土壤污染与大气污染和水污染不同, 具有不可逆性、长期性、隐蔽性和滞后性, 且不易在生物物质循环和能量交换中分解(Li et al., 1991)。当有毒物质的积累超出土壤的承受能力或环境条件发生变化时, 有毒物质可能会突然活化, 严重危害环境, 因而有“化学定时炸弹”的说法(陈杰, 2002)。国外对土壤重金属污染的报道最早可以追溯到19世纪50年代发生在日本的足尾铜山公害事件。当时日本出现了“水俣病”和“骨痛病”, 查明这是由于汞和镉污染所引起的公害之后, 重金属的污染才开始备受关注。在城市土壤重金属污染方面, 国外许多学者进行了探索。Bilos等(2001)研究认为, 城市中污染源较多, 城市绿地土壤-植物受重金属污染更为严重。有研究显示, 在特定地物(如建筑物等)周围, 土壤重金属的污染程度与该地物的建成时间(Pfeiffer et al., 1991)和位置(Albasel et al., 1985)有关; 另外, 人类活动越密集的地区重金属污染越严重(Wong et al., 1997)。工业化程度与城市土壤中重金属的含量密切相关(Madrid et al., 2002)。我国土壤重金属污染的研究主要集中农田土壤污染对粮食产量和质量的影响(中国农业持续发展和综合生产力研究组, 1995)、城市近郊菜区土壤及蔬菜重金属污染(付玉华等, 1999)、城市生活污水和工业污水浇灌造成的城市土壤重金属污染(冯启言等, 2004; 梁涛等, 2005)以及公路两边土壤重金属污染(徐永洲等, 2002)等方面。近几年相继在北京、广州、沈阳、南京等大城市开展了城市土壤重金属污染方面的研究, 但是大多是针对城郊的土壤-蔬菜系统之间的研究(郑袁明等, 2002), 而对城市绿地土壤重金属污染研究较少。为了揭示哈尔滨市绿地土壤重金属污染的现状, 找出哈尔滨市主要的重金属污染因子及其污染途径, 本文对哈尔滨市5个绿地功能区土壤重金属进行研究, 揭示哈尔滨市区土壤重金属污染状况, 并进行综合评价。

1 材料与方法 1.1 研究地区自然概况

哈尔滨地处松嫩平原, 45° 20′—46° 20′ N、126° 15′—127° 30′ E。东南临张广才岭支脉丘陵, 北部为小兴安岭山区, 中部有松花江通过。哈尔滨市区主要分布在松花江形成的三级阶地上, 哈尔滨由东南向西北倾斜, 地域平坦, 平均海拔151 m。地处中温带, 属大陆性季风气候, 四季分明, 冬季长, 春秋两季短, 年均气温为3.6 ℃; 夏季高温多雨, 降雨量约为600 mm, 雨量集中在7—9月。地带性土壤为黑土, 有机质含量为30 ~ 80 g·kg^-1, 全氮含量为2 ~ 9 g·kg^-1, 全磷含量为0.8 ~ 3 g·kg^-1, 全钾含量为20 ~ 30 g·kg^-1, 碱解氮平均含量为148 μg·kg^-1, 速效磷平均含量为15 μg·kg^-1, 速效钾平均含量为227 μg·kg^-1。黑土呈中性至微酸性。

1.2 采样点设置、绿地划分与样品采集

按照绿地划分方法, 把哈尔滨市绿地划分为公共绿地、道路交通绿地、市郊农业区、生产绿地和居民绿地5个功能区(崔晓阳等, 2001), 共设置70个采样点。每个采样点在1 m范围内, 以梅花型布设5个样点(中间1点, 周围4点), 在各点处取表层0 ~ 15 cm的土壤, 装入塑料袋并充分混合(约1 kg)。采样点的具体设置和基本情况见表 1和表 2。

1.3 土壤样品测定方法

土壤样品用混合酸(浓HNO3:浓HCl =1: 3)消化。Cd用石墨炉原子吸收分光光度法; Pb、Cr用火焰原子吸收分光光度法; Hg用AFS-230型双道原子荧光分光光度计测定(中华人民共和国林业行业标准, 2000)。

1.4 土壤环境背景值

我国地域辽阔, 气候复杂多样, 跨越热带、亚热带、暖温带、寒温带等不同的气候带, 降水条件有很大差异, 不同地区的岩石构成也有区别。因此, 不同地区的土壤环境背景值含量有很大差异, 地理分异现象非常明显。

