高爾夫球場不同草坪土壤重金屬的富集及分析-以東山球場為例

唐少霞， 陳 艷， 韓新方， 吳 丹， 趙志忠， 侯璇音

(海南師范大學地理與環境科學學院， 海南 海口571158)

高爾夫球場大多建在透水性良好的砂壤土上，通常球場占地面積60～80 hm2，由18洞構成，其中草坪和樹木占整個球場面積的70%左右，剩余面積由沙坑和水塘構成[1]。據2015年《朝向白皮書》統計，截至2015年底，我國共擁有高爾夫設施438家(全年未曾營業的設施不計入統計)，共9753個球洞，折合約542個18洞球場，與2014年數據相比，高爾夫設施的總量凈減少了100家，折合凈減少114個18洞球場。草地是高爾夫球場的核心部分，為了得到高質量的草坪和良好的擊球草坪面，高爾夫球場在種植和養護草坪過程中必然要進行施肥和施用殺蟲劑、殺菌劑、除草劑等作業，盡管稻麥農田殺菌劑、除草劑、殺蟲劑使用量分別是球場用量的2.6，4.0和6.3倍[2]，但球場草坪的化肥施用量則是農田耕地施用量的3～6倍[3-5]。而化肥、農藥對土壤環境的影響越來越受到人們的重視。目前對球場草坪土壤的影響研究主要集中在氮、磷元素及有機氯農藥、有機磷農藥施用后隨水的淋溶及富集[6-11]。而對土壤重金屬的富集影響研究更多集中在大田、菜地、果園地及草原土壤[12-18]。分析高爾夫球場各類草坪土壤重金屬元素含量的差異及富集程度，對防止儲備耕地因土壤重金屬過度累積導致土壤質量退化具有重要的理論意義和現實價值。本研究以位于海口市西南側1996年開始營業的東山高爾夫球場為研究區域，研究球場內球道、發球臺、果嶺0～20 cm和20～40 cm兩個土層中重金屬含量的差異及變化規律，旨在為球場土壤的可持續利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

所研究的球場位于海南省海口市秀英區東山鎮，海口市位于N 19°32′～20°05′，E 110°10′～110°41′，屬于熱帶海島季風氣候區北部邊緣熱帶濕潤區，春季溫暖降水少，夏季溫度高降水多，淋溶作用強，秋季多臺風雨，冬季降水少，淋溶作用較弱。球場建在沿海臺地依山傍水的砂質磚紅壤地區，球場于1996年建成開業，占地124 hm2，球道總長6 446.5 m，為18洞72桿國際標準高爾夫球場。球場發球臺草種為‘百慕大419’(葉粗)；果嶺草種為‘百慕大328’(葉細)，球道草種為本地狗牙根。球場草坪施用的主要化肥有：18-6-18復合肥、18-3-18復合肥、高氮肥、高鉀肥，年平均單位面積施肥量340 g·m-2。

1.2 樣品采集

根據球場對草坪類型養護的差異，分別采集球道、發球臺、果嶺3種草坪的土壤樣品。考慮到雨、旱季土壤淋溶作用的不同，于2015年對球場土壤進行5次采樣，采樣時間及降雨信息如表1所示。對每個采樣地塊采用簡單隨機原則，用專業取土鉆采集0～20 cm(砂層，代表耕作層，用1表示)和21～40 cm(本土層，代表犁底層，用2表示)兩個土層土樣，球道(用d代表)、發球臺(用f代表)、果嶺(用g代表)，每個區域每次設2個點，兩點之間的距離為15 m，每個區域一年共采集20個樣，每個土層共10個樣。球場對照點選在球場外圍2 000 m，位于最小風頻區天然草地10～30 cm處的土。每個采樣點采集約200 g土壤，將每一層土充分混合后，密封于聚乙烯塑料袋中帶回實驗室，并在室內經自然晾干→壓碎→去除雜質→混勻→碾磨→過100篩，備用。

