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物探与化探, 2021, 45(5): 1130-1134 doi: 10.11720/wtyht.2021.0064

生态地质调查

天津市城区不同功能区绿地土壤重金属分布特征及来源研究

侯佳渝,1, 杨耀栋,2, 程绪江3

1.天津市地质事务中心,天津 300040

2.天津市地质矿产测试中心, 天津 300191

3.天津市地质调查研究院,天津 300191

Distribution and sources of heavy metals in greenbelt soil in different functional zones of Tianjin City

HOU Jia-Yu,1, YANG Yao-Dong,2, CHENG Xu-Jiang3

1. Tianjin Center of Geological Affairs, Tianjin 300042, China

2. Tianjin Geological Mineral Test Center, Tianjin 300191, China

3. Tianjin Institute of Geological Survey, Tianjin 300191, China

通讯作者: 杨耀栋(1982-),男,高级工程师,硕士学位,从事环境地质研究工作。Email:fivess@139.com

责任编辑: 蒋实

收稿日期: 2021-02-3   修回日期: 2021-04-1  

基金资助: 天津市城市地质调查项目.  1212010511104

Received: 2021-02-3   Revised: 2021-04-1  

作者简介 About authors

侯佳渝(1981-),男,高级工程师,硕士学位,从事环境地球化学研究工作。Email: putaodaxian@qq.com

摘要

对天津市中心城区内居住文教区、交通绿化带、工业区、公园、河岸5类功能区的绿地土壤中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn进行了调查研究。结果表明:天津市绿地土壤中重金属累积程度Hg>Cd>Pb>Zn>Cu;As、Cr、Ni平均含量接近背景值。Pb、Zn、Cu、As在工业区绿地土壤中含量最高,Cd、Hg、Ni、Cr在河岸绿地土壤中含量最高。大气沉降是重金属进入绿地土壤的主要途径;大气沉降物质重金属平均含量和土壤背景值的比值与绿地土壤重金属累积系数显著相关。大气重金属沉降量的差异是造成不同功能区绿地土壤重金属差异的主要原因;河岸绿地还受到河道污水灌溉和河道底泥的影响;生产和生活垃圾也可能造成重金属的局部累积。

关键词： 功能区 ; 绿地土壤 ; 重金属 ; 分布特征 ; 来源 ; 天津城区

Abstract

This study investigated the elements of As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, and Zn in greenbelt soil in five types of functional zones in the urban area of Tianjin City, namely residential and educational zones, traffic greenbelts, industrial zones, parks, and river banks. The results are as follows. The overall accumulationof heavy metals in the greenbelt soil is in the order Hg>Cd>Pb>Zn>Cu, with the average content of As, Cr, and niapproximating to the background values. Pb, Zn, Cu, and as have the highest content in the greenbelt soil in industrial zones, while Cd, Hg, Ni, and Cr have the highest content in river banks. Heavy metals mainly migrate intogreenbelt soil by means of atmospheric deposition.Moreover, the accumulation coefficient of heavy metals in greenbelt soil is significantly correlated with the ratio of the average content of heavy metals in atmospheric deposition and the background value of the heavy metals in the soil. Meanwhile, the difference in heavy metal content between the greenbelt soil in different functional zones are mainly caused bythe difference in the quantity of the heavy metals in the atmospheric deposition. Besides, the greenbelt soil on river banks is also affected by sewage irrigation and river sediments, and industrial and household waste may also cause local accumulation of heavy metals.

Keywords： functional zone ; greenbelt soil ; heavy metal ; distribution characteristics ; source ; Tianjin City

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本文引用格式

侯佳渝, 杨耀栋, 程绪江. 天津市城区不同功能区绿地土壤重金属分布特征及来源研究. 物探与化探[J], 2021, 45(5): 1130-1134 doi:10.11720/wtyht.2021.0064

HOU Jia-Yu, YANG Yao-Dong, CHENG Xu-Jiang. Distribution and sources of heavy metals in greenbelt soil in different functional zones of Tianjin City. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2021, 45(5): 1130-1134 doi:10.11720/wtyht.2021.0064

