佛山城市森林公園表層土壤重金屬累積特征、影響因素及其評價

朱立安，殷愛華，林蘭穩(wěn)*，柳勇，張會化，李俊杰

1.廣東省科學院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所/華南土壤污染控制與修復國家地方聯合工程研究中心/廣東省農業(yè)環(huán)境綜合治理重點實驗室，廣東 廣州 510650；2.佛山市林業(yè)科學研究所，廣東 佛山 528222

隨著中國過去幾十年的快速發(fā)展，冶煉、采礦、廢物處理、農藥及化肥施用、車輛尾氣排放等活動不可避免地將重金屬以各種途徑輸入到城市和農業(yè)土壤中。近幾年來，中國對土壤重金屬污染非常重視，繼國務院印發(fā)《土壤污染防治行動計劃》之后，根據環(huán)境保護部等五部委《關于印發(fā)＜全國土壤污染狀況詳查總體方案＞的通知》(環(huán)土壤[2016]188號)要求，各地相繼開展了農用地及建設用地土壤污染詳查工作，調查點位全面覆蓋了不同類型的土壤及不同利用方式的土壤；生態(tài)環(huán)境部（原環(huán)境保護部）還發(fā)布了《土壤環(huán)境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》 （GB 15618—2018）、《土壤環(huán)境質量 建設用地土壤污染風險管控標準 (試行)》（GB 3660—2018）等兩項國家土壤環(huán)境保護標準。

一般認為，城市生態(tài)系統(tǒng)的土壤重金屬污染狀況相比農田生態(tài)系統(tǒng)對人類生活及健康影響較少。但城市森林作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有森林和公共綠地的雙重屬性，是重金屬污染物的巨大儲存庫，對改善城市生態(tài)環(huán)境發(fā)揮著重要作用及價值（潘勇軍等，2013；朱立安等，2020）。林業(yè)作為實施主體功能區(qū)戰(zhàn)略重點，承擔著構建生態(tài)安全格局的重大職責，其中城市林業(yè)健康發(fā)展是構建城市生態(tài)安全格局不可缺少一部分。潘勇軍等（2008）應用單因子污染指數法和綜合污染指數法對廣州市城市森林土壤重金屬污染進行分析和評價，表明森林群落對重金屬污染元素的消納作用明顯。朱立安等（2020）研究認為佛山城市森林土壤與枯落物重金屬通量相關性不是很顯著。一些學者也曾對其它城市森林土壤重金屬質量分數進行分析（方晰等，2012；楚春暉等，2014），一些學者對珠江三角洲工業(yè)用地和農業(yè)用地土壤重金屬進行了分析評估（Hu et al.，2013；Zhang et al.，2014；He et al.，2016；Liu et al.，2017；Zhang，2019；李芳柏等，2012；宗慶霞等，2017；何博等，2019），然而目前對珠江三角洲城市森林土壤重金屬質量分數水平、來源及其評價研究仍然較少。

為大力實施粵港澳大灣區(qū)發(fā)展戰(zhàn)略，推動森林城市高質量發(fā)展，廣東省提出到 2020年基本建成“珠三角國家森林城市群”；目前珠三角地區(qū) 9市均獲得“國家森林城市”稱號，形成了“珠三角國家森林城市群”的雛形。本文以佛山市為例，通過對佛山城市森林公園表層土壤重金屬污染狀況開展調查，分析其累積特征及影響因素，并進行分析評價，旨在加強區(qū)域土壤環(huán)境質量系統(tǒng)管理，構建區(qū)域安全格局具有一定參考價值。

1 研究區(qū)概況

1.1 地理位置與區(qū)域經濟發(fā)展特征

佛山市位于廣東省中南部，屬于珠江三角洲腹地，處于 22°38′—23°34′N、112°22′—113°23′E 之間；全市國土總面積 3797.72 km2，大致呈“人”字型展布，由禪城、順德、南海、三水、高明五區(qū)組成（圖1）。作為珠三角地區(qū)快速發(fā)展的典型城市之一，同時也作為粵港澳大灣區(qū)戰(zhàn)略發(fā)展的重要城市之一，佛山市經濟總量位于廣東省第三位，但各區(qū)經濟發(fā)展不平衡，經濟發(fā)展較快的為順德區(qū)和南海區(qū)，禪城區(qū)作為城市發(fā)展中心，人口密度最高；工業(yè)體系較為健全，涵蓋了幾乎所有制造業(yè)行業(yè)，家電、家具、陶瓷、機械裝備、金屬加工等傳統(tǒng)行業(yè)優(yōu)勢突出。

