不同城市功能區(qū)綠地土壤重金屬分布及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

陳為峰, 孫其遠(yuǎn),宋希亮,董元杰

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 山東 泰安 271018)

城市土壤是城市生態(tài)系統(tǒng)中的重要組分，是各城市種污染物的“源”與“庫(kù)”，其質(zhì)量退化是城市生態(tài)環(huán)境中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。相對(duì)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(dòng)的重要場(chǎng)地。城市綠地土壤的重金屬污染不僅導(dǎo)致土壤生態(tài)功能發(fā)生退化和喪失，影響城市綠化植物的生長(zhǎng)和功能，而且城市人群長(zhǎng)久暴露在重金屬污染過(guò)的城市土壤下，會(huì)使身體出現(xiàn)各種病變[1-2]，影響居民健康。

幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)各地典型的城市土壤重金屬污染問(wèn)題進(jìn)行了大量研究，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[3-5]，但目前的研究成果主要關(guān)注于工業(yè)城市和大中型城市，對(duì)中小型城市關(guān)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(zhì)性，內(nèi)部不同功能區(qū)土壤重金屬污染來(lái)源、污染程度也各有不同，使污染呈現(xiàn)出了不同的空間分布特征[6]。從不同城市功能區(qū)的角度研究綠地土壤中各種重金屬的含量和分布特征，開(kāi)展污染評(píng)價(jià)，是各城市土壤污染管控必須的基礎(chǔ)性研究工作之一。

重金屬Cu，Zn，Pb，Cd是城市土壤中來(lái)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(qū)的綠地土壤為研究對(duì)象，利用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法以及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)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(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，以期為不同城市功能區(qū)綠地土壤環(huán)境質(zhì)量控制和精準(zhǔn)化治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究城市位于山東省中部，是魯中山區(qū)的代表區(qū)域和中心城市之一，屬溫帶大陸性半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，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(guó)優(yōu)秀旅游城市，國(guó)家歷史文化名城。2016年，全市共接待境內(nèi)外游客6278.2萬(wàn)人次。

1.2 樣品采集與處理

根據(jù)所研究城市土地利用特征進(jìn)行城市功能區(qū)劃分，最終確定了公園綠地(G1)、苗木生產(chǎn)區(qū)(G2)、市政單位綠地(G3)、校園綠地(G4)、居住區(qū)綠地(G5)、工業(yè)綠地(G6)、風(fēng)景名勝區(qū)(G7)、商業(yè)區(qū)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(shí)也考慮了部分不同利用年限的土壤，總計(jì)設(shè)計(jì)62個(gè)采樣點(diǎn)，另外設(shè)置1個(gè)城郊農(nóng)田采樣點(diǎn)、1個(gè)自然植被土壤采樣點(diǎn)作為對(duì)照。在各樣點(diǎn)中，按隨機(jī)布點(diǎn)法，采集表土(0—20 cm)分析樣品。每個(gè)土樣的采集是分別在樣點(diǎn)地上取6個(gè)點(diǎn)，并將它們進(jìn)行混合，以混合樣制成一個(gè)分析樣。土壤樣品經(jīng)風(fēng)干、研磨、過(guò)篩后用HNO3-HClO4-HF體系對(duì)樣品進(jìn)行全分解[7]，利用火焰原子吸收法測(cè)定Cu，Zn，Cd的含量[8-9]，利用石墨爐原子吸收法測(cè)定Pb的含量[10]。

1.3 土壤重金屬污染及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

研究采用單因子指數(shù)法和尼梅羅綜合指數(shù)法對(duì)研究區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，并用潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)研究區(qū)重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(1) 單因子指數(shù)法。單項(xiàng)污染評(píng)價(jià)可采用單項(xiàng)污染分級(jí)指數(shù)法[11]，即以地區(qū)土壤地球化學(xué)背景(自然土壤)為基礎(chǔ)，借鑒國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，確定污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。以測(cè)區(qū)背景上限為重金屬元素累積起始值(Xa)，國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的2類標(biāo)準(zhǔn)作為污染起始值(Xc)，土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的3類標(biāo)準(zhǔn)作為重污染起始值(Xp)(表1)。污染分級(jí)指數(shù)是指某一污染物影響下的環(huán)境污染指數(shù)，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(jí)標(biāo)準(zhǔn) mg/kg

可根據(jù)下式計(jì)算出的單項(xiàng)污染分級(jí)指數(shù)，對(duì)單項(xiàng)污染程度進(jìn)行分級(jí)。

式中：Pi為污染分級(jí)指數(shù)；Ci為土壤中污染物的實(shí)測(cè)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(xiàng)污染指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 土壤單項(xiàng)污染指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

(2) 尼梅羅綜合指數(shù)法。尼梅羅綜合指數(shù)采用下式計(jì)算：

式中：Pi均和Pi最大分別是參加評(píng)價(jià)的單項(xiàng)污染指數(shù)的算術(shù)平均值和單項(xiàng)污染指數(shù)中的最大值。土壤綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

