杭州临安社区花园土壤重金属污染特征及风险评估*

陈蓉蓉 屠 峰 吴玉柱 金荷仙 王 瑛 颜 越 崔诗宇 柳 丹

1 浙江农林大学风景园林与建筑学院 杭州 311300 2 浙江农林大学浙江省土壤污染生物修复重点实验室 杭州 311300 3 诚邦生态环境股份有限公司 杭州 310008

社区花园作为位于居住区内新流行的城市景观绿地形式之一，是社区居民在公共场所种植蔬菜、花卉或其他植物的绿地，是人们接触自然、社会交往的重要空间[1]。社区花园能在高密度建筑环境中建立社会联系、增强社会意识[2]，调节当地气候，增强生物多样性[3-4]；花园场地内种植可食用作物还能提高城市蔬菜生产、节约成本[5]，缓解城市用地紧张、环境不公平、公民交流不融洽等问题。

目前有关社区花园的研究多集中于景观营造和管理机制探索[6-7]，随着社区花园受欢迎程度的增加，人们逐渐开始关注场地内部安全问题[8]。国外学者于21世纪开始对社区花园土壤中的重金属污染进行检测和评估[9]，发现社区花园中土壤受到的重金属污染会在农作物中积累，产生健康风险[10]，导致肺癌、肾功能障碍、神经系统等疾病[11-12]。国内社区花园研究尚处于起步阶段，社区花园土壤重金属污染研究较少。符娟林[13]调研类似社区花园空间分布的居住区绿地，发现场地内具有重金属生态风险，重金属浓度随建成时间的增加而增加。杨剑洲等[14]调查与社区花园功能相似的集约化种植园农作物，发现土壤中的重金属在农作物中积累。作为城市居民接触密切且具可食蔬菜生产功能的绿地，社区花园土壤重金属污染及其危害风险不容忽视。

本研究采集杭州市临安社区花园的土壤，测定土壤中重金属Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni和As的含量。利用IDW空间插值技术分析重金属的空间分布特征，利用主成分分析和相关性分析推测污染源，利用单因子指数法、内梅罗综合指数法、潜在生态风险分析及健康风险暴露指数法分析风险以探究土壤重金属污染特征，并对不同风险评估方法进行社区花园的适宜性分析，为社区花园环境健康、景观营造和风险评估提供参考。

1 研究区概况

锦城街道位于浙江省杭州西北部临安区，是临安区的政治、经济和文化中心。街道总面积61.75 km2，下辖5个行政区、8个社区委员会和10个社区。气候属亚热带季风气候，平均海拔50 m以下，含有W、Fe、Ni、Cu和其他金属矿物，年平均气温和降水量分别为16.4℃和1628.6 mm。与临安其他街道相比，锦城街道的居住区数量众多、房屋老旧，街道上设有机械、电缆、传输设备、造纸业等企业。

2 研究方法

2.1 土壤样本的采集与分析

选取街道内62个居住区中的社区花园作为调查对象，选取样点后利用GPS工具箱软件记录经纬度。在采样点5 m半径内采集3个表土样品形成土壤复合样品，将样品存放在PVC袋中带回，清除动植物、岩石碎片，置于通风和避光的室内环境中干燥，研磨后经2 mm网格和100目网格筛选并分别存放在样品袋中。

在实验室进行土壤pH值、有机质含量及重金属总量的分析测定。pH计在1∶2.5土水比下测定土壤的pH值。将样品置于重铬酸钾和硫酸的混合试剂中，用180℃的湿氧化法加热混合试剂，滴定硫酸亚铁溶液测定SOM。测定重金属含量时，将样品置于HF、HNO3和HClO4的混合试剂中消煮，用HNO3定容后过滤备用。采用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES，LeemanProdigy 7，美国)测定Cu、Zn、Pb、Cr、Ni和As的浓度，采用石墨炉原子吸收光谱法(GFAAS，PerkinemerAA800，美国)检测Cd浓度。

2.2 土壤重金属风险评估

本文共采用4种风险评估方法，分别为单因子污染指数、内梅罗(Nemerow)综合污染指数、潜在生态风险指数法和健康风险暴露指数法。健康风险暴露指数包含致癌风险和非致癌风险。致癌风险计算公式为:

式(1)至式(4)中:CRois、CRdcs、CRpis为土壤颗粒物，被摄入、吸入后和皮肤接触存在致癌风险；Csur为土壤污染物浓度(mg·kg-1)；SFo为摄入的癌症斜坡因子(mg污染物·kg-1体重·d-1)；ABSgi为消化道吸收效率系数；IUR为吸入单位致癌因子(m3·mg-1)；CRn是污染物总致癌风险。CRn超过10E-4为严重的致癌风险；CRn低于10E-6表明致癌风险可忽略不计[15]。

非致癌危害商计算公式为:

式(5)至式(8)中:HQois、HQdcs、HQpis分别是经口摄入、吸入土壤颗粒物和皮肤接触方式的危害商；RfDo是摄入的癌症斜坡因子(mg污染物·kg-1体重·d-1)；RfC是消化道吸收效率系数(mg·m-3)；SAF是土壤暴露的参考剂量分配系数；HQn是总非致癌风险。HQn＞1表明可能发生显著的非癌症风险；HQn＜1表明风险可能性较小[16]。

2.3 统计分析与空间插值

对实验所得数据使用SPSS 22.0进行描述性统计、斯皮尔曼系数(Spearman)相关性分析和主成分分析，其中巴特利特球形度测试小于0.05%，KMO(Kaiser Meyer-Olkin)度量测试统计数据为0.682＞0.5，提取的3个成分因子总方差为75.45%＞60%，说明研究数据适用主成分分析。使用反向距离加权法(Inverse Distance Weighted，IDW)加权平均值插值，并制作图表可视化呈现。

3 结果与分析

3.1 土壤重金属描述性统计分析

由表1可知:锦城街道中社区花园内土壤的pH值范围在5.48～8.41，其中2/3的土壤pH值高于7.0，整体呈现弱碱性；SOM含量为13.40～84.91 g·kg-1，空间变异系数为42.46%；Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni和As平 均 浓 度 分 别 为23.40、132.72、23.06、0.17、50.83、28.86和12.59 mg·kg-1，除Pb和Cr外，其他重金属的平均浓度超过杭州土壤环境背景值，其中As和Zn分别是浙江省背景值的2.12和1.63倍[17]；Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni和As的变 异系数分 别 为56.20%、39.86%、86.47%、58.82%、38.60%、37.53%和86.42%，以As、Pb、Cd较为突出。

表1 研究地区重金属浓度(mg·kg-1)和土壤性质描述性统计

3.2 土壤重金属空间变异性特征分析

重金属Cu、Zn、Pb、Cd、Cr和Ni的高值点主要位于东北角和南部，重金属含量自东向西呈小幅下降趋势，As则相反(图1)。场地中部纬度地区浓度较两侧高，且河流附近的北部地区低于同经度地区。

图1 研究区域重金属浓度空间分布图

3.3 土壤重金属来源分析

通过土壤重金属相关性分析发现，Cu与Zn、Pb、Cd、Cr、Cr、Ni之间以及SOM与Zn、Pb、Cd之间存在显著相关性，Cr和Ni之间以及As和Ni之间也存在强相关性，具有强相关性的元素可能具有同源性。将重金属的主成分与相关分析相结合(表2、表3)，可以将主成分因子分为3类，即PC1(Cu、Zn、Pb、Cd)、PC2(Cr、Ni)和PC3(As)。污染源分析结果显示，Cu、Zn、Pb、Cd来源于农业活动和交通损耗；Cr、Ni来源于土壤母质；As则来源于生活污染，以燃煤活动为主。

表2 研究区土壤重金属含量与理化性质的相关性分析

表3 表层土壤重金属的主成分分析

3.4 土壤重金属风险评估

3.4.1 重金属污染指数法评估分析

基于场地土壤重金属单因子污染风险评估分析(表4)，Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni和As平均污染指数分别为1.04、1.63、0.81、1.13、0.95、1.22和2.12，Cu、Zn、Cd、Ni呈微污染，As呈中等污染。As、Zn、Cd在单因子污染指数中排名靠前，Ni平均指数虽高于Cd，但并未出现重度污染情况。土壤受As污染最为严重，其次为Zn污染。在采样点中有一处Cd污染指数处于重度污染地区，11.29%处于中度污染。内梅罗综合污染指数显示(表4)，社区花园土壤重金属污染平均指数为1.96，96.77%的居住区受到重金属污染，中度和重度污染分别达到22.58%和14.52%。

