北京市土壤和粉塵中重金屬含量的調(diào)查

北京市土壤和粉塵中重金屬含量的調(diào)查

城市土壤是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。它的有害物質(zhì)影響著城市的環(huán)境質(zhì)量和人類的健康。與農(nóng)業(yè)土壤不同,城市土壤和灰塵中的重金屬雖不會直接污染食物鏈,但仍可通過呼吸、吞食和皮膚吸收等途徑進入人體,直接對人特別是對兒童健康造成危害。兒童血鉛含量對智力、行為、感覺統(tǒng)合發(fā)育、學(xué)習(xí)成績的影響存在明顯的“劑量-效應(yīng)”關(guān)系。1999年對北京城區(qū)、郊縣178名1～6歲兒童血鉛調(diào)查結(jié)果顯示,兒童血鉛≥0.483μmol/L的樣本占54.5%,研究表明城市土壤和塵埃中的Pb污染仍在繼續(xù)危害兒童健康。除Pb外,其他重金屬也可通過無意吸食等途徑進入人體內(nèi),導(dǎo)致健康風(fēng)險。對包括Zn、Cd等在內(nèi)的重金屬的過度暴露同樣會導(dǎo)致兒童認(rèn)知不全、輕度癡呆等中樞神經(jīng)系統(tǒng)紊亂。受工業(yè)、交通等頻繁人類活動的影響,城市表層土壤和灰塵通常存在重金屬積累現(xiàn)象。國內(nèi)外針對城市土壤與灰塵中重金屬的累積已經(jīng)開展了一些工作,如研究顯示,蘇格蘭亞伯丁城區(qū)土壤Pb富集明顯;美國新奧爾良含Pb漆和含Pb汽油的使用是城市土壤Pb的主要來源;我國香港城區(qū)土壤Pb平均值為88.1mg/kg,超過荷蘭土壤標(biāo)準(zhǔn)限值;南京市礦冶區(qū)Pb、Cd積累嚴(yán)重;長春市城市土壤Cu、Pb污染,公園土壤列居首位。上海市區(qū)街道灰塵中Pb含量為28～4443mg/kg,平均值為264mg/kg;紐約城區(qū)214個灰塵樣品Pb濃度超過EPA標(biāo)準(zhǔn)的樣本超標(biāo)率為86%。這些研究一定程度上揭示了城市土壤及灰塵中的重金屬累積現(xiàn)狀,并在重金屬空間分布特征和來源研究方面取得了不少成就。目前對地表環(huán)境重金屬研究的主要熱點集中在:在了解整個城市地表環(huán)境重金屬累積現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,重點關(guān)注工業(yè)、商貿(mào)和公園等重點累積區(qū)域的重金屬累積現(xiàn)狀,并進行相關(guān)索源研究和生態(tài)風(fēng)險評估,而對一些特殊區(qū)域關(guān)注不夠,特別是對這些特殊區(qū)域地表環(huán)境重金屬導(dǎo)致的健康風(fēng)險的關(guān)注尤為薄弱。北京是我國的政治文化中心,又是人口密集的大都市,市內(nèi)商業(yè)區(qū)密集,交通流量大,其城市環(huán)境質(zhì)量受到廣泛關(guān)注。城市廣場和校園是城市中人群密集的場所,活動者多為容易受到重金屬污染危害的老人與兒童。本文以北京市城市廣場和校園為對象,研究其土壤及灰塵的重金屬含量和健康風(fēng)險,為評估城市環(huán)境質(zhì)量提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1采樣點樣點設(shè)置2008年,從北京市17個中學(xué)校園和13個城市廣場采集土壤及相應(yīng)灰塵樣品各30個。