不同城市功能區綠地土壤重金屬分布及其生態風險評價

陳為峰, 孫其遠,宋希亮,董元杰

(山東農業大學 資源與環境學院, 山東 泰安 271018)

城市土壤是城市生態系統中的重要組分，是各城市種污染物的“源”與“庫”，其質量退化是城市生態環境中的一個關鍵問題。相對于城市封閉型土壤，城市綠地是城市暴露土壤的主要存在形式，也是城市居民活動的重要場地。城市綠地土壤的重金屬污染不僅導致土壤生態功能發生退化和喪失，影響城市綠化植物的生長和功能，而且城市人群長久暴露在重金屬污染過的城市土壤下，會使身體出現各種病變[1-2]，影響居民健康。

幾十年來，國內外學者對各地典型的城市土壤重金屬污染問題進行了大量研究，已經成為國內外環境科學領域研究的熱點[3-5]，但目前的研究成果主要關注于工業城市和大中型城市，對中小型城市關注較少。不同城市間土壤的重金屬污染具有較大的空間異質性，內部不同功能區土壤重金屬污染來源、污染程度也各有不同，使污染呈現出了不同的空間分布特征[6]。從不同城市功能區的角度研究綠地土壤中各種重金屬的含量和分布特征，開展污染評價，是各城市土壤污染管控必須的基礎性研究工作之一。

重金屬Cu，Zn，Pb，Cd是城市土壤中來源廣泛、普遍存在的主要污染物，本研究即以山東中部某著名旅游型中小城市為例，以城市不同功能區的綠地土壤為研究對象，利用單因子污染指數法、內梅羅綜合污染指數法以及潛在生態風險指數法對土壤中4種重金屬銅(Cu)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、鎘(Cd)的污染狀況及其生態風險進行分析和評價，以期為不同城市功能區綠地土壤環境質量控制和精準化治理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究城市位于山東省中部，是魯中山區的代表區域和中心城市之一，屬溫帶大陸性半濕潤季風氣候區，年平均氣低溫為12.9℃，多年平均降水量為697 mm，土壤有棕壤土、褐土、砂姜黑土和山地草甸土4種類型。該市為中國優秀旅游城市，國家歷史文化名城。2016年，全市共接待境內外游客6278.2萬人次。

1.2 樣品采集與處理

根據所研究城市土地利用特征進行城市功能區劃分，最終確定了公園綠地(G1)、苗木生產區(G2)、市政單位綠地(G3)、校園綠地(G4)、居住區綠地(G5)、工業綠地(G6)、風景名勝區(G7)、商業區綠地(G8)、道路綠地(G9)等9種綠地類型；植被類型涉及草坪類、灌木類、喬木類3種類型；同時也考慮了部分不同利用年限的土壤，總計設計62個采樣點，另外設置1個城郊農田采樣點、1個自然植被土壤采樣點作為對照。在各樣點中，按隨機布點法，采集表土(0—20 cm)分析樣品。每個土樣的采集是分別在樣點地上取6個點，并將它們進行混合，以混合樣制成一個分析樣。土壤樣品經風干、研磨、過篩后用HNO3-HClO4-HF體系對樣品進行全分解[7]，利用火焰原子吸收法測定Cu，Zn，Cd的含量[8-9]，利用石墨爐原子吸收法測定Pb的含量[10]。

1.3 土壤重金屬污染及生態風險評價方法

研究采用單因子指數法和尼梅羅綜合指數法對研究區土壤環境質量狀況進行評價，并用潛在生態危害指數法對研究區重金屬的生態風險程度進行評價。

(1) 單因子指數法。單項污染評價可采用單項污染分級指數法[11]，即以地區土壤地球化學背景(自然土壤)為基礎，借鑒國家土壤環境質量標準，確定污染分級標準。以測區背景上限為重金屬元素累積起始值(Xa)，國家土壤環境質量標準的2類標準作為污染起始值(Xc)，土壤環境質量標準的3類標準作為重污染起始值(Xp)(表1)。污染分級指數是指某一污染物影響下的環境污染指數，可以反映出各污染物的污染程度及潛在可能性。

表1 污染分級標準 mg/kg

可根據下式計算出的單項污染分級指數，對單項污染程度進行分級。

式中：Pi為污染分級指數；Ci為土壤中污染物的實測濃度值；Xa為累積起始值；Xc為污染起始值；Xp為重污染起始值。土壤單項污染指數評價標準見表2。

表2 土壤單項污染指數評價標準

(2) 尼梅羅綜合指數法。尼梅羅綜合指數采用下式計算：

式中：Pi均和Pi最大分別是參加評價的單項污染指數的算術平均值和單項污染指數中的最大值。土壤綜合污染指數評價標準見表3。

表3 土壤內梅羅污染指數評價標準

尼梅羅綜合污染指數的計算式中含有評價參數中最大的單項污染分布指數，突出了污染指數最大的重金屬元素對土壤環境質量的影響和作用。

(3) 潛在生態危害指數法。用瑞典學者Hankanson建立的潛在生態危害指數法[12](Risk index，RI)結合生物毒理、環境化學及生態學等方面的內容，以定量的方法區分重金屬元素的潛在生態危害程度。在本研究中以《中國土壤環境質量標準》(GB15618—1995)Ⅱ類標準作為評價標準。潛在生態危害指數RI計算公式為：

