贵阳市城区路侧土壤重金属分布特征及污染评价

贵阳市城区路侧土壤重金属分布特征及污染评价

王　济

1,2

,张　浩,曾希柏,白玲玉

211

1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,北京　1000812.贵州师范大学地理与环境科学学院,贵州贵阳　550001

摘要:研究了贵阳市城区各交通干线两侧表层土壤中重金属的质量分数、空间分布特征及其影响因素.以基线作为参比值,采用地积累指数法对其污染程度进行评价.结果表明:各交通干道两侧土壤中重金属质量分数存在显著差异,除Pb和Cr外,其余重金属质量分数均高于中国表层土壤重金属元素背景值和贵阳市表层土壤重金属元素基线值.整体上,贵阳市路侧土壤尚未受到Pb和Cr的污染,其w(Hg),w(Cd)和w(Zn)已达中度污染甚至强污染水平,同时各路段也受到了不同程度的As,Cu和Ni污染,但并不严重.据调查,路侧土壤中重金属质量分数及其分布格局主要受到燃煤、交通运输、地形及路况、气象因素以及城市建设等的影响.

关键词:城市土壤;基线;重金属污染;地积累指数

中图分类号:X142　　　文献标志码:A　　　文章编号:1001-6929(2009)08-0950-06

DistributionandPollutionAssessmentofHeavyMetalsinRoadsideSoilofGuiyangCity,ChinaWANGJi

1,2

,ZHANGHao,ZENGXi2bai,BAILing2yu

211

1.InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing　100081,China2.SchoolofGeographicandEnvironmentalSciences,GuizhouNormalUniversity,Guiyang　550001,China

Abstract:TheconcentrationandspatialdistributionofheavymetalsinroadsidesoilofGuiyanganditsaffectingfactorswerestudied.Takingthebaselinevaluesasreferences,themethodofindexinggeo2accumulationwasappliedtoassessheavymetalpollutionintheroadsidesoilofGuiyangCity.Theresultsshowedthattheconcentrationsofheavymetals(Hg,Cd,As,Pb,Cr,Cu,NiandZn)variedsignificantly,andtheirconcentrationsweremuchhigherthantheenvironmentalbackgroundvalueofChinesesurfacesoilandthebaselinevaluesofheavymetalsinsurfacesoilsofGuiyang,withtheexceptionofPbandCr.So,wecouldconcludethatthesoilhasnotbeenpollutedbyPbandCr,andthepollutionoftheroadsidesoilmainlyresultedfromHg,CdandZn,whichhavecausedmediumorseriouspollution.Moreover,thesoilhasbeenpollutedbyotherheavymetals(As,Cu,Ni)tosomeextent,butnotseriously.Accordingtotheinvestigation,theconcentrationanddispersionpatternsofheavymetalsaremainlyaffectedbycoalburning,transportation,terrainandroadconditions,meteorologicalfactors,constructionofurbandistricts,andsoon.

Keywords:urbansoil;baseline;heavymetalpollution;indexofgeo2accumulation

　　近30年来,随着我国工业化步伐的加快以及交通运输业的快速发展,公路交通对国民经济的发展起着越来越重要的作用,但同时也对城市的生态环境造成了严重的破环,尤其是路侧土壤重金属污染问题较为突出.早期的研究主要集中在路侧土壤中的铅污染方面,近年来,开始重视重金属复合污染研

[127]

究,FAKAYODE等分别对不同地区路侧土壤中的重金属分布规律及污染状况作了研究,但是很少有人对城市中心区路侧土壤重金属污染状况进行研究.