中學(xué)校園采樣點包括北京市重點高中、高校附中和民辦中學(xué)等不同規(guī)模的中學(xué)。城市廣場包括天安門廣場、西單文化廣場和中關(guān)村廣場等市區(qū)主要休閑廣場。采樣區(qū)域覆蓋北京市中心城區(qū)(外至五環(huán)路周邊),其中2個樣點位于2環(huán)路內(nèi),其余環(huán)路內(nèi)樣點分布基本均勻(圖1)。采集的土壤為當(dāng)?shù)氐耐寥阑虺^二年的客土。采集土壤多為綠化帶土壤,采樣深度0～5cm。在城市廣場,選取活動人群較多的地點,作為采樣點,樣品由采樣點5m×5m的正方形4個頂點和中心點共5處樣品混合而成,對于某些狹長的地點,則每隔5m采一個樣,共采5個分樣混合而成。中學(xué)校園土壤采集主要為操場或教學(xué)樓附近土壤,也由每隔約5m的5個分樣混合成一個樣品。土壤樣品去除雜物后風(fēng)干,過1mm尼龍篩,用瑪瑙研磨機研磨后過100目尼龍篩。為考察灰塵與土壤物質(zhì)組成的相關(guān)性,在離土壤取樣點最近的水泥地面,用毛刷掃取灰塵,5個分樣混合成一個總樣,帶回實驗室后過150目篩。1.2as與cd的測定方法土壤和灰塵樣品采用密閉式微波爐(MARS5,CEM)消解。原子吸收光譜法(AnalyticJena,Vario6.0)測定Cu、Pb、Zn、Ni濃度,氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法(北京海光儀器公司,AFS2202)測定As濃度,ICP-MS(PerkinElmerSCIEXELANDRC-e)測定Cd濃度。樣品分析過程中插入國家土壤標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)(GSS-4)進行質(zhì)量控制。分析過程使用試劑均為優(yōu)級純,用水均為超純水。1.3北京市土壤和石灰重金屬累積現(xiàn)狀數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用SPSS中的參數(shù)方法。數(shù)據(jù)正態(tài)分布檢驗采用SPSS中K-S檢驗法,若PK-S>0.05,表示樣本呈正態(tài)分布。差異、相關(guān)分析前,已確保數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布。為評價土壤和灰塵重金屬累積現(xiàn)狀,以北京市土壤重金屬背景值為基準(zhǔn),累積指數(shù)按下式計算:Ii=CiCj(1)Ιi=CiCj(1)式中,Ii為元素累積指數(shù),Ci為重金屬符合正態(tài)分布的平均濃度,Cj為對應(yīng)元素北京市土壤背景值。i表示As、Cd、Cu、Ni、Pb和Zn6種元素。從灰塵中無意攝入重金屬總量的計算公式如下:M攝入=Q×CD(2)式中,M攝入為人群從灰塵中攝入某重金屬的量(mg/人·d);Q為人群每日無意攝入灰塵量(kg/人·d);CD為灰塵中某重金屬的平均濃度(mg/kg)。2結(jié)果與討論2.1北京市需求結(jié)構(gòu)和產(chǎn)污人員重金屬含量調(diào)查的土壤及地表灰塵重金屬含量符合正態(tài)分布(PK-S>0.05)。土壤中As、Cu、Pb、Zn的均值分別為7.60mg/kg、26.6mg/kg、28.9mg/kg和75.4mg/kg(表1),顯著高于北京市土壤元素背景值,超過背景值的樣本比率分別為67%、83%、73%和83%;Cd、Ni的均值0.203mg/kg和25.6mg/kg,與土壤背景值沒有顯著性差異,超過背景值的樣本比率為53%和37%。