西安市公園土壤及灰塵中重金屬污染與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

賈銳魚(yú), 朱萬(wàn)勇, 李 楠, 仝 婕

(西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院, 西安 710054)

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西安市公園土壤及灰塵中重金屬污染與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

賈銳魚(yú), 朱萬(wàn)勇, 李 楠, 仝 婕

(西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院, 西安 710054)

通過(guò)對(duì)西安市城區(qū)6個(gè)公園表層土壤和地表灰塵的取樣調(diào)查，采用單項(xiàng)指數(shù)法、綜合指數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)其進(jìn)行重金屬污染評(píng)價(jià)，利用多元統(tǒng)計(jì)方法探討了土壤和灰塵重金屬間密切程度。結(jié)果顯示：西安市公園土壤和灰塵中5種重金屬元素Cu，Cd，Zn，Pb，Cr均值含量均高于陜西省土壤背景值。表層土壤和地表灰塵主要受到Pb，Cu，Cd的污染；土壤重金屬污染多屬中度—重度污染，灰塵重金屬污染均屬重度污染；公園土壤重金屬元素潛在生態(tài)危害均屬輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，大明宮遺址公園、革命公園、曲江池遺址公園和蓮湖公園灰塵重金屬元素潛在生態(tài)危害屬“強(qiáng)—很強(qiáng)”生態(tài)危害，其中大明宮遺址公園地表灰塵中重金屬元素Cd潛在生態(tài)危害系數(shù)達(dá)到978.33，屬極強(qiáng)潛在生態(tài)危害；土壤和灰塵間對(duì)應(yīng)重金屬元素Cu和Cr存在極顯著相關(guān)性，Pb存在顯著相關(guān)性。

重金屬; 污染; 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià); 西安市公園

重金屬作為一種持久性有毒污染物，進(jìn)入環(huán)境不能被生物降解[1]，而且可以通過(guò)吞食、吸入和皮膚吸收等途徑進(jìn)入人體，從而影響人體健康[2]。土壤和灰塵被認(rèn)為是重金屬等污染物質(zhì)的重要載體[3]，重金屬元素通過(guò)土壤、大氣等介質(zhì)向生物圈轉(zhuǎn)移是其地球化學(xué)循環(huán)的重要過(guò)程[2]。隨著我國(guó)城市化的迅速發(fā)展，受工業(yè)、交通等人類活動(dòng)的影響，城市地表灰塵和土壤常含有較高濃度的有毒重金屬[4]。城市公園作為城市居民重要的休閑游憩場(chǎng)所，與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)。其土壤和灰塵質(zhì)量狀況對(duì)游客的身體健康具有重要影響，尤其對(duì)兒童這一特殊群體[5]。相關(guān)研究表明，我國(guó)許多地方的城市公園土壤和灰塵均受到各種重金屬元素不同程度的污染[6]。因此，城市公園土壤和灰塵重金屬污染問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視。

目前，對(duì)于城市公園土壤和灰塵重金屬污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究主要集中在一些大城市，大多數(shù)研究是關(guān)于城市公園土壤重金屬或者灰塵重金屬含量及其污染評(píng)價(jià)的，形式單一，而對(duì)于城市公園土壤和灰塵重金屬的綜合研究較少，很多研究指出大氣沉降是土壤重金屬污染的主要來(lái)源，而灰塵的再揚(yáng)起作用則是大氣顆粒物的重要貢獻(xiàn)者，說(shuō)明城市地表灰塵與大氣顆粒物、表層土壤存在明顯的相互影響機(jī)制[7]，這對(duì)重金屬遷移規(guī)律的研究具有十分重要的意義。本文以西安市為例，選定城區(qū)6個(gè)具有代表性的公園為研究對(duì)象，分析公園內(nèi)土壤和灰塵重金屬污染狀況，并采用單項(xiàng)指數(shù)法、綜合指數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，利用多元統(tǒng)計(jì)方法探討土壤重金屬和灰塵重金屬間密切程度，為西安市公園環(huán)境質(zhì)量管理和居民健康保障提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)樣品采集與測(cè)定

