銀川市城市綠地土壤重金屬分布特征及其生態(tài)風險評價

孫變變, 趙銀鑫, 常 丹, 吳文忠, 張 勇, 田碩豐

(寧夏回族自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院, 銀川 750021)

城市綠地是城市生態(tài)的重要載體，兼具生態(tài)環(huán)境、人體保健、景觀游憩、防災避難等重要功能[1-2]，一般可分為公園綠地、防護綠地、廣場綠地、附屬綠地以及區(qū)域綠地等類型。近年來，隨著工業(yè)發(fā)展以及城市化進程的推進，大量重金屬通過工業(yè)生產(chǎn)、垃圾焚燒、污水灌溉、農(nóng)藥、化肥的不合理施用、大氣降塵和機動車排放等方式釋放到綠地土壤中[3-5]，積累到一定程度，不僅導致土壤質(zhì)量的退化，影響植被的生長和生物多樣性，而且可通過揚塵或手口直接接觸對人體健康造成危害[6-7]。

隨著推進“綠色、高端、和諧、宜居”的城市建設(shè)理念，我國對綠地土壤重金屬污染的研究越來越多，初始階段多數(shù)學者是將綠地土壤作為一個整體，用傳統(tǒng)思路進行某幾種重金屬的污染評價[8-9]，近幾年來已有研究者突破傳統(tǒng)思路，按照不同功能區(qū)或者不同綠地類型進行綠地土壤重金屬特征的研究，楊少斌等[10]探討了北京城區(qū)綠地土壤重金屬污染評價與空間分析，結(jié)果表明公園綠地土壤重金屬屬于輕度污染，道旁綠地、居住綠地和附屬綠地均未受到重金屬污染；盧德亮等[11]采用野外調(diào)查與室內(nèi)試驗分析相結(jié)合的方法研究哈爾濱市區(qū)不同綠地功能區(qū)土壤重金屬污染情況，研究表明由重到輕的順序為工業(yè)區(qū)綠地>市區(qū)公路兩旁綠地>松花江沿岸綠地>城市公園綠地>農(nóng)業(yè)用地>森林與苗圃綠地。銀川市對于不同類型綠地土壤重金屬的分布及生態(tài)風險評價還相對較少，因此，本文對銀川市不同類型城市綠地土壤Cr，Ni，Cu，Zn，As，Hg，Cd和Pb共8種重金屬進行測試分析，研究其空間分布特征，采用單因子及內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和Hakanson生態(tài)風險指數(shù)法對不同綠地土壤重金屬的污染狀況及生態(tài)風險進行評價，為銀川市不同類型綠地土壤重金屬污染防治與修復提供理論依據(jù)，為銀川市綠地系統(tǒng)規(guī)劃提供有益的指導。

1 研究區(qū)概況

銀川市為寧夏回族自治區(qū)首府，位于黃河上游寧夏平原中部，北緯38°08′—38°53′，東經(jīng)105°49′—106°35′，東踞鄂爾多斯西緣，西依賀蘭山，黃河從市境穿過，是深入實施西部大開發(fā)戰(zhàn)略的重點經(jīng)濟區(qū)。銀川氣候?qū)贉貛Т箨懶詺夂颍昃鶜鉁?.5℃左右，年均日照時數(shù)2 800～3 000 h，是全國太陽輻射和日照時數(shù)最多的地區(qū)之一，年均降水量200 mm左右，無霜期185 d左右。氣候具有四季分明，晝夜溫差大，雨雪稀少，蒸發(fā)強烈，氣候干燥等特點。截至2017年底，銀川市綠地率42.04%，綠化覆蓋率42.07%，森林覆蓋率16%，建成區(qū)人均公園綠地面積16.83 km2。本次研究范圍為銀川市繞城高速以內(nèi)，面積約400 km2，主要包括興慶區(qū)、西夏區(qū)以及金鳳區(qū)城區(qū)部分，交通發(fā)達，結(jié)構(gòu)復雜，為人口、商業(yè)、經(jīng)濟和文化高度集中的區(qū)域。

