佛山市不同類型綠地土壤重金屬含量及其生態風險評價

殷愛華，張學平，萬利鑫，李鑫

(佛山市林業科學研究所，廣東 佛山 528222)

工業城市由于工業生產迅速發展，大量重金屬污染物進入土壤環境，對城市綠地土壤造成污染。而且也成為影響城市居民健康的重要因素，城市綠地土壤的質量與城市環境質量和居民健康水平有著直接聯系[1-3]。

近年來，國內外學者對各地典型的城市重金屬污染問題多集中在農田土壤和耕地土壤的重金屬研究，對其空間分布、來源、污染特征及評價進行了大量研究[4-10]，但對工業城市綠地土壤，尤其是珠三角區工業城市的綠地土壤重金屬污染研究尚鮮見報道。開展污染評價，是工業城市綠地土壤污染管控必需的基礎性研究工作之一。

本研究以廣東省典型工業城市為例，以5種城市不同綠地類型土壤為研究對象，利用單因子污染指數法、內梅羅綜合污染指數法以及潛在生態風險指數法對城市土壤來源廣泛、普遍存在的6種重金屬Cu，Zn，Pb，Cd，Cr和Ni的污染狀況調查及其生態風險進行分析和評價。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究城市位于廣東省中南部，是粵港澳大灣區重要節點城市，屬亞熱帶季風性濕潤氣候區，年平均氣溫為22.2 ℃，氣候溫和，年降雨量1 677.4 mm，雨量充足。土壤偏酸性，主要有磚紅壤、紅壤和黃壤。工業以輕工制造業為主，城市化工業化特征非常明顯，廣東省重要的制造業中心。

1.2 樣品采集與處理

綜合考慮綠地類型和污染源等因素進行布點，樣點采用GPS定位，共布設90個采樣點，獲取土壤樣品90個，其中生產綠地(G1)15個，公園綠地(G2)15個，道路綠地(G3)15個，陶瓷工業綠地(G4)15個，五金工業綠地(G5)30個。每個樣地面積20 m×20 m，在樣地對角線上選取3個土樣采集點，每個采集點均采集表層0～20 cm深度的土壤約500 g，再將同一樣方的土壤樣品混勻后，采用四分法裝入相應規格的密封袋密封并做好標記。土壤樣品經過自然風干、除去石子及植物葉片、殘根等雜物后，磨碎并過100目的尼龍網篩，備用[11]。土壤pH采用pH計測定；土壤Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni的含量用HF-HNO3-HClO4消解后，采用原子吸收分光光度計進行測定[12]。

1.3 土壤重金屬污染及生態風險評價方法

采用單因子指數法和尼梅羅綜合指數法對研究區域土壤重金屬污染狀況進行評價，并用Hakanson潛在生態危害指數法對重金屬的生態風險程度進行評價。本研究采用國家《土壤環境質量標準》(GB 15618-1995)中的二級標準(pH>6.5)作為評價標準[13]。

1.3.1 單因子指數法單項污染指數(Pi) 可以對土壤中某一種重金屬的污染程度進行評價，計算公式[14]：

Pi=Ci/Si

式中:Pi為土壤第i種重金屬的單項污染指數，Ci為土壤第i種重金屬的實測質量值(mgkg-1)；Si為土壤第i種重金屬的評價參比值(mgkg-1)。Pi值越大，則表示土壤受到重金屬污染的程度越大。

1.3.2 內梅羅綜合污染指數法 內梅羅綜合污染指數 (PN) 不僅更全面地對重金屬污染進行累積性綜合評價，同時也能突出污染指數最大的重金屬對土壤環境的影響和作用。其計算公式[14]：

式中，PN為土壤綜合污染指數，Pi,ave、Pi,max分別為土壤第i種重金屬的單項污染指數平均值和最大值。PN值越大，則表示土壤受到重金屬污染的程度也越大。

1.3.3 Hakanson潛在生態風險指數法 瑞典學者Hakanson的潛在生態風險指數[15]結合了生物毒理、環境化學、生態學等方面，綜合反映土壤重金屬對環境的潛在影響及生態危害程度。 單一重金屬潛在生態風險系數 (Ei) 的計算公式[16]為：

