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广州市城市森林土壤重金属污染状况及其评价广州市城市森林土壤重金属污染状况及其评价 -- 12 元

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生态环境2008,171210215http//www.jeesci.comEcologyandEnvironmentEmaileditorjeesci.com基金项目国家科技部十一五林业科技支撑计划项目(2006BAD03A1701)中国林业科学研究院重点预研课题专项补助项目(2006)广州市林业局森林生态效益监测项目内容(2007)广州地区青山绿地-城市林区林带环境生态效益监测项目内容(20052008)作者简介潘勇军(1971-),男,土家族,助理研究员,硕士,主要从事环境生态学研究。Emailpyjzsj126.com收稿日期20070907广州市城市森林土壤重金属污染状况及其评价潘勇军1,陈步峰1,肖以华1,吴敏2,史欣1,徐猛11.中国林业科学研究院热带林业研究所,广东广州5105202.广州市林业局,广东广州510030摘要城市森林土壤能储淤城市环境中的重金属污染元素,影响土壤环境质量。文章对广州市的城市森林区域中土壤重金属的污染状况进行研究,应用单项污染元素指数和综合污染指数对广州市城市森林土壤进行环境质量评价,结果表明广州市机场高速林带林区土壤中As、Pb、Cd三重金属污染元素超标,广深铁路林带林区土壤中Cd重金属元素超标,其他各林区严格控制环境重金属污染物未超标帽峰山森林公园土壤重金属综合污染指数最低,表明森林群落对重金属污染元素的消减作用明显。土壤酶活性可以表征森林土壤中重金属污染状况,森林土壤中As、Cu、Zn含量与过氧化氢酶活性呈显著负相关性对可能影响城市森林土壤重金属含量因素的10个因子进行主成分分析,建立了城市森林土壤环境质量评价综合模型。关键词城市森林土壤重金属土壤环境质量土壤酶主成分分析中图分类号X173文献标识码A文章编号16722175(2008)01021006土壤具有生产植物产品与净化污染物质的双重特殊功能,土壤中存在着大量有机、无机胶体,活的微生物和土壤动物,进入土壤的污染物质通过土壤物理、化学和生物等过程,可不断被吸附、分解、转化和迁移,而使土壤具有一定的净化能力,是一个良好的活性过滤器。但土壤环境的净化能力是有限的,当进入土壤环境污染物质的数量与速度超过它的净化能力或土壤环境容量时,土壤遭受污染的同时亦失去净化器的作用,并将要影响植物产品的质量与数量。自20世纪中期,随着现代工业的迅速发展,城市化趋势日益加剧,由此出现的城市重金属环境污染问题逐渐成为人类关注的焦点。城市森林作为城市生态系统的重要组成部分,对城市生态环境的改善起着举足轻重的作用,城市森林作为城市生态系统中最具有生命力的结构单元,是重金属污染物的巨大储存库,储存环境中大约90%的来自各方面的重金属污染物质。广州市城市化和经济发展迅速,工业化废气、废电器及生活垃圾废弃、重金属污染等区域环境负荷日趋严峻,土壤重金属污染已是经济社会与环境协调发展凸现的生态问题。目前,人们仅对与生活息息相关的农业用地土壤重金属的环境质量评价及重金属的生物有效性关注较多,而认为城市森林土壤重金属污染状况对人类生活影响不大,对城市森林土壤重金属污染的环境质量评价研究较少1、2。本文研究了广州市6处城市森林区域样地土壤中重金属的污染状况,利用土壤重金属元素污染指数对广州市城市森林土壤进行了环境质量评价,对可能影响土壤重金属污染的因素如土壤酶活性、土壤理化性质等进行分析,旨在摸清广州市城市森林土壤中重金属含量状况及其污染程度,影响土壤质量的因素,为比较城市林业用地与农业用地土壤重金属污染提供基础数据,为解决城市环境重金属污染,尤其是利用城市森林处理城市废弃物,修复污染土壤的和改良土壤环境质量提供新的思路。1研究区域概况广州市位于广东省中部,地理位置为北纬23°02′24″~23°25′53″,东经113°08′36″~113°34′52″之间,地处南亚热带,属南亚热带典型的季风海洋气候,冬暖夏凉,雨量充沛。年平均气温为21.8℃,夏季长达6~7个月,最热月7月平均气温28.4℃,最冷月1月平均气温13.3℃,年平均降雨量为1700mm,4~9月为雨季,占全年降雨量的80,其中6月最多,超过280mm。帽峰山森林公园原生植被为南亚热带季风常绿阔叶林,现为人工植被和天然次生植被的混合体,已形成针阔混交林、阔叶混交林和南亚热带季风常绿阔叶林。其余均为近几年营造的青山绿地工程林带林区,林木生长旺盛,主要树种有尾叶桉Eucalyptusurophylla、高山榕Ficusaltissima、海南蒲桃Syzygiumumini、海南红豆Ormosiapinnata、人面子Dracontomelindao、细叶榕Ficusmicrocarpa、红花羊蹄甲Bauhiniablakeana、海芒果Cerbramanghas、印度紫檀Pterocarpusindicus等,平均胸径9.3cm、平均高5.9m林下灌木平均高3.2m、草本0.56m,潘勇军等广州市城市森林土壤重金属污染状况及其评价211初步形成林带森林群落林分。