表4 城市綠地土壤重金屬污染評價參考標準(pH>7.5)

表和RI分級標準

Hakanson提出從“元素豐度原則”和“元素稀釋度”的角度討論此問題，即某一重金屬的潛在毒性與其豐度成反比，或者說與其稀少度成正比。某一重金屬的潛在生物毒性也與“元素的釋放度”(在水中含量與在沉積物中含量的比值)有關，易于釋放者對生物的潛在毒性較大，Hakanson提出的重金屬毒性水平順序為：Hg>Cd>As>Pb=Cu>Cr>Zn，對毒性響應系數作范圍處理后定值為：Hg=40，Cd=30，As=10，Pb=Cu=5，Ni=Cr=2，Zn=1[13-14]。

2 結果與分析

2.1 城市綠地土壤重金屬分布特征

城市綠地表層土壤中重金屬Cu，Zn，Cd和Pb的平均含量分別是54.65 mg/kg，138.69 mg/kg，1.35 mg/kg，87.39 mg/kg，均高于城郊農田土壤和自然植被土壤的含量，表現出富集的特征(圖1—4)。其中，土壤Zn，Pb，Cu平均含量均低于國家土壤環境質量Ⅱ級標準，Cd平均含量超標嚴重。

Cu以公園綠地含量最高，其次是居民區綠地>風景名勝區>苗木生產區>商業區綠地>道路綠地>城郊農田土壤>校園綠地>市政單位綠地>工業綠地>自然植被土壤；Zn的含量依次是商業區綠地>苗木生產區>風景名勝區>居住區綠地>工業綠地>道路綠地>校園綠地>公園綠地>市政單位綠地>城郊農田土壤>自然植被土壤；Pb的含量依次是風景名勝區>公園綠地>工業綠地>商業區綠地>居住區綠地>道路綠地>市政單位綠地>苗木生產區>校園綠地>城郊農田土壤>自然植被土壤；Cd的含量依次是工業綠地>商業區綠地>居住區綠地>風景名勝區>苗木生產區>道路綠地>公園綠地>校園綠地>市政單位綠地>城郊農田土壤>自然植被土壤。

在9種不同的城市功能區綠地類型中，Cu，Zn，Cd和Pb的污染程度總體居前的是工業區、風景名勝區、商業區綠地和居民區綠地。

2.2 城市綠地土壤重金屬環境質量評價

2.2.1 綠地土壤重金屬單因子指數評價 不同功能區城市綠地土壤重金屬污染單項污染指數及質量評價見表6。由表6可以看出，綠地土壤中Cu，Zn和Pb含量雖然不高，但已經處于潛在污染狀態，而Cd已經處于重污染狀態。

2.2.2 綠地土壤重金屬綜合評價 應用尼梅羅綜合污染評價結果見表7。該市綠地土壤總體基本處于“輕度污染”和“中度污染”的污染級別，其中處于“中度污染”的污染級別的綠地土壤類型有工業綠地、商業區綠地、風景名勝區和居住區綠地，而且苗木生產區和道路綠地土壤也接近“中度污染”級別；各綠地類型的污染程度由重到輕依次為工業綠地>商業區綠地>風景名勝區>居住區綠地>苗木生產區>道路綠地>公園綠地>校園綠地>市政單位綠地>城郊農田土壤>自然植被土壤。

圖1 城市不同功能區綠地表層土壤Cu特征

圖2 城市不同功能區綠地表層土壤Zn特征

圖3 城市不同功能區綠地表層土壤Cd特征

圖4 城市不同功能區綠地表層土壤Pb特征

2.3 城市綠地土壤重金屬潛在生態風險評價

土壤重金屬評價潛在生態風險評價選用“中國土壤環境標準值”中Ⅱ級標準值作為土壤污染物參比值，即是否能對人體健康構成威脅，采用Hakanson潛在生態危害指數法對不同功能區綠地土壤重金屬作出潛在生態風險評價。

