上海中心城區不同土地利用類型重金屬累積特征及其環境效應

0人體危害危害城市是人類活動最強烈的地區，其環境受到人類活動的嚴重影響。交通、生活和工業生產導致土壤和灰塵中重金屬的積聚。根據研究，城市地表徑流和土壤受到不同程度的重金屬污染。隨著城市人口的增加，土壤和地表徑流的重金屬可以直接通過灰塵和土壤和灰塵接觸，對人體構成威脅。同時，地表徑流的清理使土壤和地表徑流中的重金屬進入受體水體，導致地表水污染和其他環境問題。城市土壤重金屬研究始于20世紀60年代.至目前為止,歐、美等發達國家對其城市土壤、灰塵重金屬污染問題研究方興未艾,國內也有相關報道(如,香港、南京、北京).但是探討城市內部不同土地利用方式對土壤和灰塵重金屬含量及其環境效應的研究仍不足.上海市處在我國改革開放前沿,近20a來土地利用/土地覆蓋格局發生了前所未有的快速變化,城市一直處于高速或快速擴展階段,在城市化進程中,自然狀態的下墊面被完全人工化,如被工業、交通、商業和居住用地所代替.鑒于此,本文選取上海中心城區作為典型的研究區域,研究和分析城市不同土地利用類型中重金屬元素在土壤和灰塵中的污染特征,并進一步探討其環境效應,以期為解決城市環境重金屬污染提供科學依據.1材料和方法1.1上海中心城區上海地區地勢平坦,氣候濕潤,降水充沛,年平均降水量大部分地區在1027~1111mm,年均風速市區2.9m·s-1,郊區3.1~4.1m·s-1.全市總人口1464萬,其中城市人口869萬.上海中心城區經濟發達、交通便利、商貿繁榮,共有黃浦(包括原黃埔和南市兩區)、盧灣、徐匯、長寧、靜安、普陀、閘北、虹口和楊浦等9個區組成(圖1),面積共289km2.1.2樣品采集與分析1.2.1商業用地和綠地根據研究區土地利用特點,本文選取5種主要土地類型:交通用地、居住用地、工業用地、商業用地和綠地.相應的,工業區選擇以桃浦工業區為代表;居民用地選擇城市中心區華東師大一村和武寧新村等為代表;交通用地選擇中山北路和上海火車站等交通要道為代表;商業區選擇淮海西路和徐家匯;綠地選擇淮海公園和延安東路綠地等為代表進行布點和取樣.1.2.2樣品的采集與測定2004年10~12月間,從各主要土地類型典型區采取69個代表性表層(0~2cm)土壤(圖1).每個土壤混合樣品均取8~10個采樣點組成1個混合樣品.另外,同點同步收集地面灰塵樣品69個,準同步采集3次降雨徑流樣品.土壤和灰塵樣品經冷凍干燥、過100目篩后,選擇人類活動源元素Cu,Zn,Pb,Cr作為測定對象.全量浸提采用HNO3-HClO4-HF消化法制樣,以603型原子吸收光譜儀火焰法分別測定,各元素分析誤差均<±10%.同時,為了保障測試結果的可靠性,在進行樣品測試時,加入國家標準土壤標樣(GSS-1)進行分析質量控制.地表徑流重金屬全量采用HNO3-HClO4消解后,以603型原子吸收光譜儀火焰法分別測定.2結果與討論2.1地表石灰中zn-cr含量的相關分析表1反映了上海城市不同土地類型地表灰塵重金屬含量狀況.可見,5種主要土地利用類型中地表灰塵重金屬含量存在顯著性差異,各元素在工業、交通和居住用地中的含量普遍偏高,而在綠地中的含量普遍偏低.Cu,Cr,Zn在工業用地的含量最高,分別為278mg·kg-1,1264mg·kg-1,7593mg·kg-1,其次為交通、居住和商業用地,而在綠地中最低;Pb以交通用地(4725mg·kg-1)、居住用地(3647mg·kg-1)最高,約是商業和綠地含量的2~3倍.從標準差與平均值之比可以看出,在5類灰塵中,Pb的變異系數均較大,而Cr的變異系數均較小.地表灰塵中各種重金屬含量的相關分析表明,交通、商業、居住和綠地灰塵樣品中,Zn-Cr均存在顯著的相關性,但在工業用地中不存在這種相關性;在交通、居住和綠地中均存在Cu-Cr顯著相關(表2).另外,Veeken等(1999)認為,如果重金屬元素之間在同一土地類型樣本中存在依存關系,則說明它們的來源途徑是相似的,反之,則來源途徑不同.由表2可以看出,工業用地中僅有Cu-Zn達到顯著相關,即在大廠區各個樣點地表灰塵重金屬依存關系不明顯,來源途徑不同.不同企業灰塵重金屬積累不同,如,鋼鐵冶煉的工業區地表灰塵以Pb和Zn污染嚴重,而石油化工和電力生產企業以原料和燃料性質不同造成地表灰塵的積累又有所不同.交通用地中,Cu-Cr和Pb-Cr相互之間依存關系明顯,均在0.05水平上顯著相關.其他的金屬元素來源途徑相差較大,依存關系不明顯.商業用地中Zn和Cr相關系數r2為0.983,在0.01水平上顯著相關,說明商業用地地表灰塵重金屬Zn和Cr來源相似,這可能受汽車尾氣排放,以及含銅、鉛和鋅的裝飾材料和管材等的影響有關.