保定市主城區(qū)不同類型綠地土壤化學(xué)性質(zhì)及重金屬污染1)

邸東柳 牛小云 王紹坤 畢秋薇 張立業(yè) 黃大莊

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，保定，071000)

城市是人類生活高度集中，社會、經(jīng)濟、自然相互融合且極其不穩(wěn)定的人工生態(tài)系統(tǒng)[1]。城市綠地作為唯一類似自然的生態(tài)系統(tǒng)，在保護環(huán)境、保持居民身心健康等方面起著重要作用。城市綠地土壤不僅是城市生態(tài)系統(tǒng)的組成部分和綠色植物生長的介質(zhì)及養(yǎng)分供應(yīng)者，也是城市污染的源和匯[2]。隨著城市化進程的不斷推進，密集的工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸和頻繁的人類活動對城市的影響日益顯著，城市土壤理化性質(zhì)發(fā)生改變，重金屬污染加重，城市出現(xiàn)一系列社會和生態(tài)環(huán)境問題[3]。由于重金屬具有降解性低、流動性差、易積累等特點使其成為永久性的潛在污染物。鉛(Pb)、鎘(Cd)、鉻(Cr)為城市中毒性強、對人體健康危害大的重金屬元素，隨著城市的快速發(fā)展逐漸被積累。根據(jù)趙卓亞[4]研究發(fā)現(xiàn)，鎘是保定市綠地土壤的主要重金屬來源，且不同綠地類型中鉛、鉻均存在不同程度的污染。可通過呼吸和皮膚直接接觸對人類特別是兒童健康造成直接和間接的影響，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的癌癥風(fēng)險[5-7]。

隨著“一帶一路”戰(zhàn)略、“京津冀協(xié)同發(fā)展”和“雄安新區(qū)”國家經(jīng)濟戰(zhàn)略的推進，河北省保定市作為京津冀中心和雄安新區(qū)的戰(zhàn)略腹地，是北京非首都功能的支撐點和京津產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的承接地，在京津定位中起著重要的作用。對保定市城市生態(tài)系統(tǒng)進行研究，可以為京津冀建設(shè)政策制定等提供參考數(shù)據(jù)。長期以來，人們的研究主要集中在大氣污染的來源和控制方面[8-10]，少有對城市不同類型綠地土壤污染情況進行系統(tǒng)的分析[11-12]。雖然趙卓亞在2009年對保定城市綠地土壤重金屬污染程度進行了研究[4]，但是經(jīng)過10 a城市化快速發(fā)展，保定市不同類型綠地重金屬污染情況勢必發(fā)生變化。對河北省保定市城區(qū)綠地土壤重金屬元素的污染程度進行評價，有助于我們有針對性的修復(fù)城市土壤，對保障人們健康生活具有積極意義。本文根據(jù)河北省保定市城市綠地類型和距市中心不同距離設(shè)置土壤取樣點，測定分析不同綠地類型和距市中心不同距離對土壤化學(xué)性質(zhì)和重金屬污染的影響,為更全面了解河北省保定市主城區(qū)土壤的性質(zhì)和土壤環(huán)境質(zhì)量提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過對城市綠地土壤質(zhì)量進行合理、客觀的分析，也可為保定市城區(qū)土地資源的合理開發(fā)利用、城市的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供重要參考價值。

1 研究區(qū)概況

保定市位于河北省中部，華北平原中北部，被譽為中國首都的南大門。保定市是典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候，夏季盛行東南風(fēng)，冬季盛行西北風(fēng)，年平均氣溫13.4 ℃，年平均降水量500 mm左右，集中在6—8月。保定市主城區(qū)面積為299.6 km2，常住人口120萬人，城市化程度較高，是一座典型的工農(nóng)業(yè)城市，主要包括造紙、毛皮、印染、紡織、制藥和建筑材料等產(chǎn)業(yè)，其中大氣污染、水污染和固廢環(huán)境問題較為突出。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

保定市道路網(wǎng)以保定站為中心呈方格式分布，2019年1月初進行調(diào)查取樣，根據(jù)不同的土地利用方式將保定市城市綠地劃分為道路綠地、居住區(qū)綠地、學(xué)校綠地、工業(yè)綠地、公園綠地、商業(yè)綠地6種類型；依據(jù)距市中心的距離劃分一、二、三環(huán)3個區(qū)域。具體的采樣地點定位44個，其中道路綠地14個，居住區(qū)綠地6個，學(xué)校綠地8個，工業(yè)綠地5個，公園綠地8個，商業(yè)綠地3個(圖1)。每處采樣點設(shè)置3個重復(fù)，每份土樣均是5個采集點混合而成，共132個土壤樣品。

