烏魯木齊不同功能區林帶土壤重金屬污染特征分析

李吉玫 *，張毓濤

1. 新疆林科院森林生態研究所，新疆 烏魯木齊 830063；2. 新疆天山森林生態系統國家定位觀測研究站，新疆 烏魯木齊 830063

大量重金屬污染物通過工業“三廢”進入到土壤中，導致土壤重金屬質量分數越來越高，嚴重危害城市生態環境質量（Patella et al.，2018；田華等，2018；Pan et al.，2018）。中國土壤受重金屬污染形勢較為嚴峻，連通常被認為較為清潔的林地土壤都出現了較嚴重的污染（楊崢等，2018；何予川等，2018）。城市森林是城市生態系統中唯一執行自然“納污吐新”負反饋機制的子系統，是城市土壤重金屬污染物的主要匯集地、緩沖帶，對重金屬污染具有積極的屏障作用（張波等，2017；周偉等，2018；方晰等，2012）。國內外學者在城市森林土壤重金屬特征方面開展了大量研究。如方晰等（2012）、趙靚等（2019）、郁珊珊等（2016）、Vinokurov et al.（2017）和Trammell et al.（2011）分別從城市化發展水平、城市土地利用、綠化樹種的生理特性等方面研究了城市森林土壤重金屬分布特征，研究結果表明：城市森林土壤重金屬含量除了與城市發展水平、距污染源的距離、氣象因子等有密切關系，還與園林樹種的吸污特性有不可分割的關系。劉玉燕等（2007）對烏魯木齊市土壤重金屬進行研究，結果表明交通流量大、工業密集及植被覆蓋率低可能是導致商業區和工業區土壤重金屬含量高的原因。楊永紅（2017）對烏魯木齊市公園綠地土壤重金屬分布特征進行研究，結果顯示烏魯木齊公園綠地土壤重金屬含量均低于《土壤環境質量標準》規定的二級標準限值，土壤環境質量處于清潔水平。城市化建設及大量固體廢棄物都可以使汞、鉛、砷和鉻在土壤中大量積累，導致周圍土壤遭受污染（阮光棟，2018）。近年來，烏魯木齊市周邊逐漸開發了鋅礦，這可能是土壤中重金屬鋅的來源之一（楊永紅，2017）。

西北干旱區，由于降水稀少，生態環境惡劣，城市中很少有集中成片的森林分布，林帶是構成城市森林的主體（昝少平等，2006）。從目前的研究看，以西北干旱區城市森林林帶土壤為研究對象，比較不同功能區土壤重金屬污染的研究仍較少。烏魯木齊市實施“地變綠”工程以來，大面積的林帶分布于城區、交通樞紐及公路兩旁。本文對烏魯木齊市不同功能區分布的林帶土壤重金屬質量分數進行對比，旨在了解烏魯木齊市不同功能區林帶土壤重金屬污染特性，為城市森林的合理建設和污染防治提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

為了提高城市生態質量，烏魯木齊市加大了城市森林建設力度，并提倡在城市綠化中推廣大氣凈化功能強的樹種。截至到 2017年，烏魯木齊市綠覆蓋面積達2.99×104hm2，園林綠地面積2.88×104hm2，公園29個，公園綠地面積0.36×104hm2，人均公園綠地面積 16.14 m2（烏魯木齊市統計局，2018）。據統計，烏魯木齊現有污染企業963家，煤炭消費量為 2.13×1010kg，工業廢水排放量為3.337×1010kg，工業廢氣排放量為 3699.38×108m3，SO2排放量為4.16×1011kg，粉塵排放量為3.98×1011kg（烏魯木齊市統計局，2018）。

1.2 采樣點布設、樣品采集與測定方法

2018年8月選擇烏魯木齊市工業區（IZ）、道路（RZ）、生活區（RZ）林帶和公園（PZ）等4種功能區分布的林帶作為試驗采樣區，每種功能區林帶內各設置8處采樣點，共計32處（圖1）。每處采樣點重復布設3個面積為100 m2的樣地（樣帶），每個樣地按照對角線法布設5個采樣點，用土鉆采集0－20 cm土樣，同一樣地的土壤樣品混勻作為一個樣品，用自封袋裝好密閉并貼好標簽，帶回實驗室，自然風干后送至監測機構監測土壤鋅、鉛、汞、砷、鉻質量分數，監測方法（張連科等，2016；劉二雄等，2016）及檢出限見表 1。采集土壤樣品的同時，調查樣地（樣帶）基本信息（表2）。

