基于土壤重金属潜在生态风险评价的棕地景观营建策略探究——以邯郸市沁河公园为例

孙一豪

李梦雨

姚 朋*

后工业时代的城市发展转型不断加速，传统制造业逐渐衰落，伴随着工厂企业的拆迁或封停，产生了大量闲置的和被污染的土地，即棕地，亦称褐色土地或棕土。当前世界各国对于棕地的界定与认知并不完全相同，但却都面临着如何将这些土地进行集约高效的再利用，进而实现再生和可持续发展的问题。近年来风景园林学科不断介入棕地再生，成为应对工业时代遗留弊病与促进棕地再次融入城市土地利用的有效手段。

在国外研究中，以Web of Science网站核心合集作为信息统计源，时间跨度定位2010—2020年，以“棕地”(brownfield)作为关键词，叠加“规划”(planning)、“设计”(design)、“风景园林”(landscape architecture)等关键词进行检索，剔除载文中的重复文献后留下50篇棕地再生风景园林学途径的相关文献。经分析，近10年内国外棕地景观再生途径的研究内容主要集中在开发组织与社会政策[1-4]、场地评估与分析[5-7]、景观手段介入方式[8-10]、棕地再生成果评价[11-14]等方面。以上研究对于景观途径棕地再生方法的顶层设计、宏观原理以及具体应对手段较为翔实，然而缺乏对棕地中污染物的量化研究。针对棕地污染特征研究的科学量化评价手段多集中与地理学、环境科学以及生态科学领域，包括Ferrara V等利用MIVI传感器对棕地污染物浓度进行量化检测[15]；测定污染元素含量后通过内梅罗指数法[16-17]及汉克森指数法[18]等指数方法对场地进行污染元素的定量评价。这些量化研究缺乏在空间上衔接棕地污染本体与后续生态修复手段的有效介质。

国内学界对棕地问题的研究也涵盖了诸多方面。以中国知网作为来源，叠加“棕地”“风景园林”作为关键词获得相关研究文献后分析，可知研究内容主要集中在国外棕地再生顶层设计综述[19-21]、国内外案例分析[22-24]以及再生成果评价指标与体系[25-27]，总体来看定性研究较多而定量研究不足。此外，近年来对于城市建设用地中土壤污染类型与程度的界定，我国出台了《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 36600—2018)作为棕地中污染土壤治理的规范标准。其中，对土壤中重金属与无机物污染元素含量制定了筛选值与管制值，并规定土壤污染元素含量低于筛选值可以忽略不计，高于管制值则存在着人体健康不可接受的风险，因此需在后续规划设计中采取风险管控或修复措施。而高于筛选值、低于管制值的污染土壤则需进行进一步的调查评估，以采取有效处理措施。

1 研究方法

基于以上研究综述，本文力求引入科学量化的评价方法介入棕地本体的污染评价，从而为后续生态修复及景观规划策略空间布局的制定提供科学支撑。瑞典著名地球化学家Hakanson(1980)提出的潜在生态危害指数法(也称潜在生态指数法、汉克森指数法)是目前最被认可的评价重金属污染程度的方法之一[28]。其基础逻辑为根据土壤重金属实测值与背景参考值计算重金属元素的污染系数。随后结合重金属毒性响应系数计算场地单一重金属与多个重金属潜在生态风险指数，并以此作为评价场地重金属污染程度的量化依据。同时以上数据可以通过地理信息系统平台(以下称GIS平台)进行空间分布的图示表达。潜在生态危害指数法可以科学、定量地评价场地中土壤情况，结合GIS平台的分析将污染程度落位于场地空间之上，更加直观地指导后续基于土壤污染治理的规划设计策略的提出。具体操作流程如图1。

图1 潜在生态危害指数法分析及应用流程

1.1 研究区域

本次研究选定河北省邯郸市复兴区内的西湖库区，总面积约为300hm2。场地内存在沁河与输元河2条河流，在中心汇聚形成西湖库区，用于城市行洪。场地原为邯郸钢铁场炼钢厂区，现基本已经搬迁完毕。

场地南侧存在一个建材厂，内部存有高炉以及铁轨；西北角为邯郸西环驾校考试场。场地西南角，铁路北侧为一处未被使用的废弃地，场地内堆满生活垃圾；东侧广场现有硬质铺装，但处于闲置状态，没有得到利用。场地内存有大面积棕地，包括北侧拆迁厂房地块、南侧垃圾填埋地、东侧建材工厂以及其内部的水渣堆放地(图2)。推测金属原材料与炼钢水渣堆放场地中，重金属元素会随雨水下渗，造成土壤污染；同时由于生产区域内存在一条软质驳岸明渠，因此不排除工业污水在渠中排放并渗透污染其两侧河岸土壤的可能。

