佛山市不同类型绿地土壤重金属含量及其生态风险评价

殷爱华，张学平，万利鑫，李鑫

(佛山市林业科学研究所，广东 佛山 528222)

工业城市由于工业生产迅速发展，大量重金属污染物进入土壤环境，对城市绿地土壤造成污染。而且也成为影响城市居民健康的重要因素，城市绿地土壤的质量与城市环境质量和居民健康水平有着直接联系[1-3]。

近年来，国内外学者对各地典型的城市重金属污染问题多集中在农田土壤和耕地土壤的重金属研究，对其空间分布、来源、污染特征及评价进行了大量研究[4-10]，但对工业城市绿地土壤，尤其是珠三角区工业城市的绿地土壤重金属污染研究尚鲜见报道。开展污染评价，是工业城市绿地土壤污染管控必需的基础性研究工作之一。

本研究以广东省典型工业城市为例，以5种城市不同绿地类型土壤为研究对象，利用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法以及潜在生态风险指数法对城市土壤来源广泛、普遍存在的6种重金属Cu，Zn，Pb，Cd，Cr和Ni的污染状况调查及其生态风险进行分析和评价。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

研究城市位于广东省中南部，是粤港澳大湾区重要节点城市，属亚热带季风性湿润气候区，年平均气温为22.2 ℃，气候温和，年降雨量1 677.4 mm，雨量充足。土壤偏酸性，主要有砖红壤、红壤和黄壤。工业以轻工制造业为主，城市化工业化特征非常明显，广东省重要的制造业中心。

1.2 样品采集与处理

综合考虑绿地类型和污染源等因素进行布点，样点采用GPS定位，共布设90个采样点，获取土壤样品90个，其中生产绿地(G1)15个，公园绿地(G2)15个，道路绿地(G3)15个，陶瓷工业绿地(G4)15个，五金工业绿地(G5)30个。每个样地面积20 m×20 m，在样地对角线上选取3个土样采集点，每个采集点均采集表层0～20 cm深度的土壤约500 g，再将同一样方的土壤样品混匀后，采用四分法装入相应规格的密封袋密封并做好标记。土壤样品经过自然风干、除去石子及植物叶片、残根等杂物后，磨碎并过100目的尼龙网筛，备用[11]。土壤pH采用pH计测定；土壤Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni的含量用HF-HNO3-HClO4消解后，采用原子吸收分光光度计进行测定[12]。

1.3 土壤重金属污染及生态风险评价方法

采用单因子指数法和尼梅罗综合指数法对研究区域土壤重金属污染状况进行评价，并用Hakanson潜在生态危害指数法对重金属的生态风险程度进行评价。本研究采用国家《土壤环境质量标准》(GB 15618-1995)中的二级标准(pH>6.5)作为评价标准[13]。

1.3.1 单因子指数法单项污染指数(Pi) 可以对土壤中某一种重金属的污染程度进行评价，计算公式[14]：

Pi=Ci/Si

式中:Pi为土壤第i种重金属的单项污染指数，Ci为土壤第i种重金属的实测质量值(mgkg-1)；Si为土壤第i种重金属的评价参比值(mgkg-1)。Pi值越大，则表示土壤受到重金属污染的程度越大。

1.3.2 内梅罗综合污染指数法 内梅罗综合污染指数 (PN) 不仅更全面地对重金属污染进行累积性综合评价，同时也能突出污染指数最大的重金属对土壤环境的影响和作用。其计算公式[14]：

式中，PN为土壤综合污染指数，Pi,ave、Pi,max分别为土壤第i种重金属的单项污染指数平均值和最大值。PN值越大，则表示土壤受到重金属污染的程度也越大。

1.3.3 Hakanson潜在生态风险指数法 瑞典学者Hakanson的潜在生态风险指数[15]结合了生物毒理、环境化学、生态学等方面，综合反映土壤重金属对环境的潜在影响及生态危害程度。 单一重金属潜在生态风险系数 (Ei) 的计算公式[16]为：

