陳蓉蓉 屠 峰 吳玉柱 金荷仙 王 瑛 顏 越 崔詩(shī)宇 柳 丹
1 浙江農(nóng)林大學(xué)風(fēng)景園林與建筑學(xué)院 杭州 311300 2 浙江農(nóng)林大學(xué)浙江省土壤污染生物修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 311300 3 誠(chéng)邦生態(tài)環(huán)境股份有限公司 杭州 310008
社區(qū)花園作為位于居住區(qū)內(nèi)新流行的城市景觀綠地形式之一,是社區(qū)居民在公共場(chǎng)所種植蔬菜、花卉或其他植物的綠地,是人們接觸自然、社會(huì)交往的重要空間[1]。社區(qū)花園能在高密度建筑環(huán)境中建立社會(huì)聯(lián)系、增強(qiáng)社會(huì)意識(shí)[2],調(diào)節(jié)當(dāng)?shù)貧夂颍鰪?qiáng)生物多樣性[3-4];花園場(chǎng)地內(nèi)種植可食用作物還能提高城市蔬菜生產(chǎn)、節(jié)約成本[5],緩解城市用地緊張、環(huán)境不公平、公民交流不融洽等問(wèn)題。
目前有關(guān)社區(qū)花園的研究多集中于景觀營(yíng)造和管理機(jī)制探索[6-7],隨著社區(qū)花園受歡迎程度的增加,人們逐漸開(kāi)始關(guān)注場(chǎng)地內(nèi)部安全問(wèn)題[8]。國(guó)外學(xué)者于21世紀(jì)開(kāi)始對(duì)社區(qū)花園土壤中的重金屬污染進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估[9],發(fā)現(xiàn)社區(qū)花園中土壤受到的重金屬污染會(huì)在農(nóng)作物中積累,產(chǎn)生健康風(fēng)險(xiǎn)[10],導(dǎo)致肺癌、腎功能障礙、神經(jīng)系統(tǒng)等疾病[11-12]。國(guó)內(nèi)社區(qū)花園研究尚處于起步階段,社區(qū)花園土壤重金屬污染研究較少。符娟林[13]調(diào)研類似社區(qū)花園空間分布的居住區(qū)綠地,發(fā)現(xiàn)場(chǎng)地內(nèi)具有重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),重金屬濃度隨建成時(shí)間的增加而增加。楊劍洲等[14]調(diào)查與社區(qū)花園功能相似的集約化種植園農(nóng)作物,發(fā)現(xiàn)土壤中的重金屬在農(nóng)作物中積累。作為城市居民接觸密切且具可食蔬菜生產(chǎn)功能的綠地,社區(qū)花園土壤重金屬污染及其危害風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。
本研究采集杭州市臨安社區(qū)花園的土壤,測(cè)定土壤中重金屬Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni和As的含量。利用IDW空間插值技術(shù)分析重金屬的空間分布特征,利用主成分分析和相關(guān)性分析推測(cè)污染源,利用單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析及健康風(fēng)險(xiǎn)暴露指數(shù)法分析風(fēng)險(xiǎn)以探究土壤重金屬污染特征,并對(duì)不同風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法進(jìn)行社區(qū)花園的適宜性分析,為社區(qū)花園環(huán)境健康、景觀營(yíng)造和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供參考。
錦城街道位于浙江省杭州西北部臨安區(qū),是臨安區(qū)的政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心。街道總面積61.75 km2,下轄5個(gè)行政區(qū)、8個(gè)社區(qū)委員會(huì)和10個(gè)社區(qū)。氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,平均海拔50 m以下,含有W、Fe、Ni、Cu和其他金屬礦物,年平均氣溫和降水量分別為16.4℃和1628.6 mm。與臨安其他街道相比,錦城街道的居住區(qū)數(shù)量眾多、房屋老舊,街道上設(shè)有機(jī)械、電纜、傳輸設(shè)備、造紙業(yè)等企業(yè)。
選取街道內(nèi)62個(gè)居住區(qū)中的社區(qū)花園作為調(diào)查對(duì)象,選取樣點(diǎn)后利用GPS工具箱軟件記錄經(jīng)緯度。在采樣點(diǎn)5 m半徑內(nèi)采集3個(gè)表土樣品形成土壤復(fù)合樣品,將樣品存放在PVC袋中帶回,清除動(dòng)植物、巖石碎片,置于通風(fēng)和避光的室內(nèi)環(huán)境中干燥,研磨后經(jīng)2 mm網(wǎng)格和100目網(wǎng)格篩選并分別存放在樣品袋中。
