高爾夫球場(chǎng)不同草坪土壤重金屬的富集及分析-以東山球場(chǎng)為例

唐少霞， 陳 艷， 韓新方， 吳 丹， 趙志忠， 侯璇音

(海南師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 海南 ?？?71158)

高爾夫球場(chǎng)大多建在透水性良好的砂壤土上，通常球場(chǎng)占地面積60～80 hm2，由18洞構(gòu)成，其中草坪和樹木占整個(gè)球場(chǎng)面積的70%左右，剩余面積由沙坑和水塘構(gòu)成[1]。據(jù)2015年《朝向白皮書》統(tǒng)計(jì)，截至2015年底，我國(guó)共擁有高爾夫設(shè)施438家(全年未曾營(yíng)業(yè)的設(shè)施不計(jì)入統(tǒng)計(jì))，共9753個(gè)球洞，折合約542個(gè)18洞球場(chǎng)，與2014年數(shù)據(jù)相比，高爾夫設(shè)施的總量?jī)魷p少了100家，折合凈減少114個(gè)18洞球場(chǎng)。草地是高爾夫球場(chǎng)的核心部分，為了得到高質(zhì)量的草坪和良好的擊球草坪面，高爾夫球場(chǎng)在種植和養(yǎng)護(hù)草坪過程中必然要進(jìn)行施肥和施用殺蟲劑、殺菌劑、除草劑等作業(yè)，盡管稻麥農(nóng)田殺菌劑、除草劑、殺蟲劑使用量分別是球場(chǎng)用量的2.6，4.0和6.3倍[2]，但球場(chǎng)草坪的化肥施用量則是農(nóng)田耕地施用量的3～6倍[3-5]。而化肥、農(nóng)藥對(duì)土壤環(huán)境的影響越來越受到人們的重視。目前對(duì)球場(chǎng)草坪土壤的影響研究主要集中在氮、磷元素及有機(jī)氯農(nóng)藥、有機(jī)磷農(nóng)藥施用后隨水的淋溶及富集[6-11]。而對(duì)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(chǎng)各類草坪土壤重金屬元素含量的差異及富集程度，對(duì)防止儲(chǔ)備耕地因土壤重金屬過度累積導(dǎo)致土壤質(zhì)量退化具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。本研究以位于?？谑形髂蟼?cè)1996年開始營(yíng)業(yè)的東山高爾夫球場(chǎng)為研究區(qū)域，研究球場(chǎng)內(nèi)球道、發(fā)球臺(tái)、果嶺0～20 cm和20～40 cm兩個(gè)土層中重金屬含量的差異及變化規(guī)律，旨在為球場(chǎng)土壤的可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

所研究的球場(chǎng)位于海南省?？谑行阌^(qū)東山鎮(zhèn)，?？谑形挥贜 19°32′～20°05′，E 110°10′～110°41′，屬于熱帶海島季風(fēng)氣候區(qū)北部邊緣熱帶濕潤(rùn)區(qū)，春季溫暖降水少，夏季溫度高降水多，淋溶作用強(qiáng)，秋季多臺(tái)風(fēng)雨，冬季降水少，淋溶作用較弱。球場(chǎng)建在沿海臺(tái)地依山傍水的砂質(zhì)磚紅壤地區(qū)，球場(chǎng)于1996年建成開業(yè)，占地124 hm2，球道總長(zhǎng)6 446.5 m，為18洞72桿國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)高爾夫球場(chǎng)。球場(chǎng)發(fā)球臺(tái)草種為‘百慕大419’(葉粗)；果嶺草種為‘百慕大328’(葉細(xì))，球道草種為本地狗牙根。球場(chǎng)草坪施用的主要化肥有：18-6-18復(fù)合肥、18-3-18復(fù)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(jù)球場(chǎng)對(duì)草坪類型養(yǎng)護(hù)的差異，分別采集球道、發(fā)球臺(tái)、果嶺3種草坪的土壤樣品?？紤]到雨、旱季土壤淋溶作用的不同，于2015年對(duì)球場(chǎng)土壤進(jìn)行5次采樣，采樣時(shí)間及降雨信息如表1所示。對(duì)每個(gè)采樣地塊采用簡(jiǎn)單隨機(jī)原則，用專業(yè)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(gè)土層土樣，球道(用d代表)、發(fā)球臺(tái)(用f代表)、果嶺(用g代表)，每個(gè)區(qū)域每次設(shè)2個(gè)點(diǎn)，兩點(diǎn)之間的距離為15 m，每個(gè)區(qū)域一年共采集20個(gè)樣，每個(gè)土層共10個(gè)樣。球場(chǎng)對(duì)照點(diǎn)選在球場(chǎng)外圍2 000 m，位于最小風(fēng)頻區(qū)天然草地10～30 cm處的土。每個(gè)采樣點(diǎn)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(shí)驗(yàn)室，并在室內(nèi)經(jīng)自然晾干→壓碎→去除雜質(zhì)→混勻→碾磨→過100篩，備用。

