吳才華 ，張曉勉，謝長(zhǎng)明，岳春雷，李賀鵬，王 珺，徐 康

（1.臺(tái)州市路橋區(qū)林特總站，浙江 臺(tái)州 318050；2.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310023）

重金屬作為非生物降解型污染物，在環(huán)境系統(tǒng)中所產(chǎn)生的污染具有隱蔽性、長(zhǎng)期性和不可降解性等特點(diǎn)，而且重金屬易通過(guò)食物鏈在動(dòng)植物體內(nèi)積累，對(duì)生物和人體健康造成威脅，是自然環(huán)境中潛在的生態(tài)危害[1-5]。20 世紀(jì)以來(lái)，隨著電子信息等高科技產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，電子技術(shù)的更新不斷加快，全球越來(lái)越多的廢舊電子和電器設(shè)備被淘汰。電子廢物中含有大量的銅、鎳、鉛、鎘等重金屬，電子廢物的拆解回收可以帶來(lái)廉價(jià)的原材料和豐厚的利潤(rùn)。但是電子廢物不合理的處理方式，導(dǎo)致有害重金屬進(jìn)入環(huán)境，對(duì)人類(lèi)的身體健康和自然環(huán)境造成嚴(yán)重的危害[4-7]。

近年興起的植物修復(fù)技術(shù)（phytoremediation）是一種綠色環(huán)保的重金屬污染土壤原位修復(fù)技術(shù)，能在不破壞土壤生態(tài)環(huán)境的情況下，修復(fù)被污染的土壤[4,7-8]。運(yùn)用城市園林綠化植物作為特色植物進(jìn)行土壤重金屬修復(fù)，已成為當(dāng)前土壤重金屬污染修復(fù)的研究熱點(diǎn)[8-11]。而利用重金屬污染土地培育重金屬積累能力強(qiáng)的園林綠化苗木，既能逐步吸收土壤中的重金屬元素又可以產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益還能美化環(huán)境，為重金屬污染土壤安全利用提供了新模式和新嘗試。本文選擇浙江省臺(tái)州市路橋區(qū)峰江街道重金屬污染區(qū)域，通過(guò)對(duì)主要園林綠化類(lèi)型土壤重金屬污染情況對(duì)比研究，以期為園林植物在重金屬污染土壤修復(fù)及安全利用等方面提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

浙江省臺(tái)州市路橋區(qū)位于溫黃平原東南側(cè)，背山面海，丘陵平原相間，區(qū)內(nèi)河道縱橫，湖塘密布，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，冬夏盛行風(fēng)向分別為西北風(fēng)和東南風(fēng)，光照適宜，年平均氣溫為16.1℃，雨水充足，年降水量為1 441.9 mm。臺(tái)州市路橋區(qū)峰江街道再生金屬園曾是我國(guó)最大的電子廢物拆解基地，于20 世紀(jì)70年代建廠，2015年前后關(guān)閉，存在將近50年，園區(qū)總占地107 hm2，包括園區(qū)周邊小手工作坊，總占地面積達(dá)到10 km2。由于粗放的拆解工藝和小作坊的手工操作，使得電子廢物中Cd，Cu，Pb，Zn 等重金屬污染物及化學(xué)污染物得不到有效處理，拆解電子垃圾產(chǎn)生的殘?jiān)?、污水?jīng)過(guò)污灌、渣堆等途徑進(jìn)入周?chē)笃霓r(nóng)田和水域，造成嚴(yán)重污染[10,12]。

