典型旅游城市Cd的环境地球化学研究 ——以杭州市为例

论文摘要

本研究以典型旅游城市杭州市为例,研究城市环境中Cd元素的环境地球化学特征,选择城市环境中的城市绿地土、街道尘埃和水-底泥样品为研究对象,为城市环境进行一次全面“体检”,分析了城市多介质中Cd的空间分布特征,探讨了介质中Cd背景情况,利用多元统计分析的因子分析法获知介质中元素组合特征和物源性,分析了土尘介质中Cd的化学形态特征,并以苔藓作为环境指示剂研究了地表大气环境中Cd的生物可利用性。最后以杭州市的农业活动为研究对象,研究蔬菜根系土和蔬菜的Cd含量特征和联系。通过如上分析,得出以下几点认识：1.城市各环境介质中Cd的含量特征和背景值研究等表明,杭州市不同区域均出现一定程度的Cd污染超标。城市表层绿地土（0-20cm）Cd的含量：江南城区（0.11mg/kg）<主城区（0.18 mg/kg）<半山区（0.21mg/kg）,其中位于主城区的西湖风景区为：0.12mg/kg;街道尘埃：主城区（1.53mg/kg）<江南城区（2.00mg/kg）<半山区（2.11mg/kg）,西湖风景区为1.11mg/kg;水样：江南城区（0.0002mg/L）<主城区（0.0003 mg/L）<半山区（0.0020 mg/L）,底泥：江南城区（0.37 mg/kg）<主城区（0.65 mg/kg）<半山区（1.15 mg/kg）。城市蔬菜根系土耕作层（0-20cm）：Cd含量的均值表现为江南城区（0.13mg/kg）、主城区（0.19mg/kg）、半山区（0.29mg/kg）依次上升。三个区多种介质Cd含量均大致表现为：江南城区<主城区<半山区。根据国家土壤环境质量二级标准（0.3mg/kg）和地表水环境质量Ⅰ级标准（0.001mg/L）来衡量介质的污染超标情况,江南城区：绿地土和水样介质超标率为0%,底泥超标34.7%。主城区：绿地土浅层和深层超标率12.31%和9.24%,水样超标率1.8%,底泥超标率47.2%。半山区：绿地土浅层和深层超标率13.95%和9.3%,水样超标73%（其中9.5%超Ⅳ类水标准,包括7.1%的超V类水标准,此两类超过了农田灌溉水质标准限值0.005mg/L）,底泥超标率50%。街道尘埃的Cd含量全部超过土壤环境质量标准,但Cd含量在江南城区、主城区和半山区依次上升。相比而言,街道尘埃、底泥和半山区的水样污染情况较严重。对于蔬菜根系土,依照国家土壤质量标准值0.30mg/kg为参照依据,江南城区表层和深层土壤超标率均为0%；主城区表层超标率为0%,深层超标率为6.7%；半山区表层超标22.2%,深层超标率为5.6%,且均低于三类土壤标准（1.0mg/kg）.研究得出杭州市绿地土Cd元素自然背景值为0.10mg/kg,底泥自然背景为0.14mg/kg,街道尘埃背景值为1.39mg/kg。西湖风景区绿地土Cd含量（0.12mg/kg）与杭州市沉积母质Cd含量（0.12mg/kg）、城市绿地土自然背景值（0.10mg/kg）较为相近,且西湖区街尘Cd含量（1.11mg/kg）与所得街尘背景值（1.39mg/kg）亦接近。这说明绿地土和底泥母质与沉积母质来源一致,西湖风景区可能与原始特征接近,受到人为污染相对最少。街道尘埃中的Cd含量具备高含量可能是一个普遍现象,与世界多个城市的对比发现,杭州市的街尘Cd污染相对尚轻,Cd含量特征可能与城市的发展背景有关。2.由所得自然背景值和沉积母质Cd含量可知,第一环境所产生的Cd元素未超过国家土壤质量标准,不会造成自然污染,因而杭州市的Cd污染主要是由第二环境人为产物释放叠加致超标所致。绿地土和底泥中外来Cd的多少主要直接与所处环境有关,在半山区受人为影响最大,主城区次之,江南城区相对最低。对于街尘而言,由于其超细的粒径特征（<0.75μm）,较易通过交通、风力等作用在空气中再悬浮而出现二次迁移,在动力环境相对较低的环境下沉降,形成Cd含量再分配的现象,结果导致街尘Cd含量大致表现为：厂区>居民区≈公园>交通区≈商业区>风景区。因子分析和背景值计算结果表明,杭州市街尘和底泥中Cd元素受到人为干扰较大,绿地土次之,而介质中外来Cd的来源可能与工厂作业和交通相关的活动等有关。3.由街道尘埃、底泥和蔬菜根系土中Cd的化学形态可知,街道尘埃中可活动态(非残渣态(Cd约占88%,底泥中约85%,蔬菜根系土则约为87.5%。这其中弱酸可提取态Cd在底泥中的百分含量最高,占全量约53%,蔬菜根系土为42%,街道尘埃为38%。这表明城市环境介质中Cd的化学活性较强,向食物链转移的潜在危害较大。在半山区的水体-底泥Cd含量关系中也说明半山区的底泥Cd有极高的化学活性。4.苔藓和蔬菜中的Cd含量分析结果表明,环境中Cd已经产生了现实危害性,全区苔藓和蔬菜中均出现不同程度的Cd负荷。苔藓中Cd含量：主城区（1.02mg/kg）>江南城区（0.90mg/kg）>半山区（0.77mg/kg）。其含量与环境特征关系较大：公园社区>交通区≈商业区>居民区>厂区>风景区,反映了近地表空间的大气环境质量,与街尘Cd的分布较为一致,均与周围动力环境等因素有关。相关性分析也表明,厂区苔藓Cd含量较低与厂区街尘弱酸提取态Cd含量较低有关。在不同种蔬菜中叶菜类（0.22mg/kg）>根茎类（0.18mg/kg）>瓜果类（0.17mg/kg）,其可能表明瓜果类、根茎类和叶菜类蔬菜吸收土壤Cd的能力依次增强。叶菜类蔬菜Cd含量表现为：江南城区（0.29mg/kg）>半山区（0.22 mg/kg）>主城区（0.17 mg/kg）,根据国家食品卫生标准Cd的限值规定,江南城区叶菜类超标77.8%,平均超标1.7倍,最高超标3.5倍。主城区叶菜类超标25%,平均超标1.23倍,最高超标1.3倍。半山区叶菜类超标35.3%,平均超标2.5倍,最高超标4.1倍；根茎类超标55.6%,平均超标2.8倍,最高超标5.5倍；瓜果类超标54.5%,平均超标5.7倍,最高超标12.8倍。这表明杭州市蔬菜均存在一定程度的Cd污染,情况较严峻。对比分析蔬菜中Cd含量与根系土中Cd含量以及根系土中Cd的化学形态分量的相关性均不明显,这说明除了根系土中Cd的化学活性外,植物对土壤中Cd的吸收可能还与植物的基因等因素有关。