Ei=TriCi/Si

式中：Tri為第i種重金屬的毒性系數,其中Cu、Pb和 Ni為 5，Zn 為 1，Cd 為 30，Cr為2[17，18]；Ci為第i種重金屬的實測質量分數(mgkg-1)；Si為重金屬i的評價參比值(mgkg-1)。

多種重金屬潛在生態風險指數 (RI) 的計算公式[11，19]：

RI=∑Ei

RI越大，表示土壤受到重金屬污染的潛在生態危險的程度越高。

1.3.4 評價等級劃分標準 3種評級方法的等級劃分標準見文獻[20，21]。

所有所有數據均采用 Excel 進行處理，用 DPS 進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 各綠地類型重金屬分布特征

從表1中可以看出，城市綠地的土壤總體上呈弱堿性，6種重金屬Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni的平均含量分別為94.29、271.03、70.12、0.82、161.61和39.25 mgkg-1，其中Zn和Cd的含量分別超過了國家土壤環境質量Ⅱ級標準0.08倍和0.37倍，其他重金屬含量均在國家二級標準內。6種重金屬的平均含量均超過了廣東省背景值[22]，Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni含量分別超出相應背景值4.34倍、4.45倍、0.95倍、8.11倍、1.86倍和1.21倍，其中Cd污染最為嚴重，其次為Zn、Cu污染。

表1 土壤理化指標及重金屬含量統計特征 mgkg-1

表1 土壤理化指標及重金屬含量統計特征 mgkg-1

綠地類型項目pHCuZnPbCdCrNi生產綠地n=15含量范圍4.93～8.1825.34～52.2575.68～376.9533.22～58.180.33～0.5744.44～63.921.16～33.07中位數6.2637.40117.0051.370.4053.9724.32平均值±標準差6.68±1.34b37.16±11.15b164.72±121.46b46.89±10.00b0.45±0.11b52.98±7.34a25.89±4.71ab變異系數%20.0630.0173.7421.3324.4413.8518.19公園綠地n=15含量范圍5.57～7.4910.02～36.6457.69～121.4025.61～54.850.15～0.3638.38～81.8410.02～16.78中位數7.2623.5163.3342.460.2146.5213.02平均值±標準差6.94±0.78ab23.60±10.40b79.80±27.89b40.90±13.33b0.25±0.10b52.32±17.52a13.50±2.64b變異系數%11.2644.0634.9432.6039.2933.4919.57道路綠地n=15含量范圍6.52～7.4228.23～48.30102.11～250.0040.03～79.130.33～0.58b38.70～99.1414.35～34.87中位數7.1632.87142.3950.620.4763.2015.97平均值±標準差7.07±0.34ab34.66±8.01b155.24±59.30b55.24±14.85b0.45±0.11b63.54±23.87a21.22±8.97b變異系數%4.8123.1138.2026.8824.4437.5742.27陶瓷工業綠地n=15含量范圍7.51～8.4116.41～73.0253.51～307.5537.13～76.640.15～1.4132.55～714.3810.54～78.53中位數7.7424.28245.0466.720.9041.5018.87平均值±標準差7.88±0.35a36.71±24.10b216.93±97.89ab60.09±15.51b0.82±0.46ab196.74±293.76a30.34±27.97ab變異系數%4.4465.6545.1325.7955.83149.3192.19五金工業綠地n=30含量范圍6.05～7.7728.63～797.01107.01～1406.2447.56～339.670.51～4.1462.30～982.8416.42～209.32中位數7.12132.48304.9594.800.92108.4835.73平均值±標準差7.32±0.55ab216.80±231.66a504.74±446.63a123.82±86.93a1.46±1.32a302.03±329.85a72.27±72.03a變異系數%7.66106.8588.4970.2190.41109.2199.67匯總n=90含量范圍4.93～8.4110.02～797.0153.51～1406.2425.61～339.670.15～4.1432.55～982.8410.02～209.32中位數7.2536.93168.8256.520.5763.5525.13平均值±標準差7.15±0.7794.29±156.72271.03±309.4570.12±60.920.82±0.91161.61±241.9939.25±48.21變異系數%10.77166.21114.1881.10111.66149.74122.83超標率一%-86.6795.5681.1198.8950.0060.00超標率二%-14.4426.671.1137.7811.1112.22

