杭州臨安社區花園土壤重金屬污染特征及風險評估*

陳蓉蓉 屠 峰 吳玉柱 金荷仙 王 瑛 顏 越 崔詩宇 柳 丹

1 浙江農林大學風景園林與建筑學院 杭州 311300 2 浙江農林大學浙江省土壤污染生物修復重點實驗室 杭州 311300 3 誠邦生態環境股份有限公司 杭州 310008

社區花園作為位于居住區內新流行的城市景觀綠地形式之一，是社區居民在公共場所種植蔬菜、花卉或其他植物的綠地，是人們接觸自然、社會交往的重要空間[1]。社區花園能在高密度建筑環境中建立社會聯系、增強社會意識[2]，調節當地氣候，增強生物多樣性[3-4]；花園場地內種植可食用作物還能提高城市蔬菜生產、節約成本[5]，緩解城市用地緊張、環境不公平、公民交流不融洽等問題。

目前有關社區花園的研究多集中于景觀營造和管理機制探索[6-7]，隨著社區花園受歡迎程度的增加，人們逐漸開始關注場地內部安全問題[8]。國外學者于21世紀開始對社區花園土壤中的重金屬污染進行檢測和評估[9]，發現社區花園中土壤受到的重金屬污染會在農作物中積累，產生健康風險[10]，導致肺癌、腎功能障礙、神經系統等疾病[11-12]。國內社區花園研究尚處于起步階段，社區花園土壤重金屬污染研究較少。符娟林[13]調研類似社區花園空間分布的居住區綠地，發現場地內具有重金屬生態風險，重金屬濃度隨建成時間的增加而增加。楊劍洲等[14]調查與社區花園功能相似的集約化種植園農作物，發現土壤中的重金屬在農作物中積累。作為城市居民接觸密切且具可食蔬菜生產功能的綠地，社區花園土壤重金屬污染及其危害風險不容忽視。

本研究采集杭州市臨安社區花園的土壤，測定土壤中重金屬Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni和As的含量。利用IDW空間插值技術分析重金屬的空間分布特征，利用主成分分析和相關性分析推測污染源，利用單因子指數法、內梅羅綜合指數法、潛在生態風險分析及健康風險暴露指數法分析風險以探究土壤重金屬污染特征，并對不同風險評估方法進行社區花園的適宜性分析，為社區花園環境健康、景觀營造和風險評估提供參考。

1 研究區概況

錦城街道位于浙江省杭州西北部臨安區，是臨安區的政治、經濟和文化中心。街道總面積61.75 km2，下轄5個行政區、8個社區委員會和10個社區。氣候屬亞熱帶季風氣候，平均海拔50 m以下，含有W、Fe、Ni、Cu和其他金屬礦物，年平均氣溫和降水量分別為16.4℃和1628.6 mm。與臨安其他街道相比，錦城街道的居住區數量眾多、房屋老舊，街道上設有機械、電纜、傳輸設備、造紙業等企業。

2 研究方法

2.1 土壤樣本的采集與分析

選取街道內62個居住區中的社區花園作為調查對象，選取樣點后利用GPS工具箱軟件記錄經緯度。在采樣點5 m半徑內采集3個表土樣品形成土壤復合樣品，將樣品存放在PVC袋中帶回，清除動植物、巖石碎片，置于通風和避光的室內環境中干燥，研磨后經2 mm網格和100目網格篩選并分別存放在樣品袋中。

在實驗室進行土壤pH值、有機質含量及重金屬總量的分析測定。pH計在1∶2.5土水比下測定土壤的pH值。將樣品置于重鉻酸鉀和硫酸的混合試劑中，用180℃的濕氧化法加熱混合試劑，滴定硫酸亞鐵溶液測定SOM。測定重金屬含量時，將樣品置于HF、HNO3和HClO4的混合試劑中消煮，用HNO3定容后過濾備用。采用電感耦合等離子體發射光譜法(ICP-OES，LeemanProdigy 7，美國)測定Cu、Zn、Pb、Cr、Ni和As的濃度，采用石墨爐原子吸收光譜法(GFAAS，PerkinemerAA800，美國)檢測Cd濃度。

2.2 土壤重金屬風險評估

本文共采用4種風險評估方法，分別為單因子污染指數、內梅羅(Nemerow)綜合污染指數、潛在生態風險指數法和健康風險暴露指數法。健康風險暴露指數包含致癌風險和非致癌風險。致癌風險計算公式為:

