合肥市土壤重金属元素异常及其生态效应_陈富荣.pdf

第 26 卷第 4 期 2007 年 8 月 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol． 26，No． 4 August， 2007 文章编号 02545357 2007 04027506 合肥市土壤重金属元素异常及其生态效应 陈富荣，陈永宁，贾十军，陈兴仁，王晓莺，邢润华，丁相玉 安徽省地质调查院，安徽 合肥230001 摘要 通过对合肥市及其周边地区表层土壤重金属元素异常空间分布特征的分析， 查明了 生活和工业排污是形成 Hg、 Cd、 Pb、 Zn 异常的主要原因; 相对于深层土壤， 表层土壤具有明显的 富集特征， 自地表向下重金属元素含量呈迅速下降趋势。探讨了土壤重金属元素全量与有效量、 土壤 pH 值的关系， 土壤重金属元素有效度大小排序为 Cd ＞ Pb ＞ Zn ＞ Hg， Cd、 Pb 有效量与全量 相关性显著， 且与 pH 值呈负相关， 随着土壤 Cd、 Pb 元素全量的增加以及土壤不断酸化， 其生态 风险将显著增大。异常区土壤重金属的累积已造成部分蔬菜重金属超标， 进而影响到蔬菜食用 安全性， 因此， 加强土壤环境质量保护， 对保证合肥市社会经济可持续发展具有重要意义。 关键词 土壤; 重金属元素异常; 有效态; 生态效应; 合肥市 中图分类号 P596; S151． 9文献标识码 A 收稿日期 2007- 03- 10; 修订日期 2007- 04- 25 基金项目 中国地质调查局国土资源大调查项目资助 1212010310305 作者简介 陈富荣 1971 ， 男， 安徽巢湖人， 工程师， 主要从事勘查地球化学、 环境地球化学调查与研究工作。 E- mail chfur163． com。 Heavy Metal Element Anomaly in Soils of Hefei City and Their Ecological Impacts CHEN Fu- rong，CHEN Yong- ning，JIA Shi- jun，CHEN Xing- ren， WANG Xiao- ying，XING Run- hua，DING Xiang- yu Anhui Institute of Geological Survey，Hefei230001，China Abstract It is identified that civil and industrial contaminations are the main sources of Hg， Cd， Pb and Zn heavy metal pollution in surface soils according to the study on spatial distribution characteristics of heavy metal anomaly in and around Hefei City based on the data from regional eco- geochemical survey． It is found that heavy metals are accu- mulated in topsoil layer and their contents decrease drastically to the sub- layers． The correlation of total content， available/extractable content of heavy metal elements and pH values of the soils are studied． The results show that the availability degree of heavy metal elements in soils decrease as follows Cd ＞Pb ＞Zn ＞Hg． And the contents of ex- tractable Cd and Pb have positive correlation with their total contents and have negative