2021, Vol. 42
2. 南京市园林和林业科学研究院, 南京 210037
, LI Ren-ying1
, XIE Xiao-jin1 , WANG Hong2 , XU Jing2 , SHAO Jing2 , JIAN Jing1 , Akejuli·Wuerman1 , SHEN Jia1 , YANG Zong1
2. Nanjing Academy of Landscape and Forestry, Nanjing 210037, China
城市绿地土壤(城市中各种草地、耕地、公园绿地以及林地等)是陆地生态系统的重要组成部分, 是城市绿地建设的重要载体[1].这些绿地兼具市场功能、生态功能和环境功能, 能增加空气湿度, 固碳释氧, 改善环境, 是人类休闲活动的重要场所, 也是生态城市及园林城市的建设基石.城市绿地土壤是城市绿地生态系统中独立而不孤立存在的一个环节, 是绿地植物生长的介质, 能为绿地植物提供生长所需的养分和水分, 并对排入城市生态系统的污染物起到一定的净化作用[2], 因此城市绿地土壤对城市生态环境改善及可持续发展具有重要意义.
然而, 随着城市化进程的加剧及人类活动的影响, 城市绿地土壤中的重金属污染日益严重.重金属元素如镉(Cd)、铅(Pb)和铬(Cr)等通过机动车尾气、工业废弃物的排放、垃圾焚烧以及自然大气降尘等途径进入土壤[3~5], 能够在土壤中存留较长时间, 最终超出土壤的承载能力[6], 因此对土壤造成较大的潜在危害.
绿地土壤是城市人群最易接触重金属的途径之一[7].城市污染土壤可以通过扬尘, 呼吸道摄取及儿童吮舔等多种途径进入人体, 直接危害人体健康[8~11].此外, 城市生态系统较为封闭, 对污染物的降解能力较低.土壤重金属污染势必会对城市绿地生态系统功能及人类健康带来直接和潜在的危害.
南京作为一个典型的工业城市, 土壤重金属污染现象较为严重.目前的研究主要集中在南京部分地区如矿场或郊区, 土地利用方式主要为菜地土壤、农田土壤或不同功能区土壤[12~14], 对南京市主城区绿地土壤重金属污染来源及其潜在生态风险的研究较少.因此, 本文以南京市主城区绿地土壤为研究对象, 分析Cr、Cu(铜)、Zn(锌)、Pb和Cd这5种元素的含量和空间分布特征, 探讨重金属污染来源, 并使用单因子污染指数法、内梅罗综合指数法及潜在生态风险指数法对南京市主城区绿地土壤的重金属进行综合评价, 通过全面了解南京市绿地土壤环境质量, 以期为城市绿地土壤重金属的控制提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 采样点的确定本研究采用地理信息系统技术和网格化方法并结合南京市绿地实际情况, 确定了228个采样点.采样点基本覆盖南京市主城区的绿地土壤.采样点主要选择在网格内的绿化区域, 在同一网格内, 选取环境接近, 绿地类型相近的点位取土.采样点的分布见图 1.
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图 1 研究区采样点分布示意 Fig. 1 Distribution of sampling sites in the study areas |
随机选取样点后, 记录每个样点的绿地类型, 植被类型, 并利用GPS记录每个采样点的地理坐标.于2019年3~5月, 采集绿地表层(0~30 cm)土壤, 每个网格内按具体情况采用S形布设8~10个点进行采样, 均匀混合后装袋.样品带回实验室, 将土壤样品自然风干, 再用木棒压碎, 去除石砾、杂物及草根等, 过0.149 mm尼龙筛, 以用于土壤重金属的测定.
1.3 土壤样品的测定土壤重金属采用HF-HNO3-HClO4消煮-ICP测定：用HF-HNO3-HClO4消煮土壤样品, 采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP)测定土壤消煮液中Cr、Cu、Zn、Pb和Cd的含量[15].土壤样品消煮过程和分析过程中插入土壤标准物质(GBW07388)和平行样品进行准确度的质量控制.
1.4 重金属污染评价土壤重金属采用单因子污染指数法、内梅罗综合指数法及潜在生态风险指数法进行评价, 以明确南京市绿地土壤的重金属污染程度.
1.4.1 单因子污染指数法单因子污染指数法是对土壤中某一污染物的污染程度进行的评价.其计算公式为：
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(1) |
式中, Ci为污染物i的实测含量(mg·kg-1); Si为污染物i的评价标准, 本研究选用南京市土壤重金属元素的背景值作为污染物的评价标准[16].单因子污染指数分级标准如表 1所示.