圖1 佛山市及森林公園位置圖Fig.1 Location map of Foshan city and forest park

1.2 自然地理與森林植被分布特征

佛山市是珠三角典型工業(yè)城市，屬亞熱帶季風海洋性氣候，年平均氣溫 22.5 ℃，年平均降雨量1681.2 mm；區(qū)域地質構造復雜，屬于華南褶皺帶一部分，地貌特征表現為塊狀山地，呈棋盤狀分布；珠江水系中的西江、北江及其支流貫穿全境，河網縱橫交錯，屬于典型的三角洲河網地區(qū)；低山丘陵地區(qū)以赤紅壤、紅壤為主，成土母質為花崗巖、砂頁巖等巖石風化的殘積物或坡積物，平原地區(qū)以水稻土、人工堆疊土為主，成土母質為河流沖積物或谷底沖積洪積物、三角洲沉積物或濱海沉積物等；森林植被分布有明顯的地域差異，高明、三水區(qū)森林覆蓋率較高（圖 1）。2017年佛山市被授予“國家森林城市”稱號，全市森林面積達到10.69萬公頃，建有縣級以上森林公園38個、縣級以上濕地公園11個、公園綠地1043處、森林生態(tài)廊道956.4 km。

2 研究方法

2.1 采樣點設置

調查樣地涵蓋佛山市五區(qū)，根據各區(qū)森林公園林地面積及布局，選取 11個采樣點，即禪城區(qū)的王借崗公園，順德區(qū)的李小龍樂園，南海區(qū)的佛山植物園、南海中央公園、西樵山公園，三水區(qū)的大南山林場、九道谷林區(qū)，高明區(qū)的三洲水源林、桫欏自然保護區(qū)、泰康山公園、云勇林場。各采樣點位置見圖1，每個采樣點設400 m2的固定樣地調查植被及土壤等相關信息（表1）。

表1 各森林公園采樣點的基本概況Table 1 The basic situation of sampling points in each forest park

2.2 土壤采樣及分析方法

采樣方法：在各公園或林區(qū)選取人工擾動較少的區(qū)域設置固定樣地，每個固定樣地根據樣地基本特征及地形變化特點將整個坡面分為上、中、下 3個取樣區(qū)，每個取樣區(qū)設3個取樣點，采集0—20 cm混合土壤，根據3個取樣區(qū)平均值計算每個樣地土壤重金屬質量分數。

分析方法：pH采用電位法（LY/T 1239—1999）；總Cd、Pb采用石墨爐原子吸收分光光度法測定，總Cr、Cu、Ni、Zn采用火焰原子吸收分光光度法測定（GB/T 17141—1997）；總Hg、As采用原子熒光法測定（GB 22105—2008）。

2.3 分析評價方法

2.3.1 單因子指數計算方法

評價公式為：

式中，Pi為重金屬元素污染指數；Ci為重金屬i元素的實際濃度（mg·kg?1）；C0i為土壤環(huán)境參比值（mg·kg?1）。

2.3.2 單因子評價指標

評價指標參考寧曉波（2009）等，對森林土壤重金屬“污染”等級劃分（方晰等，2012；楚春暉等，2014），城市森林土壤重金屬單因子評價指標見表2。

表2 森林土壤重金屬評價等級劃分標準Table 2 The classification standards for the heavy metal of forest soil

2.4 數據處理

采用Excel 2010、SPSS 20.0統(tǒng)計軟件進行數據處理、主成分分析、相關性分析及顯著性分析。

3 結果與討論

3.1 重金屬質量分數總體特征

由于成土母質、區(qū)域大地構造及區(qū)域工業(yè)發(fā)展布局等原因，珠三角地區(qū)土壤重金屬背景值比廣東省整體背景值略高，且重金屬分布不均衡（陳俊堅等，2011；李婷婷等，2016）。佛山城市森林公園土壤各調查樣地重金屬元素質量分數與珠三角土壤重金屬元素背景值含量無顯著差異（P＜0.05），調查樣地土壤重金屬 Ni元素質量分數均值略超珠三角背景值，其余重金屬元素質量分數均值都低于珠江三角洲背景值，如表3示。

表3 佛山市城市森林公園土壤重金屬質量分數統(tǒng)計Table 3 Statistics of heavy metal quality score in the soils of urban forest park in Foshan