correlation with pH value of soils． Therefore， the ecological risk of Cd and Pb in soils will increase as the increase of their total contents and the decrease of soil acidity． Heavy metal contents in some vegetables produced in heavy metal anomaly areas have exceed National Food Safety Standards． Therefore， sufficient attention should be paid on environment protection of soils． Key words soil; heavy metal element anomaly; availability; ecological impact; Hefei City 随着城市化、 工业化进程的高度发展， 城市生 态环境问题已引起人们的广泛关注。城市土壤是 城市生态系统的重要组成部分， 强烈的人为活动加 剧了重金属在土壤中的高度累积， 由此产生了一系 列生态和环境效应。欧美一些发达国家已十分关 注城市土壤重金属的污染程度， 并对许多城市土壤 572 ChaoXing 重金属的污染状况进行了调查与填图 ［1 ］。因此， 查明城市土壤重金属分布被认为是处于十分重要 的生态十字路口 ［2 ］， 研究城市土壤重金属污染和 生态效应显得十分重要。 合肥市位于安徽省中部、 巢湖西北岸， 是安徽 省省会， 市区面积596 km2， 人口约175 万。合肥市 有着悠久的历史， 近年来随着经济的持续发展， 已 成为一个新兴的工业城市; 但由于城市化进程的加 剧， 合肥市及其周边地区生态环境正面临着巨大压 力， 特别是土壤重金属污染。本文通过对合肥市及 其周边地区表层土壤重金属调查， 研究了土壤重金 属异常空间分布和成因， 探讨了重金属元素迁移累 积及其生态效应， 为控制重金属污染提供理论依 据， 对指导城市布局规划、 土地管护和推动经济持 续发展具有重要的现实意义。 1样品的采集与分析 1． 1研究区概况 研究区以合肥市为中心， 覆盖面积 1365 km2。 区内广泛出露第四纪晚更新世下蜀组褐黄色粉质 黏土， 沿南淝河及巢湖周边分布有全新世南淝河组 粉质黏土、 淤泥质黏土、 淤泥 ［3 ］， 成土母质主要为 晚更新世下蜀黄土及河流冲积物母质; 市区土壤类 型为黄褐土， 周边以水稻土为主 ［4 ］。 1． 2样点布设与取样方法 本项研究是“安徽省江淮流域区域生态地球 化学调查” 项目的工作内容之一。按照相关规范 要求 ［5 ］， 面积性土壤调查以 1 点/km2 多点采集 0 ～20 cm 土壤样， 测定54 项指标。此外， 根据 Hg、 Cd、 Pb、 Zn 异常分布特征， 综合考虑地理地貌、 成土 母质和土地利用方式， 穿越南淝河和工业区布置土 壤水平剖面一条， 在大兴镇、 大圩乡布置土壤垂向 剖面 17 条， 覆盖合肥市区开展了面积性降尘及各 功能区降尘调查， 位于重金属异常区 大兴镇、 大圩乡 及背景区 三十岗乡等 采集了蔬菜样品 和一定数量的土壤样品。 1． 3样品处理与分析方法［6 ］ 蔬菜样品先经切碎、 打浆后再消化处理， 土壤 有效态样品经过风干、 细磨、 过筛 粒径 ＜2 mm 后 消化处理。消化液用电感耦合等离子体原子发射 光谱法 ICP － AES 测定蔬菜 Pb、 Zn 全量和土壤有 效态 Cd、 Pb、 Zn; 石墨炉原子吸收光谱法 GFAAS 测定蔬菜 Cd 全量; 原子荧光光谱法 AFS 测定蔬 菜 Hg 全量和土壤有效态 Hg; 有效态酸性 中性 土壤用稀 HCl 浸取， 碱 性 土 壤 用 联 合 提 取 法 DTPA 浸取。测定过程中， 抽取 20 的样品进行 平行双样测定。 2土壤重金属元素异常特征 表层土壤地球化学调查发现了面积约 400 km2的 Hg、 Cd、 Pb、 Zn 异常。采用地球化学统计法 求取异常下限 T X 2s ， 以土壤环境质量二级 标准限制值作为异常内带值所圈定的异常主体位 于合肥市区， 呈椭圆形沿南淝河展布， 异常特征见 表 1。