（环境科学专业论文）扬州市城区道路两侧土壤和灰尘中重金属污染研究.pdf

i i 扬州大学研究生学位论文 t h eh e a v ym e t a lp o l l u t i o ni n s o i la n dd u s to nb o t hs i d e so fu r b a nr o a d sh a sa n e n o r m o u si m p a c to nt h eh u m a na n de n v i r o n m e n t f o ry a n g z h o uc i t y ，t h eb e s tc i t y h u m a ns e t t l e m e n ti d e n t i f i e db yt h eu n i t e dn a t i o n sa n dt h ec e n t r a l c i t yo fw a t e r d i v e r s i o np r o je c t ( e a s tr o m e ) ，i ti so fi m p o r t a n tr e a l i s t i ca n ds c i e n t i f i cs i g n i f i c a n c et o m a k ec l e a ro ft h ec u r r e n ts t a ：t u so fh e a v ym e t a lp o l l u t i o ni ns o i la n dd u s t b a s e do nt h e r e s e a r c ha n de v a l u a t i o no fc o n t e n tl e v e l ，s p a t i a ld i s t r i b u t i o na n dp o l l u t i o nd e g r e eo f h e a v ym e t a l si ns o i la n dd u s to nb o t hs i d e so fu r b a nr o a d so fy a n g z h o uc i t y ，t h ep a p e r d r a w st h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ： 1 t h es o i lo nb o t hs i d e so fu r b a nr o a d so fy a n g z h o uc i t yp r e s e n t so b v i o u sa l k a l i n e i t s o r g a n i cm a t t e rc o n t e n ti sv e r yl o w , a n dt h es o i lb e l o n g sb a s i c a l l yt om i n e r a ls o i l t h e a v e r a g eo ft h et o t mp b ，c r , c u ，z na n dc di ns o i lo nb o ms i d e so ft h er o a d sa r e r e s p e c t i v e l ys e v e r a lt i m e sh i g h e rt h a nt h eb a c k g r o u n dv a l u e s t h ea v a i l a b l ec o n t e n t s a c c o u n tf o rav e r ys m a l lp e r c e n t a g eo ft h et o t a l t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no ft h ef i v e h e a v ym e t a l si sv e r yu n e v e nw i t hg r e a td i f f e r e n c e t h e r ei s s i g n i f i c a n t l yp o s i t i v e c o i r e l a t i o na m o n gt h ef i v eh e a wm e t a l s 2 t h eg e o l o g i c a la c c u m i n a t i o ni n d e xa n dp o t e n t i a le c o l o g i c a lr i s ki n d e xa r eu s e dt o e v a l u a t et h ep o l l u t i o nd e g r e eo f h e a v ym e t a l si ns o i lo nb o t hs i d e so ft h er o a d s ，i nw h i c h c dh a st h em o s ts e r i o u sp o l l m i o n ，a n dc rt h es l i g h t e s t t h eo r d e ro f p