1.2 樣品采集及分析

選擇路橋區(qū)峰江街道分布比較廣和比較有代表性的苗圃地、拆解園區(qū)（2015年已搬遷廢棄）綠化帶、拆解廠（2015年已搬遷廢棄）內(nèi)綠化帶、城鎮(zhèn)建成區(qū)道路綠化帶4種綠化類(lèi)型，采集各綠化類(lèi)型土壤為研究對(duì)象。在峰江街道建成區(qū)及周邊按4種不同綠化類(lèi)型選擇種植年代相近（2010年左右種植）的樣地12個(gè)（表1），每個(gè)綠化類(lèi)型選擇3個(gè)，各樣地喬木間距（3～5）m×（3～5）m，灌木間距（0.5～1）m×（0.5～1）m。2018年4 月，在每個(gè)樣地以1.5 m 距離為半徑，采取多點(diǎn)（4～5個(gè)）采集表層（0～20 cm）土壤混合樣品，每個(gè)樣地采集到混合樣品運(yùn)用四分法得到土壤樣品1 kg，共采集土壤混合樣品12個(gè)。以每個(gè)綠化類(lèi)型對(duì)應(yīng)的3個(gè)樣地土壤重金屬數(shù)據(jù)平均值為該綠化類(lèi)型土壤重金屬含量分析計(jì)算依據(jù)。土壤樣品風(fēng)干后磨碎，分別過(guò)20 目篩、100目塑料篩，備用[13]。

表1 采樣點(diǎn)主要植物及坐標(biāo)Table 1 Main plants and locations of samples

土壤中Cu，Zn，Pb，Cd 全量測(cè)定采用鹽酸（HCl）—硝酸（HNO3）—?dú)浞幔℉F）—高氯酸（HClO4）全分解法，其中Cu 和Zn 采用火焰法測(cè)定含量（HJ491-2009，GB/T17138-1997），Pb 和Cd 采用石墨爐法測(cè)定含量（GB／T17141－1997）。土壤pH 測(cè)定采用玻璃電極法測(cè)定（土水質(zhì)量比為1.0:2.5）[14-15]。

1.3 評(píng)價(jià)方法

1.3.1 單因子污染指數(shù)法

單因子污染指數(shù)法計(jì)算公式為：

式中，Pi為土壤中重金屬i 的單項(xiàng)污染指數(shù)；Ci為土壤中重金屬i 的質(zhì)量濃度，mg·kg-1；Si為重金屬i 的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[16-17]；下同。本研究以溫黃平原土壤重金屬環(huán)境背景上限值[10]為計(jì)算基準(zhǔn)（表2），按公式（1）計(jì)算4種重金屬的單因子污染指數(shù)。

本研究以國(guó)家《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618-1995）[18]二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作為參比值，對(duì)重金屬污染濃度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表2 相關(guān)土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 The standards for evaluating the pollution of soil environmental quality

1.3.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法是在單因子指數(shù)法基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，是目前國(guó)內(nèi)外進(jìn)行綜合污染評(píng)價(jià)比較常用的方法之一。利用該方法不僅可以得出重金屬的綜合污染狀況，還可以得到單項(xiàng)重金屬因子的污染狀況。另外，該方法是兼顧極值或突出最大值的計(jì)權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量評(píng)級(jí)方法，能夠較全面地評(píng)價(jià)重金屬的污染程度，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)（P綜）的計(jì)算公式[19-20]為：

式中，（Ci/Si）max為土壤中污染指數(shù)的最大值；（Ci/Si）ave為單項(xiàng)污染指數(shù)的算術(shù)平均值。本研究以溫黃平原土壤重金屬環(huán)境背景上限值[10]為計(jì)算基準(zhǔn)，按公式（2）計(jì)算4種重金屬的綜合污染指數(shù)。表3 為重金屬污染指數(shù)與污染程度的關(guān)系。

表3 污染指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 The standards for evaluating the pollution index

1.3.3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)法

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法（the potential ecological risk index）同時(shí)考慮了土壤中金屬濃度、金屬污染物的種類(lèi)、金屬毒性水平和水體對(duì)金屬污染的敏感性四個(gè)影響因素，目前有較多的學(xué)者采用該方法進(jìn)行土壤中重金屬的生態(tài)危害評(píng)價(jià)[20-21]，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）計(jì)算公式如下：

式中，Ei為重金屬i 的潛在生態(tài)危害系數(shù)；為土壤中重金屬i 的實(shí)測(cè)值；為重金屬i 的參數(shù)值；Ti為重金屬i 的毒性系數(shù)（Cd：30；Cu：5；Pb：5；Zn：1）。根據(jù)公式（3）計(jì)算土壤中重金屬的生態(tài)危害指數(shù)，結(jié)合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（表4）進(jìn)行危害程度分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007，SPSS 21.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