2.2 取樣方法

為減弱土壤空間異質(zhì)性造成的影響，根據(jù)相應(yīng)區(qū)域的地形特點設(shè)置取樣方法。其中公園綠地、學(xué)校綠地、居住區(qū)綠地、工業(yè)綠地、商業(yè)綠地采用棋盤式布點法；道路綠地采用蛇形布點法。隨機采取5份土壤進行混合為1份樣品，平行采樣3次。采樣時將土壤表層的枯枝落葉及雜物清除后，用土鉆取表面0～20 cm的土壤，混合均勻后用四分法取2 kg土壤裝入自封袋，標(biāo)明地點和編號。同時，采用全球定位系統(tǒng)(GPS)定位并記錄采樣點的地理坐標(biāo)和采樣點周圍植物，最后將整理好的土樣帶回實驗室。

2.3 樣品的處理及測定方法

土樣去除樹根、石塊等雜質(zhì)風(fēng)干后，過20目尼龍篩測定pH、有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)；過100目尼龍篩測定土壤養(yǎng)分(全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀)和重金屬(Pb、Cd、Cr)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。具體測定方法如下：土壤pH用電位法測定；有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法；全氮測定采用凱式定氮法；堿解氮的測定采用堿解擴散法；全磷采用高氯酸-硫酸消煮-鉬銻鈧比色法測定；速效磷采用碳酸氫鈉-鉬銻鈧比色法測定；全鉀采用五水合硫酸銅無水硫酸鈉-濃硫酸消煮-原子吸收分光光度法；速效鉀采用中性乙酸銨提取-原子吸收分光光度法[13]；土壤重金屬含量采用王水-高氯酸消煮體系(Sined,MDS-6)；Pb、Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)用火焰原子分光光度法進行測定(AA-680)，Cd采用石墨爐原子分光光度法(AAS Zeenit700P)。

圖1 保定市主城區(qū)不同綠地類型取樣點分布情況

2.4 土壤肥力因子評價方法

隸屬度函數(shù)：

F(x)=(Xmax-X)/(Xmax-Xmin)。

(1)

F(x)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)。

(2)

權(quán)重系數(shù)計算公式：

(3)

土壤綜合肥力由土壤質(zhì)量指數(shù)(ISQ)計算公式：

(4)

土壤質(zhì)量是評估土壤狀況和變化的重要概念，土壤具有維持植物和動物生產(chǎn)力、提高水和空氣質(zhì)量以及支持人類健康和居住的能力[14]。其中F(x)為各土壤因子的隸屬度，X為各因子的值，Xmax和Xmin分別為各土壤因子的最大值和最小值。pH在本次研究中均為堿性，堿性越強對植物不利，因此隸屬度采用函數(shù)(1)，其余因子在本次研究中為正相關(guān)，所以使用函數(shù)(2)確定隸屬度。由于土壤各因子相對重要性的差異，各因子的重要性用一個權(quán)重系數(shù)來表示。通過主成分分析(PCA)，利用公式(3)計算土壤質(zhì)量評價中各土壤因子的權(quán)重[15]。Wi為各項土壤因子的權(quán)重系數(shù)，CCi為第i個土壤因子的荷載。利用公式(4)計算土壤綜合質(zhì)量指數(shù)，Wi為權(quán)重，F(xiàn)(xi)為各土壤因子的隸屬度。

按肥力綜合指數(shù)對土壤的肥力狀況進行分級，取值在0～1之間，分為差(ISQ<0.4)、中等(0.4≤ISQ<0.6)、一般(0.6≤ISQ<0.7)、良(0.7≤ISQ<0.8)、優(yōu)(0.8≤ISQ)5個等級[16-17]。