本次试验选择东北黑土(哈尔滨地区)和国家平均背景值作为评价哈尔滨市土壤重金属环境背景值(周启星等, 2004), 见表 3。

2 结果与分析 2.1 哈尔滨市绿地土壤重金属含量变化 2.1.1 土壤重金属全Cd含量的变化

镉(Cd)是严重污染性元素。镉对于生物体和人体来说是非必需的元素, 在清洁的环境中, 新生婴儿的体内几乎是无镉的。有研究表明, 土壤中的Cd大于0.5 mg·kg^-1时, 像菠菜、大豆等农作物会受到生理毒害(刘廷良等, 1996)。从表 4可以看出, 哈尔滨市土壤表层全Cd含量范围在0.03 ~ 0.41 mg·kg^-1, 最高点出现在样点22(红旗大街), 达0.41 mg·kg^-1; 含量最低点出现在样点66(植物园), 为0.03 mg·kg^-1。与国家土壤重金属镉的分级比较(中国标准出版社第二编辑室, 2000)可以看出, 土壤表层镉含量达一级标准的样品数占97.1 %, 达二级标准的样品数占2.9 %。土壤表层镉含量超出哈尔滨背景值(周启星等, 2004)的样品数占71.4 %, 超出国家背景值的样品数占68.6 %。说明哈尔滨市土壤表层镉含量相较于背景值已有污染, 而较大值都出现在交通绿地和距离道路较近的公共绿地。

土壤表层全镉含量公共绿地最高, 市郊农业区最低。含量排序是公共绿地>道路交通绿地>居住绿地>生产绿地>市郊农业区。哈尔滨市除了市周边工业区的电镀厂的大气飘尘污染之外, 由高含量镉出现的地理位置来看, 主要是由于摩托车用油燃烧和含有镉的轮胎与道路摩擦产生的粉尘(李天杰, 1996)。

2.1.2 土壤重金属全Hg含量的变化

从表 4可以看出, 哈尔滨市表层土壤汞含量范围为0.04 ~ 2.13 mg·kg^-1, 几个含汞最高点出现在样点4(动物园)和15(兆麟公园), 分别为2.13 mg·kg^-1和1.77 mg·kg^-1, 而兆麟公园土壤表层的汞含量平均为0.56 mg·kg^-1, 高出哈尔滨背景值30.4倍, 是国家背景值的56.1倍。最低点出现在样点65(植物园的五谷园), 为0.04 mg·kg^-1。与国家土壤重金属汞的分级比较, 土壤表层汞含量达一级标准的样品数占74.3 %, 达二级标准的样品数占15.7 %, 达三级标准的样品数占7.1 %, 超三级标准的样品数占2.9 %。与背景值相比, 土壤表层汞含量超出哈尔滨背景值和超出国家背景值的样品数100.0 %。说明哈尔滨市土壤表层汞含量已经有较大面积的污染。

土壤表层全汞含量公共绿地最高, 生产绿地最低。含量排序是公共绿地>居住绿地>道路交通绿地>市郊农业区>生产绿地。从调查结果来看, 大多都是出现在冬季举行冰灯节的公园(如兆麟公团), 与人们每年乱丢弃的几十亿只废旧荧光灯有关(Oimezi, 1997), 所以这些地点主要的污染源来自于荧光灯污染。

2.1.3 土壤重金属全Pb含量的变化

由表 4可看出, 哈尔滨市表层土壤铅含量范围为13.91 ~ 181.66 mg·kg^-1, 最高点出现在样点22(红旗大街)和样点55(母亲广场路边行道树下), 分别达181.66 mg·kg^-1和109.50 mg·kg^-1, 高出背景值7.1倍和4.3倍。最低点出现在样点47(哈平路旁距路较远的农田), 含量为13.91 mg·kg^-1。与国家土壤重金属铅的分级比较, 土壤表层铅含量达一级标准的样品数占78.4 %, 达二级标准的样品数占21.4 %。与背景值相比, 土壤表层铅含量超出哈尔滨背景值样品数达54.3 %, 超出国家背景值的样品数达58.6 %。

土壤表层全铅含量道路交通绿地最高, 市郊农业区最低。含量排序是道路交通绿地>公共绿地>居住绿地>生产绿地>市郊农业区。

土壤表层铅含量高的样点多数集中在道路交通绿地。这和倪建华等(1997)研究的汽车尾气使南通市2条主要交通道路周边绿地表层土壤含铅量明显升高的结果相一致。因此影响哈尔滨市土壤表层铅污染的污染源主要是汽车大量的含铅燃料的尾气的排放。

2.1.4 土壤重金属全Cr含量的变化

从表 4可看出, 哈尔滨市土壤表层的铬含量范围为32.40 ~ 63.50 mg·kg^-1, 最高点出现在样点22(红旗大街), 达63.5 mg·kg^-1, 最低点出现在样点67(东北林业大学实验林场), 为32.4 mg·kg^-1。与国家土壤重金属铬的分级比较土壤表层铬含量样点数全部达一级标准。与背景值相比, 土壤表层铬含量只有1个土壤样品超出哈尔滨背景值, 有2个土壤样点超出国家背景值。而变异系数为11.0 %, 说明哈尔滨市土壤表层的铬污染较轻, 几乎未受到污染。