o t e n t i a le c o l o g i c a l r i s kl e v e lo ft h es i xs e c t i o n si s ：j i a n gy a n gm i d d l er o a d u n i v e r s i t ys o u t h - n o r t h r o a d w e n c h a n gm i d d l er o a d w e n h u ie a s tr o a d - n a n t o n gw e s tr o a d , w e n h e s o u t hr o a d l o t u sp o n dr o a d h u a i h a ir o a d 3 t h ec o n t e n t so fp b ，c r , c u ，z na n dc di nd u s to nb o t hs i d e so ft h er o a d so f y a n g z h o u c i t ya r es i g n i f i c a n f l yl o w e rc o m p a r e dw i t ht h o s eo fs h a n g h a ia n do t h e rc i t i e s t h e c o n t e n t so f c d ，c u ，p b ，z na n dc ri nd u s to nt h eb u ss t a t i o np l a t f o r m so fy a n g z h o uc i t y a r ea l lh i g h e rt h a nt h es o i lb a c k g r o u n dv a l u e s 刘文婷扬州市城区道路两侧土壤和灰尘中重金属污染研究i i i 4 t h eg e o l o g i c a la e c u m i n a t i o ni n d e xa n dp o t e n t i a le c o l o g i c a lr i s ki n d e xa r eu s e dt o e v a l u a t et h ep o l l u t i o nd e g r e eo fh e a v ym e t a l si nd u s to nb o t hs i d e so ft h er o a d s ，i n w h i c hc dh a st h em o s ts e r i o u sp o l l u t i o n t h eh e a v ym e t a lp o l l u t i o ni nd u s ti sm o r e s e r i o u st h a nt h a ti ns o i l k e y w o r d s ：s o i l ；d u s t ；h e a v ym e t a lp o l l u t i o n ；e v a l u a t e ；c i t y r o a d 刘文婷扬州市城区道路两侧土壤和灰尘中重金属污染研究 第一章绪论 1 1 道路两侧土壤重金属污染 2 l 世纪以来，城市化进程加快，城市化进程促进了工业化，增强了人类改 造自然的能力，提高了对物质和能量的利用效率，节约了空间和时间，给人类 带来了巨大的效益。但同时又带来住房困难、交通拥挤、环境污染、影响城市 气候、动植物和人类健康等问题【1 】o 城市土壤是城市生态环境系统的重要组成部分，与城市中居民的生活和身 心健康息息相关。城市人口高度集中、交通十分拥挤、工业非常发达、商业空 前繁荣等，使城市土壤受到了严重的污染。而城市道路两侧的土壤，受这些人 为影响更为直接和严重，受到的污染更大。其中最显著的污染就是重金属污染。 重金属一般是指比重( 密度) 大于4 或5 的金属，例如铁( f e ) 、锰( m n ) 、 铜( c u ) 、锌( z n ) 、镉( c d ) 、铅( p b ) 、汞( h g ) 、铬( c r ) 、镍( n i ) 、钴( c o ) 等。 砷( a s ) 等虽是非金属但由于其化学性质和环境行为与重金属有相似之处，通 常也归并于重金属的研究范畴。土壤中的重金属元素从生物化学特征上可以分 为两类：一类是对作物和人畜有害的元素，如p b 、c d 和h g 等；另一类是在 常量下对生物体有益，但是过量时造成危害的元素，例如c u 、z n 、f e 等【2 ，3 】。 土壤重金属污染的定义如下：由于人类活动导致土壤中的重金属元素在土 壤中的含量超过背景值，过量沉积而引起的含量过高，统称为土壤重金属 污染【4 期。 土壤重金属的自然来源一般是指其成土的母质。土壤重金属污染的人为来 源一般有三个方面：第一，机动车尾气。机动车尾气是指柴油、汽油等机动 车燃料中的添加剂和杂质，在不完全燃烧时所排出的一些有害物质。据研究表 明，机动车尾气含有一氧化碳、氮氧化物、铅、镉等各种有害成分达一百种以 上，机动车尾气排放是城市大气的主要污染源，也是公路两侧土壤重金属污染 的主要来源 6 , 8 1 。第二，机动车的磨损。