表3 土壤內(nèi)梅羅污染指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

尼梅羅綜合污染指數(shù)的計(jì)算式中含有評(píng)價(jià)參數(shù)中最大的單項(xiàng)污染分布指數(shù)，突出了污染指數(shù)最大的重金屬元素對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響和作用。

(3) 潛在生態(tài)危害指數(shù)法。用瑞典學(xué)者Hankanson建立的潛在生態(tài)危害指數(shù)法[12](Risk index，RI)結(jié)合生物毒理、環(huán)境化學(xué)及生態(tài)學(xué)等方面的內(nèi)容，以定量的方法區(qū)分重金屬元素的潛在生態(tài)危害程度。在本研究中以《中國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618—1995)Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。潛在生態(tài)危害指數(shù)RI計(jì)算公式為：

表4 城市綠地土壤重金屬污染評(píng)價(jià)參考標(biāo)準(zhǔn)(pH>7.5)

表和RI分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

Hakanson提出從“元素豐度原則”和“元素稀釋度”的角度討論此問(wèn)題，即某一重金屬的潛在毒性與其豐度成反比，或者說(shuō)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(guān)，易于釋放者對(duì)生物的潛在毒性較大，Hakanson提出的重金屬毒性水平順序?yàn)椋篐g>Cd>As>Pb=Cu>Cr>Zn，對(duì)毒性響應(yīng)系數(shù)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(jié)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(nóng)田土壤和自然植被土壤的含量，表現(xiàn)出富集的特征(圖1—4)。其中，土壤Zn，Pb，Cu平均含量均低于國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，Cd平均含量超標(biāo)嚴(yán)重。

Cu以公園綠地含量最高，其次是居民區(qū)綠地>風(fēng)景名勝區(qū)>苗木生產(chǎn)區(qū)>商業(yè)區(qū)綠地>道路綠地>城郊農(nóng)田土壤>校園綠地>市政單位綠地>工業(yè)綠地>自然植被土壤；Zn的含量依次是商業(yè)區(qū)綠地>苗木生產(chǎn)區(qū)>風(fēng)景名勝區(qū)>居住區(qū)綠地>工業(yè)綠地>道路綠地>校園綠地>公園綠地>市政單位綠地>城郊農(nóng)田土壤>自然植被土壤；Pb的含量依次是風(fēng)景名勝區(qū)>公園綠地>工業(yè)綠地>商業(yè)區(qū)綠地>居住區(qū)綠地>道路綠地>市政單位綠地>苗木生產(chǎn)區(qū)>校園綠地>城郊農(nóng)田土壤>自然植被土壤；Cd的含量依次是工業(yè)綠地>商業(yè)區(qū)綠地>居住區(qū)綠地>風(fēng)景名勝區(qū)>苗木生產(chǎn)區(qū)>道路綠地>公園綠地>校園綠地>市政單位綠地>城郊農(nóng)田土壤>自然植被土壤。

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

2.2 城市綠地土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.2.1 綠地土壤重金屬單因子指數(shù)評(píng)價(jià) 不同功能區(qū)城市綠地土壤重金屬污染單項(xiàng)污染指數(shù)及質(zhì)量評(píng)價(jià)見(jiàn)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(jīng)處于潛在污染狀態(tài)，而Cd已經(jīng)處于重污染狀態(tài)。

2.2.2 綠地土壤重金屬綜合評(píng)價(jià) 應(yīng)用尼梅羅綜合污染評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)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(jí)別，其中處于“中度污染”的污染級(jí)別的綠地土壤類型有工業(yè)綠地、商業(yè)區(qū)綠地、風(fēng)景名勝區(qū)和居住區(qū)綠地，而且苗木生產(chǎn)區(qū)和道路綠地土壤也接近“中度污染”級(jí)別；各綠地類型的污染程度由重到輕依次為工業(yè)綠地>商業(yè)區(qū)綠地>風(fēng)景名勝區(qū)>居住區(qū)綠地>苗木生產(chǎn)區(qū)>道路綠地>公園綠地>校園綠地>市政單位綠地>城郊農(nóng)田土壤>自然植被土壤。

圖1 城市不同功能區(qū)綠地表層土壤Cu特征

圖2 城市不同功能區(qū)綠地表層土壤Zn特征

圖3 城市不同功能區(qū)綠地表層土壤Cd特征

圖4 城市不同功能區(qū)綠地表層土壤Pb特征

2.3 城市綠地土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

土壤重金屬評(píng)價(jià)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)選用“中國(guó)土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)值”中Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值作為土壤污染物參比值，即是否能對(duì)人體健康構(gòu)成威脅，采用Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)不同功能區(qū)綠地土壤重金屬作出潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

表6 土壤重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)及質(zhì)量等級(jí)

表7 城市綠地土壤重金屬內(nèi)梅羅污染指數(shù)綜合評(píng)價(jià)