各元素异常空间分布显示 图 1 ， Hg、 Pb 异常中心基本吻合， 位于市中心老城区; Cd、 Pb、 Zn 异常中、 内带套合较好， 分布在城区外围的工业区。 表 1合肥市表层土壤 Hg、 Cd、 Pb、 Zn 元素异常参数 Table 1Anomaly parameters of Hg，Cd，Pb and Zn in top soils in Hefei City 元素 面积/km2 wB/10 －6 异常下限极值平均值 衬度pH富集系数 Hg＞4000．061．090．1262．15．1 ～8．4 1．4 ～24．8 Cd1760．150．7910．2631．756．0 ～8．4 2．0 ～12．8 Pb9234．091．051．01．506．4 ～8．41．3 ～4．6 Zn9287．0421．0149．01．716．4 ～8．41．5 ～7．3 2． 1汞异常 2． 1． 1表层土壤异常特征 表层土壤 Hg 异常位于合肥市区及周边城郊 地区， 面积 ＞400 km2， 沿南淝河呈南东向带状展布 图 1 Hg 异常分带明显。Hg 含量大于 0．12 10 －6 的中带异常与合肥市建城区吻合， 面积约 72 km2; 大于0．24 10 －6的内带异常面积约 32 km2， 可分成 3 个浓集中心。位于老城区的中部浓集中心最大， 与二环路范围一致， Hg 含量最高值为 1． 09 10 －6， 平均值0．577 10 －6。北部异常浓集中心位于合肥 发电厂附近， 异常极值为 0． 492 10 －6; 东南部浓集 中心位于大兴镇附近， 围绕氯碱化工厂、 合肥钢厂等 污染源分布， 异常极值0．294 10 －6。 2． 1． 2垂向分布特征 相对于深层土壤， Hg 元素具有强烈的表层富集 特征。由穿切南淝河土壤剖面 Hg 分布图可见 图2 ， 虽然耕作层土壤中 Hg 含量平均值为 0． 085 10 －6， 尚低于土壤环境质量一级标准限值［ 7 ］， 但耕 作土层中 Hg 富集趋势明显， 除个别点外， 由地表向 下土壤Hg 含量骤然下降。推断与南淝河污灌有关， 长期污灌已使表层土壤中的 Hg 有所累积。 672 第 4 期 岩矿测试 http ∥ykcs． i3t． com． cn/ 2007 年 ChaoXing 图 1合肥市土壤 Hg、 Cd、 Pb、 Zn 异常图 Fig． 1Hg，Cd，Pb and Zn anomalies in top soils in Hefei City 图 2合肥市异常区大圩乡剖面 Hg 垂向分布 Fig． 2Mercury distribution along vertical section of soils in Dawei township of Hefei anomalous areas 2． 2镉铅锌异常 2． 2． 1表层土壤异常特征 Cd 元素以中、 外带异常为主， 面积约 176 km2 图 1 ， 异常形态北宽南窄， 北部与市区范围相当， 南部沿南淝河呈带状展布。中带异常面积约 44 km2， Cd 含量平均值为 0． 477 10 －6; 内带异常 仅 4 km2， Cd 异常极值为 0． 791 10 －6。中带异常 空间位置与合肥市工业区范围一致， 位于市区东部 大兴镇 － 七里塘镇一带， 分布有氯碱化工厂、 合肥 钢厂、 焦化厂、 造纸厂等企业。 土壤 Pb 异常面积 92 km2， 分布范围与合肥市 区基本一致 图 1 ， 以外带异常为主， Pb 含量最高 值91． 0 10 －6， 平均值 51． 0 10－6， 高于合肥地区 表层土壤平均值一倍。Pb 含量大于 60． 0 10 －6的 高含量区分为两片 一为农药厂 － 市区中心一环路 以内; 二为大兴镇附近， 推断与老城区生活排污及 工业污染源有关。 Zn 元素以外带异常为主， 异常范围与合肥市 区相当 图 1 ， 面积约 92 km2， 异常平均值 149． 0 10 －6， 其中以大兴镇土壤 Zn 最高， 达 421． 0 10 －6。两个浓集中心分别位于农药厂、 合钢二厂， 与工业污染源关系密切。 2． 2． 2垂向分布特征 区域土壤 Cd、 Pb、 Zn 具有强烈的表层富集 特征。