表1 2015年采樣時間及雨量Table 1 Sampling time and rainfall in 2015

土樣分析前處理采用美國國家環保局(USEPA)推薦HNO3-HF消解法，用 ICP-MS(Agi-lent 7700x 型)測定待測液中的重金屬元素含量。分析過程所用試劑均因子優級純，所用的水均為超純水，同時加入中國國家標準土壤參比物質(GSS-1、GSS-4)進行質量控制，分析結果符合質控要求。

1.3 數據分析

用Excel 2007對ICP-MS檢測出的數值進行均值、標準差及變異系數分析，用SPSS.18對球道、發球臺、果嶺耕作層及犁底層土壤重金屬元素含量進行單因素方差分析，用Origin 9.0 軟件繪制球場不同草坪土壤重金屬含量分布圖。

1.4 評價方法

以單因子污染指數法作為土壤重金屬富集評價方法，其計算公式為：Pi=Ci.Si-1。式中：Pi為土壤單項重金屬污染指數，Ci為土壤樣品中重金屬i的實測值，Si為重金屬i的評價標準。當Pi≤1 時，表明無重金屬i累積(污染)；當Pi>1.0 時，表明重金屬i累積(污染)，Pi值越大，累積(污染)越嚴重[19]。

2 結果與分析

2.1 不同草坪類型土壤中重金屬元素含量的差異

由表2及圖1可知，重金屬含量的垂直分布情況為：犁底層重金屬含量明顯大于耕作層的為球道的Cr，Ni，Cd，Pb，Cu，發球臺的As，Cd，Hg，Pb，Cu，果嶺的Cr，Ni，As，Pb，Cu；耕作層顯明大于犁底層的僅有：球道的As，Hg，果嶺的Cd。說明大多數重金屬含量是犁底層大于耕作層。

表2 高爾球場不同草坪類型土壤重金屬含量Table 2 Heavy metal contents Of soil under different turf types of the golf

用SPSS.18對球道、發球臺及果嶺耕作層及犁底層土壤重金屬元素含量進行比較均值的單因素分析，呈現方差齊性檢驗sig>0.05，對球場球道、發球臺、果嶺的耕作層及犁底層所含重金屬進行相互對比，大多顯示P>0.05，說明球道、發球臺、果嶺耕作層及犁底層的重金屬含量大多數沒有顯著差異，只有果嶺與發球臺耕作層所含的Cr、As有顯著差異，球道與發球臺犁底層所含的Cr有顯著差異，球道與果嶺犁底層所含的Pb有顯著差異。但將耕作層和犁底層的重金屬進行平均，結果如表3所示。Cd，Pb，Cu的平均含量呈現球道>發球臺>果嶺；Hg，Ni的平均含量呈現發球臺>球道>果嶺；Cr的平均含量呈現果嶺>球道>發球臺；As的平均含量呈現球道>果嶺>發球臺。

表3 球場各草坪土壤重金屬平均含量/mg·kg-1Table 3 Average content of heavy metals in the soil of the lawns

從球道、發球臺和果嶺耕作層與犁底層的7種重金屬含量的變異系數看，各類型土壤中重金屬的變異系數都比較大，其中最大的是Cd、Cr，變異系數為36.78%～109.69%，22.82%～95.22%(圖2)。其次是Pb，變異系數為20.91%～83.39%，最小的是As，變異系數為26.69%～56.07%。可見每個土層每次監測值之間的差異都比較大。

圖1 球場不同草坪土壤重金屬含量垂直分布圖Fig.1 Vertical distribution of heavy metal content in soil of different lawns

2.2 不同草坪類型土壤重金屬富集的評價

東山球場草坪表層土為人工輔的河砂，因此以當地河砂作為球場耕作層的背景土，以該球場外圍西北偏西方向2 000 m最小風頻區的天然草地10～30 cm深度的土樣作為球場犁底層的背景土，以國家土壤環境質量標準[20]作為依據，用單因子污染指數法作為土壤重金屬富集及污染與否的評價方法，對東山球場球道、發球臺及果嶺土壤中的7種重金屬現狀進行分析，結果如表4所示。

