天津市城區(qū)不同功能區(qū)綠地土壤重金屬分布特征及來(lái)源研究

侯佳渝，楊耀棟，程緒江

(1．天津市地質(zhì)事務(wù)中心，天津 300040； 2．天津市地質(zhì)礦產(chǎn)測(cè)試中心, 天津 300191； 3．天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，天津 300191)

0 引言

隨著城市化的不斷發(fā)展，城市土壤大部分被各類人工建筑物覆蓋，綠地是城市暴露土壤的主要存在形式[1]，綠地在城市中是重要的生態(tài)資源，具有涵養(yǎng)水源、緩沖污染、防風(fēng)固沙、調(diào)節(jié)小氣候、保持生物多樣性的功能，也是城市生態(tài)系統(tǒng)元素儲(chǔ)存、遷移、轉(zhuǎn)化的重要介質(zhì)。重金屬元素在人類生產(chǎn)、生活中使用廣泛，工業(yè)“三廢”、機(jī)動(dòng)車尾氣、生活垃圾、生活污水等都可能造成土壤重金屬污染，對(duì)城市居民健康和城市的可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)了隱憂。

近年來(lái)，城市土壤重金屬累積的問(wèn)題受到廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)外針對(duì)城市土壤重金屬開展了一系列研究，但針對(duì)城市不同功能區(qū)綠地的研究還比較少。徐福銀等[2]認(rèn)為重慶不同功能區(qū)綠地土壤重金屬含量整體較低，商業(yè)區(qū)和交通區(qū)受到污染的程度大于居住區(qū)和休閑區(qū)。陳為峰等[1]在山東某城市開展了研究，發(fā)現(xiàn)工業(yè)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)、商業(yè)區(qū)和居民區(qū)綠地土壤污染程度較高。趙靚等[3]針對(duì)北方某城市的綠地土壤重金屬開展了空間分析、污染評(píng)價(jià)，并通過(guò)多元統(tǒng)計(jì)的方式對(duì)重金屬來(lái)源進(jìn)行了分析。

本研究對(duì)天津市中心城區(qū)內(nèi)的居住文教區(qū)、交通綠化帶、工業(yè)區(qū)、公園、河岸等5類不同功能區(qū)的綠地土壤開展了調(diào)查和采樣工作，在此基礎(chǔ)上對(duì)重金屬的分布規(guī)律和來(lái)源進(jìn)行了分析和研究，旨在進(jìn)一步了解城市生態(tài)系統(tǒng)中污染物質(zhì)的遷移、轉(zhuǎn)化、賦存規(guī)律，為城市生態(tài)文明建設(shè)提供依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

將綠地分為公園綠地、交通綠化帶、工業(yè)區(qū)綠地、居住文教區(qū)綠地、河岸綠地5大類。為了兼顧均勻性和代表性，采樣點(diǎn)網(wǎng)格化布置，1 km2網(wǎng)格一個(gè)點(diǎn)，采樣點(diǎn)布置在網(wǎng)格內(nèi)比較典型的綠地上。共布置采樣點(diǎn)267個(gè)，其中居住文教區(qū)102個(gè)，交通綠化帶92個(gè)，工業(yè)區(qū)53個(gè)，公園11個(gè)，河岸9個(gè)。土壤樣品視采樣點(diǎn)具體情況選取棋盤法、梅花點(diǎn)法、對(duì)角線法或蛇形法進(jìn)行多點(diǎn)取樣并混合，采樣深度為0～20 cm。

為了研究大氣沉降物質(zhì)對(duì)綠地土壤的影響，在城區(qū)共布置13個(gè)大氣沉降接收裝置，接收裝置盡量均勻分布，保證每個(gè)區(qū)至少一個(gè)裝置。接收裝置安放于15 m高以上的屋頂平臺(tái)上，周圍25 m內(nèi)無(wú)遮擋物，100 m內(nèi)沒(méi)有供熱站、工廠等污染源，放置時(shí)長(zhǎng)一年。

1.2 樣品分析

土壤樣品在實(shí)驗(yàn)室用無(wú)污染球磨機(jī)研磨至200目，大氣沉降樣品不需研磨。稱取0.5 g樣品，用王水溶解樣品，采用原子熒光法測(cè)定As、Hg；稱取0.1 g樣品，用硝酸、鹽酸、氫氟酸、高氯酸四酸溶樣，采用等石墨爐原子吸收法測(cè)定Cd，采用等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定Ni、Cu；稱取3.0 g樣品，粉末壓餅法處理，采用X射線熒光光譜法測(cè)定Cr、Pb、Zn。樣品分析中的準(zhǔn)確度和精密度、報(bào)出率、重復(fù)性檢驗(yàn)等各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)均滿足要求。