由大兴镇异常区 5 条土壤垂向剖面研究结 果表明， 表层土壤 Cd、 Pb、 Zn 平均含量分别为 0． 17 10 －6、 62． 7 10－6、 72． 3 10－6， 富集系数依次为 2． 4 ～3． 2、 2． 5 ～ 3． 1、 1． 4 ～ 1． 5， 以 Cd、 Pb 富集强 度最大， 显著高于下覆土壤 表 2 。总体上自地表 向下各元素含量呈迅速下降趋势， 20 cm 以下土层 中 Cd 含量起伏变化最小， 而 Zn 在 － 60 ～ 100 cm、 － 140 ～180 cm 的土层中含量有所增高。 772 第 4 期陈富荣等 合肥市土壤重金属元素异常及其生态效应第 26 卷 ChaoXing 表 2合肥市异常区大兴镇剖面 Cd、 Pb、 Zn 元素统计参数 Table 2Statistic parameters of Cd， Pb and Zn distributing along vertical section of soils in Daxing town of Hefei anomalous area 剖面分层 深度/cm Cd w/10 －6 富集系数 Pb w/10 －6 富集系数 Zn w/10 －6 富集系数 0 ～200．170－62．7－72．3－ 20 ～600．0602．825．52．547．61．5 60 ～1000．0543．221．52．953．01．4 100 ～1400．0612．822．22．849．91．4 140 ～1800．0702．420．53．153．21．4 3土壤重金属异常成因分析 异常区土壤剖面显示合肥市重金属元素异常 仅存在于表层土壤。Hg 异常中心空间上与老城区 和现代工业区分布相吻合， 表明 Hg 异常与生活及 工业污染有关; 而 Cd、 Pb、 Zn 异常中心则与工业区 合钢、 氯碱化工等企业 范围一致， 反映了该异常 与工业污染关系密切。据合肥市环境质量报告 书 ［8 ］调查结果， 2005 年合肥市年均降尘量尤以异 常区内农药厂北东的 63 号点及合钢北西的 65 号 点最高 图 3 ， 分别为 13． 47 t/ km2月 、 13． 33 t/ km2月 ; 其次为市中心的 70 号点［ 10． 09 t/ km2月 ］ ， 区域降尘量高值分布区与重金属 异常区基本一致。 图 3合肥市降尘量分布 Fig． 3Distribution of atmospheric dust quantity in Hefei City 合肥市降尘调查表明， 降尘中重金属元素含量 远高于表层土壤， 多为表层土壤的 1． 5 倍以上 表 3 ， Cd 达 10． 9 倍， 尤其是交通尘中 Cd、 Hg、 Zn 含 量最高。据合肥市环保监测资料统计 ， “十五” 期 间合肥市烟尘、 工业粉尘排放量分别为 6． 93 万吨、 1． 37 万吨 ［8 ］。按照降尘元素含量计算， 每年将有 106． 7 kg 的 Cd 和 49． 4 kg 的 Hg 带入市区土壤， 显 然， 降尘是合肥市区土壤重金属的主要来源之一。 表 3合肥市降尘 Hg、 Cd、 Pb、 Zn 元素含量平均值 Table 3Average contents of Hg，Cd，Pb and Zn in atmospheric dusts in Hefei City 元素 wB/10 －6 燃煤尘冶金尘交通尘 wB/10 －6 面积降尘 面积土壤 w降尘 w土壤 Hg0．4510．6070．7790．5950．0698．6 Cd0．6240．3712．0311．2860．11810．9 Pb23574149163285．8 Zn384203916604649．4 市区外异常的延展与排污河流一致 ， “九五” 期间合肥市工业废水排放的 Pb 累计达 17． 69 吨/年 ， “十五” 期间累计达 4． 22 吨/年， 2001 年年 排放量 Hg 0． 008 吨、 Pb 1． 01 吨 ［8 ］。土壤剖面显 示， 重金属高含量区主要分布在二十埠河及工业区 图 4、 图 5 ， 而南淝河沿岸发育河流冲积物母质， 土壤质地为砂壤或粉砂质黏土， 具有较好的通透 性， 再加上农田污灌， 形成了沿排污河流分布的具 有一定深度和宽度的异常带。 