表4 潛在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 4 The standards for evaluating the potential ecological risk

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬含量統(tǒng)計(jì)分析

由4種綠化類(lèi)型表層土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（圖1）可以看出，4種綠化類(lèi)型表層土壤中Cu，Zn，Pb，Cd 平均含量分別為594.57 mg·kg-1，717.92 mg·kg-1，692.90 mg·kg-1，4.18 mg·kg-1，均高于溫黃平原土壤重金屬環(huán)境背景上限值[10]和國(guó)家《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618—1995）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[18]（4種綠化類(lèi)型表層土壤pH 均小于6.5）。通過(guò)對(duì)4種綠化類(lèi)型表層土壤4種重金屬元素含量的分析，可以看出研究區(qū)主要綠化類(lèi)型土壤已經(jīng)受到重金屬污染，污染程度排序?yàn)镃d 最嚴(yán)重，其次為Cu，Pb，Zn。從空間差異看，土壤中Cu，Zn，Pb，Cd 的變異系數(shù)分別為0.88，0.85，0.80，0.83，均大于0.8，表明4種重金屬元素空間分布上存在較大差異，受到人類(lèi)活動(dòng)干擾明顯。

2.2 重金屬元素相關(guān)性分析

相關(guān)性研究可以用來(lái)分析污染重金屬元素之間的相關(guān)性和來(lái)源異同，推斷沉積物中重金屬污染元素含量變化的影響因素[22]。對(duì)研究區(qū)不同綠化類(lèi)型土壤中各重金屬元素作Pearson 相關(guān)性分析，相關(guān)性系數(shù)和顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。由表5 可知，4種重金屬元素中，Cu 和Pb，Cu 和Cd 之間相關(guān)性達(dá)到極顯著水平（P＜0.01）；Cu 和Zn，Zn 和Pb，Zn 和Cd，Pb 和Cd 之間相關(guān)性達(dá)到了顯著相關(guān)水平（P＜0.05）。研究區(qū)4種綠化類(lèi)型表層土壤中Cu，Zn，Pb，Cd 之間存在極強(qiáng)的線性關(guān)系，說(shuō)明它們之間具有相當(dāng)程度的同源特征，來(lái)自同一污染源的概率很大。有研究表明[23]，土壤沉積物中Cu，Pb，Zn，Cd 含量除受沉積母質(zhì)“自然源”的影響外，更主要是受人為因素“人為源”的影響，路橋重金屬污染與地質(zhì)背景無(wú)必然聯(lián)系，與土壤地質(zhì)環(huán)境有一定關(guān)系，但主要由人為污染引起，特別與電子廢棄物的不規(guī)范處置關(guān)系密切。

圖1 不同綠化類(lèi)型土壤重金屬含量Figure 1 Heavy metal content of different greening types

表5 不同綠化類(lèi)型土壤重金屬元素相關(guān)系數(shù)Table 5 Relevance coefficient

2.3 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

2.3.1 單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià) 計(jì)算4種重金屬單因子污染指數(shù)（表6）可以看出，Cu，Zn，Pb，Cd 單因子污染指數(shù)范圍分別為1.22～29.55，1.12～11.07，1.07～31.28，2.24～35.20，平均值分別為14.16，5.79，16.34，18.01，4種重金屬單因子污染指數(shù)平均值都大于3，說(shuō)明4種重金屬單因子污染都達(dá)到了重度水平，按平均值大小排序?yàn)镃d>Pb>Cu>Zn。

從不同綠化類(lèi)型來(lái)看，苗圃地Cu，Zn，Pb 單因子污染指數(shù)均小于2，處于輕微污染水平；Cd 單因子污染指數(shù)介于2～3 之間，處于中度污染水平。城鎮(zhèn)建成區(qū)道路綠化帶Cu，Pb，Cd 單因子污染指數(shù)均大于3，為重度污染，Zn 單因子污染指數(shù)處于2～3 之間，為中度污染水平。拆解廠內(nèi)綠化帶和拆解園區(qū)道路綠化帶Cu，Zn，Pb，Cd 單因子污染均指數(shù)大于3，為重度污染水平。

