（环境科学专业论文）兰州城市表层土壤重金属cu、zn、pb的分布及磁化率特征.pdf

兰州大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t c i t yi st h ec e n t r a lp l a c ef o rh u m a ns o c i a l ，e c o n o m i c ，a n dc u l t u r a l a c t i v i t i e s u r b a ns o i lp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei ne n v i r o n m e n tq u a n t i t yf o rh u m a nr e s i d e n c ea n d u r b a ne c o l o g i c a lf u n c t i o n h o w e v e r , h u m a na c t i v i t i e ss u c ha si n d u s t r i a la c t i v i t i e s ， t r a n s p o r t a t i o nh a v em a d eh e a v ym e t a lp o l l u t i o no f u r b a nt o p s o i l ss e r i o u s l y t h e r e f o r e ， s t u d y i n gh e a v ym e t a lp o l l u t i o no fu r b a nt o p s o i li sp r a c t i c a l l ys i g n i f i c a n t t h eu r b a n t o p s o i l si nl a n z h o uw e r et a k e nt oa n a l y z et h e i rm a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t y , t o t a lc o n t e n t s a n dt c l p ( t o x i c i t yc h a r a c t e r i s t i cl e a c h i n gp r o c e d u r e ) e x t r a c t a b l ec o n t e n t so f h e a v y m e t a l sc u , z n , a n dp b ，i no r d e rt os t u d yt h ed i s t r i b u t i o no fh e a v ym e t a l sc u , z n , a n d p ba n dm a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t yc h a r a c t e r i s t i co f u r b a nt o p s o i l si nl a n z h o u t h er e s u l t s i n d i c a t et h a t ： t h ea v e r a g ec o n t e n t so fh e a v ym e t a l sc u , z n , a n dp bo fu r b a nt o p s o i l si n l a n z h o ua r e3 9 6 4m g k g ，1 3 0 0 1m g k g ，a n d5 7 4 8m g k g ，r e s p e c t i v e l y t h ec o n t e n t s o f h e a v ym e t a l sc u , z n ，a n dp ba r ec o n s i s t e n t l yh i g h e rt h a nt h eb a c k g r o u n dv a l u e so f l o c a ls o i l s t h eu r b a nt o p s o i l si nl a l ：l z l l o ua r ec o n t a m i n a t e db yh e a v ym e t a l sc u , z n , a n dp bt ov a r i o u se x t e n t s t h ea v e r a g ec o n t e n t so fh e a v ym e t a lc uo f u r b a nt o p s o i l si nl a n z h o ui nr a n k i n g a r ex i g ud i s t r i c t c h e n g g u a nd i s t r i c t q i l i h ed i s t r i c t a n n i n gd i s t r i c t t h e a v e r a g ec o n t e n t so fh e a v ym e t a lz ni nr a n k i n ga r ex i g ud i