2.5 土壤重金屬污染風(fēng)險評估方法

(1)Muller地積累指數(shù)法污染評價

Igeo=log2[Cn/(kBn)]。

式中：Cn是元素n在土壤中的含量，Bn是土壤中該元素的地球化學(xué)背景值，k為考慮各地土壤差異可能會引起背景值的變動而取得系數(shù)，一般為1.5。

將污染程度分為無污染(Igeo<0)、輕度污染(0≤Igeo<1)、偏中度污染(1≤Igeo<2)、中度污染(2≤Igeo<3)、偏重度污染(3≤Igeo<4)、重污染(4≤Igeo<5)、嚴(yán)重污染(5≤Igeo<10)7個等級[18]。

(2)潛在生態(tài)危害指數(shù)法

2.6 數(shù)據(jù)處理方法

利用SPSS 22對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，分析不同類型綠地和距市中心距離的對土壤化學(xué)性質(zhì)和重金屬含量的影響，采用雙因素方差分析，在5%水平上用最小差異性差異(LSD)和Duncan進行顯著性差異檢驗。利用ARCGIS 10.6普通克里格加上平滑效果的校正和反距離權(quán)重插值對數(shù)據(jù)集進行插值分析，描述土壤綜合質(zhì)量指數(shù)、重金屬單一污染指數(shù)和重金屬綜合污染程度的空間分布。

3 結(jié)果與分析

3.1 保定市主城區(qū)綠地土壤化學(xué)性質(zhì)

表1為保定市主城區(qū)不同綠地土壤化學(xué)性質(zhì)，保定市主城區(qū)城市綠地pH均值為8.14，最低7.52，變異系數(shù)較低，為2.34%，是典型的堿性土壤；有機質(zhì)平均值為20.06 g·kg-1，高于園林土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最低臨近值10.00 g·kg-1，但是仍然處于第4等級養(yǎng)分缺乏狀態(tài)；全氮、全磷、全鉀平均值分別為0.22、0.61、2.56 g·kg-1；堿解氮、速效磷、速效鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為90.71、23.14、13.01 mg·kg-1。根據(jù)養(yǎng)分等級表可知(表2)，全磷和堿解氮處于第2等級養(yǎng)分水平，而全鉀和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為極度缺乏狀態(tài)，速效磷變異系數(shù)最大，高達81.44%，整體平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)屬于2級水平。

表1 保定市主城區(qū)不同綠地土壤各養(yǎng)分化學(xué)性質(zhì)平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表2 土壤養(yǎng)分等級

保定市主城區(qū)不同綠地土壤化學(xué)性質(zhì)和養(yǎng)分含量如表3所示，除全鉀外，這兩者的交互作用對綠地土壤指標(biāo)有顯著影響。整體上看，三環(huán)土壤的pH值最高，其中公園、道路、學(xué)校綠地pH高于其他綠地，養(yǎng)分含量較低，三環(huán)綠地中公園綠地、道路綠地、學(xué)校綠地、居住區(qū)綠地的速效鉀、速效磷、堿解氮、全氮、有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大部分低于一、二環(huán)區(qū)域的同類型綠地，但工業(yè)綠地土壤全氮和有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)很高，分別為0.34和27.89 g·kg-1。

表3 保定市主城區(qū)不同綠地土壤化學(xué)性質(zhì)和養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3.2 保定市主城區(qū)綠地土壤綜合肥力評價

本次研究對所測定的9項土壤質(zhì)量指標(biāo)進行主成分分析，提取了4個主成分，其特征值大于0.80，累積貢獻率為81.67%，說明這4個主成分可以基本反映全部指標(biāo)的信息。各個指標(biāo)的權(quán)重值如表3所示，全鉀和全氮所占比例最大，分別為0.22、0.17，堿解氮所占比例最低為0.05。最后利用ISQ對其進行加權(quán)求和，根據(jù)保定市綠地類型和距市中心不同距離進行分類，得出城市綠地土壤質(zhì)量綜合結(jié)果(表4)。單因素方差分析的結(jié)果差異顯著，綠地土壤質(zhì)量由高到低依次為一環(huán)居住區(qū)綠地(0.62)、二環(huán)學(xué)校綠地(0.48)、二環(huán)公園綠地(0.45)、三環(huán)工業(yè)綠地(0.45)、一環(huán)道路綠地(0.42)、一環(huán)商業(yè)綠地(0.41)、二環(huán)居住區(qū)綠地(0.36)、二環(huán)工業(yè)綠地(0.36)、一環(huán)學(xué)校綠地(0.35)、二環(huán)道路綠地(0.35)、一環(huán)公園綠地(0.31)、三環(huán)公園綠地(0.29)、三環(huán)道路綠地(0.23)、三環(huán)學(xué)校綠地(0.22)、三環(huán)居住區(qū)綠地(0.20)。其中一環(huán)居住區(qū)綠地土地綜合質(zhì)量最高，是三環(huán)居住區(qū)綠地綜合質(zhì)量的3.17倍，整體肥力屬于中等偏上狀態(tài)。保定市土壤綜合質(zhì)量指數(shù)數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，對其進行普通克里格插值分析，結(jié)果見圖2。由圖2可知，ISQ的空間分布整體上呈現(xiàn)出城市中心和西北區(qū)域土地質(zhì)量高，但是大部分區(qū)域的綠地土壤質(zhì)量較差，主要集中在東部區(qū)域，且分布具有一定連續(xù)性。