2研究方法2.1土壤重金属元素分析方法在每个样地内多点3个分层020cm、2040cm、4060cm、60~80cm、80cm以下采集土样,土壤被带回实验室按四分法缩分再经风干,磨细过100目筛后装瓶备测。土壤经浓硝酸+氢氟酸+高氯酸加热消化,冷却后再用盐酸溶解定容的方法进行前处理。有机C重铬酸钾硫酸消化法测定全N半微量凯氏测定全P高氯酸硫酸溶液钼抗比色法测定重金属元素Cu、Zn、Pb、Cd用原子吸收光度法测定As用二乙基二硫代氨基甲酸银比色法测定。2.2森林土壤重金属污染状况评价方法本文采用单因子污染指数与综合污染指数表征方法来评价森林土壤重金属的污染程度。单因子污染指数采用如下公式3Ci/C03.0严重污染表2森林土壤重金属污染指数Table2Thepollutionindicesofheavymetalsinforestsoil样地As污染指数Cu污染指数Zn污染指数Pb污染指数Cd污染指数综合污染指数JC11.110.390.731.032.231.81JC21.280.390.791.022.742.20MFS0.180.200.330.110.680.54GC0.190.100.320.260.710.57GS0.260.230.200.031.881.46潘勇军等广州市城市森林土壤重金属污染状况及其评价213部分存在于土壤溶液中,而以测定各种酶的活性来表征。土壤酶是土壤营养物质转化和能量代谢的重要参与者15。土壤酶的活性大致反映了某一种土壤生态状况下生物化学过程的相对强度测定相应酶的活性,可以间接了解某种物质在土壤中的转化情况。土壤酶类对重金属的抑制或激活作用比较敏感,土壤酶活性可作为土壤污染的重要生物活性指标16。森林土壤中重金属污染元素含量与土壤酶活性有密切关系,森林土壤中As、Cu、Zn含量与土壤中过氧化氢酶活性呈显著的负相关性,与脲酶、酸性磷酸酶呈负相关性,仅与蛋白酶呈正相关性,但相关性不大,见表5。土壤中过量的重金属强烈的抑制土壤过氧化氢酶的活性,表明土壤过氧化氢酶活性可以灵敏的反映土壤重金属污染状况17,可以表征森林土壤中As、Cu、Zn污染状况的一个指标。重金属在土壤中的积累,能全部或部分抑制许多生化反应,改变反应方向和速度,从而破坏土壤原有的有机物或无机物所固有的化学平衡和转化18。土壤酶活性对土壤重金属反映比较敏感,Pb、As、Cu、Zn对土壤酶活性有一定程度的抑制作用,本研究中发现土壤重金属对土壤中的过氧化氢酶的抑制作用较大,呈显著负相关性。造成重金属对土壤酶活性的抑制作用机理,可能与酶活性分子中的活性部位-巯基和含咪唑的配体等结合,形成较稳定的络合物,产生了与底物的竞争性抑制作用有关或者可能由于重金属抑制了土壤中微生物的生长繁殖,减少微生物体内酶的合成和分泌量最终导致土壤酶活性降低4,15。酶体作为蛋白质,需要一定量的重金属离子作为辅基,此时重金属能促进酶活体中心与底物间的配位结合,使酶分子与其活性中心保持一定的专性结构,改变酶催化反应的平衡性质和酶蛋白的表面电荷,从而可增强土壤脲酶酶活性,即可以表现出一定的激活作用19。3.6城市森林土壤环境污染因素分析土壤环境质量是各种彼此相关的环境因素综合作用的结果,具有多元函数关系,对土壤环境质量变化有的是直接的,有的是间接的。对森林土壤中监测的10个因子,利用spss软件对数据进行主成分分析,寻求对森林土壤进行环境质量评价模型20。遵循主成分个数提取原则即主成分对应的特征值大于1的前m个主成分提取3个主成分。通过表(初始因子载荷矩阵)可以看出pH、P、As、Cu、Zn、Pb在第一主成分上有较高载荷,说明第一主成分基本反映了这些指标的信息N、C、Cd在第二主成分上有较高载荷,说明第二主成分基本反映了土壤中N、C、Cd的信息K在第三主成分上有较高载荷。所以提取三个主成分可以反映全部指标的信息。用主成分载荷矩阵中的数据除以主成分相对应的特征值开平方根便得到三个主成分中每个指标所对应的系数,就可以得出主成分表达式以每个主成分所对应的特征值占所提取主成分总的特征值之和的比例作为权重计算主成分综合模型332132321213211FFFF得出主成分综合模型109876543210096.0228.02414.01777.02037.02303.0076.0177.0302.00653.0xxxxxxxxxxF根据主成分综合模型即可计算综合主成分值,并对其按综合主成分值进行排序,即可对各地区森林土壤环境质量进行综合评价比较。