南昌市不同功能区绿化带土壤重金属污染特征 及生态风险评价

刘春英，李洪义

江西财经大学旅游与城市管理学院，江西 南昌 330013

土壤重金属具有隐蔽性、滞后性、累积性、不可降解性、难可逆及复合性等特点，不仅会导致土壤结构的改变和生态功能的影响，而且会通过直接或间接途径危害人体健康。土壤重金属污染的研究已成为环境科学等领域的研究热点。城市绿化带土壤是城市生态系统的重要组成部分，对污染物的吸纳、环境的净化起重要作用，更是市民接触重金属的主要风险源。国内外学者对不同国家和地区的城市土壤重金属含量进行过大量研究（Galušková et al.，2011；Peter et al.，2011，Salah et al.，2013；Al Obaidy et al.，2013），国内许多学者也开始对我国一些典型城市，如香港（Lee et al.，2006）、上海（柳云龙等，2012）、沈阳（Sun et al.，2010）、北京（Xia et al.，2011）、长春（杨忠平等，2015）、杭州（Lu et al.，2010）、南京（Lu et al.，2003）、广州（Lu et al.，2007）、太原（刘勇等，2011）和呼和浩特（郭伟等，2013）等城市的土壤重金属污染状况、化学形态以及环境风险进行了研究。研究表明，与土壤重金属背景值相比，城市土壤重金属具有不同程度的累积效应和空间异质性的特征，导致城市土壤重金属污染景观异质性的驱动因素除了成土母质的影响，人为污染源的贡献更为显著（罗成科等，2017）。而城市不同功能区人类活动的程度各异（杨少斌等，2018），所以深入分析城市重金属污染的空间分布特征、污染来源及其生态风险，对于改善城市土壤环境质量和人居环境有重要作用。

南昌市是新中国航空工业的发源地、中国重要 的综合交通枢纽和世界级的光伏产业基地，这些企业会严重威胁当地脆弱生态环境，亟需引起关注。前人的研究表明，南昌市老城区是土壤重金属污染较为严重的区域，特别是工业区（唐春花等，2005）。扬子洲蔬菜地土壤Cd存在轻度污染，部分土壤Cu、Zn达到了警戒浓度（朱美英等，2007）。前人虽然做了一定的研究，但不系统，主要是分片区进行研究，没有从不同功能区的角度来分析土壤重金属的生态风险。因此，本文根据南昌市不同的功能分区分别采集绿化带土壤样品，对城市绿化带土壤造成的重金属污染问题进行研究，采样单项污染指数法、内梅罗综合指数法和潜在生态风险评价法对重金属的污染程度进行评价，根据重金属含量的空间分布图和生态风险指数分区图，分析城市绿化带土壤重金属污染的组要影响因素，为城市土壤生态系统重金属的风险管控提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样点布设及土样采集

南昌市地处赣江、抚河下游冲积平原，北临我国最大的淡水湖鄱阳湖。本次研究区范围为南昌市城市规划区范围，采样点采用均匀布点法布设，并综合考虑交通状况、人口密度、工业企业分布等多种因素，于2016年11月共采集绿化带表层土壤231个，采样点分布见图1。选取0-30 cm深度的土壤，除去动植物残体、石砾等杂物，并将大块样品捻碎混合均匀后，用四分法选取1 kg土样。土样自然风干后，采用四分法取样，取四分之一磨碎处理，过100目（0.15 mm）土壤筛，保存待消解测定。