图2 研究区域用地现状

1.2 土壤取样与理化检测

对于以上推测的土壤污染情况，通过土壤取样以求得污染类型与污染程度确切数据。土壤取样是指对调查场地土壤样品的科学化采集以及后续的分析测试。据此可以深入了解目标场地的土地使用、生产管理以及土壤的质量等级。土壤取样为后期的土地品质评价提供有力支持。由于本次设计场地接近矩形，因此采用五点取样法中的“X”样方采集方式，即按“X”形布设取样点后采取场地土方(图3)。

图3 场地土壤取样点布置

随后送检，进行土壤理化分析并取得化验结果(表1)。根据样方理化数值，依据我国《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 36600—2018)，可以初步判定出低于筛选值与高于管制值的区域。

表1 样方土壤理化指标检测结果(单位：mg/kg)

2 分析过程

2.1 单一重金属元素潜在生态风险系数计算

首先依据式(1)进行单一重金属潜在生态风险系数的计算。

式中，为计算出的单一重金属的污染系数；为土壤中某一项重金属质量比实测值，由于涉及多个样方点的测量结果，因此选用平均值；为目标重金属元素的背景参考值，是基于土壤环境背景含量的统计值。Ei指在一定时间条件下，仅受地球化学过程和非点源输入影响的土壤中元素或化合物的含量，计算中参考场地所在河北省的重金属质量比背景值[29]；为目标重金属元素的毒性响应系数，反映该元素在水相、土壤和生物间的影响关系，用于衡量重金属元素对生物造成的危害程度。本文采用汉克森指定的标准化毒性系数[30]。经计算，场地单一重金属元素潜在生态风险指数结果见表2。

表2 场地单一重金属元素潜在生态风险指数计算

在得到单一重金属潜在生态风险系数后，便可以与潜在生态危害指数法中给出的重金属潜在生态指数分级标准中的系数(表3)分析确定场地单个重金属元素的风险等级。

表3 重金属潜在生态指数分级标准[25]

2.2 土壤重金属密度空间分布图

以上系数的计算只是将场地空间视作一个整体进行评价，并不能了解每种元素的具体潜在风险程度以及在场地内的空间分布，因此研究引入ArcGIS平台进行空间分析，根据样方检测将上述单个重金属元素潜在生态指数计算结果进行空间落位，明确各元素的空间分布及数量特征。

2.3 多个重金属潜在生态风险综合指数

接着，根据式(2)计算场地多种重金属潜在生态风险综合指数RI。

式中，为上文计算的单一重金属元素生态风险系数。经计算，场地多个重金属潜在生态风险综合指数为934。对比表4给出的风险分级标准可知，整个场地土壤生态环境在重金属污染层面具有强生态风险。

表4 重金属潜在生态风险指数分级标准

2.4 土壤重金属潜在生态风险指数空间分布图

为了更加具体明确地了解场地中重金属污染的分布情况，再次引入ArcGIS平台进行上述指数结果的图示化表达(图4)。

图4 场地土壤多个重金属潜在生态风险指数空间分布

3 研究结果

通过单一重金属潜在生态风险系数(以下简称“风险系数”)可以发现，场地中的铬元素与铅元素的风险系数分别为3.2与27.6，分级属于轻微生态风险，基本可以忽视；铜元素和镍元素的风险系数分别为50.0与67.0，分级属于中等生态风险，在空间上较集中的分布在场地西侧与东侧边界，应进行相应的分析后提出处理措施；而砷元素、镉元素和汞元素的风险系数分别为105.0、205.8与476.0，分级属于较强生态风险以上，砷元素呈点状分布，镉元素与汞元素则呈面状分布。以上3种元素均会对场地中的生物健康产生威胁，需要采取相应的净化措施。

从单一重金属污染空间分布特征来看，场地西侧边界附近主要为无机物砷元素的污染，原场地为村民自垦农田及季节性湿地，推测产生污染原因为使用农药遗留的大面积无机物面源污染；场地南侧涧沟村附近主要为金属元素铬污染，原场地为钢材厂堆放钢渣的区域，地表大部分为混凝土浇筑的硬质铺装，少量为裸土，推测造成污染的原因为钢渣中的铬元素随雨水下渗而导致了污染；场地东侧工业棕地附近主要为镉和镍污染，原场地为钢材加工厂房与邯钢技校区域，推测污染来源为钢铁冶炼以及制作合金过程中，产生的包含2种元素的工业废弃物被掩埋所导致。

