长春市建成区土壤重金属污染与生态风险评价

第40卷 第2期2021年5月              世 界 地 质GLOBALGEOLOGY
Vol 40 No 2
May2021  文章编号:1004—5589(2021)02—0467—08
王天欣,陆继龙,赵威,刘洋,李彤,来雅文
吉林大学地球探测科学与技术学院,长春130026
摘要:为了解长春市建成区土壤重金属的污染情况及其存在的潜在生态风险,以长春市建成区内土壤
为研究对象,对样品进行系统采集,以电感耦合等离子体质谱法为手段,分析测定As、Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni7种重金属的含量,同时通过单因子指数法、内梅罗综合污染指数法及潜在生态风险指数法等方法评价长春市建成区表层土壤重金属的空间分布情况及其污染程度。结果表明,7种重金属在研究区均表现为不同程度的污染,除Zn外均值都大于吉林省土壤背景值,长春市建成区土壤中As和Cr以污染状态为主,主要出现在长春市建成区中部与南部地区。长春市建成区土壤重金属潜在危害程度依次为A
s>Cd>Cu>Pb>Cr>Ni>Zn,各种金属元素中,存在潜在生态危害的重金属主要是Cd,综合潜在生态指数为轻微生态危害程度,研究区总面积的1 28%达到强生态危害程度,这些污染高值区分布着众多工厂,其形成可能与工业生产有关。
关键词:城市土壤;重金属污染;潜在生态危害;评价;长春市
中图分类号:X53   文献标识码:A
   doi:10 3969/j issn 1004  5589 2021 02 025收稿日期:2020  10  12;改回日期:2021  02  17
基金项目:吉林省生态环境厅项目(2019  12)通讯作者:来雅文(1972—),女,副教授,主要从事应用地球化学、岩矿分析方面的研究。E mail:laiyw@jlu edu cn
Soilheavymetalpollutionandecologicalriskassessment
inbuilt upareaofChangchunCity
WANGTian xin,LUJi long,ZHAOWei,LIUYang,LITong,LAIYa wen
CollegeofGeo explorationScienceandTechnology,JilinUniversity,Changchun130026,China
Abstract:Inordertounderstandthepollutionofheavymetalsinthesoilinbuilt upareaofChangchunCityanditspotentialecologicalrisks,thesoilinbuilt upareaofChangchunCitywastakenastheresearchobject,andsampleswerecollectedsystematically.Inductivelycoupledplasmamassspectrometywasusedtoanalyze7kindsofheavymetalscontent(i e ,As,Cd,Pb,Cr,Cu,Zn,andNi).Atthesametime,thespacedistributionandpol lutiondegreeofheavymetalsinsurfacesoilofbuilt upareaofChangchunCitywereevaluatedthroughsinglefactorindexmethod,Nemerowcomprehensivepollutionindexmethod,potentialecologicalriskindexmethodandotherevaluationmethods.Theresultsindicatedthat7heavymet
alsfromthestudyareaallshoweddifferentdegreesofpollution,exceptforZn,theaveragevaluesofwhichweregreaterthanthesoilbackgroundvalueinJilinProvince.AsandCrinthesoilinbuilt upareaofChangchunCityweremainlypolluted,mainlyappearedinthecentralandsouthernpartsofbuilt upareaofChangchunCity.Thepotentialhazardsofsoilheavymetalsinbuilt upareaofChangchunCityareAs>Cd>Cu>Pb>Cr>Ni>Zn.Amongvariousmetalelements,theheavymetalswithpo tentialecologicalhazardsaremainlyCd,andthecomprehensivepotentialecologicalindexbelongstoslightecologi calhazards.1 28%ofthestudyareareachedalevelofstrongecologicalhazards.Therearemanyfactoriesinthese
high pollutingareas,andtheirformationmayberelatedtoindustrialproduction.