贵阳市地表土层较薄,并长期遭受人类活动的破坏,生态环境破坏严重,生态系统非常脆弱.公路是保证西部大开发顺利推行和保持当地经济可持续发展的重要基础设施.与此同时,公路建设势必给沿线的生态环境带来一系列负面影响.因此,有必要对贵阳市城区交通干道两侧土壤重金属的分

收稿日期:2008-12-14　　　修订日期:2009-01-21

基金项目:国家“十一五”科技支撑计划项目(2006BAD05B01,

2007BADB03);贵州省科技基金项目(黔科合J字[2007]2165号);贵州省教育厅自然科学研究项目(黔教

科[2008013])

作者简介:王济(1975-),男,贵州贵阳人,教授,博士,主要从事于

土壤重金属污染、喀斯特环境研究,wangji@gznu.edu.cn.

第8期王　济等:贵阳市城区路侧土壤重金属分布特征及污染评价951

布特征、影响因素及其污染程度进行研究,以期为防治路侧土壤重金属污染,合理规划利用公路旁土地,保障人群健康以及生态城市建设提供科学依据.

1　材料与方法

1.1　研究区域概况

贵阳市位于贵州省中部云贵高原东斜坡地带,地处东经106°07′～107°17′,北纬26°11′～27°22′,属东部平原向西部高原的过渡地带,地形地貌多样,海拔高,纬度低,具有亚热带湿润温和型气候的特点.年均气温1513℃,年总积温5585℃,年降水量1200mm左右,年日照时间约1278h,年相对湿度7619%,无霜期约270d,全年主导风向北偏东,夏季

主导风向南偏东,晴天多南风,雨天多北风,年均风速212mΠs,短时最大风速20mΠs.研究区域选择贵阳市的老城区:云岩区和南明区.云岩区地处城区24北部,面积6715km,人口6117×10人(截至2007年),辖15个事处,1个镇,132个居(村)委会;南明区地处城区南部,面积168km,人口

4

5513×10人(截至2007年),辖15个事处,2个乡,147个居(村)委会(截至2007年).为适应城市建设发展的需要,新中国成立后,贵阳市新建和改建南北向干道4条,东西向干道2条.自1990年开始,贵阳市加大旧城改造力度,加快了城市路、桥的改造和拓宽步伐,逐步在云岩区和南明区形成了以枣山路、浣纱路、瑞金路、中华路、宝山路为主的南北向和以北京路、延安路、中山路、都司路、神奇路、路为主的东西向主骨架路网.1.2　采样方法

2

图1　采样点分布

Fig.1　Thelocationofsoilsampling

将土样在室温下风干,用木棍碾碎,过20目

(0184mm)尼龙筛,再将过筛后土样平铺在聚乙烯薄膜上充分混匀,用四分法分2份,一份交样品库存放;一份继续采用四分法缩分成2份,其中一份备用,另一份研磨至全部通过100目(01149mm)尼龙筛后,置于密封袋中保存备测.土壤样品中w(Hg)测定采用硫酸--高锰酸钾消解体系;w(As)测定采用硫酸--高氯酸消解体系;w(Cd),w(Pb),w(Cr),w(Cu),w(Ni)和w(Zn)测定采用“盐酸--氢氟酸-高氯酸”消解体系.以上8种重金属元素的质量分数使用美国Perkin-Elmer公司生产的原子吸收光谱仪AA-800,电感耦合等离子体发射光谱仪Optima5300v和原子荧光光谱仪AF-0测定,试验均在贵州师范大学山地信息系统与生态环境保护重点实验室(省级)进行.

于2008年3月选取贵阳市城区10条交通干道:浣纱路、路、中华路、遵义路、延安路、宝山路、瑞金路、中山路、北京路、都司路作为采样线路.由于干道呈线状且长度不一,故每条干道的采样点按一定的间隔(500～1000m)布设.在所选的道路两侧(0～10m),首先画出2条约20m长且与道路平行的线段,在线段上等距布设3个1m的具体采样单元.然后在每个采样单元内随机采集4个样品(每个样品质量约100g),采样深度为(0～20cm).最后将道路两侧6个采样单元采集的24个样品充分混合,按“四分法”舍弃多余样品,保留1kg左右的样品作为该采样点的分析样品,并遵循复杂路段多采点、交通量大路段多采点的原则,共设47个采样点,如图1所示.1.3　样品处理与分析测试