圖2 各層土中Cd,Cr含量Fig.2 content of Cd,Cr in different soil layers

以國家土壤環境質量Ⅱ級標準限值為依據，計算球道、發球臺、果嶺耕作層及犁底層的Ni，As，Pb，Cu 4種重金屬的Pi值均小于1，而球道、發球臺、果嶺耕作層及犁底層的Cd及Hg兩種重金屬的Pi值均大于1，球道犁底層及果嶺耕作層Cr的Pi值也大于1。以當地河砂及球場外圍西北偏西方向2 000 m最小風頻區天然草地土背景值為依據，計算As，Cd，Hg，Pb 4種重金屬的Pi均大于1；重金屬Cr的Pi值除發球臺犁底層之外，其余的也大于1。

由此可見，球場經過近20年的經營，As，Pb兩種重金屬含量雖未超國家標準限值，但均超過本地土的背景值，Cd，Hg兩種重金屬含量既超國家標準限值又超過本地土的背景值，已明顯富集。尤其是Hg超出國家標準限值2倍以上，發球臺犁底層處超出18倍，球道犁底層、果嶺耕作層Cr的含量既超國家標準限值又超背景值，Ni和Cu雖未超國家標準限值但也局部超出背景值。

表4 不同草坪耕作層及犁底層土壤中重金屬元素單因子評價(Pi)結果Table 4 Results of single factor evaluation (Pi) of heavy metals in plough and plow pan soil of different lawns

3 討論

3.1 草坪灌溉水源的評價

球場平時灌溉水源來自于球場西側的水庫水，只有在雨季球場所有的內湖水都滿了才往水庫中排放。通過兩年雨旱季對球場西側水庫水質12次的監測，Cr，Cu，As，Cd，Pb，Hg的均值分別是14.22，12.39，1.56，0.11，2.91，0.08(單位：μg·L-1)，標準差分別是：20.60，12.06，0.96，0.06，4.49，0.09，變異系數最大是鉛為154%，其次是鉻為145%，最小的是鎘為57%；與國家地表Ⅱ類水質量標準限值相比,Pi值分別是：0.284，0.012，0.031，0.022，0.291，1.6，其中只有汞超標，如果與國家地表Ⅲ類水質量標準限值相比則球場西側的水庫水所有Pi<1[20-21]。由此可見，球場灌溉水源所含重金屬符合國家地表Ⅲ類水質要求。這樣的灌溉水源是否對球場土壤重金屬超標富集有影響，需要長期跟蹤監測并做對比研究，目前未見利用達標水源灌溉導致土壤重金屬超標富集的研究。

3.2 影響不同土層重金屬垂直差異的因素

監測期內球場各草坪類型土壤中重金屬的變異系數都比較大，與每次采樣前施用化肥的種類及降雨量有一定的關系。變異系數最大的Cd與Cr，監測期間Cd的最小數據0.06 mg·kg-1，出現在2015年5月8日發球臺耕作層，采樣前1個月內未施肥，采樣前7 d降雨量為24 mm，該采樣點對應的犁底層監測值是0.13 mg·kg-1；最大數據2.62 mg·kg-1，出現在2015年6月26日果嶺的耕作層，采樣前10 d剛施肥，采樣前7 d降雨量為97.4 mm，該采樣點對應的犁底層監測值是2.22 mg·kg-1。監測期間Cr的最小數據10.93 mg·kg-1，出現在2015年12月11日發球臺犁底層，11月15日施過化肥，采樣前7 d降雨量為8.7 mm，該采樣點對應的耕作層監測值是21.38 mg·kg-1；最大數據378 mg·kg-1，出現在2015年3月28日果嶺的耕作層，采樣前13 d剛施肥，采樣前7 d降雨量為1.1 mm，該采樣點對應的犁底層監測值是34.19 mg·kg-1。由此可見，影響球場草坪土壤重金屬含量垂直差異的主要因素是監測前是否施肥及降雨量，如果施用化肥至采樣時未降雨或雨量很小，耕作層重金屬含量一般高于犁底層，而且監測值會較大;如果采樣前1個月未施化肥，或施肥后有明顯降雨過程，則犁底重金屬含量高于耕作層，施肥后10 d內采樣監測值會較大。