在机动车的轮胎中加入氧化锌可以起到 2 扬州人学研究生学位论文 促进助剂的作用，活化促进的性能，并且提高硫化效率，每个轮胎中都有应用， 用量多少据轮胎胶料性能而定，一般配方中的使用量约为1 - 一5 。机动车及其 零部件材料中含有大量的铅、锌、铜、镉等重金属，如汽车的刹车里衬中就有 重金属元素镉。在十字路口、盘旋路或路况较差的路段，车流量大、车辆行驶 缓慢、刹车与启动频繁，尾气排放加重，轮胎和刹车里衬及其他零部件磨损加 剧，形成了铅、锌、铜、镉等大量的金属颗粒物。这是公路两侧土壤重金属污 染的另一重要来源【7 ，9 ，1 0 。第三，“三废 。冶炼，电镀，塑料，电池，化工等工 业活动中产生含有大量重金属颗粒的废气，废渣，废液，这些物质经各种形式 进入土壤中造成土壤重金属污染，如郭平( 2 0 0 5 ) 研究发现长春市工业燃煤和生 活燃煤是引起长春市土壤重金属污染的原因之一【1 1 】。城市生活垃圾的任意丢弃 和堆放也导致了土壤重金属污染的进一步加重。 1 1 1 城市道路两侧土壤重金属污染国内外研究进展 国外土壤重金属污染研究最早开始于二十世纪六七十年代，国内开始于二 十世纪八九十年代，近几年来国内外学者主要对公路两侧土壤重金属污染的来 源，规律，评价方法，指示以及公路两侧土壤重金属污染对植物的影响等方面 做了详细的研究。 大部分学者都认为公路两侧土壤重金属污染来源于机动车尾气的排放和 机动车的磨损。马建华等( 2 0 0 8 ) 认为汽车尾气排放、汽车机件间以及车轮与路 面间磨损产生的颗粒物导致路面粉尘、路沟底泥和路旁土壤重金属积累吲。 b e n e d i c t ev i a r d 等( 2 0 0 4 ) 研究表明高速公路引起了其周围表层土壤中的重金属 污染并且在动植物体内蓄积 1 2 】。e e ek y e t i m o g l u 等( 2 0 0 8 ) 用多元统计方法分析 了伊斯坦布d 1 0 0 高速公路上金属粉尘主要来源于人为源( 交通车辆，风化的 原材料等) 【1 3 】。m o h s e ns a e e d i 等( 2 0 0 9 ) 认为含铅汽油的使用和轮胎等的腐蚀是 高速公路边土壤受到重金属污染的主要起源【1 4 】。 公路两侧土壤重金属污染程度被认为与交通密度和车流量相关。s o f a k a y o d e 等( 2 0 0 3 ) 认为交通密度和车流量加剧了路边表层土壤重金属污染【1 5 】。 刘文婷扬州市城区道路两侧土壤和灰尘中重金属污染研究 李湘洲( 2 0 0 1 ) 报道了株洲地区公路系统土壤中铅的累积状况及分布格局，认为 车流量会影响公路系统土壤表层铅含量的平均值，土壤中铅含量随车流量的增 加而增加【1 6 】。 谢修鸿等( 2 0 0 7 ) 研究指出在公路东西两侧距边沿1 0 0 m 左右土壤中的铅污 染最严重，与数学模型解析得到的结果相似【l7 】。张茂林等( 2 0 0 7 ) 报道铅污染沿 高速公路呈带状分布，随着离公路距离的增大，土壤的铅污染逐渐减轻，影响 范围可达1 0 0 m 以上。在无铅汽油推广使用后铅在路域土壤中的累积仍在继续， 但累积值降低 18 】。詹凤平等( 2 0 0 7 ) 研究表明，公路两侧土壤中铅含量总的变化 趋势是随距公路边沿垂直距离的增加而逐渐降低，但公路旁开阔土地上土壤中 铅含量是先随距离的增加出现一高峰值，然后随距离的增加而逐渐降低。土壤 中铅含量随土壤铅直深度的增加而降低，表层土中的铅含量比深层土中的铅含 量显著要高。土壤中铅含量随车流量的增加而增加【1 9 】。 道路两侧的一些植物和动物的生理生化指标可以用来指示道路两侧土壤 重金属污染程度。蒋高n ) j ( 1 9 9 6 ) 对8 个常见绿化树种树皮p h 进行了多点测定， 结果表明市内行道树皮p h 要高于自然生长的树木，不同的城市功能区的树皮 p h 也不同( 表现为公园区 工业区 交通繁华区 室内) 1 2 0 。p o l y t e c h ( 2 0 0 0 ) 将两 年生的挪威云杉苗被置于三种不同交通密度和限速下的高速公路、街道和当地 安静的道路，探讨了其针叶表皮蜡质层是否可作为交通污染库指示物；结果显 示高速公路和交通密集区植物的表皮蜡质层可被熔化，在交通密度低的公路旁 针叶表皮蜡质层并不变形【2 1 1 。g r a t a n il 等( 2 0 0 0 ) 关于不同交通量对栎树的叶 子解剖构造以及生理特征产生的影响的研究认为：车流量越大，环境污染越严 重，表现在叶表层尘降物中p b 、s r 、f e 、c u 、z n 和甜的含量也越高【2 2 】。h a n d e c h a n g 等( 2 0 0 8 ) 发现土壤中不同种类线虫的分布可用来指示高速公路边土壤 受到重金属污染的程度【2 3 】。 目前公路土壤环境污染状况的评价研究中，通常采用的是内梅罗指数法， m u l l e r 地积累指数法，潜在生态危害指数法等。张辉等( 1 9 9 8 ) 采用了地积累指 数法对宁杭公路南京段进行评价，结果表明该区p b ，c o ，c r 已经达到一级 4 扬州大学研究生学位论文 污染( 即轻一中等程度污染) 阱】。吴长年等( 2 0 0 4 ) 用m u l l e r 地积累指数法评价了 沪宁高速公路镇江段两侧土壤中重金属的污染程度【2 5 】。