2

2　结果与讨论

2.1　路侧土壤重金属质量分数特征

贵阳市城区路侧土壤重金属质量分数描述统计

见表1.从表1可以看出,Hg,Cd,Cr,Pb和Zn的变异系数较大,分别为10210%,9518%,5914%,5216%和4116%,这种较大的变异性反映了它们的质量分数在空间上有较大的差异,或理解为受人类活动影响较大;Cu,As和Ni变异系数较小,说明它们在区域分布上具有较大的相似性.与我国表层土

[8]

壤重金属元素背景值和贵阳市表层土壤重金属元

952环　境　科　学　研　究

表1　贵阳市城区路侧土壤重金属质量分数　　　　　　　

Table1　ConcentrationofheavymetalsinroadsidesoilsofGuiyangCity

(mgΠwΠkg)

(mgΠwΠkg)

第22卷

重金属元素

HgCdAsPbCrCuNiZn

样本数量Π个

4747474747474747

最小值

0102601021912372146821490161522015259143最大值0174711253401291331910103110123100111318160平均值011300128520135714117636105617974619531621332

变异系数Π%

102109518331052165914331519124116

背景值[8]01065010971112026106110221626197412基线值[9]01045010610414184410181817104613

[9]

素基线值相比,城区路侧土壤中除w(Pb)和w(Cr)

未超过基线值和背景值外,其余6种重金属质量分数平均值均不同程度地超过基线值和背景值.其中w(Hg),w(Cd),w(As),w(Cu),w(Ni)和w(Zn)分别是基线值的219,412,213,219,218和315倍,分别是背景值的210,219,118,214,117和212倍.贵阳市路侧土壤中重金属质量分数超过背景值和基线值的样本数量如图2所示,其中,w(Hg),w(Cd),w(As),w(Cu),w(Ni)和w(Zn)超过基线值和背景值,w(Pb)和w(Cr)则例外.

　　综上可知,贵阳市城区路侧表层土壤中w(Hg),w(Cd),w(As),w(Cu),w(Ni)和w(Zn)较高,富集明显,有可能对人类的生产、生活造成影响,应该引起广大市民及相关部门的重视.Cr富集作用不明显的原因有可能是成土母质质量分数较低以及与Cr相关的电镀厂、金属冶炼厂等远离市区有关;城市建设,道路隔离带及行道树的滞留烟尘、净化空气作用和无铅汽油的广泛推广使用,都有可能造成路侧土壤中Pb富集不明显.2.2　路侧土壤重金属质量分数分布特征

不同交通干道路侧土壤重金属质量分数(见表2)也有一定的差异.从整体上看,路路侧土壤中w(Hg),w(Pb),w(Cr)和w(Zn)较高,浣纱路路侧土壤中w(Cd)和w(Ni)较高.造成这种情况的原因:①由于这2条干道处于中心城区西南部,附近分布有工业企业,如烟厂、机械厂等,附近居民多使用燃煤,车流量较大,绿化率较低;②由于燃煤、机动车、工业活动等产出的重金属颗粒物在全年主导风向(北偏东)的影响下,易通过大气干湿沉降进入这2条干道两侧土壤中.中华路通车年代较早,又是贵阳市南北向的主要交通干道和主要商业街,车流量大,　　　　　　　

图2　重金属质量分数超过参比值的样本数量

Fig.2　Thenumberofsampeswithheavymetals

concentrationhigherthanthereferences

表2　贵阳市区不同交通干道两侧土壤中重金属质量分数

Table2　AverageheavymetalconcentrationsinroadsidesoilsinGuiyangCity

路段中山路

宝山路中华路延安路北京路路浣纱路都司路遵义路瑞金路

样本数量Π个

55553446

(mgΠwΠkg)

