乌鲁木齐不同功能区林带土壤重金属污染特征分析

李吉玫 *，张毓涛

1. 新疆林科院森林生态研究所，新疆 乌鲁木齐 830063；2. 新疆天山森林生态系统国家定位观测研究站，新疆 乌鲁木齐 830063

大量重金属污染物通过工业“三废”进入到土壤中，导致土壤重金属质量分数越来越高，严重危害城市生态环境质量（Patella et al.，2018；田华等，2018；Pan et al.，2018）。中国土壤受重金属污染形势较为严峻，连通常被认为较为清洁的林地土壤都出现了较严重的污染（杨峥等，2018；何予川等，2018）。城市森林是城市生态系统中唯一执行自然“纳污吐新”负反馈机制的子系统，是城市土壤重金属污染物的主要汇集地、缓冲带，对重金属污染具有积极的屏障作用（张波等，2017；周伟等，2018；方晰等，2012）。国内外学者在城市森林土壤重金属特征方面开展了大量研究。如方晰等（2012）、赵靓等（2019）、郁珊珊等（2016）、Vinokurov et al.（2017）和Trammell et al.（2011）分别从城市化发展水平、城市土地利用、绿化树种的生理特性等方面研究了城市森林土壤重金属分布特征，研究结果表明：城市森林土壤重金属含量除了与城市发展水平、距污染源的距离、气象因子等有密切关系，还与园林树种的吸污特性有不可分割的关系。刘玉燕等（2007）对乌鲁木齐市土壤重金属进行研究，结果表明交通流量大、工业密集及植被覆盖率低可能是导致商业区和工业区土壤重金属含量高的原因。杨永红（2017）对乌鲁木齐市公园绿地土壤重金属分布特征进行研究，结果显示乌鲁木齐公园绿地土壤重金属含量均低于《土壤环境质量标准》规定的二级标准限值，土壤环境质量处于清洁水平。城市化建设及大量固体废弃物都可以使汞、铅、砷和铬在土壤中大量积累，导致周围土壤遭受污染（阮光栋，2018）。近年来，乌鲁木齐市周边逐渐开发了锌矿，这可能是土壤中重金属锌的来源之一（杨永红，2017）。

西北干旱区，由于降水稀少，生态环境恶劣，城市中很少有集中成片的森林分布，林带是构成城市森林的主体（昝少平等，2006）。从目前的研究看，以西北干旱区城市森林林带土壤为研究对象，比较不同功能区土壤重金属污染的研究仍较少。乌鲁木齐市实施“地变绿”工程以来，大面积的林带分布于城区、交通枢纽及公路两旁。本文对乌鲁木齐市不同功能区分布的林带土壤重金属质量分数进行对比，旨在了解乌鲁木齐市不同功能区林带土壤重金属污染特性，为城市森林的合理建设和污染防治提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

为了提高城市生态质量，乌鲁木齐市加大了城市森林建设力度，并提倡在城市绿化中推广大气净化功能强的树种。截至到 2017年，乌鲁木齐市绿覆盖面积达2.99×104hm2，园林绿地面积2.88×104hm2，公园29个，公园绿地面积0.36×104hm2，人均公园绿地面积 16.14 m2（乌鲁木齐市统计局，2018）。据统计，乌鲁木齐现有污染企业963家，煤炭消费量为 2.13×1010kg，工业废水排放量为3.337×1010kg，工业废气排放量为 3699.38×108m3，SO2排放量为4.16×1011kg，粉尘排放量为3.98×1011kg（乌鲁木齐市统计局，2018）。

1.2 采样点布设、样品采集与测定方法

2018年8月选择乌鲁木齐市工业区（IZ）、道路（RZ）、生活区（RZ）林带和公园（PZ）等4种功能区分布的林带作为试验采样区，每种功能区林带内各设置8处采样点，共计32处（图1）。每处采样点重复布设3个面积为100 m2的样地（样带），每个样地按照对角线法布设5个采样点，用土钻采集0－20 cm土样，同一样地的土壤样品混匀作为一个样品，用自封袋装好密闭并贴好标签，带回实验室，自然风干后送至监测机构监测土壤锌、铅、汞、砷、铬质量分数，监测方法（张连科等，2016；刘二雄等，2016）及检出限见表 1。采集土壤样品的同时，调查样地（样带）基本信息（表2）。