表4 主城區(qū)不同綠地土壤綜合肥力評價

圖2 河北省保定市主城區(qū)生態(tài)危害指數(shù)的空間分布圖

3.3 保定市主城區(qū)綠地土壤重金屬污染評價

利用火焰和石墨爐原子吸收儀對保定市的Pb、Cd、Cr進行測定分析，計算出主城區(qū)土壤Pb、Cd、Cr平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為46.00、0.74、124.96 mg·kg-1，是河北省背景值的2.34、7.87、1.83倍。采用Muller風(fēng)險評價對保定市各功能區(qū)土壤重金屬污染程度進行評估的結(jié)果見表5。

表5 不同綠地土壤重金屬地積累指數(shù)Muller風(fēng)險評價

Pb、Cr污染指數(shù)均小于1.00。除學(xué)校綠地、三環(huán)的公園和居住區(qū)、道路綠地均無Cr污染；除三環(huán)的公園和居住區(qū)綠地?zé)oPb污染外，其他綠地Pb、Cr均為輕微污染。保定市Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于河北省背景值0.09 mg·kg-1，其中道路綠地為重度污染，污染指數(shù)大于3.00；學(xué)校、居住區(qū)綠地以及一環(huán)工業(yè)綠地、二環(huán)商業(yè)綠地和三環(huán)公園綠地為中度污染，污染相對較低，但仍然遠(yuǎn)高于背景值。因其數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，所以在變異函數(shù)擬合的基礎(chǔ)上，對研究區(qū)土壤重金屬的Muller值進行反距離權(quán)重進行分析，重金屬元素Pb、Cd、Cr單因素污染指數(shù)整體連續(xù)空間分布如圖2所示，Pb、Cd、Cr具有相似分布趨勢，在部分區(qū)域分布邊界明顯，西北和東南方向污染指數(shù)均較高。保定市主城區(qū)綠地土壤中Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)西北-東南方向呈條帶狀分布，Cd的分布呈現(xiàn)西北、東南高的特點，且具有一定的連續(xù)性。Cr總體污染程度較輕，大部分為無污染狀態(tài)，但在西北、東二環(huán)、南二環(huán)部分區(qū)域為輕度污染。

采用潛在生態(tài)危害指數(shù)評價法將土壤重金屬含量與毒理學(xué)效應(yīng)聯(lián)系起來進行綜合評價，保定市各綠地類型與距市中心不同距離的土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價指數(shù)如表6所示。

由表6可見，道路綠地污染程度最高，達到重度污染狀態(tài)；除三環(huán)學(xué)校綠地為輕微的風(fēng)險外，其他均為中度風(fēng)險，說明保定市土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險很高；各區(qū)潛在生態(tài)風(fēng)險大小順序為三環(huán)道路綠地(406.35)、二環(huán)道路綠地(402.18)、一環(huán)道路綠地(380.85)、二環(huán)公園綠地(262.29)、三環(huán)工業(yè)綠地(262.01)、一環(huán)公園綠地(197.97)、一環(huán)商業(yè)綠地(190.84)、一環(huán)居住綠地(190.79)、二環(huán)工業(yè)綠地(189.47)、三環(huán)居住綠地(185.06)、二環(huán)居住綠地(182.85)、一環(huán)學(xué)校綠地(179.05)、二環(huán)學(xué)校綠地(167.44)、三環(huán)公園綠地(157.46)、三環(huán)學(xué)校綠地(135.29)；3種重金屬平均生態(tài)風(fēng)險指數(shù)大小順序為Cd、Pb、Cr，Cd的風(fēng)險貢獻率最大，為94.04%，毒性響應(yīng)系數(shù)很高，為保定市主要風(fēng)險因子。在此基礎(chǔ)上利用反距離權(quán)重法生成了河北省保定市生態(tài)危害指數(shù)的空間分布圖，如圖2所示。從圖2可以看出東南和西北區(qū)域重金屬風(fēng)險最大為強度污染，南二環(huán)也有零星分布，是以工業(yè)和交通為中心的島狀和散點式布局，保定市生態(tài)風(fēng)險不容忽視。