4结论应用单因子污染指数法和综合污染指数法对广州市城市森林土壤重金属污染进行分析和评价,广州市城市森林土壤重金属污染状况仅处于轻度表5重金属污染元素与土壤酶活性相关关系Table5Thecorrelationbetweenthesoilenzymeactivitiesandthecontentsofheavymetalsinforestsoil元素蛋白酶转化酶酸性磷酸酶过氧化氢酶脲酶As0.0240.5740.1700.8280.480Cu0.2590.2610.030.6250.265Zn0.0510.4430.0110.7560.318Pb0.0390.4640.0200.7250.426Cd0.0800.1190.0720.3150.443注N16..Correlationissignificantatthe0.05level2tailed..Correlationissignificantatthe0.01level2tailed.10987654321114.0427.0421.03871.0431.00041.0258.0326.0158.0291.0xxxxxxxxxxF109876543212482.0129.0111.00457.0154.0582.0177.0227.0532.0089.0xxxxxxxxxxF10987654321295.0184.0238.0055.0092.0347.0488.0244.0367.0508.03xxxxxxxxxxF表6森林土壤重金属污染评价主成分分析结果Table6Theresultsoftheprincipalcomponentanalysisfortheevaluationofheavymetalcontamination元素主成分123pH0.6110.1330.686TN0.3320.7930.494TP0.6840.3380.330TK0.5400.2640.659TOC0.08580.8680.468As0.9040.2300.124Cu0.8110.06820.07465Zn0.8830.1650.321Pb0.8960.1930.249Cd0.2940.7180.398214生态环境第17卷第1期(2008年1月)污染水平或污染预警水平,较污灌区土壤质量好,从而可以为城市土壤重金属污染区的采用以林代农的利用方式提供新思路,确保城市生态安全。土壤环境质量与土壤的各种因子彼此相关的,土壤pH值、土壤养分元素含量、土壤酶活性及土壤的温湿度均能影响土壤重金属污染元素的含量。森林土壤中重金属含量与土壤pH值呈显著正相关性,土壤中与K含量呈正相关性,Cd含量与土壤C、N呈显著正相关性,Cu含量与土壤中P含量呈正相关性。森林土壤中As、Cu、Zn含量与土壤中过氧化氢酶活性呈显著的负相关性,土壤过氧化氢酶活性可以表征森林土壤中As、Cu、Zn污染状况的。5讨论对城市森林土壤-植物生态系统进行以科学为基础的定量化评价,是从一个期望状态到因人类活动而导致的不期望状态逆向变化的可能性评价。要求对生态系统背景值进行监测和对逆向变化最具有潜力的各种指标进行评价,影响城市土壤环境质量的因素较多,评价时对有可能影响土壤环境质量的因子尽可能考虑全面。由于城市人为活动剧烈,对城市土壤环境污染类型多样,森林土壤中土壤酶活性是表征土壤重金属污染状况的指标之一,还可以寻求更多的表征因子来监测土壤-植物系统对环境压力做出响应的指标体系。土壤环境质量评价是对各彼此相关的环境因素综合评价,建立环境质量评价模型,评价模型是生态环境质量分析的组成部分,当预测各种环境灾害或各种干扰与作为结果而发生的各种系统变化之间的关系时,模型对生态环境质量评价是不可缺少的。参考文献1王广林,王立龙,沈章军等.冶炼厂附近水稻田土壤重金属污染与土壤酶活性的相关性研究J.安徽师范大学学报自然科学版2004,3310313.WangGuanglinWangLilongShenZhangjun,etal.StudyonrelationofheavymetalpollutioninsoilsofricelandsnearsmelteryandenzymeactivitiesJJournalofAnhuiNormalUniversityNaturalScience,2004,3310313.2王宏镔,束文圣,蓝崇钰.重金属污染生态学研究现状与展望J.生态学报,2005,253596605.WangHongbin,ShuWensheng,LanChongyu.EcologyforheavymetalpollutionrecentadvancesandfutureprospectsJ.ActaEcologySinica,2005,253596605.3李祚泳,丁晶,彭荔红.环境质量评价原理与方法M.北京化学工业出版社,2004,128135.LiZuoyun,Dingping,PengLihong.TheoryandmethodofenvironmentqualityevaluateM.BeijingChemicalIndustryPress,2004,128135.4周礼恺.土壤的重金属污染与土壤酶活性J.环境科学学报,1985,52,176184.ZhouLikai,ZhangZhiming,CaoChengmian,etal.HeavymetalpollutionandenzymaticactivityofsoilJ.ActaScientiaeCircumstantiae,1985,52,176184.5刘树庆.