高尔夫球场不同草坪土壤重金属的富集及分析-以东山球场为例

唐少霞， 陈 艳， 韩新方， 吴 丹， 赵志忠， 侯璇音

(海南师范大学地理与环境科学学院， 海南 海口571158)

高尔夫球场大多建在透水性良好的砂壤土上，通常球场占地面积60～80 hm2，由18洞构成，其中草坪和树木占整个球场面积的70%左右，剩余面积由沙坑和水塘构成[1]。据2015年《朝向白皮书》统计，截至2015年底，我国共拥有高尔夫设施438家(全年未曾营业的设施不计入统计)，共9753个球洞，折合约542个18洞球场，与2014年数据相比，高尔夫设施的总量净减少了100家，折合净减少114个18洞球场。草地是高尔夫球场的核心部分，为了得到高质量的草坪和良好的击球草坪面，高尔夫球场在种植和养护草坪过程中必然要进行施肥和施用杀虫剂、杀菌剂、除草剂等作业，尽管稻麦农田杀菌剂、除草剂、杀虫剂使用量分别是球场用量的2.6，4.0和6.3倍[2]，但球场草坪的化肥施用量则是农田耕地施用量的3～6倍[3-5]。而化肥、农药对土壤环境的影响越来越受到人们的重视。目前对球场草坪土壤的影响研究主要集中在氮、磷元素及有机氯农药、有机磷农药施用后随水的淋溶及富集[6-11]。而对土壤重金属的富集影响研究更多集中在大田、菜地、果园地及草原土壤[12-18]。分析高尔夫球场各类草坪土壤重金属元素含量的差异及富集程度，对防止储备耕地因土壤重金属过度累积导致土壤质量退化具有重要的理论意义和现实价值。本研究以位于海口市西南侧1996年开始营业的东山高尔夫球场为研究区域，研究球场内球道、发球台、果岭0～20 cm和20～40 cm两个土层中重金属含量的差异及变化规律，旨在为球场土壤的可持续利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

所研究的球场位于海南省海口市秀英区东山镇，海口市位于N 19°32′～20°05′，E 110°10′～110°41′，属于热带海岛季风气候区北部边缘热带湿润区，春季温暖降水少，夏季温度高降水多，淋溶作用强，秋季多台风雨，冬季降水少，淋溶作用较弱。球场建在沿海台地依山傍水的砂质砖红壤地区，球场于1996年建成开业，占地124 hm2，球道总长6 446.5 m，为18洞72杆国际标准高尔夫球场。球场发球台草种为‘百慕大419’(叶粗)；果岭草种为‘百慕大328’(叶细)，球道草种为本地狗牙根。球场草坪施用的主要化肥有：18-6-18复合肥、18-3-18复合肥、高氮肥、高钾肥，年平均单位面积施肥量340 g·m-2。

1.2 样品采集

根据球场对草坪类型养护的差异，分别采集球道、发球台、果岭3种草坪的土壤样品。考虑到雨、旱季土壤淋溶作用的不同，于2015年对球场土壤进行5次采样，采样时间及降雨信息如表1所示。对每个采样地块采用简单随机原则，用专业取土钻采集0～20 cm(砂层，代表耕作层，用1表示)和21～40 cm(本土层，代表犁底层，用2表示)两个土层土样，球道(用d代表)、发球台(用f代表)、果岭(用g代表)，每个区域每次设2个点，两点之间的距离为15 m，每个区域一年共采集20个样，每个土层共10个样。球场对照点选在球场外围2 000 m，位于最小风频区天然草地10～30 cm处的土。每个采样点采集约200 g土壤，将每一层土充分混合后，密封于聚乙烯塑料袋中带回实验室，并在室内经自然晾干→压碎→去除杂质→混匀→碾磨→过100筛，备用。

