广州市城市森林土壤重金属污染状况及其评价.doc

潘勇军等：广州市城市森林土壤重金属污染状况及其评价 215广州市城市森林土壤重金属污染状况及其评价潘勇军1，陈步峰1，肖以华1，吴敏2，史欣1，徐猛11. 中国林业科学研究院热带林业研究所, 广东 广州 510520；2. 广州市林业局, 广东 广州510030摘要：城市森林土壤能储淤城市环境中的重金属污染元素，影响土壤环境质量。文章对广州市的城市森林区域中土壤重金属的污染状况进行研究，应用单项污染元素指数和综合污染指数对广州市城市森林土壤进行环境质量评价，结果表明：广州市机场高速林带林区土壤中As、Pb、Cd三重金属污染元素超标，广深铁路林带林区土壤中Cd重金属元素超标, 其他各林区严格控制环境重金属污染物未超标；帽峰山森林公园土壤重金属综合污染指数最低，表明森林群落对重金属污染元素的消减作用明显。土壤酶活性可以表征森林土壤中重金属污染状况，森林土壤中As、Cu、Zn含量与过氧化氢酶活性呈显著负相关性；对可能影响城市森林土壤重金属含量因素的10个因子进行主成分分析，建立了城市森林土壤环境质量评价综合模型。关键词：城市森林土壤；重金属；土壤环境质量；土壤酶；主成分分析中图分类号：X173 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2008）01-0210-06土壤具有生产植物产品与净化污染物质的双重特殊功能，土壤中存在着大量有机、无机胶体，活的微生物和土壤动物，进入土壤的污染物质通过土壤物理、化学和生物等过程，可不断被吸附、分解、转化和迁移，而使土壤具有一定的净化能力，是一个良好的“活性过滤器”。但土壤环境的净化能力是有限的，当进入土壤环境污染物质的数量与速度超过它的净化能力或土壤环境容量时，土壤遭受污染的同时亦失去“净化器”的作用，并将要影响植物产品的质量与数量。自20世纪中期，随着现代工业的迅速发展，城市化趋势日益加剧，由此出现的城市重金属环境污染问题逐渐成为人类关注的焦点。城市森林作为城市生态系统的重要组成部分，对城市生态环境的改善起着举足轻重的作用，城市森林作为城市生态系统中最具有生命力的结构单元，是重金属污染物的巨大储存库，储存环境中大约90的来自各方面的重金属污染物质。广州市城市化和经济发展迅速，工业化废气、废电器及生活垃圾废弃、重金属污染等区域环境负荷日趋严峻，土壤重金属污染已是经济社会与环境协调发展凸现的生态问题。目前，人们仅对与生活息息相关的农业用地土壤重金属的环境质量评价及重金属的生物有效性关注较多，而认为城市森林土壤重金属污染状况对人类生活影响不大，对城市森林土壤重金属污染的环境质量评价研究较少1、2。本文研究了广州市6处城市森林区域样地土壤中重金属的污染状况，利用土壤重金属元素污染指数对广州市城市森林土壤进行了环境质量评价，对可能影响土壤重金属污染的因素如土壤酶活性、土壤理化性质等进行分析，旨在摸清广州市城市森林土壤中重金属含量状况及其污染程度，影响土壤质量的因素，为比较城市林业用地与农业用地土壤重金属污染提供基础数据，为解决城市环境重金属污染，尤其是利用城市森林处理城市废弃物，修复污染土壤的和改良土壤环境质量提供新的思路。1 研究区域概况广州市位于广东省中部，地理位置为北纬230224232553，东经11308361133452之间，地处南亚热带，属南亚热带典型的季风海洋气候，冬暖夏凉，雨量充沛。年平均气温为21.8 ，夏季长达67个月，最热月(7月)平均气温28.4 ，最冷月(1月)平均气温13.3 ，年平均降雨量为1700 mm，49月为雨季，占全年降雨量的80%，其中6月最多，超过280 mm。帽峰山森林公园原生植被为南亚热带季风常绿阔叶林，现为人工植被和天然次生植被的混合体，已形成针阔混交林、阔叶混交林和南亚热带季风常绿阔叶林。其余均为近几年营造的“青山绿地”工程林带林区，林木生长旺盛，主要树种有尾叶桉(Eucalyptus urophylla)、高山榕(Ficus altissima)、海南蒲桃(Syzygium umini)、海南红豆(Ormosia pinnata)、人面子(Dracontomelin dao)、细叶榕(Ficus microcarpa)、红花羊蹄甲(Bauhinia blakeana)、海芒果(Cerbra manghas)、印度紫檀(Pterocarpus indicus)等，平均胸径9.3 cm、平均高5.9 m；林下灌木平均高3.2 m、草本0.56 m，初步形成林带森林群落林分。