銀川市城市綠地土壤重金屬分布特征及其生態風險評價

孫變變, 趙銀鑫, 常 丹, 吳文忠, 張 勇, 田碩豐

(寧夏回族自治區地質調查院, 銀川 750021)

城市綠地是城市生態的重要載體，兼具生態環境、人體保健、景觀游憩、防災避難等重要功能[1-2]，一般可分為公園綠地、防護綠地、廣場綠地、附屬綠地以及區域綠地等類型。近年來，隨著工業發展以及城市化進程的推進，大量重金屬通過工業生產、垃圾焚燒、污水灌溉、農藥、化肥的不合理施用、大氣降塵和機動車排放等方式釋放到綠地土壤中[3-5]，積累到一定程度，不僅導致土壤質量的退化，影響植被的生長和生物多樣性，而且可通過揚塵或手口直接接觸對人體健康造成危害[6-7]。

隨著推進“綠色、高端、和諧、宜居”的城市建設理念，我國對綠地土壤重金屬污染的研究越來越多，初始階段多數學者是將綠地土壤作為一個整體，用傳統思路進行某幾種重金屬的污染評價[8-9]，近幾年來已有研究者突破傳統思路，按照不同功能區或者不同綠地類型進行綠地土壤重金屬特征的研究，楊少斌等[10]探討了北京城區綠地土壤重金屬污染評價與空間分析，結果表明公園綠地土壤重金屬屬于輕度污染，道旁綠地、居住綠地和附屬綠地均未受到重金屬污染；盧德亮等[11]采用野外調查與室內試驗分析相結合的方法研究哈爾濱市區不同綠地功能區土壤重金屬污染情況，研究表明由重到輕的順序為工業區綠地>市區公路兩旁綠地>松花江沿岸綠地>城市公園綠地>農業用地>森林與苗圃綠地。銀川市對于不同類型綠地土壤重金屬的分布及生態風險評價還相對較少，因此，本文對銀川市不同類型城市綠地土壤Cr，Ni，Cu，Zn，As，Hg，Cd和Pb共8種重金屬進行測試分析，研究其空間分布特征，采用單因子及內梅羅污染指數法和Hakanson生態風險指數法對不同綠地土壤重金屬的污染狀況及生態風險進行評價，為銀川市不同類型綠地土壤重金屬污染防治與修復提供理論依據，為銀川市綠地系統規劃提供有益的指導。

1 研究區概況

銀川市為寧夏回族自治區首府，位于黃河上游寧夏平原中部，北緯38°08′—38°53′，東經105°49′—106°35′，東踞鄂爾多斯西緣，西依賀蘭山，黃河從市境穿過，是深入實施西部大開發戰略的重點經濟區。銀川氣候屬溫帶大陸性氣候，年均氣溫8.5℃左右，年均日照時數2 800～3 000 h，是全國太陽輻射和日照時數最多的地區之一，年均降水量200 mm左右，無霜期185 d左右。氣候具有四季分明，晝夜溫差大，雨雪稀少，蒸發強烈，氣候干燥等特點。截至2017年底，銀川市綠地率42.04%，綠化覆蓋率42.07%，森林覆蓋率16%，建成區人均公園綠地面積16.83 km2。本次研究范圍為銀川市繞城高速以內，面積約400 km2，主要包括興慶區、西夏區以及金鳳區城區部分，交通發達，結構復雜，為人口、商業、經濟和文化高度集中的區域。