表1 2015年采样时间及雨量Table 1 Sampling time and rainfall in 2015

土样分析前处理采用美国国家环保局(USEPA)推荐HNO3-HF消解法，用 ICP-MS(Agi-lent 7700x 型)测定待测液中的重金属元素含量。分析过程所用试剂均因子优级纯，所用的水均为超纯水，同时加入中国国家标准土壤参比物质(GSS-1、GSS-4)进行质量控制，分析结果符合质控要求。

1.3 数据分析

用Excel 2007对ICP-MS检测出的数值进行均值、标准差及变异系数分析，用SPSS.18对球道、发球台、果岭耕作层及犁底层土壤重金属元素含量进行单因素方差分析，用Origin 9.0 软件绘制球场不同草坪土壤重金属含量分布图。

1.4 评价方法

以单因子污染指数法作为土壤重金属富集评价方法，其计算公式为：Pi=Ci.Si-1。式中：Pi为土壤单项重金属污染指数，Ci为土壤样品中重金属i的实测值，Si为重金属i的评价标准。当Pi≤1 时，表明无重金属i累积(污染)；当Pi>1.0 时，表明重金属i累积(污染)，Pi值越大，累积(污染)越严重[19]。

2 结果与分析

2.1 不同草坪类型土壤中重金属元素含量的差异

由表2及图1可知，重金属含量的垂直分布情况为：犁底层重金属含量明显大于耕作层的为球道的Cr，Ni，Cd，Pb，Cu，发球台的As，Cd，Hg，Pb，Cu，果岭的Cr，Ni，As，Pb，Cu；耕作层显明大于犁底层的仅有：球道的As，Hg，果岭的Cd。说明大多数重金属含量是犁底层大于耕作层。

表2 高尔球场不同草坪类型土壤重金属含量Table 2 Heavy metal contents Of soil under different turf types of the golf

用SPSS.18对球道、发球台及果岭耕作层及犁底层土壤重金属元素含量进行比较均值的单因素分析，呈现方差齐性检验sig>0.05，对球场球道、发球台、果岭的耕作层及犁底层所含重金属进行相互对比，大多显示P>0.05，说明球道、发球台、果岭耕作层及犁底层的重金属含量大多数没有显著差异，只有果岭与发球台耕作层所含的Cr、As有显著差异，球道与发球台犁底层所含的Cr有显著差异，球道与果岭犁底层所含的Pb有显著差异。但将耕作层和犁底层的重金属进行平均，结果如表3所示。Cd，Pb，Cu的平均含量呈现球道>发球台>果岭；Hg，Ni的平均含量呈现发球台>球道>果岭；Cr的平均含量呈现果岭>球道>发球台；As的平均含量呈现球道>果岭>发球台。

表3 球场各草坪土壤重金属平均含量/mg·kg-1Table 3 Average content of heavy metals in the soil of the lawns

从球道、发球台和果岭耕作层与犁底层的7种重金属含量的变异系数看，各类型土壤中重金属的变异系数都比较大，其中最大的是Cd、Cr，变异系数为36.78%～109.69%，22.82%～95.22%(图2)。其次是Pb，变异系数为20.91%～83.39%，最小的是As，变异系数为26.69%～56.07%。可见每个土层每次监测值之间的差异都比较大。

图1 球场不同草坪土壤重金属含量垂直分布图Fig.1 Vertical distribution of heavy metal content in soil of different lawns

2.2 不同草坪类型土壤重金属富集的评价

东山球场草坪表层土为人工辅的河砂，因此以当地河砂作为球场耕作层的背景土，以该球场外围西北偏西方向2 000 m最小风频区的天然草地10～30 cm深度的土样作为球场犁底层的背景土，以国家土壤环境质量标准[20]作为依据，用单因子污染指数法作为土壤重金属富集及污染与否的评价方法，对东山球场球道、发球台及果岭土壤中的7种重金属现状进行分析，结果如表4所示。