图1 研究区及采样点位置示意图 Fig. 1 Location of the study area with sampling sites

1.2 样品消解和重金属的测定

准确称取0.2500 g（精确到0.0001 g，以下都与此相同）风干样土于消煮管中，加入10 mL浓HNO3浸泡过夜。消煮前加2 mL浓HClO4和2 mL浓HF，放置电热消煮炉（卓乐康ZLK.LWY-84B）上加热消煮，温度调至120 ℃。待消煮管内溶液煮至4-5 mL时（注：加热过程中保持消煮管位置的经常移动，以防受热不均），温度至180 ℃，待管内雾气腾绕，沿管壁加1 mL 30% H2O2。重复此步骤直至消解液成白色或淡黄色粘稠状，再用去离子水冲洗内壁，加热溶解残渣，冷却后用2%（v/v）的稀硝酸定容至 25 mL。采用 ICP-AES（Optima-2000DV）测定消解液中重金属Cu、Zn、Pb、Cd的含量（Liu et al.，2016）。同时做3组平行样，取均值作为样品重金属的含量。同时利用国家标准土壤物质（GSS-8）进行质量控制，Cu、Zn、Pb、Cd的平均回收率分别为102.1%、101.4%、99.6%、94.3%。其结果符合质控制要求。

1.3 重金属污染的评价方法

1.3.1 单因子污染指数法

单因子污染指数法对土壤中的某一污染物的污染程度进行评价，其计算公式为：

式中，Ci为污染物i的实测浓度（mg·kg-1）；Si为污染物i的评价标准（mg·kg-1），本研究选用江西省土壤重金属元素的平均背景值作为污染物的评价标准（何纪力等，2006）。

1.3.2 内梅罗综合污染指数

综合污染指数法兼顾单因子污染指数平均值和最高值，全面反映土壤中各污染物的平均污染水平，突出污染较重的重金属给环境造成的危害。计算公式为：

依据单因子污染指数法和內梅罗综合污染指数法将土壤重金属污染划分为5个等级。如表1所示。

表1 单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法分级标准 Table 1 Classfication criterion of single gene index and complex pollution indices methods

1.3.3 潜在生态风险指数法

潜在生态危害指数法（RI）是由瑞典学者Hakanson从沉积学角度对土壤或沉积物中重金属污染进行评价的方法。考虑土壤重金属含量的同时将重金属的生态效应、环境效应与毒理学联系在一起（Hakanson，1980）。其计算公式为：

式中，RI为多金属潜在生态风险指数，Eri为第i种重金属潜在生态风险指数，Cfi为重金属i相对参比值的污染系数；Csi为重金属i的实测浓度，Cn i为重金属i的江西省土壤背景参考值（何纪力等，2006），Tri为重金属i的毒性响应系数（Cd=30、Cu=5、Pb=5、Zn=1）。Eri和RI的分级标准如表2所示。

表2 重金属污染潜在生态指数法分级标准 Table 2 Classification criterion and potential ecological risk index of heavy metals

1.4 数据处理

数据采用SPSS 19.0统计软件进行经典统计分析；采用Origin 8.5绘制不同功能区的绿化带土壤重金属含量；采用Sufer 12.0软件分析南昌市绿化带土壤重金属含量空间分布特征。

2 结果与讨论

2.1 土壤重金属含量的描述性统计

南昌市各绿化带土壤重金属含量的描述性统计结果见表3，Cu、Zn、Pb、Cd含量的平均值分别为(27.7±18.44)、(156.79±100.47)、(60.92±45.0)、(0.20±0.11) mg·kg-1。这4种重金属元素平均值均未超过《国家土壤环境质量标准》（GB15618—1995）中的二级标准，但4种元素的平均值分别是江西省土壤背景值的2.58、2.57、2.08、1.13倍。Zn和Pb的含量超标率均高达80%以上，其中Zn的超标率达85.85%。Cu和Cd的超标率同样不可小觑，均达69.26%。这说明南昌市绿化带土壤重金属含量已受到城市中各种人类活动的影响，朱美英等（2007）对南昌市郊区蔬菜基地土壤重金属含量调查分析时也发现Zn、Cd、Pb和Cu都高于土壤背景值，城市经济的发展及城镇化导致城市及周边的土壤中重金属含量显著增加（Nicholson et al.，2003），孟昭虹等（2009）对哈尔滨城市土壤重金属研究时也发现Zn和Cd的超标率达100%，Pb和Cu的超标率分别为91.3%和95.7%。