保定市污灌区土壤的Pb、Cd污染与土壤酶活性关系研究J.土壤学报,1996,332175182.LiuShuqing.RelationshipbetweensoilPbandCdpollutionandenzymeactivitiesinwastewaterirrigatedareaofbaodingcityJ.ActaPedologicaSinica,1996,332175182.6曾锋,张金池.重金属在森林生态系统中的迁移规律研究进展J.世界林业研究,2001,1421622.ZengFeng,ZhangJinchi.AdvancesintheresearchonmovementpatternofheavymetalinforestecosystemJ.WorldForestyResearch,2001,1421622.7毛永文.生态环境影响评价概论M.北京中国环境科学出版社,2003.89111.MaoYunwen.TheconspectusofentironmentinfluenceevaluateM.BeijingChineseEntironmentSciencePress,2003.89111.8王成,郄光发,杨颖等.高速路林带对车辆尾气重金属污染的屏障作用J.林业科学,2007,43317.WangChen,QieGuangfa,YangYing,etal.EffectsofhighwayforestbeltsonheavymetalspollutionformtailgasofvehiclesJ.ScientiaSlvaeSinicae,2007,43317.9唐永銮.环境质量及其评价和预测M.北京科学出版社,1980.220258.TangYunjian.TheforecastandevaluateofentironmentqualityM.BeijingSciencePress,1980.220258.10夏增禄,李森照,李庭芳,等.土壤元素背景值及其研究方法M.北京气象出版社,1987.289294.XiaZenglu,LiSengzhao,LiTingfangetal..TheresearchmethodandbackgroundcostofsoilelementM.BeijingChinaMeteorologicalPress,1987.289294.11朱永官,陈保冬,林爱军,等.珠江三角洲地区土壤重金属污染控制与修复研究的若干思考J.环境科学学报,2005,251215761579.ZhuYongguan,ChenBaodong,LinAijunetal.HeavymetalcontaminationinPearlRiverDelta–statueandresearchprioritiesJ.Actascientiaecricumstantiae.2005,251215761579.12李晓明,李淑梅,梁向阳..珠江三角洲经济区125万生态环境地质调查纪实.中国地质环境信息网OL.2005.LiXiaomin,LiShumei,LiangXiaoyang.1∶250000AreaGeologicalsurveyofthePearlRiverDeltaEconomicRegionOL.www.cigem.gov.cninChinese13NAIDUR,KOOKANARS,SUMNERME.CadmiumsorptionandtransportinvariablechargesoilsJ.EnvironQual,1997,26602617.14杨芳,徐秋芳.不同栽培历史雷竹林土壤养分与重金属含量的变化J.浙江林学院学报,2003,202111114.YangFang,XuQiufang.ChangesinnutrientsandheavymetalcontentsinsoilsunderPhyllostachyspraecoxstandswithdifferentcultivationghistoriesJ.JournalofZhejiangForestryCollege,2003,202111114.15杨志新,冯圣东,刘树庆.镉/锌铅单元素及其复合污染与土壤过氧潘勇军等广州市城市森林土壤重金属污染状况及其评价215化氢酶活性关系的研究J.中国生态农业学报,2005,134138141.YangZhixin,FengShengdong,LiuShuqing.EffectofsingleelementandcompoundpollutionofCd,Zn,PbonsoilcatalaseactivityJ.ChineseJournalofEcoAgriculture,2005,134138141.16沈国清,陆贻通,洪静波.重金属和多环芳烃复合污染对土壤酶活性的影响及定量表征J.应用与环境生物学报,2005,114479482.SHenGuoqing,LuYitong,HongJingbo.QuantitativeexpressionandeffectofcombinedpollutionofheavymetalsandpolycyclicacromatichydrocarbonsonsoilenzymeJ.ChineseJournalofAppliedandEnvironmentalBiology,2005,114479482.17胡学玉,孙宏发,陈德林.