图2 各层土中Cd,Cr含量Fig.2 content of Cd,Cr in different soil layers

以国家土壤环境质量Ⅱ级标准限值为依据，计算球道、发球台、果岭耕作层及犁底层的Ni，As，Pb，Cu 4种重金属的Pi值均小于1，而球道、发球台、果岭耕作层及犁底层的Cd及Hg两种重金属的Pi值均大于1，球道犁底层及果岭耕作层Cr的Pi值也大于1。以当地河砂及球场外围西北偏西方向2 000 m最小风频区天然草地土背景值为依据，计算As，Cd，Hg，Pb 4种重金属的Pi均大于1；重金属Cr的Pi值除发球台犁底层之外，其余的也大于1。

由此可见，球场经过近20年的经营，As，Pb两种重金属含量虽未超国家标准限值，但均超过本地土的背景值，Cd，Hg两种重金属含量既超国家标准限值又超过本地土的背景值，已明显富集。尤其是Hg超出国家标准限值2倍以上，发球台犁底层处超出18倍，球道犁底层、果岭耕作层Cr的含量既超国家标准限值又超背景值，Ni和Cu虽未超国家标准限值但也局部超出背景值。

表4 不同草坪耕作层及犁底层土壤中重金属元素单因子评价(Pi)结果Table 4 Results of single factor evaluation (Pi) of heavy metals in plough and plow pan soil of different lawns

3 讨论

3.1 草坪灌溉水源的评价

球场平时灌溉水源来自于球场西侧的水库水，只有在雨季球场所有的内湖水都满了才往水库中排放。通过两年雨旱季对球场西侧水库水质12次的监测，Cr，Cu，As，Cd，Pb，Hg的均值分别是14.22，12.39，1.56，0.11，2.91，0.08(单位：μg·L-1)，标准差分别是：20.60，12.06，0.96，0.06，4.49，0.09，变异系数最大是铅为154%，其次是铬为145%，最小的是镉为57%；与国家地表Ⅱ类水质量标准限值相比,Pi值分别是：0.284，0.012，0.031，0.022，0.291，1.6，其中只有汞超标，如果与国家地表Ⅲ类水质量标准限值相比则球场西侧的水库水所有Pi<1[20-21]。由此可见，球场灌溉水源所含重金属符合国家地表Ⅲ类水质要求。这样的灌溉水源是否对球场土壤重金属超标富集有影响，需要长期跟踪监测并做对比研究，目前未见利用达标水源灌溉导致土壤重金属超标富集的研究。

3.2 影响不同土层重金属垂直差异的因素

监测期内球场各草坪类型土壤中重金属的变异系数都比较大，与每次采样前施用化肥的种类及降雨量有一定的关系。变异系数最大的Cd与Cr，监测期间Cd的最小数据0.06 mg·kg-1，出现在2015年5月8日发球台耕作层，采样前1个月内未施肥，采样前7 d降雨量为24 mm，该采样点对应的犁底层监测值是0.13 mg·kg-1；最大数据2.62 mg·kg-1，出现在2015年6月26日果岭的耕作层，采样前10 d刚施肥，采样前7 d降雨量为97.4 mm，该采样点对应的犁底层监测值是2.22 mg·kg-1。监测期间Cr的最小数据10.93 mg·kg-1，出现在2015年12月11日发球台犁底层，11月15日施过化肥，采样前7 d降雨量为8.7 mm，该采样点对应的耕作层监测值是21.38 mg·kg-1；最大数据378 mg·kg-1，出现在2015年3月28日果岭的耕作层，采样前13 d刚施肥，采样前7 d降雨量为1.1 mm，该采样点对应的犁底层监测值是34.19 mg·kg-1。由此可见，影响球场草坪土壤重金属含量垂直差异的主要因素是监测前是否施肥及降雨量，如果施用化肥至采样时未降雨或雨量很小，耕作层重金属含量一般高于犁底层，而且监测值会较大;如果采样前1个月未施化肥，或施肥后有明显降雨过程，则犁底重金属含量高于耕作层，施肥后10 d内采样监测值会较大。

