人類強烈影響地區(qū)土壤與灰塵中重金屬的污染特征及風險評價.pdf

1、經(jīng)濟發(fā)展、人口膨脹及城市擴張極大地改變了我們賴以生存的自然環(huán)境，增加了對生態(tài)環(huán)境的污染。其中，重金屬污染因其具有潛伏性、持久性、不可逆性和難修復性等特點，受到人們廣泛關注。人為因素已被認為是土壤和灰塵中重金屬污染的主要來源，但人類活動對土壤和灰塵等環(huán)境要素的重金屬污染的具體影響機制仍有待研究。為深入了解人類活動影響土壤和灰塵重金屬積累的內在機制，本論文以杭州市城區(qū)、杭州市城郊和杭州灣海積平原農(nóng)區(qū)為例，分別研究了城市、城郊和農(nóng)村人口密集區(qū)

2、的土壤重金屬污染特征;探討了人類土地利用進程中土壤重金屬含量的時間變化特征，剖析了城市環(huán)境中灰塵重金屬的污染特性及其與區(qū)域土壤重金屬污染的關系。同時，以磷肥施用為例，分析了農(nóng)業(yè)活動對土壤重金屬環(huán)境污染行為的影響機制;并通過對三個區(qū)域的污染源、污染特點、污染強度等對比分析，探討了不同強度人類活動對土壤和灰塵重金屬污染的影響差異。論文對人類活動影響土壤和灰塵重金屬積累的機制進行了較深入的分析，對指導區(qū)域環(huán)境污染控制具有一定的理論和現(xiàn)實意義。

3、研究獲得的主要結論如下:
　　1.城市、城郊和農(nóng)村人口密集區(qū)土壤重金屬污染特征及生態(tài)風險
　　通過科學布點，在杭州市城區(qū)、杭州市城郊和杭州灣海積平原農(nóng)區(qū)分別采集50個、87個、66個土壤樣品，進行土壤基本理化性質和重金屬(Pb、Cd、Cu、Zn、Cr)全量分析;運用地積累指數(shù)法、污染負荷指數(shù)法、健康風險評價等方法進行生態(tài)風險評價和人體健康風險評價;采用相關分析、正交矩陣因子分析等方法進行土壤重金屬源解析。研究表明，城市、城郊

4、和農(nóng)村人口密集區(qū)土壤Pb、Cd、Cu、Zn均存在不同程度的富集和人為擾動，但Cr的富集和人為擾動不明顯。因土地利用的差異，土壤重金屬對環(huán)境安全和人體健康的風險水平與其污染程度并不完全一致。研究區(qū)城市土壤重金屬含量雖然高，但其對人體尚未產(chǎn)生致癌風險(CR=8.59E-07)。土壤Cd、Cu、Zn對人體均不產(chǎn)生非致癌風險，部分地區(qū)土壤Pb和Cr對人體存在非致癌風險。土壤重金屬對人體致癌和非致癌風險都以“經(jīng)口攝入”為主要暴露途徑，兒童是高風險

5、人群。城郊和農(nóng)村人口密集區(qū)農(nóng)地土壤生態(tài)風險較小，基本能滿足無公害作物生長環(huán)境要求，但需要特別重視工業(yè)基地附近的Pb、Cd污染和經(jīng)濟作物種植基地的Cu、Zn污染。
　　2.不同強度人類活動對土壤重金屬污染的影響差異
　　采用經(jīng)典統(tǒng)計學、地統(tǒng)計學和地理信息系統(tǒng)等方法對城市-城郊-農(nóng)村人口密集區(qū)土壤重金屬積累特性進行分析和對比。結果表明，從城市、城郊到農(nóng)村人口密集區(qū)，土壤重金屬含量和變異程度總體上隨著人類影響強度而梯度遞減。其中，

6、土壤Pb、Cd含量受人類強度影響比較明顯;Cu和Zn含量受到一定程度的人類強度影響，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式對其影響更為突出;Cr含量基本不受人類強度影響，但與工業(yè)生產(chǎn)有一定關系。不同區(qū)域環(huán)境下人類活動影響土壤重金屬積累的機制有所不同。城市土壤重金屬含量主要受到土地利用類型、行政區(qū)劃等因素影響，工業(yè)排放和交通運輸是其主要來源;城郊農(nóng)業(yè)土壤重金屬含量受到距離市區(qū)遠近、距離污染源位置、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式等因素影響，大氣沉降、污灌、自然來源、農(nóng)用物資等是其主要