2 結(jié)果與分析

2.1 綠地土壤重金屬含量總體特征

天津市中心城區(qū)綠地土壤重金屬元素含量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1。累積系數(shù)為綠地土壤元素平均含量與土壤背景值的比值，反映土壤重金屬元素的累積程度。土壤背景值采用天津市1∶25萬(wàn)地球化學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)[4]?？傮w來(lái)看，天津市綠地土壤中Hg、Cd累積程度最高，累積系數(shù)分別為7.66和3.15；其次是Pb、Zn、Cu，累積系數(shù)分別為1.85、1.81、1.61；As、Cr、Ni累積系數(shù)都接近1，平均含量接近背景值。

表1 天津市綠地土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)值

變異系數(shù)可以反映樣品中重金屬元素含量的離散程度。Cd的變異系數(shù)為3.39，遠(yuǎn)高于其他元素，分析數(shù)據(jù)顯示多個(gè)采樣點(diǎn)Cd含量大幅度高于其他點(diǎn)位，其中最大為20 664×10-6，是天津市土壤背景值的168倍。Hg、Pb、Zn、Cu的變異系數(shù)分別為1.34、1.23、1.05、1.01；Cr、As、Ni元素變異系數(shù)較低，分別為0.27、0.25、0.17。

將天津綠地土壤重金屬含量與國(guó)內(nèi)外其他城市對(duì)比，由表2可見(jiàn)，與國(guó)內(nèi)城市比較，北京公園綠地土壤Hg含量是天津綠地的4.97倍；香港公園綠地土壤Cd含量是天津綠地的5.63倍；其他元素的差異不突出。與國(guó)外城市都柏林、雅典比較，除Cr高于都柏林外，天津綠地土壤各重金屬含量都相對(duì)更低。

表2 天津市與其他城市土壤重金屬的對(duì)比

相對(duì)于北京、雅典這樣歷史悠久的城市，以及香港、都柏林這類早期工商業(yè)較發(fā)達(dá)的城市，天津受到人類活動(dòng)的影響更小，因此綠地土壤重金屬累積程度更低。隨著天津城市的進(jìn)一步擴(kuò)張和發(fā)展，我們需要提高污染防治的意識(shí)，避免或者減緩?fù)寥乐亟饘俚某掷m(xù)累積。

依據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 36600—2018)對(duì)綠地土壤進(jìn)行評(píng)價(jià)，只有一個(gè)點(diǎn)的Pb含量略微超過(guò)篩選值，其他各點(diǎn)各元素含量都在篩選值以下，總體上可以認(rèn)為天津市綠地土壤中的重金屬對(duì)人體健康風(fēng)險(xiǎn)非常小。

2.2 不同功能區(qū)綠地土壤重金屬含量特征

不同功能區(qū)綠地土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表3。在5種功能區(qū)中，工業(yè)區(qū)綠地Pb、Zn、Cu、As平均含量最高，Hg排第2位。重金屬元素在工業(yè)上被廣泛使用，工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)都有可能釋放出重金屬并進(jìn)入到城市生態(tài)系統(tǒng)。

表3 不同功能區(qū)綠地土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)參數(shù)

河岸綠地中Hg、Cd平均含量顯著高于其他功能區(qū)，Pb、Zn含量也僅次于工業(yè)區(qū)。本研究認(rèn)為這是因?yàn)楹影毒G地相對(duì)其他區(qū)域還額外受到了河道污水灌溉和河道底泥的影響。

居民區(qū)機(jī)關(guān)文教單位綠地、交通綠化帶和公園綠地中的重金屬富集程度整體上相對(duì)工業(yè)區(qū)和河岸綠地更低。交通綠化帶中的Cd平均含量排第2位，原因是受到最高值點(diǎn)的影響，如將該點(diǎn)剔除平均值將下降48%，位于末位。

從變異系數(shù)來(lái)看，Cu、Ni、Pb、Zn變異系數(shù)在工業(yè)區(qū)中最高，這4種元素在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，區(qū)內(nèi)不同類型工業(yè)的布局和排放特征導(dǎo)致了綠地土壤中元素的不均勻累積。Cd、Hg在居住文教區(qū)的變異系數(shù)最高，居住文教區(qū)人口密度最大，受到人類活動(dòng)的影響最頻繁，不規(guī)范的垃圾處置、廢水排放等帶來(lái)的局部污染導(dǎo)致了較高的變異系數(shù)。

