城市交通對道路周邊土壤重金屬污染影響的研究

張慧峰,錢 楓,宋 洋,楊儀方

(北京工商大學化學與環境工程學院,北京 100048)

城市交通對道路周邊土壤重金屬污染影響的研究

張慧峰,錢 楓,宋 洋,楊儀方

(北京工商大學化學與環境工程學院,北京 100048)

為研究城市公路交通對路邊土壤重金屬污染的影響,以北京市西三環主要立交橋路段為研究樣區,采用火焰原子吸收光譜法,對土壤中重金屬Ni,Cr,Pb,Cu,Zn,Cd的含量進行了測定,并采用改進的BCR連續提取法,對土壤樣品中各種重金屬的存在形態進行了分析。研究表明:除Cu外,道路周邊土壤中其他重金屬含量總體上均明顯高于同一地區遠離交通干道的清潔區土壤;其中Ni,Cr,Pb,Zn,Cd最高分別較清潔區高1.17倍、1.59倍、2.20倍、1.77倍和1.96倍。從各種重金屬的形態分布特點看,Cd主要以酸可提取態和氧化物結合態存在;Pb主要以有機物與硫化物結合態存在;Cu,Cr,Zn,Ni主要以殘渣態存在。

土壤;重金屬;形態分布

交通污染是公路環境土壤重金屬污染的一個重要來源,它主要是指交通運輸使用的各種工具(如汽車等)在運營過程中所排放的含重金屬物質的尾氣對環境造成的污染。一般認為鉛是汽車尾氣微粒中的主要重金屬,經汽車尾氣進入環境中的鉛主要分布在城市公路兩側,使環境遭受嚴重的鉛污染,并對人類健康造成影響。除Pb外,汽車運行中輪胎與路面摩擦揚塵中的Cd,Cr,Ni等也是公路兩側土壤中的重金屬的重要來源,它們可經自然沉降和雨淋沉降途徑進入土壤[1～3]。為了揭示城市交通對周邊土壤中重金屬的污染特性,筆者研究了重金屬在土壤中的含量(質量比,下同)和組成形態。

1 實驗方法

1.1 采樣地點的確定

針對公路交通對城市道路周邊土壤的重金屬污染,筆者將采樣地點主要選取在北京市西三環沿線的主要橋區,并選擇一清潔對照區作比對。采樣點具體情況見表1。

1.2 采樣及樣品預處理

用土壤采樣器將樣品采回后,用四分法逐次棄去多余部分,最后將剩余的1 kg左右的樣品平均裝入樣袋。在105℃放入烘箱中干燥6 h,后經研缽研磨并過100目尼龍篩,裝于廣口瓶中,待用。

表1 采樣點情況Tab.1 Samp ling points situation

消解方法采用濃硝酸和高氯酸濕式消解法,消解后樣品用去離子水定容至50 m L容量瓶內,待測。

1.3 土壤中重金屬總量及各形態的測定

本研究樣品中重金屬含量的測定選用了火焰原子吸收分光光度法,采用SPECTRAA-220FS型原子吸收分光光度計進行分析測定。對土壤中重金屬的形態分析采用改進的BCR連續提取法,將土壤中重金屬進行4步分級提取,分別測定其中的酸可提取態、氧化物結合態、有機物及硫化物結合態和殘渣態含量[4]。

2 實驗結果與討論

2.1 土壤中重金屬含量的測定

采用火焰原子吸收分光光度法,對各樣品重金屬的含量進行測定,測定結果見圖1-圖6。

通過分析圖1-圖6可以看出,Cu在1-4號土壤樣品中的含量平均值與在5號土壤樣品中的含量最多相差9.1%,可見城市交通對路旁土壤中Cu的含量影響很小;Ni,Cr,Pb,Zn,Cd在1-4號土壤樣品中的含量平均值明顯高出在5號土壤樣品中的含量,分別較清潔區高出1.17倍、1.59倍、2.20倍、1.77倍、1.96倍,這說明城市交通對路旁土壤中Ni,Cr,Pb,Zn,Cd的含量存在顯著影響,城市交通確實對土壤造成污染。將重金屬含量測定結果與土壤環境質量標準中對上述重金屬的上限值進行比較,標準值見表2。

由表2對比可知,除 Cd以外,Ni,Cr,Pb,Cu,Zn含量均低于標準值,其中 Zn元素是一種可能的汽車尾氣顆粒物的標識元素;Cd含量遠大于標準值,最高達到0.49 mg/kg,為標準值的2.45倍,是該研究中最突出的土壤污染物。

表2 重金屬標準值含量Tab.2 Standard contentsof heavy metals

表3 各土壤樣品重金屬的酸可提取態含量Tab.3 Contents of heavy mentals in the acid extractable fo rm in soil samples

2.2 重金屬形態的測定

土壤重金屬污染的危害程度不僅與土壤中重金屬的總量有關,更與土壤中重金屬的存在形態和各形態所占的比例有關。周康民等研究了土壤重金屬形態與重金屬在土壤中的遷移性、可給性、活性及污染土壤修復有密切關系[6];KWON等認為重金屬的存在形態是判斷重金屬的毒性響應以及生態風險的重要指標[7]。因此土壤中重金屬形態的研究對判斷土壤安全性顯得尤為重要。各土壤樣品重金屬的酸可提取態含量見表3。