1.3 土壤污染評價方法

采用單因子污染指數和綜合污染指數法評價重金屬污染程度。單因子污染指數公式計算為：

式中，Pi為土壤中單因子污染指數；Ci為污染物i的實測質量分數（mg·kg-1）；Si為污染物i的背景值（mg·kg-1）。Pi值越大，表示污染越嚴重。本文選用烏魯木齊市土壤重金屬元素的背景值作為污染物的評價標準。

綜合污染指數采用內梅羅綜合指數法：

圖1 不同功能區林帶土壤采樣點Fig. 1 The sample plots of forest belt in different functional zones

表1 土壤重金屬測定方法及檢出限Table 1 Monitoring method and detection limit of soil heavy metal

污染程度判別標準為：Pi≤1為無污染，1＜Pi≤2為輕度污染，2＜Pi≤3 為中度污染，Pi＞3 為重度污染。P≤0.7為無污染，0.7＜P≤1為尚清潔，1＜P≤2為輕度污染，2＜P≤3為中度污染，P＞3為重度污染。

表2 4種功能區林帶基本信息Table 2 Basic Information of Forest Belts in Four Types Function Zones

1.4 數據處理

運用Excel 2010和SPSS 17.0進行數據處理和統計分析。采用單因素方差分析（One-way ANOVA）比較不同功能區林帶土壤重金屬質量分數的總體差異，并用LSD最小顯著極差法統計各功能區間的差異。

2 結果與分析

2.1 烏魯木齊城市林帶土壤重金屬質量分數特征

烏魯木齊林帶土壤鋅和汞質量分數普遍超過背景值，其超標率分別為 92.86%和95.71%，超標倍數為1.58倍和12.79倍，說明研究區的土壤已經普遍受到了鋅和汞的污染；雖然土壤鉛、砷和鉻質量分數總體顯示未超過背景值，但在調查林帶中也存在超標樣地，超標率分別為41.43%、7.14%和40%（表3）。

表3 烏魯木齊市林帶土壤重金屬質量分數統計值Table 3 Statistics characteristics of heavy metal content of forest belts in the four types of functional zones

表4 不同功能區林帶重金屬質量分數統計特征Table 4 Heavy metal content of forest belts in the four types of functional zones

2.2 烏魯木齊不同功能區林帶土壤重金屬質量分數比較

4種功能區林帶土壤鋅和砷質量分數由高至低排序為：道路林帶＞工業區林帶＞生活區林帶＞公園林帶（表 4）。道路林帶土壤鋅質量分數分別比工業區林帶、生活區林帶和公園林帶分別高23.65%、43.66%和50.34%；土壤砷分別高13.36%、53.79%和24.87%。土壤鋅普遍超過烏魯木齊背景，砷含量未超過背景值。

4種功能區林帶土壤鉛和汞平均質量分數由高至低排序為：工業區林帶＞道路林帶＞生活區林帶＞公園林帶（表 4）。道路林帶土壤鉛含量比工業區林帶、生活區林帶和公園林帶分別高0.45%、55.30%和27.98%；土壤汞含量分別高2.05倍、7.67倍和3.33倍。工業區林帶和道路林帶土壤鉛超過背景值，生活區林帶和公園林帶總體顯示未超過背景值；土壤汞普遍超過背景值，其中除了生活區林帶超標率為 82.35%以外，其余 3種功能區林帶超標率均為100%。

4種功能區土壤鉻平均質量分數由高至低排序為：工業區林帶＞道路林帶＞公園林帶＞生活區林帶（表4）。雖然只有工業區林帶平均值超標，但在其他功能區林帶仍然存在鉻超標的樣地。工業區林帶比道路林帶、生活區林帶、公園林帶土壤鉻分別高3.18%、7.287%和17.56%。

圖2 工業區林帶污染等級出現相對頻次Fig. 2 Relative frequency of different pollution class of forest belts in industrial zone

圖3 道路區林帶污染等級出現頻次Fig. 3 Relative frequency of different pollution class of forest belts in road zone