居住用地Cu,Zn和Cr依存性關系顯著,其他重金屬之間關系不明顯.綠地中,各種重金屬含量較低,但依存關系明顯,除了Zn-Pb和Pb-Cr依存關系不明顯外,其他的重金屬均存在顯著相關,其中,Cu-Zn,Cu-Pb和Zn-Cr均達到極顯著相關,說明綠地中地表灰塵重金屬來源途徑相似,主要是來自街道及工廠等廢氣降塵.2.2居住用地和用地表3為城市土壤重金屬在各土地類型中的平均含量及其標準差.可見,Cu在商業用地中最高(75.2mg·kg-1),其次為綠地(54.0mg·kg-1)、交通(48.5mg·kg-1)、居住用地(41.5mg·kg-1)和工業用地(35.0mg·kg-1);Zn在交通用地(2963.0mg·kg-1)、居住用地(2700.3mg·kg-1)中含量較高,在工業用地(1540.2mg·kg-1)中含量較低;Pb在居住用地中富集明顯(595.4mg·kg-1),交通(528.1mg·kg-1)和綠地(532.50mg·kg-1)含量基本相同,最低的是工業用地(430.0mg·kg-1);Cr在各土地類型中相差不大,以居住用地中最高(627.4mg·kg-1),以工業用地中含量最低(524.1mg·kg-1).2.3土壤重金屬含量選取Cu,Zn,Cr和Pb共4種元素用內梅羅計算式評價不同土地類型重金屬污染強度,公式如下,式中P為土壤重金屬綜合污染指數,i為重金屬種類,Ci為重金屬元素的實測濃度,Si為上海市土壤重金屬i的環境背景值,n為參與評價的重金屬的種類總數.圖2反映了不同土地類型灰塵和土壤重金屬P,可以看出,灰塵重金屬污染比土壤嚴重得多,同一土地利用類型灰塵P值為土壤的3~4倍.同南京相比,上海城市土壤P值偏高.各土地利用類型P相比:(1)地表灰塵中,P值按下列順序遞降,居住用地(67.5)>交通用地(63.9)>工業用地(50.9)>商業用地(46.2)>綠地(40.5),對P貢獻最大的重金屬是Pb,最小的為Cu;(2)土壤中,以交通用地(22.9)和居住用地(21.2)最高,其次為綠地(18.7)和商業用地(18.5),而工業用地(12.5)最低,對P值貢獻最大的是Zn,最小的是Cu.2.4降雨重金屬ec值在非點源污染源中,城市降雨徑流是受納水體水質退化的重要原因,而城市土壤與地表灰塵重金屬的累積又成為降雨徑流的重要的“源”.不同土地利用類型由于重金屬富集程度不同,對降雨徑流重金屬濃度影響也存在差異.下面利用重金屬平均濃度(EMC)來研究不同土地利用類型城市降雨徑流重金屬污染狀況.公式如下,式中,Cj(mg·kg-1)表示一次降雨過程第j(j=1,2,…,n)取樣時間段內徑流水樣中的重金屬濃度;Vj(m3)表示第j時間段內的徑流量;n為一次降雨過程取樣次數.通過對不同土地類型路面徑流的采樣試驗結果,運用上述EMC的計算方法,分析了不同土地類型的降雨重金屬EMC值(圖3).可以看出,4種重金屬的濃度均以工業用地最高,其中Cr(6.9mg·L-1),Pb(500mg·L-1),Zn(3.9mg·L-1)遠高于其他土地類型;其次為交通用地,Cr,Pb,Zn的濃度分別為0.9mg·L-1,260mg·L-1,2.3mg·L-1;相比之下,商業區和居民區重金屬EMC值較小,綠地EMC值最低.工業區重金屬濃度含量高與工業生產有很大的關系,這可能是因為工業區雖然進行了改善生產環境,但工業生產會產生大量的重金屬元素,可以通過大氣中的粉塵排放,這些吸附在小顆粒物上的重金屬的量最多,因此在工業區內,徑流中的重金屬濃度含量很高.徑流中交通區EMC值也很高,這主要是與交通區的機動車輛的運動緊密相關,機動車的制動器、車體、輪胎、燃料及潤滑油是交通區徑流中重金屬Cr,Cu,Pb和Zn的主要來源,其重金屬濃度要高于商業區和居民區.對比表1、表3及圖3,從耦合關系來看,不同土地利用類型地表灰塵與降雨徑流重金屬的耦合關系明顯,與土壤關系不明顯.這可能是因為在降雨中,地表灰塵直接被沖刷溶解而成為地表徑流的直接污染源.相比之下,城市土壤多被水泥等硬化地面所覆蓋,出露較少,對地表徑流的影響較小.3土地利用類型對土壤重金屬含量的影響通過對上海中心城區5種主要土地利用類型地表灰塵與土壤重金屬Cu,Cr,Zn和Pb積累差異及其環境效應的研究,獲得如下結論:(1)土地利用方式對重金屬在地表灰塵與土壤中的積累有較明顯的影響.地表灰塵重金屬在工業、交通和居住用地中的含量普遍偏高,而在綠地中的含量普遍較低.土壤重金屬在不同土地利用方式下的含量差別較大,情況比較復雜,在交通用地中濃度普遍較高,而在工業用地中濃度普遍較低;(2)不同土地利用類型中,土壤