由表3可知,在各重金屬形態中,重金屬的酸可提取態在中性條件下最為活躍,最易被釋放也最容易發生反應轉化為其他形態,最易為生物所利用,毒性最強;Cr,Pb均未檢出;Ni只在部分采樣點檢出,且含量很小;Cu,Zn,Cd在各采樣點均有檢出。各土壤樣品重金屬的氧化物結合態含量見表4。

表4 各土壤樣品重金屬的氧化物結合態含量Tab.4 Contentsof heavy mentals in the oxide combining form in soil samples

氧化物結合態指重金屬被專性吸附或共沉淀在土壤氧化物中,該形態下的重金屬被束縛較緊,只有當土壤的氧化還原電位降低時,重金屬才有可能被釋放,因而對植物有潛在的危害[8];由表4可知,Ni,Cu,Zn,Cd在各采樣點均有檢出;Cr除在清潔區沒有檢出外,在其他采樣點均有檢出;Pb除在清潔區和4號采樣點沒有檢出外,其余采樣點均有檢出。各土壤樣品重金屬的有機物及硫化物結合態含量見表5。

土壤中存在大量的有機質,它們易與土壤中的重金屬離子絡合或螯合,在氧化條件下易于釋放,對土壤環境存在潛在危害;由表5可知,除Cd在部分采樣點沒有檢出外,其余重金屬元素在各采樣點均有檢出。各土壤樣品重金屬的殘渣態含量見表6。

殘渣態重金屬是土壤中重金屬的主要組成部分,一般存在于樣品的原生、次生硅酸鹽和其他一些穩定礦物中,其中包括少量難分解的有機物及不易氧化的硫化物等。一般情況下,殘渣態重金屬元素穩定,對土壤中重金屬的遷移和生物可利用性貢獻不大,對環境比較安全[8];由表 6可知,除 Cd外,其余重金屬元素在各采樣點均有檢出。重金屬各形態含量占總量的比例見表7。

表5 各土壤樣品重金屬的有機物及硫化物結合態含量Tab.5 Contents of heavy mentals in the o rganic and sulfide combining form in soil samp les

表6 各土壤樣品重金屬的殘渣態含量Tab.6 Contents of heavy mentals in the residue form in soil samples

一般來講,重金屬總量可以作為環境污染程度的重要標志,但不能真正反映其潛在的生態危害性,因為重金屬有不同的存在形態,不同形態重金屬的環境行為和生態效應是不同的。酸可提取態重金屬的生物可利用性最大,殘渣態重金屬的生物可利用性最小,其他形態重金屬的生物可利用性居中。

表7 重金屬各形態含量占總量的比例Tab.7 Average percent of heavy metals in each form

表7表明,Cd主要以酸可提取態和氧化物結合態的形態組成,對環境危害最大;Zn在前三者形態中所占比例達50%以上;Pb主要以有機物及硫化物結合態存在,對環境危害次之;Ni,Cr,Cu主要以殘渣態存在,對環境危害小。

3 結 語

1)北京市西三環沿線的城市土壤中除Cu以外,公路旁的土壤中重金屬含量明顯高于清潔對照區,說明公路交通確實對道路周邊的土壤造成重金屬污染。

2)金屬Cd含量明顯高于土壤質量環境的一級標準,最高值達到0.49 mg/kg,為一級標準值的2.45倍,是主要污染物。

3)Ni,Cr,Cu主要以殘渣態存在,性質穩定;Pb主要以有機物及硫化物結合態存在;Zn在前三者形態中所占比例達50%以上,當環境發生變化時,兩者均存在潛在危害;而Cd主要以酸可提取態和氧化物結合態存在,化學性質不穩定且生物利用性強,是重要污染物。

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Study on heavy metal pollutions in roadside soil

ZHANG Hui-feng,Q IAN Feng,SONG Yang,YANG Yi-fang
(School of Chemical and Environmental Engineering,Beijing Technology and Business University,Beijing 100048,China)

To study the distribution of the heavy metals in roadside soil polluted by vehicle exhaust,the soil samp les are collected at the XISANHUAN highway in Beijing.Flame atomic abso rp tion spectrophotometerwas used to analyze the contentsof heavy metals in the soils,and the imp roved BCR sequential extraction method was used to analyze the heavy metals fo rm.The results show that the soils along highways are polluted obviously by Ni,Cr,Pb,Zn and Cd w hich are respectively 1.17 times,1.59 times,2.20 times,1.77 timesand 1.96 timesasmuch as those in clean control zone soils.But Cu show s the different result,almost not influenced by vehicle exhaust.From the characteristic of heavy metals forms,Cd existsmainly in the acid extractable fo rm and oxide combining form,Pb exitsmainly in theo rganic and sulfide combining form,and Cu,Cr,Zn,Niexists mainly in the residue fo rm.

soil;heavy metal;fo rm distribution

X830

A

1008-1542(2010)01-0057-05

2009-05-20;

2009-08-27;責任編輯:張士瑩

北京市2007年“城市污染生態治理”學術創新團隊項目

張慧峰(1983-),男,河北邯鄲人,碩士研究生,主要從事大氣污染與控制工程方面的研究。

錢 楓,E-mail:qianf@th.btbu.edu.cn