2.3 烏魯木齊不同功能區林帶土壤重金屬污染樣地出現頻次比較

從鋅和鉛單項污染指數看（圖2－圖5），96個監測樣地中，鋅重度污染等級僅出現在道路林帶，鉛未出現重度污染等級的樣地；中度污染等級的樣地只出現在工業區林帶和道路林帶；鋅輕度污染等級的樣地工業區林帶、道路林帶、生活區林帶和公園林帶出現的相對頻次分別為 91.66%、50%、94.11%和 73.68%，鉛出現的相對頻次分別為61.25%、41.67%、29.41%和 26.31%，鉛清潔等級的樣地出現頻次最高的為公園區林帶，最低的是工業區林帶。鋅清潔等級的樣地在只出現在生活區林帶和公園區林帶。汞清潔等級的樣地只在生活區林帶出現，重度污染等級的樣地在4種功能區林帶出現的相對頻次均在40%以上，相對頻次依次為工業區林帶＞道路林帶＞公園林帶＞生活區林帶；中度和輕度污染等級的樣地出現的相對頻次均低于30%，表現出在公園林帶和生活區林帶出現的頻次高于工業區林帶、道路林帶。所有調查的公園林帶樣地中砷污染等級均為清潔。中度和輕度污染等級的樣地在工業區林帶、道路林帶出現的相對頻次也不到20%；工業區林帶、道路林帶和生活區林帶均以清潔污染等級的樣地為主，未出現重度污染等級的樣地。鉻未出現重度污染的樣地；中度和輕度污染等級的樣地在各功能區林帶出現的相對頻次也不足10%，均以清潔污染等級的樣地為主。

圖4 公園林帶污染等級出現頻次Fig. 4 Relative frequency of different pollution class of forest belts in park zone

圖5 生活區林帶污染等級出現頻次Fig. 5 Relative frequency of different pollution class of forest belts in in residential zone

從 96個樣地的綜合污染指數看，無污染等級的樣地僅出現在生活區；重度污染等級的樣地在工業區林帶、道路林帶、生活區林帶和公園林帶出現的相對頻次分別為 70.83%、20.83%、35.29%和26.31%；中度污染等級的樣地出現的相對頻次分別為12.5%、50%、11.76%和42.10%；輕度污染等級依次為8.33%、16.67%、35.29%和31.57%；尚清潔等級的樣地依次在工業區林帶、道路林帶和生活區林帶出現的相對頻次分別為 8.33%、12.5%和11.76%，在公園林帶未出現。

2.4 烏魯木齊不同功能區林帶土壤重金屬污染評價

表5為采用單因子污染指數評價法和綜合污染指數法對4種功能區林帶土壤重金屬的污染特征的評價結果。總體上，4種功能區林帶土壤重金屬單項污染指數均表現為汞最大，污染等級為重度污染；其次是鋅，為輕度污染；砷最小，污染等級均為清潔，表明4種功能區林帶內土壤均未受到重金屬砷的明顯影響。工業區林帶土壤汞平均污染指數大于 3，為重度污染；鉛、鋅和鉻平均污染指數大于 1，為重輕污染；砷平均污染指數小于 1，為清潔水平；道路林帶土壤汞污染等級也為重度污染；鋅為中度污染；鉛為輕度污染；砷和鉻為清潔水平。生活區林帶和工業林帶土壤汞污染等級也為重度污染；鋅為輕度污染；鉛、砷和鉻為清潔水平。4種功能區林帶土壤重金屬污染綜合指數依次為工業區林帶＞道路林帶＞生活區林帶＞公園林帶，且綜合污染指數均大于 2。其中，工業區林帶和道路林帶污染等級為重污染，生活區林帶和公園林帶為中度污染。

表5 不同功能區林帶重金屬污染指數Table 5 Heavy-meatal pollution index of forests belts in different functional zones

