在城市里工业“三废”、生活废弃物、交通量等的增加会导致城市土壤的重金属污染^[1]。重金属具有潜伏性、不可逆性、隐蔽性以及难去除性等特点，土壤重金属含量超标，会造成城市人居环境的日益恶化^[2]。城市土壤是人类生产与生活高度聚集的场所，其质量的好坏直接影响到人们的生活质量与身体健康^[3]。以往的研究主要集中在农业土壤重金属含量及其生态风险评价^[4-6]，而对干旱区城市绿地土壤重金属污染及其潜在风险相关研究较少。作为新疆南部典型绿洲城市，近年来阿克苏市的人口快速膨胀、工业发展迅速、城市规模与交通量不断增大，在此过程中产生的重金属污染尤为突出^[7-8]，已受到城市环境管理部门的关注。为全面了解阿克苏市城市绿地土壤重金属污染途径，针对阿克苏市绿地土壤重金属污染问题，分析了不同功能区土壤中Cu、Pb、Zn、Ni和Cr等5种重金属的污染及其潜在生态风险，基于统计分析、主成分分析、地累积指数法和潜在生态风险指数法对土壤重金属的污染状况、分布特征、污染来源进行评价，结果可为城市土壤重金属污染防治以及保证城市居民健康生活提供科学依据和参考。

阿克苏市地处塔克拉玛干沙漠北缘(北纬39°31′~42°41′，东经78°02′~84°05′)，总面积1.82×10⁴ km²，其中建成区面积达47.66 km^2[9]。该区属暖温带干旱荒漠气候区，年平均气温约11 ℃，年平均降水量43.9~65.3 mm，潜在蒸发量1 950~2 600 mm，无霜期205~219 d，年均风速1.7~2.4 m·s^-1，是典型的干旱区绿洲城市^[10]。随着城市化和工业化进程的加快，阿克苏市所面临的生态环境压力也在增大，城市大气污染日趋严重，特别是在春末、初夏风季，极易发生沙尘暴、扬沙和浮尘天气^[11]。在冬季，以燃煤为主的能源消耗导致颗粒污染物的大量排放，悬浮颗粒总数(total suspended particulate，TSP)浓度居高不下，使阿克苏市生态环境进一步恶化。

根据人类活动强度及其对城市土壤影响程度的不同，在阿克苏市不同功能区绿地内布设公园区、交通枢纽区、居民区、工业区和城郊林区5个试验样地。每个功能区样地内设置10个采样点，并利用全球卫星定位系统(geographical position system，GPS)进行定位。采样点布设方法按照“随机”“等量”和“多点混合”的原则进行。在2013年6月15日至7月5日，在各样地进行土壤样品采集，采集深度分别为0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~100 cm，每个样品重量为500 g左右。土样采集后，去除枯枝、树叶、石子等杂物，避光自然风干后，研磨、过筛，放入封口袋备用。

土壤样品带回实验室后，75 ℃烘干36 h，用玛瑙研钵研磨，经2.5 mm尼龙筛子筛过后装袋备用。称取0.5 g研磨后的土样置于消解管中，加入10 mg·L^-1的混合酸HClO₄-HNO₃-H₂SO₄(体积比6:1:1)8 mL震荡均匀，用带孔管塞塞严，静置20 h。然后在马弗炉上80 ℃消解3~4 h至溶液变绿，140 ℃消解30 min，180 ℃消解1 h，取出消解管，冷却至室温，每管加浓硝酸l mL，180 ℃加热1~2 h，至消解液透明澄清为止，并产生白烟反应到达终点。消解操作结束后，冷却、过滤，将消解液采用蒸馏水定容至50 mL。测试分析时取标准液10 mL，采用TAS-990型原子分光光度计测定Cu、Pb、Zn、Ni和Cr含量，使用国家一级土壤标准物质(国家标准物质样品信息中心，GBW07426)^[2]作标样，所有样品重复测定3次。

土壤环境背景值是在某一区域内很少受人为因素的影响下，土壤环境中固有的化学组成或元素浓度的水平^[12]。以新疆土壤环境背景值^[13]作为评价依据，引入人为影响倍数(即超标倍数)来表示由人类活动引起的污染物对土壤环境的影响程度^[14]。人为影响倍数是表征人为干扰影响强弱的特征指标^[15]，其表达方式如下：

式中：P_ij为人为影响倍数；C_i为污染物实测浓度(mg·kg^-1)；d_i为区域土壤环境背景值(mg·kg^-1)；i为污染物，j为样本号。

地累积指数(I_geo)是评价土壤中重金属污染水平的定量指标^[16-17]，污染程度可划分为7个级别^[18](表 1)。由于地累积指数能充分反映土壤中各污染物的自然分布特征，判断人为活动对环境的影响，目前在评价土壤重金属污染方面被广泛应用^[19]。计算方法如下：

