我国城市土壤重金属污染现状及评价研究综述

2016-03-15 18:24潘含岳
河北省科学院学报 2016年3期
关键词:重金属污染土壤

潘含岳

(南京农业大学,江苏 南京 210095)



我国城市土壤重金属污染现状及评价研究综述

潘含岳

(南京农业大学,江苏 南京 210095)

在过去的30年中,我国的城市化正迅速推进。在取得经济发展成果的同时,也暴露出了诸多环境问题,城市土壤重金属污染日益凸显。本文梳理了我国有关城市土壤重金属污染相对有意义的成果,综述了我国城市土壤重金属的污染现状、来源、评价手段,并提出了研究展望,以期为日后相关研究、城市管理等方面提供参考。

城市土壤;重金属污染;污染评价

1 引言

城市土壤研究是环境科学、地球化学、污染生态学等多交叉学科衍生出的土壤学研究下的新领域。国际上自20世纪60年代开始关注城市的土壤重金属污染问题,通过对城市土壤中的重金属含量进行测定分析,发现其污染程度与工业活动、交通运输相关,以此将城市表层土壤中的重金属含量作为城市大气污染指标之一[1]。我国对城市土壤研究相对落后,始于20世纪80年代[2],目前进入快速发展阶段。

最早提出“城市土壤”概念的是Bockheim[3],他认为城市土壤是指由于人为土壤扰动[4](即非农业作用形成)而形成的厚度约等于50cm的城区或郊区土壤。这使得城市土壤在土壤质地、剖面结构、孔隙度等方面与自然土壤有较大不同[5]。

“重金属”的概念依旧模糊,通常是指密度大于4.5 g/cm3的金属。科学研究中重金属是指那些跟工业生产有关并具有毒性的一类元素,包括As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg、Ni、Zn等[6],这些也是城市土壤重金属中的主要研究的重金属元素。

这一领域研究的热门程度可从逐年增加的论文发表数目得知,这与前几年的趋势保持一致[7]。城市具有与日剧增、高度密集的城市人口,与之带来的是人类活动的密集。这样的高度集中使得只占全球地表面积约2%的城市土地上产生着全球80%的污染[8]。重金属污染了土壤后会通过呼吸道吸入、口入、皮肤直接接触等作用于人类[9],尤其对血脑屏障尚未健全的儿童造成伤害[10]。这表明城市土壤在城市人工复合系统同时起到着源[11]和汇[12,13]的作用。因此无论从城市发展的现实指导,还是从人类健康的呵护关怀,对城市土壤的科学研究都具有十分重要的意义。

2 我国城市土壤重金属污染状况

2.1 城市土壤重金属污染情况不容乐观

据2014年环境保护部和国土资源部发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示,我国土壤污染类型是以无机型为主。典型的无机污染物是重金属,报告指出镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍8 种无机污染物点位超标率分别为7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%[14]。

在全国土壤重金属污染严重的背景之下,我国各大城市土壤普遍遭受不同程度重金属污染[15]。在2010年之前,有包括北京、上海、洛阳、青岛在内的20个不同城市已进行了本地土壤重金属含量的测定。结果显示,20个城市土壤中Cr、Cu、Pb、Zn、Ni以及Cd的平均含量分别为78.43、115.07、1350.51、266.40、99.48以及1.58mg/kg,其中所有城市土壤中的Cd、Cu、Pb、Zn含量均超本地土壤背景值[16]。之后我国西北部城市也开始了类似的研究[17-24],得出相似结论。

由于我国自然环境的地带性差异、城市土壤本身受到人为土壤扰动很大,不同城市土壤重金属污染具有较大的空间异质性。我国城市土壤重金属污染的规律可以总结为:中小城市土壤重金属污染要低于特大城市,非工业城市污染程度小于工业城市,以长江作为分界线,长江以北城市土壤重金属污染程度小于长江以南城市[25]。也曾有学者试图将城市土壤的情况与城市的经济发展水平建立联系,得出快速发展中的二线城市土壤的污染程度高于一线城市的结论[16]。

2.2 城市不同功能区土壤重金属污染

由于对土地利用方式、人为活动强度的不同,城市内部不同功能区土壤重金属污染来源、污染程度各有不同,使污染呈现特定的空间分布特征[26]。李一蒙[61]等对全国23个城市土壤的7种重金属含量进行纵向统计,发现其变异系数为38. 62% -75. 30%(中等变异),并认为这与不同城市的人类活动强度和土壤元素背景差异有关。