黄忠臣等( 2 0 0 8 ) 也采用 地积累指数法评价了北京部分地区公路两侧土壤中铅和镉两种重金属的污染 程度i 2 6 】。王学1 是( 2 0 0 5 ) 采用内梅罗指数法评价了重庆市主城区重金属污染程 度，结果表明除a s 外，其他重金属及其水溶态对交通区和工业区造成的污染 较严重【2 7 】。兰天水等( 2 0 0 3 ) 以3 1 9 国道龙岩市新罗区路段为研究区，采用潜在 生态危害指数法评价了重金属的潜在生态危害，表明公路旁土壤中重金属以 c d 、p b 污染为主，属于中等生态危害，污染物主要来源于机动车辆汽油燃料 和轮胎中所含微量重金属成分【2 8 。 1 2 城市街道灰尘重金属污染 1 2 1 “城市街道灰尘”的定义 s u t h e r l a n d 等( 2 0 0 4 ) 从成因上将城市街道灰尘( r o a d d e p o s i t e ds e d i m e n t ) 定义 为一种复杂的环境介质，含有大量路边风化的土壤、老化的路面物质、有机物、 汽车尾气排放物、轮胎磨损老化后的物质、工业废气的沉降累积等【2 9 】。这个定 义将其从本质与城市大气灰尘区别开来。本文研究的城区道路两侧灰尘重金属 污染从本质上来讲也属于城市街道灰尘重金属污染。2 0 世纪7 0 年代中期， ( n a t u r e ) ) 杂志上刊登了第一篇关于城市街道灰尘的论文“城市街道灰尘中的 铅 ( d a y e t a l ，1 9 7 5 ) ，首次提出了“城市街道灰尘( u r b a ns t r e e td u s t ) 的名称【3 0 】。 自此国内外展开了城市街道灰尘的相关研究。国内对城市灰尘的研究起步较 晚，直到9 0 年代中期才开始由长安大学的杜佩轩教授率先展开了相关领域的 研究，对城市灰尘的概念、研究内容和研究方法进行了系统的阐述 3 l 】。 城市道路两侧灰尘重金属污染与道路两侧土壤重金属污染有着相同的污 染来源：机动车尾气排放，机动车字数的磨损，废液，废渣，废气。同时，道 路两侧土壤经风化作用本身就是道路两侧灰尘重金属污染的来源之一。 刘文婷扬州市城区道路两侧土壤和灰尘中重金属污染研究 1 2 3 城市街道灰尘重金属污染国内外研究进展 国外对城市街道灰尘中的重金属污染研究最早开始于上世纪七八十年代， 而我国在这方面的研究起步很晚，最早的报道是九十年代施为光对成都市街道 地表物中重金属成分的研究【3 2 】。近几年来国内外学者对城市街道灰尘重金属污 染研究主要集中在研究方法、含量特征、形态、来源分析、空间分布特征及环 境质量评价等方面。 常静等( 2 0 0 8 ) 以上海中心城区为例，研究地表灰尘重金属污染粒级效应。结 果表明，地表灰尘平均中值粒径为1 3 2 1 x m ，低于7 5 9 m 粒径级别颗粒物占有最大 的体积含量重金属污染显示出明显的粒级效应，随着粒径降低，重金属含量 呈现明显的增加趋势，1 5 0 t r n 和7 5 1 m a 是主要级别，其中 p b c d z n n i c u l 3 3 1 。李章平等( 2 0 0 6 ) 分析了重庆市主城区街 道地表物的基本性质及a s 、c d 、c r 、c u 、h g 、n i 、p b 、z n 等元素的全量，结 果表明：各功能区中街道地表物的自然组成均以中等粒径为主；就元素而言， 粒径越细对重金属的贡献率越高；就功能区而言，细粒径与中等粒径的颗粒对 重金属贡献率较为接近【3 4 】。 c h a r l e sw o r t h 等( 2 0 0 3 ) 采用空间插值法绘出b i r m i n g h a m 市和c o v e n t r y 镇街 道灰尘中重金属的空间分布图，发现位于环线以内以及b i 珊血曲a m 市西北方 向工业区中街道灰尘重金属含量明显高于其它地区，红绿灯交通路口处街道灰 尘中重金属含量较高f 3 5 1 。李崇等( 2 0 0 8 ) 采用克拉格插值法对沈阳市区街道灰尘 中c d 、c u 、p b 、z n 的空间分布特征进行了分析。结果表明：市区西部重金属 污染程度高于东部，东、西部污染程度高于南、北部；街道灰尘中c d 、p b 空 间分布差异较大，z n 分布较均匀；除c d 以外，铁西区重金属含量均最高，特 别是p b 含量明显高于其他区，这与其工业区性质密不可分；c d 在大东区含量 最高，这应与东部的汽车产业特征有密切关系【3 6 1 。 王学良( 2 0 0 8 ) 采用环境风险评价模型对各功能区街道灰尘进行了单因子指 数评价、内梅罗指数评价、潜在生态风险性评价、环境风险评价，分别做出了 6扬州大学研究生学位论文 灰尘对环境影响程度的分析。单因子指数反映出各功能区均受到重金属污染。 潜在生态风险指数反映出不同功能区潜在生态危害程度的顺序为：工业区 交 通区 居民区 旅游区，多种重金属潜在生态危害很强，水溶态重金属的平均潜 在生态危害程度基本属于轻微的范围。环境风险评价反映出c r 、n i 、a s 、p b 属于低环境风险；c u 属于中等环境风险；c d 属于极高环境风险。