式中：C_i为土壤中污染物i的实测浓度(mg·kg^-1)；B_i为新疆土壤重金属元素的平均背景值(mg·kg^-1)。

为确定单个污染物的污染水平和综合反映该区域可能存在的生态风险程度，用潜在生态风险指数法^[20]，以新疆土壤环境背景值^[13]作为参考值，对阿克苏市绿地土壤中重金属的潜在生态危害进行定量评估。单个重金属潜在风险参数(E_i)与综合潜在生态危害指数(I)的计算公式如下：

式中：C_i、C_n、T_i分别为第i种重金属含量的实测值(mg·kg^-1)、参考值(mg·kg^-1)、毒性响应系数。

毒性响应系数可以综合地反映某种重金属的毒性水平和土壤对污染物的敏感程度，5种重金属Pb、Cu、Zn、Ni和Cr的毒性系数分别为5、10、1、5和2。根据E_i与I的大小，可将土壤中各重金属的潜在生态风险进行分级(表 1)。

采用SPSS 20.0统计软件对试验数据进行统计分析、主成分分析，并用Origin 8.1软件制图。

阿克苏市5个不同功能区土壤重金属含量如表 2所示。土壤中Pb、Cu、Zn、Ni、Cr的平均含量分别为75.98、97.26、120.33、8.41、25.56 mg·kg^-1。其中，Pb、Cu和Zn含量的平均值是新疆土壤背景值的3.92、3.64和1.75倍，是国家土壤环境质量二级标准(GB 15618—1995)^[21]的2.92、4.30、1.62倍，表明当地土壤中Pb、Cu和Zn的含量严重超标，Ni、Cr含量的平均值在正常范围之内。5种重金属的平均变异程度依次为：Zn>Cr>Ni>Pb>Cu。通过土壤重金属变异系数强度标准^[21]，Zn的时空分异最显著。Pb，Cu，Zn的人为影响倍数较大，Ni和Cr受到人为干扰相对较少。

阿克苏市不同功能区绿地土壤重金属含量如图 1所示。在不同采样点、不同土层中重金属含量差异比较明显。工业区土壤0~20 cm土层中Zn的含量最大，之后随土层深度的增加其含量逐渐降低，其变化趋势为下降(P < 0.05)。除Cu以外，居民区、工业区、公园区、城郊林区土壤中Pb、Ni、Cr、Zn四种重金属在60~100 cm土层的含量最低，且在居民区Cu, Pb, Ni和Cr重金属含量呈现随土层深度的加深先升高后降低的趋势。在5个功能区土壤中Cu含量差异不显著，可能是阿克苏市不同功能区土壤受人类活动影响导致Cu污染程度基本相同。

	图 1 各功能区土壤剖面重金属含量分析 Fig. 1 Heavy metal content analysis of 5 functional areas in the soil profile layer 注：不同大写字母表示功能区间显著差异。Note: different capital letters represent significant difference among functional areas.
图选项

各功能区土壤重金属的地累积指数(I_geo)越大，表明重金属在该功能区的累积程度越大。由表 3可知，阿克苏市不同功能区Cr、Ni的I_geo≤0，表明各功能区土壤未受到Cr、Ni污染。Zn在工业区、居民区和交通枢纽区土壤中I_geo＞0，处于轻-中度污染。由于土壤中Zn的主要来源于土壤母质，表明研究区部分土壤中Zn的含量略高于国家环境质量标准值。除了城郊林区以外，在其它各功能区土壤中Cu和Pb的I_geo＞1，说明这两种重金属在各功能区均有富集现象。研究区绿地土壤重金属的I_geo平均值大小顺序为Pb>Cu>Zn>Cr>Ni，其中Pb和Cu均呈中度污染(除城郊林区以外)，Zn为轻-中度污染，而Ni、Cr均为无污染，这个结果与宁晓波等^[22]的研究结果一致。

