城市土壤重金屬污染監(jiān)測與磁響應和生態(tài)風險研究.pdf

1、本研究采集杭州和洛陽城市不同功能區(qū)表土樣品，測定了七種金屬元素含量及其化學形態(tài)，并應用GIS軟件結合地統計方法研究了重金屬元素的空間分異規(guī)律；研究了城市空間擴展、工業(yè)化和交通對土壤重金屬污染的影響；對重金屬污染城市土壤應用化學形態(tài)(Tissier連續(xù)提取法)分級法、化學提取劑(EDTA、HCL)、英國環(huán)境局淋溶試驗法(UKEA)、美國測試和材料協會淋溶試驗法(ASTM)、美國環(huán)保局毒性特性淋溶程序(TCLP)和模擬胃液等方法對重金屬的環(huán)

2、境生態(tài)風險進行了評價，并對模擬酸雨對重金屬溶解行為的影響進行了分析；測定了杭州市區(qū)樹葉灰塵的重金屬含量和磁性以及它們在模擬酸雨浸泡下重金屬的溶出行為；對杭州和洛陽城市表土進行了系統的環(huán)境磁學參數測定，試圖建立磁性參數和重金屬含量之間的關系，并將磁性參數作為重金屬含量的代用指標；用磁分離技術從環(huán)境物質(粉煤灰、汽車尾氣顆粒和城市表土)中提取其中的磁性顆粒分析了污染土壤中磁性物質對重金屬的富集作用，用掃描電鏡和能譜分析儀研究了污染物質中磁性

3、顆粒的微觀結構和化學元素組成，試圖闡明磁性參數指示重金屬污染的機理。研究結果表明： (1)杭州城市表土重金屬Pb、Zn、Cu、Cd、Cr、Mn和Fe的平均含量分別為88.17、206.87、51.95、1.20、42.96、701.35mg kg<'-1>和31.01g kg<'-1>。洛陽城市表土重金屬Pb、Zn、Cu、Cd、Cr、Mn和Fe的平均含量分別為：78.48、228.55、90.71、1.51、70.20、538.

4、53mg kg<'-1>和34.43g kg<'-1>。兩個城市不同功能區(qū)土壤重金屬平均含量的順序為：工業(yè)區(qū)>道路>居民商業(yè)區(qū)>公園廣場，地積累評價指數表明，城市土壤受到了重金屬不同程度的污染，其中Pb、Zn、Cu和Cd的污染嚴重，而元素Cr的污染不明顯。 用GIS軟件(ArcGIS8.3和ArcView3.2)結合地統計學方法繪制了城市土壤重金屬含量的空間分布圖，表明城市不同區(qū)域土壤的重金屬含量差異巨大，可能的污染源附近重金屬

5、含量的分布異常，工業(yè)區(qū)土壤重金屬含量較高，其次為商業(yè)區(qū)，交通繁忙的十字路口、主要公交站點附近土壤中重金屬含量較高。土壤重金屬含量與城市的工業(yè)分布、交通流量和人口密度密切相關。該圖可以較好地反映重金屬在不同城市功能區(qū)的分布與變異。 (2)城市化、工業(yè)化和交通對土壤的重金屬污染研究表明，在杭州城區(qū)-郊區(qū)生態(tài)樣帶土壤中的重金屬含量隨著城市的擴展，Pb、Zn、Cu和Cd含量從城區(qū)向郊區(qū)降低，而Fe、Mn元素則變化較小，表明了城市化過程中

6、重金屬污染物的積累；洛陽工業(yè)區(qū)附近土壤的土壤重金屬含量表明了相同的分布規(guī)律；高速公路兩側土壤的重余屬含量測定表明以汽車尾氣為主要污染源的重金屬分布，以距交通線10m左右的土壤最高。重金屬含量的剖面分布表明，0～20cm土層中金屬元素含量較高，隨著土層重金屬含量逐漸下降。 (3)用Tessier五級連續(xù)提取方法把城市土壤重金屬的化學形態(tài)分為五種，即：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)，殘留態(tài)。結果表明，重金屬的形態(tài)

7、以鐵錳氧化物結合態(tài)和殘留態(tài)為主，五種形態(tài)重金屬占全量比例的次序依次為：殘留態(tài)>鐵錳氧化物結合態(tài)>有機結合態(tài)>碳酸鹽結合態(tài)>交換態(tài)。重金屬Pb、Zn和Cd的交換態(tài)和碳酸鹽結合態(tài)所占比例較大，表明這幾種重金屬有潛在的環(huán)境生態(tài)風險。洛陽城市表土重金屬有效態(tài)(非殘留態(tài))所占比例高于當地自然土壤。 應用五種浸提方法(UKEA、ASTM、TCLP、EDTA、0.1mol/L HCl)提取重金屬結果表明，重金屬浸提量的順序為：HCI>EDTA

