保定市主城区不同类型绿地土壤化学性质及重金属污染1)

2022-07-25邸东柳牛小云王绍坤毕秋薇张立业黄大庄

东北林业大学学报 2022年6期

邸东柳牛小云王绍坤毕秋薇张立业黄大庄

(河北农业大学，保定，071000)

城市是人类生活高度集中，社会、经济、自然相互融合且极其不稳定的人工生态系统[1]。城市绿地作为唯一类似自然的生态系统，在保护环境、保持居民身心健康等方面起着重要作用。城市绿地土壤不仅是城市生态系统的组成部分和绿色植物生长的介质及养分供应者，也是城市污染的源和汇[2]。随着城市化进程的不断推进，密集的工业生产、交通运输和频繁的人类活动对城市的影响日益显著，城市土壤理化性质发生改变，重金属污染加重，城市出现一系列社会和生态环境问题[3]。由于重金属具有降解性低、流动性差、易积累等特点使其成为永久性的潜在污染物。铅(Pb)、镉(Cd)、铬(Cr)为城市中毒性强、对人体健康危害大的重金属元素，随着城市的快速发展逐渐被积累。根据赵卓亚[4]研究发现，镉是保定市绿地土壤的主要重金属来源，且不同绿地类型中铅、铬均存在不同程度的污染。可通过呼吸和皮肤直接接触对人类特别是儿童健康造成直接和间接的影响，甚至导致严重的癌症风险[5-7]。

随着“一带一路”战略、“京津冀协同发展”和“雄安新区”国家经济战略的推进，河北省保定市作为京津冀中心和雄安新区的战略腹地，是北京非首都功能的支撑点和京津产业转移的承接地，在京津定位中起着重要的作用。对保定市城市生态系统进行研究，可以为京津冀建设政策制定等提供参考数据。长期以来，人们的研究主要集中在大气污染的来源和控制方面[8-10]，少有对城市不同类型绿地土壤污染情况进行系统的分析[11-12]。虽然赵卓亚在2009年对保定城市绿地土壤重金属污染程度进行了研究[4]，但是经过10 a城市化快速发展，保定市不同类型绿地重金属污染情况势必发生变化。对河北省保定市城区绿地土壤重金属元素的污染程度进行评价，有助于我们有针对性的修复城市土壤，对保障人们健康生活具有积极意义。本文根据河北省保定市城市绿地类型和距市中心不同距离设置土壤取样点，测定分析不同绿地类型和距市中心不同距离对土壤化学性质和重金属污染的影响,为更全面了解河北省保定市主城区土壤的性质和土壤环境质量提供基础数据，通过对城市绿地土壤质量进行合理、客观的分析，也可为保定市城区土地资源的合理开发利用、城市的可持续发展和生态环境建设提供重要参考价值。

1 研究区概况

保定市位于河北省中部，华北平原中北部，被誉为中国首都的南大门。保定市是典型的温带大陆性季风气候，夏季盛行东南风，冬季盛行西北风，年平均气温13.4 ℃，年平均降水量500 mm左右，集中在6—8月。保定市主城区面积为299.6 km2，常住人口120万人，城市化程度较高，是一座典型的工农业城市，主要包括造纸、毛皮、印染、纺织、制药和建筑材料等产业，其中大气污染、水污染和固废环境问题较为突出。

2 研究方法

2.1 样地设置

保定市道路网以保定站为中心呈方格式分布，2019年1月初进行调查取样，根据不同的土地利用方式将保定市城市绿地划分为道路绿地、居住区绿地、学校绿地、工业绿地、公园绿地、商业绿地6种类型；依据距市中心的距离划分一、二、三环3个区域。具体的采样地点定位44个，其中道路绿地14个，居住区绿地6个，学校绿地8个，工业绿地5个，公园绿地8个，商业绿地3个(图1)。每处采样点设置3个重复，每份土样均是5个采集点混合而成，共132个土壤样品。