在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量及重金屬總量的分析測(cè)定。pH計(jì)在1∶2.5土水比下測(cè)定土壤的pH值。將樣品置于重鉻酸鉀和硫酸的混合試劑中,用180℃的濕氧化法加熱混合試劑,滴定硫酸亞鐵溶液測(cè)定SOM。測(cè)定重金屬含量時(shí),將樣品置于HF、HNO3和HClO4的混合試劑中消煮,用HNO3定容后過(guò)濾備用。采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES,LeemanProdigy 7,美國(guó))測(cè)定Cu、Zn、Pb、Cr、Ni和As的濃度,采用石墨爐原子吸收光譜法(GFAAS,PerkinemerAA800,美國(guó))檢測(cè)Cd濃度。
本文共采用4種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法,分別為單因子污染指數(shù)、內(nèi)梅羅(Nemerow)綜合污染指數(shù)、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法和健康風(fēng)險(xiǎn)暴露指數(shù)法。健康風(fēng)險(xiǎn)暴露指數(shù)包含致癌風(fēng)險(xiǎn)和非致癌風(fēng)險(xiǎn)。致癌風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算公式為:
式(1)至式(4)中:CRois、CRdcs、CRpis為土壤顆粒物,被攝入、吸入后和皮膚接觸存在致癌風(fēng)險(xiǎn);Csur為土壤污染物濃度(mg·kg-1);SFo為攝入的癌癥斜坡因子(mg污染物·kg-1體重·d-1);ABSgi為消化道吸收效率系數(shù);IUR為吸入單位致癌因子(m3·mg-1);CRn是污染物總致癌風(fēng)險(xiǎn)。CRn超過(guò)10E-4為嚴(yán)重的致癌風(fēng)險(xiǎn);CRn低于10E-6表明致癌風(fēng)險(xiǎn)可忽略不計(jì)[15]。
非致癌危害商計(jì)算公式為:
式(5)至式(8)中:HQois、HQdcs、HQpis分別是經(jīng)口攝入、吸入土壤顆粒物和皮膚接觸方式的危害商;RfDo是攝入的癌癥斜坡因子(mg污染物·kg-1體重·d-1);RfC是消化道吸收效率系數(shù)(mg·m-3);SAF是土壤暴露的參考劑量分配系數(shù);HQn是總非致癌風(fēng)險(xiǎn)。HQn>1表明可能發(fā)生顯著的非癌癥風(fēng)險(xiǎn);HQn<1表明風(fēng)險(xiǎn)可能性較小[16]。
對(duì)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)使用SPSS 22.0進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)、斯皮爾曼系數(shù)(Spearman)相關(guān)性分析和主成分分析,其中巴特利特球形度測(cè)試小于0.05%,KMO(Kaiser Meyer-Olkin)度量測(cè)試統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為0.682>0.5,提取的3個(gè)成分因子總方差為75.45%>60%,說(shuō)明研究數(shù)據(jù)適用主成分分析。使用反向距離加權(quán)法(Inverse Distance Weighted,IDW)加權(quán)平均值插值,并制作圖表可視化呈現(xiàn)。
由表1可知:錦城街道中社區(qū)花園內(nèi)土壤的pH值范圍在5.48~8.41,其中2/3的土壤pH值高于7.0,整體呈現(xiàn)弱堿性;SOM含量為13.40~84.91 g·kg-1,空間變異系數(shù)為42.46%;Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni和As平 均 濃 度 分 別 為23.40、132.72、23.06、0.17、50.83、28.86和12.59 mg·kg-1,除Pb和Cr外,其他重金屬的平均濃度超過(guò)杭州土壤環(huán)境背景值,其中As和Zn分別是浙江省背景值的2.12和1.63倍[17];Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni和As的變 異系數(shù)分 別 為56.20%、39.86%、86.47%、58.82%、38.60%、37.53%和86.42%,以As、Pb、Cd較為突出。
表1 研究地區(qū)重金屬濃度(mg·kg-1)和土壤性質(zhì)描述性統(tǒng)計(jì)
重金屬Cu、Zn、Pb、Cd、Cr和Ni的高值點(diǎn)主要位于東北角和南部,重金屬含量自東向西呈小幅下降趨勢(shì),As則相反(圖1)。場(chǎng)地中部緯度地區(qū)濃度較兩側(cè)高,且河流附近的北部地區(qū)低于同經(jīng)度地區(qū)。
圖1 研究區(qū)域重金屬濃度空間分布圖