表4 土壤重金属单因子污染指数和内梅罗综合污染指数评价

3.4.2 潜在生态风险分析

潜在生态风险指数将土壤重金属含量与重金属毒害作用相结合，综合评估重金属对土壤的生态效应。由表5可知，单因子潜在生态风险分析中，Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni和As平均值处于轻微风险，Cd和As部分点位处于中等或强风险。

综合评估7种重金属的生态影响(表5)，Ri范围位于19.75～182.55，轻微风险占比96.77%。中等风险区域共2处，一处位于场地中部(Ri＝182.55)，另一处为南部地块(Ri＝160.51)主要受Cd(ECdr＝44.96)和As(EAsr＝75.09)的共同影响。

表5 土壤重金属潜在生态风险指数评价

3.4.3 健康风险评估分析

由于在USEPA区域筛选级别中缺乏与Pb相关的SFo、IUR、ABSd指标数据，本研究对土壤重金属健康风险分析主要侧重于Cu、Zn、Cd、Cr、Ni、As等6种重金属[18]。如图2所示:Cu(1.17E-2)、Zn(8.84E-2)和Cd(7.65E-2)平均非致癌风险低于1；As(4.24)、Cr(2.35)和Ni(1.30)均超过1，存在重大风险，风险程度呈现As＞Cr＞Ni。

图2 Cu、Zn、Cr、Cd、Ni、As的非致癌健康风险指数

重金属的致癌风险如图3所示。主要致癌方式为口服(Cr、As)、皮肤接触(As)和吸入(Cd、Cr、Ni、As)。平均致癌风险排序为:Cr(3.83E-5)＞As(2.65E-5)＞Ni(1.03E-8)＞Cd(4.27E-10)，Cr和As都有致癌的风险，且儿童风险高于成年人。Cr的经口摄入量(儿童2E-5、成人1.87E-5)和成人吸入颗粒(5.17E-6)、As的经口摄入量(儿童1.49E-5、成人9.26E-6)和皮肤接触量(儿童1.62E-6、成人1.33E-6)平均值均超过1E-6的可接受阈值。

图3 Cr、Cd、Ni、As的致癌健康风险指数

4 讨论

通过与以往研究结果对比分析发现，临安地区重金属Mn、Cu、Zn、Pb、Cd、Cr的平均浓度分 别 为439.42、42.23、196.80、62.55、0.22、63.65 mg·kg-1，均超浙江省背景值，Pb含量超背景值2倍以上[19]，这可能是因为包含运输线或工厂等易积累重金属的场地所致。本文研究地污染以As、Pb、Cd较为突出，整体上场地东部重金属积累量较高，As的浓度从西向东呈下降趋势，与其他重金属不相似，外部输入可能性更大。

4.1 污染源分析

现场调查发现场地内没有采矿和冶炼活动；通过综合分析推测重金属污染源，可以将主成分因子分为3类，即PC1、PC2、PC3。

PC1包括Cu、Zn、Pb、Cd，经相关性分析，发现此类重金属可能伴随有机物的输入。Cd通常存在于化肥中，特别是通过磷肥等有机肥输入土壤[20]，而Cu和Zn被广泛用作畜禽饲料的添加剂，但生物利用率很低，大部分重金属元素伴随畜禽粪便进入土壤[21]。此外，结合场地现状发现东部交通路网密集、活动频繁，Pb污染被认为是交通污染的代表，废气排放是导致Pb进入社区花园最主要的原因[22]。同时车辆的制动磨损会造成Cu的累积，轮胎磨损和汽车零部件中使用的润滑剂也会产生Zn和Cd[23]。因此，农业活动和交通损耗是PC1的主要来源。

PC2中含有Cr、Ni，其中Cr的平均浓度低于背景值，Cr和Ni变异值明显小于其他重金属，说明在研究区域土壤中此类金属没有受到明显的人为干扰。推测场地内Cr和Ni主要来源于地下矿物质分解，通过颗粒移动或地下水在土壤中堆积。因此，PC2中主要来源于土壤母质。