土壤中As、Cd和Ni均值相對于背景值的累積指數(shù)接近1.00,說明土壤中此三種元素累積不明顯;Cu、Zn和Pb累積指數(shù)分別為1.42、1.31和1.17,表明存在一定的累積,其中Cu的累積相對最重。與北京市相應(yīng)的土壤重金屬背景值比較,灰塵中的Ni沒有顯著性差異(P=0.336),As、Cd、Cu、Pb和Zn顯著高于背景值(P=0.000)。Ni、As超過土壤背景值的樣本比率分別為57%、63%,Cd、Cu、Pb和Zn超過土壤背景值的樣本比率均為100%。相對于北京市土壤背景值,灰塵中Ni、As無明顯累積,Cd、Cu、Pb和Zn累積較重,累積指數(shù)分別為3.84、2.90、2.40和4.23。與土壤重金屬背景值相比,土壤中Cu、Pb、Zn含量偏高,灰塵中除這三種元素含量偏高外,Cd也偏離背景值較遠(yuǎn),且Cu、Pb、Zn和Cd顯著高于土壤(表1),說明灰塵重金屬積累重于土壤,這與大多數(shù)研究結(jié)果一致。土壤和灰塵中對應(yīng)元素相關(guān)性檢驗結(jié)果顯示,兩介質(zhì)中Zn(P=0.011)、Ni(P=0.037)顯著相關(guān),說明灰塵中Zn、Ni與土壤來源類似,而As、Cu、Pb和Cd不相關(guān)則表明土壤與灰塵中此四種元素的來源存在一定差異。城市街道灰塵重金屬來源較為復(fù)雜。西安城市灰塵Cu、Pb、Zn來自工業(yè)污染源,Pb、Zn同時還來自交通活動。Zn是輪胎硬化劑的材料,香港主干道灰塵高含量的Zn源于高溫下輪胎的磨損。本次研究區(qū)域為城市廣場和中學(xué)校園,周圍工業(yè)活動較少,但研究地點大多臨近街道,因此推斷Cu、Pb、Zn等重金屬濃度偏高主要源于交通活動和大氣沉降。劉春華等研究也表明北京市街道灰塵的重金屬來源主要為交通排放。機動車輛直接排放的顆粒物及車輛行駛引起的二次揚塵,是公路灰塵和土壤中重金屬含量增加的重要因素。雖然無Pb汽油的使用減輕了交通活動中鉛的排放,但過去滯留在土壤中的Pb隨著微小顆粒物的揚起又沉降仍然會影響街道灰塵中Pb的累積。2.2道路環(huán)境對土壤重金屬分布的影響城市廣場和中學(xué)校園表土和灰塵中重金屬含量數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布。兩環(huán)境中土壤重金屬含量總體差異不顯著,僅中學(xué)校園的表土重金屬Ni顯著高于城市廣場(P=0.010);而兩者之間灰塵重金屬含量差異較大(表2),中學(xué)校園灰塵中Ni、Pb和Zn平均值為29.9mg/kg、69.4mg/kg和301mg/kg,顯著高于城市廣場,特別是Pb和Zn,平均值分別是城市廣場的1.53倍和1.80倍。針對北京市不同土地利用方式下土壤重金屬分布的研究發(fā)現(xiàn),公路兩側(cè)土壤受交通污染的影響明顯。本次調(diào)查中部分學(xué)校布在道路兩旁,學(xué)校與道路之間沒有明顯的綠化隔離帶,而城市廣場雖然多在市區(qū),但周圍樹木、草坪占地比例較大,綠化遮擋物對來自周圍的污染源及大氣沉降有一定的屏蔽作用。另外,本次調(diào)查中,在主城區(qū)三環(huán)以內(nèi),中學(xué)樣本數(shù)有6個,而城市廣場樣本數(shù)僅2個,城中心街道灰塵重金屬含量明顯高于外圍也是本次研究中中學(xué)灰塵普遍高于城市廣場的原因之一。