通過(guò)土壤重金屬相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),Cu與Zn、Pb、Cd、Cr、Cr、Ni之間以及SOM與Zn、Pb、Cd之間存在顯著相關(guān)性,Cr和Ni之間以及As和Ni之間也存在強(qiáng)相關(guān)性,具有強(qiáng)相關(guān)性的元素可能具有同源性。將重金屬的主成分與相關(guān)分析相結(jié)合(表2、表3),可以將主成分因子分為3類,即PC1(Cu、Zn、Pb、Cd)、PC2(Cr、Ni)和PC3(As)。污染源分析結(jié)果顯示,Cu、Zn、Pb、Cd來(lái)源于農(nóng)業(yè)活動(dòng)和交通損耗;Cr、Ni來(lái)源于土壤母質(zhì);As則來(lái)源于生活污染,以燃煤活動(dòng)為主。
表2 研究區(qū)土壤重金屬含量與理化性質(zhì)的相關(guān)性分析
表3 表層土壤重金屬的主成分分析
3.4.1 重金屬污染指數(shù)法評(píng)估分析
基于場(chǎng)地土壤重金屬單因子污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析(表4),Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni和As平均污染指數(shù)分別為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在單因子污染指數(shù)中排名靠前,Ni平均指數(shù)雖高于Cd,但并未出現(xiàn)重度污染情況。土壤受As污染最為嚴(yán)重,其次為Zn污染。在采樣點(diǎn)中有一處Cd污染指數(shù)處于重度污染地區(qū),11.29%處于中度污染。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)顯示(表4),社區(qū)花園土壤重金屬污染平均指數(shù)為1.96,96.77%的居住區(qū)受到重金屬污染,中度和重度污染分別達(dá)到22.58%和14.52%。
表4 土壤重金屬單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)
3.4.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析
潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)將土壤重金屬含量與重金屬毒害作用相結(jié)合,綜合評(píng)估重金屬對(duì)土壤的生態(tài)效應(yīng)。由表5可知,單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析中,Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni和As平均值處于輕微風(fēng)險(xiǎn),Cd和As部分點(diǎn)位處于中等或強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)。
綜合評(píng)估7種重金屬的生態(tài)影響(表5),Ri范圍位于19.75~182.55,輕微風(fēng)險(xiǎn)占比96.77%。中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域共2處,一處位于場(chǎng)地中部(Ri=182.55),另一處為南部地塊(Ri=160.51)主要受Cd(ECdr=44.96)和As(EAsr=75.09)的共同影響。
表5 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)
3.4.3 健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析
由于在USEPA區(qū)域篩選級(jí)別中缺乏與Pb相關(guān)的SFo、IUR、ABSd指標(biāo)數(shù)據(jù),本研究對(duì)土壤重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)分析主要側(cè)重于Cu、Zn、Cd、Cr、Ni、As等6種重金屬[18]。如圖2所示:Cu(1.17E-2)、Zn(8.84E-2)和Cd(7.65E-2)平均非致癌風(fēng)險(xiǎn)低于1;As(4.24)、Cr(2.35)和Ni(1.30)均超過(guò)1,存在重大風(fēng)險(xiǎn),風(fēng)險(xiǎn)程度呈現(xiàn)As>Cr>Ni。
圖2 Cu、Zn、Cr、Cd、Ni、As的非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)
重金屬的致癌風(fēng)險(xiǎn)如圖3所示。主要致癌方式為口服(Cr、As)、皮膚接觸(As)和吸入(Cd、Cr、Ni、As)。平均致癌風(fēng)險(xiǎn)排序?yàn)?Cr(3.83E-5)>As(2.65E-5)>Ni(1.03E-8)>Cd(4.27E-10),Cr和As都有致癌的風(fēng)險(xiǎn),且兒童風(fēng)險(xiǎn)高于成年人。Cr的經(jīng)口攝入量(兒童2E-5、成人1.87E-5)和成人吸入顆粒(5.17E-6)、As的經(jīng)口攝入量(兒童1.49E-5、成人9.26E-6)和皮膚接觸量(兒童1.62E-6、成人1.33E-6)平均值均超過(guò)1E-6的可接受閾值。