8、>TCLP>ASTM>UKEA，其中UKEA和ASTM法提取的重金屬含量較低，有些僅為0.1～0.2％；TCLP和EDTA兩種方法的提取率在20～40％之間，相當于Tessier方法中交換態(tài)，碳酸鹽結合態(tài)和鐵錳氧化物結合態(tài)提取率之和。 (4)應用模擬胃液浸提的重金屬作為生物可給性重金屬量，結果表明模擬胃液浸提的重金屬Pb、Zn、Cu、Cd和Cr平均比例分別為2.84、2.28、18.89、13.26和25.09％，以Cr、Cu和

9、Cd浸提率較高，表明它們潛在的生態(tài)風險性較大。道路沿線土壤中Pb、Zn、Cu和Cr的溶出量最高，而Cd的溶出量以居民、商業(yè)區(qū)土壤最高。 模擬酸雨浸提城市土壤的實驗結果表明，模擬酸雨pH值為3.0時的重金屬溶出量最大，隨模擬酸雨pH值增加，重金屬溶出量減小。道路沿線土壤中Pb、Zn、Cu和Cr的溶出量最大。Cd在pH為3.0時溶出比例最大，平均為27.38％，表明在酸雨的作用下，重金屬的潛在生態(tài)風險增大。 (5)對杭州城市

10、樹葉灰塵的重金屬元素含量、模擬酸雨重金屬溶出量和磁化率進行了測定，樹葉灰塵的Pb、Zn、Cu、Cd、Cr、Mn和Fe平均含量分別為：150.86、535.90、63.68、2.62、73.30、526.75mgkg<'-1>和45.64g kg<'-1>。杭州鋼鐵廠、熱電廠附近樹葉上灰塵中重金屬含量顯著高于其他區(qū)域。樹葉灰塵中重金屬Pb、Zn、Cu、Cr之間有極顯著的相關性，表明可能其主要來源相同。模擬酸雨浸提城市灰塵重金屬Pb、Zn、

11、Cu、Cd和Cr的實驗結果表明，隨模擬酸雨pH的增加，灰塵中重金屬的溶出量明顯逐步降低，模擬酸雨pH值超過3.5時，重金屬除Zn外溶出量降低趨緩。從城市不同區(qū)域灰塵中重金屬的溶出來看，工業(yè)區(qū)(熱電廠、杭鋼)灰塵重金屬的溶出較多，其次為交通干道。城市灰塵中重金屬含量與磁性參數的相關性分析表明，磁性參數與重金屬Pb、Zn、Cu和Cr等的含量達到極顯著相關，表明磁測技術可作為監(jiān)測樹葉灰塵重金屬污染的新手段。 (6)城市表土的磁性參數測

12、定結果表明，城市土壤呈現明顯的磁性增強現象，磁性礦物濃度指標(x，ARM，IRM<,20mT>和SIRM)工業(yè)區(qū)>交通沿線>居民商業(yè)>公園和綠地，表明城市土壤的磁性增強是由于工業(yè)活動、汽車尾氣和大氣顆粒沉降的引起的；磁性礦物的粒度特征以假單疇(PSD)和多疇顆粒(MD)為主，區(qū)別于自然成土過程中形成的超順磁性顆粒，礦物磁測和XRD表明城市土壤的主要磁性載體是磁鐵礦和赤鐵礦。工業(yè)區(qū)和道路附近表土中磁性濃度參數(X，ARM，IRM<,20m

13、T>和SIRM)與重金屬(Pb、Zn、Cu和Cd)含量存在顯著的線性正相關，城市土壤的磁化率空間分布圖與重金屬含量分布有高度的一致性，表明城市土壤的磁性指標可作為重金屬含量的代用指標，指示土壤重金屬污染狀況；應用磁分離技術，分離土壤中的磁性組分，經磁性組分和剩余物質的重金屬含量分析，重金屬主要集中于磁性組分中；磁性顆粒的掃描電鏡(SEM)觀察表明，磁性顆粒來自于化石燃料燃燒的污染物質，磁性顆粒的能譜分析(EDX)證明其主要組分是Fe，以