论文目录

• 作者简介
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 镉（Cd）元素简介
• 1.1.1 镉的物理化学性质
• 1.1.2 镉的发现与应用
• §1.2 Cd的毒性与地球化学特征
• 1.2.1 镉的生物毒性
• 1.2.2 镉的地球化学特征与研究
• §1.3 论文选题与意义
• 1.3.1 选题项目背景
• 1.3.2 选题意义
• 第二章 区域概括与研究方法
• §2.1 研究区区域概况
• 2.1.1 区域与地质背景
• 2.1.1 研究区区域环境特点
• §2.2 研究方法
• 2.2.1 研究系统
• 2.2.2 样品采集与前处理
• 2.2.3 样品测试与分析
• 第三章 重金属Cd的空间分布
• §3.1 镉元素在不同介质中的空间分布
• 3.1.1 城市绿地土中Cd的空间展布
• 3.1.2 街道尘埃中Cd的含量特征
• 3.1.3 水体、底泥中Cd的含量特征
• §3.2 环境介质Cd污染源分布的对比
• 第四章 环境介质中Cd的地球化学特征
• §4.1 环境介质的Cd地球化学背景
• 4.1.1 城市绿地土Cd元素背景特征
• 4.1.2 街道尘埃中Cd元素背景特征
• 4.1.3 底泥中Cd元素背景特征
• §4.2 环境介质元素地球化学组成特征
• 4.2.1 城市绿地土地球化学组合特征
• 4.2.2 街道尘埃地球化学组合特征
• 4.2.3 水体底泥地球化学组合特征
• 第五章 重金属的化学形态与生物有效性
• §5.1 环境介质中Cd的化学形态分析
• 5.1.1 街道尘埃中Cd的化学形态特征
• 5.1.2 水体底泥中Cd的化学形态特征
• §5.2 Cd元素的生物有效性
• 第六章 城市农业Cd的污染现状
• §6.1 农用土的Cd含量与形态特征
• 6.1.1 蔬菜根系土Cd的含量
• 6.1.2 蔬菜根系土Cd的化学形态特征
• §6.2 蔬菜中的Cd含量
• 第七章 总结
• 致谢
• 参考文献