基于土壤重金屬潛在生態風險評價的棕地景觀營建策略探究
——以邯鄲市沁河公園為例

孫一豪

李夢雨

姚 朋*

后工業時代的城市發展轉型不斷加速，傳統制造業逐漸衰落，伴隨著工廠企業的拆遷或封停，產生了大量閑置的和被污染的土地，即棕地，亦稱褐色土地或棕土。當前世界各國對于棕地的界定與認知并不完全相同，但卻都面臨著如何將這些土地進行集約高效的再利用，進而實現再生和可持續發展的問題。近年來風景園林學科不斷介入棕地再生，成為應對工業時代遺留弊病與促進棕地再次融入城市土地利用的有效手段。

在國外研究中，以Web of Science網站核心合集作為信息統計源，時間跨度定位2010—2020年，以“棕地”(brownfield)作為關鍵詞，疊加“規劃”(planning)、“設計”(design)、“風景園林”(landscape architecture)等關鍵詞進行檢索，剔除載文中的重復文獻后留下50篇棕地再生風景園林學途徑的相關文獻。經分析，近10年內國外棕地景觀再生途徑的研究內容主要集中在開發組織與社會政策[1-4]、場地評估與分析[5-7]、景觀手段介入方式[8-10]、棕地再生成果評價[11-14]等方面。以上研究對于景觀途徑棕地再生方法的頂層設計、宏觀原理以及具體應對手段較為翔實，然而缺乏對棕地中污染物的量化研究。針對棕地污染特征研究的科學量化評價手段多集中與地理學、環境科學以及生態科學領域，包括Ferrara V等利用MIVI傳感器對棕地污染物濃度進行量化檢測[15]；測定污染元素含量后通過內梅羅指數法[16-17]及漢克森指數法[18]等指數方法對場地進行污染元素的定量評價。這些量化研究缺乏在空間上銜接棕地污染本體與后續生態修復手段的有效介質。

國內學界對棕地問題的研究也涵蓋了諸多方面。以中國知網作為來源，疊加“棕地”“風景園林”作為關鍵詞獲得相關研究文獻后分析，可知研究內容主要集中在國外棕地再生頂層設計綜述[19-21]、國內外案例分析[22-24]以及再生成果評價指標與體系[25-27]，總體來看定性研究較多而定量研究不足。此外，近年來對于城市建設用地中土壤污染類型與程度的界定，我國出臺了《土壤環境質量建設用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 36600—2018)作為棕地中污染土壤治理的規范標準。其中，對土壤中重金屬與無機物污染元素含量制定了篩選值與管制值，并規定土壤污染元素含量低于篩選值可以忽略不計，高于管制值則存在著人體健康不可接受的風險，因此需在后續規劃設計中采取風險管控或修復措施。而高于篩選值、低于管制值的污染土壤則需進行進一步的調查評估，以采取有效處理措施。

1 研究方法

基于以上研究綜述，本文力求引入科學量化的評價方法介入棕地本體的污染評價，從而為后續生態修復及景觀規劃策略空間布局的制定提供科學支撐。瑞典著名地球化學家Hakanson(1980)提出的潛在生態危害指數法(也稱潛在生態指數法、漢克森指數法)是目前最被認可的評價重金屬污染程度的方法之一[28]。其基礎邏輯為根據土壤重金屬實測值與背景參考值計算重金屬元素的污染系數。隨后結合重金屬毒性響應系數計算場地單一重金屬與多個重金屬潛在生態風險指數，并以此作為評價場地重金屬污染程度的量化依據。同時以上數據可以通過地理信息系統平臺(以下稱GIS平臺)進行空間分布的圖示表達。潛在生態危害指數法可以科學、定量地評價場地中土壤情況，結合GIS平臺的分析將污染程度落位于場地空間之上，更加直觀地指導后續基于土壤污染治理的規劃設計策略的提出。具體操作流程如圖1。

圖1 潛在生態危害指數法分析及應用流程

1.1 研究區域

本次研究選定河北省邯鄲市復興區內的西湖庫區，總面積約為300hm2。場地內存在沁河與輸元河2條河流，在中心匯聚形成西湖庫區，用于城市行洪。場地原為邯鄲鋼鐵場煉鋼廠區，現基本已經搬遷完畢。

場地南側存在一個建材廠，內部存有高爐以及鐵軌；西北角為邯鄲西環駕校考試場。場地西南角，鐵路北側為一處未被使用的廢棄地，場地內堆滿生活垃圾；東側廣場現有硬質鋪裝，但處于閑置狀態，沒有得到利用。場地內存有大面積棕地，包括北側拆遷廠房地塊、南側垃圾填埋地、東側建材工廠以及其內部的水渣堆放地(圖2)。推測金屬原材料與煉鋼水渣堆放場地中，重金屬元素會隨雨水下滲，造成土壤污染；同時由于生產區域內存在一條軟質駁岸明渠，因此不排除工業污水在渠中排放并滲透污染其兩側河岸土壤的可能。

