佛山城市森林公园表层土壤重金属累积特征、影响因素及其评价

2021-06-22朱立安殷爱华林兰稳柳勇张会化李俊杰

生态环境学报 2021年4期

朱立安，殷爱华，林兰稳*，柳勇，张会化，李俊杰

1.广东省科学院生态环境与土壤研究所/华南土壤污染控制与修复国家地方联合工程研究中心/广东省农业环境综合治理重点实验室，广东广州 510650；2.佛山市林业科学研究所，广东佛山 528222

随着中国过去几十年的快速发展，冶炼、采矿、废物处理、农药及化肥施用、车辆尾气排放等活动不可避免地将重金属以各种途径输入到城市和农业土壤中。近几年来，中国对土壤重金属污染非常重视，继国务院印发《土壤污染防治行动计划》之后，根据环境保护部等五部委《关于印发＜全国土壤污染状况详查总体方案＞的通知》(环土壤[2016]188号)要求，各地相继开展了农用地及建设用地土壤污染详查工作，调查点位全面覆盖了不同类型的土壤及不同利用方式的土壤；生态环境部（原环境保护部）还发布了《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》（GB 15618—2018）、《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准 (试行)》（GB 3660—2018）等两项国家土壤环境保护标准。

一般认为，城市生态系统的土壤重金属污染状况相比农田生态系统对人类生活及健康影响较少。但城市森林作为城市生态系统的重要组成部分，具有森林和公共绿地的双重属性，是重金属污染物的巨大储存库，对改善城市生态环境发挥着重要作用及价值（潘勇军等，2013；朱立安等，2020）。林业作为实施主体功能区战略重点，承担着构建生态安全格局的重大职责，其中城市林业健康发展是构建城市生态安全格局不可缺少一部分。潘勇军等（2008）应用单因子污染指数法和综合污染指数法对广州市城市森林土壤重金属污染进行分析和评价，表明森林群落对重金属污染元素的消纳作用明显。朱立安等（2020）研究认为佛山城市森林土壤与枯落物重金属通量相关性不是很显著。一些学者也曾对其它城市森林土壤重金属质量分数进行分析（方晰等，2012；楚春晖等，2014），一些学者对珠江三角洲工业用地和农业用地土壤重金属进行了分析评估（Hu et al.，2013；Zhang et al.，2014；He et al.，2016；Liu et al.，2017；Zhang，2019；李芳柏等，2012；宗庆霞等，2017；何博等，2019），然而目前对珠江三角洲城市森林土壤重金属质量分数水平、来源及其评价研究仍然较少。

为大力实施粤港澳大湾区发展战略，推动森林城市高质量发展，广东省提出到 2020年基本建成“珠三角国家森林城市群”；目前珠三角地区 9市均获得“国家森林城市”称号，形成了“珠三角国家森林城市群”的雏形。本文以佛山市为例，通过对佛山城市森林公园表层土壤重金属污染状况开展调查，分析其累积特征及影响因素，并进行分析评价，旨在加强区域土壤环境质量系统管理，构建区域安全格局具有一定参考价值。

1 研究区概况

1.1 地理位置与区域经济发展特征

佛山市位于广东省中南部，属于珠江三角洲腹地，处于 22°38′—23°34′N、112°22′—113°23′E 之间；全市国土总面积 3797.72 km2，大致呈“人”字型展布，由禅城、顺德、南海、三水、高明五区组成（图1）。作为珠三角地区快速发展的典型城市之一，同时也作为粤港澳大湾区战略发展的重要城市之一，佛山市经济总量位于广东省第三位，但各区经济发展不平衡，经济发展较快的为顺德区和南海区，禅城区作为城市发展中心，人口密度最高；工业体系较为健全，涵盖了几乎所有制造业行业，家电、家具、陶瓷、机械装备、金属加工等传统行业优势突出。

图1 佛山市及森林公园位置图Fig.1 Location map of Foshan city and forest park

1.2 自然地理与森林植被分布特征

佛山市是珠三角典型工业城市，属亚热带季风海洋性气候，年平均气温 22.5 ℃，年平均降雨量1681.2 mm；区域地质构造复杂，属于华南褶皱带一部分，地貌特征表现为块状山地，呈棋盘状分布；珠江水系中的西江、北江及其支流贯穿全境，河网纵横交错，属于典型的三角洲河网地区；低山丘陵地区以赤红壤、红壤为主，成土母质为花岗岩、砂页岩等岩石风化的残积物或坡积物，平原地区以水稻土、人工堆叠土为主，成土母质为河流冲积物或谷底冲积洪积物、三角洲沉积物或滨海沉积物等；森林植被分布有明显的地域差异，高明、三水区森林覆盖率较高（图 1）。2017年佛山市被授予“国家森林城市”称号，全市森林面积达到10.69万公顷，建有县级以上森林公园38个、县级以上湿地公园11个、公园绿地1043处、森林生态廊道956.4 km。