2 研究方法

2.1 土壤樣品采集與測試

為方便采樣并確保樣品的代表性，研究區(qū)土壤樣品按照我國《城市綠地分類標準》(CJJ/T85—2017)中綠地類型進行布設(shè)，采樣點位分布在公園綠地、防護綠地、道路綠地、居住綠地以及生產(chǎn)綠地中。根據(jù)研究區(qū)地形地貌、綠地利用狀況，在綜合考慮經(jīng)濟、社會、行政等因素的基礎(chǔ)上，利用衛(wèi)星影像圖以及結(jié)合實地勘察結(jié)果，確定出32個公園綠地樣點，23個防護綠地樣點，67個道路綠地樣點，42個居住綠地樣點，74個生產(chǎn)綠地樣點，與2018年6—7月最終累積采集土壤樣品238個，每個采樣點的經(jīng)緯度均用GPS定位，采樣點分布見圖1。土壤樣品采集使用無污染的用具(如竹勺、木勺等)，刮去地表薄層浮土(<1 cm即可)，采樣深度為0—20 cm，并去除雜草、草根、礫石、磚塊、肥料團塊等雜物，盡量避免采集新近搬運的堆積土、垃圾土和明顯污染的土壤，選擇采集第四系自然土，將采集土樣在常溫下風干后、裝入密封袋中待測。研究區(qū)綠地植物種類多以本土樹種為主，公園綠地、居住綠地及道路綠地綠化植物以國槐、圓柏、青海云杉、垂柳、玫瑰、馬蘭花、金銀木等為主，防護綠地綠化植物為國槐、刺槐、沙棗樹、丁香、紫藤、爬山虎等，生產(chǎn)綠地為本土樹種提供幼苗，多以上述植物種類為主。

采集的土壤樣品全部由寧夏地質(zhì)調(diào)查院寧夏地礦中心實驗室化驗分析，測試過程嚴格按照《區(qū)域地球化學樣品分析方法》[12]進行，其中Cr，Zn選用X射線熒光光譜法(XRF)測定，Cu，Ni，Cd，Pb選用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)測定，As，Hg選用氫化物—原子熒光光譜法(HG-AFS)測定。

2.2 評價標準與方法

2.2.1 土壤重金屬污染評價 采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評價研究區(qū)綠地土壤重金屬的污染狀況。單因子污染指數(shù)法能直接反映土壤中某一種重金屬的累積污染程度[13]，其表達式為：

Pi=Ci/Si

(1)

式中：Pi為土壤中污染物i的污染指數(shù)；Ci為污染物i的實測值；Si為污染物i的評價標準，本文選用銀川市土壤背景值[14]作為污染評價標準。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法可全面反映土壤中各污染物的平均污染水平以及環(huán)境質(zhì)量[15]，突出高濃度污染物對土壤環(huán)境造成的影響，其計算公式為：

(2)

圖1 研究區(qū)土壤樣點分布

表1 土壤重金屬污染分級標準

2.2.2 生態(tài)風險評價 采用Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)法[16]評價銀川市綠地土壤重金屬風險程度，該方法結(jié)合土壤重金屬含量、生物毒理、環(huán)境化學及生態(tài)學等方面的內(nèi)容，是從沉積學角度出發(fā)建立的一套評價重金屬潛在生態(tài)危害的方法[17]，計算公式為：

(3)

(4)

(5)

表2 Hakanson潛在生態(tài)風險等級

3 結(jié)果與分析

3.1 綠地土壤重金屬含量描述性統(tǒng)計

研究區(qū)綠地土壤8種重金屬含量描述性統(tǒng)計見表3，結(jié)果顯示，Cr，Ni，Cu，Zn，As，Hg，Cd，Pb元素的平均含量分別為60.26，25.66，21.17，55.48，11.90，0.04，0.15，22.78 mg/kg，分別為銀川土壤背景值的0.99，1.03，1.11，1.07，1.08，2.12，1.28，1.20倍，除Cr元素外，其他重金屬元素含量平均值均高于銀川土壤背景值。Hg，Pb，Cd超出銀川土壤背景值的點位率較大分別為82.35%，75.21%，70.59%，Cu，As，Zn，Ni點位超標率分別為62.19%，61.34%，57.14%，53.78%，Cr元素點位超標率不足50%。說明研究區(qū)綠地土壤已表現(xiàn)出重金屬富集的特征，Hg，Pb，Cd元素最為明顯。與中國土壤背景值相比，As和Cd平均含量超過了中國土壤背景值，其他6種元素均未超標。

分析8種重金屬元素在不同類型綠地土壤中的平均含量，發(fā)現(xiàn)Cr，Ni，Zn，Cd在生產(chǎn)綠地中含量最高，Cu，As，Hg，Pb在道路綠地中含量最高，說明道路綠地和生產(chǎn)綠地土壤中重金屬富集現(xiàn)象最嚴重。與銀川市土壤背景值相比較，Cr只在生產(chǎn)綠地中的含量超過了銀川土壤背景值，平均值達到62.29 mg/kg；Ni和Zn在道路綠地、居住綠地和生產(chǎn)綠地土壤中的平均值均高于銀川市土壤背景值，在公園綠地、防護綠地土壤中未超標；Cu和As除了在防護綠地中處于安全狀態(tài)，在其他4種綠地類型中的平均含量均標；Hg，Cd，Pb在5種綠地類型中的平均含量均已超過了銀川土壤背景值，形勢嚴峻。