受各種因素影響，佛山城市森林公園土壤重金屬元素質量分數分布范圍較廣，變異系數較大，幾乎每個樣地都有某種重金屬質量分數超出珠江三角洲背景值，其中變異系數較大的為Ni＞As＞1，其次為 Zn＞Pb＞Cu＞Cr＞Cd＞Hg，佛山城市森林土壤重金屬質量分數分布不均衡。從質量分數范圍分析，甚至As元素在個別公園樣地土壤質量分數超出《土壤重金屬風險評價篩選值珠江三角洲》（DB44/T 1414—2014）和《建設用地土壤污染風險管控標準（第二類公園綠地）》（GB 36600—2018）公共綠地篩選值，但遠低于管制值，在一定程度上應引起重視，其余重金屬元素都低于上述標準，不構成人身接觸健康風險。

3.2 重金屬質量分數影響因素分析

土壤作為各種污染物的緩沖庫，城市森林生態(tài)系統(tǒng)土壤重金屬質量分數受到自然因素及人為因素雙重影響，如成土母質及森林土壤成土過程、侵蝕和遷移特征，也受到城市發(fā)展過程中人為因素影響，如大氣的干、濕沉降，施用肥料、污泥、農藥等，如化石燃料燃燒過程中排放的飄塵（含 Cr、Hg、As、Pb等），重金屬礦產開采、冶煉，金屬加工排放的廢氣、廢水、廢渣，電鍍、染料、化工、制革工業(yè)廢水（Cr、Hg、Cd、Pb、Ni、Cu等）等，都會引起森林土壤重金屬累積，汽車尾氣沉降使公路兩側森林土壤易受鉛污染，重金屬也會隨土壤侵蝕和淋溶作用而遷移，在林齡較大的森林中，因土壤侵蝕而遷移的較少，而淋溶作用則相對較強，同時重金屬與土壤酸度變化和有機質絡合作用密切相關，此外，植物富集不同土壤層次重金屬隨殘落物凋落進入地表也是重金屬遷移途徑之一（王海濤等，2011）。

佛山城市森林公園土壤重金屬主成分分析顯示，3個主因子可以較好的描述重金屬質量分數來源特征，能夠解釋總變異量的86.03%，見表4，第一主因子解釋了佛山城市森林公園土壤重金屬質量分數影響總量的41.94%，其中Cd、Hg、Cu、Ni、Zn都貢獻了較高的特征向量，從特征向量較大的重金屬元素組成分析，佛山城市森林公園土壤中重金屬元素的質量分數相關性分析，見表 5示，Cu和Ni在0.01水平上顯著相關、Cr和Ni在0.05水平上顯著相關，Cd、Hg、Cu、Ni、Zn在0.05水平上顯著的相關性，Hg和Zn在0.01水平上顯著相關等，都說明這些元素可能存在相似過程控制其在佛山森林土壤的質量分數（陳俊堅等，2011），有研究表明廣州市表層土壤Cd和Hg富集明顯，Cd、Cu、Ni、Zn以自然源為主，Hg主要為工業(yè)源，但有一定比例點位來自自然源，分布比較均勻（陳丹青等，2016），因此第一主因子主要因素可能為森林土壤成土過程及干濕沉降累積（不包括汽車燃油）。

表4 各森林公園樣地土壤重金屬主因子分析Table 4 Principal factor analysis of soil heavy metals in forest parks

表5 各森林公園樣地土壤重金屬相關性分析Table 5 Correlation analysis of soil heavy metals in forest parks

第二主因子影響了佛山城市森林公園土壤重金屬質量分數總量的30.98%，也占有較大比重，其中As和Hg元素貢獻了比較高的特征向量，而Zn也有一定比例的貢獻率，Cr和Cu表現出一定比例負相關，Hg和Zn在0.01水平上顯著相關，見表5，城市森林公園一般存在較多人為管理，如林型改造和病蟲害防治等，有資料表明，As和Hg元素在肥料中都有較高質量分數，如過磷酸鈣中Hg和Pb元素、硝酸銨、磷酸銨中 As元素可達到 50—60 mg·kg?1，一些農藥中含有 As、Hg、Cu、Zn等重金屬成分（崔德杰，2004；封朝暉等，2009），因此第二主因子主導因子可能為人為元素中營林及管理中肥料、農藥使用累積效應。第三主因子影響了佛山城市森林公園土壤重金屬質量分數總量13.11%，主要為Pb貢獻特征向量，其中Hg、Cu、Ni、Zn也有少量貢獻值，由于佛山市道路網絡發(fā)達，城市汽車密度較大，也有研究廣州土壤重金屬源分析中，交通源也都占有較大比重，尤其是重金屬Pb（管東生等，2001），廣東省土壤中存在明顯的外源輸入，人類活動是土壤Pb和Hg背景升高的主要原因（陳俊堅等，2011），因此本研究第三主因子可能為人為活動中汽車燃油主導的降塵因素。