重庆市街道 灰尘中含有的重金属对重庆主城区的土壤环境有极高风险f 2 7 】。李凤全，潘虹梅 等( 2 0 0 8 ) 以金华市城市灰尘为对象，研究了灰尘中重金属污染的特征，并采用富 集系数法和潜在生态危害法对灰尘中重金属的生态危害进行了评价。结果表明， 金华市城市灰尘中p b 、c u 、c r 、z n 的积累最为强烈；重金属在不同功能区 的含量差别较大，p b 、c u 、m n 、z n 、v 、n i6 种重金属在厂区的含量平均值 明显高于其他功能区；窗台灰尘和地表灰尘中的重金属浓度具有明显的差别； 富集系数法评价结果显示，样品中以p b 、z n 的富集最为强烈；生态危害系数 评价表明，各功能区都受到重金属不同程度的污染，重金属生态危害程度依次 是厂区 商业区 文教区 居民区 交通区 园区 3 7 】。 t e s s i e r ( 1 9 7 9 ) 等人提出，将土壤中金属元素的形态分为可交换态、碳酸盐 结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态与残渣态，有的研究者把可交换态 再分为“水溶态”与“阳离子交换态 3 8 】。常静等( 2 0 0 8 ) 对上海市中心城区地 表灰尘重金属赋存形态研究表明，z n 以碳酸盐态为主；n i 以残渣态为主；p b 主要为铁锰结合态存在，c u 和c d n 以有机态为主；c r 主要以残渣态存在。重 金属活性形态比例依次为z n p b n i c d c u c r 3 3 1 。张丽( 2 0 0 6 ) 对淄博市 城市街道灰尘中重金属元素的赋存形态进行研究发现：不同的灰尘样品中各元 素在各形态的分布趋势较为一致；但是不同的元素其在各形态中的含量占总量 的百分含量各有不同。与土壤类似，灰尘中p b 、z n 、c d 、m n 这四种元素在前 三态的含量较高，所以这几种元素具有较高的活性和生物可利用性。而n i 、c r 、 c o 、c u 、m o 、a s 、h g 、s e 、s b 这几种元素在前三态的含量均较低，在残渣态 的含量较高。淄博市街道灰尘中污染最典型的元素是h g 元素，化学分离的结果 显示，街道灰尘中的h g 元素主要赋存在残渣态。由于残渣态的重金属元素在环 刘文婷扬州市城区道路两侧土壤和灰尘中重金属污染研究 7 境中不易迁移转化，因此灰尘中的h g 元素在环境中持续存在的时间较长，对生 态环境的持续影响将会较为严重【3 8 】。 1 3 城市道路两侧土壤和灰尘中重金属污染的危害和影晌 1 3 1 重金属污染对人体的危害 铅( p b ) 进入人体后，除部分通过粪便、汗液排泄外，其余在数小时后溶入 血液中，阻碍血液的合成，导致人体贫血，出现头痛、眩晕、乏力、困倦、便 秘和肢体酸痛等；有的口中有金属味，动脉硬化、消化道溃疡和眼底出血等症 状也与铅污染有关。小孩铅中毒则出现发育迟缓、食欲不振、行走不便和便秘、 失眠；若是小学生，还伴有多动、听觉障碍、注意不集中、智力低下等现象。 这是因为铅进入人体后通过血液侵入大脑神经组织，使营养物质和氧气供应不 足，造成脑组织损伤所致，严重者可能导致终身残废。特别是儿童处于生长发 育阶段，对铅比成年人更敏感，进入体内的铅对神经系统有很强的亲和力，故 对铅的吸收量比成年人高好几倍，受害尤为严重。铅进入孕妇体内则会通过胎 盘屏障，影响胎儿发育，造成畸形等【3 9 l 。 镉( c d ) 中毒有急性、慢性中毒之分。长期吸入镉可产生慢性中毒，引起肾 脏损害，主要表现为尿中含大量低分子量蛋白质，肾小球的滤过功能虽多属正 常，但肾小管的回收功能却减退，并且尿镉的排出增加。国外也有报导接触氧 化镉的工人前列腺癌发病率较高。此外，慢性镉中毒对人体生育能力也有所影 响，它会严重损伤y 因子，使出生的婴儿多为女性【加】。 铬( c r ) 是人和动物所必需的一种微量元素，躯体缺铬可引起动脉粥样硬化 症。铬对植物生长有刺激作用，可提高收获量。但若含铬过多，对人和动植物 都是有害的。金属铬对人体几乎不产生有害作用，未见引起工业中毒的报道。 三价铬和六价铬对人体健康都有害，被怀疑有致癌作用。一般认为六价铬的毒 性强，更易为人体吸收，而且可在体内蓄积。六价铬对人主要是慢性毒害，它 可以通过消化道、呼吸道、皮肤和粘膜侵入人体，主要在人体内肝、肾、肺和 扬州大学研究生学位论文 内分泌腺中积聚，并有明显的致癌变、致畸变作用。六价铬有强氧化作用，所 以慢性中毒往往以局部损害开始逐渐发展到不可救药f 4 1 1 。 铜( c u ) 是人和动物的必需微量元素之一，但铜过量会对动物和人体健康构 成危害。铜在人体各组织中的分布以肝、脑、肾和心为最高，其次为肺、脾、 胰、肌肉和骨骼。无论是铜缺乏或过量，都可产生大脑及脑干部位的病变。缺 铜时，可致脑组织萎缩，神经元减少，精神发育停滞，嗜睡，运动受限制等。 铜过量时，由于脑组织及神经细胞发生病变，引起运动失调和精神变化。人体 吸收过量铜后，蓄积于肝脏中，当其达到一定量时，肝铜释出进入血液，从而 引起大量溶血、黄疸等特征的中毒症状。此外，肝硬化和儿童肝内胆汁淤积症 也与铜过量有关【4 2 】。 锌( z n ) 是人体必需微量元素，正常人体含锌量2 2 5 9 。但锌过量摄入人体 内也会导致中毒。