圖2 研究區域用地現狀

1.2 土壤取樣與理化檢測

對于以上推測的土壤污染情況，通過土壤取樣以求得污染類型與污染程度確切數據。土壤取樣是指對調查場地土壤樣品的科學化采集以及后續的分析測試。據此可以深入了解目標場地的土地使用、生產管理以及土壤的質量等級。土壤取樣為后期的土地品質評價提供有力支持。由于本次設計場地接近矩形，因此采用五點取樣法中的“X”樣方采集方式，即按“X”形布設取樣點后采取場地土方(圖3)。

圖3 場地土壤取樣點布置

隨后送檢，進行土壤理化分析并取得化驗結果(表1)。根據樣方理化數值，依據我國《土壤環境質量建設用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 36600—2018)，可以初步判定出低于篩選值與高于管制值的區域。

表1 樣方土壤理化指標檢測結果(單位：mg/kg)

2 分析過程

2.1 單一重金屬元素潛在生態風險系數計算

首先依據式(1)進行單一重金屬潛在生態風險系數的計算。

式中，為計算出的單一重金屬的污染系數；為土壤中某一項重金屬質量比實測值，由于涉及多個樣方點的測量結果，因此選用平均值；為目標重金屬元素的背景參考值，是基于土壤環境背景含量的統計值。Ei指在一定時間條件下，僅受地球化學過程和非點源輸入影響的土壤中元素或化合物的含量，計算中參考場地所在河北省的重金屬質量比背景值[29]；為目標重金屬元素的毒性響應系數，反映該元素在水相、土壤和生物間的影響關系，用于衡量重金屬元素對生物造成的危害程度。本文采用漢克森指定的標準化毒性系數[30]。經計算，場地單一重金屬元素潛在生態風險指數結果見表2。

表2 場地單一重金屬元素潛在生態風險指數計算

在得到單一重金屬潛在生態風險系數后，便可以與潛在生態危害指數法中給出的重金屬潛在生態指數分級標準中的系數(表3)分析確定場地單個重金屬元素的風險等級。

表3 重金屬潛在生態指數分級標準[25]

2.2 土壤重金屬密度空間分布圖

以上系數的計算只是將場地空間視作一個整體進行評價，并不能了解每種元素的具體潛在風險程度以及在場地內的空間分布，因此研究引入ArcGIS平臺進行空間分析，根據樣方檢測將上述單個重金屬元素潛在生態指數計算結果進行空間落位，明確各元素的空間分布及數量特征。

2.3 多個重金屬潛在生態風險綜合指數

接著，根據式(2)計算場地多種重金屬潛在生態風險綜合指數RI。

式中，為上文計算的單一重金屬元素生態風險系數。經計算，場地多個重金屬潛在生態風險綜合指數為934。對比表4給出的風險分級標準可知，整個場地土壤生態環境在重金屬污染層面具有強生態風險。

表4 重金屬潛在生態風險指數分級標準

2.4 土壤重金屬潛在生態風險指數空間分布圖

為了更加具體明確地了解場地中重金屬污染的分布情況，再次引入ArcGIS平臺進行上述指數結果的圖示化表達(圖4)。

圖4 場地土壤多個重金屬潛在生態風險指數空間分布

3 研究結果

通過單一重金屬潛在生態風險系數(以下簡稱“風險系數”)可以發現，場地中的鉻元素與鉛元素的風險系數分別為3.2與27.6，分級屬于輕微生態風險，基本可以忽視；銅元素和鎳元素的風險系數分別為50.0與67.0，分級屬于中等生態風險，在空間上較集中的分布在場地西側與東側邊界，應進行相應的分析后提出處理措施；而砷元素、鎘元素和汞元素的風險系數分別為105.0、205.8與476.0，分級屬于較強生態風險以上，砷元素呈點狀分布，鎘元素與汞元素則呈面狀分布。以上3種元素均會對場地中的生物健康產生威脅，需要采取相應的凈化措施。

從單一重金屬污染空間分布特征來看，場地西側邊界附近主要為無機物砷元素的污染，原場地為村民自墾農田及季節性濕地，推測產生污染原因為使用農藥遺留的大面積無機物面源污染；場地南側澗溝村附近主要為金屬元素鉻污染，原場地為鋼材廠堆放鋼渣的區域，地表大部分為混凝土澆筑的硬質鋪裝，少量為裸土，推測造成污染的原因為鋼渣中的鉻元素隨雨水下滲而導致了污染；場地東側工業棕地附近主要為鎘和鎳污染，原場地為鋼材加工廠房與邯鋼技校區域，推測污染來源為鋼鐵冶煉以及制作合金過程中，產生的包含2種元素的工業廢棄物被掩埋所導致。