式(1)至式(4)中:CRois、CRdcs、CRpis為土壤顆粒物，被攝入、吸入后和皮膚接觸存在致癌風險；Csur為土壤污染物濃度(mg·kg-1)；SFo為攝入的癌癥斜坡因子(mg污染物·kg-1體重·d-1)；ABSgi為消化道吸收效率系數；IUR為吸入單位致癌因子(m3·mg-1)；CRn是污染物總致癌風險。CRn超過10E-4為嚴重的致癌風險；CRn低于10E-6表明致癌風險可忽略不計[15]。

非致癌危害商計算公式為:

式(5)至式(8)中:HQois、HQdcs、HQpis分別是經口攝入、吸入土壤顆粒物和皮膚接觸方式的危害商；RfDo是攝入的癌癥斜坡因子(mg污染物·kg-1體重·d-1)；RfC是消化道吸收效率系數(mg·m-3)；SAF是土壤暴露的參考劑量分配系數；HQn是總非致癌風險。HQn＞1表明可能發生顯著的非癌癥風險；HQn＜1表明風險可能性較小[16]。

2.3 統計分析與空間插值

對實驗所得數據使用SPSS 22.0進行描述性統計、斯皮爾曼系數(Spearman)相關性分析和主成分分析，其中巴特利特球形度測試小于0.05%，KMO(Kaiser Meyer-Olkin)度量測試統計數據為0.682＞0.5，提取的3個成分因子總方差為75.45%＞60%，說明研究數據適用主成分分析。使用反向距離加權法(Inverse Distance Weighted，IDW)加權平均值插值，并制作圖表可視化呈現。

3 結果與分析

3.1 土壤重金屬描述性統計分析

由表1可知:錦城街道中社區花園內土壤的pH值范圍在5.48～8.41，其中2/3的土壤pH值高于7.0，整體呈現弱堿性；SOM含量為13.40～84.91 g·kg-1，空間變異系數為42.46%；Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni和As平 均 濃 度 分 別 為23.40、132.72、23.06、0.17、50.83、28.86和12.59 mg·kg-1，除Pb和Cr外，其他重金屬的平均濃度超過杭州土壤環境背景值，其中As和Zn分別是浙江省背景值的2.12和1.63倍[17]；Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni和As的變 異系數分 別 為56.20%、39.86%、86.47%、58.82%、38.60%、37.53%和86.42%，以As、Pb、Cd較為突出。

表1 研究地區重金屬濃度(mg·kg-1)和土壤性質描述性統計

3.2 土壤重金屬空間變異性特征分析

重金屬Cu、Zn、Pb、Cd、Cr和Ni的高值點主要位于東北角和南部，重金屬含量自東向西呈小幅下降趨勢，As則相反(圖1)。場地中部緯度地區濃度較兩側高，且河流附近的北部地區低于同經度地區。

圖1 研究區域重金屬濃度空間分布圖

3.3 土壤重金屬來源分析

通過土壤重金屬相關性分析發現，Cu與Zn、Pb、Cd、Cr、Cr、Ni之間以及SOM與Zn、Pb、Cd之間存在顯著相關性，Cr和Ni之間以及As和Ni之間也存在強相關性，具有強相關性的元素可能具有同源性。將重金屬的主成分與相關分析相結合(表2、表3)，可以將主成分因子分為3類，即PC1(Cu、Zn、Pb、Cd)、PC2(Cr、Ni)和PC3(As)。污染源分析結果顯示，Cu、Zn、Pb、Cd來源于農業活動和交通損耗；Cr、Ni來源于土壤母質；As則來源于生活污染，以燃煤活動為主。

表2 研究區土壤重金屬含量與理化性質的相關性分析

表3 表層土壤重金屬的主成分分析

3.4 土壤重金屬風險評估

3.4.1 重金屬污染指數法評估分析

基于場地土壤重金屬單因子污染風險評估分析(表4)，Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni和As平均污染指數分別為1.04、1.63、0.81、1.13、0.95、1.22和2.12，Cu、Zn、Cd、Ni呈微污染，As呈中等污染。As、Zn、Cd在單因子污染指數中排名靠前，Ni平均指數雖高于Cd，但并未出現重度污染情況。土壤受As污染最為嚴重，其次為Zn污染。在采樣點中有一處Cd污染指數處于重度污染地區，11.29%處于中度污染。內梅羅綜合污染指數顯示(表4)，社區花園土壤重金屬污染平均指數為1.96，96.77%的居住區受到重金屬污染，中度和重度污染分別達到22.58%和14.52%。