4土壤重金属元素存在形态及其影响因素 大兴异常区 117 件土壤样品中， 碱性土壤占 52， 中性土壤占 36， 总体呈碱偏中性; 大圩异 常区 271 件样品中， 中性土壤占 72． 69， 酸性土 壤占 25． 09， 总体呈中偏酸性。 由图6 可见， 大圩乡Hg、 Pb 元素有效量与全量线 性关系不明显， 而在大兴镇则具有较明显的线性关 系。背景区的 Cd、 Zn 全量与有效量关系不明显， 而异 常区间则表现出明显的线性相关， 反映出不同土壤环 境及元素含量， 影响元素有效量的因素不尽相同。 利用土壤重金属元素的有效量占全量的比率， 求 取元素的有效度， 有效度越高， 元素活化能力越强， 越 易被植物吸收。研究表明， 异常区与背景区土壤中 Hg、 Cd、 Pb、 Zn 有效度接近 表4 。以 Cd 有效度最高 ＞50 ， Pb、 Zn 次之 10 ～15 ， Hg 最低 ＜2 。 由全量与有效量的相关系数可以看出 背景区和异常 区土壤有效 Hg 与全量均不相关; 背景区的 Pb 呈弱相 关， 而异常区的 Cd、 Pb、 Zn 及背景区的 Cd、 Zn 有效量 与全量呈显著相关， 表明随着土壤中 Cd、 Pb、 Zn 元素 全量的增加， 其有效量也相应增加， 危害性将增大。 872 第 4 期 岩矿测试 http ∥ykcs． i3t． com． cn/ 2007 年 安徽省地质调查院．合肥市江淮分水岭地区蔬菜基地重金属 污染调查评价报告．2006． ChaoXing 图 4合肥市土壤剖面汞元素分布图 Fig． 4Mercury distribution along a profile of soils in Hefei City 等值线含量单位为 10 －6。 图 5合肥市土壤剖面镉元素分布图 Fig． 5Cadmium distribution along a profile of soils in Hefei City 等值线含量单位为 10 －6。 图 6合肥市异常区土壤元素有效量与全量散点图 Fig． 6Plots of total and available contents of Hg，Cd，Pb and Zn in top soils in Hefei anomalous area 表 4土壤 Hg、 Cd、 Pb、 Zn 元素有效量与全量关系 Table 4Ratios of available species content to total species content of Hg，Cd，Pb and Zn in top soils and their correlation coefficients 元素 背景区 有效量 全量 / 相关 系数 样品数/ 个 异常区 有效量 全量 / 相关 系数 样品数/ 个 Hg1．74－0．20991．29－0．0888 Cd59．060．7512258．00．91112 Pb14．690．3712215．200．96112 Zn10．230．709912．840．7888 土壤酸碱度对重金属元素有效性也有重要影 响。元素有效度与 pH 相关分析表明， Pb、 Cd 与 pH 呈负相关 相关系数分别为 － 0． 46、－ 0． 18 ， Hg 与 pH 呈正相关 0． 354 ， 而 Zn 与 pH 相关性不 明显， 说明土壤酸化 pH 下降 会增加 Pb、 Cd 元素 活度， 增强植物对 Pb、 Cd 的吸收积累率， 加剧了该 区土壤重金属的生态风险。 5生态效应评价 在土壤重金属异常区和背景区共采集了 7 类 30 个品种 200 件蔬菜样品。与国标 ［9 ］无公害蔬菜 和食品卫生标准中重金属限量对比， 蔬菜超标率为 8。超标元素主要为 Hg、 Cd、 Pb、 Zn， 以 Cd 超标 最多， 超标样品 10 件， Hg 有 4 件， Pb、 Zn 各 2 件。 18 件超标蔬菜中有 13 件产于土壤重金属异常区， 占超标蔬菜总量的 72． 2。由此可见， 合肥城郊 土壤重金属累积已影响到蔬菜食用安全性， 土壤重 金属富集是导致蔬菜重金属超标的重要原因。 6结语 1 位于合肥市中心城区及其外围工业区表 层土壤中存在 Hg、 Cd、 Pb、 Zn 异常， 并沿着南淝河 展布， 异常区内分布有多家大型污染企业。 