通過多個重金屬潛在生態風險指數空間分布圖可知，面積近半數的陸地處于較強生態風險以上，主要分布于場地東側、南側的工業棕地以及西側農田，廠房拆遷地、垃圾填埋地以及村落周圍土地也存有較強生態風險的區域。場地邊界雖然存有單一重金屬高密度聚集的情況，然而由于毒性響應系數較低等原因，普遍表現為中度或輕微生態風險。

綜上，通過對場地土壤樣方的采集與理化分析，結合國家標準中給定的相關元素的篩選值與管制值，以及漢克森指數法得出的場地土壤重金屬潛在生態風險指數空間分布，可以全面、科學地了解場地土壤重金屬所處的污染類型、污染程度以及空間分布情況，并可以此為研究基礎，明確以風景園林為主要途徑的棕地污染凈化策略。

4 結論——分級管控、分類治理的景觀營建策略

由前文分析可知，目標場地受過去工業生產的影響，土壤和水體存在一定程度的污染，且不同區域的污染類型和污染程度均不相同，呈現出類別性差異和區域性分布的特點。除土壤污染外，經測定水體上游沁河中存在著重金屬污染，水體質量為地表水體IV類，中部庫區水體氮、磷超標，水體污染對下游居民的用水安全構成威脅。針對以上土壤和水體污染問題，漢克森指數法的應用能夠在空間上確定污染邊界，進而在景觀營建時準確落位，針對性地采用技術措施，從而因地制宜地實現棕地修復與再生的目標。

對于上述污染，傳統的理化方法投資成本大，且需要專業的管理維護，同時理化凈化試劑的使用不當有可能在整個凈化過程中產生二次污染。與此同時，近期學界提出的基于自然手段的生態污染治理方法(Nature Based Solution，NBS)，可通過細致分析場地中不同地塊的污染程度與污染類型設置凈化策略，并且發揮風景園林學科的橋接作用，將基于自然的生態污染治理方法與場地景觀設計進行有機融合。

4.1 分級管控——基于污染強度劃定游憩等級

本次規劃設計中，通過前文計算的生態風險指數將場地進行生態風險分級，并制定分級管控策略。強潛在生態風險區域呈點狀分布在場地東側的原鋼材工廠、農田濕地及場地西側邊界，總面積約11.6hm2。強生態風險意味著土壤對生態環境或生物健康影響惡劣且劇烈，可引發人體產生多種疾病，如致突變、致畸形、致癌等[31]，通常需進行高強度且長時效的治理方式，因此將指數處于高生態風險的區域設置為低游憩等級，將空間隔離、凈化和限制觀賞作為主要的景觀設計策略(圖5)。

圖5 低游憩等級區域景觀規劃策略

中潛在生態風險區域主要分布在東側的拆遷技校、原鋼材工廠、農田濕地及場地西側邊界，多環狀包圍高潛在生態風險區域，總面積達55.1hm2。中生態風險意味著雖然區域土壤污染層級較低，但是可能存在部分單一重金屬或無機物元素超過國家標準中風險管制值的可能。同時，游客長時間與重金屬污染土壤接觸仍有健康風險，許多研究表明，存在于土壤環境中的鉛、鉻等重金屬元素會對兒童的神經發育造成負面影響，引起兒童智力遲鈍和發育遲緩[31]，所以需控制進入中潛在生態風險場地的時間與方式。因此將指數處于中生態風險的區域設置為中游憩等級。由于這些區域中具有可以接觸的污染場地，因此在設計中增加了限制性游賞體驗的策略，作為游客介入場地的方式之一，增設覆蓋場地的棧道系統，保護游客健康并也形成立體交通體系，增加多重游憩體驗(圖6)。對于部分對游客沒有健康威脅的中度污染場地，采取開放的態度，使得游客可以近距離觀察、接觸與體驗這些污染凈化裝置，樹立更加深刻的防污染意識，發揮綠色空間的科普宣教功效。

圖6 中游憩等級區域景觀規劃策略

低生態風險區域意味著土壤只有輕微的、可忽略的污染或者基本無污染，游客進入不會影響身體健康，因此將指數處于低生態風險或無生態風險的區域設置為高游憩等級而不做特殊管控，設計策略上與一般景觀無較大差異。

4.2 分類治理——依據場地要素確定修復技術

經上述分析研判，場地水體受工業生產影響和化肥農藥污染，存在重金屬元素的污染和氮、磷元素的超標，土壤中潛在生態風險較大的元素有砷、鎘和汞。針對以上超標元素，根據場地要素制定了相應的景觀化分類治理措施。