Ei=TriCi/Si

式中：Tri为第i种重金属的毒性系数,其中Cu、Pb和 Ni为 5，Zn 为 1，Cd 为 30，Cr为2[17，18]；Ci为第i种重金属的实测质量分数(mgkg-1)；Si为重金属i的评价参比值(mgkg-1)。

多种重金属潜在生态风险指数 (RI) 的计算公式[11，19]：

RI=∑Ei

RI越大，表示土壤受到重金属污染的潜在生态危险的程度越高。

1.3.4 评价等级划分标准 3种评级方法的等级划分标准见文献[20，21]。

所有所有数据均采用 Excel 进行处理，用 DPS 进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 各绿地类型重金属分布特征

从表1中可以看出，城市绿地的土壤总体上呈弱碱性，6种重金属Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni的平均含量分别为94.29、271.03、70.12、0.82、161.61和39.25 mgkg-1，其中Zn和Cd的含量分别超过了国家土壤环境质量Ⅱ级标准0.08倍和0.37倍，其他重金属含量均在国家二级标准内。6种重金属的平均含量均超过了广东省背景值[22]，Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni含量分别超出相应背景值4.34倍、4.45倍、0.95倍、8.11倍、1.86倍和1.21倍，其中Cd污染最为严重，其次为Zn、Cu污染。

表1 土壤理化指标及重金属含量统计特征 mgkg-1

表1 土壤理化指标及重金属含量统计特征 mgkg-1

绿地类型项目pHCuZnPbCdCrNi生产绿地n=15含量范围4.93～8.1825.34～52.2575.68～376.9533.22～58.180.33～0.5744.44～63.921.16～33.07中位数6.2637.40117.0051.370.4053.9724.32平均值±标准差6.68±1.34b37.16±11.15b164.72±121.46b46.89±10.00b0.45±0.11b52.98±7.34a25.89±4.71ab变异系数%20.0630.0173.7421.3324.4413.8518.19公园绿地n=15含量范围5.57～7.4910.02～36.6457.69～121.4025.61～54.850.15～0.3638.38～81.8410.02～16.78中位数7.2623.5163.3342.460.2146.5213.02平均值±标准差6.94±0.78ab23.60±10.40b79.80±27.89b40.90±13.33b0.25±0.10b52.32±17.52a13.50±2.64b变异系数%11.2644.0634.9432.6039.2933.4919.57道路绿地n=15含量范围6.52～7.4228.23～48.30102.11～250.0040.03～79.130.33～0.58b38.70～99.1414.35～34.87中位数7.1632.87142.3950.620.4763.2015.97平均值±标准差7.07±0.34ab34.66±8.01b155.24±59.30b55.24±14.85b0.45±0.11b63.54±23.87a21.22±8.97b变异系数%4.8123.1138.2026.8824.4437.5742.27陶瓷工业绿地n=15含量范围7.51～8.4116.41～73.0253.51～307.5537.13～76.640.15～1.4132.55～714.3810.54～78.53中位数7.7424.28245.0466.720.9041.5018.87平均值±标准差7.88±0.35a36.71±24.10b216.93±97.89ab60.09±15.51b0.82±0.46ab196.74±293.76a30.34±27.97ab变异系数%4.4465.6545.1325.7955.83149.3192.19五金工业绿地n=30含量范围6.05～7.7728.63～797.01107.01～1406.2447.56～339.670.51～4.1462.30～982.8416.42～209.32中位数7.12132.48304.9594.800.92108.4835.73平均值±标准差7.32±0.55ab216.80±231.66a504.74±446.63a123.82±86.93a1.46±1.32a302.03±329.85a72.27±72.03a变异系数%7.66106.8588.4970.2190.41109.2199.67汇总n=90含量范围4.93～8.4110.02～797.0153.51～1406.2425.61～339.670.15～4.1432.55～982.8410.02～209.32中位数7.2536.93168.8256.520.5763.5525.13平均值±标准差7.15±0.7794.29±156.72271.03±309.4570.12±60.920.82±0.91161.61±241.9939.25±48.21变异系数%10.77166.21114.1881.10111.66149.74122.83超标率一%-86.6795.5681.1198.8950.0060.00超标率二%-14.4426.671.1137.7811.1112.22