研究對(duì)象選定為西安市市屬公園中的6個(gè)典型公園：興慶公園、革命公園、蓮湖公園、曲江池遺址公園、唐大慈恩寺遺址公園和大明宮遺址公園(表1)。由于以上公園近年來(lái)游客比較密集，公園土壤類型相對(duì)均一，公園在西安市城區(qū)分布較均勻，因此選其作為研究對(duì)象。每個(gè)公園設(shè)置5個(gè)采樣區(qū)域，根據(jù)每個(gè)采樣區(qū)域的大小按照梅花形布點(diǎn)法[8]選取3～5個(gè)采樣點(diǎn)，用取土鉆采集表層0—20 cm的土壤樣品，連續(xù)用四分法將每個(gè)區(qū)域內(nèi)采集的土樣組成1個(gè)混合樣品取500 g。同時(shí)在各采樣區(qū)域內(nèi)的公園門(mén)口、涼亭、娛樂(lè)設(shè)施、水泥路面等游客較易聚集的場(chǎng)所，用塑料鏟和毛刷采集1個(gè)地表灰塵樣品500 g，得到土壤和灰塵樣品各30個(gè)。樣品采集后裝入聚乙烯塑料袋中貼上標(biāo)簽密封保存。

表1 采樣公園地理信息

將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，剔除土壤和灰塵樣品中枯枝落葉、根莖、動(dòng)物殘?bào)w、石礫等雜物后，置于室內(nèi)陰涼通風(fēng)處風(fēng)干，將風(fēng)干后的樣品研磨后過(guò)100目尼龍篩并收集，混勻后備用。

實(shí)驗(yàn)室采用HCl—HNO3—HClO4—HF消解法[9]對(duì)預(yù)處理的樣品進(jìn)行消解，采用石墨爐原子吸收法(GFAAS法)測(cè)定樣品中Cd元素含量，采用火焰原子吸收方法(FAAS法)測(cè)定樣品中Cu，Cr，Zn，Pb元素的含量。

1.2 評(píng)價(jià)方法

1.2.1 單項(xiàng)污染指數(shù)法 單項(xiàng)污染指數(shù)法是指以某介質(zhì)中某污染物含量值與該污染物的限定值之比作為評(píng)價(jià)對(duì)象的污染指數(shù)Pi[10]，以此來(lái)確定主要的重金屬污染及其危害程度的方法。其評(píng)價(jià)模型為：

Pi=Ci/SI

(1)

式中：Pi——土壤中污染物的污染指數(shù)；Ci——土壤中重金屬的實(shí)測(cè)濃度(mg/kg)；SI——土壤中重金屬的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值(mg/kg)，采用陜西省土壤背景值作為土壤重金屬的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。分級(jí)方法為：Pi≤1屬清潔；13屬重度污染。

1.2.2 綜合污染指數(shù)法 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[10]能全面地反映土壤的污染狀況，而且兼顧了單因子污染指數(shù)的平均值和最高值，可以突出污染較重的重金屬污染物的作用。其評(píng)價(jià)公式為：

(2)

式中：P——監(jiān)測(cè)點(diǎn)的綜合污染指數(shù)；Pimax——最大單項(xiàng)污染指數(shù)；Piavg——平均單項(xiàng)污染指數(shù)。根據(jù)P值變幅，確定的土壤質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為P≤0.7屬清潔(安全)；0.73.0屬重污染。

1.2.3 潛在生態(tài)危害指數(shù)法 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)是瑞典學(xué)者Hakanson[11]于1980年建立的，該方法不僅考慮了土壤重金屬含量，而且將重金屬的生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)與毒理學(xué)聯(lián)系在一起，準(zhǔn)確的揭示某一特定環(huán)境中各種污染物的影響和多種污染物的綜合影響[12]。計(jì)算公式為：

(3)

1.3 統(tǒng)計(jì)分析方法

土壤和灰塵重金屬元素含量數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析，它是研究變量間密切程度的一種常用統(tǒng)計(jì)方法[15]。

表2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[11]