土壤重金属含量的变异系数反应了土壤受人类活动的干扰程度，变异系数越大，干扰程度越大，空间分布上的差异也越大。由表3可知，南昌市绿化带土壤重金属含量均属于中等变异（50%＜CV＜75%），在空间分布上有较大差异，重金属元素的变异系数大小均符合以下顺序：Pb＞Cu＞Cd＞Zn，Cu、Pb含量的变异系数均在60%以上，比Zn、Cd含量的空间变异性大。这主要是Pb和Cu易受交通、城市建设和商业活动等人为活动的影响，且在城市空间分布上存在有较大差异。这与林世滔等（2014）对江西省土壤研究中变异程度Zn＞Pb＞Cu一致。李晶娜等（2008）对大庆市的研究发现Cd具有较高的变异系数，达99.90%；柳云龙等（2012）在对上海的研究中也发现了Pb、Cu变异系数大，空间分布水平差异大；钟晓兰等（2007）对太仓市的研究亦显示了Zn一般具有较高的变异系数；吕建树等（2012）对日照的研究结果类似。

表3 南昌市绿化带土壤重金属含量描述性统计结果 Table 3 Descriptive statistics of heavy metals in green belt soils of Nanchang city mg·kg-1

2.2 重金属含量空间分布特征

为了能够直观地反映重金属的空间分布特征，本研究采用Sufer 12.0的散点插值函数对南昌市Cu、Zn、Pb、Cd 4种元素的含量进行可视化分析，结果见图2。Cd在西南部有一个明显的高值集聚区，Zn和Pb的积累水平比较相似，均在南昌市东北部有一个明显的高值集聚，且集聚趋势一致，表明两地区Zn和Pb污染具有同源性。从波动幅度来看，Zn和Pb在南昌市西北部波动幅度大，区域内差异明显。在南昌市东南部，Zn、Cd、Pb和Cu 4种重金属元素波动幅度均比较和缓，区域内分布较为均衡。据《江西省鄱阳湖及周边经济区1:25万多目标地球化学调查》表明，南昌市及其周边地区的表层土壤呈现出Hg、Cd含量偏高，浓度梯度变化显著，并伴有Cu、Zn、As等重金属污染（余忠珍等，2010）。

图2 南昌市绿化带土壤重金属含量分布图 Fig. 2 Spatial distribution of the content of heavy metals in green belt soils in Nanchang

导致南昌市土壤重金属空间差异的主要因素除成土母质的影响外，工业“三废”和生活垃圾及废水的排放影响显著，20世纪90年代末，南昌市城区内围绕着长途汽车站、火车站、造纸厂、钢铁厂等，并具有从重要污染源到周边、从老城区向郊区污染强度逐渐降低的分布特征，工厂分布越密集，超标、污染越严重，南昌市的主要河流玉带河成了废水沟，青山湖成了臭水湖。而远离城区的土壤污染程度则较低。由图2可知，南昌市绿化带土壤Pb含量空间变异性显著，呈点状块分布，西北角污染显著高于其他区域，除了工业“三废”的影响外，机动车保有量不断增加、密集的交通网络也是导致该区域土壤Pb含量较高的重要因素（Liu et al.，2004），汽车尾气中含有Cu、Pb和Zn等重金属，城市绿化带土壤中Pb污染形势仍然十分严峻，存在较高的健康风险。扬子洲区域土壤Cu的含量稍高于其他的区域，主要是该区域具有多年种植蔬菜历史，长期高强度农用化学品和有机肥的施用导致该区Cu、Pb和Zn的累积。另外，虽然该区域基本纳入城市范围，但基础设施还不完备，生活垃圾、生活污水成为重金属不可忽视的来源。

目前，南昌市绿化带土壤重金属的主要污染来源集中在工业“三废”、大气沉降、生活垃圾和污水以及绿化带农药化肥的使用，需要进一步通过污染源解析得出污染的分担率，为构建良好的城市土壤生态系统提供科学依据。

2.3 南昌市不同功能区土壤重金属分布特征

图3 南昌市不同功能区绿化带土壤重金属含量水平 Fig. 3 Mean values of heavy metals in green belt soils of different functional area in Nanchang