注：不同小寫字母代表差異顯著(P>0.05)

從表1中可以看出五金工業綠地的Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni 6種重金屬含量在5種城市綠地中均最高，分別為216.80、504.74、123.82、1.46、302.03和72.27 mgkg-1，其中Cu、Pb含量均顯著高于其余4種城市綠地類型土壤的含量，Zn、Cd含量顯著高于生產綠地、公園綠地和道路綠地，Ni含量顯著高于公園綠地和道路綠地，其余4種綠地類型的6種重金屬含量之間均無顯著差異。公園綠地的Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni 6種重金屬含量在5種城市綠地中均最低，分別為23.60、79.80、40.90、0.25、52.32和13.50 mgkg-1。說明其他5種重金屬離子受工業加工活動的影響較大，尤其Cu、Pb受五金工業影響的程度最大。

在5種綠地類型土壤中6種重金屬的含量排序如下：Cu為五金工業綠地>生產綠地≈陶瓷工業綠地>道路綠地>公園綠地；Zn、Ni為五金工業綠地>陶瓷工業綠地>生產綠地>道路綠地>公園綠地；Pb為五金工業綠地>陶瓷工業綠地>道路綠地>生產綠地>公園綠地；Cd為五金工業綠地>陶瓷工業綠地>道路綠地≈生產綠地>公園綠地；Cr為五金工業綠地>陶瓷工業綠地>道路綠地>生產綠地≈公園綠地。

從表1中可以看出，研究區域的城市綠地Cu、Zn、Cd、Cr、Ni含量的總變異系數均超過了100%，且Cu最大，達到166.21%，其次為Cr，為149.74，Pb最小，為81.10%。根據Wilding 的研究成果[23]：變異系數小于 0.15 的為小變異，在 0.15～0.36 之間的為中等變異，而大于0.36則為高度變異，則城區綠地Cu、Zn、Cd、Cr、Ni、Pb均達到了高度變異。

5個不同類型綠地土壤中，生產綠地Zn、Cu、Cd、Pb、Ni、Cr含量變異系數分別為73.74%、30.01%、24.44%、21.33%、18.19%、13.85%，其中Zn為高度變異，Cu、Cd、Pb、Ni為中等變異，Cr為小變異；公園綠地Cu、Cd、Zn、Cr、Pb、Ni變異系數分別為44.06%、39.29%、34.94%、33.49%、32.60%、19.57%，其中Cu與Cd達到高度變異，Zn、Cr、Pb、Ni均為中等變異；道路綠地Ni、Zn、Cr、Pb、Cd、Cu含量變異系數分別為42.27%、38.20%、37.57%、26.88%、24.44%、23.11%，其中Ni、Zn、Cr達到高度變異，Pb、Cd、Cu均為中等變異；五金工業綠地Cr、Cu、Ni、Cd、Zn、Pb含量變異系數分別為109.21%、106.85%、99.67%、90.41%、88.49%、70.21%，均達到了高度變異；陶瓷工業綠地Cr、Ni、Cu、Cd、Zn、Pb含量變異系數分別為149.31%、92.19%、65.65%、55.83%、45.13%、25.79%，其中Cr、Ni、Cu、Cd、Zn均達到高度變異，Pb為中等變異；6種重金屬在兩種工業類型的綠地土壤的變異系數均大于在其他3種綠地類型土壤中的變異系數；在兩種工業類型綠地土壤中，除了Cr之外其他5種重金屬在五金綠地的變異系數均小于各自在陶瓷綠地的變異系數。

2.2 城市綠地土壤重金屬相關性分析

對調查的工業城市各綠地類型土壤中各種重金屬進行相關性分析，結果見表2。

表2 佛山不同綠地類型土壤重金屬含量及其與pH間的相關關系

注：**表示顯著水平P<0.01(極顯著)，*表示顯著水平P<0.05(顯著)