注：不同小写字母代表差异显著(P>0.05)

从表1中可以看出五金工业绿地的Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni 6种重金属含量在5种城市绿地中均最高，分别为216.80、504.74、123.82、1.46、302.03和72.27 mgkg-1，其中Cu、Pb含量均显著高于其余4种城市绿地类型土壤的含量，Zn、Cd含量显著高于生产绿地、公园绿地和道路绿地，Ni含量显著高于公园绿地和道路绿地，其余4种绿地类型的6种重金属含量之间均无显著差异。公园绿地的Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni 6种重金属含量在5种城市绿地中均最低，分别为23.60、79.80、40.90、0.25、52.32和13.50 mgkg-1。说明其他5种重金属离子受工业加工活动的影响较大，尤其Cu、Pb受五金工业影响的程度最大。

在5种绿地类型土壤中6种重金属的含量排序如下：Cu为五金工业绿地>生产绿地≈陶瓷工业绿地>道路绿地>公园绿地；Zn、Ni为五金工业绿地>陶瓷工业绿地>生产绿地>道路绿地>公园绿地；Pb为五金工业绿地>陶瓷工业绿地>道路绿地>生产绿地>公园绿地；Cd为五金工业绿地>陶瓷工业绿地>道路绿地≈生产绿地>公园绿地；Cr为五金工业绿地>陶瓷工业绿地>道路绿地>生产绿地≈公园绿地。

从表1中可以看出，研究区域的城市绿地Cu、Zn、Cd、Cr、Ni含量的总变异系数均超过了100%，且Cu最大，达到166.21%，其次为Cr，为149.74，Pb最小，为81.10%。根据Wilding 的研究成果[23]：变异系数小于 0.15 的为小变异，在 0.15～0.36 之间的为中等变异，而大于0.36则为高度变异，则城区绿地Cu、Zn、Cd、Cr、Ni、Pb均达到了高度变异。

5个不同类型绿地土壤中，生产绿地Zn、Cu、Cd、Pb、Ni、Cr含量变异系数分别为73.74%、30.01%、24.44%、21.33%、18.19%、13.85%，其中Zn为高度变异，Cu、Cd、Pb、Ni为中等变异，Cr为小变异；公园绿地Cu、Cd、Zn、Cr、Pb、Ni变异系数分别为44.06%、39.29%、34.94%、33.49%、32.60%、19.57%，其中Cu与Cd达到高度变异，Zn、Cr、Pb、Ni均为中等变异；道路绿地Ni、Zn、Cr、Pb、Cd、Cu含量变异系数分别为42.27%、38.20%、37.57%、26.88%、24.44%、23.11%，其中Ni、Zn、Cr达到高度变异，Pb、Cd、Cu均为中等变异；五金工业绿地Cr、Cu、Ni、Cd、Zn、Pb含量变异系数分别为109.21%、106.85%、99.67%、90.41%、88.49%、70.21%，均达到了高度变异；陶瓷工业绿地Cr、Ni、Cu、Cd、Zn、Pb含量变异系数分别为149.31%、92.19%、65.65%、55.83%、45.13%、25.79%，其中Cr、Ni、Cu、Cd、Zn均达到高度变异，Pb为中等变异；6种重金属在两种工业类型的绿地土壤的变异系数均大于在其他3种绿地类型土壤中的变异系数；在两种工业类型绿地土壤中，除了Cr之外其他5种重金属在五金绿地的变异系数均小于各自在陶瓷绿地的变异系数。

2.2 城市绿地土壤重金属相关性分析

对调查的工业城市各绿地类型土壤中各种重金属进行相关性分析，结果见表2。

表2 佛山不同绿地类型土壤重金属含量及其与pH间的相关关系

注：**表示显著水平P<0.01(极显著)，*表示显著水平P<0.05(显著)