由图3可知，不同城市功能区绿化带土壤重金属含量差异显著（P＜0.05）。商业区Zn和Cu含量最高，分别为江西省土壤背景值3.67和2.24倍；工业区的Cd和Pb含量最高，分别为江西省土壤背景值的3.54和2.85倍。本研究发现，Cu、Zn在商业区积累水平较高，商业区通常有大量的产品包装物和生活废弃物源源不断的被投入环境中，因此，在交通和生活废弃物的双向作用下，使得商业区在本文研究的4种重金属含量较高。郭伟等（2013） 的研究也表明，城市商业区土壤重金属的累积较高。Cu、Zn在不同的功能区具有相似性，说明两者的污染途径相似，这与吴新民等（2003）分析南京市Cu、Zn在不同功能区分布情况一致。王幼奇等（2016）对银川不同功能区的Cu、Zn分布情况也得出相似的结论。而Pb、Cd在工业区积累比较严重（张云等，2010；吴新民等，2005）。这说明汽油燃烧和工业是Pb的主要污染来源。在绿化带内，施用肥料如磷肥、含锌肥料会带来Cd污染。同时工业生产过程中重金属元素使用较为普遍，在工业生产过程中废水排放未经严格处理，使工业区周围的重金属富集容易（杨忠平等，2015）；同时，雨淋和自然沉降会将企业排放的废气、烟尘中的重金属带入土壤（Wang et al.，2004），都是导致工业区重金属元素富集的原因。交通污染源也是Cd元素的主要来源之一（李一蒙等，2015），香港市区公路周围的尘土中Cd含量超过标准5倍多。同时我们发现城市公园绿化带土壤中Pb含量水平仅次于工业区，与商业区持平。长期的人类活动对城市公园土壤也产生了重要影响，如交通因素，含重金属建筑材料的使用等（李晓燕等，2010），公园位置也同样是导致土壤重金属积累的不可忽视的因素（郑袁明等，2002）。人群与土壤直接接触较多的主要场所就是城市公园，儿童血铅水平与城市土壤Pb污染密切相关（李小平等，2015）。史贵涛等（2006）提出的80 mg·kg-1作为城市儿童临界血铅浓度的土壤Pb总质量分数，以此为标准，南昌市区公园土壤Pb的超标率达26%，这也与很多研究发现的城市公园土壤Pb含量往往高于其它功能区的结果一致（张海珍等，2010）。城区土壤重金属的平均含量显著高于城郊的农业土壤（陈海珍等，2010），工业化、城市化的发展导致土壤重金属污染从城市到郊区呈现梯度变化（柳云龙等，2012）。在郊区除Zn、Cd外，其他重金属元素含量水平均低于江西省土壤背景值，说明郊区也受人为因素影响受到污染，但重金属污染程度比较低。

2.4 南昌市绿化带土壤重金属的潜在生态风险评价

以江西省土壤重金属背景值作为评价标准，南昌市不同功能区绿化带土壤重金属污染单因子指数如表4所示，不同重金属元素的污染程度大小为Zn＞Cd＞Pb＞Cu，除城郊的各项单因子指数较小外，其他各功能区的单因子指数基本大于1，说明南昌市绿化带土壤重金属表现为富集现象，且在工业区和商业区各项单因子指数都居高不下。Cu在各功能区基本表现为无污染或轻污染；Pb呈轻微污染（除城市公园呈轻度污染外）；除城市公园外，其他地区Cd污染较为严重，其中工业区Cd污染主要表现为中、重度污染，商业区呈轻度污染。廖启林等（2014）对苏锡常地区城市公园的研究也发现公园Cd含量远低于其他污染地区；除工业区和商业区呈轻度污染外，其他功能区Zn均呈现轻微污染。这与唐春花等（2005）对南昌城区土壤重金属研究发现南昌市区Cu、Pb、Zn、Cd等单元素污染面积已达66.67%，以Cd元素污染为突出的结果一致。同时工业区在Zn，Cd，Pb 3种元素对比江西省土壤重金属背景值均有较高的富集率，其中Cd的富集尤为突出。居民区污染指数最大值出现在南昌八一广场附近某小区，调查当地居民知采样所取土壤为近几年客土回填的土壤；而城郊土壤污染指数最大值则是出现在昌南某在建长途汽车站，所采土壤也属客土。可以窥见客土回填并不完全会降低土壤重金属含量。工业区、商业区和城市公园的综合污染指数在2-3之间，属于中污染，且Zn，Cd和Pb的累积现象明显，需引起警惕。这与李一蒙等（2015）对开封城市土壤重金属的研究一致。