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬元素含量分析

公園土壤和灰塵重金屬元素含量統(tǒng)計(jì)如表3—4所示?？梢钥闯鑫靼彩泄珗@表層土壤中5種重金屬元素Cu，Cd，Zn，Pb，Cr均值含量分別為55.72，0.20，135.23，65.85，92.64 mg/kg，地表灰塵對(duì)應(yīng)元素均值含量為212.36，1.19，264.64，207.56，125.43 mg/kg，均高于陜西省土壤背景值。在土壤中Pb的累積較為明顯，其均值含量達(dá)到了土壤背景值的3.15倍，Cu，Cd，Zn，Cr的均值含量分別為背景值的2.77，2.21，2.05，1.52倍。地表灰塵中Cu，Cd，Pb積累明顯，均值含量達(dá)到了土壤背景值的10.57，13.24，9.93倍，Zn和Cr的積累量較小，但均值含量也達(dá)到了背景值的4.00，2.05倍。所有土壤樣品中Cu，Zn，Pb，Cr元素含量均高于土壤背景值，Cd元素含量高于土壤背景值的比例占到83.33%；所有灰塵樣品各重金屬元素含量均高于土壤背景值。重金屬元素變異系數(shù)較大，且灰塵重金屬元素的變異系數(shù)均大于土壤相應(yīng)元素的變異系數(shù)。從土壤和灰塵中重金屬元素累積含量對(duì)比來(lái)看，灰塵中重金屬元素含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于土壤，灰塵中重金屬元素Cu，Cd，Zn，Pb，Cr均值含量分別為對(duì)應(yīng)土壤重金屬元素含量的3.81，5.98，1.96，3.15，1.35倍。

表3 西安市不同公園土壤重金屬元素含量統(tǒng)計(jì)

注：重金屬含量為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差，下表同。

表4 西安市不同公園灰塵重金屬元素含量統(tǒng)計(jì)

以上數(shù)據(jù)可以看出，西安市公園土壤和灰塵均受到不同程度的重金屬累積，表層土壤以重金屬元素Pb累積最為典型，尤以蓮湖公園的Pb累積最為嚴(yán)重，究其原因可能一方面由于蓮湖公園歷史悠久，園內(nèi)建筑材料如油漆、涂料中常添加鉛作為著色劑或其他用途[17]，在長(zhǎng)期的風(fēng)化作用下，油漆和涂料中的鉛不可避免地會(huì)進(jìn)入環(huán)境，造成污染；另一方面蓮湖公園坐落于西安市中心，交通活動(dòng)頻繁，公園周圍大量汽車尾氣的排放也會(huì)導(dǎo)致土壤Pb含量增加[18]。地表灰塵以重金屬元素Cd累積最為典型，其中尤以大明宮遺址公園最為嚴(yán)重，其原因可能主要是大明宮遺址公園地處西安市老工業(yè)區(qū)北郊，受到工業(yè)活動(dòng)的影響較大，其次就是當(dāng)?shù)亟煌ㄎ矚獾呐欧潘?，王伯光等[19]指出重金屬元素Cd跟機(jī)動(dòng)車輛尾氣排放顯著相關(guān)。

2.2 重金屬污染評(píng)價(jià)分析

2.2.1 土壤重金屬元素污染分析評(píng)價(jià) 以陜西省土壤背景值為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出各公園土壤重金屬的單項(xiàng)污染指數(shù)、綜合污染指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。由表5可知，重金屬元素Cr的單項(xiàng)污染指數(shù)為1～2，處于輕度污染水平；蓮湖公園、革命公園和興慶公園土壤中Zn的污染指數(shù)分別為2.94，2.11，2.44，達(dá)到中度污染水平；重金屬元素Cu，Cd，Pb在蓮湖、革命、興慶、大明宮4大公園土壤中屬于重度、中度污染水平，重金屬元素Cu，Pb在曲江池遺址公園屬中度污染。

從綜合污染指數(shù)來(lái)看，蓮湖公園和興慶公園的污染指數(shù)分別為3.82，3.13，屬重度污染；曲江池遺址公園、革命公園和大明宮遺址公園污染指數(shù)分別為2.38，2.91，2.98，屬中度污染水平。不同公園土壤重金屬污染程度依次為蓮湖公園>興慶公園>大明宮遺址公園>革命公園>曲江池遺址公園>唐大慈恩寺遺址公園。

從潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)來(lái)看，西安市公園的土壤重金屬元素Cu，Zn，Pb，Cr的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)均小于40，危害程度較低，屬于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平；重金屬元素Cd的潛在生態(tài)危害較為嚴(yán)重，其中曲江池、蓮湖、革命、興慶和大明宮5大公園生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)分別為43.73，73.73，100.67，91.13，62.93，屬中等、強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。6大公園潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均小于150，處于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。不同公園的潛在生態(tài)危害程度依次為革命公園>興慶公園>蓮湖公園>大明宮遺址公園>曲江池遺址公園>唐大慈恩寺遺址公園。

表5 公園土壤重金屬污染指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

2.2.2 灰塵中重金屬元素污染分析評(píng)價(jià) 由表6可知，6個(gè)公園灰塵中重金屬元素Cu和Pb單項(xiàng)污染指數(shù)均大于3，達(dá)到重度污染水平；曲江、蓮湖、革命、大明宮4大公園灰塵中重金屬元素Cd，Zn，Cr污染達(dá)到重度、中度污染水平，興慶公園和唐大慈恩寺遺址公園重金屬元素Zn污染屬中度污染水平。

從綜合污染指數(shù)來(lái)看，曲江池、蓮湖、革命、興慶、慈恩寺、大明宮6大公園污染指數(shù)分別為11.65，14.18，16.22，4.76，5.97，23.39，說(shuō)明西安市公園地表灰塵重金屬元素均屬重污染。不同公園地表灰塵重金屬元素污染程度依次為大明宮遺址公園>革命公園>蓮湖公園>曲江池遺址公園>唐大慈恩寺遺址公園>興慶公園。

從潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)來(lái)看，西安市公園地表灰塵重金屬元素Zn，Cr的潛在風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)小于40，危害程度低，屬輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平；重金屬元素Cu，Pb潛在風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)范圍為15.95～96.33，表現(xiàn)為輕微、中度、強(qiáng)度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；重金屬元素Cd的潛在生態(tài)危害程度最大，在曲江池遺址公園、蓮湖公園、革命公園和大明宮遺址公園風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)分別為383.33，282.80，667.60，978.33，達(dá)到了極強(qiáng)、很強(qiáng)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。不同公園中大明宮遺址公園的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最大為1 088.02，其次為革命公園、曲江池遺址公園和蓮湖公園，風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分別為772.70，540.07，470.16，達(dá)到了很強(qiáng)、強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平，其余兩個(gè)公園的污染程度在安全范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)游客的健康造成不良影響。不同公園潛在生態(tài)危害程度依次為大明宮遺址公園>革命公園>曲江池遺址公園>蓮湖公園>唐大慈恩寺遺址公園>興慶公園。

表6 公園灰塵重金屬污染指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

2.3 土壤重金屬和灰塵重金屬相關(guān)性分析

由表7可以看出，西安市公園土壤和灰塵之間對(duì)應(yīng)重金屬元素Cu和Cr存在極顯著相關(guān)性，Pb存在顯著相關(guān)性，一方面說(shuō)明重金屬元素Cu，Cr，Pb在土壤和灰塵中的來(lái)源可能相同，鑒于6大公園均處于西安市主要城區(qū)，受人為影響較大，Cu，Pb可能主要來(lái)源于頻繁的交通排放，Cr可能主要來(lái)源于密集城區(qū)的人類生活垃圾；另一方面說(shuō)明重金屬元素Cu，Cr，Pb可能在土壤和灰塵之間存在相互轉(zhuǎn)化機(jī)制。另外兩種重金屬元素Cd，Zn在土壤和灰塵之間不存在顯著相關(guān)性，說(shuō)明土壤和灰塵中的Cd，Zn元素可能受到不同污染源的影響，污染來(lái)源較為復(fù)雜，而且在土壤和灰塵間無(wú)明顯的相互轉(zhuǎn)化機(jī)制。

表7 公園土壤與灰塵間重金屬的相關(guān)系數(shù)

