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长江沿岸典型城市土壤重金属浓度对比分析

作者:汪泽霖 李昕易 顾鼎年     发布时间:2019-5-5 点击数:772

 

长江沿岸典型城市土壤重金属浓度对比分析

汪泽霖 李昕易 顾鼎年

指导老师: 汪宏斌   凌敏


摘要:以西藏、宜宾、武汉、苏州和崇明五个地区土壤作为研究对象,通过随机取样来研究土壤中的重金属含量及污染情况。通过对于土壤进行酸碱度的测试,重金属元素浓度的测定和采用Hakanson提出的潜在生态危害指数法对于土壤中潜在的生态危害问题和污染情况进行评估。结果表明,各地区土壤的pH值均处于一个正常的范围之内,各重金属元素的含量也未超过国家标准。但是采用污染指数进行评估时,铅元素对于五个地区的土壤均造成了极大的生态危害,其他元素也存在不同程度的生态危害问题。

关键词:重金属污染;pH值;生态危害;危害指数法


1 土壤的重金属污染

1.1 重金属污染危害

重金属在定义上是指比重大于5的金属(一般来讲密度大于4.5 克每立方厘米的金属),包括金、银、铜、铁、铅等。而这是广义上的重金属范围,在现阶段,重金属这一名词主要应用于环境与健康领域,主要是指汞(Hg)、镉(Cd)、铅(Pb)、铬(Cr), 以及具有重金属特性的类金属砷(As)等生物毒性显著的重元素。有时也泛指铜(Cu)、锌(Zn)、钴(Co)、镍(Ni)等一般重金属[1],上述的部分微量元素虽然在人体健康中是必需的,但人体对于这些微量元素的需求同样存在一个限度,人体中过量的重金属会显现出致病毒性。

在没有人为污染的情况下[2],环境中的重金属绝大部分被固封在地壳的岩石中。在自然条件下,由于岩石与大气和水的相互作用,少量上述重金属可进入土壤和水体中,一般情况下含量很少,不会对人体和生态系统造成危害,甚至还是生命活动的必需元素。由于人们的生产和生活活动产生的重金属在环境中的超常积累,破坏了与生物圈之间的平衡,就造成重金属污染。

    进入大气、水体和土壤的重金属均可以通过呼吸道、消化道、皮肤三种途径侵入人体,进入体内的重金属借助体内某些有机成分可结合成金属络合物或金属整合物,对人体的各个发育阶段都会产生影响,尤其对母婴的毒害更为明显。机体内可以同重金属发生反应的物质不少,如蛋白质(氨基酸)、核酸等;几茶酚胺、维生素、激素等微量活性物质和含氧脂肪酸、磷酸等也能与重金属发生作用[3],使上述物质丧失或改变了原来的生化功能而引起病变。

1.2 土壤重金属污染的成因

可以理解的是,在同一区域中,水体的重金属污染和土壤的重金属污染在一定程度上相互关联,又存在着各自的区别。水体重金属污染和土壤重金属污染均是现阶段我国所面临的重大污染问题,需要有关部门高度重视并且采取相关的措施。而在本文中,将着重就土壤重金属污染这一问题进行分析。

就土壤本身来看,其之所以会产生重金属污染,主要是因为人类在活动期间将重金属物质带入到土壤内部,使得土壤内的重金属含量增多,破坏生态环境。随着农村人口数量的增长和农业生产过程中对化肥和农药使用量的增加,导致土壤中有害物含量增多,自身生态结构和环境质量被破坏[4]。长期对于土壤的过度开发和使用致使有害的重金属元素逐年累计,某种或者某几种重金属元素的含量会逐渐增加最终超过了一定的标准,最后导致了土壤发生严重的重金属污染。