7、來源;農(nóng)村人口密集區(qū)農(nóng)地土壤重金屬含量則主要與土壤利用時間、區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水平等有關。
　　3.耕地利用進程中土壤重金屬含量的時間變化特征
　　針對杭州灣農(nóng)村人口密集區(qū)，采用空間代替時間的方法，探索了近1000年來土壤重金屬累積的時間變化規(guī)律，并分析了這一區(qū)域土壤污染的主要原因。結果表明，研究區(qū)耕地土壤重金屬含量基本隨土地利用時間的增加而增加。土壤重金屬含量的增加一方面源于農(nóng)業(yè)土壤自然演變，另一方面源于人類經(jīng)濟社會發(fā)展引起的污

8、染源和污染程度的改變。土壤重金屬年累積速率隨著區(qū)域城鎮(zhèn)化和社會經(jīng)濟發(fā)展速度加快而逐漸加快，1952年和1995年都是比較明顯的轉折點。土壤5種重金屬含量在最近50年里的增加值都超過或約等于其在1952年之前1000午里的增加值之和。1995年后土壤重金屬的年累積速率已達到歷史最高水平。
　　4.過量施用磷肥對土壤重金屬環(huán)境污染行為的影響機制
　　為了解過量施用磷肥對土壤重金屬環(huán)境污染行為的影響機制，在實驗條件下評估過量施用磷

9、肥對土壤重金屬遷移性的影響，并通過觀測淋洗液酸堿性(pH)、電導率(EC)、溶解性有機碳(DOC)等參數(shù)的變化來探索施用磷肥影響土壤重金屬遷移的反應機理。結果表明，過量添加磷能夠增加土壤中Cu、Cd、Zn等重金屬元素的垂直遷移，并證實了土壤DOC在Cu、 Cd和Zn遷移中的關鍵作用。與之相反，淋洗液中Pb濃度與DOC濃度呈負相關，并隨著磷水平的提高而減少。高水平磷處理下，土壤淋洗液中Cu、Cd和Zn濃度的增加，與金屬-DOM配合體的形成

10、緊密相關。而土壤淋洗液中Pb濃度的降低，可能由不可溶鉛-磷結合體的形成所致。
　　5.城市環(huán)境中灰塵重金屬的污染特性
　　在杭州市工業(yè)區(qū)、商服區(qū)、住宅區(qū)、風景旅游區(qū)及城郊農(nóng)居點各設5個采樣點作為室外灰塵樣，并在每個采樣點附近的居民房屋內采集一個室內灰塵樣。結果表明，室內外灰塵中Pb、Cd、Cu、Zn均有較明顯的富集和人為擾動，而Cr富集和擾動不明顯。室內外灰塵中重金屬積累的相關性和相似性源于二者之間的相互傳播。室內灰塵重金屬

11、污染程度總體高于室外，其對人體的健康風險也總體高于室外。室內灰塵Cd、Pb對人體尤其是兒童產(chǎn)生的致癌風險和非致癌風險需引起特別重視。易流失性試驗中，Pb、Cu、Cd、Zn在沉積物相中的比例平均分別為99.07％、95.65％、98.26％、98.89％，溶解態(tài)的比例平均在0.5％以下。說明室外地表灰塵中的重金屬隨降雨形成徑流遷移，大多數(shù)經(jīng)短距離搬遷后積累在城市周圍的水體沉積物中，僅少部分以溶解態(tài)或懸浮態(tài)發(fā)生遠距離遷移。但當灰塵被人體吸入

12、體內后，有較高比例(＞12％)重金屬可在胃酸環(huán)境下溶解，從而危害人體健康。
　　對城市灰塵和附近土壤重金屬污染特性進行對比發(fā)現(xiàn)，在同一區(qū)域環(huán)境和人類影響強度下，城市灰塵和城市土壤主要污染元素基本一致，均以Pb、Cd、Cu、Zn污染為主，Cr污染不明顯。土壤和灰塵Pb、Cd、Cu、Zn的分布規(guī)律總體上表現(xiàn)為:工業(yè)區(qū)、商服區(qū)＞風景旅游區(qū)、住宅區(qū)＞城郊，Cr在工業(yè)區(qū)含量最高。城市灰塵重金屬含量總體高于土壤，其環(huán)境生態(tài)風險和人體健康風險也