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表 1 单因子污染指数分级标准 Table 1 Classification standards of the single-factor pollution index |
1.4.2 内梅罗综合污染指数法
内梅罗综合污染指数法[17]是国内外学者常用的土壤重金属综合污染评价方法.内梅罗综合污染指数法重点体现了环境要素中含量最大的污染物对环境质量的影响.在单因子污染指数的基础上, 求出各指数的平均值, 利用最大值和平均值计算.本研究运用内梅罗综合污染指数对南京市主城区绿地土壤的重金属污染程度进行评价, 其公式如下：
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(2) |
式中, PN为内梅罗综合污染指数; Pimax为单因子污染指数的最大值; Piave为各个污染元素指数的算术平均值, 内梅罗指数既反映了各重金属元素对土壤的作用, 同时突出了高浓度污染物对土壤环境质量的影响程度.依据单因子污染指数法和内梅罗污染指数法将污染分为5个等级.如表 2所示.
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表 2 表层土壤内梅罗指数分级指标 Table 2 Classification standards of the Nemerow integrated pollution index |
1.4.3 潜在生态风险指数法
瑞典学者Häkanson于1980年提出了潜在生态风险指数法, 用于评价重金属的污染程度, 潜在生态风险指数法能够在考虑重金属平均含量的同时, 将重金属的生态效应、环境效应与毒理学联系在一起[18], 其公式如下：
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(3) |
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(4) |
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(5) |
式中, Cfi为单一重金属污染指数, C表层i为实测值, Cni为土壤重金属元素背景值, Eri为单一重金属潜在生态风险指数, Tri为各重金属的毒性响应系数, RI为土壤多种重金属潜在生态风险指数.重金属元素的背景值及毒性系数如表 3所示.潜在生态风险指数与污染程度的关系如表 4所示.
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表 3 重金属元素背景参考值及其毒性系数[19] Table 3 Background values and toxicity coefficients of heavy metals |
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表 4 潜在生态风险评价指标[20] Table 4 Index of potential ecological risk assessment of heavy metals |
1.5 数据处理与分析
采用Excel和SPSS 22.0进行土壤重金属含量、污染指数、生态风险指数、相关性以及主成分的统计和分析; 采用ArcGIS 10.2对土壤采样点分布、重金属空间分布进行分析和作图.
2 结果与分析 2.1 南京市绿地土壤重金属含量状况南京市主城区绿地土壤重金属含量状况如表 5所示.从中可知, 南京市绿地土壤重金属平均含量均高于土壤背景值. Cr、Cu、Zn、Pb和Cd的平均含量分别为87.29、36.89、80.37、46.30和0.62mg·kg-1, 为南京市土壤背景值的1.48、1.14、1.05、1.86和3.26倍.与南京市土壤背景值相比, 重金属样本超标率均在40.00%以上, 其中Cd的样本超标率达到了100.00%, 其次为Cr和Pb, 样本超标率分别为98.20%和86.40%.这些结果表明, 南京市主城区绿地土壤中的重金属具有一定程度的富集.
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表 5 南京市绿地重金属含量特征描述(n=228) Table 5 Concentrations of heavy metals in greenbelt soils in Nanjing City (n=228) |
5种重金属元素的变异系数大小为Cu>Pb>Zn>Cd>Cr, 均呈中等强度变异[21], 表明Cr、Cu、Zn、Pb和Cd的污染不仅受到结构性因素影响, 同时也受到随机性因素的作用[22].变异系数可以反映重金属在土壤中的变异性和均匀性, 与人类活动有很大的关系[23]. Cr、Cu、Zn、Pb和Cd的变异系数相差较大, 说明这5种重金属的离散程度较高, 在不同点位的5种重金属含量差异较大[24]. Cr变异系数最小, 说明Cr在南京市主城区绿地土壤的分布比较均匀并且受到外界环境影响最小. Cu和Pb的变异系数均超过了50.00%, Cu的变异系数最高, 达到了89.74%, 说明Cu的分布不均且受人类活动影响最大[25]. Cr、Cu、Zn和Pb的最大值、最小值区间变化较大说明南京市部分地区局部存在单个重金属污染严重的情况.