一般工业区与车辆、人群较聚集的区域呈现较高污染。吴新民[27]等对南京市内冶矿区 、开发区 、商业区 、城市广场 、风景区 、老居民区等六大功能区的土壤进行采样测定,发现其中冶矿区污染程度较高。刘亚纳[28]等对洛阳市内7个不同功能区与土壤重金属污染特征的研究也得出相似结论。张海珍[29]等对西湖景区内5种不同土地利用类型与景区内土壤重金属污染物Cu、Pb和Zn积累影响的研究发现,城市主干道中3种重金属含量是最高的,林地土壤中则含量最低。王幼奇[17]等对宁夏银川市内8个不同功能区与土壤重金属污染程度的研究,同样发现城市道路旁土壤中重金属含量是最高的。

郭伟[18]等对呼和浩特市不同功能区土壤重金属污染特征的研究却得到不同规律,商业区土壤重金属含量最高,城市主干道次之。Chen[30]等对北京市6种土地利用方式(商业区、古代园林、文教区、公共绿地、居民区和城市主干道)与城市土壤中重金属含量研究发现,由于古代园林建筑中颜料、木材保护和黄铜期的使用,造成古代园林中Cd、Cu、Pb以及Zn含量显著高于其他五种土地利用方式下的水平,其次是城市主干道区域的含量。可见,不同城市内部土壤重金属污染空间分布特征差异较大,这是由于不同城市发展历史及水平、产业结构等多方面因素决定的[31]。

3 城市土壤重金属污染来源

3.1 自然源

成土因素包括气候、生物、母质、地形、水文和时间,土壤重金属主要的自然源是成土母质和残落的生物物质中带有的微量重金属[32]。虽然成土过程和其影响因素会造成土壤中重金属量的差异[33],但是这种自然过程是缓慢的。而且在进行研究中,常把未受到或受到较小污染的自然土壤中的重金属含量作为背景值,故自然源的影响在具体评价中是可以被抵消掉的。

3.2 人为源

以往对城市土壤重金属污染源分析的研究中已经可以得出人为源是主要污染来源的结论[34]。人为源主要包括交通运输排放(汽车尾气颗粒、汽车轮胎磨损颗粒、风化路面颗粒、汽车制动磨损颗粒等)、工业活动排放(采矿冶炼活动、化工厂以煤等化石原料为燃料的发电厂等)、居民生活排放等[35-39]。

3.1.1 交通运输排放

Chen[30]等在对北京市几处路段附近土壤采样调查后发现,Cd、Cu、Pb和Zn含量在离道路距离增大时显示减小趋势,同时具有最大车流量的西二环路段土壤样品中重金属含量最高,数据表明Pb含量与车流量有显著关系。这也表明即使中国早在2000年就停止使用将四乙基铅作为车辆防冻剂之后,Pb仍以较高浓度存在于土壤中[40]。各项研究表明[41-43],汽车轮胎和所用燃料在生产时所用添加剂中含有微量重金属,故在轮胎和地面摩擦等机械过程中产生的微粒、燃料燃烧排放废气的颗粒物中附着有重金属元素,使得交通繁忙区域周边土壤中重金属含量相对较高。

3.1.2 工业活动排放

在典型的工业城市中,工、矿业的发展造成工厂周边地区出现与其生产金属本身或有伴生关系的重金属污染。廖晓勇[23]等对镍都金昌市建成区的土壤重金属调查研究显示,Ni和Cu的超标率超50%,Cr污染出现在尾矿库和采矿区附近,与Cr在工业生产中的排放相关。戴彬[44]等对典型工业城市莱芜市钢城区表层土壤样品的测定和分析发现,本地的钢铁冶炼活动导致土壤中As和Hg含量的偏高。对长春[45]、沈阳[46]、长沙[47]、宝鸡[48]等重工业城市土壤重金属含量的调查表明这几座老工业城市无一例外成为重金属污染“重灾区”,且工业活动排放是主要源。

3.1.3 居民生活排放

中国现正面临着每年9%左右的垃圾增长速度,全国1/3以上城市上演“垃圾围城”[49]。与此同时,含大量有毒有害物质的垃圾渗滤液会向周围环境中逐步释放重金属离子[50]。银燕春[51]等对成都市区生活垃圾中重金属污染特性及来源的研究中发现,重金属浓度在生活垃圾周边土壤中的浓度普遍较当地背景值高。李晓勇[52]对上海市不同功能区中垃圾中重金属污染研究发现,商业区垃圾中重金属为生活垃圾中重金属主要来源。重金属元素的释放,一般情况下会导致其污染的空间分布是随着距废弃堆距离增加而减小的[53]。