大冶矿区土壤重金属积累对土壤酶活性的影响J.2007,16514211423.HuXueyu,SunHongfa,ChenDelin.InfluenceofheavymetalspollutionontheactivitiesofsoilenzymeinDayemineraldistrictinHubeiprovine,ChinaJEcologyandEnvironment,2007,16514211423.18和文祥,朱铭莪,张一平.汞、镉对土壤脲酶活性影响的研究Ⅰ.尿素浓度J.应用生态学报,2002,132191193.HEWenxiang,ZHUMinge,ZHANGYiping.EffectsofmercuryandcadmiumontheactivityofureaseinsoilsⅠ.UreaconcentrationJ.ChineseJournalofAppliedEcology,2002,132191193.19MarzadoriC,CiavattaD.EffectofleadpollutionondifferentsoilenzymeactivitiesJ.SoilfertileSoil,1996,236581587.20余建英,何旭宏.数据统计分析与SPSS应用M.北京人民邮电出版社,2004,234245.YuJianying,HeXuhong.ThedataStatanalyseandSPSSapplyM.BeijingPostsandTelecomPress,2004,234245.HeavymetalpollutionstatusandevaluationofurbanforestsoilsinGuangzhouPanYongjun1ChenBufeng1XiaoYihua1WuMin2ShiXin1XuMeng11.ResearchInstituteofTropicalForestry,CAF,Guangzhou510520,China2.ForestryBureauofGuangzhou,Guangzhou510030,ChinaAbstractHeavymetalpollutionelementofsoilcanbestoredandthesoilenvironmentqualitycanbeaffectedbytheurbanforest.Thisarticlestudyheavymetalpollutionconditionandevaluatetheenvironmentqualitybytheindexesofmonomialandsyntheticalpollutionofthesoilheavymetal.TheresultsshowedthatcontentsofAs,PbandCdexceedstheallowedstandardattheairportforestbeltregionsoil,andCdalsointhetrainforestbeltofGuangzhoushengzhen,andotherstrictcontrolenvironmentheavymetalpollutionhasnotexceededinothervariousforestregionsThesyntheticalpollutionindexislowestintheMaofengshanforestparkbecausetheforesthasfunctionthatcanreducesthecontentsofheavymetalinsoilThenegativecorrelationbehavedremarkedbetweenthecontentsofheavymetalAs,Cu,Znandthesoilcatalaseactivity,itindicatedthatsoilenzymeactivitymaybethekeenreflectionofsoilheavymetalpollutionconditionPrincipalcomponentanalysiswasusedtoestablishtheforestsoilenvironmentqualityevaluateunifiedmodelbyanalysingthepossibility10factorsonthesoilheavymetalpollutionattheGuangzhouurbanforestsoil.Keywordurbanforestsoilheavymetalsoilenzymeactivitysoilenvironmentqualityprincipalcomponentanalysis
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