2.2 取样方法

为减弱土壤空间异质性造成的影响，根据相应区域的地形特点设置取样方法。其中公园绿地、学校绿地、居住区绿地、工业绿地、商业绿地采用棋盘式布点法；道路绿地采用蛇形布点法。随机采取5份土壤进行混合为1份样品，平行采样3次。采样时将土壤表层的枯枝落叶及杂物清除后，用土钻取表面0～20 cm的土壤，混合均匀后用四分法取2 kg土壤装入自封袋，标明地点和编号。同时，采用全球定位系统(GPS)定位并记录采样点的地理坐标和采样点周围植物，最后将整理好的土样带回实验室。

2.3 样品的处理及测定方法

土样去除树根、石块等杂质风干后，过20目尼龙筛测定pH、有机质质量分数；过100目尼龙筛测定土壤养分(全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾)和重金属(Pb、Cd、Cr)质量分数。具体测定方法如下：土壤pH用电位法测定；有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法；全氮测定采用凯式定氮法；碱解氮的测定采用碱解扩散法；全磷采用高氯酸-硫酸消煮-钼锑钪比色法测定；速效磷采用碳酸氢钠-钼锑钪比色法测定；全钾采用五水合硫酸铜无水硫酸钠-浓硫酸消煮-原子吸收分光光度法；速效钾采用中性乙酸铵提取-原子吸收分光光度法[13]；土壤重金属含量采用王水-高氯酸消煮体系(Sined,MDS-6)；Pb、Cr质量分数用火焰原子分光光度法进行测定(AA-680)，Cd采用石墨炉原子分光光度法(AAS Zeenit700P)。

图1 保定市主城区不同绿地类型取样点分布情况

2.4 土壤肥力因子评价方法

隶属度函数：

F(x)=(Xmax-X)/(Xmax-Xmin)。

(1)

F(x)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)。

(2)

权重系数计算公式：

(3)

土壤综合肥力由土壤质量指数(ISQ)计算公式：

(4)

土壤质量是评估土壤状况和变化的重要概念，土壤具有维持植物和动物生产力、提高水和空气质量以及支持人类健康和居住的能力[14]。其中F(x)为各土壤因子的隶属度，X为各因子的值，Xmax和Xmin分别为各土壤因子的最大值和最小值。pH在本次研究中均为碱性，碱性越强对植物不利，因此隶属度采用函数(1)，其余因子在本次研究中为正相关，所以使用函数(2)确定隶属度。由于土壤各因子相对重要性的差异，各因子的重要性用一个权重系数来表示。通过主成分分析(PCA)，利用公式(3)计算土壤质量评价中各土壤因子的权重[15]。Wi为各项土壤因子的权重系数，CCi为第i个土壤因子的荷载。利用公式(4)计算土壤综合质量指数，Wi为权重，F(xi)为各土壤因子的隶属度。

按肥力综合指数对土壤的肥力状况进行分级，取值在0～1之间，分为差(ISQ<0.4)、中等(0.4≤ISQ<0.6)、一般(0.6≤ISQ<0.7)、良(0.7≤ISQ<0.8)、优(0.8≤ISQ)5个等级[16-17]。

2.5 土壤重金属污染风险评估方法

(1)Muller地积累指数法污染评价

Igeo=log2[Cn/(kBn)]。

式中：Cn是元素n在土壤中的含量，Bn是土壤中该元素的地球化学背景值，k为考虑各地土壤差异可能会引起背景值的变动而取得系数，一般为1.5。

将污染程度分为无污染(Igeo<0)、轻度污染(0≤Igeo<1)、偏中度污染(1≤Igeo<2)、中度污染(2≤Igeo<3)、偏重度污染(3≤Igeo<4)、重污染(4≤Igeo<5)、严重污染(5≤Igeo<10)7个等级[18]。