2 研究方法2.1 土壤重金属元素分析方法 在每个样地内多点(3个)分层(020 cm、2040 cm、4060 cm、6080 cm、80 cm以下)采集土样，土壤被带回实验室按四分法缩分再经风干，磨细过100目筛后装瓶备测。土壤经浓硝酸氢氟酸高氯酸加热消化，冷却后再用盐酸溶解定容的方法进行前处理。有机C：重铬酸钾-硫酸消化法测定；全N：半微量凯氏测定；全P：高氯酸硫酸溶液钼抗比色法测定；重金属元素Cu、Zn、Pb、Cd用原子吸收光度法测定；As 用二乙基二硫代氨基甲酸银比色法测定。2.2 森林土壤重金属污染状况评价方法本文采用单因子污染指数与综合污染指数表征方法来评价森林土壤重金属的污染程度。单因子污染指数采用如下公式3：Ci/C 0 Ci C1Pi = 1 + (Ci - C1)/(C2 - C1) C1 C i C22 + (Ci - C2)/(C3 - C2) C2 C i C3式中Pi第i 种污染物的单因子指数；Ci第i 种污染物的测定值; C1、C2、C3分别为国家土壤环境质量标准中的一级、二级和三级标准值。综合污染指数采用内梅罗综合指数法：式中P综合评价指数；Pi第i 种污染物的单因子指数；Pimax最严重污染物的单因子指数。2.3 土壤酶活性的测定方法 土壤酶活性的测定：酸性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法测定；过氧化氢酶活性采用KMnO4滴定；脲酶采用扩散滴定法测定；蛋白酶活性采用茚三酮比色法测定；转化酶活性以0.1N的Na2S2O3滴定法测定；脱氢酶活性采用三苯基甲比色法4-5。表1 广州市城市森林土壤重金属含量描述性统计Table 1 Descriptive statistics of heavy metal concentration in the soils of urban forest in Guangzhou样地w(As)/(mgkg-1)w(Cu)/(mgkg-1)w(Zn)/(mgkg-1)w(Pb)/(mgkg-1)w(Cd)/(mgkg-1)平均值标准差变异系数平均值标准差变异系数平均值标准差变异系数平均值标准差变异系数平均值标准差变异系数JC117.83.830.2213.482.2060.1672.966.260.0942.3660.040.49JC2226.040.2713.781.540.1178.523.130.2939.6214.440.360.820.020.43MFS2.630.1840.076.992.250.3232.959.910.33.8583.340.870.1350.493.63GC2.830.7530.2673.471.940.6032.2215.10.478.9447.70.860.1420.030.21GS3.911.650.4228.123.820.4720.379.180.451.1230.260.230.2880.0660.23JS3.390.3450.1029.492.440.2631.2920.270.210.1440.1981.383 研究结果与分析3.1 城市森林土壤重金属污染状况森林土壤是环境重金属污染物的巨大储存库，通过土壤胶体吸附、络合和沉淀作用，以及土壤微粒的交换和机械截留作用，对重金属污染物起到净化和缓冲功能，储存环境中大约90%的来自各方面的重金属污染物质。森林土壤对重金属的缓冲性包括系统本身对污染物的自净能力，反映了重金属元素进入土壤后，与系统中生物和非生物间的关系及其有效性6。珠江三角洲地区城市工业发达，重金属污染严重，城市森林土壤对环境中重金属吸附与储淤作用尤为重要。广州市城市森林6处样地土壤中重金属污染状况见表1，森林土壤中As含量最高的是JC1（机场高速公路林带）、JC2样地（机场高速公路对照菜地）达17.8 mgkg-1、22 mgkg-1，最低是MFS样地（帽峰山）为2.63 mgkg-1。其他Cu、Zn、Pb、Cd元素也是JC1、JC2样地（机场高速公路林带）含量最高。