2 研究方法

2.1 采样点设置

调查样地涵盖佛山市五区，根据各区森林公园林地面积及布局，选取 11个采样点，即禅城区的王借岗公园，顺德区的李小龙乐园，南海区的佛山植物园、南海中央公园、西樵山公园，三水区的大南山林场、九道谷林区，高明区的三洲水源林、桫椤自然保护区、泰康山公园、云勇林场。各采样点位置见图1，每个采样点设400 m2的固定样地调查植被及土壤等相关信息（表1）。

表1 各森林公园采样点的基本概况Table 1 The basic situation of sampling points in each forest park

2.2 土壤采样及分析方法

采样方法：在各公园或林区选取人工扰动较少的区域设置固定样地，每个固定样地根据样地基本特征及地形变化特点将整个坡面分为上、中、下 3个取样区，每个取样区设3个取样点，采集0—20 cm混合土壤，根据3个取样区平均值计算每个样地土壤重金属质量分数。

分析方法：pH采用电位法（LY/T 1239—1999）；总Cd、Pb采用石墨炉原子吸收分光光度法测定，总Cr、Cu、Ni、Zn采用火焰原子吸收分光光度法测定（GB/T 17141—1997）；总Hg、As采用原子荧光法测定（GB 22105—2008）。

2.3 分析评价方法

2.3.1 单因子指数计算方法

评价公式为：

式中，Pi为重金属元素污染指数；Ci为重金属i元素的实际浓度（mg·kg−1）；C0i为土壤环境参比值（mg·kg−1）。

2.3.2 单因子评价指标

评价指标参考宁晓波（2009）等，对森林土壤重金属“污染”等级划分（方晰等，2012；楚春晖等，2014），城市森林土壤重金属单因子评价指标见表2。

表2 森林土壤重金属评价等级划分标准Table 2 The classification standards for the heavy metal of forest soil

2.4 数据处理

采用Excel 2010、SPSS 20.0统计软件进行数据处理、主成分分析、相关性分析及显著性分析。

3 结果与讨论

3.1 重金属质量分数总体特征

由于成土母质、区域大地构造及区域工业发展布局等原因，珠三角地区土壤重金属背景值比广东省整体背景值略高，且重金属分布不均衡（陈俊坚等，2011；李婷婷等，2016）。佛山城市森林公园土壤各调查样地重金属元素质量分数与珠三角土壤重金属元素背景值含量无显著差异（P＜0.05），调查样地土壤重金属 Ni元素质量分数均值略超珠三角背景值，其余重金属元素质量分数均值都低于珠江三角洲背景值，如表3示。

表3 佛山市城市森林公园土壤重金属质量分数统计Table 3 Statistics of heavy metal quality score in the soils of urban forest park in Foshan

受各种因素影响，佛山城市森林公园土壤重金属元素质量分数分布范围较广，变异系数较大，几乎每个样地都有某种重金属质量分数超出珠江三角洲背景值，其中变异系数较大的为Ni＞As＞1，其次为 Zn＞Pb＞Cu＞Cr＞Cd＞Hg，佛山城市森林土壤重金属质量分数分布不均衡。从质量分数范围分析，甚至As元素在个别公园样地土壤质量分数超出《土壤重金属风险评价筛选值珠江三角洲》（DB44/T 1414—2014）和《建设用地土壤污染风险管控标准（第二类公园绿地）》（GB 36600—2018）公共绿地筛选值，但远低于管制值，在一定程度上应引起重视，其余重金属元素都低于上述标准，不构成人身接触健康风险。

3.2 重金属质量分数影响因素分析

土壤作为各种污染物的缓冲库，城市森林生态系统土壤重金属质量分数受到自然因素及人为因素双重影响，如成土母质及森林土壤成土过程、侵蚀和迁移特征，也受到城市发展过程中人为因素影响，如大气的干、湿沉降，施用肥料、污泥、农药等，如化石燃料燃烧过程中排放的飘尘（含 Cr、Hg、As、Pb等），重金属矿产开采、冶炼，金属加工排放的废气、废水、废渣，电镀、染料、化工、制革工业废水（Cr、Hg、Cd、Pb、Ni、Cu等）等，都会引起森林土壤重金属累积，汽车尾气沉降使公路两侧森林土壤易受铅污染，重金属也会随土壤侵蚀和淋溶作用而迁移，在林龄较大的森林中，因土壤侵蚀而迁移的较少，而淋溶作用则相对较强，同时重金属与土壤酸度变化和有机质络合作用密切相关，此外，植物富集不同土壤层次重金属随残落物凋落进入地表也是重金属迁移途径之一（王海涛等，2011）。