(2)潜在生态危害指数法

2.6 数据处理方法

利用SPSS 22对数据进行统计，分析不同类型绿地和距市中心距离的对土壤化学性质和重金属含量的影响，采用双因素方差分析，在5%水平上用最小差异性差异(LSD)和Duncan进行显著性差异检验。利用ARCGIS 10.6普通克里格加上平滑效果的校正和反距离权重插值对数据集进行插值分析，描述土壤综合质量指数、重金属单一污染指数和重金属综合污染程度的空间分布。

3 结果与分析

3.1 保定市主城区绿地土壤化学性质

表1为保定市主城区不同绿地土壤化学性质，保定市主城区城市绿地pH均值为8.14，最低7.52，变异系数较低，为2.34%，是典型的碱性土壤；有机质平均值为20.06 g·kg-1，高于园林土壤有机质质量分数的最低临近值10.00 g·kg-1，但是仍然处于第4等级养分缺乏状态；全氮、全磷、全钾平均值分别为0.22、0.61、2.56 g·kg-1；碱解氮、速效磷、速效钾的质量分数分别为90.71、23.14、13.01 mg·kg-1。根据养分等级表可知(表2)，全磷和碱解氮处于第2等级养分水平，而全钾和全氮质量分数为极度缺乏状态，速效磷变异系数最大，高达81.44%，整体平均质量分数属于2级水平。

表1 保定市主城区不同绿地土壤各养分化学性质平均质量分数

表2 土壤养分等级

保定市主城区不同绿地土壤化学性质和养分含量如表3所示，除全钾外，这两者的交互作用对绿地土壤指标有显著影响。整体上看，三环土壤的pH值最高，其中公园、道路、学校绿地pH高于其他绿地，养分含量较低，三环绿地中公园绿地、道路绿地、学校绿地、居住区绿地的速效钾、速效磷、碱解氮、全氮、有机质质量分数大部分低于一、二环区域的同类型绿地，但工业绿地土壤全氮和有机质质量分数很高，分别为0.34和27.89 g·kg-1。

表3 保定市主城区不同绿地土壤化学性质和养分质量分数

3.2 保定市主城区绿地土壤综合肥力评价

本次研究对所测定的9项土壤质量指标进行主成分分析，提取了4个主成分，其特征值大于0.80，累积贡献率为81.67%，说明这4个主成分可以基本反映全部指标的信息。各个指标的权重值如表3所示，全钾和全氮所占比例最大，分别为0.22、0.17，碱解氮所占比例最低为0.05。最后利用ISQ对其进行加权求和，根据保定市绿地类型和距市中心不同距离进行分类，得出城市绿地土壤质量综合结果(表4)。单因素方差分析的结果差异显著，绿地土壤质量由高到低依次为一环居住区绿地(0.62)、二环学校绿地(0.48)、二环公园绿地(0.45)、三环工业绿地(0.45)、一环道路绿地(0.42)、一环商业绿地(0.41)、二环居住区绿地(0.36)、二环工业绿地(0.36)、一环学校绿地(0.35)、二环道路绿地(0.35)、一环公园绿地(0.31)、三环公园绿地(0.29)、三环道路绿地(0.23)、三环学校绿地(0.22)、三环居住区绿地(0.20)。其中一环居住区绿地土地综合质量最高，是三环居住区绿地综合质量的3.17倍，整体肥力属于中等偏上状态。保定市土壤综合质量指数数据符合正态分布，对其进行普通克里格插值分析，结果见图2。由图2可知，ISQ的空间分布整体上呈现出城市中心和西北区域土地质量高，但是大部分区域的绿地土壤质量较差，主要集中在东部区域，且分布具有一定连续性。

表4 主城区不同绿地土壤综合肥力评价

图2 河北省保定市主城区生态危害指数的空间分布图

3.3 保定市主城区绿地土壤重金属污染评价

利用火焰和石墨炉原子吸收仪对保定市的Pb、Cd、Cr进行测定分析，计算出主城区土壤Pb、Cd、Cr平均质量分数分别为46.00、0.74、124.96 mg·kg-1，是河北省背景值的2.34、7.87、1.83倍。采用Muller风险评价对保定市各功能区土壤重金属污染程度进行评估的结果见表5。