Keywords:urbansoil;heavymetalpollution;potentialecologicalhazards;assessment;ChangchunCity
0 引言
网联网城市土壤对城市的经济、环境和生态具有重要作用,在城市的可持续发展中扮演着重要的角[1  3]。在城市化和工农业的极速发展进程中,城市土壤重金属的污染情况越来越严重,给城市生态环境和人类健康带来了极大的危害[4  6],近年来,城市土壤重金属的污染情况受到国内外众多学者的关注,并且对此展开了研究。1980年,瑞典环境学家Hakanson[7]提出了潜在生态风险指数法,此方法结合应用毒理学及重金属生态环境风险两个方面,使重金属对生态环境的胁迫程度表现的更加直观。杨忠平等[8]对于长春市城区表层土壤重金属污染来源进行解析。沈梦楠等[9]对长春市不同功能区土壤重金属污染风险进行了评价。
长春市是中国重要的工业城市、东北亚经济中心城市,是中国综合交通枢纽。其拥有的大型企业经营范围多样,例如一汽集团、热电厂、机械厂、建材厂和塑料厂等企业,这些工业虽然带动了长春市经济的发展,但同时也给长春市带来了巨大的环境问题。因此,为了解长春市建成区土壤重金属含量分布情况并对其风险进行评价,笔者以长春市建成区表层土壤为研究对象,采用单因子指数法、内梅罗
综合污染指数法等方法,对土壤中7种重金属(As、Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni)的污染特征及土壤环境质量进行分析,并且利用潜在生态风险指数法评价长春市建成区土壤存在的风险,对城市建设的规划、人类健康的保障、城市环境质量的改善等提供参考。
1 研究区概况
长春市是吉林省省会,位于吉林省的中北部,总面积为20593 14km2,其中建成区面积为660 19km2。长春市位于东北交通的网络中心,处于辽、吉、黑、内蒙古4省区通衢的十字要冲。长春市作为老重工业基地,工业基础雄厚,拥有一汽集团和长春客车厂等多家大中型企业,工业体系主要为机械制造业,同时兼备食品、医药和光电等众多工业:蓄电池厂、有金属加工厂、机械厂、热电厂、印刷厂和小型钢厂等。长春市建成区土壤类型主要为黑钙土、黑土及暗棕壤等,土质较肥沃。
2 材料与方法
2 1 土壤样品采集与测试
笔者以长春市建成区为研究区域,严格按照规范[10]要求对长春市建城区土壤样品进行采集。采样点的布点方法采用网格化均匀的分布方法,以1个点/4km2设点,取地表0~20cm的土壤,
共取得156个土壤样品,采样点分布图如图1所示。用铲子取1kg±土壤样品放置于布袋内写好标签,置于室内背光处自然风干,风干后取出样品,剔除植物残体和石块,磨碎并过100目筛,用四分法取出100g作为待测样品[11  13]
激光除锈图1 样品采集点在长春市建成区的分布
Fig 1 Distributionofsamplecollectionpointsinbuilt upareaofChangchunCity
采用环保部HJ830—2016推荐方法[14]进行土壤样品的重金属测定。测试分析As、Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni等7种重金属的含量,各元素均采用电感耦合等离子体质谱法(ICP  MS)测定。试验中所用到的As、Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni的标准溶液购于国家标准物质中心。其余药品购于北京化
4                世 界 地 质                 第40卷
学研究所,均为优级纯,用王水(盐酸  硝酸溶液)浸泡玻璃器皿和塑料器皿2
4h,再用超纯水洗涤。实验过程中均设置空白样品,且在分析过程中利用国家标准物质(GSS  1)进行质量控制。2 2 土壤重金属污染评价方法
本文采用单因子污染指数法及内梅罗综合污染
指数法[
15  16]
两种污染评价方法,结合当前工作所得长春市建成区土壤重金属含量数据,对长春市建成区进行土壤重金属污染评价,污染评价方法计算公式为:
(1)单因子污染指数法
Pi
=Ci
Si
(1)
式中:Pi表示单因子污染指数,Ci表示重金
属i的实际测量浓度;Si表示各元素土壤环境背景值,本研究选用吉林省土壤重金属元素的平均背景
值[
17]
作为污染物的评价标准,将污染程度标准分为:Pi≤1,没有受到污染;1<Pi≤2,污染程度为轻度;2<Pi≤3,污染程度为中等程度;Pi>3,污染程度为重度。
2)内梅罗综合指数法I=
P2
imax+1n∑P()
(2)
式中:Pi为第i个土壤样品点的单因子污染指数值,Pimax表示为单因子污染指数值的最大值,n表示长春市建成区土壤样品点的数量,内梅罗综合污染指数的分级标准见表1。
表1 内梅罗综合污染指数分级标准[
15]
Table1 ClassificationstandardofNemerowcomprehensivepollutionindex
内梅罗综合污染指数
一级土壤(清洁)
二级土壤(安全)
三级土壤(警戒)
超三级土壤(污染)
I≤1
1<I≤2
2<I≤3
I>3
2 3 潜在生态风险指数法
采用潜在生态风险指数法[18  20]
评价其潜在生
态风险,计算公式为:
RI=∑m
i=1Eir=∑m
i=1
(Ti
×Ci
dCir
)(3)
式中:Ti
r表示重金属r的毒性系数(TCd=30、TAs=10、TPb=TCu=5、TNi=TCr=2、TZn=1);Ci
r为吉林省土壤背景参考值;Cid为土壤样品实测含
量;Ei
r表示重金属r
的i样点的单一潜在生态风险系数;RI表示多种重金属潜在风险指数。Ei
r和R
I的分级标准见表2。
表2 重金属污染潜在生态危害指数法分级标准[
21]
Table2 Classificationstandardsofpotentialecologicalhazardindexmethodforheavymetalpollution
单一金属潜在生态风险系数