3.3 重金屬質量分數單因子評價

為了研究單個重金屬元素質量分數情況，對不同樣地森林公園表層土壤重金屬累積狀況進行了評價，根據文獻資料大多采用區(qū)域土壤背景值作為參比值進行分析（Rouhollah et al.，2014；Ryszard et al.，2017；寧曉波等，2009；楚春暉等，2014），因此城市森林土壤環(huán)境質量評價，本文采用《土壤重金屬風險評價篩選值珠江三角洲》（DB44/T 1415—2014）土壤環(huán)境背景值作為佛山市城市森林公園土壤重金屬評價單因子評價參比值，11個樣地單因子評價指數評價結果見表6。

表6 佛山城市森林公園土壤重金屬評價指數Table 6 Evaluation index of soil heavy metals in forest park of Foshan city

佛山城市森林公園土壤重金屬污染單因子評價分析顯示，采樣樣地除了中央公園樣地8種重金屬均低于背景值外，其余樣地都有不同種類重金屬、在不同程度超出珠三角土壤重金屬環(huán)境背景值，其中王借崗公園樣地土壤中的 Ni和西樵山公園樣地土壤中的 As元素已經達到重度級別，超出背景值 2—3倍，顯著高于其它樣地土壤，并且這兩個樣地超出珠三角土壤重金屬元素背景值較多，王借崗公園樣地有5種重金屬元素，西樵山公園有3種重金屬元素，不同樣地重金屬超出背景值情況見表7示。Ni元素受地質背景控制較大（韓志軒，2018），西樵山公園作為佛山區(qū)域重要旅游地，其As元素可能受人為管理干擾較大。王借崗公園和西樵山公園位于城市中心區(qū)且位于主體工業(yè)區(qū)下風向，因此干濕沉降及各因素疊加（Zhang et al.，2001；Zhang et al.，2014；韓志軒等，2018）可能是導致土壤重金屬超出背景值的種類多和強度大的原因。

表7 不同森林公園樣地的重金屬超出區(qū)域背景值統(tǒng)計Table 7 The heavy metals in different forest parks exceeded the regional background value

佛山城市森林公園樣地土壤重金屬質量分數超出珠三角土壤背景值頻度最高的為Cr元素（5個樣地），包括王借崗公園、大南山公園、泰康山公園、三水九道谷公園和三洲水源林區(qū)，Cr元素可能主要受成土過程影響（李芳柏等，2012），其次為As元素（4個樣地），包括李小龍樂園、西樵山公園、大南山公園和索羅保護區(qū)。其中王借崗公園樣地土壤重金屬質量分數超出區(qū)域背景值重金屬種類最多（5種重金屬），其次為西樵山公園樣地（3種重金屬）、李小龍樂園樣地、大南山公園樣地、桫欏保護區(qū)樣地和佛山植物園樣地分別為2種重金屬超出區(qū)域背景值，其余樣地為單元素超出區(qū)域背景值或沒有重金屬超出區(qū)域背景值。

4 結論

（1）根據本次調查結果，佛山地區(qū)森林公園土壤重金屬環(huán)境質量整體良好，但變異系數較大，樣地表層土壤重金屬 Ni元素質量分數均值略超珠三角背景值，其余7種重金屬元素質量分數均值都低于珠江三角洲背景值。

（2）重金屬主因子及相關性分析表明，佛山森林公園土壤重金屬質量分數第一影響因素為森林土壤成土過程及干濕沉降，其次為林業(yè)管理中的肥料、農藥和汽車燃油。

（3）單因子分析評價表明，大部分佛山森林公園及林區(qū)都有不同的重金屬、在不同程度超出珠三角土壤重金屬環(huán)境背景值，其中王借崗公園和西樵山公園土壤重金屬超出背景值的種類多和強度大，王借崗公園土壤中的Ni和西樵山公園土壤中的As元素已經達到重度級別，可能是各影響因素各因素疊加累積結果。

（4）佛山市城市森林公園樣地超出區(qū)域背景值頻度最高的為Cr和As元素，可能受成土過程和森林公園管理影響較大。