表3 不同類型綠地土壤重金屬含量

變異系數(shù)可以表征土壤重金屬含量的波動、離散情況以及受人為活動影響的程度，其值越大說明受人類活動干擾越強烈[19]，根據(jù)林俊杰等[20]對變異程度的分類，研究區(qū)8種重金屬變異系數(shù)大小順序為:Hg>Cd>Cu>Zn>Ni>Pb>As>Cr，其中Hg，Cd變異系數(shù)分別為66.67%，35.29%為強變異，其他重金屬變異系數(shù)均屬于中等變異。在不同綠地類型上，各元素高變異的有：公園綠地中的Cu，Hg和Cd，防護綠地、道路綠地、生產(chǎn)綠地中的Hg和Cd，居住綠地中的Hg，由此可知這些元素在不同綠地土壤重受人類活動干擾強烈。

3.2 綠地土壤重金屬空間分布特征

利用SPSS 16.0軟件對研究區(qū)綠地土壤重金屬含量進行K-S正態(tài)分布檢驗，結(jié)果顯示Cr，Ni，Cu，Zn，As符合正態(tài)分布，Hg對數(shù)轉(zhuǎn)換后符合正態(tài)分布，Cd和Pb既不符合正態(tài)分布也不符合對數(shù)正態(tài)分布(表4)。在此檢驗的基礎(chǔ)上，采用ArcGIS 10.7軟件對各重金屬含量進行克里金插值分析，其中Hg元素在插值前進行了對數(shù)轉(zhuǎn)換處理，Cd，Pb只對其進行了分級符號顯示(圖2)。

表4 綠地土壤重金屬元素K-S正態(tài)分布檢驗結(jié)果

由圖2可知，Cr，Ni，Cu，Zn，As有相似的空間分布特征，在研究區(qū)東部和東北部方向上呈現(xiàn)出重金屬偏高現(xiàn)象，同時在中部含量也較高；Hg除了在研究區(qū)東部、中部含量較高外，在西部也出現(xiàn)了富集趨勢。Cd高值點主要分布在研究區(qū)東部、東北部以及西部；Pb在研究區(qū)東部、東北部以及中部濃度較高?？傮w上，研究區(qū)各重金屬含量高值區(qū)主要分布在研究區(qū)中部、東部以及東北部，呈條帶狀及片狀分布，表現(xiàn)出由東向西遞減的趨勢。

經(jīng)實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)東部分布著德勝工業(yè)園區(qū)，工業(yè)生產(chǎn)中“三廢”排放導致了附近道路綠地土壤中的重金屬富集現(xiàn)象，這與馮亞亮[21]、王幼奇[3]等的研究相一致。研究區(qū)東北方向上豐登鎮(zhèn)附近建有牛場等農(nóng)場，Cu，As，Cr，Zn，Ni等重金屬會隨畜禽糞尿排出[15]從而造成附近生產(chǎn)綠地土壤重金屬超標。研究區(qū)中部以及東部，人口、火車站、大型商業(yè)區(qū)、企業(yè)以及產(chǎn)業(yè)園集中，能源消耗及排污量也較大，從而造成周圍公園綠地、居住綠地、道路綠地土壤中重金屬濃度較高。

圖2 銀川市城市綠地土壤各重金屬含量空間分布

3.3 綠地土壤重金屬污染評價

以銀川市土壤背景值作為評價標準計算出各重金屬的污染指數(shù)(表5)，從單因子污染指數(shù)來看，Cr單因子污染指數(shù)為0.99，為警戒水平；Hg單因子污染指數(shù)Pi值為2～3，屬于中度污染；其他元素單因子污染指數(shù)Pi值為1～2，屬于輕微污染。不同重金屬污染程度依次為:Hg>Cd>Pb>Cu>As>Zn>Ni>Cr。

表5 不同類型綠地土壤重金屬污染指數(shù)

通過P綜可知，不同類型綠地污染指數(shù)均為1～2，屬于輕度污染，污染程度由重到輕依次為道路綠地>公園綠地>生產(chǎn)綠地>居住綠地>防護綠地，道路綠地受重金屬污染程度最大，公園綠地次之。

3.4 綠地土壤重金屬生態(tài)風險評價

應(yīng)用Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)法，以銀川市土壤背景值作為參比值，計算研究區(qū)不同綠地土壤中各重金屬元素的潛在生態(tài)風險指數(shù)及其分級情況(表6)。

表6 不同類型綠地土壤重金屬生態(tài)風險指數(shù)