通过多个重金属潜在生态风险指数空间分布图可知，面积近半数的陆地处于较强生态风险以上，主要分布于场地东侧、南侧的工业棕地以及西侧农田，厂房拆迁地、垃圾填埋地以及村落周围土地也存有较强生态风险的区域。场地边界虽然存有单一重金属高密度聚集的情况，然而由于毒性响应系数较低等原因，普遍表现为中度或轻微生态风险。

综上，通过对场地土壤样方的采集与理化分析，结合国家标准中给定的相关元素的筛选值与管制值，以及汉克森指数法得出的场地土壤重金属潜在生态风险指数空间分布，可以全面、科学地了解场地土壤重金属所处的污染类型、污染程度以及空间分布情况，并可以此为研究基础，明确以风景园林为主要途径的棕地污染净化策略。

4 结论——分级管控、分类治理的景观营建策略

由前文分析可知，目标场地受过去工业生产的影响，土壤和水体存在一定程度的污染，且不同区域的污染类型和污染程度均不相同，呈现出类别性差异和区域性分布的特点。除土壤污染外，经测定水体上游沁河中存在着重金属污染，水体质量为地表水体IV类，中部库区水体氮、磷超标，水体污染对下游居民的用水安全构成威胁。针对以上土壤和水体污染问题，汉克森指数法的应用能够在空间上确定污染边界，进而在景观营建时准确落位，针对性地采用技术措施，从而因地制宜地实现棕地修复与再生的目标。

对于上述污染，传统的理化方法投资成本大，且需要专业的管理维护，同时理化净化试剂的使用不当有可能在整个净化过程中产生二次污染。与此同时，近期学界提出的基于自然手段的生态污染治理方法(Nature Based Solution，NBS)，可通过细致分析场地中不同地块的污染程度与污染类型设置净化策略，并且发挥风景园林学科的桥接作用，将基于自然的生态污染治理方法与场地景观设计进行有机融合。

4.1 分级管控——基于污染强度划定游憩等级

本次规划设计中，通过前文计算的生态风险指数将场地进行生态风险分级，并制定分级管控策略。强潜在生态风险区域呈点状分布在场地东侧的原钢材工厂、农田湿地及场地西侧边界，总面积约11.6hm2。强生态风险意味着土壤对生态环境或生物健康影响恶劣且剧烈，可引发人体产生多种疾病，如致突变、致畸形、致癌等[31]，通常需进行高强度且长时效的治理方式，因此将指数处于高生态风险的区域设置为低游憩等级，将空间隔离、净化和限制观赏作为主要的景观设计策略(图5)。

图5 低游憩等级区域景观规划策略

中潜在生态风险区域主要分布在东侧的拆迁技校、原钢材工厂、农田湿地及场地西侧边界，多环状包围高潜在生态风险区域，总面积达55.1hm2。中生态风险意味着虽然区域土壤污染层级较低，但是可能存在部分单一重金属或无机物元素超过国家标准中风险管制值的可能。同时，游客长时间与重金属污染土壤接触仍有健康风险，许多研究表明，存在于土壤环境中的铅、铬等重金属元素会对儿童的神经发育造成负面影响，引起儿童智力迟钝和发育迟缓[31]，所以需控制进入中潜在生态风险场地的时间与方式。因此将指数处于中生态风险的区域设置为中游憩等级。由于这些区域中具有可以接触的污染场地，因此在设计中增加了限制性游赏体验的策略，作为游客介入场地的方式之一，增设覆盖场地的栈道系统，保护游客健康并也形成立体交通体系，增加多重游憩体验(图6)。对于部分对游客没有健康威胁的中度污染场地，采取开放的态度，使得游客可以近距离观察、接触与体验这些污染净化装置，树立更加深刻的防污染意识，发挥绿色空间的科普宣教功效。

图6 中游憩等级区域景观规划策略

低生态风险区域意味着土壤只有轻微的、可忽略的污染或者基本无污染，游客进入不会影响身体健康，因此将指数处于低生态风险或无生态风险的区域设置为高游憩等级而不做特殊管控，设计策略上与一般景观无较大差异。

4.2 分类治理——依据场地要素确定修复技术

经上述分析研判，场地水体受工业生产影响和化肥农药污染，存在重金属元素的污染和氮、磷元素的超标，土壤中潜在生态风险较大的元素有砷、镉和汞。针对以上超标元素，根据场地要素制定了相应的景观化分类治理措施。