4 討論

保定市作為典型的工農(nóng)業(yè)城市，受功能分區(qū)和建城史影響，不同綠地類型的土壤化學(xué)性質(zhì)存在顯著差異。土壤肥力作為衡量城市生態(tài)功能維持的關(guān)鍵指標(biāo)，是城市土壤可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)[20]。保定市綠地土壤pH平均值高達8.14，高于同一地區(qū)的農(nóng)業(yè)土壤，城市土壤中存在碳酸鈣、砂漿等建筑垃圾以及沉降的大氣顆粒物中的堿性物質(zhì)與土壤發(fā)生反應(yīng)，成為一種持久存在于土壤中的化學(xué)物質(zhì)，使土壤堿性增強[21]。土壤有機質(zhì)平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為20.06 g·kg-1，屬于城市土壤的中等偏下水平，城市較低的土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要與城市建設(shè)和綠地管理有關(guān)[22-23]，從Seddaiu et al.[24]研究中可知在擾動較多的土壤中總有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)更低，城市建設(shè)時一般去除地表植物和表土，導(dǎo)致含有較少有機質(zhì)的深層土壤翻于表面，降低表層土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。土壤氮、磷、鉀是植物生長所必需的3大營養(yǎng)元素，各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高低直接影響植物的生長狀況。保定市主城區(qū)不同類型綠地全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)略高，全鉀沒有顯著性差異，這一結(jié)果與合肥等城市[25]情況類似，這表明城市缺氮是一種普遍現(xiàn)象，可能與降水有關(guān)，特別是夏季，較大的降水量可以將硝化產(chǎn)生的硝態(tài)氮淋溶，進一步降低土壤表層有效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)；也可能與城市土壤中氮的礦化和硝化有關(guān)[26]。而城市車輛擠壓、行人踐踏以及城市重金屬量的升高，均可以間接減少土壤中微生物和無脊椎動物的多樣性，降低土壤氮礦化和硝化速率，從而降低土壤有效氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[27]。

保定市一、二環(huán)城市綠地土壤綜合肥力較高，且居住區(qū)綠地的土地綜合肥力最高。一環(huán)居住區(qū)位于保定市中心，建設(shè)年限長，受人類活動影響大，綠地土壤具有精細(xì)的施肥和灌溉管理，且有研究發(fā)現(xiàn)適量城市垃圾可以改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤綜合質(zhì)量[28]。居住區(qū)綠地速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，隨距市中心距離的增加呈明顯下降趨勢，與城市用地的年齡是正相關(guān)。一環(huán)公園綜合肥力較低，雖然有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)很高，但公園綠地土壤養(yǎng)分特征整體弱于道路綠地。有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高可能因為建設(shè)年限長，微生物較多，有利于凋落物和代謝物的分解。而綜合肥力低或許是因為一環(huán)公園位于市中心區(qū)域，受到人類活動的長時間影響，導(dǎo)致綠化差而且污染較多。

保定市三環(huán)區(qū)域土壤綜合肥力較低，或許是因為在建造過程中產(chǎn)生大量石灰等建筑垃圾以及施肥不及時等原因造成。但工業(yè)綠地綜合肥力高，因為大多工廠為飼料廠，主要材料是玉米、大豆以及植物秸稈等淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)豐富的原材料進行加工制造，在工廠四周產(chǎn)生大量粉塵，而且大多數(shù)工廠是在農(nóng)田的基礎(chǔ)上建立起來，土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。其他綠地類型綜合質(zhì)量低或許是因為三環(huán)綠地土壤中有較多石塊、塑料等廢棄物，管理較差；pH顯著高于其他綠地類型，尤其道路綠地，也可能是由于街道上撒鹽融化積雪[29]。在調(diào)查時發(fā)現(xiàn)主要行道樹為懸鈴木、楊樹搭配少量的大葉黃楊，植被覆蓋率低，景觀效果差，有較多的裸露地面和較少的管理，因此有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低。