s l r i c t q i l i h ed i s t r i c t a r m i n gd i s t r i c t c h e n g g u a nd i s t r i c t t h ea v e r a g ec o n t e n t so fh e a v ym e t a lp bi n r a n k i n ga r ec h e n g g u a nd i s t r i c t x i g ud i s t r i c t q i l i h ed i s t r i c t a r m i n gd i s t r i c t a l lt h ei n d i v i d u a lp o l l u t i o ni n d e x e so fh e a v ym e t a l sc u ，z n , a n dp bo fu r b a n t o p s o i l si nl a n z h o ua r eh i g h e rt h a n1 ，p bp o l l u t i o ni n d e xi st h eh i g h e s t ，f o l l o w e db y z n , a n dc u i st h el o w e s t a l lt h ei n t e g r a t e dp o l l u t i o ni n d e x e so f h e a v ym e t a l sc u , z n ， a n dp bo fu r b a nt o p s o i l si nl a n z h o ua r eh i g h e rt h a n3 ，w h i c hs h o wt h a tt h eu r b a n t o p s o i l si nl a n z h o ua r es e r i o u s l yc o n t a m i n a t e d t h eh e a v ym e t a l sp o l l u t i o no fu r b a n t o p s o i l si n ) ( i g i ld i s t r i c ti st h em o s ts e r i o u s ，f o l l o w e db yc h e n g g u a nd i s t r i c t , a n d q i l i h ed i s t r i c ta n da n n i n gd i s t r i c ta r et h el o w e s t t h em a i nc a u s e so fh e a v ym e t a l s p o l l u t i o no fu r b a nt o p s o i l si nl a n z h o ua l ei n d u s t r i a la c t i v i t i e s ，t r a n s p o r t a t i o na n d c o m m e r c i a la c t i v i t i e s 兰州大学硕士研究生学位论文 a l lt h eh e a v ym e t a l sc u , z n a n dp bo fu r b a nt o p s o i l si nl a n z h o nc o u l db e e x t r a c t e db yt c l pr e a g e n t t h ea v e r a g ee x t r a c t a b l ec o n t e n t so fh e a v ym e t a lc uo f u r b a nt o p s o i l si nl a n z h o ui nr a n k i n ga r ex i g ud i s t r i c t q i l i h ed i s t r i c t c h e n g g n a n d i s t r i c t a r m i n gd i s t r i c t t h ea v e r a g ee x t r a c t a b l ec o n t e n t so fh e a v ym e t a lz ni l l r a n k i n ga r ex i g ud i s t r i c t q i l i b ed i s t r i c t a n n i n gd i s t r i c t c h e n g g u a nd i s t r i c t 1 1 1 ea v e r a g ee x t r a c t a b l ec o n t e n t so fh e a v ym e t a lp bi nr a n k i n ga r ea n n i n gd i s t r i c t c h e n g g u a nd i s t r i c t q i l i h ed i s t r i c t x i g nd i s t r i c t t h em a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t