2.2 南京市绿地土壤重金属空间分布特征将南京市主城区绿地各采样点的重金属含量按照反距离插值法绘制成空间分布, 其结果如图 2所示.从中可知, 主城区绿地土壤重金属呈现斑块状分布, 分布规律明显.南京主城区绿地土壤Cr含量高值区域主要集中在玄武区及建邺区部分绿地, 在鱼嘴公园, 聚宝山庄, 四方新村等含量较高, 在鼓楼区和秦淮区个别区域含量较低. Cu含量高值区域主要集中在玄武区, 但总体含量水平较低, 含量最高区域在阳光嘉园绿地附近, 这与Zn含量的分布区域类似. Pb含量的高值区主要出现在玄武区, 其余区域Pb含量较低. Cd呈现出主城区西南部及西北部区域含量较高, 东部地区含量较低的分布规律. Cr、Cu、Zn和Pb这4种元素在城区东北部含量较高, 且呈现出富集趋势, 说明人类活动对重金属的富集产生较大的影响[26].
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图 2 研究区绿地土壤重金属含量空间分布 Fig. 2 Spatial distribution of heavy metals in greenbelt soils in the study areas |
通过单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法以及潜在生态风险指数法计算了研究区内228个样点的污染指数及其所占的百分比.由表 6和表 7可知, Cd单项污染指数在3(重污染)以上的样点占比为66.23%, 平均污染指数为3.24, 污染等级为重污染. Cr、Cu、Zn和Pb的单因子污染指数均值分别为1.48、1.15、1.05和1.87, 均属于潜在污染等级. Pb有24.56%的样点单项污染指数处于轻度污染. 5种重金属的内梅罗综合污染指数平均值为2.72, 属于中度污染, 其中轻度污染样点占22.37%, 中度污染样点占68.42%, 但是部分受污染样点的污染指数较高, 导致内梅罗指数在总体上相对偏高.除去Cd外, 重金属的单项生态风险指数均低于10, 属于轻微生态风险水平(表 8).南京市主城区的综合生态风险指数为116.39(< 150), 属于低生态风险.
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表 6 土壤重金属元素污染指数 Table 6 Pollution index of heavy metals |
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表 7 不同污染级别样点数占总数百分比1) Table 7 Percentages of sites at different pollution levels |
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表 8 土壤重金属元素潜在生态风险指数 Table 8 Potential ecological risk index of soil heavy metal elements |
2.4 绿地土壤重金属相关性分析
一般来说, 土壤重金属主要来源于成土母质和各种人类活动, 重金属之间的相关性有助于辨识其来源, 若重金属之间存在显著正相关, 则说明其可能有同一来源.否则, 其可能有多个来源[27].对南京市主城区绿地土壤重金属进行Pearson相关性分析, 分析结果见表 9.从中可知, 重金属元素Cu-Zn、Pb-Cu和Pb-Zn之间的相关系数分别为0.65、0.47和0.35, 达到显著正相关关系(P < 0.01). Cd除了与Pb呈显著正相关外, 与其他元素关系不大.
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表 9 南京市绿地土壤重金属相关系数1) Table 9 Correlation coefficient of heavy metals in greenbelt soils in Nanjing City |
2.5 绿地土壤重金属主成分分析
据研究, 同一主成分的重金属, 可以辨别其有相似的来源[28, 29].从主成分分析结果可知, 两个特征值大于1的主成分因子的累计贡献率为66.02%(>60%), 可以解释重金属的绝大部分信息(表 10).第一主成分的贡献率为42.82%, Cr、Cu、Zn、Pb和Cd的因子载荷分别为0.17、0.41、0.36、0.36和0.14(表 10).第二主成分的贡献率为23.20%, Cd的因子载荷为0.72. Cu和Pb在第二主成分也具有较高的载荷, 分别为0.41和0.27.
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表 10 绿地土壤重金属的主成分分析 Table 10 Principal component analysis (PCA) of heavy metals in greenbelt soils in Nanjing City |
3 讨论
从重金属含量水平来看, 南京市主城区绿地土壤中Cr、Cu、Zn、Pb和Cd的平均含量都高于南京市土壤背景值(表 5).南京市作为特大中心城市, 机动车数量较多, 汽车尾气, 轮胎摩擦, 润滑油和金属部分的摩擦和燃料燃烧等都能释放出Cd、Cu、Zn和Pb等元素, 这可能是造成南京市绿地土壤中Cd、Cu、Zn和Pb含量较高的原因[30].一般来说, Cr是我国城市土壤污染程度最低的重金属[31, 32], 但是Cr在南京市主城区绿地土壤部分样点中含量较高, 一方面这可能是因为南京市主城区印刷厂较多, 部分采样点分布在印刷厂周围所致, 另一方面, 可能与Cr及其化合物被广泛应用于冶金、电镀、制革等行业, 大量的铬渣被排入环境, 污染南京市地下水及主城区绿地土壤有关.虽然南京市主城区绿地土壤中Cr、Cu、Zn和Pb的平均含量均高于南京市土壤背景值, 但通过结合重金属的生态效应、环境效应与毒理学而计算的潜在生态风险指数的结果可知, 这几种重金属污染等级均为轻微等级, 即具有较低的生态风险.而相比于Cr、Cu、Zn和Pb, 南京市主城区绿地土壤中Cd污染最为严重, 处于强等级, 具有较大的生态风险.与北京市绿地土壤重金属含量相比[33], 除了Zn外, 本文所研究的重金属在南京市绿地土壤中都较高, 这除了与成土母质有关外, 很大程度上取决于人为活动, 因此, 应引起政府及园林部门的重视.