GC样地（广从公路林带）Cu含量最低为3.47 mgkg-1、JS样地（金山大道林带）Zn含量最低为18.12 mgkg-1、GS样地（广深铁路林带）Pb含量最低为1.123 mgkg-1；MFS样地（帽峰山森林公园）Cd含量最低为0.135 mgkg-1。各样地土壤中Cd元素含量变异系数最大，高达363和138，其次是Pb，为87和86，Cu和As的变异系数较小。在所研究的区域内，As元素的变异系数最大，其次是Pb，Cu元素的变异系数最小。森林土壤中重金属元素的含量与土壤的立地条件有很大关系，不同的研究区域土壤重金属元素的差异大。3.2 城市森林土壤污染评价模式广州市城市森林土壤重金属污染评价，在土壤单项指数评价基础上采用内梅罗污染指数评价某样地土壤综合污染，使用国家土壤环境质量标准来评价土壤环境质量。与其他综合评价法相比，内梅罗综合指数法突出了最大的污染物对环境质量的影响和作用。通过单因子污染指数和内梅罗指数法进行计算，6个采样点的评价结果见表2。表4 重金属污染元素与土壤养分间相关关系Table 4 The correlation between the soil nutrient and the contents heavy metals in forest soil元素NPKCSpHAs-0.2240.3240.542*0.3560.3340.857*Cu0.0410.572*0.766*0.1360.4930.843*Zn-0.1180.3340.527*0.2820.1830.852*Pb-0.1170.3770.619*0.2820.0580.835*Cd0.912*-0.0320.2580.948*0.114-0.369注：N=16 *. Correlation is significant at the 0.05 level (2-tailed). *. Correlation is significant at the 0.01 level (2-tailed).按元素污染指数的大小划分污染等级，作为土壤污染评价的客观依据，即可按各单因子污染物的分指数（P）的大小顺序排列，区分各污染物的影响和污染程度7。比较重金属单因子污染指数可以看出，JC1、JC2号样地As、Pb、Cd的单污染物指数大于1，该重金属元素超标。GS样地Cd元素超标，其余样地的重金属元素均小于1，严格控制环境重金属污染物未超标。从综合污染指数可以看出JC2号样地污染最严重，其次是JC1号样地，帽峰山森林公园综合污染指数最低。JC1、JC2号样地毗邻机场高速公路，车流量大，每分钟达43辆，汽车尾气是土壤中As、Pb、Cd污染元素的重要来源8。JC1号样地为林区土壤，JC2号样地为对照区菜地土壤，土壤重金属污染较林区土壤严重。用评价模式对土壤环境质量进行评价的结果是一些定量的综合质量指数，为了给这些定量的数字赋予环境质量状况的实际含义，必须进行土壤环境质量的分级，一般根据综合质量指数P值划分质量等级9： 参照夏增禄等污染物污染等级的划分方法，结合该地区土壤重金属的含量水平，确定污染等级划分标准10，见表3。通过对各样地重金属综合污染评价，MFS、GC、JS样地重金属综合污染指数小于0.6，表明该地区未受到污染。GS三样地重金属综合污染指数大于1，该地重金属污染处于轻度污染水平；JC1样地重金属综合污染指数为1.81，为中度污染水平，JC2号样地为污灌区农田蔬菜种植区，重金属污染指数最高为2.20，属于重度污染水平。表3 珠江三角洲森林土壤重金属污染等级划分标准Table 3 The Classification standards for the heavy metalof forest soil in Pearl River Delta污染指数污染等级污染指数污染等级3.0严重污染水土污染是珠三角经济区目前影响较大的环境地质问题，广州市对近郊的污灌区进行调查表明土壤中Cd、Pb、Hg、Zn等重金属含量均超过广东省土壤背景值，Cd含量平均达2.1 mgkg-1，最严重的达640 mgkg-111, 12。本研究是对广州市城市森林土壤中重金属污染状况进行研究评价，表明森林群落对重金属污染元素的消减作用明显，森林土壤中重金属的污染状况要优于农业土壤，从而思考城市污灌区土壤的处理是否可以应用造林来代替种植蔬菜等生产方式。