3.3 影响不同草坪区土壤重金属分布的因素

东山球场球道种植的是本地草种狗芽根，该草种抗病虫害能力较强，较容易养护，每年球道只施用2次肥料，平均每次7 000 kg，每年施用肥料14 000 kg，球道面积约27 1507 m2，年单位面积化肥施用量为0.052 kg·m-2；发球台每年施用肥料5.5次，每次施用20包，每包25 kg，即发球台每年施用的肥料2 750 kg，发球台面积约9 725 m2，年单位面积化肥施用量为0.283 kg·m-2；果岭草的养护难度较大，每个月必须施用1次化肥，每次20包，每包25 kg，每年果岭施用的肥料达6 000 kg，果岭面积约8 899 m2，年单位面积化肥施用量为0.674 kg·m-2，年单位面积化肥施用量最多。但从球道、发球台和果岭土壤重金属平均含量看(表3)，尽管果岭施用化肥量最多，但也只有 Cr的含量是最大。可见化肥施用量并不是草坪区土壤重金属分布差异的主要因素。

国家标准(GB 18877 -2002)对现有的有机-无机复混肥料中所含重金属限量是：Cr<500 mg·kg-1，Pb<150 mg·kg-1，Cd<10 mg·kg-1，As<50 mg·kg-1和Hg<5 mg·kg-1[22]。市面上不同品牌的复合肥重金属含量差异很大，Cr是1.92～121.19 mg·kg-1，Ni是1.80～199.36 mg·kg-1，Cu 是0.72～432.86 mg·kg-1，As是0.05～61.16 mg·kg-1，Cd是0.001～54.116 mg·kg-1，Pb是0.49～40.52 mg·kg-1，Hg是0.01～4.40 mg·kg-1[16,23]。20年来研究区球场施用过各种品牌的化肥。 2016年6月，曾对东山12批次的化肥做过检测，Cr是35.568～85.19 mg·kg-1，Pb是4.092～52.475 mg·kg-1，Cd是0.869～12.415 mg·kg-1，As是0.849～30.821 mg·kg-1，Hg是0.078～3.84 mg·kg-1。可见不同品牌化肥重金属含量差异较大。有研究表明：施用有机肥，土壤中Cu，Zn，Pb，Cd的含量比不施肥分别增加了0.08～13.98 mg·kg-1，0～26.5 mg·kg-1，1.63～5.31 mg·kg-1，0～0.34 mg·kg-1，而施用氮、磷、钾比不施肥增加了土壤Cd和Pb的含量[24]。由此可见，导致球场不同草坪土壤重金属含量监测值水平空间差异的主要原因还是球场施用化肥的品质。如果使用重金属含量偏高甚至不合格的化肥，将在一定程度上增加土壤重金属污染的生态风险。

4 结论

高尔夫球场球道、发球台及果岭土壤中重金属含量的垂直分布基本呈现犁底层>耕作层；球道、发球台、果岭耕作层及犁底层土壤重金属含量在水平空间上差异不显著，但将耕作层和犁底层的重金属进行平均，则Cd，Pb，Cu的平均含量是球道>发球台>果岭，Hg，Ni的平均含量是发球台>球道>果岭，Cr的平均含量是果岭>球道>发球台，As的平均含量是球道>果岭>发球台。

影响球场草坪土壤重金属含量垂直差异的主要因素是监测前是否施肥及降雨量，如果施用化肥至采样时未降雨或雨量很小，耕作层重金属含量一般高于犁底层，而且监测值会较大;如果采样前1个月未施化肥，或施肥后有明显降雨过程，则犁底重金属含量高于耕作层。由于市面上不同品牌的复合肥重金属含量差异很大，球场不同草坪土壤重金属含量的差异主要与球场施用化肥的品质有关。

高尔夫球场草坪土壤中As，Pb含量虽未超国家标准限值，但均超过本地土的背景值，Cd，Hg含量既超国家标准限值又超过本地土的背景值，已明显富集。尤其是Hg超出国家标准限值2倍以上，发球台犁底层处超出18倍，球道犁底层、果岭耕作层Cr的含量既超国家标准限值又超背景值，Ni和Cu虽未超国家标准限值但也局部超出背景值。