圖3 Cr、Cd、Ni、As的致癌健康風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)
通過(guò)與以往研究結(jié)果對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),臨安地區(qū)重金屬M(fèi)n、Cu、Zn、Pb、Cd、Cr的平均濃度分 別 為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],這可能是因?yàn)榘\(yùn)輸線或工廠等易積累重金屬的場(chǎng)地所致。本文研究地污染以As、Pb、Cd較為突出,整體上場(chǎng)地東部重金屬積累量較高,As的濃度從西向東呈下降趨勢(shì),與其他重金屬不相似,外部輸入可能性更大。
現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)場(chǎng)地內(nèi)沒(méi)有采礦和冶煉活動(dòng);通過(guò)綜合分析推測(cè)重金屬污染源,可以將主成分因子分為3類,即PC1、PC2、PC3。
PC1包括Cu、Zn、Pb、Cd,經(jīng)相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)此類重金屬可能伴隨有機(jī)物的輸入。Cd通常存在于化肥中,特別是通過(guò)磷肥等有機(jī)肥輸入土壤[20],而Cu和Zn被廣泛用作畜禽飼料的添加劑,但生物利用率很低,大部分重金屬元素伴隨畜禽糞便進(jìn)入土壤[21]。此外,結(jié)合場(chǎng)地現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)東部交通路網(wǎng)密集、活動(dòng)頻繁,Pb污染被認(rèn)為是交通污染的代表,廢氣排放是導(dǎo)致Pb進(jìn)入社區(qū)花園最主要的原因[22]。同時(shí)車(chē)輛的制動(dòng)磨損會(huì)造成Cu的累積,輪胎磨損和汽車(chē)零部件中使用的潤(rùn)滑劑也會(huì)產(chǎn)生Zn和Cd[23]。因此,農(nóng)業(yè)活動(dòng)和交通損耗是PC1的主要來(lái)源。
PC2中含有Cr、Ni,其中Cr的平均濃度低于背景值,Cr和Ni變異值明顯小于其他重金屬,說(shuō)明在研究區(qū)域土壤中此類金屬?zèng)]有受到明顯的人為干擾。推測(cè)場(chǎng)地內(nèi)Cr和Ni主要來(lái)源于地下礦物質(zhì)分解,通過(guò)顆粒移動(dòng)或地下水在土壤中堆積。因此,PC2中主要來(lái)源于土壤母質(zhì)。
PC3只有As,與其他重金屬無(wú)明顯相關(guān)。磷肥被認(rèn)為是As重金屬污染的主要來(lái)源,但相關(guān)性中SOM和As呈現(xiàn)不相關(guān),表明樣點(diǎn)中的As主要以無(wú)機(jī)物的形式輸入。As和Cu、Cd存在微弱的相關(guān),說(shuō)明Cu、Cd的污染源可能會(huì)伴隨少量的As。含有砷酸鈣、砷酸鉛、砷酸鈉等無(wú)機(jī)砷化合物的農(nóng)藥或除草劑常被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)活動(dòng),從而影響土壤中As的濃度[24]。實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn),居民常在社區(qū)花園中燃煤生火,煤燃燒導(dǎo)致大量的飛灰進(jìn)入空氣后沉積在土壤中造成As累積[25]。此外,生活污水灌溉、廢物和醫(yī)療藥品也常含有As[26-27]。As的生物積累和不可降解性導(dǎo)致這些物質(zhì)的隨機(jī)處置,這在一定程度上也加劇了As的富集。因此,PC3主要來(lái)源于生活污染,此外,在一定程度上還有可能受社區(qū)花園內(nèi)園藝活動(dòng)的影響。
內(nèi)梅羅綜合污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果顯示,場(chǎng)地內(nèi)存在5個(gè)高值點(diǎn),呈現(xiàn)中度或重度污染。高值點(diǎn)具有兩個(gè)分布特點(diǎn):一是靠近交通中心,即交通網(wǎng)密集處重金屬易通過(guò)粉塵形式進(jìn)入社區(qū),導(dǎo)致社區(qū)花園的土壤重金屬濃度升高;二是與As高值點(diǎn)相似,即居民常在社區(qū)花園附近產(chǎn)生燃煤生火的方式,調(diào)研地土壤重金屬的綜合污染主要受As的影響。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)與Cd的積累相關(guān),西南角處社區(qū)花園(ECd