表4 南昌市不同功能区绿地土壤重金属污染指数评价 Table 4 Pollution index evaluation of soil heavy metals in different functional zones of Nanchang City

表5 不同污染级别样点数占总数百分比 Table 5 Percentage of sites at different pollution levels

采用Hakanson对毒性响应系数赋值Cu=5、Zn=1、Pb=5、Cd=30，由表4单个潜在生态风险指数可知，南昌市绿化带土壤中各个重金属生态风险指数平均大小为Cd＞Pb＞Cu＞Zn，Zn、Cu全部处于低生态风险水平，仅1.30%的地区Pb处于中等生态风险水平，Cd则有29.87%处于低生态风险程度，39.39%处于中等生态风险水平，30.30%处于较重生态风险水平，0.43%处于重生态风险水平。易文利等（2018）对宝鸡市土壤重金属的研究也表明Cd为最主要的污染因子和最主要的潜在生态风险因子。Cu、Zn、Pb这3种重金属的生态风险指数均值分别为6.61、2.191、9.49，均属于轻微生态危害水平。南昌市不同功能区绿化带土壤综合潜在危害指数RI依次为工业区＞商业区＞科教区＞居民区＞城市公园＞郊区，工业区、商业区和城市公园属于中等生态危害，居民区、科教区和郊区则是轻度生态危害。由图5可知，南昌市绿化带土壤重金属有94.37%处于低生态风险水平，5.635%处于中等生态风险水平。从《国家土壤环境质量标准》（GB15618—1995）中的二级标准来看，南昌市绿化带土壤中重金属平均含量基本低于《国家土壤环境质量标准》（GB15618—1995）中的二级标准，对植物和环境不构成危害性影响。尽管土壤重金属平均浓度较低，但仍有22.08%的样点重金属综合污染指数达到重度污染水平。

图4 南昌市绿化带土壤重金属潜在生态风险指数空间分布 Fig. 4 Spatial distribution of Potential Ecological Risk Index (RI) of soil heavy metals in Nanchang

3 结论

（1）南昌市绿化带土壤中Cu、Zn、Pb、Cd，的平均含量均超过江西省土壤背景值，且在不同的功能区表现出不同的累积程度。Zn和Cd在工业区和商业区均有较高的积累，而Pb在城市公园具有较高的积累。说明在多种因素的综合作用下，南昌市绿化带土壤中重金属元素已经累积。而从《国家土壤环境质量标准》（GB15618—1995）中的二级标准来看，南昌市绿化带土壤中平均重金属含量低于《国家土壤环境质量标准》（GB15618—1995）中的二级标准，对植物和环境暂不构成危害性影响。

（2）采用Sufer12.0对南昌市Cu、Zn、Pb、Cd这4种元素的含量进行可视化分析发现，Cd在西北部聚集显著，Zn和Pb均在南昌市西北部有较高的积累水平，集聚趋势一致，表明Zn和Pb污染具有同源性。且Zn和Pb波动幅度大，区域内差异明显。Cu、Zn、Pb、Cd 4种重金属元素在南昌市东南部波动幅度均比较和缓，区域内分布较为均衡。

（3）南昌市绿化带土壤重金属中Zn、Cu全部处于低生态风险水平；97.4%的地区Pb处于低生态风险水平，少量地区Pb处于中等生态风险水平；绝大部分地区Cd处于不同程度生态风险水平。从总的潜在生态风险程度来看，南昌市绿化带土壤有97.4%处于低生态风险水平，仅0.43%处于严重生态风险水平。但仍有22.08%的样点重金属综合污染指数达到重度污染水平。