972 第 4 期陈富荣等 合肥市土壤重金属元素异常及其生态效应第 26 卷 ChaoXing 2 表层土壤中的重金属元素含量明显高于 深层土壤， 呈显著的表层富集特征， 自地表向下元 素含量多呈迅速下降趋势。由于特定的成土母质、 土壤质地以及农田污灌， 在城郊区已形成与排污河 流一致的具有一定深度和宽度的异常带。 3 生活垃圾和企业排污是土壤重金属的重要 来源， 是形成合肥市土壤重金属异常的主要原因。 4 表层土壤重金属元素有效度大小排序为 Cd ＞ Pb ＞ Zn ＞ Hg， 土壤 Cd、 Pb 的有效量与全量相 关性显著， Cd、 Pb 与 pH 又呈负相关。显然， 随着 土壤 Cd、 Pb 元素全量的增加和土壤不断酸化， 其 生态风险将显著增大。 5 不断酸化、 富集重金属元素的土壤， 已造 成部分蔬菜重金属含量超标。因此， 有效地控制污 染物排放， 加大土壤环境质量保护力度， 对于科学 处理城市发展与环境保护、 推动地方经济持续发展 具有重要意义。 7参考文献 ［ 1］Manta D S，Angelone M，Bellanca A，et al． Heavy Metals in Urban Soils A Case Study from the City of Palermo Sicily ，Italy［ J］ ． The Science of Total Envi- ronment， 2002， 300 229 －243． ［ 2］ Thuy H T T，Tobschall H J，An P V，et al． Distribution of Heavy Metals in Urban SoilA Case Study of Danang- Hoian Area Vietnam ［J］ ． Environmental Geology， 2000， 39 6 602 －609． ［ 3］ 安徽省地质矿产局． 安徽省区域地质志［M］ ． 北京 地质出版社， 1987 192 －200． ［ 4］ 安徽省土壤普查办公室． 安徽土壤［M］ ． 北京 科学 出版社， 1996 70 －81． ［ 5］中国地质调查局． DD 200501， 多目标区域地球 化学调查规范［ S］ ． ［ 6］ 中国地质调查局． DD 200503， 生态地球化学评价 样品分析技术要求［ S］ ． ［ 7］国家环境保护局南京环境科学研究所． 土壤环境 质量详解［ M］ ． 北京 中国环境科学出版社， 1996 23 －29． ［ 8］合肥市环保局． 2001 － 2005 年安徽省合肥市环境 质量报告书［ R］ ． 2006 51 －71． ［ 9］GB 18406． 12001， 农产品安全质量无公害蔬菜 安全要求［ S］ 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 檪檪檪 檪檪 檪檪檪 檪檪 殏 殏 殏 殏 ． 书讯中国生态环境地球化学图集 中国生态环境地球化学图集 是由国土资源部 原地质矿产部 、 卫生部、 中国科学院三个部门下属 15 个单位联合开展的国家科委科技攻关项目的成果之一， 由李家熙、 吴功建教授主编。 该图集由 107 幅小比例尺 1 ∶ 1200 万、 1 ∶ 1800 万和 1 ∶ 2500 万 图组成， 主要图类有元素地球化学 图 48 幅 、 水文地球化学图 6 幅 、 土壤地球化学图 12 幅 、 人体生命元素地球化学图 24 幅 、 主要癌 症图 6 幅 等。它反映了元素通过水载体， 从岩石、 土壤经农作物到人体的整个迁移转化过程， 为广大从 事地学、 医学、 环境科学研究和教学的人员提供了较为完整、 翔实的生物环境地球化学方面的信息; 既可作 为宏观、 微观研究及规划的依据， 也能以其深邃的内在信息揭示潜在的环境问题。 该图集为 8 开本， 由地质出版社出版发行， 每册定价 450． 0 元; 需要者可与国家地质实验测试中心环 境地球化学研究室联系订购。 地址 北京西城区百万庄路 26 号国家地质实验测试中心 邮编 100037 联系人 刘晓端李奇 电话 010 －68320365; 010 －68999580 082 第 4 期 岩矿测试 http ∥ykcs． i3t． com． cn/ 2007 年 ChaoXing