總而言之，保定市中部和西北部綜合肥力指數(shù)高于其他區(qū)域，城市土壤肥力受人類活動干擾較大，中部區(qū)域是保定市中心，建設(shè)年限長，密集的人類活動可能是其肥力指數(shù)較高的原因，而西北部雖然屬于工業(yè)區(qū)，但是主要為飼料廠和造紙廠，產(chǎn)生的粉塵沉積在四周綠地土壤上，土壤質(zhì)量指數(shù)較高。

保定綠地土壤Pb的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46 mg·kg-1，均為污染區(qū)域。研究區(qū)有多個熱電廠，這種燃燒以低排放粉塵的形式釋放，產(chǎn)生的粉煤灰中含有大量Pb元素[30]。盡管發(fā)電廠都有除塵設(shè)備，但仍然有一定比例的粉煤灰逃逸，對城市土壤造成威脅。保定道路、工業(yè)綠化帶土壤中Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，與前人的研究結(jié)果一致[31]。交通排放是道路綠地土壤Pb污染的主要原因，四乙基鉛常常加入汽油中作為抗爆劑，即使如今不再使用含Pb汽油，但汽車尾氣排放對土壤Pb積累的影響仍然存在[32]。居住區(qū)、公園綠地和道路綠地在內(nèi)環(huán)的Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于外環(huán)，內(nèi)環(huán)是歷史悠久的老城區(qū)，居住區(qū)Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)可能來源于禁止鉛繪之前的繪畫顏料、含有Pb的PVC窗材以及焊接防盜條[33]；或者來自前幾年以煤炭燃燒為主的取暖方式，這種燃燒以低排放粉塵的形式釋放，盡管近年來制定了各種減煤措施，但煤炭燃燒仍然是一、二環(huán)Pb污染的主要來源[34-36]。Cd的生物有效性比例高，環(huán)境容量小，保定市綠地土壤的Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)是背景值的7.87倍，污染程度均為中度以上，或許與煤炭燃燒有關(guān)，因為煤中Cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達83.2%。其中保定市道路綠地Cd為重度污染，一、二環(huán)公園和三環(huán)的工業(yè)綠地Cd污染程度也相對較高，Cd與Pb存在一定的正相關(guān)，表明污染源相似。Acosta et al.[36-37]結(jié)果也表明土壤中的Pb、Cd主要來源于交通排放和工業(yè)粉塵的影響。Cr是我國城市土壤污染程度最低的重金屬之一[38]，多個城市土壤中Cr未受到明顯的人類活動影響。保定市Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)也較低，除工業(yè)綠地外其余均為無污染狀態(tài)，說明Cr主要來源于工業(yè)活動。研究表明Cr主要存在于金屬鑄造和皮革產(chǎn)業(yè)所排放的污泥廢水中，較少存在于塵埃中[39]，但是工廠附近的污染物仍然可以通過焚燒釋放到空氣中成為懸浮的灰塵，再通過干濕沉降回歸到綠地土壤中。

總體而言，保定市各個分區(qū)土壤重金屬分布不均勻，受人為活動影響較大，重金屬量最高的區(qū)域幾乎都集中在西北、東南以及南二環(huán)附近。內(nèi)環(huán)居住區(qū)小區(qū)重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于外環(huán)居住小區(qū)，大部分重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)在研究區(qū)北部和中部最低。Pb、Cd、Cr的相似分布說明它們可能具有相似的污染源。西北部為新苑工業(yè)區(qū)，主要以造紙廠和飼料廠為主，其大氣排放的污染物經(jīng)過大氣沉降，富集在附近的綠地土壤中；東南部以及南二環(huán)區(qū)域交通流量大、柴油車多，污染嚴(yán)重。