急性锌中毒多由空气及水源污染，或误服大量锌化合物，如 硫酸锌、醋酸锌、氯化锌、氧化锌等引起。主要症状为胃肠道功能紊乱，如恶 心和腹泻。吸入大量锌蒸汽可引起急性金属烟雾热。慢性锌中毒极少见【4 3 】。 1 3 2 重金属污染对植物的危害 城市道路两侧大多种植花草树木，如香樟、法国梧桐、柳树、桂花树、杜 鹃、女贞等。重金属对植物代谢的影响有以下几个方面：影响酶活性和功能， 从而引起植物生理代谢功能的紊乱，生长发育受阻甚至死亡；影响养分膜运输， 原因可能是重金属抑制膜上a t p 酶的活性，或是取代了钙等离子，使膜稳定性 下降；影响其他营养元素的吸收，拮抗作用。具体的症状表现为根系发育异常， 地上部青枯，叶片失绿等，严重时全株死亡m 。扬州市城市道路两侧的植物虽 然没有严重到全株死亡的地步，但是就外观来看，很多植物叶片上都出现黄斑。 公路两侧土壤中的重金属通过土壤植物系统在植物内大量累积。詹风平等 ( 2 0 0 7 ) 认为种植在高速公路边的植物中铅含量比清洁对照区的要高2 9 1 7 1 倍，植物中铅含量与其根部土中铅含量呈一定的相关性【4 5 】。赵正阳等( 2 0 0 7 ) 研 究发现汽车排放的尾气使公路两旁2 0 0 m 范围内果园的土壤、果实和叶片受到了 刘文婷扬州市城区道路两侧土壤和灰尘中重金属污染研究 9 不同程度的表面铅污染，距公路l o o m 范围为主要污染区域，此范围内苹果果实 铅含量严重超标 4 6 1 。甄宏( 2 0 0 8 ) 发现沈大高速公路旁粮食和水果已受到不同程 度的铅镉污染 4 7 1 。路两旁的绿化带可在一定程度上解决这些问题，杜振宇等人 ( 2 0 0 7 ) 研究发现高速公路两侧的绿化带可对p b 污染起到防护作用f 4 8 】。 1 4 研究内容及技术路线 1 4 1 研究意义 城市道路两侧土壤和灰尘中的重金属污染对城市生态系统的破坏是潜在 的、长期的、隐蔽的，对人体的危害则是直接的，有时甚至是致命的。扬州市 作为联合国最佳人居城市和南水北调的东线中心城市，有必要弄清扬州市城区 道路两侧土壤与灰尘重金属污染现状，这样才可以为城市的生态规划提供参 考，为居住在城市里的人们提供更好的生活环境和健康保障，为城市内土壤的 合理利用以及公路两侧植物的优化配置提供科学依据。 1 4 2 研究内容 本文研究扬州市城区道路两侧土壤和灰尘中的重金属含量水平，空间分布 特征，并评价扬州市城区道路两侧土壤和灰尘中重金属污染程度。 1 0扬州大学研究生学位论文 1 4 3 技术路线 1 4 4 创新点 本文首次全面系统的研究扬州市城区道路两侧土壤和灰尘中重金属的含 量水平，空间分布特征等，并对扬州市城区道路两侧土壤和灰尘中重金属污染 程度进行评价分析。首次对扬州市市区内公交站台上的灰尘重金属含量进行分 析评价。 刘文婷扬州市城区道路两侧土壤和灰尘中重金属污染研究 l l 第二章材料与方法 2 1 研究区域概况与采样点的布置 2 1 1 自然区域概况 扬州，地处江苏省中部，长江下游北岸，江淮平原南端，位于东经1 1 9 0 0 1 至1 1 9 0 5 4 ，、北纬3 2 0 1 5 至3 3 0 2 5 之间；是上海经济圈和南京都市圈的节点城市。 向南接纳苏南、上海等地区经济辐射，向北作为开发苏北的前沿阵地和传导区 域，素有“苏北门户 之称。扬州有2 5 0 0 多年的文字可考的历史，是联合国 人居奖城市、中国人居环境奖城市、国家环境保护模范城市、中国和谐管理城 市。扬州市南部濒临长江，与镇江市隔江相望；西部与安徽省天长市相连；西 南部与南京市相连；北部与淮安市接壤；东部和盐城市、泰州市毗连。扬州市 区位于长江与京杭大运河交汇处，东经1 1 9 0 2 6 、北纬3 2 0 2 4 。 2 1 2 采样点的设置 选择扬州市中心文昌中路、大学南北路、汶河南路、荷花池路、江阳中路、 淮海路、文汇东路及南通西路的一段作为采样区域。这些路段位于扬州市市区 中心，车流量比较大，且他们组成口字型，形成一个区域，十字路口相互贯通。 共设置7 2 个采样点，同时采集土壤样品和灰尘样品。并且采集这几条路两侧 公交站台上路尘样品1 0 个，共1 5 4 个样品。 文昌中路：从东侧三元商场至西侧苏农五村，全长1 3 k m ，以东西两侧十 字路口为基点进行布点，共设置1 2 个采样点，每侧6 个，同时采集1 2 个土壤 和1 2 个路尘样品。为了绘制图表方便，简称w c 。 江阳中路：从东侧古运河至西侧扬州电力机具厂，全长6 0 0 m ，以丁字路 口为基点进行布点，共设置1 2 个采样点，每侧6 个，同时采集1 2 个土壤和1 2 个路尘样品。为了绘制图表方便，简称j y 。 文汇东路南通西路：从东侧天阁假日酒店至西侧的扬州大学，全长7 7 0 m ， 扬州大学研究生学位论文 以十字路口和三叉路口为基点进行布点，共设置1 0 个采样点，每侧5 个，同时 采集1 0 个土壤和1 0 个路尘样品。为了绘制图表方便，简称w n 。 汶河南路一荷花池路：从北侧万家福至南侧江阳中路，全长2 1 k m ，以 南丁字路口和北十字路口为基点进行布点，共设置1 6 个采样点，每侧8 个， 同时采集1 6 个土壤和1 6 个路尘样品。为了绘制图表方便，简称w h 。 