4 城市土壤重金属污染分析与评价

目前我国对于城市土壤重金属污染分析与评价处于快速发展阶段,对于土壤中重金属的污染程度,我国学者们通常借鉴国外学者引入从沉积物角度对重金属污染评价的一些方法[54]。除此之外,多元分析以及地统计学方法也越来越广泛地应用于我国城市土壤重金属元素的来源判别、空间变异及分布特征和风险评判工作中[55]。以下是对我国城市土壤重金属污染分析与评价中常用的方法与手段进行的分类阐述。

4.1 数理统计方法

4.1.1 单项污染指数

(1) 单因子污染指数

单因子污染指数(Pi)是进行污染评价的基础指标,基于土壤环境背景值对污染水平进行评价。但这种方法只适用于单一重金属污染的有限区域评价,也只能从单一的含量上给出参考。评价时所采用的标准由于我国尚无针对包括城市土壤在内的适用于不同用途的土壤环境质量标准,通常学者们采用与本地区土壤重金属元素表层背景值或参照国家土壤环境质量标准[56]中对于重金属含量限值的要求,有的学者也通过参考国际上的标准进行评价[57-58]。

(2)地积累指数

地积累指数(MULL指数,Igeo)[59]可理解为对单因子污染指数的改进,因其在表达式中加入了常数以表征自然条件造成的沉积特征、岩石地质及其他未知影响。目前研究中使用较少,多采用以单因子污染指数为基础的综合污染指数法。

4.1.2 综合污染指数

(1)污染负荷指数

污染负荷指数(PLI)[51,60]通过在表达式中融合多点位实测值可以很好地反应不同污染元素的贡献大小及时空变化情况,但没能排除不同污染物来源所造成的影响。

(2)内梅罗综合污染指数

内梅罗综合污染指数(PN)在运算时需结合单因子污染指数,兼顾其平均值和最大值,相对全面包含了各种重金属的不同贡献大小,同时突出了高浓度重金属污染物对土壤质量的影响[62]。该法能综合、全面地表征重金属污染程度。

(3)潜在生态危害指数

潜在生态危害指数法最早由瑞典学者Hakanson[63]提出,是一种依据重金属性质及环境行为特点对湖泊沉积物中的PCB、Hg、Cd、As、Pb、Cu、Cr和Zn等污染物环境影响的评价方法,引入了可区别不同种类重金属毒性水平的毒性系数,将重金属的生态效应、环境效应与毒理学联系在一起[54,61]。

由于潜在生态风险指数(RI)的大小与重金属的数量和种类有关,因此在实际应用中需根据实际的参评污染物的数量和种类进行调整,制定更加适合我国国情的分级标准。李一蒙[61]等在应用该方法评价开封城市土壤重金属污染时利用原有分级极限值求得单位RI值,再通过单位RI值求得自身研究的毒性系数总值,进而逐级推算得到研究时可以进行参比的分级标准。

内梅罗(Nemero)综合污染指数(PN)和潜在生态危害指数法(RI)是在研究中目前应用较多的[27],都能相对全面的评价污染情况。刘亚纳[27]等还独创性地将内梅罗综合污染指数与潜在生态危害指数结合起来对土壤污染程度进行分级。

(4)健康风险评价

在土壤中的重金属可通过吸入和直接接触作用对城市居民造成健康风险[64],故可参考美国环境保护总署发布的暴露因素手册[65]对应以上这两种途径计算每日暴露剂量(ADD),再乘以接触面积(SA)等指标算出摄食率(IR)以衡量暴露水平。如果用ADD与RfD(美国环保局首先提出的,表示环境介质中污染物的日平均接触剂量的估计值)作商值可得到HQ,将HQ算术平均可得到总暴露风险指数HI,该值可用于评价非致癌污染物的风险。重金属虽然不是致癌物,但具有潜在的致癌性[66],故可将ADD乘以SF(致癌潜势因子)得到致癌风险[67]。Wang[68]等依据以上方法对我国部分省份土壤重金属污染做了健康风险评价发现,城市居民的健康风险较高。但是目前应用健康风险评价污染程度的研究在我国并不多见,因为已有的模型显然无法估计以及预测出人体真正的暴露于健康风险[68]。