僅道路綠地土壤的pH與Cr含量之間存在顯著的負相關關系，其他綠地類型土壤的pH與重金屬含量之間不存在顯著的相關性。

不同類型綠地土壤重金屬含量之間既有一定的相關性也有一定的差異性。生產綠地土壤的重金屬含量之間均不存在顯著的相關性。生產綠地中重金屬含量之間相關性均不顯著，說明生產綠地的重金屬來源相同的可能性不大；公園綠地土壤中Cd- Ni為顯著正相關關系，表明這4種重金屬污染之間存在相似的污染源；道路綠地土壤中的Cu- Ni、Zn -Pb之間存在顯著的正相關關系，說明Zn與Pb之間、Cu與Ni之間均可能存在伴生關系，分別有相似的污染來源；陶瓷工業綠地土壤中Zn -Cd、Cu- Cr、Cu-Ni之間存在顯著的正相關關系，而Cr-Ni為極顯著的正相關關系，說明Zn與Cd之間、Cr分別與Cu、Ni之間有可能存在相似的污染來源，則Zn污染與Cd污染之間、Cr污染分別與Cu、Ni污染之間有可能是伴生性的復合污染；從五金工業綠地土壤的重金屬含量之間的相關性來看，Ni-Cr之間成極顯著相關關系，而這兩種重金屬含量與其他重金屬含量之間均不呈顯著相關關系，說明Ni和Cr有可能來自相同污染源，Ni污染和Cr污染為伴生性的復合污染，而其他四種重金屬含量之間呈現錯綜復雜的相關關系，Cu-Zn、Cu-Pb、Zn-Pb、Zn-Cd、Pb-Cd之間呈極顯著或顯著關系，說明這四種重金屬可能有相同的來源，各污染之間存在綜合性的或伴生性的復合污染關系。

2.3 城市綠地土壤重金屬環境質量評價

2.3.1 綠地土壤重金屬單因子指數評價 以國家土壤環境質量Ⅱ級標準值作為土壤污染物參比值對土壤重金屬進行污染評價，結果見表3。

表3 不同綠地重金屬污染評價

從5種重金屬單項污染指數來看，研究區域綠地土壤中除Cd污染指數為1.144，介于1.0～2.0之間，其他5種重金屬的單項污染指數均小于1，說明此區域Cd污染屬于輕微污染，其他5種重金屬均未構成污染。

在生產綠地、公園綠地以及道路綠地土壤中6種重金屬的污染指數均小于1，表明這3種綠地類型的6種重金屬均未構成污染，其中公園綠地類型的土壤的6種重金屬單項污染指數均為最小，生產綠地類型土壤的Cu、Zn和Ni單項污染指數分別高于道路綠地的Cu、Zn和Ni污染指數；生產綠地的Pb和Cr污染指數則小于道路綠地的Pb和Cr污染指數；而生產綠地和道路綠地土壤的Cd單項污染指數是一致的；陶瓷工業綠地僅Cd重金屬達到輕微污染，其余5種重金屬均未構成污染；五金綠地類型土壤的6種重金屬單項污染指數在五種綠地類型土壤中均最大，其中Cd、Cu和 Zn 3種重金屬單項污染指數在2.0～3.0之間，均達到了輕度污染，Cr和 Ni單項污染指數在1.0～2.0，為輕微污染，僅有Pb重金屬未構成污染。從每個綠地類型的土壤重金屬污染指數以及整個地區的6種重金屬單項污染指數整體來看，都顯示出Cd單項污染指數在六種重金屬中均屬最高。

2.3.2 城市綠地土壤重金屬綜合評價 內梅羅綜合污染指數 (PN)評價結果見表3。由表3可以看出，生產綠地、公園綠地、道路綠地、陶瓷工業綠地，五金工業綠地的PN分別為0.617(<0.7)、0.352(<0.7)、0.613(<0.7)、1.101(介于1.0～2.0)、2.086(介于2.0～3.0)，由此可見，生產綠地、公園綠地和道路綠地3種綠地土壤重金屬綜合污染等級均屬于安全等級，其中公園綠地較生產綠地和道路綠地的安全性強；而陶瓷工業綠地土壤的重金屬綜合污染等級達到輕度污染；五金工業綠地土壤的污染等級最高，達到中度污染。整個研究區域綠地土壤的PN為0.953(介于0.7～1.0之間)，污染已達到警戒線。