1.3 土壤污染评价方法

采用单因子污染指数和综合污染指数法评价重金属污染程度。单因子污染指数公式计算为：

式中，Pi为土壤中单因子污染指数；Ci为污染物i的实测质量分数（mg·kg-1）；Si为污染物i的背景值（mg·kg-1）。Pi值越大，表示污染越严重。本文选用乌鲁木齐市土壤重金属元素的背景值作为污染物的评价标准。

综合污染指数采用内梅罗综合指数法：

图1 不同功能区林带土壤采样点Fig. 1 The sample plots of forest belt in different functional zones

表1 土壤重金属测定方法及检出限Table 1 Monitoring method and detection limit of soil heavy metal

污染程度判别标准为：Pi≤1为无污染，1＜Pi≤2为轻度污染，2＜Pi≤3 为中度污染，Pi＞3 为重度污染。P≤0.7为无污染，0.7＜P≤1为尚清洁，1＜P≤2为轻度污染，2＜P≤3为中度污染，P＞3为重度污染。

表2 4种功能区林带基本信息Table 2 Basic Information of Forest Belts in Four Types Function Zones

1.4 数据处理

运用Excel 2010和SPSS 17.0进行数据处理和统计分析。采用单因素方差分析（One-way ANOVA）比较不同功能区林带土壤重金属质量分数的总体差异，并用LSD最小显著极差法统计各功能区间的差异。

2 结果与分析

2.1 乌鲁木齐城市林带土壤重金属质量分数特征

乌鲁木齐林带土壤锌和汞质量分数普遍超过背景值，其超标率分别为 92.86%和95.71%，超标倍数为1.58倍和12.79倍，说明研究区的土壤已经普遍受到了锌和汞的污染；虽然土壤铅、砷和铬质量分数总体显示未超过背景值，但在调查林带中也存在超标样地，超标率分别为41.43%、7.14%和40%（表3）。

表3 乌鲁木齐市林带土壤重金属质量分数统计值Table 3 Statistics characteristics of heavy metal content of forest belts in the four types of functional zones

表4 不同功能区林带重金属质量分数统计特征Table 4 Heavy metal content of forest belts in the four types of functional zones

2.2 乌鲁木齐不同功能区林带土壤重金属质量分数比较

4种功能区林带土壤锌和砷质量分数由高至低排序为：道路林带＞工业区林带＞生活区林带＞公园林带（表 4）。道路林带土壤锌质量分数分别比工业区林带、生活区林带和公园林带分别高23.65%、43.66%和50.34%；土壤砷分别高13.36%、53.79%和24.87%。土壤锌普遍超过乌鲁木齐背景，砷含量未超过背景值。

4种功能区林带土壤铅和汞平均质量分数由高至低排序为：工业区林带＞道路林带＞生活区林带＞公园林带（表 4）。道路林带土壤铅含量比工业区林带、生活区林带和公园林带分别高0.45%、55.30%和27.98%；土壤汞含量分别高2.05倍、7.67倍和3.33倍。工业区林带和道路林带土壤铅超过背景值，生活区林带和公园林带总体显示未超过背景值；土壤汞普遍超过背景值，其中除了生活区林带超标率为 82.35%以外，其余 3种功能区林带超标率均为100%。

4种功能区土壤铬平均质量分数由高至低排序为：工业区林带＞道路林带＞公园林带＞生活区林带（表4）。虽然只有工业区林带平均值超标，但在其他功能区林带仍然存在铬超标的样地。工业区林带比道路林带、生活区林带、公园林带土壤铬分别高3.18%、7.287%和17.56%。

图2 工业区林带污染等级出现相对频次Fig. 2 Relative frequency of different pollution class of forest belts in industrial zone

图3 道路区林带污染等级出现频次Fig. 3 Relative frequency of different pollution class of forest belts in road zone