yo fu r b a ns o i l sa r eh i g h e rc o m p a r e dw i t ht h o s eo f n a t u r a ls o i l s n l em a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t yo fu r b a nt o p s o i l sa r ec o r r e l a t e dw i t l lt o t a l c o n t e n t sa n dt c l pe x t r a c t a b l ec o n t e n t so fh e a v ym e t a l sc u , z i la n dp b , w h i c h i m p l i e st h a tt h em a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t yo fu r b a nt o p s o i l sc o u l db ei n d i c a t e dt h e p o l l u t i o ns t a t u so f h e a v ym e t a l sc u ，z n ，a n d p bo f u r b a ns o i l k e yw o r d s ：u r b a nt o p s o i l ；h e a v ym e t a l ；d i s t r i b u t i o n ；m a g n e t i cs u s c e p t i b i l 埘；t c l p ； p o l l u t i o na s s e s s m e n t 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行 研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、 数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成 果做 批重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 鼋莆前日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰 州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学 校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本 人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：j 煦导师签名绺日期：业 兰州大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 城市土壤环境 城市土壤，相对传统土壤学而言，是一个全新的概念( 张甘霖，1 9 9 9 ) 。传 统意义上，土壤学的研究对象主要集中在农业土壤上，研究人员关注的重点是农 业土壤环境中的重金属污染，因为重金属能够在农业土壤环境和农产品中累积， 通过食物链，进入人体，危害人类身体健康。 2 0 世纪8 0 年代后期城市和工矿区土壤( 通称城市土壤) 逐渐被重视。一系列 城市土壤制图最先在德国的一些城市开展，美国在9 0 年代初也开展了纽约的城市 土壤调查和制图，并提出了几个城市土壤土系。这些研究的兴起，重要的原因在 于逐渐认识到城市土壤的特殊性、复杂性和其对生态环境的重要影响。1 9 8 9 年德 国土壤学会成立了城市土壤工作组，这可能是世界上首个成立的城市土壤研究专 门学术组织，它极大地推动了城市土壤研究在德国和其他地区的影响( 张甘霖， 1 9 9 9 ) 。 b o c k h e i m 早在1 9 7 4 年就提出了城市土壤定义，认为城市土壤是指由于人 为的、非农业作用形成的，并且由于土地的混合、填埋或污染而形成的厚度大 于或等于5 0c m 的城区或郊区土壤( b o c k h e i m ，1 9 7 4 ) 。我国学者张甘霖认为 城市土壤不是一个分类学上的术语，它是指出现在城市和城郊地区，受多种人 为活动方式的强烈影响，原有特性得到强烈改变的土壤的总称，广泛分布在公 园、道路、体育场、城市河道、城郊、垃圾填埋场、废弃工厂、矿山周围或者 简单地成为建筑、街道、铁路等城市设施的基础而处于埋藏状态( 张甘霖，2 0 0 5 ) 。 由于人类活动的强烈影响，城市土壤在物理、化学、生物学等方面均表现 出独特的特征( 章家恩，1 9 9 7 ；张甘霖，2 0 0 0 ；卢瑛，2 0 0 1 ；黄勇，2 0 0 5 ) ： ( 1 ) 城市的发展变化、土地利用方式的改变，使得城市土壤在时间与空间上产生 较大的变化；( 2 ) 土壤层次排列混乱，许多土层之间没有发生学上的联系，腐殖 质层被剥离或者被埋藏，其它层破碎且没有统一的出现规律；( 3 ) 土壤层次中含 有丰富的外源物，如玻璃、铁钉与陶瓷等；( 4 ) 变性的土壤物理结构，压实和板 结现象明显，导致土壤容重增大，孔隙度减小；( 5 ) 土壤p h 值向碱性方向演变、 有机质含量增加，同时表现出明显的污染特征；( 6 ) 土壤生物活动受到严重干扰。 