Hg011520113601197010840109301202010870100114901086

Cd013030138701319012730116501203015940116101178011

As221356161883191471181033241302161688191232171092191934281800

Pb181726151626141011143513150119194812186181951141159818

Cr201475351286291730351600321930671033571933311930291160321772

Cu53144810456311555312305510821953601240581603551397501733

Ni521402431861461212451058471150461213571830481987341670511332

Zn11900131119017416101381600171160822416251961233131165714418001331566

第8期王　济等:贵阳市城区路侧土壤重金属分布特征及污染评价

4

953

4

人口密集,而且各种建筑装饰材料和油漆中的重金属有可能进入路侧土壤不断富集.以上因素可能是

中华路路侧土壤中w(Cu)较高的主要原因.何腾兵等

[10]

1997年的6197×10辆增长到2008年的约35×10

辆,并且日增汽车约140辆,虽然由此带来的城区路侧土壤重金属污染问题并不十分明显,但也绝不能忽视.

21312　地形及路况

对贵阳市不同母质(岩)上发育的土壤进行研

究后发现,河流冲积物和石灰岩等发育的土壤中

w(Pb)和w(As)较高,而瑞金路路侧土壤中w(As)较高,则可能是由于成土母质(岩)的“遗传”差异性所致.

贵阳市城区路侧土壤中的w(Pb),w(Cd),w(Cu)和w(Zn)均具有所在路段交通流量大,其数值随之偏高的特点.如在交通流量大的路、浣纱路、中华路、中山路,上述4种重金属元素质量分数均较高,当然其数值大小也受其他非交通因素的影响.其余4种重金属元素由于来源的多样性,在空间分布上表现出受到多种因素相互叠加影响的特点,如成土母质、燃煤、工业活动、地形及路况、气象条件和城市建设等.2.3　影响贵阳市城区路侧土壤重金属质量分数及公路所处位置直接影响其两侧土壤重金属质量分数及其空间分布格局.贵阳市四面环山,地形复杂,空气流动不畅,大气稀释机动车排放的重金属颗粒物的空间有限,容易滞留于公路两侧的土壤中.土样中重金属质量分数高的样点均位于十字路口、

盘旋路和路况较差的地方,如w(Pb)的最大值(33191mgΠkg),w(Cu)的最大值(123100mgΠkg)及

w(Zn)的最大值(318160mgΠkg)均出现在纪念塔旁,w(Cd)的最大值(1125mgΠkg)则出现在中山路与浣纱路交叉口处.这些地段路况较差,车流量大,拥堵现象严重,尤其是在上下班高峰期,车辆行驶缓慢、刹车现象频发、废气排放加重、轮胎磨损严重,产生大量的含重金属的颗粒物.而绿化隔离带和行道树可以通过滞留、吸附和过滤等方式净化空气,有效地阻止重金属颗粒物进一步扩散,对路侧土壤重金属污染有很好的防治作用,城区各路段路侧土壤中w(Pb)较低可能与此有关.21313　气象因素

分布格局的因素

公路两侧土壤重金属质量分数及其分布格局除主要受成土母质影响外,还受到诸如交通运输、地形与路况、行道树和绿化带配置等交通状况的影响,当地的气候气象条件也是影响因素之一21311　交通活动

[11]

.

贵阳市区从1996年起对居民生活能源进行改造,大力发展煤气、液化气、民用电热等清洁能源,但在城郊结合部和郊区,大部分家庭仍将燃煤作为主要的能源消费结构类型,尤其冬季的采暖期长达3～4个月.此外,在城郊还分布有大量的工业企业,如

研究

[12214]

表明,车辆燃料燃烧、轮胎磨损都是路

侧土壤重金属元素的重要来源.许多研究同样发现,城市交通干线两侧土壤中重金属元素的质量分数要显著高于远离交通干线的土壤.如,FAKAYODE等对尼日利亚奥索波市路侧土壤重金

[1]

贵阳市电厂、水泥厂、电镀厂、红岩冶炼厂、化工厂、电池厂、电炉厂、钢厂、贵阳市绿叶磷肥厂、铝厂等.加之贵阳市城区路侧建筑物较高,道路狭窄等因素,燃煤、工业活动以及机动车产生的含重金属的颗粒物在全年主导风向的影响下容易扩散到城区环境中,经自然沉降或雨淋沉降进入土壤并不断富集.如胡健等

的研究发现,贵阳市降水中重金属质量分数较高,w(Fe),w(Mn),w(Cu),w(Pb)和w(Zn)均高于地表水,而且降水中w(Pb)和w(Zn)变化较大,最高值都出现在冬季,说明这与冬季贵阳市燃煤有关.