佛山城市森林公园土壤重金属主成分分析显示，3个主因子可以较好的描述重金属质量分数来源特征，能够解释总变异量的86.03%，见表4，第一主因子解释了佛山城市森林公园土壤重金属质量分数影响总量的41.94%，其中Cd、Hg、Cu、Ni、Zn都贡献了较高的特征向量，从特征向量较大的重金属元素组成分析，佛山城市森林公园土壤中重金属元素的质量分数相关性分析，见表 5示，Cu和Ni在0.01水平上显著相关、Cr和Ni在0.05水平上显著相关，Cd、Hg、Cu、Ni、Zn在0.05水平上显著的相关性，Hg和Zn在0.01水平上显著相关等，都说明这些元素可能存在相似过程控制其在佛山森林土壤的质量分数（陈俊坚等，2011），有研究表明广州市表层土壤Cd和Hg富集明显，Cd、Cu、Ni、Zn以自然源为主，Hg主要为工业源，但有一定比例点位来自自然源，分布比较均匀（陈丹青等，2016），因此第一主因子主要因素可能为森林土壤成土过程及干湿沉降累积（不包括汽车燃油）。

表4 各森林公园样地土壤重金属主因子分析Table 4 Principal factor analysis of soil heavy metals in forest parks

表5 各森林公园样地土壤重金属相关性分析Table 5 Correlation analysis of soil heavy metals in forest parks

第二主因子影响了佛山城市森林公园土壤重金属质量分数总量的30.98%，也占有较大比重，其中As和Hg元素贡献了比较高的特征向量，而Zn也有一定比例的贡献率，Cr和Cu表现出一定比例负相关，Hg和Zn在0.01水平上显著相关，见表5，城市森林公园一般存在较多人为管理，如林型改造和病虫害防治等，有资料表明，As和Hg元素在肥料中都有较高质量分数，如过磷酸钙中Hg和Pb元素、硝酸铵、磷酸铵中 As元素可达到 50—60 mg·kg−1，一些农药中含有 As、Hg、Cu、Zn等重金属成分（崔德杰，2004；封朝晖等，2009），因此第二主因子主导因子可能为人为元素中营林及管理中肥料、农药使用累积效应。第三主因子影响了佛山城市森林公园土壤重金属质量分数总量13.11%，主要为Pb贡献特征向量，其中Hg、Cu、Ni、Zn也有少量贡献值，由于佛山市道路网络发达，城市汽车密度较大，也有研究广州土壤重金属源分析中，交通源也都占有较大比重，尤其是重金属Pb（管东生等，2001），广东省土壤中存在明显的外源输入，人类活动是土壤Pb和Hg背景升高的主要原因（陈俊坚等，2011），因此本研究第三主因子可能为人为活动中汽车燃油主导的降尘因素。

3.3 重金属质量分数单因子评价

为了研究单个重金属元素质量分数情况，对不同样地森林公园表层土壤重金属累积状况进行了评价，根据文献资料大多采用区域土壤背景值作为参比值进行分析（Rouhollah et al.，2014；Ryszard et al.，2017；宁晓波等，2009；楚春晖等，2014），因此城市森林土壤环境质量评价，本文采用《土壤重金属风险评价筛选值珠江三角洲》（DB44/T 1415—2014）土壤环境背景值作为佛山市城市森林公园土壤重金属评价单因子评价参比值，11个样地单因子评价指数评价结果见表6。

表6 佛山城市森林公园土壤重金属评价指数Table 6 Evaluation index of soil heavy metals in forest park of Foshan city

佛山城市森林公园土壤重金属污染单因子评价分析显示，采样样地除了中央公园样地8种重金属均低于背景值外，其余样地都有不同种类重金属、在不同程度超出珠三角土壤重金属环境背景值，其中王借岗公园样地土壤中的 Ni和西樵山公园样地土壤中的 As元素已经达到重度级别，超出背景值 2—3倍，显著高于其它样地土壤，并且这两个样地超出珠三角土壤重金属元素背景值较多，王借岗公园样地有5种重金属元素，西樵山公园有3种重金属元素，不同样地重金属超出背景值情况见表7示。Ni元素受地质背景控制较大（韩志轩，2018），西樵山公园作为佛山区域重要旅游地，其As元素可能受人为管理干扰较大。王借岗公园和西樵山公园位于城市中心区且位于主体工业区下风向，因此干湿沉降及各因素叠加（Zhang et al.，2001；Zhang et al.，2014；韩志轩等，2018）可能是导致土壤重金属超出背景值的种类多和强度大的原因。

表7 不同森林公园样地的重金属超出区域背景值统计Table 7 The heavy metals in different forest parks exceeded the regional background value

佛山城市森林公园样地土壤重金属质量分数超出珠三角土壤背景值频度最高的为Cr元素（5个样地），包括王借岗公园、大南山公园、泰康山公园、三水九道谷公园和三洲水源林区，Cr元素可能主要受成土过程影响（李芳柏等，2012），其次为As元素（4个样地），包括李小龙乐园、西樵山公园、大南山公园和索罗保护区。其中王借岗公园样地土壤重金属质量分数超出区域背景值重金属种类最多（5种重金属），其次为西樵山公园样地（3种重金属）、李小龙乐园样地、大南山公园样地、桫椤保护区样地和佛山植物园样地分别为2种重金属超出区域背景值，其余样地为单元素超出区域背景值或没有重金属超出区域背景值。