城市土壤在成土环境、成土过程、剖面发育形态、物质组成以及养分循环 等方面均与农业土壤有着较大的不同( 章家恩，1 9 9 7 ) ( 表1 一1 ) 。 兰州大学硕士研究生学位论文 表1 1 城市土壤与农业土壤的比较 ( 章家恩，1 9 9 7 ) 1 2 城市土壤重金属污染国内外研究现状 1 2 1 城市土壤重金属污染的来源 在城市土壤重金属来源研究方面，认识到城市土壤中的重金属一部分来源 于成土母质，另一部分则来源于人类活动。成土母质是城市土壤中重金属含量 的重要来源( 陶澍，2 0 0 1 ) ，是决定城市土壤中重金属元素含量与分布特征的 重要因素之一。例如，在北京市，目前土壤中c r 、n i 的含量就主要受成土母质的 影响( 郑袁明，2 0 0 3 ) 。研究表明，工业活动的影响是造成城市土壤重金属污 染的最重要原因之一( i m p e r a t om ，2 0 0 3 ；何乱水，2 0 0 3 ；康玲芬，2 0 0 6 ) 。 工业活动排放出来的大量重金属元素不仅造成了工业园区土壤重金属的严重累 积( 何乱水，2 0 0 3 ) ，而且，工业废气和粉尘的沉降以及工业废水的灌溉也导 致工业园区周边地区道路两侧、居民区、公园和农业土壤重金属的较多累积 ( h a y a ts ，2 0 0 2 ：k l u m m p a ，2 0 0 3 ；m 6 1 1 e r a ，2 0 0 5 ) 。城市交通运输则是 城市土壤重金属污染的另一个重要来源，汽车尾气排放、燃料及润滑油的泄漏、 轮胎添加剂中的重金属元素以及机械部件的磨损均可影响到道路两侧土壤中 2 兰州大学硕士研究生学位论文 p b 、z n 、c u 的含量，且这些元素的积累量都与交通流量有关( 刘廷良，1 9 9 6 ； 菲尔汗汗杰尔，2 0 0 2 ；f a k a y o d eso ，2 0 0 3 ) 。另外，城市生活垃圾与工业废 弃物的堆放及填埋对其附近城市土壤中重金属的含量与形态特征有着明显的影 响，其附近土壤中重金属元素的含量与形态分布特征与垃圾中的重金属含量及 其有效态含量呈明显的正相关( l i nzx ，1 9 9 8 ；张辉，2 0 0 1 ) 。在不同工矿企 业周围，土壤重金属含量还表现出明显的特异性，如锌矿冶炼厂废弃物的排放 即可导致其周边城市土壤z n 含量特异( g a l l e g ojl r ，2 0 0 2 ) 。同时公园与花 园绿化过程中污水、污泥堆肥的广泛使用也明显影响到城市土壤中的重金属组 成与含量( m i g u e lde ，1 9 9 8 ) 。锅炉和小煤炉产生的烟尘、生活污水和生活 垃圾的排放是造成居民区土壤重金属累积的原因( 康玲芬，2 0 0 6 ) 。 1 2 2 城市土壤重金属含量的空间分布 由于不同的土地利用类型和频繁的人类干扰，城市土壤中的重金属含量存 在显著的空间差异。而相同的土地利用方式下的土壤重金属污染则表现出显著 的同一性( l i n d em ，2 0 0 1 ) 。一般来讲，城市土壤重金属含量的空间分布的规 律表现为：工业区和矿冶区以p b 和c d 的累积为特征，居民区和商业区则以 c u 和z n 的累积为特征( b u l l o c k ，1 9 9 1 ；马建华，1 9 9 9 ；王美青，2 0 0 2 ；卢瑛， 2 0 0 2 ；吴新民，2 0 0 3 ) 。针对开封、杭州、南京等城市的土壤重金属的污染状 况的研究结果，都表明同一城市不同功能区土壤重金属污染程度与该区域的人 类活动密切相关( 马建华，1 9 9 9 ；王美青，2 0 0 2 ；卢瑛，2 0 0 2 ：吴新民，2 0 0 3 ) 。 城市和城郊长期的不同的人类活动造成城市与城郊土壤不同程度的重金属 污染。一般而言，距离城区越近，其污染程度往往较大。沿纽约市1 4 0k m 长 的“城区一郊区一农业区”森林生态样带，土壤中c u 、n i 、p b 的含量随着该 区与市中心距离的增加而降低，且城区土壤中的c u 、n i 、p b 含量分别是农区 土壤中含量的4 倍、2 倍、2 倍( p o u y a t r v ，1 9 9 1 ) 。香港与广州城市土壤中 的重金属含量分布也表现出类似的特征，即城区土壤所有的重金属平均含量最 高，而城郊的农业土壤( 果园、菜园、作物土壤) 和公园土壤居中，林地土壤 含量则最低( 陈同斌，1 9 9 7 ：管东生，2 0 0 1 ) 。 由于城市的建设，如建筑、修路等以及工业废弃物、生活垃圾、交通运输 废气等的排放，城市土壤剖面常遭受严重改变，土壤中有许多不同来源物质的 混入，最终导致自然土壤发生层被破坏，许多土壤剖面上下土层无发生学上的 3 兰州大学硕士研究生学位论文 联系，导致重金属含量在剖面上的分布无规律，香港、杭州等国内城市的研究 结果已经得到了证实( 李玉和，1 9 9 7 ；j i m c y ，1 9 9 8 ；j i m c y ，1 9 9 8 ；马克 明，2 0 0 1 ；章明奎，2 0 0 3 ；符娟林，2 0 0 4 ) 。 1 2 3 城市土壤重金属含量的时间变化 随着我国经济的发展，城市都在不断扩张，城市化进程日益加快，同时城 市土壤中的重金属含量也在随时间推移而快速增加。