1.3 土壤重金属污染的现状

2011年11月,联合国粮食及农业组织报告称,全球25%的耕地严重退化,其中来自污染方面的退化原因不可忽视[5]。2014 年4 月17 日,环保部和国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示,我国耕地土壤环境质量堪忧,点位超标率为19.4%,其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为13.7%、2.8%、1.8%和1.1%,其中重金属污染问题比较突出。耕地土壤重金属污染给农民带来了经济利益和健康利益的双重损害,2006 年,环保部周生贤部长在全国土壤污染状况调查及污染防治专项工作视频会议上称,我国每年因重金属污染的粮食达1200万吨,造成的直接经济损失超过200亿元;2012年对广东韶关市仁化县董塘镇3—14岁的儿童进行血铅普查发现69人中有37人血铅超标[6]。

    现阶段的统计数据表明,我国受镉、砷、汞、铜、锌等重金属污染的耕地约有1.5 亿亩,每年因重金属污染(如“镉米”、“砷米”等)的粮食达1000多万吨,造成的直接经济损失200余亿元[7]。

    由此可见土壤重金属污染已经成为了我国在发展过程中所面临的一个严重的挑战。从对于土壤重金属含量的监控与检测,到对于土壤产物产品的检验和检测以及对于重金属污染土地的修复和治理都是我国环境部门值得思考的课题.

2. 长江沿岸典型城市土壤重金属含量

2.1 长江流域对于国民经济的重要性

长江流域是中国巨大的粮仓,产粮几乎占全国的一半,其中水稻达总量的70%。此外,还种植其它许多作物,有棉花、小麦、大麦、玉米、大豆等等。上海、南京、武汉、重庆和成都等人口百万以上的大城市。长江在四川省宜宾市和湖北省宜昌市之间为上游,水急滩多;宜昌至江西省湖口间为中游,曲流发达,多湖泊(鄱阳湖最大,洞庭湖次之);湖口以下为下游,江宽,江口有水流堆积而成的崇明岛。

长江经济带不仅发挥着经济主驱动轴的战略作用,而且还具有维系国家、团结民族的重要政治社会文化功能。随着发展方式转型,内需拉动作用增强,在资源、环境约束日益趋紧条件下,长江经济带的地位和影响力将与日俱增,其作为后起支撑带的战略重要性不断凸显。

2.2 对于长江沿岸典型城市土壤重金属污染问题的研究

长江沿岸的典型城市例如上海、武汉、宜宾等地的土壤也存在着不同程度的重金属污染问题。同样的,工业区、农业区和生活区的土壤重金属污染程度也是不同的。在本文中,选择了上海、武汉、宜宾、苏州、崇明这五个典型地区,分别长江的上游、中游和下游三个角度入手,在每个地点具有代表性的工业区、农业区和生活区进行土壤取样,进行土壤重金属含量的检测,对比分析实验结果。

3 土壤重金属污染的pH值

土壤中含有的重金属由于化学的原因会在土壤中发生水解反应产生氢离子,使土壤整体呈现一定的弱酸性。而不同重金属元素的水解反应强弱不同,所以在最终表现在土壤的pH值上也存在一定的差异。

朱小琴、孙维侠等[8]在研究了重金属污染程度较重的工业区土壤样品和重金属污染程度较轻的农业区土壤样品后对于其土壤的pH进行了测定,发现工业区的土壤样品pH值明显低于农业区。何琳[9]在对于温室种植年限增加的土壤pH值检测中发现,温室土壤中Pb、Cd 的含量不断提高,而其pH 值呈明显的下降趋势。江红星等[10]在对于野生扬子鳄栖息地土壤的研究中发现重金属元素(Cu 、Zn、Cd 、Pb)含量的不同,土壤样品的pH值也存在显著的差异。陈浩等[11]以博尔塔拉河沿岸表层土壤中重金属As,Cd,Ni,Cr,Pb与有机质及pH为研究对象,并对它们之间关系进行研究。结果表明pH值与As、Cd、Pb含量之间呈显著负相关,随pH 值增大,有效态As、有效态Cd和有效态Pb在土壤中含量明显减少。许多之前的研究表明,重金属含量与土壤的pH值存在负相关性,某几种重金属元素对于这一现象起到主要的作用。