4.2.1 水体污染与处理

水质监测结果(表5)显示，位于上游的原工业生产场地中水渠中的水体存在一定程度的重金属污染，水体质量为地表水体IV类，中部库区水体存在化肥农药污染导致的氮、磷超标。

表5 场地水体理化分析结果(单位：mg/L)

在现状蓄洪区的基础上，规划全新的水域空间布局。将水域构建成湿地系统，来应对水体潜在的重金属污染、无机物污染等问题，净化水质、涵养水源、维护生物多样性。

在核心区构建潜流湿地，利用“基质-植物-微生物”生态系统，改善水环境质量。同时部分水域构建“表流湿地+生态塘”水系统，表流湿地+生态塘的复合系统，对于河水中氮的去除起到很好的效果，具有很强的抗负荷冲击能力，能起到净化水质和蓄滞洪涝的综合作用[32-33]，共计构建潜流湿地面积6.6hm2，表流湿地面积13.8hm2，实现对超过20万m3水体的净化。为控制整个场地的面源污染，以植被缓冲带串联散落场地的近10处的净化型雨水花园，与小型湿地形成连续的水体净化体系。经过整个净化作用，从而达到净化雨水径流的作用。

对于水体上游的重金属污染与库区的无机物污染问题，可采用植物根茎吸收的方式进行治理。例如，部分禾本科植物对土壤中的重金属元素具有良好的固化作用[34-35]。此外，场地驳岸大部分采用自然驳岸，如草坡入水的方法，以增加治污植物的栽植面积，增强植物吸附治理效果。硬质驳岸设置2～3级台地，形成总计长约1 800m的硬质驳岸，从而实现对水体的净化。

4.2.2 土壤污染与处理

对于场地东侧工业棕地土壤中镉、镍等重金属元素超标的问题，可通过工业废渣吸附、生物基质固化及植物根茎吸收等相关技术手段进行治理。

通过某种工业生产活动产生的工业废料来净化生态污染也是近年来学界不断探讨的生态修复方法之一。例如，对于场地东侧工业棕地附近土壤中超标的镉元素，污染面积达174.0hm2，可以通过添加赤泥陶粒进行吸附作用[36]。赤泥是制铝过程中提取氧化铝所产生的工业废弃物之一，将其添加进常用建筑材料陶粒的烧制过程中形成赤泥陶粒，这种新型环境功能材料表现为片状聚集体，多孔结构易团聚且抗压好，为其吸附土壤中的重金属元素提供了更优的反应条件。景观规划设计中可以根据场地特征设置不同的赤泥陶粒添加形式，同时对吸收镉元素后的赤泥陶粒进行回收，作为建筑材料使用到园内服务设施或构筑小品的建设中，形成有益循环。通过添加赤泥陶粒，可覆盖近200hm2土壤中的镉污染，实现对场地内镉污染的治理。

对于场地东侧工业棕地附近土壤中镍元素超标的问题，作为重金属原位固化技术之一的生物基质修复为镍元素的清除提供了可行的技术选择[37]。将木屑做水热处理形成水热碳，通过定型处理后得到水热碳棒。经试验，水热碳可以有效降低60%土壤中的镍，使得整个土壤生物毒性降低约30%。而碳棒的安插与设置可以通过艺术手段使其成为场地主题景观的一部分，从而使得场地中的工业精神以景观实体的形式得到转译与升华。通过水热碳棒的应用，可辐射面积达到88.3hm2，能够固化超标的镍元素，从而降低镍元素对场地的污染。

5 结语

棕地再生是一个复杂和长时的过程，需要多学科的交叉合作与多专业的协同参与，更需要以科学为支撑的理论研究和以问题为导向的实践创新，特别是对棕地污染类型与污染程度的定性、定量分析和对污染处理的策略制定。本文立足风景园林学科并以棕地景观再生为出发点，通过融合与交叉多个学科的相关知识体系，力求科学研判土壤重金属的污染程度、类型及空间分布，探讨有效应对工业污染、针对性地营建绿色空间和表达工业文化的、以风景园林途径为主导的棕地再生策略，最终实现以棕地为空间载体、污染治理与景观建设兼顾的目标。

研究中涉及生态工程学科的知识应用还具有细化与探讨的空间，例如土壤取样方法中的网格尺度、对土壤污染治理的手段等，此外还应结合场地的污染类型和程度，特别是预期景观效果来制定具体修复方案。基于土壤重金属潜在生态风险评价的棕地景观营建方法仍需更多的理论探索与实践检验，方能形成持续性的方法体系，为我国新时代城市建设与更新不断向科学化、精细化转型提供借鉴和参考。

注：文中图片均由作者绘制。