2 研究方法

2.1 土壤樣品采集與測試

為方便采樣并確保樣品的代表性，研究區土壤樣品按照我國《城市綠地分類標準》(CJJ/T85—2017)中綠地類型進行布設，采樣點位分布在公園綠地、防護綠地、道路綠地、居住綠地以及生產綠地中。根據研究區地形地貌、綠地利用狀況，在綜合考慮經濟、社會、行政等因素的基礎上，利用衛星影像圖以及結合實地勘察結果，確定出32個公園綠地樣點，23個防護綠地樣點，67個道路綠地樣點，42個居住綠地樣點，74個生產綠地樣點，與2018年6—7月最終累積采集土壤樣品238個，每個采樣點的經緯度均用GPS定位，采樣點分布見圖1。土壤樣品采集使用無污染的用具(如竹勺、木勺等)，刮去地表薄層浮土(<1 cm即可)，采樣深度為0—20 cm，并去除雜草、草根、礫石、磚塊、肥料團塊等雜物，盡量避免采集新近搬運的堆積土、垃圾土和明顯污染的土壤，選擇采集第四系自然土，將采集土樣在常溫下風干后、裝入密封袋中待測。研究區綠地植物種類多以本土樹種為主，公園綠地、居住綠地及道路綠地綠化植物以國槐、圓柏、青海云杉、垂柳、玫瑰、馬蘭花、金銀木等為主，防護綠地綠化植物為國槐、刺槐、沙棗樹、丁香、紫藤、爬山虎等，生產綠地為本土樹種提供幼苗，多以上述植物種類為主。

采集的土壤樣品全部由寧夏地質調查院寧夏地礦中心實驗室化驗分析，測試過程嚴格按照《區域地球化學樣品分析方法》[12]進行，其中Cr，Zn選用X射線熒光光譜法(XRF)測定，Cu，Ni，Cd，Pb選用電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)測定，As，Hg選用氫化物—原子熒光光譜法(HG-AFS)測定。

2.2 評價標準與方法

2.2.1 土壤重金屬污染評價 采用單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法評價研究區綠地土壤重金屬的污染狀況。單因子污染指數法能直接反映土壤中某一種重金屬的累積污染程度[13]，其表達式為：

Pi=Ci/Si

(1)

式中：Pi為土壤中污染物i的污染指數；Ci為污染物i的實測值；Si為污染物i的評價標準，本文選用銀川市土壤背景值[14]作為污染評價標準。內梅羅綜合污染指數法可全面反映土壤中各污染物的平均污染水平以及環境質量[15]，突出高濃度污染物對土壤環境造成的影響，其計算公式為：

(2)

圖1 研究區土壤樣點分布

表1 土壤重金屬污染分級標準

2.2.2 生態風險評價 采用Hakanson潛在生態風險指數法[16]評價銀川市綠地土壤重金屬風險程度，該方法結合土壤重金屬含量、生物毒理、環境化學及生態學等方面的內容，是從沉積學角度出發建立的一套評價重金屬潛在生態危害的方法[17]，計算公式為：

(3)

(4)

(5)

表2 Hakanson潛在生態風險等級

3 結果與分析

3.1 綠地土壤重金屬含量描述性統計

研究區綠地土壤8種重金屬含量描述性統計見表3，結果顯示，Cr，Ni，Cu，Zn，As，Hg，Cd，Pb元素的平均含量分別為60.26，25.66，21.17，55.48，11.90，0.04，0.15，22.78 mg/kg，分別為銀川土壤背景值的0.99，1.03，1.11，1.07，1.08，2.12，1.28，1.20倍，除Cr元素外，其他重金屬元素含量平均值均高于銀川土壤背景值。Hg，Pb，Cd超出銀川土壤背景值的點位率較大分別為82.35%，75.21%，70.59%，Cu，As，Zn，Ni點位超標率分別為62.19%，61.34%，57.14%，53.78%，Cr元素點位超標率不足50%。說明研究區綠地土壤已表現出重金屬富集的特征，Hg，Pb，Cd元素最為明顯。與中國土壤背景值相比，As和Cd平均含量超過了中國土壤背景值，其他6種元素均未超標。

分析8種重金屬元素在不同類型綠地土壤中的平均含量，發現Cr，Ni，Zn，Cd在生產綠地中含量最高，Cu，As，Hg，Pb在道路綠地中含量最高，說明道路綠地和生產綠地土壤中重金屬富集現象最嚴重。與銀川市土壤背景值相比較，Cr只在生產綠地中的含量超過了銀川土壤背景值，平均值達到62.29 mg/kg；Ni和Zn在道路綠地、居住綠地和生產綠地土壤中的平均值均高于銀川市土壤背景值，在公園綠地、防護綠地土壤中未超標；Cu和As除了在防護綠地中處于安全狀態，在其他4種綠地類型中的平均含量均標；Hg，Cd，Pb在5種綠地類型中的平均含量均已超過了銀川土壤背景值，形勢嚴峻。