土壤表层全铬含量市郊农业区最高, 生产绿地最低。含量排序是市郊农业区>公共绿地>道路交通绿地>居住绿地>生产绿地。

2.2 绿地土壤重金属污染评价 2.2.1 评价方法

土壤污染评价是土壤环境质量现状评价的核心部分, 主要包括单项(单因子)污染评价和多项(多因子)污染综合评价(李天杰, 1996; 刘廷良等, 1996)。

1) 单项污染指数法  以土壤单项污染物的实测值与评价标准相比, 用以表示土壤中该污染物的污染程度。即

式中: P_ij为第j个采样点i污染物的污染指数, C_ij为第j个采样点i污染物的实测值, S_i为i污染物的评价标准。

单项污染指数法≤1, 表示未受污染; >1表示已受污染, 值越大受污染越严重。

2) 综合污染指数法  综合污染指数法即为内梅罗指数法(N.C.Nemerow)

式中: P为第j个采样点的质量综合指数; P_ijMAX为第j个采样点i污染物所有单项污染指数中的最大值; P_ijAVE为第j个采样点i污染物所有单项污染指数中的平均值。具体土壤污染质量分级标准(李其林等, 2000)见表 5。

2.2.2 不同功能区单因子污染评价

以哈尔滨背景值和中国背景值作为评价标准, 计算单因子指数(表 6)。以哈尔滨背景值对比, 绿地表层重金属Hg污染最为突出, 5种功能区都超过3, 达到重污染; 土壤Cd和Pb单因子污染指数, 只有市郊农业区指数小于1, 可视为未污染。

从不同功能区土壤重金属污染水平对比分析结果来看, 土壤重金属Hg以公共绿地最为突出, 单因子污染指数达到10.18;铅污染以道路交通绿地较为严重; 土壤Cd污染, 以公共绿地较严重。

与国家背景值对比, 哈尔滨市绿地重金属污染也是以Hg污染最为突出, 达到重污染。土壤Cd单因子污染指数, 只有市郊农业区的指数小于1, 可视为未污染, 其他地区土壤单因子污染指数介于1 ~ 2之间, 为轻度污染; 土壤Pb除市郊农业区和生产绿地可视为未污染之外, 其他则可视为轻度污染。

不同功能区土壤重金属污染水平对比分析结果是:土壤重金属Hg以公共绿地最为突出, 单因子污染指数达到8.79;铅污染以道路交通绿地最为严重; 土壤Cd的污染, 以公共绿地较严重, 以市郊农业区未污染之外, 其他功能区污染差别不大。

2.2.3 不同功能区综合污染指数评价

综合污染指数选用内梅罗指数法(N. C. Nemerow), 兼顾了多种污染物的污染水平和某一种污染物的严重污染程度。从图 1来看, 与哈尔滨背景值和国家背景值对照得出的综合污染指数结果都是:公共绿地、道路交通绿地和居住绿地的综合指数结果都大于3, 属于严重污染; 市郊农业区和生产绿地都大于2, 属于中度污染。不同功能区绿地污染程度顺序为公共绿地>居住绿地>道路交通绿地>市郊农业区>生产绿地。开放的公共绿地污染最为严重。

3 结论与讨论

哈尔滨市绿地土壤汞污染最为严重, 其次是铅和镉, 铬污染较小。不同功能区土壤重金属污染程度不同, 其中镉和汞污染较重的是公共绿地, 铅污染较重的是道路交通绿地, 市郊农业区的铬含量相对较高。用综合污染评价方法土壤重金属污染由重到轻的顺序为:公共绿地>居住绿地>道路交通绿地>市郊农业区>生产绿地。

重金属在城市绿地土壤中分布规律表现为城市土壤重金属含量高于郊区, 人类活动密集区和交通拥挤区重金属含量较高。因此, 应采取预防与治理相结合措施综合控制土壤重金属污染。

由于大气干湿沉降是土壤重金属重要来源, 所以减少大气重金属含量也就有效地减少了城市重金属污染源。如:继续推行无铅汽油使用, 机动车Pb排放减少使城市大气中重金属含量减少(尤其是铅含量的减少), 从而也会有效地减少土壤重金属污染; 使用煤气或天然气等污染物会释放出多种重金属, 所以减少这些的使用量, 也是减少城市土壤重金属污染的有效措施。对于某些特殊用途的用品, 如含汞的荧光灯, 要小心进行使用和处理, 努力积极地寻找安全使用的替代品。