表6 土壤重金屬單項污染指數及質量等級

表7 城市綠地土壤重金屬內梅羅污染指數綜合評價

表8 不同功能區綠地表層土壤重金屬的和RI值

表9 城市綠地表層土壤重金屬的和RI值

2.4 城市綠地土壤重金屬相關性分析

對調查的城市綠地土壤中各重金屬污染元素進行相關分析(表10)，結果顯示綠地表層土壤中Cu-Zn，Cu-Cd，Pb-Cd顯著相關，Cu-Pb，Zn-Cd極顯著相關，表明這些重金屬元素的形成復合污染，金屬之間可能有相似的污染途徑和來源。

表10 城市綠地表層土壤重金屬元素含量之間的相關系數

注:**表示顯著性水平為0.01(極顯著)；*表示顯著性水平為0.05(顯著)。

3 討 論

研究表明，不同功能區綠地土壤Cu，Zn，Cd和Pb的污染程度均位于前5名的是工業區、風景名勝區、商業區綠地和居民區綠地。由于工業排放，導致工業區土壤重金屬綜合污染較為嚴重，居各類功能區土壤重金屬污染之首，與他人研究基本一致[15-16]，但風景名勝區綠地土壤的Pb含量和商業區綠地Zn含量分別位于污染程度的首位，與其他城市表現不同，分析原因為該市是國家級重點旅游城市，旅游景點有幾千年歷史，且每年游客眾多，隨身攜帶各種污染物長期對綠地土壤造成污染；商業區綠地作為城市最繁華的地段，眾多的消費者及城市游客在消費的同時，同樣給綠地土壤帶來了多種污染物；居民區綠地則主要與居民日常生活廢棄物含Zn，Cu等污染較多有關；其次還應重視苗木生產區的重金屬污染現象，可能與長期施入大量有機肥有關。城市綠地土壤Pb污染還可能與交通量、汽油鉛含量、道路使用年數、道路寬度、風速風向、沉降量以及大氣濕度等因素有關。但不同功能區土壤中鉛的含量高值并未出現在道路綠地土壤中，這表明車輛和其他污染源排放的含鉛氣體顆粒物可能會隨風漂浮一定距離后才沉降。

研究結果表明，土壤重金屬Cd的含量普遍超標，達到了危害人體健康的程度，應該加強對Cd污染的治理。有研究認為，Cd污染嚴重的原因在于城市周邊工業區電鍍廠的大氣飄層，以及機動車用油燃燒和含有Cd的輪胎與道路摩擦產生的粉塵[17]，本研究城市城區集中，機動車密度較大，其Cd來源應該主要是后者。目前我國沒有公園、住宅區等城市土壤環境質量標準，采用國家土壤環境質量標準作為與人們密切接觸的城市土壤評價標準是否合適，有待進一步探討。

內梅羅綜合污染指數可以全面反映各重金屬對土壤的不同作用，兼顧單元素污染指數平均值和最大值，突出了污染指數最大的污染物對環境質量的影響和作用。綜合污染評價研究表明，處于“中度污染”的污染級別的綠地類型有工業綠地、商業區綠地、風景名勝區和居住區綠地，而且苗木生產區和道路綠地也接近“中度污染”級別。因此應重視對工業綠地、商業區綠地、風景名勝區和居住區綠地的污染治理和生物修復，同時注重苗木生產區和道路綠地的防治工作，綜合治理，防范于未然。

重金屬之間的相關性研究可以用來推測不同重金屬的污染來源[18]，若重金屬含量有顯著的相關性，說明有相同來源的可能性較大[19]，否則來源可能不止一個。本研究表明重金屬元素之間形成了一定程度的復合污染，金屬之間可能有相似的污染途徑和來源。

4 結 論

(1) 本文所研究城市綠地土壤表層重金屬Zn，Pb，Cu平均含量均低于國家土壤環境質量Ⅱ級標準，Cd平均含量嚴重超標。各功能區綠地表層土壤重金屬Cu，Zn，Cd和Pb已表現出富集狀態，其中工業區、風景名勝區、商業區和居民區等綠地土壤污染程度居前。

(2) 該市綠地土壤中Cu，Zn和Pb含量雖然不高，但已經不屬于清潔安全狀態，已處于潛在污染狀態，而Cd已經處于重污染狀態。該市綠地土壤總體基本處于“輕度污染”和“中度污染”的污染級別，其中處于“中度污染”的污染級別的綠地類型有工業綠地、商業區綠地、風景名勝區和居住區綠地，而且苗木生產區和道路綠地也接近“中度污染”級別。該市綠地土壤重金屬潛在生態危害指數(RI)值雖然都沒有超過150，處于輕微生態風險，但Cd潛在生態危害指數已經處于中等生態風險。土壤Cd的防治應該引起重視。

(3)，綠地表層土壤中Cu-Zn，Cu-Cd，Pb-Cd顯著相關，Cu-Pb，Zn-Cd極顯著相關，重金屬之間存在一定復合污染現象，表明這些重金屬元素的來源可能相同。