基于土壤重金属的城市土壤环境质量评价研究——以重庆市北碚区为例

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城市是人类文明的产物,是人们生存的不可缺少的场所,在城市化进程迅速发展的时代,城市生态环境质量日益受到广泛关注。城市土壤作为城市生态系统的重要组成部分,对绿地植物的生长起到了至关重要的作用,其环境质量对于城市生态环境和人类健康有十分重要的作用。同时近年来城市大气中形成的雾霾也会受到绿地土壤质量的影响。本文以北碚城区为研究对象,将研究区分为4个功能区取样,共计42个样点;在每个功能区内,挖取一个剖面,根据剖面发育情况,每个剖面分为3-4层取样。主要对北碚区城市土壤部分理化性质(pH值、容重、有机质和机械组成)、重金属Cd、Pb、Cu、Zn的全量和有效态含量以及Pb的化学形态进行了测定和分析,结果表明:   (1)北碚区城市土壤重金属Cd、Pb、Cu、Zn大部分超过背景值,但未超过国家土壤环境质量标准。北碚区城市土壤重金属Cd、Pb、Cu、Zn全量平均值分别为0.23mg/kg、22.08mg/kg、25.60mg/kg、104.57mg/kg,其有效态含量均值为0.08mg/kg、2.45mg/kg、2.37mg/kg、5.95mg/kg;其活化率的差异性很大,分布情况为0%-92.32%、1.27%-31.48%、1.39%-30.88%、1.04%-27.38%。北碚区城市土壤的重金属全量、活化率与有效态含量的数值高低存在一定差异。北碚区城市土壤重金属Cd、Pb、Cu、Zn大部分超过其背景值,Cd超过背景值的比例最大,达到了80.95%,但参照国家土壤环境质量标准(GB15618-1995),大部分土壤属于一级土壤的限定值,小部分属于二级土壤的限定值,这表明北碚区城市土壤的环境质量基本上可以维护人体健康。   (2)北碚区城市土壤的剖面中,土壤表层存在一定程度的重金属元素积累,剖面上土壤重金属表聚现象说明人类活动是其重要来源,土壤母质作为内源是北碚城市土壤重金属含量的次要来源。多数土壤剖面各土层重金属全量分布较为均匀,但部分分布有较大差异。土壤表层重金属有效态含量与活化率的分布规律较为一致,都比重金属全量在土壤剖面的表聚性强(除居民区的样点剖面外);土壤剖面下层有效态含量和活化率均很小并趋近于0。这与表层生物影响较大,有机质含量、粘粒含量较高,吸附了更多的有效重金属元素,使其有效态含量增加有关。因此,仅全量差异难以说明重金属对环境的冲击,重金属有效态含量对土壤环境质量的指示作用更为显著,防控城市土壤重金属污染应加强对土壤重金属外部来源的控制。   北碚区城市土壤中Pb、Cd、Cu、Zn的全量、有效态含量的相关性都很好,有效态含量与全量的相关性均为极显著性正相关,说明这四种重金属在来源上具有一定的一致性,伴生性较好,在协同作用下复合污染的可能性会增强。   (3)北碚区多数城市土壤剖面不同土层中四种重金属元素含量差值较小,分布较为均匀;城市功能区之间重金属元素垂直分布规律性较差,特别是居住区与其他功能区差异较为明显。这表明城市土壤受客土影响、人为扰动土层的影响较大,搬迁过来发育时间较短,打破了城市土壤在剖面发育的规律性,不同土层间发生学上联系被扰乱甚至没有发生学的联系。   (4)北碚区城市土壤表层重金属Pb的不同形态的含量为残渣态>碳酸盐结合态>铁锰氧化物结合态>可交换态>有机结合态。在北碚区各个功能区中,各个化学形态所占的比例差别很大,但Pb各化学形态含量的大小顺序与北碚区城市土壤表层重金属Pb的各化学形态含量的大小顺序一致。通过通径分析,发现对北碚区城市土壤重金属Pb的有效态含量起贡献的主要是其化学形态中的可交换态Pb和有机结合态Pb,其次是碳酸盐结合态Pb和残渣态Pb,贡献最小的是铁锰氧化物结合态Pb。北碚区城市土壤Pb各种形态随全量的增加而增加,其中可交换态的增加更为显著;随土壤pH的增加可交换态极显著下降而残渣态增加;土壤有机质对Pb的形态影响较为复杂,Pb的有机结合态随有机质增加而极显著增加;土壤质地对Pb的形态影响较为复杂。   北碚区城市土壤重金属Pb的生物活性系数和迁移系数都比较低,表明其在土壤中较为稳定,目前对人类健康和生态危害的影响较小。但由于重金属在土壤中处于动态系统中,会随重金属全量、土壤pH、有机质、粘粒含量以及人类活动的变化而产生变化,甚至有可能随扬尘进入城市大气中形成雾霾,所以对于城市土壤中的重金属的潜在生态危害提高重视程度,防止其对人类健康和生态的破坏。   (5)本文分别基于全量和基于有效态,采用单项污染指数、内梅罗综合污染指数和潜在生态指数法的评价方法得出的结论大体一致,土壤中Pb、Cu、Zn的污染指数都处于安全级别或轻度潜在生态风险级别,土壤Pb的生物活性系数和迁移系数的结果也与其一致;土壤中Cd的污染程度和潜在生态风险程度最大,其中,Cd的全量评价虽为轻度污染,但其基于有效态的评价则是97.62%的Cd处于安全级别。相比之下,基于有效态的评价可以更为准确反应土壤中重金属的环境效益和生态风险程度,开展城市土壤质量的评价采用区域土壤有效态污染起始值作为评价标准不仅是可行的,而且更能精准的评价土壤重金属的污染程度和生态风险,以便制定适当的措施来保护土壤环境。   通过对北碚区城市土壤环境质量的评价,表明北碚区城市土壤总体上处于安全无污染的状态,符合城市生态环境保护的要求。但由于重庆市处于亚热带湿润季风气候,降水较多,土壤易淋溶致酸,重金属的活性随pH的降低而增大,所以对于城市土壤中的重金属的潜在生态危害提高重视程度,应尽早采取措施,防止其对人类健康和生态的破坏。
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