大学南北路：从北侧好客来至南侧江阳中路，全长1 9 k m ，以十字路口 和丁字路口为基点进行布点，共设置1 2 个采样点，每侧6 个，同时采集1 2 个 土壤和1 2 个路尘样品。为了绘制图表方便，简称d x 。 淮海路：从北侧扬州炒饭店至南侧文汇东路，全长1 1 k m ，以十字路口 为基点进行布点，共设置1 0 个采样点，每侧5 个，同时采集1 0 个土壤和1 0 个 路尘样品。为了绘制图表方便，简称h h 。 同时采集这6 条路段两侧公交站台上路尘样品1 0 个，共1 5 4 个样品。 采样点设置如图2 1 所示： 图2 1 扬州市道路两侧土壤和灰尘重金属污染采样点示意图 冀+慧 刘文婷扬州市城区道路两侧土壤和灰尘中重金属污染研究 1 3 2 2 样品的采集及预处理 2 0 1 0 年4 、5 月份选择晴朗无风的天气在预先设置的采样点处用小铲子采 取0 - 5 c m 表层土壤【4 9 】，装进自封袋中，写上编号。同时采集该样点附近1 0 m 范围内的街道灰尘样品。街道灰尘一般聚集在道路的两侧区域，样品采集时， 一般用小刷子将灰尘轻轻扫入小铁铲中，然后将铁铲中的灰尘缓慢倒入自封袋 中，待该点样品采集完毕之后，先将袋中的空气排尽，再将袋子封上，写上编 号1 5 0 】。 将潮湿的土样倒在塑料膜上，按四分法弃取后，摊成约2 c m 厚的薄层，拣 出其中的沙粒、碎石、植物残体、人为垃圾等杂质，让其自然风干。风干后用 碾磨棒将其压碎，过1 0 0 目尼龙筛，装入样品袋中备用【4 9 】。灰尘样品由于量较 少，粒径较小，不需碾磨，只需拣去杂质后风干，过1 0 0 目尼龙筛，放入样品 袋中备用【5 0 】。 2 3 样品的处理及测定 重金属全量：取0 3 0 0 0 9 样品( 土壤或灰尘) 放入5 0 m l 聚四氟乙烯坩埚 中，用少许水润湿，加入1 0 m lh c l ，于通风柜内的电热板上加热( 8 0 的占3 1 9 ，6 5 - 7 5 的占9 7 2 ， z n c u p b c r 。 3 2 5 2 潜在生态危害指数法评价 表3 7 列出了扬州市六条路段上各重金属的潜在生态危害系数和指数。 表3 7 扬州市城区道路两侧土壤重金属的潜在生态危害系数和指数 扬州大学研究生学位论文 从表3 7 中可以看出，六条路段上的z n ，c u ，p b ，c r 都达到了轻微生态 危害，而c d 达到了极强生态危害。六条路段上的肼值都超过了6 0 0 ，六条路 段上的重金属污染程度达到了很强生态危害。说明扬州市城区道路两侧土壤重 金属污染潜在危害程度很强，属于很强生态危害，其中c d 元素危害程度已经 达到了极强生态危害。从潜在生态危害系数e 数值上来看，五种重金属的危 害顺序为：c d c u p b z n c r 。从潜在生态危害指数肼数值来看，六条路 段的潜在生态危害程度的顺序为：江阳中路 大学南北路 文昌中路 文汇东 路南通西路 汶河南路荷花池路 淮海路。 3 2 5 3 两种评价方法结果比较 采用地积累指数法评价得到的五种重金属污染的顺序为c d z n c u p b c r ，而采用潜在生态危害指数法得到的五种重金属的危害顺序为：c d c u p b z n c r ，两种评价方法的结果都表明，在五种重金属元素中c d 的污染 程度是最严重的，c r 的污染程度是最轻的。地积累指数法只能评价出各条路段 上各重金属元素的污染程度，而不能评价出各条路段受重金属污染的程度，潜 在生态危害指数法正好弥补了这方面的缺陷。 3 3 土壤重金属有效态 土壤重金属的生物有效性是指其能被生物吸收利用的程度。土壤重金属通 过饮用水和呼吸空气进入人体的数量是很少的，主要的途径是食物链，即通过 动植物食品进入人体。因此土壤重金属的生物有效态主要是对植物而言的，即 主要是能够被植物所利用的部分【6 5 】。李永涛等( 2 0 0 4 ) 的研究结果表明，d t p a 刘文婷扬州市城区道路两侧土壤和灰尘中重金属污染研究 3 3 浸提的土壤重金属即有效态重金属含量与植物吸收量具有显著的相关性【删。 3 3 1 土壤重金属有效态含量 表3 8 中列出了p b ，c r ，c u ，z n ，c d 有效态含量的范围、平均值、标准 差和变异系数。 表3 8 土壤重金属有效态含量 由表3 8 可知，p b ，c r ，c u ，z n ，c d 有效态含量分别在0 0 0 5 - - 0 6 3 2m g k g ， 0 0 7 8 - 4 ) 2 2 1m g k g ，0 0 7 1 6 - - 2 6 6 m g k g ，0 1 5 2 3 - 3 5 9 m g k g ，0 0 0 0 3 - 4 ) 0 3 5 6 m g k g ，变化范围相差的很大。c u 的变异系数特别大，都达到了1 1 8 4 。 3 3 2 土壤重金属全量与有效态含量的比较分析 表3 - 9 中列出的有效态含量和全量分别是有效态含量的平均值和全量的平 均值。 表3 - 9 扬州市道路两侧土壤重金属有效态含量全量 从表3 - 9 中可以看出五种重金属元素有效态含量占全量的百分比都小于 1 。