由于土壤的pH值也会影响土壤中重金属元素存在的状态,所以在本实验中,也将对于土壤试样的pH值进行检验。

4 实验方案

4.1 样品采集

城市土壤因为有人类活动的存在,所以很大程度上回受到人为因素的影响, 城市中土壤分布呈现非连续性, 土层相对比较混乱, 土壤中的多种途径的物质来源等规律[12]。在本实验中,选定长江沿岸的典型城市作为目标区域,选取宜宾、西藏、武汉、苏州和上海崇民五个地区。在每一地区分别选择合适的地点进行若干样品的取样工作。每一个区域进行取样,采用S形采样法进行采样,取10-20个取样点,带上手套后利用铁勺在每个样点取表层土壤(0—20cm)挖取30g,每个土样均剔除明显的植物根茎和枝叶等杂质,均匀混合后用四分法选取足够质量的土壤样品并用无菌试样袋装好、密封,再在外层套上黑色塑料袋,对样品进行编号,并且拍摄周围环境照片,对于当地环境进行以调查问卷为主要形式的调查,并将土壤试样带回实验室进行实验。

4.2 重金属元素含量的测定

将样品在阴凉干燥处风干,并将风干后的土壤试样过200目尼龙筛并严格保存。

根据《中华人民共和国国家环境保护标准》中的《HJ680-2013》,采用微波消解/原子荧光法对于Hg和As的含量进行测定。样品经过微波消解后试液进入原子荧光光度计,在硼氢化钾溶液还原作用下,生成砷化氢,汞被还原成原子态。在氩氢火焰中形成基态原子,在元素灯(汞、砷)发射光的激发下产生原子荧光,原子荧光强度与试液中元素含量成正比,进而得到Hg和As元素的含量。

根据《中华人民共和国国家标准》中的《GB/T 17140-1997》,采用KI-MIBK萃取火焰原子吸收分光光度法测定Pb、Cd元素含量。采用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸全分解的方法,彻底破坏土壤的矿物晶格,使试样中的待测元素全部进入试液中。然后在盐酸介质中,加入适量的KI,试液中的铅离子、镉离子与碘离子形成稳定的离子缔结物,可被甲基异丁基甲酮(MIBK)萃取。将有机相喷入火焰,在火焰的高温下,铅、镉化合物离解为基态原子,该基态原子蒸汽对相应的空心阴极灯发射的特征谱线产生选择性吸收。在选择最佳测定条件下,测定吸光度,进而得到Pb、Cd元素的含量。

根据《中华人民共和国国家标准》中的《GB/T 17137-1997》,采用火焰原子吸收分光光度法测定Cr元素含量。采用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸全分解的方法,破坏土壤的矿物晶格,使试样中的待测元素全部进入试液,并且,在消解过程中,所有铬都被氧化成Cr2O。然后,将消解液喷入富燃性空气-乙炔火焰中。在火焰的高温下,形成铬基态原子,并对铬空心阴极灯发射的特征谱线357.9nm产生选择性吸收。在选择的最佳测定条件下,测定铬的吸光度,进而得到Pb元素的含量。

4.3 土壤pH值的测定

参照《土壤农业化学分析方法》[12]对于土壤的pH值进行准确测定。在实验中采用电位法来测量土壤的pH值,用pH计测定土壤悬浊液pH值,使用玻璃电极为指示电极,甘汞电极为参比电极,当pH玻璃电极和甘汞电极插入土壤悬浊液时,构成一点吃反应,两者之间产生一个电位差,由于参比电极的点位是固定的,因而该电位差的大小决定于试液中氢离子的活度,氢离子活度的负对数极为pH,可在pH计上直接读出pH值。