表4 土壤重金屬單因子污染指數和內梅羅綜合污染指數評價

3.4.2 潛在生態風險分析

潛在生態風險指數將土壤重金屬含量與重金屬毒害作用相結合，綜合評估重金屬對土壤的生態效應。由表5可知，單因子潛在生態風險分析中，Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni和As平均值處于輕微風險，Cd和As部分點位處于中等或強風險。

綜合評估7種重金屬的生態影響(表5)，Ri范圍位于19.75～182.55，輕微風險占比96.77%。中等風險區域共2處，一處位于場地中部(Ri＝182.55)，另一處為南部地塊(Ri＝160.51)主要受Cd(ECdr＝44.96)和As(EAsr＝75.09)的共同影響。

表5 土壤重金屬潛在生態風險指數評價

3.4.3 健康風險評估分析

由于在USEPA區域篩選級別中缺乏與Pb相關的SFo、IUR、ABSd指標數據，本研究對土壤重金屬健康風險分析主要側重于Cu、Zn、Cd、Cr、Ni、As等6種重金屬[18]。如圖2所示:Cu(1.17E-2)、Zn(8.84E-2)和Cd(7.65E-2)平均非致癌風險低于1；As(4.24)、Cr(2.35)和Ni(1.30)均超過1，存在重大風險，風險程度呈現As＞Cr＞Ni。

圖2 Cu、Zn、Cr、Cd、Ni、As的非致癌健康風險指數

重金屬的致癌風險如圖3所示。主要致癌方式為口服(Cr、As)、皮膚接觸(As)和吸入(Cd、Cr、Ni、As)。平均致癌風險排序為:Cr(3.83E-5)＞As(2.65E-5)＞Ni(1.03E-8)＞Cd(4.27E-10)，Cr和As都有致癌的風險，且兒童風險高于成年人。Cr的經口攝入量(兒童2E-5、成人1.87E-5)和成人吸入顆粒(5.17E-6)、As的經口攝入量(兒童1.49E-5、成人9.26E-6)和皮膚接觸量(兒童1.62E-6、成人1.33E-6)平均值均超過1E-6的可接受閾值。

圖3 Cr、Cd、Ni、As的致癌健康風險指數

4 討論

通過與以往研究結果對比分析發現，臨安地區重金屬Mn、Cu、Zn、Pb、Cd、Cr的平均濃度分 別 為439.42、42.23、196.80、62.55、0.22、63.65 mg·kg-1，均超浙江省背景值，Pb含量超背景值2倍以上[19]，這可能是因為包含運輸線或工廠等易積累重金屬的場地所致。本文研究地污染以As、Pb、Cd較為突出，整體上場地東部重金屬積累量較高，As的濃度從西向東呈下降趨勢，與其他重金屬不相似，外部輸入可能性更大。

4.1 污染源分析

現場調查發現場地內沒有采礦和冶煉活動；通過綜合分析推測重金屬污染源，可以將主成分因子分為3類，即PC1、PC2、PC3。

PC1包括Cu、Zn、Pb、Cd，經相關性分析，發現此類重金屬可能伴隨有機物的輸入。Cd通常存在于化肥中，特別是通過磷肥等有機肥輸入土壤[20]，而Cu和Zn被廣泛用作畜禽飼料的添加劑，但生物利用率很低，大部分重金屬元素伴隨畜禽糞便進入土壤[21]。此外，結合場地現狀發現東部交通路網密集、活動頻繁，Pb污染被認為是交通污染的代表，廢氣排放是導致Pb進入社區花園最主要的原因[22]。同時車輛的制動磨損會造成Cu的累積，輪胎磨損和汽車零部件中使用的潤滑劑也會產生Zn和Cd[23]。因此，農業活動和交通損耗是PC1的主要來源。

PC2中含有Cr、Ni，其中Cr的平均濃度低于背景值，Cr和Ni變異值明顯小于其他重金屬，說明在研究區域土壤中此類金屬沒有受到明顯的人為干擾。推測場地內Cr和Ni主要來源于地下礦物質分解，通過顆粒移動或地下水在土壤中堆積。因此，PC2中主要來源于土壤母質。