表3 不同類型綠地土壤重金屬含量

變異系數可以表征土壤重金屬含量的波動、離散情況以及受人為活動影響的程度，其值越大說明受人類活動干擾越強烈[19]，根據林俊杰等[20]對變異程度的分類，研究區8種重金屬變異系數大小順序為:Hg>Cd>Cu>Zn>Ni>Pb>As>Cr，其中Hg，Cd變異系數分別為66.67%，35.29%為強變異，其他重金屬變異系數均屬于中等變異。在不同綠地類型上，各元素高變異的有：公園綠地中的Cu，Hg和Cd，防護綠地、道路綠地、生產綠地中的Hg和Cd，居住綠地中的Hg，由此可知這些元素在不同綠地土壤重受人類活動干擾強烈。

3.2 綠地土壤重金屬空間分布特征

利用SPSS 16.0軟件對研究區綠地土壤重金屬含量進行K-S正態分布檢驗，結果顯示Cr，Ni，Cu，Zn，As符合正態分布，Hg對數轉換后符合正態分布，Cd和Pb既不符合正態分布也不符合對數正態分布(表4)。在此檢驗的基礎上，采用ArcGIS 10.7軟件對各重金屬含量進行克里金插值分析，其中Hg元素在插值前進行了對數轉換處理，Cd，Pb只對其進行了分級符號顯示(圖2)。

表4 綠地土壤重金屬元素K-S正態分布檢驗結果

由圖2可知，Cr，Ni，Cu，Zn，As有相似的空間分布特征，在研究區東部和東北部方向上呈現出重金屬偏高現象，同時在中部含量也較高；Hg除了在研究區東部、中部含量較高外，在西部也出現了富集趨勢。Cd高值點主要分布在研究區東部、東北部以及西部；Pb在研究區東部、東北部以及中部濃度較高。總體上，研究區各重金屬含量高值區主要分布在研究區中部、東部以及東北部，呈條帶狀及片狀分布，表現出由東向西遞減的趨勢。

經實地調查發現，研究區東部分布著德勝工業園區，工業生產中“三廢”排放導致了附近道路綠地土壤中的重金屬富集現象，這與馮亞亮[21]、王幼奇[3]等的研究相一致。研究區東北方向上豐登鎮附近建有牛場等農場，Cu，As，Cr，Zn，Ni等重金屬會隨畜禽糞尿排出[15]從而造成附近生產綠地土壤重金屬超標。研究區中部以及東部，人口、火車站、大型商業區、企業以及產業園集中，能源消耗及排污量也較大，從而造成周圍公園綠地、居住綠地、道路綠地土壤中重金屬濃度較高。

圖2 銀川市城市綠地土壤各重金屬含量空間分布

3.3 綠地土壤重金屬污染評價

以銀川市土壤背景值作為評價標準計算出各重金屬的污染指數(表5)，從單因子污染指數來看，Cr單因子污染指數為0.99，為警戒水平；Hg單因子污染指數Pi值為2～3，屬于中度污染；其他元素單因子污染指數Pi值為1～2，屬于輕微污染。不同重金屬污染程度依次為:Hg>Cd>Pb>Cu>As>Zn>Ni>Cr。

表5 不同類型綠地土壤重金屬污染指數

通過P綜可知，不同類型綠地污染指數均為1～2，屬于輕度污染，污染程度由重到輕依次為道路綠地>公園綠地>生產綠地>居住綠地>防護綠地，道路綠地受重金屬污染程度最大，公園綠地次之。