降水量对路侧土壤重金属质量分数的影响较大.李耀初等

的研究发现,广东省惠州市惠阳区

一次典型降雨径流中的重金属产生量:ρ(Pb)为01143mgΠL,ρ(Zn)为01206mgΠL,ρ(Cu)为01087

[19]

[18]

属元素质量分数的研究结果表明,道路两侧土壤中的Pb,Cd,Cu,Ni和Zn元素均有不同程度的积累.的研究发现,公路日车流量与该公路

两侧土壤中w(Pb)呈正相关(R=01916),车流量大IDERIAN等

66

(2×10辆Πd以上)与车流量小(2×10辆Πd以下)

[15]

的不同公路两侧,土壤中w(Pb)存在显著性差异(P<0105).城市土壤中w(Pb)的平均值是交通流量相对较小的深圳的1145倍

[16]

.胡星明等

[17]

的研究表明,交通主干道两侧土壤中重金属质量分数显著高于对照点.据调查,在车流高峰时段,贵阳市中心环线相对其他路段车流量较大,尤其是浣纱路、北京路、宝山路、路车流量均在4000辆Πh以上,且易发生拥堵现象,因此,不难得知这些路段路侧土壤中w(Pb)较高.贵阳市的汽车保有量已从

9环　境　科　学　研　究

[20]

第22卷

mgΠL,ρ(Cr)为01040mgΠL.此外,龚香宜等

的研究

发现,重金属元素除受降水量影响显著外,还与季节

[21]

和风速有关.KREIN等的研究表明,当累积径流深度约为12mmΠh时,会产生等于或大于90%以上的冲刷率,吸附在公路灰尘中的重金属颗粒物可能会随路面径流迁移到路侧土壤中,影响路侧土壤中的重金属含量.贵阳市路侧土壤中w(Pb)并不高,部分原因是降水量较大和城市土壤压实现象严重,含Pb的公路灰尘会随路面径流进入下水管网而不易进入路侧土壤.21314　城市建设

及其分布格局.

3　贵阳市城区路侧土壤重金属污染评价

基于贵阳市表层土壤中8种重金属元素的环境地球化学基线值

[9]

,采用地积累指数法

[22]

对市区内

各交通干道路侧土壤环境质量进行评价,结果见表

3.由各路段重金属的地积累指数(Igeo)可知,各路段w(Pb)处于无污染水平;北京路w(Cr)处于无污染至中度污染水平,其他路段w(Cr)均处于无污染水平;瑞金路w(As)处于中度污染水平,其他路段的w(As)均处于无污染至中度污染水平;中山路、宝山路、中华路和遵义路的w(Cd)处于中度污染水平,路w(Cd)已经处于中度污染至强污染水平,其他路段w(Cd)处于无污染至中度污染水平;路、浣纱路和遵义路的w(Cu)已处于中度污染水平,其他路段w(Cu)均处于无污染至中度污染水平,但其已接近中度污染水平,应引起重视;宝山路、路和瑞金路的w(Ni)已处于中度污染水平,其他路段

w(Ni)均处于无污染至中度污染水平;各路段的w(Zn)均已接近中度污染水平或正处于中度污染水

城市建设也是影响路侧土壤重金属质量分数及其分布格局的一个重要因素.新中国成立以来,由于经济建设和城市发展的需要,贵阳市不断加大旧城改造力度和加快路桥新建、拓宽步伐.特别是1990年以来,贵阳市先后6次对城市交通干道进行改建,势必会对路侧土壤进行扰动,影响土壤中重金属的质量分数,与交通活动有较大联系的w(Pb)所受影响更大.此外,由于市民对城市环境质量的要求不断提高和环保意识的增强以及经济发展的需要,贵阳市适时提出“退二进三”战略,将中心区的贵阳黄磷厂、水泥厂等一大批能耗高、污染严重的企业迁移到城郊结合部或郊区,逐步减少中心区的工业污染源,这也势必会影响路侧土壤重金属质量分数