4.4 土壤中潜在生态危害评价方法

对于土壤进行综合性评价和污染情况评估的手段和方法有很多,也有很多的计算参数可以用来表征土壤的重金属污染情况,虽然在众多方法中,参数计算的方法和评估的方式存在一定的差异,但是对于重金属污染和危害的限度大致上是一致的。所以在本文采用由瑞典科学家Hakanson所提提出的一种方法,对于潜在生态危害指数进行计算来对于土壤质量进行评估,成为潜在生态危害指数法。

这一方法其原理是Hakanson根据不同重金属元素的重金属性质及环境行为特点, 从沉积学的角度提出来的对土壤中不同重金属元素污染的程度进行加权计算最终进行评价的方法。该方法不仅考虑土壤每一种重金属元素的含量, 而且还站在环境学的角度,将重金属元素的生态效应、环境效应和毒理学等多方学科相互联系在一起, 利用具有可比性的、等价属性指数分级法进行评价。潜在生态危害指数涉及到单项污染系数、重金属毒性响应系数以及潜在生态危害单项系数。

1.png

5 实验数据与分析

5.1 土壤重金属污染国家标准

根据我国国家标准GB 15618中,所规范的的土壤无机污染物的环境质量第二级标准值,应用于本实验的实际背景之下,所得到的各重金属含量的浓度如表2所示。

 

2 土壤无机污染物的环境质量第二级标准值

Table12 Soil environmental quality second grade standard value of inorganic pollutants

序号

污染物

农业用地按pH 值分组

居住用地

工业用地




≤5.5

5.5~6.5

6.5~7.5

>7.5



1

总铅

80

80

80

80

300

600

2

总镉

0.25

0.30

0.45

0.80

10

20

3

总铬

220

250

300

350

400

1000

4

总砷

45

40

30

25

50

70

5

总汞

0.25

0.35

0.70

1.5

4.0

20





















5.2 实验结果

根据国家标准对于土壤试样进行了pH试样的测定和重金属元素含量的测定,所得结果如表3所示。 

表3 试样的pH值和重金属元素含量(单位:mg/kg)

Table3 The pH value and heavy metal content of the sample(mg/kg)

地区

试样编号

pH

总铅

总镉

总铬

总砷

总汞

西藏

1

8.29

32.5

0.254

11.4

10.1

ND

2

8.31

36.1

0.260

13.5

10.6

0.156

宜宾

1

7.07

56.4

0.635

20.0

3.66

0.0977

2

6.88

84.3

0.694

32.8

3.83

0.335

3

7.18

63.8

0.512

25.3

3.41

ND

苏州

1

7.28

79.7

0.175

24.0

11.8

ND

2

7.23

45.9

0.145

26.6

3.95

ND

武汉

1

7.24

60.7

0.371

33.7

6.10

ND

崇明

1

7.12

43.4

0.191

23.4

2.14

ND

背景值



0.05

0.16

57.69

8.79

0.05

 

在得到长江沿岸典型城市的重金属元素浓度数据之后,将数据进行整合,同一城市的不同样品进行去算术平均值的运算,最终得到每个城市的各重金属的平均浓度,用以来表征整个城市土壤重金属元素浓度的平均水平,各城市各种金属元素的平均浓度如表4所示。

表4 各城市各种金属元素平均浓度(单位:mg/kg)

table4 The average concentration of various metal elements in various cities(mg/kg)

地区

总铅

总镉

总铬

总砷

总汞

西藏

34.3

0.257

12.5

10.40

0.078

宜宾

68.17

0.614

26.0

3.63

0.131

苏州

62.8

0.160

25.3

7.88

ND

武汉

60.7

0.371

33.7

6.10

ND

崇明

43.4

0.191

23.4

2.14

ND

背景值

0.05

0.16

57.69

8.79

0.05

 