表2 森林土壤重金属污染指数Table 2 The pollution indices of heavy metals in forest soil样地As污染指数Cu污染指数Zn污染指数Pb污染指数Cd污染指数综合污染指数JC11.110.390.731.032.231.81JC21.280.390.791.022.742.20MFS30.110.680.54GC20.260.710.57GS0.231.881.463.4 城市森林土壤养分与重金属元素的关系土壤中的养分元素与重金属元素存在相关性，城市森林土壤有机质对重金属元素具有络合作用，有机质含量越高，对重金属络合作用越强，吸附的重金属也越多。通过对城市土壤养分元素和重金属污染元素进行相关分析，从表4可以看出，土壤中As、Cu、Zn、Pb含量与土壤中pH值呈显著正相关性，土壤中重金属含量通常受土壤酸碱性的影响很大，一方面随着pH升高，可增加土壤表面负电荷对重金属离子的吸附；另一方面则生成沉淀，使其重金属有效态逐渐降低13。森林土壤中重金属与K含量呈正相关性。Cd含量与土壤C、N呈显著正相关性，Cu含量与土壤中P含量呈正相关性。土壤中有机肥（N、P、K）不仅可以改善土壤的理化性质，而且可以影响重金属在土壤中的形态及植物对其的吸收，由于有机肥中大量的官能团的存在，可促进土壤中的重金属离子与其形成重金属有机络合物，森林土壤中有机质含量高，增加了土壤对重金属的吸附能力，提高土壤对重金属的缓冲性，从而减少植物对其的吸收，阻碍重金属进入食物链14。3.5 城市森林土壤重金属污染元素与土壤酶活性的相关性3.5.1 城市森林土壤重金属污染元素与土壤酶活性相关性分析土壤中产生专一生物化学反应的生物催化剂，土壤酶一般吸附在土壤胶体表面或呈复合体存在，部分存在于土壤溶液中，而以测定各种酶的活性来表征。土壤酶是土壤营养物质转化和能量代谢的重要参与者15。土壤酶的活性大致反映了某一种土壤生态状况下生物化学过程的相对强度；测定相应酶的活性，可以间接了解某种物质在土壤中的转化情况。土壤酶类对重金属的抑制或激活作用比较敏感，土壤酶活性可作为土壤污染的重要生物活性指标16。表5 重金属污染元素与土壤酶活性相关关系Table 5 The correlation between the soil enzyme activities and the contents of heavy metals in forest soil元素蛋白酶转化酶酸性磷酸酶过氧化氢酶脲酶As-0.024-0.574*-0.170-0.828*-0.480Cu0.259-0.261-0.03-0.625*-0.265Zn0.051-0.443-0.011-0.756*-0.318Pb0.039-0.464-0.020-0.725-0.426Cd0.0800.119-0.0720.3150.443注：N=16 *. Correlation is significant at the 0.05 level(2-tailed). *. Correlation is significant at the 0.01 level(2-tailed).森林土壤中重金属污染元素含量与土壤酶活性有密切关系，森林土壤中As、Cu、Zn含量与土壤中过氧化氢酶活性呈显著的负相关性，与脲酶、酸性磷酸酶呈负相关性，仅与蛋白酶呈正相关性，但相关性不大，见表5。土壤中过量的重金属强烈的抑制土壤过氧化氢酶的活性，表明土壤过氧化氢酶活性可以灵敏的反映土壤重金属污染状况17，可以表征森林土壤中As、Cu、Zn污染状况的一个指标。重金属在土壤中的积累，能全部或部分抑制许多生化反应，改变反应方向和速度，从而破坏土壤原有的有机物或无机物所固有的化学平衡和转化18。土壤酶活性对土壤重金属反映比较敏感，Pb、As、Cu、Zn对土壤酶活性有一定程度的抑制作用，本研究中发现土壤重金属对土壤中的过氧化氢酶的抑制作用较大，呈显著负相关性。造成重金属对土壤酶活性的抑制作用机理，可能与酶活性分子中的活性部位巯基和含咪唑的配体等结合，形成较稳定的络合物，产生了与底物的竞争性抑制作用有关或者可能由于重金属抑制了土壤中微生物的生长繁殖，减少微生物体内酶的合成和分泌量最终导致土壤酶活性降低4,15。