2.3.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià) 由研究區(qū)不同綠化類(lèi)型內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)（圖2）可以看出，4種綠化類(lèi)型表層土壤重金屬P綜差別較大，4種綠化類(lèi)型土壤中4種重金屬P綜分別為1.87，9.76，31.27，22.06，其中苗圃地P綜介于1～2 之間，處于輕微污染等級(jí)；城鎮(zhèn)建成區(qū)道路綠化帶、拆解園區(qū)道路綠化帶和拆解廠內(nèi)綠化帶土壤4種重金屬P綜都大于3，處于重度污染等級(jí)。

表6 單因子污染指數(shù)Table 6 Single factor pollution index

2.4 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析

潛在生態(tài)危害指數(shù)法引入了毒性因子，彌補(bǔ)了內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法未考慮評(píng)價(jià)因子對(duì)人類(lèi)和生態(tài)環(huán)境的實(shí)際危害性等缺點(diǎn)，使評(píng)價(jià)更側(cè)重于毒理方面，目前有較多的學(xué)者采用該方法進(jìn)行土壤重金屬生態(tài)危害評(píng)價(jià)[10,19-20]。通過(guò)計(jì)算4種重金屬平均Ei可以看出（圖3 中“E”柱），Cu，Zn，Pb，Cd 平均潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)（Ei）分別為70.78，5.79，81.71，540.43，其中Cd 平均Ei達(dá)到極強(qiáng)的風(fēng)險(xiǎn)水平，Pb 達(dá)到強(qiáng)的風(fēng)險(xiǎn)水平，Cu達(dá)到中等風(fēng)險(xiǎn)水平，Zn 為輕微的風(fēng)險(xiǎn)水平。Zn 由于其毒性系數(shù)相對(duì)較低，雖然超標(biāo)率較高，但整體造成的生態(tài)危害并不大。

圖2 不同綠化類(lèi)型內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)Figure 2 Nemerow comprehensive pollution index for different greening types

圖3 不同綠化類(lèi)型RIFigure 3 Potential ecological risk index (RI) for different greening types

通過(guò)計(jì)算不同綠化類(lèi)型土壤重金屬的RI 可以看出（圖3），4種綠化類(lèi)型表層土壤重金屬的RI 差別較大，其中苗圃地土壤4種重金屬RI 為79.81，處于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平；城鎮(zhèn)建成區(qū)道路綠化帶土壤4種重金屬RI為381.30，處于強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平；拆解園區(qū)道路綠化帶和拆解廠內(nèi)綠化帶土壤4種重金屬RI 分別為962.39和1 242.03，均處于很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。綜合RI 和P綜可以看出，兩者評(píng)價(jià)結(jié)論基本相符，但RI 比P綜評(píng)價(jià)分級(jí)更為詳細(xì)。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

（1）研究區(qū)4種綠化類(lèi)型表層土壤中Cu，Zn，Pb，Cd 平均含量與國(guó)家《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618—1995）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)相比已超標(biāo)。相關(guān)分析表明4種重金屬元素之間具有相當(dāng)程度的同源特征，主要由人為污染引起，特別與電子廢棄物的不規(guī)范處置關(guān)系密切。

（2）內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)表明，苗圃地處于輕微污染等級(jí)，城鎮(zhèn)建成區(qū)道路綠化帶、拆解園區(qū)道路綠化帶和拆解廠內(nèi)綠化帶土壤4種重金屬綜合污染指數(shù)均處于重度污染等級(jí)。

（3）從不同綠化類(lèi)型土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)可以看出，苗圃地處于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平，城鎮(zhèn)建成區(qū)道路綠化帶處于強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平，拆解園區(qū)道路綠化帶和拆解廠內(nèi)綠化帶均處于很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。