0 引言

随着城市化的不断发展,城市土壤大部分被各类人工建筑物覆盖,绿地是城市暴露土壤的主要存在形式[1],绿地在城市中是重要的生态资源,具有涵养水源、缓冲污染、防风固沙、调节小气候、保持生物多样性的功能,也是城市生态系统元素储存、迁移、转化的重要介质。重金属元素在人类生产、生活中使用广泛,工业“三废”、机动车尾气、生活垃圾、生活污水等都可能造成土壤重金属污染,对城市居民健康和城市的可持续发展带来了隐忧。

近年来,城市土壤重金属累积的问题受到广泛关注,国内外针对城市土壤重金属开展了一系列研究,但针对城市不同功能区绿地的研究还比较少。徐福银等[2]认为重庆不同功能区绿地土壤重金属含量整体较低,商业区和交通区受到污染的程度大于居住区和休闲区。陈为峰等[1]在山东某城市开展了研究,发现工业区、风景名胜区、商业区和居民区绿地土壤污染程度较高。赵靓等[3]针对北方某城市的绿地土壤重金属开展了空间分析、污染评价,并通过多元统计的方式对重金属来源进行了分析。

本研究对天津市中心城区内的居住文教区、交通绿化带、工业区、公园、河岸等5类不同功能区的绿地土壤开展了调查和采样工作,在此基础上对重金属的分布规律和来源进行了分析和研究,旨在进一步了解城市生态系统中污染物质的迁移、转化、赋存规律,为城市生态文明建设提供依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 样品采集

将绿地分为公园绿地、交通绿化带、工业区绿地、居住文教区绿地、河岸绿地5大类。为了兼顾均匀性和代表性,采样点网格化布置,1 km2网格一个点,采样点布置在网格内比较典型的绿地上。共布置采样点267个,其中居住文教区102个,交通绿化带92个,工业区53个,公园11个,河岸9个。土壤样品视采样点具体情况选取棋盘法、梅花点法、对角线法或蛇形法进行多点取样并混合,采样深度为0~20 cm。

为了研究大气沉降物质对绿地土壤的影响,在城区共布置13个大气沉降接收装置,接收装置尽量均匀分布,保证每个区至少一个装置。接收装置安放于15 m高以上的屋顶平台上,周围25 m内无遮挡物,100 m内没有供热站、工厂等污染源,放置时长一年。

1.2 样品分析

土壤样品在实验室用无污染球磨机研磨至200目,大气沉降样品不需研磨。称取0.5 g样品,用王水溶解样品,采用原子荧光法测定As、Hg;称取0.1 g样品,用硝酸、盐酸、氢氟酸、高氯酸四酸溶样,采用等石墨炉原子吸收法测定Cd,采用等离子体发射光谱法测定Ni、Cu;称取3.0 g样品,粉末压饼法处理,采用X射线荧光光谱法测定Cr、Pb、Zn。样品分析中的准确度和精密度、报出率、重复性检验等各项质量指标均满足要求。

2 结果与分析

2.1 绿地土壤重金属含量总体特征

天津市中心城区绿地土壤重金属元素含量统计数据如表1。累积系数为绿地土壤元素平均含量与土壤背景值的比值,反映土壤重金属元素的累积程度。土壤背景值采用天津市1∶25万地球化学调查数据[4]。总体来看,天津市绿地土壤中Hg、Cd累积程度最高,累积系数分别为7.66和3.15;其次是Pb、Zn、Cu,累积系数分别为1.85、1.81、1.61;As、Cr、Ni累积系数都接近1,平均含量接近背景值。

表1   天津市绿地土壤重金属含量统计值

Table 1  Statistical parameters of heavy metals in greenbelt soil of Tianjin

参数AsCdCrCuHgNiPbZn
平均值1138781451753344148
最大值26206642876882020698102233
最小值561421412181547
背景值[4]11123792823342482
变异系数0.253.390.271.011.340.171.231.05
累积系数1.013.151.021.617.660.961.851.81