4.2 多元统计分析方法

城市土壤重金属污染研究应用多元分析时主要采用相关分析、聚类分析和主成分分析等经典方法,主要用于重金属污染源的识别[55]。通常是先进行Pearson相关性分析,良好的相关性有利于源辨识[44]。主成分分析是在相关分析基础上,得到主成分贡献值,可辨识自然源及人为源。聚类分析可通过分析不同重金属的相似性得到聚类树状图,能形象地反映重金属元素之间的远近程度,将重金属元素分组简化后,进行接下来的源识别分析[23]。

4.3 基于GIS的地统计学方法

地统计学方法能最大程度保留空间变异信息,很好地描述空间变异结构,通常借助ArcGIS软件进行[16,27,28 ]。地统计学方法主要分为变异函数模型及其参数(用于分析重金属污染的空间变异与结构)和克里格空间插值法(用于重金属污染的空间局部估计),其中克里格方法中的普通克里格在重金属污染研究中得到最为广泛应用,利用该方法可以对重金属污染在空间上进行无偏最优估计,得出重金属污染在城市的环境风险图,体现出空间差异的变化。但缺点是需要数据呈现正太分布,需要对数据进行处理。

吕建树[55]等用指示克里格法对主成分进行空间插值的结果与等间距法划分环境风险得到的环境风险概率格局图对比后,表明指示克里格法是可用于重金属环境风险评价,同时指示克里格法的优点在于可用于解决高偏态情况下的土壤污染数据分析。

5 总结与展望

5.1 我国城市土壤重金属污染研究现状

目前我国各大省会城市已普遍完成了对土壤中重金属污染情况的初步调查,也获得了大量数据和相关进展。但需要注意的是(1)目前只有香港、南京两所城市对土壤重金属的研究有了较为系统、可观的进展,而相较于东部地区,西部城市只开展了零星研究;(2)对于不同城市的研究所采用的分析手段各有不同、比较分散,难以进行横向对比;(3)虽然我国已在几年前进行了全国土壤普查,但由于土壤系统的复杂性和特殊性,在城市化背景之下,对于全国城市土壤系统调查也十分需要;(4)对于城市土壤分类、定义,适用污染的环境风险和健康评价指标等,我国尚未建立适合我国国情的完善体系,相关研究难以纵向深入。

5.2 城市土壤重金属领域内研究趋势

(1) 对城市土壤重金属的研究将利用土壤学、分子生物学等多学科研究手段转向重金属与土壤作用的分子机制等微界面过程[66],为重金属污染修复提供理论基础。

(2) 重金属污染极大地威胁着城市居民的健康,解决重金属污染是维系城市土壤健康可持续的首要任务和重大科学问题。重金属通过迁移转化作用改变其赋存形态及生物有效性,可在除土壤圈以外的大气圈、水圈造成影响。因此重金属在城市人工生态系统中的地球化学循环,以及不同重金属、不同形态、生物可利用性的环境效应和生态效应如何体现在对其环境风险和健康风险评价指标当中,都将继续得到研究。

(3)利用多样的重金属污染评价手段和方法达到对不同城市的污染源和源强识别的目的,确定重金属的重点预防和重点污染区域,以制定合理的城市环境综合管控和城市管理、规划的政策与法规,有针对性地采取措施。例如以交通源为主要源的城市可以实施车辆限行等管控措施,并研究相关治理技术与措施,在主干道旁种植既能富集重金属又能美化城市的绿植等;以工业活动为主要源的功能区可以加快产业结构调整和技术升级,降低工业活动强度,以减少对环境造成的不利影响,并对工业区周边的土壤进行修复等。

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A review of the present situation and assessment on heavy metal contamination in urban soils of China

PAN Han-yue

(NanjingAgriculturalUniversity,NanjingJiangsu210095,China)

The urbanization in China has propelled promptly over the past thirty years.An increasing number of environmental problems exposed,along with acquiring positive achievements on economic development,while heavy metal contamination in urban soils become prominent.This paper presents some meaningful achievements on heavy metal pollution in urban soils of China,and summarized the state of pollution,sources and current evaluation methodologies,as well as proposed research prospect,aiming to contributing to related research and environmental management.

Urban soils;Heavy metal contamination;Contamination evaluation

2016-08-22

1001-9383(2016)03-0054-08

X53

A

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