表5 不同绿地土壤重金属地积累指数Muller风险评价

Pb、Cr污染指数均小于1.00。除学校绿地、三环的公园和居住区、道路绿地均无Cr污染；除三环的公园和居住区绿地无Pb污染外，其他绿地Pb、Cr均为轻微污染。保定市Cd质量分数远远高于河北省背景值0.09 mg·kg-1，其中道路绿地为重度污染，污染指数大于3.00；学校、居住区绿地以及一环工业绿地、二环商业绿地和三环公园绿地为中度污染，污染相对较低，但仍然远高于背景值。因其数据不符合正态分布，所以在变异函数拟合的基础上，对研究区土壤重金属的Muller值进行反距离权重进行分析，重金属元素Pb、Cd、Cr单因素污染指数整体连续空间分布如图2所示，Pb、Cd、Cr具有相似分布趋势，在部分区域分布边界明显，西北和东南方向污染指数均较高。保定市主城区绿地土壤中Pb质量分数西北-东南方向呈条带状分布，Cd的分布呈现西北、东南高的特点，且具有一定的连续性。Cr总体污染程度较轻，大部分为无污染状态，但在西北、东二环、南二环部分区域为轻度污染。

采用潜在生态危害指数评价法将土壤重金属含量与毒理学效应联系起来进行综合评价，保定市各绿地类型与距市中心不同距离的土壤重金属潜在生态风险评价指数如表6所示。

由表6可见，道路绿地污染程度最高，达到重度污染状态；除三环学校绿地为轻微的风险外，其他均为中度风险，说明保定市土壤重金属生态风险很高；各区潜在生态风险大小顺序为三环道路绿地(406.35)、二环道路绿地(402.18)、一环道路绿地(380.85)、二环公园绿地(262.29)、三环工业绿地(262.01)、一环公园绿地(197.97)、一环商业绿地(190.84)、一环居住绿地(190.79)、二环工业绿地(189.47)、三环居住绿地(185.06)、二环居住绿地(182.85)、一环学校绿地(179.05)、二环学校绿地(167.44)、三环公园绿地(157.46)、三环学校绿地(135.29)；3种重金属平均生态风险指数大小顺序为Cd、Pb、Cr，Cd的风险贡献率最大，为94.04%，毒性响应系数很高，为保定市主要风险因子。在此基础上利用反距离权重法生成了河北省保定市生态危害指数的空间分布图，如图2所示。从图2可以看出东南和西北区域重金属风险最大为强度污染，南二环也有零星分布，是以工业和交通为中心的岛状和散点式布局，保定市生态风险不容忽视。

4 讨论

保定市作为典型的工农业城市，受功能分区和建城史影响，不同绿地类型的土壤化学性质存在显著差异。土壤肥力作为衡量城市生态功能维持的关键指标，是城市土壤可持续发展的基础[20]。保定市绿地土壤pH平均值高达8.14，高于同一地区的农业土壤，城市土壤中存在碳酸钙、砂浆等建筑垃圾以及沉降的大气颗粒物中的碱性物质与土壤发生反应，成为一种持久存在于土壤中的化学物质，使土壤碱性增强[21]。土壤有机质平均质量分数仅为20.06 g·kg-1，属于城市土壤的中等偏下水平，城市较低的土壤有机质质量分数主要与城市建设和绿地管理有关[22-23]，从Seddaiu et al.[24]研究中可知在扰动较多的土壤中总有机质质量分数更低，城市建设时一般去除地表植物和表土，导致含有较少有机质的深层土壤翻于表面，降低表层土壤有机质质量分数。土壤氮、磷、钾是植物生长所必需的3大营养元素，各元素质量分数的高低直接影响植物的生长状况。保定市主城区不同类型绿地全氮质量分数低，全磷质量分数略高，全钾没有显著性差异，这一结果与合肥等城市[25]情况类似，这表明城市缺氮是一种普遍现象，可能与降水有关，特别是夏季，较大的降水量可以将硝化产生的硝态氮淋溶，进一步降低土壤表层有效氮质量分数；也可能与城市土壤中氮的矿化和硝化有关[26]。而城市车辆挤压、行人践踏以及城市重金属量的升高，均可以间接减少土壤中微生物和无脊椎动物的多样性，降低土壤氮矿化和硝化速率，从而降低土壤有效氮的质量分数[27]。