2.4 城市綠地土壤潛在生態風險評價

以國家土壤環境質量Ⅱ級標準值作為土壤污染物參比值進行城市綠地土壤潛在生態風險評價，結果如表4所示。

從表4中各綠地類型單一土壤重金屬潛在生態風險系數(Ei)可以看出，5類綠地土壤的6種重金屬的單一重金屬潛在生態風險系數(Ei)均未超過40，均為輕微生態風險，其中Cd的系數最大，為34.310，遠遠超過其他5種重金屬，因此Cd的潛在生態風險程度是6種重金屬中最高的。

生產綠地、公園綠地和道路綠地3種綠地土壤的6種重金屬的單一重金屬潛在生態風險系數均未超過40，表明這3類綠地土壤的6種重金屬潛在生態風險均為輕微生態風險，其中公園綠地土壤的6種重金屬潛在生態風險系數(Ei)均為最低；陶瓷工業綠地和五金工業綠地土壤Cd潛在生態風險系數(Ei)在40～80之間，這兩類綠地土壤的Cd潛在生態風險達到中等生態風險，其中五金工業綠地土壤的Cd潛在生態風險系數(Ei)為73.05，接近80，而陶瓷綠地土壤的Cd潛在生態風險系數(Ei)為41.2，略高于40，五金工業綠地土壤的Cd潛在生態風險程度高于陶瓷綠地土壤，其余5種重金屬單一重金屬潛在生態風險系數均沒超過40，均為輕微生態風險。

表4 不同綠地土壤重金屬的Hakanson潛在生態風險評價

從表4還可以看出，五金工業綠地土壤的6種重金屬單一重金屬潛在生態風險系數(Ei)在5類綠地土壤中均屬最高，其中Cd重金屬單一重金屬潛在生態風險系數(Ei)達到73.050；陶瓷工業綠地土壤的Cd重金屬單一重金屬潛在生態風險系數(Ei)達到41.200。但從表5中也可看出，RI最高的是五金工業綠地土壤，其次為陶瓷工業綠地，生產綠地和道路綠地的RI近似，低于陶瓷綠地，公園綠地的RI仍是最低，整個地區的綠地以及5種綠地類型的土壤重金屬的潛在生態風險指數(RI)在16.554～98.220之間，均未超過150，表明調查的5種綠地類型的土壤受到重金屬污染的潛在生態危險程度均為輕微污染，其中五金類綠地土壤重金屬潛在生態風險程度相對最高，其次是陶瓷工業綠地，生態風險程度最低的是公園綠地。生產綠地和道路綠地土壤的重金屬潛在生態風險程度較為一致，介于陶瓷工業綠地和公園綠地之間。

3 討論和結論

3.1 城市綠地土壤重金屬含量特征

研究城市的綠地土壤均受到6種重金屬的污染，且不同功能的城市綠地土壤的重金屬含量存在著差異。在研究區域里的5種綠地類型中，Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni 6種重金屬在城市五金工業綠地土壤中含量均為最高，在陶瓷綠地土壤的含量次之，在公園綠地土壤中的含量則均為最低。由于城市綠地土壤重金屬主要源于成土母質與人類活動[24, 25]，表明工業制造、生產加工以及陶瓷加工等人為活動是城市綠地重金屬的主要來源，工業類型綠地土壤重金屬污染也較其他3種綠地類型土壤重金屬污染嚴重，程度較深。公園綠地則受到重金屬污染程度最輕，與北京市公園綠地污染情況一致[26]。