研究发现，杭州市的5 0 个 居民小区土壤重金属含量随居民小区形成时间长短而发生明显变化：1 0 0 0 年前 形成的居民区土壤中重金属c u 、p b 、z n 、m n 的含量 5 0 0 年1 0 0 0 年前形成的 居民区土壤中重金属c u 、p b 、z n 、m n 的含1 5 0 0 年内形成的居民区土壤中重 金属c u 、p b 、z n 、m n 的含量，即土壤中重金属c u 、p b 、z n 、m n 的含量随居 民小区形成时间的增加而增加( 章明奎，2 0 0 3 ：符娟林，2 0 0 4 ) 。而对南京市 土壤重金属含量随时间变化的研究，同样指出城市土壤重金属污染随土地利用 时间增加而有明显的累积趋势，存在着显著的时间变化( 李佑国，2 0 0 4 ) 。 1 2 4 城市土壤重金属的化学形态研究 重金属在土壤中的环境行为不仅取决于其总量，而且还取决于其化学形态。 一般而言，可将土壤中的重金属分为水溶态、可交换态、碳酸盐结合态、铁锰 氧化物结合态、有机物结合态以及残渣态。其中，水溶态、可交换态和碳酸盐 结合态，与土壤结合较弱，最易被释放，具有最大的可移动性，在酸性条件下 易释放，对人体健康威胁最大，有些学者又称之为活形态或有效态；铁锰氧化 物结合态在还原条件下易溶解释放，有机物结合态在氧化状态下易分解释放， 这两种形态的重金属活性、毒性居中；残渣态化学性质稳定，活性、毒性最小 ( 刘玉燕，2 0 0 6 ) 。 t e s s i e r 化学连续浸提法是目前分析土壤中重金属化学形态广泛采用的方 法。研究发现，城市土壤中重金属元素主要以稳定的残渣态为主，其水溶性含 量非常低，但不同元素之间，不同功能区之间各种形态所占比例有较大差异( m a l q ，1 9 9 7 ；l i n z x ，1 9 9 8 ；w i l c k e w ，1 9 9 9 ；l u y ，2 0 0 3 ) 。同时，随着重 金属的积累，城市土壤的重金属形态组成会发生相应的变化，其中酸可提取态 的重金属比例有上升趋势，而残渣态的重金属比例呈下降趋势( k a s h e mm a ， 2 0 0 1 ；章明奎，2 0 0 3 ；李佑国，2 0 0 4 ) 。 由于城市土壤的高p h 值( 偏碱性) ，土壤中的重金属元素均表现出较低的 4 兰州大学硕士研究生学位论文 生物有效性( w i l c k ew ，1 9 9 9 ) 。对香港、南京等城市土壤重金属元素化学形 态分布研究也得到了类似的结果，但香港城市土壤中c d 却表现出较高的可交换 性( l ixd ，2 0 0 1 ；l uy ，2 0 0 3 ) 。在对城市土壤饱和离心液的研究中发现， 5 9 以上的溶解态c d 是以自由离子的形式存在，而溶解态的c u 、p b 、z n 仍主要 以有机结合态的形式存在( g ey ，2 0 0 0 ) 。 此外，城市土壤中的重金属能通过扬尘进入大气，并最终通过人的呼吸作 用而进入人体，从而直接影响到人的身体健康。国外有人作过以人体和动物的 胃液作为浸提液来评价重金属元素的生物有效性的研究，结果表明用胃液来研 究城市土壤中的铅与砷的生物有效性可以很好地反映动物的实际吸收率( r u b y m v ，1 9 9 6 ；r u b y m v ，1 9 9 9 ) 1 2 5 城市土壤重金属含量对大气污染水平的依赖性 城市土壤重金属含量对城市景观地面大气的污染水平具有依赖性。研究指 出，城市空气中多年平均的重金属含量与城市土壤表层( o 2 c m ) 中大量的、可 交换的以及水溶解等形式存在的一些重金属( 如c u 、p b 、m n 等) 含量之间存 在着可靠的相互依赖关系( s t o n em ，1 9 9 6 ；孙炳彦，1 9 9 9 ) 。对乌克兰，白俄 罗斯的多个城市的大气中f e ，m n 、z n 、c u 、p b 多年平均浓度与上述城市土壤 中这些重金属( 水溶态、可交换态) 含量关系的长期研究，已得出了上述二者 之间的相关关系的系数，并导出了回归方程式( 孙炳彦，1 9 9 9 ) 。可见，城市 土壤重金属含量对城市大气污染水平具有依赖性，因此，城市土壤中污染的重 金属较大的存在形态可能是颗粒物形式输入( 刘玉燕，2 0 0 6 ) 。 1 2 6 城市土壤重金属污染的磁学监测 在过去二十多年里，环境磁学的理论和方法广泛应用于古气候与古环境变 化、土壤发生过程、河流沉积物来源和流域侵蚀历史等领域的研究( h a n e s e h , 2 0 0 3 ) 。由于世界环境污染问题目益严重，越来越多的国内外专家将研究重点转 向了环境磁学在环境污染研究中的应用。 欧洲环境磁学专家在城市中心和工业中心地区土壤磁化率与重金属关系的 问题上，开展了大量的工作。