阿克苏市不同功能区绿地土壤中Pb、Cu、Zn、Ni和Cr等重金属的单因子生态风险指数(E_i)和综合潜在生态风险指数(I)如表 4所示。E_i的平均值由高到低依次为Cu>Pb>Zn>Ni>Cr。在工业区，除了Cu的E_i值大于40以外，其他重金属元素的E_i值均小于40(轻微风险)。尤其是Zn、Ni和Cr在各功能区绿地土壤中的E_i值低于3，表明这3种重金属的潜在危害程度较低，处于低水平的生态风险；Pb和Ni的E_i值在交通枢纽区土壤中出现较高值，Cu和Zn的E_i值在工业区土壤中出现较高值，而各重金属的E_i值均在城郊林区土壤中出现最低值，表明土壤重金属污染程度某种程度上与城市交通量有一定的关系，离城市中心越远、交通量越小、土壤受重金属污染的潜在风险降低。不同功能区土壤中重金属的综合潜在生态风险指数(I)依次为交通枢纽区>工业区>居民区>公园区>城郊林区，I＜150，表明阿克苏市不同功能区绿地土壤重金属污染程度还处于轻微的潜在生态风险状态。

污染源的辨析是正确评价环境污染程度与有效治理污染源的前提条件，采用主成分分析法对重金属元素的主要来源进行了分析。由表 5可知，第一主成分(first principal component，PC1)的贡献率为68.51%，其中Pb、Cu、Zn和Ni的载荷量分别为0.75、0.85、0.99和0.76，具有较高的正因子载荷，表明Pb、Cu、Zn和Ni等4种重金属的来源相似，来自于同样的污染源。研究表明，Pb、Cu、Zn和Ni的主要来源是机动车轮胎铅块的磨损^[23]、尾气排放^[24]、工业烟尘、生活燃煤排放^[25]以及含铅锌铜的装饰材料、PVC、废电池等^[26]，因此，第一主成分被认为是人为因素。第二主成分(second principal component，PC2)的贡献率是89.86%，则支配着Cr上较高的正因子载荷，主要受土壤成土母质等自然源因子的影响。Ni和Pb同样在PC1和PC2中有一定的载荷量，可认为土壤的Pb和Ni污染既受自然源也受人类活动的影响。

研究区土壤重金属平均含量大小依次为Zn>Cu>Pb>Cr>Ni，其中Pb、Cu、Zn严重超标，其平均值高于新疆土壤重金属背景值，也超过国家土壤环境质量二级标准(表 2)，Ni和Cr的平均含量低于新疆背景值与国家土壤环境质量二级标准。Zn的含量大小是国家土壤环境质量二级标准的1.62倍，主要是由于城市人口增加过快、城市基础设施建设与城市交通量增多而产生的，因为Zn元素在土壤的含量首先受城市交通活动的影响。在空间分布上，各元素的累积含量总体上体现了不同功能区土壤重金属含量的差异。重金属含量在不同功能区绿地土壤各土层的差异较显著，总体上各重金属含量随着剖面深度的增加呈逐渐减小的趋势。其中Zn属于强变异，其分异较显著，人为影响倍数范围也较大，进一步证明阿克苏市Zn重金属污染主要受到人为活动的影响。

土壤污染评价分析表明，重金属在不同功能区土壤中表现出不同的污染水平，以新疆土壤环境背景值作为评价标准，Cu、Zn在工业区土壤中具有较高的污染程度，这与刘亚纳等^[25]的研究结果一致，而Pb在交通枢纽区土壤中具有较高的污染程度。在城郊林区各元素污染指数均小于1，说明城市化、工业化进程已造成了阿克苏城市绿地土壤中重金属元素的累积，对城市生态系统造成了严重危害。潜在生态风险指数分析表明，Cu和Pb的生态危害均具较高水平，而其它重金属轻微生态危害水平。综合潜在生态风险评价结果可知，交通枢纽区生态风险指数较高，其次为工业区，而城郊林区属于最低生态危害水平。土壤重金属主成分分析表明，推断Zn、Cu、Ni和Pb是受人为活动影响最为强烈的重金属元素，主要来自于交通运输(轮胎的磨损、尾气的排放等)、生活垃圾以及受铝厂等周边工业活动，其中Pb和Ni也受到地质背景(土壤母质)的影响。对于研究区而言，土壤中Cr受人为干扰较轻，主要来源于成土母质等自然源，这与其它学者的研究结果一致^[24]。

综上所述，阿克苏市绿地土壤中Zn、Cu、Pb污染最为严重，而Ni和Cr污染较小。阿克苏市作为一个快速发展中的西部城市，随着城市化进程其绿地土壤重金属的污染程度也会不断加重。城市交通、工业活动和生活垃圾是阿克苏市土壤重金属的主要来源。因此，针对保护城市土壤环境、保持土壤资源的可持续利用，需要从控制汽车尾气的排放、工业污染排放以及有效处理生活垃圾等方面入手。另外，在城市建设过程中，减少土壤暴露面积，以达到改善土壤质量为目的，可合理培植不同种类的乡土植物，不仅增加城市绿地覆盖面积，而且也能改善城市土壤环境。