仅道路绿地土壤的pH与Cr含量之间存在显著的负相关关系，其他绿地类型土壤的pH与重金属含量之间不存在显著的相关性。

不同类型绿地土壤重金属含量之间既有一定的相关性也有一定的差异性。生产绿地土壤的重金属含量之间均不存在显著的相关性。生产绿地中重金属含量之间相关性均不显著，说明生产绿地的重金属来源相同的可能性不大；公园绿地土壤中Cd- Ni为显著正相关关系，表明这4种重金属污染之间存在相似的污染源；道路绿地土壤中的Cu- Ni、Zn -Pb之间存在显著的正相关关系，说明Zn与Pb之间、Cu与Ni之间均可能存在伴生关系，分别有相似的污染来源；陶瓷工业绿地土壤中Zn -Cd、Cu- Cr、Cu-Ni之间存在显著的正相关关系，而Cr-Ni为极显著的正相关关系，说明Zn与Cd之间、Cr分别与Cu、Ni之间有可能存在相似的污染来源，则Zn污染与Cd污染之间、Cr污染分别与Cu、Ni污染之间有可能是伴生性的复合污染；从五金工业绿地土壤的重金属含量之间的相关性来看，Ni-Cr之间成极显著相关关系，而这两种重金属含量与其他重金属含量之间均不呈显著相关关系，说明Ni和Cr有可能来自相同污染源，Ni污染和Cr污染为伴生性的复合污染，而其他四种重金属含量之间呈现错综复杂的相关关系，Cu-Zn、Cu-Pb、Zn-Pb、Zn-Cd、Pb-Cd之间呈极显著或显著关系，说明这四种重金属可能有相同的来源，各污染之间存在综合性的或伴生性的复合污染关系。

2.3 城市绿地土壤重金属环境质量评价

2.3.1 绿地土壤重金属单因子指数评价 以国家土壤环境质量Ⅱ级标准值作为土壤污染物参比值对土壤重金属进行污染评价，结果见表3。

表3 不同绿地重金属污染评价

从5种重金属单项污染指数来看，研究区域绿地土壤中除Cd污染指数为1.144，介于1.0～2.0之间，其他5种重金属的单项污染指数均小于1，说明此区域Cd污染属于轻微污染，其他5种重金属均未构成污染。

在生产绿地、公园绿地以及道路绿地土壤中6种重金属的污染指数均小于1，表明这3种绿地类型的6种重金属均未构成污染，其中公园绿地类型的土壤的6种重金属单项污染指数均为最小，生产绿地类型土壤的Cu、Zn和Ni单项污染指数分别高于道路绿地的Cu、Zn和Ni污染指数；生产绿地的Pb和Cr污染指数则小于道路绿地的Pb和Cr污染指数；而生产绿地和道路绿地土壤的Cd单项污染指数是一致的；陶瓷工业绿地仅Cd重金属达到轻微污染，其余5种重金属均未构成污染；五金绿地类型土壤的6种重金属单项污染指数在五种绿地类型土壤中均最大，其中Cd、Cu和 Zn 3种重金属单项污染指数在2.0～3.0之间，均达到了轻度污染，Cr和 Ni单项污染指数在1.0～2.0，为轻微污染，仅有Pb重金属未构成污染。从每个绿地类型的土壤重金属污染指数以及整个地区的6种重金属单项污染指数整体来看，都显示出Cd单项污染指数在六种重金属中均属最高。

2.3.2 城市绿地土壤重金属综合评价 内梅罗综合污染指数 (PN)评价结果见表3。由表3可以看出，生产绿地、公园绿地、道路绿地、陶瓷工业绿地，五金工业绿地的PN分别为0.617(<0.7)、0.352(<0.7)、0.613(<0.7)、1.101(介于1.0～2.0)、2.086(介于2.0～3.0)，由此可见，生产绿地、公园绿地和道路绿地3种绿地土壤重金属综合污染等级均属于安全等级，其中公园绿地较生产绿地和道路绿地的安全性强；而陶瓷工业绿地土壤的重金属综合污染等级达到轻度污染；五金工业绿地土壤的污染等级最高，达到中度污染。整个研究区域绿地土壤的PN为0.953(介于0.7～1.0之间)，污染已达到警戒线。