t e s s i e r ( 1 9 7 9 ) 等人提出，将土壤中金属元素的形态分为可交换态、碳酸 盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态与残渣态，有的研究者把可交换 态再分为“水溶态”与“阳离子交换态 【3 8 】。通常人们认为土壤中可为植物吸 3 4扬州大学研究生学位论文 收的有效态金属元素包括水溶态、交换态和碳酸盐结合态，在酸性条件下这些 组分与土壤结合较弱，易被释放，具有最大的可移动性及生物有效性，这时土 壤重金属有效态含量较高【6 刀，而由于扬州市道路两侧的土壤大都呈碱性，所以 扬州市道路两侧土壤重金属元素的有效态含量占全量的百分比很小。五种重金 属元素有效态含量占全量百分比的大小序列为：c d c u z n p b c r 。 3 4 小结 l 、扬州市城区道路两侧土壤p h 值在7 5 8 0 之间的，占5 8 3 ，p h 值 8 0 的 占3 1 9 ，6 5 7 5 的占9 7 2 ， z n c u p b c r 。应用潜在生态危害指数法评价扬州市道路两侧土壤重金属污 染程度，z n ，c u ，p b ，c r 都达到了轻微生态危害，而c d 达到了极强生态危 害，扬州市城区道路两侧土壤重金属污染潜在危害程度很强，属于很强生态危 害。五种重金属的危害顺序为：c d c u p b z n c r 。六条路段的潜在生态 危害程度的顺序为：江阳中路 大学南北路 文昌中路 文汇东路南通西路 汶河南路荷花池路 淮海路。 6 、扬州市道路两侧土壤重金属p b ，c r ，c u ，z n ，c d 有效态含量分别在0 0 0 5 - 4 ) 6 3 2m g k g ，0 0 7 8 - 0 2 21 m 蚝，0 0 7 16 2 6 6m g k g ，0 15 2 3 - 3 5 9 m g k g ， 0 0 0 0 3 - 4 ) 0 3 5 6m g k g 。c u 的变异系数达到了1 1 8 4 有效态含量占全量的百分 比很小。五种重金属元素有效态含量占全量百分比的大小序列为：c d c u z n p b c r 。 3 6 扬州大学研究生学位论文 第四章扬州市城区道路两侧灰尘中重金属污染研究 4 1 道路两侧灰尘重金属含量 表4 - 1 中列出了扬州市城区道路两侧灰尘中p b ，c r ，c u ，z n ，c d 含量的 范围，平均值，标准差，变异系数，平均值与背景值的比值。 表4 - 1 扬少i 1 市城区道路两侧灰尘重金属含量( m g k g ，n = 7 2 ) 由表4 1 可以看出，灰尘中p b ，c r ，c u ，z n ，c d 含量分别在6 7 4 0 2 5 0 8 3 m e g k g ，7 3 6 8 - - 4 9 2 81m g k g ，3 0 19 18 4 8 8 m g k g ，117 2 9 3 2 3 2 0 m g k g ，1 3 2 4 1 1 m g a g ，变化范围相差较大，且基本超过背景值。平均值分别是背景值的4 3 3 倍，2 3 6 倍，4 7 7 倍，3 7 5 倍，5 9 5 5 倍。就平均值来看，c d 的污染显得尤为 突出，超出了背景值5 9 5 5 倍。变异系数集中在2 0 0 旷4 0 之间，变异性并不十 分明显。 图4 1 中列出了扬州市城区道路两侧灰尘中p b ，c r ，c u ，z n ，c d 含量直 方图。 t 7 l 刘文婷扬州市城区道路两侧土壤和灰尘中重金属污染研究 3 7 g - 图4 1 扬州市城区道路两侧灰尘中重金属含量直方图 由图4 1 所知，扬州市城区道路两侧灰尘中p b ，c r ，c u ，z n ，c d 含量都呈正态分布。 4 1 1 灰尘重金属含量与土壤重金属含量比较 表4 2 中列出了扬州市城区道路两侧土壤和灰尘中重金属含量比较。 表4 2 扬州市城区道路两侧土壤重金属含量与灰尘重金属含量比较( m g k g ，n = 7 2 ) 3 8 扬州大学研究生学位论文 从表4 2 中看出，灰尘重金属含量的范围，平均值都要明显超过土壤重金 属，说明灰尘中重金属含量要高于土壤中重金属含量。道路两侧灰尘重金属污 染与土壤重金属污染虽然有某些共同来源，如机动车尾气、轮胎磨损、大气沉 降等，并且有一部分灰尘直接来自于表层土壤的风化，但灰尘受到的人为影响 相对于土壤来说更为直接，而且道路两侧的土壤上多种植花草树木，这些植物 通过土壤植物系统也会吸收一部分重金属元素，所以灰尘中重金属含量要高于 土壤中重金属含量，这与n a i m 等人的研究成果相同。n a i m 等( 2 0 0 3 ) 研究了伊 斯坦布尔e 5 高速公路从t o p k a p i 到a v c i l a r 之间长达1 8 k m 的路段上街道灰尘 中重金属的含量，发现街道灰尘中重金属的含量均高于该地区典型土壤中重金 属的最大含量，明显存在着重金属污染【6 8 1 。 4 1 2 与国内外城市灰尘重金属含量比较 将扬州市街道灰尘中的c d 、c u 、p b 、z n 、c r 元素含量与纽约、伦敦、上 海等城市街道灰尘中重金属元素含量进行对比，比较结果见表4 3 表4 - 3 国内外城市道路两侧灰尘重金属含量比较( m g k g ) 注