污染等级多金属潜在生态风险指数
<40轻微生态危害RI<15040~80中等生态危害150≤RI<30080~160强生态危害300≤RI<600160~320很强生态危害RI≥6
00≥3
20极强生态危害
3 结果与讨论
3 1 土壤重金属含量特征分析
统计分析长春市建成区表层土壤重金属的含量
(表3
),可以看出重金属As、Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni这7种重金属的平均含量依次为28 63、0 11、33 34、124 75、22 19、48 33和23 19mg/kg。As、Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni的平均含量分别是吉林
LED路灯外壳
64第2期          王天欣,等:长春市建成区土壤重金属污染与生态风险评价
省土壤背景值的3 58、1 15、1 16、2 67、1 30和0 60倍,其中Cd、Pb、Zn、Ni的平均含量与吉林省土壤背景值差别不大,As、Cr的平均含量远超过吉林省土壤背景值。P
b、Cu、Zn这3种重金属中均出现了极端异常值,说明长春市建成区表层土壤重金属的含量及其分布情况受人类活动影响严重,并且不同区域间重金属含量有明显的差异。土壤变异系数可表示长春市表层土壤样品中采样点的变异程度,各金属的变异系数可划分成以下3个
层次:Pb、Cu的变异系数超过100%,Cd、Zn、Cr的变异系数为50%~100%,As、Ni的变异系数<50%,反映不同地点的Pb、Cu、Cd、Zn、Cr含量均有较大的差异,各采样点A
s、Ni分布相对较集中。7种重金属元素变异系数大小依次是Pb>Cu>Cd>Zn>Cr>As>Ni,其中Pb的变异系数最高,达1
84%,说明重金属Pb含量空间分布差异最大,存在区域异常点。
表3 长春市建成区土壤重金属含量统计
Table3 Statisticalvaluesofsoilheavymetalcontentsinbuilt upareaofChangchunCity
/mg·kg
-1
As
CdPbCrCuZnNi最小值2 470 0111 227 418 969 387 46最大值68 680 94716 18374 26326 66379 1253 32平均值28 630 1133 34124 7522 1948 3323 19中值28 990 0822 63125 8218 3337 1723 58标准差13 790 1161 2666 5725 9642 827 06变异系数/%
48 1695 80183 7653 36116 9888 6030 44吉林省土壤背景值[
17]
8 000 1028 8046 7017 1080 4021 40富集系数
3 58
1 15
1 16
2 67
1 30
0 60
1 08
3 2 土壤重金属污染特征和空间分布
采用单因子指数法评价土壤环境质量指标,表4、表5为数据计算分析结果。长春市建成区表层土壤中各重金属单因子指数值依次为A
s>Cr>Cu>Cd>Pb>Ni>Zn。除Ni外均出现了污染样点,As、Cr、Cd、Pb、Cu、Zn的污染样点分别占长春市建成区总面积的5
9 62%、42 95%、3 85%、2 56%、1 92%、1 28%(表4),重金属As、Cr、Cd、Pb的环境质量分布情况如图2所示,其中As元素污染样点占长春市建成区总面积最大(图
电压互感器柜2a),污染形成可能与工农业生产活动有关。
内梅罗综合污染评价显示(表5),长春市建成区土壤环境质量等级中清洁、安全状态约占长春市建成区总面积的6
41%和21 15%,警戒状态约占25 64%,污染状态约占46 79%,受污染面积相对较大(图3)。达到污染状态区域分布在长春市建城区的南部地区,在这些污染较严重区域内分布着众多的工业企业,如第二污水厂、一汽集团、护栏厂、热电厂、能源研究所、电池公司和机械厂等,对长春市建成区土壤重金属的含量产生影响。
表4 长春市建成区土壤重金属单因子评价指数
Table4 Singlefactorevaluationindexofsoilheavymetalsinbuilt upareaofChangchunCity
 AsCdPbCrCuZnNi最小值0 310 130 390 160 500 120 28最大值
8 589 4724 878 0119 104 722 50平均值
3 58
1 16
1 15
2 73
1 30
骨刺灵0 60
1 08
74                世 界 地 质                 第40卷
表5 长春市建成区表层土壤重金属环境质量各等级面积的百分比
  Table5 Percentageofeachgradeareaofsurfacesoilheavymetalenvironmentalqualityinbuilt upareaof
ChangchunCity
/%
AsCdPbCrCuZnNi综合一级土壤(清洁)7 6958 9768 5912 1835 9089 7440 386 41二级土壤(安全)13 4628 8525 0022 6456 418 9758 9721 15三级土壤(警戒)19 238 333 8521 795 77/0 6425 64超三级土壤(污染)
59 62
3 85
2 56
42 95
1 92
1 28
46 79
频率补偿
     注:“/”为0
(a)As;(b)Cr;(c)Cd;(d)Pb。
图2 As,Cr,Cd和Pb元素污染评价结果空间分布图
Fig 2 SpatialdistributionofassessmentresultsofAs,Cr,CdandPbelementpollution
74第2期          王天欣,等:长春市建成区土壤重金属污染与生态风险评价

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