表1 2015年采樣時(shí)間及雨量Table 1 Sampling time and rainfall in 2015

土樣分析前處理采用美國(guó)國(guó)家環(huán)保局(USEPA)推薦HNO3-HF消解法，用 ICP-MS(Agi-lent 7700x 型)測(cè)定待測(cè)液中的重金屬元素含量。分析過程所用試劑均因子優(yōu)級(jí)純，所用的水均為超純水，同時(shí)加入中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)土壤參比物質(zhì)(GSS-1、GSS-4)進(jìn)行質(zhì)量控制，分析結(jié)果符合質(zhì)控要求。

1.3 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2007對(duì)ICP-MS檢測(cè)出的數(shù)值進(jìn)行均值、標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)分析，用SPSS.18對(duì)球道、發(fā)球臺(tái)、果嶺耕作層及犁底層土壤重金屬元素含量進(jìn)行單因素方差分析，用Origin 9.0 軟件繪制球場(chǎng)不同草坪土壤重金屬含量分布圖。

1.4 評(píng)價(jià)方法

以單因子污染指數(shù)法作為土壤重金屬富集評(píng)價(jià)方法，其計(jì)算公式為：Pi=Ci.Si-1。式中：Pi為土壤單項(xiàng)重金屬污染指數(shù)，Ci為土壤樣品中重金屬i的實(shí)測(cè)值，Si為重金屬i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)Pi≤1 時(shí)，表明無重金屬i累積(污染)；當(dāng)Pi>1.0 時(shí)，表明重金屬i累積(污染)，Pi值越大，累積(污染)越嚴(yán)重[19]。

2 結(jié)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(fā)球臺(tái)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(shù)重金屬含量是犁底層大于耕作層。

表2 高爾球場(chǎng)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(duì)球道、發(fā)球臺(tái)及果嶺耕作層及犁底層土壤重金屬元素含量進(jìn)行比較均值的單因素分析，呈現(xiàn)方差齊性檢驗(yàn)sig>0.05，對(duì)球場(chǎng)球道、發(fā)球臺(tái)、果嶺的耕作層及犁底層所含重金屬進(jìn)行相互對(duì)比，大多顯示P>0.05，說明球道、發(fā)球臺(tái)、果嶺耕作層及犁底層的重金屬含量大多數(shù)沒有顯著差異，只有果嶺與發(fā)球臺(tái)耕作層所含的Cr、As有顯著差異，球道與發(fā)球臺(tái)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(jìn)行平均，結(jié)果如表3所示。Cd，Pb，Cu的平均含量呈現(xiàn)球道>發(fā)球臺(tái)>果嶺；Hg，Ni的平均含量呈現(xiàn)發(fā)球臺(tái)>球道>果嶺；Cr的平均含量呈現(xiàn)果嶺>球道>發(fā)球臺(tái)；As的平均含量呈現(xiàn)球道>果嶺>發(fā)球臺(tái)。

表3 球場(chǎng)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(fā)球臺(tái)和果嶺耕作層與犁底層的7種重金屬含量的變異系數(shù)看，各類型土壤中重金屬的變異系數(shù)都比較大，其中最大的是Cd、Cr，變異系數(shù)為36.78%～109.69%，22.82%～95.22%(圖2)。其次是Pb，變異系數(shù)為20.91%～83.39%，最小的是As，變異系數(shù)為26.69%～56.07%?？梢娒總€(gè)土層每次監(jiān)測(cè)值之間的差異都比較大。

圖1 球場(chǎng)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(píng)價(jià)

東山球場(chǎng)草坪表層土為人工輔的河砂，因此以當(dāng)?shù)睾由白鳛榍驁?chǎng)耕作層的背景土，以該球場(chǎng)外圍西北偏西方向2 000 m最小風(fēng)頻區(qū)的天然草地10～30 cm深度的土樣作為球場(chǎng)犁底層的背景土，以國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[20]作為依據(jù)，用單因子污染指數(shù)法作為土壤重金屬富集及污染與否的評(píng)價(jià)方法，對(duì)東山球場(chǎng)球道、發(fā)球臺(tái)及果嶺土壤中的7種重金屬現(xiàn)狀進(jìn)行分析，結(jié)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(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值為依據(jù)，計(jì)算球道、發(fā)球臺(tái)、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(fā)球臺(tái)、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(dāng)?shù)睾由凹扒驁?chǎng)外圍西北偏西方向2 000 m最小風(fēng)頻區(qū)天然草地土背景值為依據(jù)，計(jì)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(fā)球臺(tái)犁底層之外，其余的也大于1。

由此可見，球場(chǎng)經(jīng)過近20年的經(jīng)營(yíng)，As，Pb兩種重金屬含量雖未超國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值又超過本地土的背景值，已明顯富集。尤其是Hg超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值2倍以上，發(fā)球臺(tái)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值又超背景值，Ni和Cu雖未超國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(píng)價(jià)(Pi)結(jié)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(píng)價(jià)