根據(jù)保定市綠地土壤重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)相關(guān)結(jié)果可以看出，保定市道路污染最為嚴(yán)重，達到重度污染范圍，其余為中度及以下，其中三環(huán)工業(yè)，一、二環(huán)公園以及一環(huán)居住區(qū)綠地污染程度也相對較高。交通排放是保定市土壤污染的主要來源之一，道路綠地除汽車尾氣的直接影響外，還與路面沉積物和路邊植物有關(guān)。街道沉積物或道路灰塵通常積聚在人行道和道路表面。除了土壤的自然輸入外，這些灰塵的主要人為來源還包括道路建筑材料和交通排放。長期來看，道路灰塵會吸收與交通有關(guān)的污染物，因此往往含有高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的重金屬[40]。道路灰塵的細(xì)小顆粒也可能因風(fēng)和車輛運動而重新懸浮在大氣中，重新沉積在城市土壤上，特別是路邊土壤。研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合植被類型土壤對大氣沉降的重金屬污染具有明顯的截留作用[41-42]。道路土壤種有行道樹且多為喬灌木，對重金屬的阻擋作用較強，捕獲大氣懸浮顆粒中的重金屬并在降水過程中積累到土壤中，是導(dǎo)致路邊土壤重金屬積累較高的原因之一。市中心居住區(qū)和公園綠地污染風(fēng)險也較大，重金屬含量與建筑年代和人口密度呈極顯著正相關(guān)，這一結(jié)果與北京居住區(qū)綠地狀況相似[33]。住宅建筑和住宅綠地可以作為阻擋污染物從大氣沉降到住宅土壤的屏障，老居住區(qū)建筑高度較低、綠地面積少且新建住宅區(qū)的表層土壤在施工過程中更容易被深層土壤或外來土壤置換。

從保定市生態(tài)危害指數(shù)的空間分布圖可以看出，保定市西北、東南部分區(qū)域污染最為嚴(yán)重，分別位于造紙廠、煙卷廠、電力互感廠的工業(yè)區(qū)和交通繁忙的南二環(huán)區(qū)域。土壤污染程度與目前或以前跟工業(yè)運輸有關(guān)的地點顯著相關(guān)[43]。交通排放受到燃料類型(汽油和柴油)、車輛型號，發(fā)動機類型和工作條件等因素的影響[44]，其中柴油尾氣是道路交通重金屬的主要來源，占總排放量的62%～93%。在交通強度大、高排放車輛多的區(qū)域，路邊重金屬含量高[45]。保定2012—2017年霧霾污染十分嚴(yán)重，甚至被列為中國空氣污染最嚴(yán)重的城市[8，46]，隨著工業(yè)廢氣和機動車尾氣排放的持續(xù)增加、秋冬季節(jié)不利的氣象條件限制大氣污染物的擴散[47-48]，以及保定周圍存在中國最大煤炭基地山西和內(nèi)蒙，煤炭生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的污染物通過遠(yuǎn)距離運輸，將其聚集在城市上空，最終通過干濕沉降回歸到土壤中[49-50]，造成重金屬的富集。

5 結(jié)論

本研究通過采集保定市主城區(qū)不同綠地類型的土壤樣本，測定土樣的化學(xué)性質(zhì)和重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)，利用土壤質(zhì)量評價法、地積累指數(shù)法以及潛在生態(tài)危害指數(shù)法對不同分區(qū)進行綜合評價，探討了城市化因素和綠地類型對城市綠地化學(xué)性質(zhì)及重金屬積累的潛在影響，具體研究結(jié)果如下：

(1)對保定市不同用地類型土壤化學(xué)性質(zhì)及綜合肥力研究表明，保定市城市土壤pH值較高，綜合肥力較低，整體呈現(xiàn)市中心和西北區(qū)域高于其他區(qū)域的特征，一環(huán)居住區(qū)綠地土壤肥力最高，為三環(huán)的3.17倍。

(2)對保定市土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險的研究表明，Cd為保定市土壤主要風(fēng)險因子，東南和西北區(qū)域土壤重金屬風(fēng)險最大，其中道路綠地重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)最高，達到重度風(fēng)險狀態(tài)，學(xué)校、公園、居住區(qū)綠地土壤重金屬污染風(fēng)險指數(shù)較低，但仍為中等風(fēng)險狀態(tài)。

(3)本研究可為評估城區(qū)土壤重金屬污染風(fēng)險，監(jiān)測城市土壤環(huán)境管理變化、維持城市綠地可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)，對保定城市生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)具有重要意義，也為保定承接京津產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移奠定環(huán)境研究基礎(chǔ)。