2.3 乌鲁木齐不同功能区林带土壤重金属污染样地出现频次比较

从锌和铅单项污染指数看（图2－图5），96个监测样地中，锌重度污染等级仅出现在道路林带，铅未出现重度污染等级的样地；中度污染等级的样地只出现在工业区林带和道路林带；锌轻度污染等级的样地工业区林带、道路林带、生活区林带和公园林带出现的相对频次分别为 91.66%、50%、94.11%和 73.68%，铅出现的相对频次分别为61.25%、41.67%、29.41%和 26.31%，铅清洁等级的样地出现频次最高的为公园区林带，最低的是工业区林带。锌清洁等级的样地在只出现在生活区林带和公园区林带。汞清洁等级的样地只在生活区林带出现，重度污染等级的样地在4种功能区林带出现的相对频次均在40%以上，相对频次依次为工业区林带＞道路林带＞公园林带＞生活区林带；中度和轻度污染等级的样地出现的相对频次均低于30%，表现出在公园林带和生活区林带出现的频次高于工业区林带、道路林带。所有调查的公园林带样地中砷污染等级均为清洁。中度和轻度污染等级的样地在工业区林带、道路林带出现的相对频次也不到20%；工业区林带、道路林带和生活区林带均以清洁污染等级的样地为主，未出现重度污染等级的样地。铬未出现重度污染的样地；中度和轻度污染等级的样地在各功能区林带出现的相对频次也不足10%，均以清洁污染等级的样地为主。

图4 公园林带污染等级出现频次Fig. 4 Relative frequency of different pollution class of forest belts in park zone

图5 生活区林带污染等级出现频次Fig. 5 Relative frequency of different pollution class of forest belts in in residential zone

从 96个样地的综合污染指数看，无污染等级的样地仅出现在生活区；重度污染等级的样地在工业区林带、道路林带、生活区林带和公园林带出现的相对频次分别为 70.83%、20.83%、35.29%和26.31%；中度污染等级的样地出现的相对频次分别为12.5%、50%、11.76%和42.10%；轻度污染等级依次为8.33%、16.67%、35.29%和31.57%；尚清洁等级的样地依次在工业区林带、道路林带和生活区林带出现的相对频次分别为 8.33%、12.5%和11.76%，在公园林带未出现。

2.4 乌鲁木齐不同功能区林带土壤重金属污染评价

表5为采用单因子污染指数评价法和综合污染指数法对4种功能区林带土壤重金属的污染特征的评价结果。总体上，4种功能区林带土壤重金属单项污染指数均表现为汞最大，污染等级为重度污染；其次是锌，为轻度污染；砷最小，污染等级均为清洁，表明4种功能区林带内土壤均未受到重金属砷的明显影响。工业区林带土壤汞平均污染指数大于 3，为重度污染；铅、锌和铬平均污染指数大于 1，为重轻污染；砷平均污染指数小于 1，为清洁水平；道路林带土壤汞污染等级也为重度污染；锌为中度污染；铅为轻度污染；砷和铬为清洁水平。生活区林带和工业林带土壤汞污染等级也为重度污染；锌为轻度污染；铅、砷和铬为清洁水平。4种功能区林带土壤重金属污染综合指数依次为工业区林带＞道路林带＞生活区林带＞公园林带，且综合污染指数均大于 2。其中，工业区林带和道路林带污染等级为重污染，生活区林带和公园林带为中度污染。

表5 不同功能区林带重金属污染指数Table 5 Heavy-meatal pollution index of forests belts in different functional zones