注:Cd、Hg含量单位为10-9,其他元素为10-6。

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变异系数可以反映样品中重金属元素含量的离散程度。Cd的变异系数为3.39,远高于其他元素,分析数据显示多个采样点Cd含量大幅度高于其他点位,其中最大为20 664×10-6,是天津市土壤背景值的168倍。Hg、Pb、Zn、Cu的变异系数分别为1.34、1.23、1.05、1.01;Cr、As、Ni元素变异系数较低,分别为0.27、0.25、0.17。

将天津绿地土壤重金属含量与国内外其他城市对比,由表2可见,与国内城市比较,北京公园绿地土壤Hg含量是天津绿地的4.97倍;香港公园绿地土壤Cd含量是天津绿地的5.63倍;其他元素的差异不突出。与国外城市都柏林、雅典比较,除Cr高于都柏林外,天津绿地土壤各重金属含量都相对更低。

表2   天津市与其他城市土壤重金属的对比

Table 2  Comparison of urbansoil heavy metal content in Tianjin and other cities

地区AsCdCrCuHgNiPbZn
天津绿地1138781451753344148
北京公园[5]12490358702736146
南京城区[6]29080473546134
重庆绿地[2]41301442988
香港公园[7]21802593168
都柏林城区[8]161770445133941123248
雅典城区[9]434509572131157174

注:Cd、Hg含量单位为10-9,其他元素为10-6。

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相对于北京、雅典这样历史悠久的城市,以及香港、都柏林这类早期工商业较发达的城市,天津受到人类活动的影响更小,因此绿地土壤重金属累积程度更低。随着天津城市的进一步扩张和发展,我们需要提高污染防治的意识,避免或者减缓土壤重金属的持续累积。

依据《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 36600—2018)对绿地土壤进行评价,只有一个点的Pb含量略微超过筛选值,其他各点各元素含量都在筛选值以下,总体上可以认为天津市绿地土壤中的重金属对人体健康风险非常小。

2.2 不同功能区绿地土壤重金属含量特征

不同功能区绿地土壤重金属含量统计数据如表3。在5种功能区中,工业区绿地Pb、Zn、Cu、As平均含量最高,Hg排第2位。重金属元素在工业上被广泛使用,工业生产的各个环节都有可能释放出重金属并进入到城市生态系统。

表3   不同功能区绿地土壤重金属含量统计参数

Table 3  Statistical parameters of heavy metals in greenbelt soil in different functional areas

功能区样本量参数AsCdCrCuHgNiPbZn
居住、文教区102平均值1029077401903237128
最大值164834114154202044113458
最小值674421612182056
变异系数0.201.620.130.421.490.140.390.47
累积系数0.982.360.981.418.340.941.521.56
交通绿化带92平均值1146777401233236120
最大值262066411820362843222417
最小值561531412211547
变异系数0.294.580.130.640.970.160.670.50
累积系数0.993.790.971.425.370.931.491.46
工业区53平均值1140291652173474241
最大值2024362876881509698102233
最小值684591618231851
变异系数0.230.900.401.401.130.231.491.30
累积系数1.083.271.152.309.510.993.102.95
公园11平均值1126578441813438120
最大值1739593877954460167
最小值8179702747272785
变异系数0.230.330.090.421.250.140.290.25
累积系数1.062.150.981.587.911.001.571.46
河岸9平均值11731102522813755143
最大值183528251140122449166358
最小值8125692232302174
变异系数0.281.510.580.721.350.170.820.60
累积系数1.055.951.291.8612.311.082.281.75

注:Cd、Hg含量单位为10-9,其他元素为10-6。

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河岸绿地中Hg、Cd平均含量显著高于其他功能区,Pb、Zn含量也仅次于工业区。本研究认为这是因为河岸绿地相对其他区域还额外受到了河道污水灌溉和河道底泥的影响。

居民区机关文教单位绿地、交通绿化带和公园绿地中的重金属富集程度整体上相对工业区和河岸绿地更低。交通绿化带中的Cd平均含量排第2位,原因是受到最高值点的影响,如将该点剔除平均值将下降48%,位于末位。

从变异系数来看,Cu、Ni、Pb、Zn变异系数在工业区中最高,这4种元素在工业生产中广泛应用,区内不同类型工业的布局和排放特征导致了绿地土壤中元素的不均匀累积。Cd、Hg在居住文教区的变异系数最高,居住文教区人口密度最大,受到人类活动的影响最频繁,不规范的垃圾处置、废水排放等带来的局部污染导致了较高的变异系数。