r=89.76)周?chē)植季W(wǎng)絡(luò)通信、電氣等企業(yè),中部地區(qū)社區(qū)花園(ECdr=90.06)設(shè)有電器修理部、電子等公司,推測(cè)可能是工業(yè)活動(dòng)造成了風(fēng)險(xiǎn)值差異。健康風(fēng)險(xiǎn)暴露指數(shù)結(jié)果顯示,不同暴露途徑的危險(xiǎn)順序?yàn)楹粑耄窘?jīng)口攝入>皮膚接觸,這表明呼吸吸入是非致癌風(fēng)險(xiǎn)的主要途徑。非致癌風(fēng)險(xiǎn)主要集中在As、Cr、Ni 3種重金屬,無(wú)顯著致癌風(fēng)險(xiǎn)。
對(duì)比單因子污染指數(shù)和單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、內(nèi)梅羅綜合風(fēng)險(xiǎn)及綜合因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)可以發(fā)現(xiàn),前后兩者分析方法對(duì)重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估存在差異,潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的污染等級(jí)均小于前者。例如單因子污染指數(shù)顯示重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)排序?yàn)锳s>Zn>Ni>Cd>Cu>Cr>Pb,而單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)排序?yàn)镃d>As>Ni>Cu>Pb>Cr>Zn;內(nèi)梅羅綜合風(fēng)險(xiǎn)中近40%的采樣點(diǎn)處于中度或重度污染,而綜合因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)僅3.23%處于中等風(fēng)險(xiǎn)。其原因主要存在兩個(gè)可能性:一是基于單因子污染指數(shù)進(jìn)行潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí),因不同重金屬毒性的不同造成潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)污染指數(shù)與單因子污染指數(shù)或內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)結(jié)果的不同;二是重金屬在土壤中濃度以重金屬全量為檢測(cè)結(jié)果,但只有處于游離態(tài)的重金屬才會(huì)在土壤中形成重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)比不同的重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法,單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法側(cè)重于對(duì)重金屬本身污染屬性,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法側(cè)重于生態(tài)污染屬性,健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估則側(cè)重于重金屬對(duì)人體健康的危害程度,與人體接觸重金屬的途徑和重金屬元素對(duì)人體健康的影響強(qiáng)弱緊密相關(guān)。
1)社區(qū)花園存在較為明顯的重金屬污染。浙江杭州市臨安區(qū)社區(qū)花園土壤重金屬Cu、Zn、Cd、Ni、As平均濃度超出杭州市背景值。超過(guò)80%的社區(qū)花園存在重金屬污染,其中37%的地區(qū)呈現(xiàn)中度或重度污染。研究地96.77%處于輕微風(fēng)險(xiǎn),3.23%處于中等風(fēng)險(xiǎn)。
2)社區(qū)花園的重金屬污染與人為活動(dòng)息息相關(guān),且具有一定空間分布規(guī)律。研究區(qū)東部重金屬污染高于西部。研究區(qū)Cd、Cu、Ni、Zn污染源主要為農(nóng)業(yè)活動(dòng)和交通污染,集中于東部地區(qū);Cr、Pb主要源于土壤母質(zhì);As受西部居住人群生活習(xí)慣的影響,主要來(lái)源于生活污染。
3)社區(qū)花園受人為活動(dòng)影響而可能存在的重金屬會(huì)對(duì)人體造成一定健康影響。研究區(qū)西部健康風(fēng)險(xiǎn)程度高于東部地區(qū)。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)污染以Cd和As為代表,主要為輕微風(fēng)險(xiǎn),不會(huì)對(duì)生物產(chǎn)生嚴(yán)重的毒害情況,但As、Cr、Ni非致癌指標(biāo)已超出風(fēng)險(xiǎn)值,其致癌指標(biāo)臨近風(fēng)險(xiǎn)值,或引起人體健康風(fēng)險(xiǎn)。因此,根據(jù)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果,應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)較高和人體健康危害較大的區(qū)域與重金屬著重治理。