表8 不同功能區(qū)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(guān)性分析

對(duì)調(diào)查的城市綠地土壤中各重金屬污染元素進(jìn)行相關(guān)分析(表10)，結(jié)果顯示綠地表層土壤中Cu-Zn，Cu-Cd，Pb-Cd顯著相關(guān)，Cu-Pb，Zn-Cd極顯著相關(guān)，表明這些重金屬元素的形成復(fù)合污染，金屬之間可能有相似的污染途徑和來(lái)源。

表10 城市綠地表層土壤重金屬元素含量之間的相關(guān)系數(shù)

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(qū)綠地土壤Cu，Zn，Cd和Pb的污染程度均位于前5名的是工業(yè)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)、商業(yè)區(qū)綠地和居民區(qū)綠地。由于工業(yè)排放，導(dǎo)致工業(yè)區(qū)土壤重金屬綜合污染較為嚴(yán)重，居各類功能區(qū)土壤重金屬污染之首，與他人研究基本一致[15-16]，但風(fēng)景名勝區(qū)綠地土壤的Pb含量和商業(yè)區(qū)綠地Zn含量分別位于污染程度的首位，與其他城市表現(xiàn)不同，分析原因?yàn)樵撌惺菄?guó)家級(jí)重點(diǎn)旅游城市，旅游景點(diǎn)有幾千年歷史，且每年游客眾多，隨身攜帶各種污染物長(zhǎng)期對(duì)綠地土壤造成污染；商業(yè)區(qū)綠地作為城市最繁華的地段，眾多的消費(fèi)者及城市游客在消費(fèi)的同時(shí)，同樣給綠地土壤帶來(lái)了多種污染物；居民區(qū)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(guān)；其次還應(yīng)重視苗木生產(chǎn)區(qū)的重金屬污染現(xiàn)象，可能與長(zhǎng)期施入大量有機(jī)肥有關(guān)。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(shù)、道路寬度、風(fēng)速風(fēng)向、沉降量以及大氣濕度等因素有關(guān)。但不同功能區(qū)土壤中鉛的含量高值并未出現(xiàn)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(huì)隨風(fēng)漂浮一定距離后才沉降。

研究結(jié)果表明，土壤重金屬Cd的含量普遍超標(biāo)，達(dá)到了危害人體健康的程度，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)Cd污染的治理。有研究認(rèn)為，Cd污染嚴(yán)重的原因在于城市周邊工業(yè)區(qū)電鍍廠的大氣飄層，以及機(jī)動(dòng)車用油燃燒和含有Cd的輪胎與道路摩擦產(chǎn)生的粉塵[17]，本研究城市城區(qū)集中，機(jī)動(dòng)車密度較大，其Cd來(lái)源應(yīng)該主要是后者。目前我國(guó)沒(méi)有公園、住宅區(qū)等城市土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，采用國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)作為與人們密切接觸的城市土壤評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是否合適，有待進(jìn)一步探討。

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)可以全面反映各重金屬對(duì)土壤的不同作用，兼顧單元素污染指數(shù)平均值和最大值，突出了污染指數(shù)最大的污染物對(duì)環(huán)境質(zhì)量的影響和作用。綜合污染評(píng)價(jià)研究表明，處于“中度污染”的污染級(jí)別的綠地類型有工業(yè)綠地、商業(yè)區(qū)綠地、風(fēng)景名勝區(qū)和居住區(qū)綠地，而且苗木生產(chǎn)區(qū)和道路綠地也接近“中度污染”級(jí)別。因此應(yīng)重視對(duì)工業(yè)綠地、商業(yè)區(qū)綠地、風(fēng)景名勝區(qū)和居住區(qū)綠地的污染治理和生物修復(fù)，同時(shí)注重苗木生產(chǎn)區(qū)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(guān)性研究可以用來(lái)推測(cè)不同重金屬的污染來(lái)源[18]，若重金屬含量有顯著的相關(guān)性，說(shuō)明有相同來(lái)源的可能性較大[19]，否則來(lái)源可能不止一個(gè)。本研究表明重金屬元素之間形成了一定程度的復(fù)合污染，金屬之間可能有相似的污染途徑和來(lái)源。

4 結(jié) 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(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，Cd平均含量嚴(yán)重超標(biāo)。各功能區(qū)綠地表層土壤重金屬Cu，Zn，Cd和Pb已表現(xiàn)出富集狀態(tài)，其中工業(yè)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)、商業(yè)區(qū)和居民區(qū)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(jīng)不屬于清潔安全狀態(tài)，已處于潛在污染狀態(tài)，而Cd已經(jīng)處于重污染狀態(tài)。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(jí)別，其中處于“中度污染”的污染級(jí)別的綠地類型有工業(yè)綠地、商業(yè)區(qū)綠地、風(fēng)景名勝區(qū)和居住區(qū)綠地，而且苗木生產(chǎn)區(qū)和道路綠地也接近“中度污染”級(jí)別。該市綠地土壤重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)(RI)值雖然都沒(méi)有超過(guò)150，處于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，但Cd潛在生態(tài)危害指數(shù)已經(jīng)處于中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。土壤Cd的防治應(yīng)該引起重視。

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