球場(chǎng)平時(shí)灌溉水源來自于球場(chǎng)西側(cè)的水庫(kù)水，只有在雨季球場(chǎng)所有的內(nèi)湖水都滿了才往水庫(kù)中排放。通過兩年雨旱季對(duì)球場(chǎng)西側(cè)水庫(kù)水質(zhì)12次的監(jiān)測(cè)，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(biāo)準(zhǔn)差分別是：20.60，12.06，0.96，0.06，4.49，0.09，變異系數(shù)最大是鉛為154%，其次是鉻為145%，最小的是鎘為57%；與國(guó)家地表Ⅱ類水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)，如果與國(guó)家地表Ⅲ類水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值相比則球場(chǎng)西側(cè)的水庫(kù)水所有Pi<1[20-21]。由此可見，球場(chǎng)灌溉水源所含重金屬符合國(guó)家地表Ⅲ類水質(zhì)要求。這樣的灌溉水源是否對(duì)球場(chǎng)土壤重金屬超標(biāo)富集有影響，需要長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)并做對(duì)比研究，目前未見利用達(dá)標(biāo)水源灌溉導(dǎo)致土壤重金屬超標(biāo)富集的研究。

3.2 影響不同土層重金屬垂直差異的因素

監(jiān)測(cè)期內(nèi)球場(chǎng)各草坪類型土壤中重金屬的變異系數(shù)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(guān)系。變異系數(shù)最大的Cd與Cr，監(jiān)測(cè)期間Cd的最小數(shù)據(jù)0.06 mg·kg-1，出現(xiàn)在2015年5月8日發(fā)球臺(tái)耕作層，采樣前1個(gè)月內(nèi)未施肥，采樣前7 d降雨量為24 mm，該采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的犁底層監(jiān)測(cè)值是0.13 mg·kg-1；最大數(shù)據(jù)2.62 mg·kg-1，出現(xiàn)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(diǎn)對(duì)應(yīng)的犁底層監(jiān)測(cè)值是2.22 mg·kg-1。監(jiān)測(cè)期間Cr的最小數(shù)據(jù)10.93 mg·kg-1，出現(xiàn)在2015年12月11日發(fā)球臺(tái)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(diǎn)對(duì)應(yīng)的耕作層監(jiān)測(cè)值是21.38 mg·kg-1；最大數(shù)據(jù)378 mg·kg-1，出現(xiàn)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(diǎn)對(duì)應(yīng)的犁底層監(jiān)測(cè)值是34.19 mg·kg-1。由此可見，影響球場(chǎng)草坪土壤重金屬含量垂直差異的主要因素是監(jiān)測(cè)前是否施肥及降雨量，如果施用化肥至采樣時(shí)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(jiān)測(cè)值會(huì)較大;如果采樣前1個(gè)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(nèi)采樣監(jiān)測(cè)值會(huì)較大。

3.3 影響不同草坪區(qū)土壤重金屬分布的因素

東山球場(chǎng)球道種植的是本地草種狗芽根，該草種抗病蟲害能力較強(qiáng)，較容易養(yǎng)護(hù)，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(fā)球臺(tái)每年施用肥料5.5次，每次施用20包，每包25 kg，即發(fā)球臺(tái)每年施用的肥料2 750 kg，發(fā)球臺(tái)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(yǎng)護(hù)難度較大，每個(gè)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(dá)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(fā)球臺(tái)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?？梢娀适┯昧坎⒉皇遣萜簠^(qū)土壤重金屬分布差異的主要因素。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB 18877 -2002)對(duì)現(xiàn)有的有機(jī)-無機(jī)復(fù)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(fù)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(qū)球場(chǎng)施用過各種品牌的化肥。 2016年6月，曾對(duì)東山12批次的化肥做過檢測(cè)，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?？梢姴煌放苹手亟饘俸坎町愝^大。有研究表明：施用有機(jī)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(dǎo)致球場(chǎng)不同草坪土壤重金屬含量監(jiān)測(cè)值水平空間差異的主要原因還是球場(chǎng)施用化肥的品質(zhì)。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(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

高爾夫球場(chǎng)球道、發(fā)球臺(tái)及果嶺土壤中重金屬含量的垂直分布基本呈現(xiàn)犁底層>耕作層；球道、發(fā)球臺(tái)、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(jìn)行平均，則Cd，Pb，Cu的平均含量是球道>發(fā)球臺(tái)>果嶺，Hg，Ni的平均含量是發(fā)球臺(tái)>球道>果嶺，Cr的平均含量是果嶺>球道>發(fā)球臺(tái)，As的平均含量是球道>果嶺>發(fā)球臺(tái)。

影響球場(chǎng)草坪土壤重金屬含量垂直差異的主要因素是監(jiān)測(cè)前是否施肥及降雨量，如果施用化肥至采樣時(shí)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(jiān)測(cè)值會(huì)較大;如果采樣前1個(gè)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(fù)合肥重金屬含量差異很大，球場(chǎng)不同草坪土壤重金屬含量的差異主要與球場(chǎng)施用化肥的品質(zhì)有關(guān)。

高爾夫球場(chǎng)草坪土壤中As，Pb含量雖未超國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值，但均超過本地土的背景值，Cd，Hg含量既超國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值又超過本地土的背景值，已明顯富集。尤其是Hg超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值2倍以上，發(fā)球臺(tái)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值又超背景值，Ni和Cu雖未超國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值但也局部超出背景值。