PC3只有As，与其他重金属无明显相关。磷肥被认为是As重金属污染的主要来源，但相关性中SOM和As呈现不相关，表明样点中的As主要以无机物的形式输入。As和Cu、Cd存在微弱的相关，说明Cu、Cd的污染源可能会伴随少量的As。含有砷酸钙、砷酸铅、砷酸钠等无机砷化合物的农药或除草剂常被应用于农业活动，从而影响土壤中As的浓度[24]。实地调查发现，居民常在社区花园中燃煤生火，煤燃烧导致大量的飞灰进入空气后沉积在土壤中造成As累积[25]。此外，生活污水灌溉、废物和医疗药品也常含有As[26-27]。As的生物积累和不可降解性导致这些物质的随机处置，这在一定程度上也加剧了As的富集。因此，PC3主要来源于生活污染，此外，在一定程度上还有可能受社区花园内园艺活动的影响。

4.2 污染风险分析

内梅罗综合污染风险评估结果显示，场地内存在5个高值点，呈现中度或重度污染。高值点具有两个分布特点:一是靠近交通中心，即交通网密集处重金属易通过粉尘形式进入社区，导致社区花园的土壤重金属浓度升高；二是与As高值点相似，即居民常在社区花园附近产生燃煤生火的方式，调研地土壤重金属的综合污染主要受As的影响。潜在生态风险与Cd的积累相关，西南角处社区花园(ECd

r＝89.76)周围分布网络通信、电气等企业，中部地区社区花园(ECdr＝90.06)设有电器修理部、电子等公司，推测可能是工业活动造成了风险值差异。健康风险暴露指数结果显示，不同暴露途径的危险顺序为呼吸吸入＞经口摄入＞皮肤接触，这表明呼吸吸入是非致癌风险的主要途径。非致癌风险主要集中在As、Cr、Ni 3种重金属，无显著致癌风险。

对比单因子污染指数和单因子潜在生态风险、内梅罗综合风险及综合因子潜在生态风险可以发现，前后两者分析方法对重金属风险评估存在差异，潜在生态风险的污染等级均小于前者。例如单因子污染指数显示重金属污染风险排序为As＞Zn＞Ni＞Cd＞Cu＞Cr＞Pb，而单因子潜在生态风险排序为Cd＞As＞Ni＞Cu＞Pb＞Cr＞Zn；内梅罗综合风险中近40%的采样点处于中度或重度污染，而综合因子潜在生态风险仅3.23%处于中等风险。其原因主要存在两个可能性:一是基于单因子污染指数进行潜在生态风险评估时，因不同重金属毒性的不同造成潜在生态风险污染指数与单因子污染指数或内梅罗综合污染指数结果的不同；二是重金属在土壤中浓度以重金属全量为检测结果，但只有处于游离态的重金属才会在土壤中形成重金属的生态风险。对比不同的重金属污染风险评估方法，单因子污染指数法和内梅罗综合指数法侧重于对重金属本身污染属性，生态风险指数法侧重于生态污染属性，健康风险评估则侧重于重金属对人体健康的危害程度，与人体接触重金属的途径和重金属元素对人体健康的影响强弱紧密相关。

5 结论

1)社区花园存在较为明显的重金属污染。浙江杭州市临安区社区花园土壤重金属Cu、Zn、Cd、Ni、As平均浓度超出杭州市背景值。超过80%的社区花园存在重金属污染，其中37%的地区呈现中度或重度污染。研究地96.77%处于轻微风险，3.23%处于中等风险。

2)社区花园的重金属污染与人为活动息息相关，且具有一定空间分布规律。研究区东部重金属污染高于西部。研究区Cd、Cu、Ni、Zn污染源主要为农业活动和交通污染，集中于东部地区；Cr、Pb主要源于土壤母质；As受西部居住人群生活习惯的影响，主要来源于生活污染。

3)社区花园受人为活动影响而可能存在的重金属会对人体造成一定健康影响。研究区西部健康风险程度高于东部地区。潜在生态风险污染以Cd和As为代表，主要为轻微风险，不会对生物产生严重的毒害情况，但As、Cr、Ni非致癌指标已超出风险值，其致癌指标临近风险值，或引起人体健康风险。因此，根据健康风险评估结果，应对风险较高和人体健康危害较大的区域与重金属着重治理。