3.2 討論

研究表明[10,24]，土壤重金屬污染擴(kuò)散途徑主要有電子廢棄物拆解產(chǎn)生的粉塵與焚燒產(chǎn)生的飛灰隨大氣沉降產(chǎn)生的污染和電子廢棄物拆解點(diǎn)經(jīng)雨水沖刷、淋溶下滲、地表徑流造成的污染兩個(gè)途徑。研究區(qū)4種綠化類(lèi)型土壤中Cu，Zn，Pb，Cd 存在的不同程度污染，除各樣地自身植物、土壤等因素外，從污染擴(kuò)散途徑角度可以解釋為城鎮(zhèn)建成區(qū)道路綠化帶、拆解廠內(nèi)綠化帶、拆解園區(qū)道路綠化帶距離污染源較近，受飛灰、雨水沖刷、地表徑流污染較重；特別是拆解廠內(nèi)由于焚燒、酸洗等作業(yè)方式使重金屬干濕沉降進(jìn)入廠區(qū)土壤更為直接；拆解園區(qū)道路綠化帶除受整個(gè)園區(qū)拆解作業(yè)大環(huán)境導(dǎo)致的重金屬干濕沉降外，還受到園區(qū)內(nèi)大量運(yùn)輸電子廢棄物的載重車(chē)輛尾氣及含有大量重金屬污染物的道路飛灰影響；城鎮(zhèn)建成區(qū)道路綠化帶與拆解園區(qū)道路綠化帶所受重金屬污染途徑基本相同。苗圃地距拆解污染源相對(duì)較遠(yuǎn)，污染途徑主要為零星廢渣堆積導(dǎo)致的雨水沖刷、淋溶下滲、地表徑流等，研究表明[23]焚燒和酸洗導(dǎo)致的重金屬干濕沉降對(duì)土壤環(huán)境的影響明顯大于廢渣經(jīng)雨水淋溶下滲等方式造成的影響，故苗圃地整體污染較輕。苗圃地Cd 單因子污染指數(shù)比Cu，Zn，Pb 較重，處于中度污染水平，部分原因可能為Cd 一般作為使用農(nóng)藥和化肥等農(nóng)藥活動(dòng)的標(biāo)識(shí)元素[19]，苗圃地以前為農(nóng)地，之前種植農(nóng)作物以及之后開(kāi)展苗木生產(chǎn)過(guò)程中施肥、施農(nóng)藥等措施導(dǎo)致了土壤中Cd 含量較高。

研究表明[7,25-28]，土壤重金屬植物修復(fù)技術(shù)與物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)相比具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，植物修復(fù)土壤重金屬分為兩種，一種是種植重金屬超富集植物，另一種是種植非重金屬富集植物，園林植物多數(shù)為非重金屬富集植物，但具有生物量大、根系發(fā)達(dá)等優(yōu)勢(shì)，不同園林植物均具有修復(fù)重金屬污染土壤的潛力，在修復(fù)城市土壤重金屬污染方面有著特殊意義，具有良好的推廣和應(yīng)用價(jià)值。研究區(qū)的苗圃地以前大部分為遭受重金屬污染的農(nóng)地，為實(shí)現(xiàn)重金屬污染土壤的安全利用，當(dāng)?shù)夭捎媒ㄔO(shè)苗圃開(kāi)展園林綠化苗木生產(chǎn)的模式，目前該模式已成為當(dāng)?shù)孛娣e最大、采用最廣、綜合效益最高的重金屬污染土壤安全利用模式。相關(guān)研究也表明[27-28]，利用污染土地種植園林綠化苗木與物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)等措施相比，在治理效果的永久性、治理過(guò)程的原位性、治理成本的低廉性、環(huán)境美學(xué)的兼容性、后期處理的簡(jiǎn)易性等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)；利用污染土地種植園林綠化觀賞苗木，不會(huì)進(jìn)行食物鏈的傳遞積累，減少了對(duì)人體的危害[26]，是一種相對(duì)比較安全的重金屬污染土壤利用模式。