2.3 绿地土壤重金属来源分析

经过调查认为,从区域上来看重金属进入绿地土壤的途径与农业区相似,主要包括:大气沉降、灌溉水和肥料3种途径。依据已有的研究成果,天津市郊区农用地土壤中的重金属主要来自于大气沉降物质[10]。本研究开展的调查显示单位面积绿地土壤使用的肥料量低于郊区农用地;灌溉水除了河岸绿地较多使用河水灌溉外,其他各种绿地主要使用自来水灌溉[11],而自来水重金属含量整体低于农业灌溉水;同时,城市大气沉降物质重金属的年沉降量高于农业区[12,13]。从上述比较可以判断:相对于农业区,进入城市绿地土壤中的重金属有更高比例来自于大气沉降物质。因此认为大气沉降物质是天津市城市绿地重金属的主要输入途径。

表4列出了大气沉降物质重金属含量统计数据,其中平均值与天津市土壤背景值的比值可以反映大气沉降物质重金属的累积程度以及大气沉降物质落地后对土壤重金属含量影响的大小。大气沉降物质Cd、Hg分别达到土壤背景值的22.74和22.46倍;其次是Zn、Pb、Cu,分别是土壤背景值的13.57、8.94和4.66倍;As、Cr、Ni都在3倍以下。大气沉降物质重金属含量显著高于绿地土壤,但不同元素的累积特征和绿地土壤非常相似。表4中大气沉降物质重金属平均值与土壤背景值的比值与表1中绿地土壤重金属累积系数呈现出极强的相关性,二者相关系数达到0.80,这也从侧面证实大气沉降物质是天津市城市绿地累积重金属的主要来源。

表4   城区大气沉降物质重金属浓度统计值

Table 4  Statistical parameters of heavy metal concentration in atmospheric deposit

参数AsCdCrCuHgNiPbZn
最大值5556904004594745887705677
最小值1717081167519134141487
平均值283688192142894582341171
平均值/土壤背景值[4]2.8022.742.424.6622.461.698.9413.57

注:Cd、Hg含量单位为10-9,其他元素为10-6。

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大气沉降物质中的重金属含量与人类活动密切相关,不同区域的大气沉降物质重金属含量有明显差异,工业区重金属的年沉降量一般高于居住和文教区[12],这是造成不同类型绿地重金属累积程度不一的主要原因。

河岸绿地因为大量使用河道污水灌溉,Hg、Cd、Pb、Zn的富集程度明显高于绿地均值。天津市河道内的污水来自于上游工业和生活污染源,重金属元素含量偏高,根据已有的调查成果,在城区周边长期使用污水灌溉的农用地土壤Hg、Cd、Pb、Zn等也有不同程度的累积[14]。

相对于农业用地和生态用地,城市绿地土壤受到人类活动的影响更大,出现重金属含量异常高值的概率更高。这些出现异常高值的点位往往受到了局部的污染。河岸绿地在河道清淤的时候堆积的河道底泥,居民区绿地上丢弃的温度计、电池、灯泡,工业区内丢弃的半导体零件、蓄电池等都可能造成重金属在局部地区高水平累积。

3 结论

1) 天津市绿地土壤重金属累积程度Hg>Cd>Pb>Zn>Cu,其中Hg、Cd累积系数高达7.66和5.95;As、Cr、Ni平均含量接近背景值。

2) Pb、Zn、Cu、As在工业区绿地土壤中含量最高,Cd、Hg、Ni、Cr在河岸绿地土壤中含量最高。居住文教区绿地、交通绿化带、公园绿地土壤重金属累积程度相对更低。

3) 大气沉降是重金属进入绿地土壤的主要途径;大气沉降物质重金属平均含量和土壤背景值的比值与绿地土壤重金属累积系数显著相关。

4) 大气重金属沉降量的差异是造成不同功能区绿地土壤重金属差异的主要原因;河岸绿地还受到河道污水灌溉和河道底泥的影响;生产和生活垃圾也可能造成绿地土壤重金属的局部累积。

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