3.3 影響不同草坪區土壤重金屬分布的因素

東山球場球道種植的是本地草種狗芽根，該草種抗病蟲害能力較強，較容易養護，每年球道只施用2次肥料，平均每次7 000 kg，每年施用肥料14 000 kg，球道面積約27 1507 m2，年單位面積化肥施用量為0.052 kg·m-2；發球臺每年施用肥料5.5次，每次施用20包，每包25 kg，即發球臺每年施用的肥料2 750 kg，發球臺面積約9 725 m2，年單位面積化肥施用量為0.283 kg·m-2；果嶺草的養護難度較大，每個月必須施用1次化肥，每次20包，每包25 kg，每年果嶺施用的肥料達6 000 kg，果嶺面積約8 899 m2，年單位面積化肥施用量為0.674 kg·m-2，年單位面積化肥施用量最多。但從球道、發球臺和果嶺土壤重金屬平均含量看(表3)，盡管果嶺施用化肥量最多，但也只有 Cr的含量是最大。可見化肥施用量并不是草坪區土壤重金屬分布差異的主要因素。

國家標準(GB 18877 -2002)對現有的有機-無機復混肥料中所含重金屬限量是：Cr<500 mg·kg-1，Pb<150 mg·kg-1，Cd<10 mg·kg-1，As<50 mg·kg-1和Hg<5 mg·kg-1[22]。市面上不同品牌的復合肥重金屬含量差異很大，Cr是1.92～121.19 mg·kg-1，Ni是1.80～199.36 mg·kg-1，Cu 是0.72～432.86 mg·kg-1，As是0.05～61.16 mg·kg-1，Cd是0.001～54.116 mg·kg-1，Pb是0.49～40.52 mg·kg-1，Hg是0.01～4.40 mg·kg-1[16,23]。20年來研究區球場施用過各種品牌的化肥。 2016年6月，曾對東山12批次的化肥做過檢測，Cr是35.568～85.19 mg·kg-1，Pb是4.092～52.475 mg·kg-1，Cd是0.869～12.415 mg·kg-1，As是0.849～30.821 mg·kg-1，Hg是0.078～3.84 mg·kg-1。可見不同品牌化肥重金屬含量差異較大。有研究表明：施用有機肥，土壤中Cu，Zn，Pb，Cd的含量比不施肥分別增加了0.08～13.98 mg·kg-1，0～26.5 mg·kg-1，1.63～5.31 mg·kg-1，0～0.34 mg·kg-1，而施用氮、磷、鉀比不施肥增加了土壤Cd和Pb的含量[24]。由此可見，導致球場不同草坪土壤重金屬含量監測值水平空間差異的主要原因還是球場施用化肥的品質。如果使用重金屬含量偏高甚至不合格的化肥，將在一定程度上增加土壤重金屬污染的生態風險。

4 結論

高爾夫球場球道、發球臺及果嶺土壤中重金屬含量的垂直分布基本呈現犁底層>耕作層；球道、發球臺、果嶺耕作層及犁底層土壤重金屬含量在水平空間上差異不顯著，但將耕作層和犁底層的重金屬進行平均，則Cd，Pb，Cu的平均含量是球道>發球臺>果嶺，Hg，Ni的平均含量是發球臺>球道>果嶺，Cr的平均含量是果嶺>球道>發球臺，As的平均含量是球道>果嶺>發球臺。

影響球場草坪土壤重金屬含量垂直差異的主要因素是監測前是否施肥及降雨量，如果施用化肥至采樣時未降雨或雨量很小，耕作層重金屬含量一般高于犁底層，而且監測值會較大;如果采樣前1個月未施化肥，或施肥后有明顯降雨過程，則犁底重金屬含量高于耕作層。由于市面上不同品牌的復合肥重金屬含量差異很大，球場不同草坪土壤重金屬含量的差異主要與球場施用化肥的品質有關。

高爾夫球場草坪土壤中As，Pb含量雖未超國家標準限值，但均超過本地土的背景值，Cd，Hg含量既超國家標準限值又超過本地土的背景值，已明顯富集。尤其是Hg超出國家標準限值2倍以上，發球臺犁底層處超出18倍，球道犁底層、果嶺耕作層Cr的含量既超國家標準限值又超背景值，Ni和Cu雖未超國家標準限值但也局部超出背景值。