr處于清潔狀態(tài)。

2.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)式1、式2并結(jié)合單因子和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（表3）可知，除Cr外，包鋼公園其余重金屬均為輕污染；賽罕塔拉城中草原Pb和Cd為重污染，Cu和Zn為輕污染，而Cr處于清潔狀態(tài)；南海濕地公園Cd處于重污染狀態(tài)，Pb處于中污染狀態(tài)，Cu處于輕污染狀態(tài)，Zn和Cr處于清潔狀態(tài)；八一公園Cd處于重污染狀態(tài)，Cu和Pb處于輕污染狀態(tài)，Zn和Cr處于清潔狀態(tài)。在4個(gè)研究區(qū)域污染程度依次為Cd：南海濕地公園>賽罕塔拉城中草原>八一公園>包鋼公園；Cu、Pb：賽罕塔拉城中草原>南海濕地公園>包鋼公園>八一公園；Zn：賽罕塔拉城中草原>包鋼公園>南海濕地公園>八一公園。內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果為：南海濕地公園>賽罕塔拉城中草原>八一公園>包鋼公園，說明人為活動(dòng)的影響是巨大的。

2.3 地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

由“2.1”和“2.2”結(jié)論可知，包頭市并未出現(xiàn)Cr污染，故地累積指數(shù)法僅對(duì)Cu、Zn、Pb、Cd 4種重金屬進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)式3和地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（表4）可知，5種重金屬元素的地累積指數(shù)范圍為：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個(gè)區(qū)域的土壤樣品均受到不同程度的Cd污染，其中南海濕地公園為中-強(qiáng)污染，賽罕塔拉城中草原和八一公園為中污染，包鋼公園為輕污染；Pb除在賽罕塔拉城中草原為中污染外，其他3個(gè)區(qū)域表現(xiàn)為輕污染或者無污染；其他兩種重金屬在4個(gè)區(qū)域表現(xiàn)為輕污染或者無污染。

2.4 潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

對(duì)包頭市典型城市綠地土壤潛在生態(tài)危害指數(shù)及風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)行評(píng)價(jià)（表5）可知，Cd在賽罕塔拉城中草原和南海濕地公園處于很強(qiáng)的潛在生態(tài)危害，在八一公園表現(xiàn)為強(qiáng)潛在生態(tài)危害，在包鋼公園處于中等潛在生態(tài)危害；而研究區(qū)域Cu、Zn、Pb、Cr均處于輕微潛在生態(tài)危害狀態(tài)，其中Pb和Cu在以上評(píng)價(jià)中因含量超過背景值較多而表現(xiàn)出較重的污染，但因其毒性系數(shù)較小，僅為Cd的1/6，表現(xiàn)出較低的潛在生態(tài)危害。通過比較RI可知，除包鋼公園處于輕微潛在生態(tài)危害以外，其他3個(gè)研究區(qū)域均處于中等潛在生態(tài)危害，表明包頭市城市綠地已經(jīng)受到很大程度的人為污染。

2.5 土壤重金屬生態(tài)毒性評(píng)價(jià)結(jié)果

土壤重金屬含量超過最低效應(yīng)（LEL，當(dāng)重金屬含量低于LEL時(shí)，不利于生物生長(zhǎng)的毒性效應(yīng)很少發(fā)生[14]）或嚴(yán)重效應(yīng)（SEL，重金屬元素含量高于SEL時(shí)，不利于生物生長(zhǎng)的毒性效應(yīng)將頻繁發(fā)生[14]）閾值時(shí)，會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不同程度的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和毒性效應(yīng)[12，13]。通過與土壤重金屬產(chǎn)生的生態(tài)閾值（表2）對(duì)比發(fā)現(xiàn)，評(píng)價(jià)的5種重金屬元素在所有研究區(qū)域內(nèi)均未超過SEL，但Cu在4個(gè)研究區(qū)域、Pb在賽罕塔拉城中草原均超過了LEL，Zn、Cd則在4個(gè)研究區(qū)域均未超過LEL。

根據(jù)土壤重金屬含量與SEL的比值累積得到土壤重金屬毒性單位（∑TU），見圖1。由∑TU可知，4個(gè)區(qū)域的土壤毒性排序：賽罕塔拉城中草原>南海濕地公園>包鋼公園>八一公園，其中4個(gè)研究對(duì)象土壤∑TU<4，表現(xiàn)為無毒性；土壤∑TU在4個(gè)研究區(qū)域貢獻(xiàn)比較高的有Cr、Cu、Pb、Zn，最低的為Cd。

3 討論

研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，污染嚴(yán)重的主要為南海濕地公園和賽罕塔拉城中草原區(qū)域，這可能是由于這兩個(gè)區(qū)域作為旅游區(qū)人口活動(dòng)密集，且南海濕地公園位于包頭二里半機(jī)場(chǎng)附近造成其濃度較高。

不同的評(píng)價(jià)方法在計(jì)算手段和側(cè)重點(diǎn)上的不同導(dǎo)致所得結(jié)果有所不同。尤其是毒性單位法與其他3種方法評(píng)價(jià)結(jié)果有很大不同，結(jié)果顯示包頭市城市綠地重金屬污染較輕，無急性生物毒性。前3種評(píng)價(jià)放大都表明Cd是4個(gè)研究區(qū)域污染最嚴(yán)重的元素，但Cd對(duì)土壤毒性的貢獻(xiàn)卻不大，主要是由于Cd的SEL（10 mg/kg）相對(duì)較大，導(dǎo)致其毒性值較小。宋玉芳等[17]研究也表明蔬菜對(duì)Cu的毒性效應(yīng)最敏感，而對(duì)Cd的毒性效應(yīng)不敏感，在大量吸收Cd的情況下仍能良好地生長(zhǎng)。

4 結(jié)論

在4個(gè)研究區(qū)域，Cd均超過土壤背景值；Pb、Cu偏高于內(nèi)蒙古土壤背景值，在賽罕塔拉城中草原Pb、Zn超過全國(guó)土壤背景值；Zn在包鋼公園和賽罕塔拉城中草原高于內(nèi)蒙古土壤背景值；Cr均未超過土壤背景值。

單因子和地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果為在4個(gè)研究區(qū)域Cd污染最為嚴(yán)重，其次是Pb，其他3種重金屬表現(xiàn)為無污染或者輕污染；內(nèi)梅羅污染指數(shù)顯示除在包鋼公園為輕污染外，其他3個(gè)區(qū)域均表現(xiàn)為重污染。

Cd在4個(gè)區(qū)域均為中等以上的潛在生態(tài)危害，其他4種重金屬處于輕微潛在生態(tài)危害；除包鋼公園整體處于輕微潛在危害外，其他3個(gè)研究區(qū)域均處于中等潛在生態(tài)危害。

土壤毒性大小為賽罕塔拉城中草原>南海濕地公園>包鋼公園>八一公園，但其均表現(xiàn)為無毒性。

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