3 討論

3.1 烏魯木齊市城市森林林帶土壤重金屬質量分數特征

城市森林或具有一定規模的城市林帶對土壤重金屬具有一定的屏障作用（Wang et al.，2016）。與烏魯木齊非林帶中土壤重金屬砷、鉻質量分數的調查結果（劉玉燕等，2007；楊永紅，2017；錢翌等，2013；王亞宇，2008；帕爾哈提·克依木等，2007）相比，本研究在城市林帶監測的土壤重金屬質量分數不高（表 6），其污染等級保持在清潔水平。林帶土壤重金屬鋅、鉛平均質量分數雖然超過了烏魯木齊市的背景值（中國環境監測總站，1990），但與已有學者在城市非林地測得的結果相比，仍處于較低水平（楊永紅，2017；帕爾哈提·克依木等，2007）。說明與非林帶相比，城市林帶分布的樹木可能具備有效阻止重金屬進入土壤的潛力。已有的研究也得出了相似的結論。如有學者通過對比建設用地、耕地、草地和園地等土壤重金屬的質量分數，發現林地重金屬質量分數最低（李兵，2017；紀易凡，2008）。林帶土壤重金屬質量分數低于非林帶的主要原因如下：林帶內的樹木通過各個器官吸附重金屬或其植株形體阻止重金屬污染隨氣流向周圍擴散，有效降低了土壤中重金屬的累積，減輕了污染（方曉波等，2016）。同時，本文林帶土壤重金屬污染明顯低于城市綠地中的草地（楊永紅，2017）。這主要是由于有些喬木從土壤中吸收重金屬的主要器官為根和樹干，尤其是根部，它是植物富集重金屬最重要的部位。樹干和樹根不易被動物消耗，且分解期遠遠超過草本。當樹木被采伐后，重金屬依然存在于樹干和樹根中，減少重金屬對環境的污染。如王榮芬（2013）認為銅和鉻在毛白楊樹干中濃度最高，鑷在樹根中濃度最高；鎘在樹皮和樹根中有最大濃度。植物的這種適應機制說明它們能在重金屬污染的條件下很好地平衡重金屬的吸收和轉移。

表6 烏魯木齊市土壤重金屬質量分數比較Table 6 Comparison of soil heavy-metal content in Urumqi mg·kg-1

3.2 不同功能區林帶土壤重金屬質量分數特征

總體看，工業區林帶鋅、鉛和鉻存在不同程度的輕度污染，汞為重度污染，只有砷保持在清潔水平。汞在少量樣地為輕度污染和中度污染，主要是重度污染。道路林帶鋅存在不同程度的中度污染，鉛和鉻為輕度污染，汞為重度污染，只有砷保持在清潔水平。生活區林帶和公園林帶鋅和鉛為中度污染，汞為重度污染，鉻和砷保持在清潔水平。4種功能區林帶土壤鋅和砷質量分數由高至低排序為依次為道路林帶＞工業區林帶＞生活區林帶＞公園林帶；土壤鉛和汞平均質量分數依次為工業區林帶＞道路林帶＞生活區林帶＞公園林帶；土壤鉻平均質量分數為：工業區林帶＞道路林帶＞公園林帶＞生活區林帶。4種功能區林帶土壤重金屬污染綜合程度依次為工業區林帶＞道路林帶＞生活區林帶＞公園林帶。其中工業區林帶和道路林帶污染等級為重污染，生活區為和公園為中污染，說明在綠化較好的公園，也存在一定程度的中度污染，這可能是由于公園林帶長期使用含重金屬的有機肥化肥和農藥，導致土壤中重金屬（如鋅）的增加。工業林帶和道路林帶土壤重金屬污染嚴重，尤其是汞、鉛和鋅質量分數較高。這可能與本文選擇的道路林帶中的河灘輔道為烏魯木齊車流量最大的交通路段，同時機場高速的車流量也較大，汽車尾氣排放量高有關；同時，本研究選擇的工業區主要為石油精煉工業、肥料生產工業和金屬冶煉工業區，這些都是產生重金屬的重要污染源。雖然近年來烏魯木齊市加大了綠化建設的投入，城市道路綠化和工廠區綠化逐漸受到重視，但是由于道路林帶和工業區林帶的帶寬不夠、植物組成單一，影響了植物阻滯和富集重金屬的能力。據筆者調查，烏魯木齊工業區林帶主要以榆樹和白蠟2種樹木為主；道路林帶種組成很少有超過4種的。

4 結論

烏魯木齊市林帶土壤鋅和汞質量分數普遍超過背景值；土壤鉛、砷和鉻質量分數總體顯示未超過背景值；單項污染指數大小為汞＞鋅＞鉛＞鉻＞砷。4種功能區林帶5種重金屬質量分數普遍為道路林帶和工業區林帶高于生活區林帶和公園林帶；土壤重金屬污染綜合程度依次為工業區林帶＞道路林帶＞生活區林帶＞公園林帶。從各污染等級樣地出現相對頻次看，安全污染等級的樣地僅出現在生活區，重度污染等級的樣地在工業區林帶和道路林帶出現頻次相對較高。