从重金属空间分布来看, Cr在玄武区、建邺区以及秦淮区部分绿地土壤含量较高的原因可能与这些地区印刷厂分布较为广泛有关, 也可能是因为被Cr污染过的地下水通过各种途径进入绿地土壤所致[34].市中心Pb含量较高的原因可能是因为在公园的修建过程中, 含Pb的化合物通常被作为着色剂使用, 公园类休憩场所的建筑表层在长期的风化作用下, 不可避免地被侵蚀, 从而使含Pb物质进入土壤, 导致绿地土壤中的Pb含量较高[35], 同时机动车含Pb燃料的燃烧也是导致绿地土壤中Pb含量较高的可能原因之一. Cd污染集中在城区西北部和西南部, 这可能是因为西部地区的印染厂分布较为广泛, 在印染厂附近的土壤更易受到Cd的污染[36].除此以外, 农业用品中的热稳定剂及含Cd肥料的长期大量使用[37]、汽车尾气排放量的日益增加, 污水的不当排放[35]都会造成土壤中Pb和Cd的污染问题. Cu和Zn在主城区东北区域污染较为严重, 且空间分布类似, 这可能是南京主城区东北部大卡车车流量较多, 另外工业飘尘、汽车尾气、污水灌溉、工业废渣、城市垃圾及农药化肥等因素都是导致该区域绿地土壤重金属含量较高的原因[38].
从重金属元素之间相关性分析及主成分分析结果来看, 本研究第一主成分的贡献率为42.82%, Cr、Cu、Zn和Pb具有较高的因子载荷, 分别为0.17、0.41、0.36和0.36(表 10). Cu、Zn会在机动车燃料燃烧时释放出来; 主城区机动车尾气排放及轮胎摩擦是Pb的主要来源[30]; Cu、Pb和Zn受人类活动影响较大且Cu、Zn和Pb两两之间均具有正相关关系(表 9)[39, 40], 说明这些元素具有相似的来源.这些结果说明第一主成分主要反映了人为因子对土壤的污染, 推测其为人为源.第二主成分Cd的因子载荷较高, 为0.72(表 10), 长江冲积物导致了土壤中Cd的原始积累较高[41], 推测为自然源; 当同一元素在不同的主成分上均有相当的载荷时, 可以认为其具备两种主成分的来源[33]. Cu和Pb在第二主成分上也具有相当的载荷(表 10), 且Cu和Pb之间具有显著相关性, 说明Cu和Pb也来自第二主成分, 即自然因子[42].这说明Cu和Pb存在两种不同的来源, 推测其为人为源和自然源.综合以上分析, 推断南京市主城区绿地土壤中5种重金属的来源分别为：①Cr和Zn为人为源; ②Cd为自然源; ③Cu和Pb为混合源.
4 结论(1) 南京市主城区5种重金属Cr、Cu、Zn、Pb和Cd的平均含量均超过背景值, 分别是背景值的1.48、1.14、1.05、1.86和3.26倍, 存在富集现象.总体上, 研究区域内5种重金属的平均内梅罗综合污染指数为2.72, 污染程度为中度污染, 5种重金属的综合生态风险指数为116.39, 属于低生态风险.其中Cd的单项生态风险指数为97.32, 处于强等级程度, Cd的单因子污染指数为3.24, 属于重度污染, 其余4种重金属为潜在污染.
(2) 在空间分布上, 研究区内绿地土壤重金属空间分布呈斑块状分布, Cr、Cu、Zn和Pb高值区域集中于主城区东北区域, Cd高值区域集中于西南及西北地区.
(3) 因子分析结果表明, 南京市主城区内重金属有3种主要来源, 一是由于人类活动影响所导致的人为源; 二是成土母质所导致的自然来源, 三是人类活动与自然的混合源.其中Cr和Zn为人为源, Cd为自然源, Cu和Pb为混合源.
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