3 讨论

3.1 乌鲁木齐市城市森林林带土壤重金属质量分数特征

城市森林或具有一定规模的城市林带对土壤重金属具有一定的屏障作用（Wang et al.，2016）。与乌鲁木齐非林带中土壤重金属砷、铬质量分数的调查结果（刘玉燕等，2007；杨永红，2017；钱翌等，2013；王亚宇，2008；帕尔哈提·克依木等，2007）相比，本研究在城市林带监测的土壤重金属质量分数不高（表 6），其污染等级保持在清洁水平。林带土壤重金属锌、铅平均质量分数虽然超过了乌鲁木齐市的背景值（中国环境监测总站，1990），但与已有学者在城市非林地测得的结果相比，仍处于较低水平（杨永红，2017；帕尔哈提·克依木等，2007）。说明与非林带相比，城市林带分布的树木可能具备有效阻止重金属进入土壤的潜力。已有的研究也得出了相似的结论。如有学者通过对比建设用地、耕地、草地和园地等土壤重金属的质量分数，发现林地重金属质量分数最低（李兵，2017；纪易凡，2008）。林带土壤重金属质量分数低于非林带的主要原因如下：林带内的树木通过各个器官吸附重金属或其植株形体阻止重金属污染随气流向周围扩散，有效降低了土壤中重金属的累积，减轻了污染（方晓波等，2016）。同时，本文林带土壤重金属污染明显低于城市绿地中的草地（杨永红，2017）。这主要是由于有些乔木从土壤中吸收重金属的主要器官为根和树干，尤其是根部，它是植物富集重金属最重要的部位。树干和树根不易被动物消耗，且分解期远远超过草本。当树木被采伐后，重金属依然存在于树干和树根中，减少重金属对环境的污染。如王荣芬（2013）认为铜和铬在毛白杨树干中浓度最高，镊在树根中浓度最高；镉在树皮和树根中有最大浓度。植物的这种适应机制说明它们能在重金属污染的条件下很好地平衡重金属的吸收和转移。

表6 乌鲁木齐市土壤重金属质量分数比较Table 6 Comparison of soil heavy-metal content in Urumqi mg·kg-1

3.2 不同功能区林带土壤重金属质量分数特征

总体看，工业区林带锌、铅和铬存在不同程度的轻度污染，汞为重度污染，只有砷保持在清洁水平。汞在少量样地为轻度污染和中度污染，主要是重度污染。道路林带锌存在不同程度的中度污染，铅和铬为轻度污染，汞为重度污染，只有砷保持在清洁水平。生活区林带和公园林带锌和铅为中度污染，汞为重度污染，铬和砷保持在清洁水平。4种功能区林带土壤锌和砷质量分数由高至低排序为依次为道路林带＞工业区林带＞生活区林带＞公园林带；土壤铅和汞平均质量分数依次为工业区林带＞道路林带＞生活区林带＞公园林带；土壤铬平均质量分数为：工业区林带＞道路林带＞公园林带＞生活区林带。4种功能区林带土壤重金属污染综合程度依次为工业区林带＞道路林带＞生活区林带＞公园林带。其中工业区林带和道路林带污染等级为重污染，生活区为和公园为中污染，说明在绿化较好的公园，也存在一定程度的中度污染，这可能是由于公园林带长期使用含重金属的有机肥化肥和农药，导致土壤中重金属（如锌）的增加。工业林带和道路林带土壤重金属污染严重，尤其是汞、铅和锌质量分数较高。这可能与本文选择的道路林带中的河滩辅道为乌鲁木齐车流量最大的交通路段，同时机场高速的车流量也较大，汽车尾气排放量高有关；同时，本研究选择的工业区主要为石油精炼工业、肥料生产工业和金属冶炼工业区，这些都是产生重金属的重要污染源。虽然近年来乌鲁木齐市加大了绿化建设的投入，城市道路绿化和工厂区绿化逐渐受到重视，但是由于道路林带和工业区林带的带宽不够、植物组成单一，影响了植物阻滞和富集重金属的能力。据笔者调查，乌鲁木齐工业区林带主要以榆树和白蜡2种树木为主；道路林带种组成很少有超过4种的。

4 结论

乌鲁木齐市林带土壤锌和汞质量分数普遍超过背景值；土壤铅、砷和铬质量分数总体显示未超过背景值；单项污染指数大小为汞＞锌＞铅＞铬＞砷。4种功能区林带5种重金属质量分数普遍为道路林带和工业区林带高于生活区林带和公园林带；土壤重金属污染综合程度依次为工业区林带＞道路林带＞生活区林带＞公园林带。从各污染等级样地出现相对频次看，安全污染等级的样地仅出现在生活区，重度污染等级的样地在工业区林带和道路林带出现频次相对较高。