注：**代表p<0.01(極顯著)，*代表p<0.05(顯著)。

3 結(jié) 論

(1) 西安市公園土壤和灰塵中5種重金屬元素Cu，Cd，Zn，Pb，Cr含量均高于陜西省土壤背景值，重金屬元素Pb，Cu，Cd是主要污染因子。不同公園土壤和灰塵中重金屬元素的含量各不相同，其中曲江池遺址公園受到灰塵重金屬元素Cu，Cd，Zn，Pb的重度污染；蓮湖公園受到土壤重金屬Cu，Pb和灰塵重金屬元素Cu，Cd，Zn，Pb的重度污染；革命公園受到土壤和灰塵重金屬元素Cu，Cd，Pb的重度污染；興慶公園受到土壤重金屬元素Cd，Pb和灰塵重金屬元素Cu，Pb的重度污染；唐大慈恩寺公園受到灰塵重金屬元素Cd，Pb的重度污染；大明宮遺址公園受到土壤重金屬元素Cu和灰塵重金屬元素Cu，Cd，Zn，Pb的重度污染。

(2) 不同公園土壤重金屬元素污染程度依次為蓮湖公園>興慶公園>大明宮遺址公園>革命公園>曲江池遺址公園>唐大慈恩寺遺址公園，其中蓮湖公園、興慶公園屬重度污染水平。6大公園灰塵重金屬元素均處于重度污染水平，生態(tài)危害程度依次為大明宮遺址公園>革命公園>曲江池遺址公園>蓮湖公園>唐大慈恩寺遺址公園>興慶公園，其中大明宮遺址公園、革命公園、曲江池遺址公園、蓮湖公園潛在生態(tài)危害屬?gòu)?qiáng)—很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 重金屬元素Cd在不同公園含量差異性明顯，受到人為影響最大。大明宮遺址公園地表灰塵中Cd富集顯著，表現(xiàn)為極高的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平，說(shuō)明在受到大量工業(yè)活動(dòng)和交通活動(dòng)的雙重影響下地表灰塵重金屬元素Cd累積量顯著增大。公園土壤和灰塵之間對(duì)應(yīng)重金屬元素Cu和Cr存在極顯著相關(guān)性，Pb存在顯著相關(guān)性，Cd和Zn不存在顯著相關(guān)性，表明了西安市公園土壤和灰塵中重金屬元素Cu，Pb，Cr污染的同源性和Cd，Zn污染的非同源性。

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Heavy Metal Contents and Ecological Risk Assessment of Soils and Dust in Urban Parks of Xi′an City

JIA Ruiyu, ZHU Wanyong, LI Nan, TONG Jie

(InstituteofGeologicalandEnvironmental,Xi′anUniversityofScienceandTechnology,Xi′an710054,China)

The surface soils and dust of six parks in urban areas of Xi′an City were sampled and analyzed. Single contamination index method, comprehensive contamination index method and potential ecological risk index method were used to evaluate heavy metal contamination. Multivariate statistical analysis was used to explore the relationship between heavy metals of the soil and the dust. Results showed that concentrations of all five heavy metals surveyed including Cu, Cd, Zn, Pb and Cr were higher than the soil element background values of Shaanxi Province. Surface soil and dust were mainly polluted by Pb, Cu and Cd. Heavy metal contamination levels of soil and dust were mostly middle/heavy pollution and heavy pollution respectively, the potential ecological risk of heavy metal pollution of soils in the parks was slight, the potential ecologic risks of heavy metal pollution of dust in Daming Palace Ruins Park, Revolution Park, Qujiang Pool Park and Lianhu Park were at high-very high level, especially the risk of Cd pollution of surface dust in Daming Palace Ruins Park was much higher, up to 978.33. Very obvious and obvious relationship was observed between the corresponding heavy metals such as Cu, Cr and Pb in surface soils and dust.

heavy metals; pollution; risk assessment; park of Xi′an City

2014-10-31

2014-12-09

賈銳魚(yú)(1963—),女,陜西韓城人,教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事水土生態(tài)環(huán)境研究。E-mail:823806388@qq.com

朱萬(wàn)勇(1989—),男,河南信陽(yáng)人,在讀碩士研究生,研究方向?yàn)橥寥乐亟饘佟-mail:zhuwanyong1989@163.com

X513; X826

1005-3409(2015)05-0316-05