研究表明，靠近城市和工业中心地区的土壤磁化 率要高于其他地区( t h o m p s o nr ，1 9 8 6 ) ；h a y 对英格兰地区表土样品磁化率 进行了测定，指出表层土壤磁化率可用来指示污染土壤的空间分布，并使用土 壤的低频质量磁化率大于3 8 x 1 0 m 3 l 【g 及频率磁化率小于3 作为污染土壤的 兰州大学硕士研究生学位论文 磁化率标准，成功地圈定了英格兰地区的污染区域( h a ykl ，1 9 9 7 ) ：s t r z y s z e r 和h e l l e r 对波兰不同地区土壤磁化率的分布进行了研究，结果指出土壤磁化率 的分布方式与地区性大气沉降有关，说明磁性测量可以用于监测不同地区的土 壤重金属污染状况( s t r z y s z e rz ，1 9 9 6 ：h e l l c rf ，1 9 9 8 ) ；受钢铁工业和交通污 染的土壤，其磁化率与重金属镉、铅、锌、铜含量存在着极显著的相关性 ( b i t y u k o al ，1 9 9 9 ) 。 在我国，就城市土壤磁化率特征及其在环境监测中的应用也开展了大量研 究。旺罗等指出，污染表土的频率磁化率与磁化率呈负相关关系，污染表土的 磁化率越大，其频率磁化率越小；污染土壤与清洁土壤具有不同的磁化率特征， 磁化率大于1 0 0 1 0 8 m 3 k g 和频率磁化率小于3 可以用于判断土壤污染( 旺 罗，2 0 0 0 ) 。南京城市土壤磁化率特征的研究结果表明，城区土壤磁化率平均值 大于非城区自然土壤，而频率磁化率平均值小于非城区自然土壤；城市土壤磁 化率与重金属含量铜、锌、铅的全量、d t p a 提取量、活化率之间存在极显著 的正相关关系，可将城市土壤磁化率大小用于指示土壤污染情况( 卢瑛，2 0 0 1 ) 。 李晓庆等对上海宝山区内工业用地与农业用地土壤磁性特征和重金属含量进行 了分析，结果表明，工业用地的土壤磁化率远大于农业用地，工业用地土壤磁 化率与土壤重金属铜、锌、铅、铬、镉、锰和铁的含量存在极显著的正相关关 系，工业用地土壤磁性的异常增加与工业活动、交通运输中含铁磁性颗粒的排 放有关( 李晓庆，2 0 0 6 ) 。 与传统的污染研究方法( 化学分析方法) 相比，磁学手段虽然是一种间接 研究污染的方法，但它具有监测简便( 测定方法简单易学) 、快速( 野外每个测 点只需要几秒钟) 、灵敏度高( 可以监测出相当于化学分析中o 0 1m g l 的铁磁 性矿物的磁性) 、经济( 与昂贵的化学分析相比，花费小) 、安全( 与化学分析 相比，避免接触危险药品) 、不易破坏样品( 经磁学测试后的样品仍可用于地球 化学、生物学研究) 和信息量大( 包括磁性矿物的含量、粒度、种类等) 的显 著优点( o l d f i c l df ，1 9 9 1 ；d e c k k e r smj ，1 9 9 7 ：h e l l e rf ，1 9 9 8 ；s c h o l g e rr ， 1 9 9 8 ：k a p i c f c a a ，2 0 0 0 ；s c h i b l e rl ，2 0 0 2 ) 。它可用于传统的大量耗费人力、 物力和时间的化学分析之前的预研究( s c h i b l c r l ，2 0 0 2 ) 。 6 兰州大学硕士研究生学位论文 1 3 存在的问题 1 3 1 制订复合污染环境质量标准 进入土壤环境中的重金属元素的种类及其存在形态的不同，影响其生物有 效性的因素也是多变的。对于重金属所带来的危害，以往多偏重于单一因子的 研究，以制订相关的环境质量标准。但是，土壤环境中的重金属元素并不是单 独存在，多种重金属元素共存时的协同作用和拮抗作用会改变其生物有效性。 因此，有必要对重金属之间的交互作用进行研究，根据多因子复合污染结论， 重新制订环境质量标准。 1 3 2g i s 和地统计方法的应用 g i s 和地统计学具有强大的空间分析能力，在城市土壤研究中的采样方案 的设计、寻找可能的污染源、重金属分布的空间相关性分析以及区域土壤重金 属污染的风险评估等方面都能得到很好的应用，是进行区域城市土壤重金属污 染研究的得力工具。藉此建立起面向应用的城市土壤重金属污染信息系统，对 城市土壤中的重金属状况进行长期监控，进行多时段的数据比较，从而有效地 为土壤质量控制和环境监控提供依据。 1 3 3 城市土壤重金属污染的风险评价 在城市土壤重金属污染状况调查研究基础上，从理论与方法上开展对城市 土壤重金属污染风险评估方面的研究，特别是系统评价城市土壤、大气与灌溉 水中重金属污染物通过食物链对人体健康的风险，建立评价体系。这将对污染 城市土壤的管理和农产品安全生产具有重要的理论意义与实际指导意义。 1 4 选题目的和意义 城市是集人类社会，经济、文化活动的中心场所，人口高度密集，社会经 济活动强度极大。城市土壤是构成城市环境的一个主要部分，在人居环境质量 城市生态功能等方面有着重要的作用。频繁的人类活动诸如工业、交通运输 等的影响，使城市土壤遭受强烈的人为干扰，造成较为严重的重金属污染。生 活于城市中的人们易于受到环境质量恶化的影响，导致了一系列健康问题。 研究表明，城市土壤中的重金属可通过吞食、吸入和皮肤吸收等主要途径进入 人体，直接对人特别是对儿童的健康造成危害，还可通过污染食物、大气和水 环境间接的影响城市环境质量和危害人体健康( 陈同斌，1 9 9 7 ) ，如震惊世界 7 兰州大学硕士研究生学位论文 的“八大公害”事件中的日本水俣病事件和骨痛病事件。据美国学者研究， 城市儿童血铅与城市土壤铅含量呈显著的指数关系( p b = 1 8 5 + 7 2 x p b * e 4 ) ( 中国科学院南京土壤研究所，1 9 7 8 ：c z a m o w s k ak ，1 9 8 0 ：c a l p d e t omj ， 2 0 0 1 ) 。