酶体作为蛋白质，需要一定量的重金属离子作为辅基，此时重金属能促进酶活体中心与底物间的配位结合，使酶分子与其活性中心保持一定的专性结构，改变酶催化反应的平衡性质和酶蛋白的表面电荷，从而可增强土壤脲酶酶活性，即可以表现出一定的激活作用19。3.6 城市森林土壤环境污染因素分析土壤环境质量是各种彼此相关的环境因素综合作用的结果，具有多元函数关系，对土壤环境质量变化有的是直接的，有的是间接的。对森林土壤中监测的10个因子，利用spss软件对数据进行主成分分析，寻求对森林土壤进行环境质量评价模型20。遵循主成分个数提取原则即主成分对应的特征值大于1的前m个主成分提取3个主成分。通过表（初始因子载荷矩阵）可以看出pH、P、As、Cu、Zn、Pb在第一主成分上有较高载荷，说明第一主成分基本反映了这些指标的信息；N、C、Cd在第二主成分上有较高载荷，说明第二主成分基本反映了土壤中N、C、Cd的信息；K在第三主成分上有较高载荷。所以提取三个主成分可以反映全部指标的信息。用主成分载荷矩阵中的数据除以主成分相对应的特征值开平方根便得到三个主成分中每个指标所对应的系数，就可以得出主成分表达式：表6 森林土壤重金属污染评价主成分分析结果Table 6 The results of the principal component analysis for the evaluation of heavy metal contamination元素主成分123pH0.6110.133-0.686TN0.3320.7930.494TP0.6840.338-0.330TK-0.540-0.2640.659TOC0.08580.8680.468As0.904-0.2300.124Cu0.811-0.06820.07465Zn0.883-0.1650.321Pb0.896-0.1930.249Cd-0.2940.718-0.398 以每个主成分所对应的特征值占所提取主成分总的特征值之和的比例作为权重计算主成分综合模型：得出主成分综合模型：根据主成分综合模型即可计算综合主成分值，并对其按综合主成分值进行排序，即可对各地区森林土壤环境质量进行综合评价比较。4 结论应用单因子污染指数法和综合污染指数法对广州市城市森林土壤重金属污染进行分析和评价，广州市城市森林土壤重金属污染状况仅处于轻度污染水平或污染预警水平，较污灌区土壤质量好，从而可以为城市土壤重金属污染区的采用“以林代农”的利用方式提供新思路，确保城市生态安全。土壤环境质量与土壤的各种因子彼此相关的，土壤pH值、土壤养分元素含量、土壤酶活性及土壤的温湿度均能影响土壤重金属污染元素的含量。森林土壤中重金属含量与土壤pH值呈显著正相关性，土壤中与K含量呈正相关性，Cd含量与土壤C、N呈显著正相关性，Cu含量与土壤中P含量呈正相关性。森林土壤中As、Cu、Zn含量与土壤中过氧化氢酶活性呈显著的负相关性，土壤过氧化氢酶活性可以表征森林土壤中As、Cu、Zn污染状况的。5 讨论对城市森林土壤植物生态系统进行以科学为基础的定量化评价，是从一个期望状态到因人类活动而导致的不期望状态逆向变化的可能性评价。要求对生态系统背景值进行监测和对逆向变化最具有潜力的各种指标进行评价，影响城市土壤环境质量的因素较多，评价时对有可能影响土壤环境质量的因子尽可能考虑全面。由于城市人为活动剧烈，对城市土壤环境污染类型多样，森林土壤中土壤酶活性是表征土壤重金属污染状况的指标之一，还可以寻求更多的表征因子来监测土壤植物系统对环境压力做出响应的指标体系。 土壤环境质量评价是对各彼此相关的环境因素综合评价，建立环境质量评价模型，评价模型是生态环境质量分析的组成部分，当预测各种环境灾害或各种干扰与作为结果而发生的各种系统变化之间的关系时，模型对生态环境质量评价是不可缺少的。参考文献：1 王广林, 王立龙, 沈章军等. 冶炼厂附近水稻田土壤重金属污染与土壤酶活性的相关性研究J. 安徽师范大学学报(自然科学版)2004, (3): 310-313.Wang Guanglin; Wang Lilong; Shen Zhangjun, et al. 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