整個研究區(qū)綠地土壤重金屬綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)(RI)范圍為45.95～414.72，平均值為154.22。在此基礎(chǔ)上繪制出銀川市綠地土壤重金屬綜合潛在生態(tài)風險分布圖(圖3)，由圖3可知，研究區(qū)重金屬綜合潛在生態(tài)風險級別主要為輕微生態(tài)風險、中等生態(tài)風險以及小范圍強生態(tài)風險。呈中等生態(tài)風險的區(qū)域呈不規(guī)則塊狀分布在研究區(qū)內(nèi)。呈強生態(tài)風險的區(qū)域在研究區(qū)東部和西部小范圍內(nèi)分布，分布特征與Hg元素的空間分布相似性很大，風險指數(shù)高值區(qū)主要來自Hg元素的貢獻，進一步證實Hg是研究區(qū)最主要的生態(tài)風險元素。

圖3 銀川市綠地土壤重金屬綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)分布

從不同綠地類型上來看，土壤重金屬綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)RI大小排序為：道路綠地>生產(chǎn)綠地>公園綠地>居住綠地>防護綠地，其中道路綠地、生產(chǎn)綠地和公園綠地RI值分別為163.76，155.78，151.41，介于150～300，處于中等生態(tài)風險，居住綠地和防護綠地RI值均小于150，處于輕微生態(tài)風險。上述結(jié)果表明，研究區(qū)道路綠地的污染及風險程度最大，這與馮亞亮等[21]的研究結(jié)論一致，污染物主要來源于交通運輸，機動車尾氣排放以及車身、輪胎與地面摩擦都會釋放出大量Pb，Zn和Cd等重金屬[22]，汽車油漆掉落亦可能在一定程度上對綠地土壤中Hg的含量產(chǎn)生影響[23]。生產(chǎn)綠地和公園綠地中重金屬的生態(tài)風險僅次于道路綠地，也需引起關(guān)注，生產(chǎn)綠地是為城市綠化提供苗木、花草、種子的圃地，污染源主要受農(nóng)藥和化肥不合理的使用[24]、污水灌溉、周邊養(yǎng)殖場[23]的影響，以及大量使用塑料薄膜[25]都會造成重金屬污染。研究區(qū)公園綠地中重金屬變異系數(shù)最大，說明公園綠地受人類活動干擾強烈，公園綠地周圍一般為交通道路、居民區(qū)以及商業(yè)建筑，建筑裝飾材料的風化產(chǎn)物是土壤中Pb累積的重要來源[26]，居民隨意丟棄的無用的金屬包裝盒、電子垃圾[27]、施入綠地的化肥、殺蟲劑、除草劑等[25]都會造成公園綠地的重金屬富集。不同類型綠地土壤重金屬污染來源有所不同，應(yīng)在調(diào)查分析其含量以及污染來源的基礎(chǔ)上進行針對性的防護與治理，以促進綠地生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。

4 結(jié) 論

研究區(qū)綠地土壤中除Cr元素外，其他7種重金屬元素含量平均值均超過了銀川市土壤背景值，其中Hg，Cd，Pb超標嚴重，點位超標率分別為82.35%，75.21%，70.59%。不同綠地類型中，道路綠地和生產(chǎn)綠地土壤中重金屬富集最嚴重，Cu，As，Hg，Pb在道路綠地中含量最高，Cr，Ni，Zn，Cd在生產(chǎn)綠地中含量最高。

受工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、商業(yè)活動、養(yǎng)殖場畜禽糞便的施用等人類的活動的影響，各重金屬元素在研究區(qū)呈現(xiàn)出明顯的條帶狀及片狀空間分布特征，高值區(qū)主要集中在研究區(qū)中部、東部以及東北部。

8種重金屬在研究區(qū)的污染程度依次為：Hg>Cd>Pb>Cu>As>Zn>Ni>Cr，Hg污染屬于中度污染，其他重金屬元素均屬于輕微污染或警戒水平。5種綠地類型均屬于輕度污染，污染程度為：道路綠地>公園綠地>生產(chǎn)綠地>居住綠地>防護綠地。

研究區(qū)綠地土壤總體處于中等生態(tài)風險，5種綠地土壤重金屬綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)(RI)為：道路綠地>生產(chǎn)綠地>公園綠地>居住綠地>防護綠地，其中道路綠地、生產(chǎn)綠地和公園綠地均處于中等生態(tài)風險，居住綠地和防護綠地處于輕微生態(tài)風險。8種重金屬元素單項潛在生態(tài)風險指數(shù)平均值大小順序為：Hg>Cd>As>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn，Hg達到了強生態(tài)風險級別，是最主要的生態(tài)風險元素，應(yīng)引起重視。

隨著城市化進程的加快，目前銀川市綠地土壤環(huán)境受到一定程度的污染，今后應(yīng)加強綠地土壤檢測以及重金屬污染防治和修復。