根据抽样调查显示，我国儿童血铅超过国家标准( 1 0 0u g l ) 者达三 成，大城市超标率达6 0 以上，而市区普遍高于郊区；上海市城区超标率则达 8 5 以上；沈阳5 0 以上儿童为铅污染的高危人群( 廖金凤，2 0 0 1 ；郭朝晖， 2 0 0 3 ) 。因此，城市土壤重金属污染状况的研究对于有效地控制城市土壤质量 的恶化，提高城市生态系统的功能，改善人居环境质量具有重要的现实意义。 作为我国西北地区典型的工业城市，兰州土壤重金属污染状况具有一定的 代表性。刘清对兰州市近城四区土壤重金属元素的污染问题进行了探讨，结果 表明表层土壤的污染较深层土壤严重，重金属元素含量相差悬殊是人为因素污 染所致( 刘清，1 9 9 5 ) 。何乱水等通过对兰州地区9 0 0 k m 2 面积的采样分析， 得出该区污染因子有大气降尘型、粉尘及固体废物弥撒型和污水灌溉型3 种类 型。根据国内外通用的单因子污染指数法，结合兰州市工业分布、人口密度、 污染源性质，将兰州市土壤污染程度划分为4 个级别，即重度污染区、中度污染 区、轻度污染区和非污染区。同时，指出兰州市的土壤污染规律是宏观气候及 人文环境作用的结果，代表了干旱地区的污染特征( 何乱水，1 9 9 7 ) 。兰州市 土壤污染因子主要是大气降尘( 烟尘) 、沙尘、二次扬尘( 地尘) 以及固体垃 圾物弥撒和污水灌溉。重金属元素污染规律是：( 1 ) 污染程度与人口密度、人群 流通量密切相关；( 2 ) 人口集中商业发达的城区污染大于人1 ：3 密度较小、工业较 集中的城区；( 3 ) 工业污染中，重工业大于轻工业；( 4 ) 农业污染中，污水灌溉区 大于非污水灌溉区；( 5 ) 污染物中重金属含量随颗粒细化而富集，其危害程度也 愈来愈大( 何乱水，2 0 0 3 ) 。杨苏才等研究了兰州五城区的主要交通路段、十 字路口处的表层土壤重金属含量，结果表明交通污染产生的汽车尾气和扬尘是 造成土壤污染的主要原因，绿化带对重金属污染有明显的削减效应( 杨苏才， 2 0 0 4 ) 。康玲芬等就兰州市西固区5 种土地利用方式对城市表层土壤重金属累积 的影响进行了讨论，指出不同土地利用方式对城市土壤质量的影响不同，工业 活动的影响最大，交通污染次之。再依次为农业活动和居民生活( 康玲芬。2 0 0 6 ) 。 但是，还没有入就兰州城市表层土壤重金属的分布及其污染状况、磁化率特征 及其环境意义进行研究。因此，以兰州城市表层土壤为研究对象，开展城市表 8 兰： l 大学硕士研究生学位论文 层土壤重金属的分布特征、污染状况及其影响因素、磁化率特征及其环境意义 的研究具有重大的科学意义和现实意义。 1 5 研究内容与创新点 1 5 1 研究内容 在教育部重点基金项目( m o e l 0 5 1 7 1 ) 的资助下，本论文的研究工作始于 2 0 0 4 年5 月，分3 次在西固区、安宁区、七里河区和城关区内选择具有代表性 的样点进行采样，采集城市表层土壤样品9 3 个；分析了样品的磁化率、重金属 c u 、z n 、p b 的全量和t c l p 提取量，共获得有效数据1 2 0 9 个( 包括平行样) 。 在此基础上，本论文的主要研究内容包括以下五方面：( 1 ) 分析了兰州城市 表层土壤重金属c u 、z n 、p b 的含量水平和空间分布；( 2 ) 初步分析了兰州城市 表层土壤重金属c u 、z n 、p b 的来源；( 3 ) 对兰州城市表层土壤重金属c u 、z n 、 p b 的污染现状进行了评价；( 4 ) 用t c l p 法提取了兰州城市表层土壤重金属c u 、 z n 、p b ，初步评价了土壤重金属的生态环境风险；( 5 ) 分析了兰州城市表层土 壤磁化率特征，探讨了城市土壤磁化率的环境意义。 1 5 2 创新点 本论文的创新点主要表现在：( 1 ) 运用s u r f e r8 0 绘出兰州城市表层土壤中 重金属c u 、z n 、p b 含量的空间分布图；( 2 ) 采用t c l p 法提取兰州城市表层土 壤重金属c u 、z n ，p b ，初步评价兰州城市表层土壤重金属c u 、z n 、p b 的生态 环境风险；( 3 ) 采用磁学监测手段来研究兰州城市表层土壤磁化率的特征及其与 重金属c u 、z n 、p b 的关系。 9 兰州大学硕士研究生学位论文 第二章研究区域概况 2 1 地理位置 兰州市位于我国的黄土高原西端，黄土高原、青藏高原、内蒙古高原和甘 南高原、陇西丘陵地带结合部，地处黄河上游、甘肃省中部，是我国陆地板块 几何中心，深居大陆腹地，在东经1 0 2 。3 5 5 8 ”1 0 4 03 4 2 9 ”、北纬3 5 03 4 2 0 ” q 7 00 7 0 7 ”之间( 甘肃省年鉴编委会，2 0 0 5 ) 。南面皋兰山海拔2 1 2 9m ，北面 九州台海拔2 0 6 7 m ，市区中心海拔1 5 1 7 2 m ，黄河自西向东横贯全市，构成哑 铃状断陷谷地，最窄处仅3 0 0m ，形成市区南北两山对峙、一河中流的格局。 整个市区内峡谷盆地相间，其中兰州盆地最大，东西长3 5k m ，南北宽5k m ， 最宽处8k m ( 兰州市环境保护局，1 9 9 6 ) 。 