保定市一、二环城市绿地土壤综合肥力较高，且居住区绿地的土地综合肥力最高。一环居住区位于保定市中心，建设年限长，受人类活动影响大，绿地土壤具有精细的施肥和灌溉管理，且有研究发现适量城市垃圾可以改善土壤理化性质，提高土壤综合质量[28]。居住区绿地速效磷质量分数最高，随距市中心距离的增加呈明显下降趋势，与城市用地的年龄是正相关。一环公园综合肥力较低，虽然有机质质量分数很高，但公园绿地土壤养分特征整体弱于道路绿地。有机质质量分数高可能因为建设年限长，微生物较多，有利于凋落物和代谢物的分解。而综合肥力低或许是因为一环公园位于市中心区域，受到人类活动的长时间影响，导致绿化差而且污染较多。

保定市三环区域土壤综合肥力较低，或许是因为在建造过程中产生大量石灰等建筑垃圾以及施肥不及时等原因造成。但工业绿地综合肥力高，因为大多工厂为饲料厂，主要材料是玉米、大豆以及植物秸秆等淀粉质量分数丰富的原材料进行加工制造，在工厂四周产生大量粉尘，而且大多数工厂是在农田的基础上建立起来，土壤养分质量分数较高。其他绿地类型综合质量低或许是因为三环绿地土壤中有较多石块、塑料等废弃物，管理较差；pH显著高于其他绿地类型，尤其道路绿地，也可能是由于街道上撒盐融化积雪[29]。在调查时发现主要行道树为悬铃木、杨树搭配少量的大叶黄杨，植被覆盖率低，景观效果差，有较多的裸露地面和较少的管理，因此有机质质量分数低。

总而言之，保定市中部和西北部综合肥力指数高于其他区域，城市土壤肥力受人类活动干扰较大，中部区域是保定市中心，建设年限长，密集的人类活动可能是其肥力指数较高的原因，而西北部虽然属于工业区，但是主要为饲料厂和造纸厂，产生的粉尘沉积在四周绿地土壤上，土壤质量指数较高。

保定绿地土壤Pb的平均质量分数为46 mg·kg-1，均为污染区域。研究区有多个热电厂，这种燃烧以低排放粉尘的形式释放，产生的粉煤灰中含有大量Pb元素[30]。尽管发电厂都有除尘设备，但仍然有一定比例的粉煤灰逃逸，对城市土壤造成威胁。保定道路、工业绿化带土壤中Pb质量分数最高，与前人的研究结果一致[31]。交通排放是道路绿地土壤Pb污染的主要原因，四乙基铅常常加入汽油中作为抗爆剂，即使如今不再使用含Pb汽油，但汽车尾气排放对土壤Pb积累的影响仍然存在[32]。居住区、公园绿地和道路绿地在内环的Pb质量分数均高于外环，内环是历史悠久的老城区，居住区Pb质量分数可能来源于禁止铅绘之前的绘画颜料、含有Pb的PVC窗材以及焊接防盗条[33]；或者来自前几年以煤炭燃烧为主的取暖方式，这种燃烧以低排放粉尘的形式释放，尽管近年来制定了各种减煤措施，但煤炭燃烧仍然是一、二环Pb污染的主要来源[34-36]。Cd的生物有效性比例高，环境容量小，保定市绿地土壤的Cd质量分数是背景值的7.87倍，污染程度均为中度以上，或许与煤炭燃烧有关，因为煤中Cd的质量分数高达83.2%。其中保定市道路绿地Cd为重度污染，一、二环公园和三环的工业绿地Cd污染程度也相对较高，Cd与Pb存在一定的正相关，表明污染源相似。Acosta et al.[36-37]结果也表明土壤中的Pb、Cd主要来源于交通排放和工业粉尘的影响。Cr是我国城市土壤污染程度最低的重金属之一[38]，多个城市土壤中Cr未受到明显的人类活动影响。保定市Cr质量分数也较低，除工业绿地外其余均为无污染状态，说明Cr主要来源于工业活动。研究表明Cr主要存在于金属铸造和皮革产业所排放的污泥废水中，较少存在于尘埃中[39]，但是工厂附近的污染物仍然可以通过焚烧释放到空气中成为悬浮的灰尘，再通过干湿沉降回归到绿地土壤中。