平;中山路、宝山路、北京路、都司路和遵义路的w(Hg)已处于中度污染水平,浣纱路的w(Hg)处于无污染水平,其他路段w(Hg)均处于无污染至中度污染水平.

表3　贵阳市区不同交通干线两侧表层土壤重金属地积累指数

Table3　Statisticalanalysisofgeo2accumulationindexofheavymetalsintheroadsidesoilofGuiyangCity

路段中山路

宝山路中华路延安路北京路路浣纱路都司路遵义路瑞金路

Igeo-Hg

Igeo-

Cd

Igeo-AsIgeo-

Pb

Igeo-

Cr

Igeo-

Cu

Igeo-NiIgeo-

Zn

110111117501316014561158301366-010691113811401353

11925115711141901691019952130165601803115012

01316017210141101842012990150401334015560152211087

-01507-01246-01957-01717-011-01788-11310-018-01576-11377

-01903-116-011-1100301022-01188-11048-11178-11151-11011

01769019220191601966019621109511055019741116301847

01782110390182101887018581118101942014430185811009

01918114510199711305116931149901923110601133001944

　　整体来看,除路路侧土壤的w(Cd)处于中度污染至强污染水平外,贵阳市各交通干道两侧土壤重金属质量分数均未达到强污染水平.但由于土壤环境容量的有限性,城市土壤重金属污染问题前景堪忧,为了城市的可持续发展以及生态文明建设,应通过各种渠道向公众宣传土壤环境保护方面的知识,提高公众的“土地认知能力”和环境保护参与意

识,确保贵阳市土壤生态环境质量得到改善并保持

长期良好.

4　结论

a.贵阳市路侧土壤重金属质量分数与贵阳市

表层土壤重金属元素基线值相比,除w(Pb)和w(Cr)未超过基线值外,w(Hg),w(Cd),w(As),w(Cu),w(Ni)和w(Zn)分别是基线值的219,412,213,219,

第8期王　济等:贵阳市城区路侧土壤重金属分布特征及污染评价955

218和315倍.所采样品中,w(Pb)和w(Cr)的超标

率较低(以贵阳市土壤重金属基线值为标准),其余6种重金属质量分数的超标率均较高.

b.贵阳市城区交通干道两侧土壤重金属质量

[8]　魏复盛.中国土壤元素背景值[M].2版.北京:中国环境科学

出版社,1990:87291.

[9]　王济.贵阳市表层土壤中的重金属[M].贵阳:贵州人民出版

社,2006:1702173.

[10]　何腾兵,董玲玲,李广枝,等.喀斯特山区不同母质(岩)发育的

分数差异很大,w(Pb),w(Cd),w(Cu),w(Zn)在空间分布上与交通流量有一定关系,其余4种重金属

质量分数在空间分布上并没有明显的规律性;城区路侧土壤主要受到诸如成土母质、交通运输、地形及路况、气象因素、城市建设等多种因素相互叠加影响,其中交通运输和燃煤是路侧土壤重金属的主要人为来源.

c.贵阳市路侧土壤中Pb的地积累指数均小于0,w(Pb)处于无污染水平;除北京路w(Cr)处于无污染至中度污染水平外,其他干道w(Cr)处于无污染水平;其余6种重金属在各干道的质量分数均已达到无污染至中度污染水平以上,其中有6条干道的w(Zn),5条干道的w(Hg)达到中度污染水平,特别是路的w(Cd)已达到中度污染至强污染水平,应引起相关部门及广大市民的重视.

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(责任编辑:潘凤云)