PC3只有As，與其他重金屬無明顯相關。磷肥被認為是As重金屬污染的主要來源，但相關性中SOM和As呈現不相關，表明樣點中的As主要以無機物的形式輸入。As和Cu、Cd存在微弱的相關，說明Cu、Cd的污染源可能會伴隨少量的As。含有砷酸鈣、砷酸鉛、砷酸鈉等無機砷化合物的農藥或除草劑常被應用于農業活動，從而影響土壤中As的濃度[24]。實地調查發現，居民常在社區花園中燃煤生火，煤燃燒導致大量的飛灰進入空氣后沉積在土壤中造成As累積[25]。此外，生活污水灌溉、廢物和醫療藥品也常含有As[26-27]。As的生物積累和不可降解性導致這些物質的隨機處置，這在一定程度上也加劇了As的富集。因此，PC3主要來源于生活污染，此外，在一定程度上還有可能受社區花園內園藝活動的影響。

4.2 污染風險分析

內梅羅綜合污染風險評估結果顯示，場地內存在5個高值點，呈現中度或重度污染。高值點具有兩個分布特點:一是靠近交通中心，即交通網密集處重金屬易通過粉塵形式進入社區，導致社區花園的土壤重金屬濃度升高；二是與As高值點相似，即居民常在社區花園附近產生燃煤生火的方式，調研地土壤重金屬的綜合污染主要受As的影響。潛在生態風險與Cd的積累相關，西南角處社區花園(ECd

r＝89.76)周圍分布網絡通信、電氣等企業，中部地區社區花園(ECdr＝90.06)設有電器修理部、電子等公司，推測可能是工業活動造成了風險值差異。健康風險暴露指數結果顯示，不同暴露途徑的危險順序為呼吸吸入＞經口攝入＞皮膚接觸，這表明呼吸吸入是非致癌風險的主要途徑。非致癌風險主要集中在As、Cr、Ni 3種重金屬，無顯著致癌風險。

對比單因子污染指數和單因子潛在生態風險、內梅羅綜合風險及綜合因子潛在生態風險可以發現，前后兩者分析方法對重金屬風險評估存在差異，潛在生態風險的污染等級均小于前者。例如單因子污染指數顯示重金屬污染風險排序為As＞Zn＞Ni＞Cd＞Cu＞Cr＞Pb，而單因子潛在生態風險排序為Cd＞As＞Ni＞Cu＞Pb＞Cr＞Zn；內梅羅綜合風險中近40%的采樣點處于中度或重度污染，而綜合因子潛在生態風險僅3.23%處于中等風險。其原因主要存在兩個可能性:一是基于單因子污染指數進行潛在生態風險評估時，因不同重金屬毒性的不同造成潛在生態風險污染指數與單因子污染指數或內梅羅綜合污染指數結果的不同；二是重金屬在土壤中濃度以重金屬全量為檢測結果，但只有處于游離態的重金屬才會在土壤中形成重金屬的生態風險。對比不同的重金屬污染風險評估方法，單因子污染指數法和內梅羅綜合指數法側重于對重金屬本身污染屬性，生態風險指數法側重于生態污染屬性，健康風險評估則側重于重金屬對人體健康的危害程度，與人體接觸重金屬的途徑和重金屬元素對人體健康的影響強弱緊密相關。

5 結論

1)社區花園存在較為明顯的重金屬污染。浙江杭州市臨安區社區花園土壤重金屬Cu、Zn、Cd、Ni、As平均濃度超出杭州市背景值。超過80%的社區花園存在重金屬污染，其中37%的地區呈現中度或重度污染。研究地96.77%處于輕微風險，3.23%處于中等風險。

2)社區花園的重金屬污染與人為活動息息相關，且具有一定空間分布規律。研究區東部重金屬污染高于西部。研究區Cd、Cu、Ni、Zn污染源主要為農業活動和交通污染，集中于東部地區；Cr、Pb主要源于土壤母質；As受西部居住人群生活習慣的影響，主要來源于生活污染。

3)社區花園受人為活動影響而可能存在的重金屬會對人體造成一定健康影響。研究區西部健康風險程度高于東部地區。潛在生態風險污染以Cd和As為代表，主要為輕微風險，不會對生物產生嚴重的毒害情況，但As、Cr、Ni非致癌指標已超出風險值，其致癌指標臨近風險值，或引起人體健康風險。因此，根據健康風險評估結果，應對風險較高和人體健康危害較大的區域與重金屬著重治理。