2.3 綠地土壤重金屬來(lái)源分析

經(jīng)過(guò)調(diào)查認(rèn)為，從區(qū)域上來(lái)看重金屬進(jìn)入綠地土壤的途徑與農(nóng)業(yè)區(qū)相似，主要包括：大氣沉降、灌溉水和肥料3種途徑。依據(jù)已有的研究成果，天津市郊區(qū)農(nóng)用地土壤中的重金屬主要來(lái)自于大氣沉降物質(zhì)[10]。本研究開展的調(diào)查顯示單位面積綠地土壤使用的肥料量低于郊區(qū)農(nóng)用地；灌溉水除了河岸綠地較多使用河水灌溉外，其他各種綠地主要使用自來(lái)水灌溉[11]，而自來(lái)水重金屬含量整體低于農(nóng)業(yè)灌溉水；同時(shí)，城市大氣沉降物質(zhì)重金屬的年沉降量高于農(nóng)業(yè)區(qū)[12-13]。從上述比較可以判斷：相對(duì)于農(nóng)業(yè)區(qū)，進(jìn)入城市綠地土壤中的重金屬有更高比例來(lái)自于大氣沉降物質(zhì)。因此認(rèn)為大氣沉降物質(zhì)是天津市城市綠地重金屬的主要輸入途徑。

表4列出了大氣沉降物質(zhì)重金屬含量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其中平均值與天津市土壤背景值的比值可以反映大氣沉降物質(zhì)重金屬的累積程度以及大氣沉降物質(zhì)落地后對(duì)土壤重金屬含量影響的大小。大氣沉降物質(zhì)Cd、Hg分別達(dá)到土壤背景值的22.74和22.46倍；其次是Zn、Pb、Cu，分別是土壤背景值的13.57、8.94和4.66倍；As、Cr、Ni都在3倍以下。大氣沉降物質(zhì)重金屬含量顯著高于綠地土壤，但不同元素的累積特征和綠地土壤非常相似。表4中大氣沉降物質(zhì)重金屬平均值與土壤背景值的比值與表1中綠地土壤重金屬累積系數(shù)呈現(xiàn)出極強(qiáng)的相關(guān)性，二者相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.80，這也從側(cè)面證實(shí)大氣沉降物質(zhì)是天津市城市綠地累積重金屬的主要來(lái)源。

表4 城區(qū)大氣沉降物質(zhì)重金屬濃度統(tǒng)計(jì)值

大氣沉降物質(zhì)中的重金屬含量與人類活動(dòng)密切相關(guān)，不同區(qū)域的大氣沉降物質(zhì)重金屬含量有明顯差異，工業(yè)區(qū)重金屬的年沉降量一般高于居住和文教區(qū)[12]，這是造成不同類型綠地重金屬累積程度不一的主要原因。

河岸綠地因?yàn)榇罅渴褂煤拥牢鬯喔龋琀g、Cd、Pb、Zn的富集程度明顯高于綠地均值。天津市河道內(nèi)的污水來(lái)自于上游工業(yè)和生活污染源，重金屬元素含量偏高，根據(jù)已有的調(diào)查成果，在城區(qū)周邊長(zhǎng)期使用污水灌溉的農(nóng)用地土壤Hg、Cd、Pb、Zn等也有不同程度的累積[14]。

相對(duì)于農(nóng)業(yè)用地和生態(tài)用地，城市綠地土壤受到人類活動(dòng)的影響更大，出現(xiàn)重金屬含量異常高值的概率更高。這些出現(xiàn)異常高值的點(diǎn)位往往受到了局部的污染。河岸綠地在河道清淤的時(shí)候堆積的河道底泥，居民區(qū)綠地上丟棄的溫度計(jì)、電池、燈泡，工業(yè)區(qū)內(nèi)丟棄的半導(dǎo)體零件、蓄電池等都可能造成重金屬在局部地區(qū)高水平累積。

3 結(jié)論

1) 天津市綠地土壤重金屬累積程度Hg>Cd>Pb>Zn>Cu，其中Hg、Cd累積系數(shù)高達(dá)7.66和5.95；As、Cr、Ni平均含量接近背景值。

2) Pb、Zn、Cu、As在工業(yè)區(qū)綠地土壤中含量最高，Cd、Hg、Ni、Cr在河岸綠地土壤中含量最高。居住文教區(qū)綠地、交通綠化帶、公園綠地土壤重金屬累積程度相對(duì)更低。

3) 大氣沉降是重金屬進(jìn)入綠地土壤的主要途徑；大氣沉降物質(zhì)重金屬平均含量和土壤背景值的比值與綠地土壤重金屬累積系數(shù)顯著相關(guān)。

4) 大氣重金屬沉降量的差異是造成不同功能區(qū)綠地土壤重金屬差異的主要原因；河岸綠地還受到河道污水灌溉和河道底泥的影響；生產(chǎn)和生活垃圾也可能造成綠地土壤重金屬的局部累積。