2.3地表1/4含量與鄉(xiāng)村環(huán)境相比,城區(qū)土壤Cu、Pb、Zn和Cd積累明顯。本研究顯示研究區(qū)灰塵中此四種元素含量顯著高于土壤。表3列出了不同城市和國家地表灰塵中四種重金屬的含量。因粒徑不同,灰塵中重金屬分布可能存在差異,因而只列舉與本研究樣品粒徑相近的數(shù)據(jù)進行比較。北京市城市廣場和中學(xué)校園地表灰塵重金屬含量與國內(nèi)城市相比(表3),Cu、Pb和Zn僅為上海市地表灰塵的0.36倍、0.35倍和0.48倍。Cd、Cu、Pb僅為杭州市地表灰塵的0.39倍、0.36倍、0.24倍,兩地之間Zn差異不大。與國外城市相比,除Cu略高于羅安達(dá)外,其余各元素均明顯低于其他國家地表對應(yīng)元素含量。北京市中學(xué)校園和城市廣場地表灰塵的重金屬含量明顯低于國內(nèi)外其他城市,這部分受采樣范圍和采樣點位置不同的影響。本次采樣只針對城市廣場和中學(xué)校園兩個特定區(qū)域進行采樣,沒有涉及城市中諸多的商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)及其他功能區(qū),受工業(yè)排放影響較少,另外采樣點綠化植物對沉降的遮擋和過濾液可能是當(dāng)?shù)鼗覊m重金屬含量較低的原因之一。2.4地表石灰污染風(fēng)險分析地表灰塵由于人為作用一般在0m～5m的高度揚起—沉降—揚起,人體高度和各種活動一般在此范圍,因此,地表灰塵中有毒物質(zhì)容易對人體健康造成潛在危害。研究證明,空氣動力學(xué)直徑≤100um或稍大的顆粒最易被人體嘴、鼻吸入。本研究檢測的粒徑≤100um的灰塵中重金屬含量,中學(xué)校園顯著高于城市廣場。因考慮中學(xué)生在校時間較長,又處于生長期,活動量大,中學(xué)生受到來自地表灰塵的危害明顯高于城市廣場活動人群,故本文對中學(xué)生進行灰塵重金屬攝入的健康風(fēng)險評估。我國13歲～19歲年齡組男女平均體重為53.2kg,參照宋波土壤中污染物無意攝取相關(guān)參數(shù),以中學(xué)生每日塵土攝取200mg/d為基礎(chǔ),估算中學(xué)生因灰塵導(dǎo)致的重金屬攝入量。北京市中學(xué)生源于地表灰塵的重金屬As、Cd、Cu、Ni、Pb和Zn攝入量占ADI(日允許攝入量)值的比例不高(表4)。Pb攝入量占ADI值的7.37%,其余5種元素攝入量占ADI值的比例均小于2%。與源于蔬菜和小麥的重金屬攝入量相比,除Pb外,As、Cd、Cu、Ni和Zn攝入量都遠(yuǎn)低于以上兩種食物導(dǎo)致的重金屬攝入量。Pb對人類健康的危害很大,Pb的連續(xù)暴露會影響兒童的神經(jīng)行為和智力發(fā)育?；覊m中Pb積累明顯:紐約城區(qū)214個灰塵樣品Pb濃度超過USEPA標(biāo)準(zhǔn)的樣本超標(biāo)率為86%;上海市區(qū)街道灰塵中Pb含量為28mg/kg～4443mg/kg,平均值為264mg/kg。北京市中學(xué)校園灰塵Pb遠(yuǎn)低于上述水平,雖然北京市中學(xué)生源于地表灰塵的Pb攝入量已接近蔬菜引起的攝入量(灰塵日均攝入Pb為蔬菜的82.4%,圖2),但也僅占ADI值7.37%,因而學(xué)?；覊m攝入沒有導(dǎo)致明顯的健康風(fēng)險。3土壤重金屬含量北京市城市廣場及中學(xué)校園土壤及地表灰塵Cu、Pb、Zn含量顯著高于北京市土壤重金屬背景值;土壤中Cu、Pb和Zn存在一定積累,灰塵中Cd、Cu、Pb和Zn積累較重。Cd、Cu、Pb和Zn超過土