在生產綠地、道路綠地、公園綠地3種綠地類型土壤中，Cu、Zn、Cd、Ni 4種重金屬在生產綠地的土壤中的含量較高，這是由于生產綠地土壤由于苗木生產活動致使含 Cd 磷肥、含高 Zn、Cu 有機肥、農藥的不斷添加使用[27]，以及苗木管護時機械使用和苗木的運輸都可能對Pb、Ni在土壤中的含量造成一定的影響。而Pb、Cd、Cr、Zn 4種重金屬則在道路綠地的土壤中的含量也較高，與陳祥等[28]對道路綠地土壤重金屬含量研究一致，表明Cd、Pb、Cr、Zn是交通對綠地土壤污染的主要重金屬因子，交通運輸且是環境中 Pb 的重要來源[29]。

研究區域的城市綠地土壤中6種重金屬變異系數均超過了100%，且Cu最大，達到166.21%，其次為Cr，為149.74，而Pb為最小，也達到81.10%，均超過了0.36[23]，均屬于高度變異。變異系數可以反映重金屬在土壤中的變異性和均勻性，一般認為，變異系數(CV)與人類活動干擾程度成正比[30, 31]。由此表明這些重金屬在研究地區的城市綠地土壤含量分布較離散，均受到人類活動強程度的干擾。

各功能綠地類型中，人類不同的生產經營活動對重金屬含量分布的影響也不同，分布離散的程度也不同。生產綠地土壤中Zn為高度變異，Cu、Pb、Cd、Ni均為中度變異，僅Cr為小變異；公園綠地土壤中Cu、Cd為高度變異，Pb、Zn、Ni、Cr均為中度變異；道路綠地土壤的Zn、Cr、Ni為高度變異，Cu、Pb、Cd為中度變異，陶瓷工業綠地土壤除了Pb為中度變異其他5種重金屬均為高度變異；五金工業綠地土壤中的6種重金屬均達到高度變異。

3.2 城市綠地類型土壤重金屬相關性

本研究中，生產綠地中重金屬含量之間以及重金屬含量與pH之間相關性均不顯著。說明生產綠地的重金屬來源相同的可能性不大，有可能是生產綠地上的不同種類苗木的習性各有不同，需要的種植土和施肥等管護措施也會不同，種植土之間的構成和來源也不相同；公園綠地土壤中，Zn-Cd、Zn-Cr、Cd-Ni之間均存在顯著相關性，說明這四種重金屬污染之間存在著相似的污染源；道路綠地土壤中，Zn-Pb、Cu-Ni之間均呈顯著相關關系，說明Zn與Pb之間、Cu與Ni之間均可能存在伴生關系，分別有相似的污染來源。交通運輸是環境中 Pb 的重要來源；而機動車在汽油、車體的磨損過程中會釋放 Cu、Zn 和 Ni 等重金屬元素[33]；陶瓷工業綠地土壤中，Zn-Cd、Cr-Cu、Cr-Ni之間存在極顯著或顯著相關性，說明Zn與Cd之間、Cr與Cu、Ni之間有可能存在相似的污染來源，Zn污染與Cd污染之間、Cr污染與Cu、Ni污染之間有可能是伴生性的復合污染；從五金工業綠地土壤的重金屬含量之間的相關性來看，Ni-Cr之間成極顯著相關關系，表明Ni和Cr有可能來自相同污染源，Ni污染和Cr污染為伴生性的復合污染，Cu-Zn、Cu-Pb、Zn-Pb、Zn-Cd、Pb-Cd之間呈現錯綜復雜的相關關系，說明這四種重金屬可能來自相同的污染來源，各污染之間存在著綜合性的或伴生性的復合污染關系，這與陳為峰等人[34]對山東某城市綠地研究結果一致。

多種重金屬元素的較高含量反映了本地區高速發展的五金加工、電器廠對土壤中各種重金屬含量增加有一定程度的影響。

3.3 綠地土壤重金屬污染與潛在生態風險評價

基于國家土壤環境質量標準 (Ⅱ級) 的單項污染指數法的評價結果均顯示，研究區域的綠地土壤中Cd 污染達到輕微污染，其他5種重金屬污染等級均為清潔程度；而單一重金屬潛在生態風險法的評價結果則顯示，6 種重金屬均存在輕微的潛在生態風險，其中Cd 的潛在生態風險系數最高，而 Zn 的最低。