3.4 綠地土壤重金屬生態風險評價

應用Hakanson潛在生態風險指數法，以銀川市土壤背景值作為參比值，計算研究區不同綠地土壤中各重金屬元素的潛在生態風險指數及其分級情況(表6)。

表6 不同類型綠地土壤重金屬生態風險指數

整個研究區綠地土壤重金屬綜合潛在生態風險指數(RI)范圍為45.95～414.72，平均值為154.22。在此基礎上繪制出銀川市綠地土壤重金屬綜合潛在生態風險分布圖(圖3)，由圖3可知，研究區重金屬綜合潛在生態風險級別主要為輕微生態風險、中等生態風險以及小范圍強生態風險。呈中等生態風險的區域呈不規則塊狀分布在研究區內。呈強生態風險的區域在研究區東部和西部小范圍內分布，分布特征與Hg元素的空間分布相似性很大，風險指數高值區主要來自Hg元素的貢獻，進一步證實Hg是研究區最主要的生態風險元素。

圖3 銀川市綠地土壤重金屬綜合潛在生態風險指數分布

從不同綠地類型上來看，土壤重金屬綜合潛在生態風險指數RI大小排序為：道路綠地>生產綠地>公園綠地>居住綠地>防護綠地，其中道路綠地、生產綠地和公園綠地RI值分別為163.76，155.78，151.41，介于150～300，處于中等生態風險，居住綠地和防護綠地RI值均小于150，處于輕微生態風險。上述結果表明，研究區道路綠地的污染及風險程度最大，這與馮亞亮等[21]的研究結論一致，污染物主要來源于交通運輸，機動車尾氣排放以及車身、輪胎與地面摩擦都會釋放出大量Pb，Zn和Cd等重金屬[22]，汽車油漆掉落亦可能在一定程度上對綠地土壤中Hg的含量產生影響[23]。生產綠地和公園綠地中重金屬的生態風險僅次于道路綠地，也需引起關注，生產綠地是為城市綠化提供苗木、花草、種子的圃地，污染源主要受農藥和化肥不合理的使用[24]、污水灌溉、周邊養殖場[23]的影響，以及大量使用塑料薄膜[25]都會造成重金屬污染。研究區公園綠地中重金屬變異系數最大，說明公園綠地受人類活動干擾強烈，公園綠地周圍一般為交通道路、居民區以及商業建筑，建筑裝飾材料的風化產物是土壤中Pb累積的重要來源[26]，居民隨意丟棄的無用的金屬包裝盒、電子垃圾[27]、施入綠地的化肥、殺蟲劑、除草劑等[25]都會造成公園綠地的重金屬富集。不同類型綠地土壤重金屬污染來源有所不同，應在調查分析其含量以及污染來源的基礎上進行針對性的防護與治理，以促進綠地生態系統的健康發展。

4 結 論

研究區綠地土壤中除Cr元素外，其他7種重金屬元素含量平均值均超過了銀川市土壤背景值，其中Hg，Cd，Pb超標嚴重，點位超標率分別為82.35%，75.21%，70.59%。不同綠地類型中，道路綠地和生產綠地土壤中重金屬富集最嚴重，Cu，As，Hg，Pb在道路綠地中含量最高，Cr，Ni，Zn，Cd在生產綠地中含量最高。

受工業生產、交通運輸、商業活動、養殖場畜禽糞便的施用等人類的活動的影響，各重金屬元素在研究區呈現出明顯的條帶狀及片狀空間分布特征，高值區主要集中在研究區中部、東部以及東北部。

8種重金屬在研究區的污染程度依次為：Hg>Cd>Pb>Cu>As>Zn>Ni>Cr，Hg污染屬于中度污染，其他重金屬元素均屬于輕微污染或警戒水平。5種綠地類型均屬于輕度污染，污染程度為：道路綠地>公園綠地>生產綠地>居住綠地>防護綠地。

研究區綠地土壤總體處于中等生態風險，5種綠地土壤重金屬綜合潛在生態風險指數(RI)為：道路綠地>生產綠地>公園綠地>居住綠地>防護綠地，其中道路綠地、生產綠地和公園綠地均處于中等生態風險，居住綠地和防護綠地處于輕微生態風險。8種重金屬元素單項潛在生態風險指數平均值大小順序為：Hg>Cd>As>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn，Hg達到了強生態風險級別，是最主要的生態風險元素，應引起重視。

隨著城市化進程的加快，目前銀川市綠地土壤環境受到一定程度的污染，今后應加強綠地土壤檢測以及重金屬污染防治和修復。