6 实验结果分析

6.1 土壤pH值实验结果分析

根据上述实验结果表明,来自于五个地区不同地点取样的试样土壤的pH值,pH值保持在7-8之间,各地土壤样品的pH值都处于正常范围之内,并未出现明显的土地酸化或者碱化的现象,五个城市的环境和土壤质量就酸碱度而言呈现出一个良好的状态,而西藏地区的土壤样品的pH值均在8以上,呈现明显的碱性,明显高于其他的取样地点。其他四个地区试样的pH值大致相同,处于中性至弱碱性之间,符合我国土壤由南向北pH值逐渐递增的趋势。西藏由于工业化程度较低,酸雨的降雨量明显少于其他城市,反应在土壤pH值上则表现为较高的pH值。

6.2 土壤重金属浓度

根据实验所得的土壤重金属浓度和国家标准的土壤重金属污染浓度限值交叉比较,可以发现,五个地区的土壤的平均重金属浓度并未超过国家标准,土壤的质量处于良好的状态,没有明显的重金属现象发生,但是部分地区的部分重金属元素的含量处于一个比较高的水平,快要到达了临界值,依旧存在重金属污染的风险

从单个元素进行分析,可以得到,就铅元素而言,宜宾的铅元素的含量最高,平均浓度已经达到了68.17mg/kg,而苏州和武汉铅元素浓度也高于了60mg/kg,同样处于一个较高的水平。土壤中铅元素的浓度高低顺序为宜宾>苏州>武汉>崇明>西藏。

从单一的镉元素进行分析,发现宜宾的镉元素平均浓度明显高于其他城市,已经到超过0.6 mg/kg,而其他地区的镉元素处于一个相对于比较优秀的水平。土壤中镉元素的浓度高低顺序为宜宾>武汉>西藏>崇明>苏州。

而对于铬元素,五个地区的铬元素都处于一个相对较低的状态,距离临界值还有很大的差距,这一浓度也使土壤条件呈现一个优秀的状态。土壤中铬元素的浓度高低顺序为武汉>宜宾>苏州>崇明>西藏。

西藏、武汉、苏州的砷元素平均浓度明显高于其他两个地区,其中西藏土壤中砷元素的平均浓度最高,但五个地区的砷元素平均浓度都小于临界值的50%,处于一个安全的状态。土壤中砷元素的浓度高低顺序为西藏>苏州>武汉>宜宾>崇明。

只有西藏、宜宾两个地区检测出了检测手段所能反应的汞元素浓度,而且也只是处于一个相对较低的水平。而其他三个城市的汞元素浓度低于检测手段所能检测的浓度。

6.3 潜在生态危害指数法

通过之前所叙述的公式和已知的实验数据、参考数据,通过运算,我们得到了潜在生态危害指数,从而进一步综合评估土壤重金属的土壤情况和生态危害。所得到的潜在生态危害指数如表5所示。

1.png

根据潜在生态危害指数法,我们计算得到了单个重金属的污染系数1.png和潜在生态危害系数2.png,从而我们可以根据这两个参数的大小来判断重金属污染的情况。

    五个地区的铅元素的污染系数均大于320,这五个地区均发生了铅元素的极大的生态危害,这对于各地的生态环境有着非常严重的影响,造成很大的危害很损伤。根据铅元素的生态危害程度排序,得到结论宜宾>苏州>武汉>崇明>西藏。

    对于镉元素而言,宜宾的镉元素污染情况最为严重,已经达到了强生态污染,而西藏和武汉则是中等生态污染,苏州和崇明则是轻度生态污染。

    对于铬元素而言,铬元素的污染系数很小,只是轻微的生态危害,说明在这五个地区均很好的控制铬元素的流入,限制了污染源头。

    同样的,砷元素的污染系数也很小,只是发生了轻微生态危害,说明五个地区对于砷元素流入的源头也进行了很好的控制。根据轻微的生态危害程度排序得到西藏>苏州>武汉>宜宾>崇明。