4.2.1 水體污染與處理

水質監測結果(表5)顯示，位于上游的原工業生產場地中水渠中的水體存在一定程度的重金屬污染，水體質量為地表水體IV類，中部庫區水體存在化肥農藥污染導致的氮、磷超標。

表5 場地水體理化分析結果(單位：mg/L)

在現狀蓄洪區的基礎上，規劃全新的水域空間布局。將水域構建成濕地系統，來應對水體潛在的重金屬污染、無機物污染等問題，凈化水質、涵養水源、維護生物多樣性。

在核心區構建潛流濕地，利用“基質-植物-微生物”生態系統，改善水環境質量。同時部分水域構建“表流濕地+生態塘”水系統，表流濕地+生態塘的復合系統，對于河水中氮的去除起到很好的效果，具有很強的抗負荷沖擊能力，能起到凈化水質和蓄滯洪澇的綜合作用[32-33]，共計構建潛流濕地面積6.6hm2，表流濕地面積13.8hm2，實現對超過20萬m3水體的凈化。為控制整個場地的面源污染，以植被緩沖帶串聯散落場地的近10處的凈化型雨水花園，與小型濕地形成連續的水體凈化體系。經過整個凈化作用，從而達到凈化雨水徑流的作用。

對于水體上游的重金屬污染與庫區的無機物污染問題，可采用植物根莖吸收的方式進行治理。例如，部分禾本科植物對土壤中的重金屬元素具有良好的固化作用[34-35]。此外，場地駁岸大部分采用自然駁岸，如草坡入水的方法，以增加治污植物的栽植面積，增強植物吸附治理效果。硬質駁岸設置2～3級臺地，形成總計長約1 800m的硬質駁岸，從而實現對水體的凈化。

4.2.2 土壤污染與處理

對于場地東側工業棕地土壤中鎘、鎳等重金屬元素超標的問題，可通過工業廢渣吸附、生物基質固化及植物根莖吸收等相關技術手段進行治理。

通過某種工業生產活動產生的工業廢料來凈化生態污染也是近年來學界不斷探討的生態修復方法之一。例如，對于場地東側工業棕地附近土壤中超標的鎘元素，污染面積達174.0hm2，可以通過添加赤泥陶粒進行吸附作用[36]。赤泥是制鋁過程中提取氧化鋁所產生的工業廢棄物之一，將其添加進常用建筑材料陶粒的燒制過程中形成赤泥陶粒，這種新型環境功能材料表現為片狀聚集體，多孔結構易團聚且抗壓好，為其吸附土壤中的重金屬元素提供了更優的反應條件。景觀規劃設計中可以根據場地特征設置不同的赤泥陶粒添加形式，同時對吸收鎘元素后的赤泥陶粒進行回收，作為建筑材料使用到園內服務設施或構筑小品的建設中，形成有益循環。通過添加赤泥陶粒，可覆蓋近200hm2土壤中的鎘污染，實現對場地內鎘污染的治理。

對于場地東側工業棕地附近土壤中鎳元素超標的問題，作為重金屬原位固化技術之一的生物基質修復為鎳元素的清除提供了可行的技術選擇[37]。將木屑做水熱處理形成水熱碳，通過定型處理后得到水熱碳棒。經試驗，水熱碳可以有效降低60%土壤中的鎳，使得整個土壤生物毒性降低約30%。而碳棒的安插與設置可以通過藝術手段使其成為場地主題景觀的一部分，從而使得場地中的工業精神以景觀實體的形式得到轉譯與升華。通過水熱碳棒的應用，可輻射面積達到88.3hm2，能夠固化超標的鎳元素，從而降低鎳元素對場地的污染。

5 結語

棕地再生是一個復雜和長時的過程，需要多學科的交叉合作與多專業的協同參與，更需要以科學為支撐的理論研究和以問題為導向的實踐創新，特別是對棕地污染類型與污染程度的定性、定量分析和對污染處理的策略制定。本文立足風景園林學科并以棕地景觀再生為出發點，通過融合與交叉多個學科的相關知識體系，力求科學研判土壤重金屬的污染程度、類型及空間分布，探討有效應對工業污染、針對性地營建綠色空間和表達工業文化的、以風景園林途徑為主導的棕地再生策略，最終實現以棕地為空間載體、污染治理與景觀建設兼顧的目標。

研究中涉及生態工程學科的知識應用還具有細化與探討的空間，例如土壤取樣方法中的網格尺度、對土壤污染治理的手段等，此外還應結合場地的污染類型和程度，特別是預期景觀效果來制定具體修復方案。基于土壤重金屬潛在生態風險評價的棕地景觀營建方法仍需更多的理論探索與實踐檢驗，方能形成持續性的方法體系，為我國新時代城市建設與更新不斷向科學化、精細化轉型提供借鑒和參考。

注：文中圖片均由作者繪制。