2 2 气候 兰州气候具有明显的温带大陆性季风气候的特征，降水偏少，日照充足， 热量比较丰富，蒸发量大，气候干燥，昼夜温差大；季节变化显著，春季干旱， 多风；夏无酷暑，降水集中；秋季凉爽，降温快；冬季较冷，干燥。 兰州城区属于温暖和温和半干旱区。年平均气温5 9 ，日照2 1 0 0 - 2 7 0 0 h ，太阳总辐射为4 8 0 0 - - 5 5 0 0 m j m 2 ，日较差一般在1 3 1 5 ，最大日较差出现 在6 月，最小出现在9 月，最大日较差可达2 7 3 1 。 0 积温为2 9 0 0 1 3 8 0 0 ，1 0 积温为2 2 0 0 1 3 3 0 0 。年降水量在3 0 0 i i l r l l 左右，主要集中在7 、 8 、9 三个月，占年降水量的6 0 以上。年蒸发量在1 5 0 0m m 上下，是年降水 量的4 倍多，干燥度在2 4 之间( 兰州市志，1 9 9 9 ) 。 2 3 地貌 兰州位于我国陇西黄土高原的西部，是我国地形第一阶梯青藏高原， 向第二阶梯黄土高原的过渡地带。 境内大部分地区为海拔1 5 0 0 1 2 0 0 0m 的黄土覆盖的丘陵和盆地，其次为海 拔较高的石质山地，黄河由西南流向东北，横穿全境，形成了峡谷与盆地相间 的串珠状河谷( 兰州市志，1 9 9 9 ) 。 1 0 兰州大学硕士研究生学位论文 2 4 水文 兰州地处陇西黄土高原，地表大部分是被黄土覆盖的丘陵、沟谷和盆地， 只有南部和西部是祁连山东延的石质山地。同时，深居内陆，远离海洋，降水 稀少，且多集中在7 、8 、9 月，属半干旱气候区。河流短小，多为间歇性河沟。 只有雨季才有水流通过，其他时间，多为干涸的河床。境内植被稀少，加上人 为的破坏，使裸露的黄土，遇到暴雨，造成山洪暴发，水土流失严重，给河流 带来大量的泥沙。 兰州黄河以北广大地区，年降水量在3 0 0n ：l 】t f t 以下，而年蒸发量高达1 8 0 0 i n n l 左右，地表年径流深度很小，大都在5 1 0l n n l ，不少地区经常无径流产生， 水资源缺乏，人畜饮水也经常发生困难。兰州属黄河流域，黄河干流贯穿全境， 又有支流湟水、大通河、庄浪河注入，给兰州不仅带来丰富的水资源，而且峡 谷地带还蕴藏着大量的水力资源( 兰州市志，1 9 9 9 ) 。 2 5 植被 兰州位于陇西黄土丘陵区，天然植被以干草原和荒漠草原为主，主要建群 种为长芒草( s t i p ab u n g e a n a ) 、短花针茅( s b r e v i f l o r a ) 。在兰州北部，连接我国温 带荒漠区，因而有大量荒漠灌木、半灌木、小半灌木侵入草原区，它们多成为 群落中稳定的优势成分，组成了荒漠草原类型。有时，在极度干旱或盐碱化严 重的特殊生境中，这些荒漠灌木却形成了灌木群落片断，构成了荒漠草原上特 有的灌木植被。而在兰州的南部和西部山区多为次生林，其他地区均为干草原 类型所占有。目前干草原地区多被开垦为农田，只在塬边、坡边偶有残存。另 外塬面有时可见到被过度放牧后出现的退化草原。这些植被对干旱区起着涵养 水源、保持水土的作用( 兰州市志，1 9 9 9 ) 。 2 6 土壤 兰州市共有十个土类，分属七个土纲( 见表2 - 1 ) 。全市土壤总面积1 9 7 5 9 1 万亩，其中灰钙土类占6 7 1 5 ，居绝对首位；其次是栗钙土、灰褐土、黑垆土 三类，所占面积比例依次为8 7 3 、7 3 4 、6 9 1 ；再次为黄绵土和溉淤土， 所占比例为4 0 1 和3 6 5 ；其余土类所占比例极小。 兰州城市表层土壤有机质含量变幅在o 8 4 - 1 7 9 0 , 6 ，平均值为3 0 8 ；全氮 兰州大学硕士研究生学位论文 含量变幅为o 0 5 9 - - 0 7 2 8 ，平均值为o 1 7 1 ：全磷含量变幅为o 0 6 1 , 4 ) 1 0 8 ， 平均值为o 0 7 9 ；全钾含量变幅为1 5 0 , v 2 1 0 ，平均值为1 9 0 ( 兰州市志， 1 9 9 9 ) 。 表2 - 1 兰州市土壤分类系统 ( 兰州市志，1 9 9 9 ) 2 7 土地利用现状与格局 城关区是甘肃省和兰州市的政治、金融、商贸、科研、教育、电讯、铁路 和公路客运中心；七里河区是煤炭、铸造、机械制造、机电、轴承、塑料、化 工、玻璃、搪瓷、面粉加工，酿造等工矿区、民族商贸区和铁路交通枢纽；安 宁区是兰州市蔬菜、瓜果区、航空和电子工业区、高等院校区；西固区是以石 油、化工为主的综合工业区，是我国西部重要的石油化工生产基地( 兰州市志， 】9 9 9 ) 。 兰州大学硕士研究生学位论文 第三章材料与方法 3 1 样品的采集与制备 3 1 1 样品的采集 为了更好地反映研究区域内城市表层土壤中重金属c u 、z n 、p b 的空间分 布，并结合各城区的土地利用现状，兼顾均匀布点的原则，在兰州市区域内主 要四个城区共布置了8 8 个土壤采样点( 图3 - 1 ) 。其中，西固区( 工业区) 2 9 个，安宁区( 蔬菜、瓜果区) 1 9 个，七里河区( 交通枢纽区) 2 0 个，城关区( 商 业区和居民区) 2 0 个，同时在红古区确定了5 个样点作为( 磁化率) 对照点。 在每个采样点