2.4 城市绿地土壤潜在生态风险评价

以国家土壤环境质量Ⅱ级标准值作为土壤污染物参比值进行城市绿地土壤潜在生态风险评价，结果如表4所示。

从表4中各绿地类型单一土壤重金属潜在生态风险系数(Ei)可以看出，5类绿地土壤的6种重金属的单一重金属潜在生态风险系数(Ei)均未超过40，均为轻微生态风险，其中Cd的系数最大，为34.310，远远超过其他5种重金属，因此Cd的潜在生态风险程度是6种重金属中最高的。

生产绿地、公园绿地和道路绿地3种绿地土壤的6种重金属的单一重金属潜在生态风险系数均未超过40，表明这3类绿地土壤的6种重金属潜在生态风险均为轻微生态风险，其中公园绿地土壤的6种重金属潜在生态风险系数(Ei)均为最低；陶瓷工业绿地和五金工业绿地土壤Cd潜在生态风险系数(Ei)在40～80之间，这两类绿地土壤的Cd潜在生态风险达到中等生态风险，其中五金工业绿地土壤的Cd潜在生态风险系数(Ei)为73.05，接近80，而陶瓷绿地土壤的Cd潜在生态风险系数(Ei)为41.2，略高于40，五金工业绿地土壤的Cd潜在生态风险程度高于陶瓷绿地土壤，其余5种重金属单一重金属潜在生态风险系数均没超过40，均为轻微生态风险。

表4 不同绿地土壤重金属的Hakanson潜在生态风险评价

从表4还可以看出，五金工业绿地土壤的6种重金属单一重金属潜在生态风险系数(Ei)在5类绿地土壤中均属最高，其中Cd重金属单一重金属潜在生态风险系数(Ei)达到73.050；陶瓷工业绿地土壤的Cd重金属单一重金属潜在生态风险系数(Ei)达到41.200。但从表5中也可看出，RI最高的是五金工业绿地土壤，其次为陶瓷工业绿地，生产绿地和道路绿地的RI近似，低于陶瓷绿地，公园绿地的RI仍是最低，整个地区的绿地以及5种绿地类型的土壤重金属的潜在生态风险指数(RI)在16.554～98.220之间，均未超过150，表明调查的5种绿地类型的土壤受到重金属污染的潜在生态危险程度均为轻微污染，其中五金类绿地土壤重金属潜在生态风险程度相对最高，其次是陶瓷工业绿地，生态风险程度最低的是公园绿地。生产绿地和道路绿地土壤的重金属潜在生态风险程度较为一致，介于陶瓷工业绿地和公园绿地之间。

3 讨论和结论

3.1 城市绿地土壤重金属含量特征

研究城市的绿地土壤均受到6种重金属的污染，且不同功能的城市绿地土壤的重金属含量存在着差异。在研究区域里的5种绿地类型中，Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni 6种重金属在城市五金工业绿地土壤中含量均为最高，在陶瓷绿地土壤的含量次之，在公园绿地土壤中的含量则均为最低。由于城市绿地土壤重金属主要源于成土母质与人类活动[24, 25]，表明工业制造、生产加工以及陶瓷加工等人为活动是城市绿地重金属的主要来源，工业类型绿地土壤重金属污染也较其他3种绿地类型土壤重金属污染严重，程度较深。公园绿地则受到重金属污染程度最轻，与北京市公园绿地污染情况一致[26]。