西藏地区出现了汞元素的中度生态危害而宜宾出现了强的生态危害,而其他三个地区由于汞元素浓度太小,无法检测,所以可以认为这三个地区只是发生了轻微的生态危害。  

    就五个地区多种重金属的潜在生态危害系数RI而言,上述五个地区由于出现了铅元素发生了极强的生态危害和部分重金属元素的中等至强的生态危害,五个地区的多种重金属的潜在生态危害系数大大超标,均面临着极大的生态危害问题。而目前存在于土壤中的铅元素主要是由于废弃的含铅蓄电池和石油防爆剂的使用所导致的。到目前为止,每年全世界投入使用的牵的含量已经超过了四百万吨,但是只有四分之一的铅元素得到了回收利用,其余的大部分都以各种形式排放到环境中造成了土壤和水体的污染,这也会导致食品铅污染的连锁反应的产生,这也成为了我国乃至全世界所要面对的铅污染的时代难题。

6.4 结论

1. 五个地区的土壤酸碱度均在正常的范围之内,土壤酸碱度适中,呈现较为良好的土壤状态。西藏的土壤pH值相较于其他四个地区明显偏高。

2. 五个地区的土壤均未发生单个重金属含量超过我国所违反的重金属污染的标准,未达到土壤重金属污染的指标。但是宜宾、苏州和武汉三个地区的土壤中铅元素的含量较高,已经接近了临界值;宜宾地区的镉元素浓度同样也处于一个较高的水平;五个地区的铬元素、砷元素和汞元素都处于一个较低的水平,属于安全范围。

3. 利用潜在生态危害指数法对于土壤的质量和生态危害评估发现,五个地区的土壤均发生了极大的铅元素生态污染,严重程度为宜宾>苏州>武汉>崇明>西藏。宜宾地区的镉、汞元素的污染系数也较高,达到了强的生态危害等级。而西藏地区的镉、汞元素处于一个中等生态危害的等级。武汉地区的镉元素同样也得到了中等生态危害的等级。

4.由于各地区的铅元素均发生了极强的生态危害问题,导致多种重金属元素综合作用下,五个地区均发生了极强的重金属生态危害。这也指示有关部门应该严格管控铅元素流入环境之中,充分回收利用含有铅元素的各种物质,避免铅元素进一步流入土壤、水体和大气对环境造成污染和破坏。

7.展望

结合上述实验结果以及各方面的报道,可以看出我国目前已经面临土壤重金属污染所造成的极大的生态危害问题,这个问题也逐渐威胁着我们的生活。土壤重金属污染会导致食品污染、水源污染等诸多我们在日常生活中会面对的问题。所以对于土壤重金属的检测与监控对于人们的健康和生活的质量具有非常重要的意义。

通过对于土壤重金属的检测和监控,我们可以及时发现问题土壤,进而从源头制止生产与问题土壤的农作物或者其他食品进入流通市场,危害我们的身体健康。辅助以土壤重金属含量检测的监控手段对于食品安全部门、坏境部门等政府机关都是至关重要的一种测量监控方式。

通过对于生活区的土壤重金属含量的检测和污染,可以及时发现在居民生活中可能出现的一些潜在威胁。长期生活在重金属污染环境下,身体会出现诸多的疾病。对于生活居民区的土壤进行检测可以很好的解决重金属超标所导致一系列疾病,保障人们的生活和身体的健康。

对于各地土壤进行监控,一旦土壤出现重金属元素迅速增加或者突然出现了重金属污染问题时,可以及时对于问题土壤进行隔离,并且可以具有目标性的对于土壤进行进一步的调查,从而达到一个很好的定位污染源头的作用。对于土壤重金属含量的检测可以精确发现在社会中潜在的污染源,从源头治理污染,即使关停排放污水、废水等污染物的企业,对于环境保护起到重要的作用。

综上所述,政府应该在现有的土壤范围内制定一个周期性和计划性的方案来定期对于其重金属元素含量进行检测监控,从源头治理污染问题,让我们生活的环境变得更美好。



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