总体而言，保定市各个分区土壤重金属分布不均匀，受人为活动影响较大，重金属量最高的区域几乎都集中在西北、东南以及南二环附近。内环居住区小区重金属质量分数高于外环居住小区，大部分重金属质量分数在研究区北部和中部最低。Pb、Cd、Cr的相似分布说明它们可能具有相似的污染源。西北部为新苑工业区，主要以造纸厂和饲料厂为主，其大气排放的污染物经过大气沉降，富集在附近的绿地土壤中；东南部以及南二环区域交通流量大、柴油车多，污染严重。

根据保定市绿地土壤重金属潜在生态危害指数相关结果可以看出，保定市道路污染最为严重，达到重度污染范围，其余为中度及以下，其中三环工业，一、二环公园以及一环居住区绿地污染程度也相对较高。交通排放是保定市土壤污染的主要来源之一，道路绿地除汽车尾气的直接影响外，还与路面沉积物和路边植物有关。街道沉积物或道路灰尘通常积聚在人行道和道路表面。除了土壤的自然输入外，这些灰尘的主要人为来源还包括道路建筑材料和交通排放。长期来看，道路灰尘会吸收与交通有关的污染物，因此往往含有高质量分数的重金属[40]。道路灰尘的细小颗粒也可能因风和车辆运动而重新悬浮在大气中，重新沉积在城市土壤上，特别是路边土壤。研究发现，复合植被类型土壤对大气沉降的重金属污染具有明显的截留作用[41-42]。道路土壤种有行道树且多为乔灌木，对重金属的阻挡作用较强，捕获大气悬浮颗粒中的重金属并在降水过程中积累到土壤中，是导致路边土壤重金属积累较高的原因之一。市中心居住区和公园绿地污染风险也较大，重金属含量与建筑年代和人口密度呈极显著正相关，这一结果与北京居住区绿地状况相似[33]。住宅建筑和住宅绿地可以作为阻挡污染物从大气沉降到住宅土壤的屏障，老居住区建筑高度较低、绿地面积少且新建住宅区的表层土壤在施工过程中更容易被深层土壤或外来土壤置换。

从保定市生态危害指数的空间分布图可以看出，保定市西北、东南部分区域污染最为严重，分别位于造纸厂、烟卷厂、电力互感厂的工业区和交通繁忙的南二环区域。土壤污染程度与目前或以前跟工业运输有关的地点显著相关[43]。交通排放受到燃料类型(汽油和柴油)、车辆型号，发动机类型和工作条件等因素的影响[44]，其中柴油尾气是道路交通重金属的主要来源，占总排放量的62%～93%。在交通强度大、高排放车辆多的区域，路边重金属含量高[45]。保定2012—2017年雾霾污染十分严重，甚至被列为中国空气污染最严重的城市[8，46]，随着工业废气和机动车尾气排放的持续增加、秋冬季节不利的气象条件限制大气污染物的扩散[47-48]，以及保定周围存在中国最大煤炭基地山西和内蒙，煤炭生产过程中产生的污染物通过远距离运输，将其聚集在城市上空，最终通过干湿沉降回归到土壤中[49-50]，造成重金属的富集。