在生产绿地、道路绿地、公园绿地3种绿地类型土壤中，Cu、Zn、Cd、Ni 4种重金属在生产绿地的土壤中的含量较高，这是由于生产绿地土壤由于苗木生产活动致使含 Cd 磷肥、含高 Zn、Cu 有机肥、农药的不断添加使用[27]，以及苗木管护时机械使用和苗木的运输都可能对Pb、Ni在土壤中的含量造成一定的影响。而Pb、Cd、Cr、Zn 4种重金属则在道路绿地的土壤中的含量也较高，与陈祥等[28]对道路绿地土壤重金属含量研究一致，表明Cd、Pb、Cr、Zn是交通对绿地土壤污染的主要重金属因子，交通运输且是环境中 Pb 的重要来源[29]。

研究区域的城市绿地土壤中6种重金属变异系数均超过了100%，且Cu最大，达到166.21%，其次为Cr，为149.74，而Pb为最小，也达到81.10%，均超过了0.36[23]，均属于高度变异。变异系数可以反映重金属在土壤中的变异性和均匀性，一般认为，变异系数(CV)与人类活动干扰程度成正比[30, 31]。由此表明这些重金属在研究地区的城市绿地土壤含量分布较离散，均受到人类活动强程度的干扰。

各功能绿地类型中，人类不同的生产经营活动对重金属含量分布的影响也不同，分布离散的程度也不同。生产绿地土壤中Zn为高度变异，Cu、Pb、Cd、Ni均为中度变异，仅Cr为小变异；公园绿地土壤中Cu、Cd为高度变异，Pb、Zn、Ni、Cr均为中度变异；道路绿地土壤的Zn、Cr、Ni为高度变异，Cu、Pb、Cd为中度变异，陶瓷工业绿地土壤除了Pb为中度变异其他5种重金属均为高度变异；五金工业绿地土壤中的6种重金属均达到高度变异。

3.2 城市绿地类型土壤重金属相关性

本研究中，生产绿地中重金属含量之间以及重金属含量与pH之间相关性均不显著。说明生产绿地的重金属来源相同的可能性不大，有可能是生产绿地上的不同种类苗木的习性各有不同，需要的种植土和施肥等管护措施也会不同，种植土之间的构成和来源也不相同；公园绿地土壤中，Zn-Cd、Zn-Cr、Cd-Ni之间均存在显著相关性，说明这四种重金属污染之间存在着相似的污染源；道路绿地土壤中，Zn-Pb、Cu-Ni之间均呈显著相关关系，说明Zn与Pb之间、Cu与Ni之间均可能存在伴生关系，分别有相似的污染来源。交通运输是环境中 Pb 的重要来源；而机动车在汽油、车体的磨损过程中会释放 Cu、Zn 和 Ni 等重金属元素[33]；陶瓷工业绿地土壤中，Zn-Cd、Cr-Cu、Cr-Ni之间存在极显著或显著相关性，说明Zn与Cd之间、Cr与Cu、Ni之间有可能存在相似的污染来源，Zn污染与Cd污染之间、Cr污染与Cu、Ni污染之间有可能是伴生性的复合污染；从五金工业绿地土壤的重金属含量之间的相关性来看，Ni-Cr之间成极显著相关关系，表明Ni和Cr有可能来自相同污染源，Ni污染和Cr污染为伴生性的复合污染，Cu-Zn、Cu-Pb、Zn-Pb、Zn-Cd、Pb-Cd之间呈现错综复杂的相关关系，说明这四种重金属可能来自相同的污染来源，各污染之间存在着综合性的或伴生性的复合污染关系，这与陈为峰等人[34]对山东某城市绿地研究结果一致。

多种重金属元素的较高含量反映了本地区高速发展的五金加工、电器厂对土壤中各种重金属含量增加有一定程度的影响。

3.3 绿地土壤重金属污染与潜在生态风险评价

基于国家土壤环境质量标准 (Ⅱ级) 的单项污染指数法的评价结果均显示，研究区域的绿地土壤中Cd 污染达到轻微污染，其他5种重金属污染等级均为清洁程度；而单一重金属潜在生态风险法的评价结果则显示，6 种重金属均存在轻微的潜在生态风险，其中Cd 的潜在生态风险系数最高，而 Zn 的最低。