杭州市城市和郊区表土磷库及环境风险评价

杭州市城市和郊区表土磷库及环境风险评价

章明奎，符娟林，王美青

浙江大学环境与资源学院，浙江 杭州 310029

摘要： 杭州市城市和郊区土壤磷素具有明显的积累特征并有较高的潜在释放能力。可提取态P（包括H2O-P、NaHCO3-P、NaOH-P和HCl-P）平均在80%左右，其中以HCl-P的比例最高，平均约55%。32个研究土样中，26个土样的水可溶性P（H2O-P）在10 mg/kg以上，15个土样的NaHCO3-P在100 mg/kg以上。酸性条件下P的释放潜力明显增加。土壤水溶性P含量及在酸性条件下P的释放量与土壤总P呈正相关，与土壤pH负相关。 关键词：城市和郊区土壤；磷积累；分级；潜在释放；环境评价

中图分类号：X825；S153.6 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2003）01-0029-04

由人为活动引起的水体富营养化已受到广泛的关注[1]。水体中磷浓度提高是导致水体富营养化最主要的因素之一[2~6]。水体中的磷有广泛的来源，其中包括工业禽畜生产污水、居民生活污水及土壤径流。一般认为，由于土壤具有一定的固定作用，土壤中磷的移动性较小。但近来大量的研究表明，过量施用磷肥或土壤中磷的大量积累，可增加土壤磷素的移动性[7~11]。土壤磷素具有生物富集的特性，在人类长期居住的环境中，由于磷素来源较广，常可导致磷素的积累[12~13]。城市和郊区是人类集中居住的场所，城市居民生活消费大量农产品，其中部分磷以垃圾等形式进入城市和郊区环境，积累在城市和郊区土壤中；城市周围主要分布蔬菜基地，施肥水平较高，也促进了土壤磷的积累。由于城市大部分被道路及建筑物所覆盖，土壤紧实，渗透性差，在雨季容易形成较大的径流，土壤中的磷可随径流进入周围水体。土壤中磷的移动性与其积累程度、形态等有关[9, 14~17]，水溶性磷和交换态磷很易迁移，而矿物晶体内的磷则不易移动。杭州市建城历史悠久，人口密集，城市和郊区土壤受人为影响频繁。城内及周围分布着著名的西湖风景区及杭州市生活饮用水源，保护这些水体避免富营养化十分重要。本文对杭州市城市和郊区土壤磷素积累状况、形态及潜在移动性进行了初步探讨。

的混合样，采样深度为表土0~10 cm。城市土壤分别采自杭州市各城区，按土地利用类别，大致可分为4类：（1）文教和居民生活区，包括浙江大学4个校区、浙江省农科院、朝晖五区等共8个样点；（2）风景旅游区，包括西湖周边的花港观鱼、太子湾、白堤、苏堤和曲院风荷等5个样点；（3）商业区，包括路、延安路和武林广场等3个样点；（4）工业区，包括半山、杭玻、杭氧等4个样点。郊区农业土壤分别采自下沙、笕桥、丁桥、石桥和乔司等地。供试土样成土母质主要为河口海相沉积物，土壤类别主要为潮土。 1.2 研究方法

土样经风干后，过2 mm塑料土筛。部分土样进一步用玛瑙研钵研磨，过0.125 mm塑料土筛，供元素全量分析。土样中P、Ca、Fe、Al全量分析采用HNO3-HClO4-HF三酸消化[18]，用等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）测定；土壤的颗粒组成用比重计法测定；土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定；土壤pH采用酸度计测定。

土壤磷分级采用Hedley等（1982）的方法[14]。提取步骤简述如下：称0.5 g风干土样置于50 ml离心管中，顺次用30 ml去离子水、0.5 mol/L NaHCO3 （pH 8.2）、0.1 mol/L NaOH和1 mol/L HCl提取。每次提取振荡时间为16 h，提取后离心、过滤分离悬液。去离子水和HCl提取物中的P用比色法直接测定；NaHCO3和NaOH提取物中的P经过硫酸铵-硫酸消化后用比色法测定；残余态P用土壤总P与以上4种可提取P总和的差值计算。另外，

1 供试土壤和研究方法

1.1 供试土壤

供试土壤包括城市土壤样品20个和郊区农业土壤样品12个。各土样为每个采样地点多点采集

基金项目：国家自然科学基金项目（49601013）

作者简介：章明奎（19－），男，博士，副教授，从事资源利用与管理（环境地学）的研究。 收稿日期：2002-09-13

30 生态环境 第12卷第1期（2003年2月）

表1 用连续提取方法测得的各形态P的平均含量 mgkg-1 土壤

文教和居民生活区(n = 8) 风景旅游区(n = 5) 市内商业区(n = 3) 工业区(n = 4) 城市土壤(n = 20) 郊区农业土壤(n = 12) *括号内数据为变化范围 总P 1133 (563~2454) 1360 (750~1848) 2857 (2324~3522)

940 (741~1260) 1410 (563~3522) 1208 (722~1800) H2O-P 16.7 (3.1~26.5) 21.8 (13.4~33.2) 28.0 (17.4~38.4) 12.8 (9.6~18.1) 18.9 (3.1~38.4) 24.7 (5.1~62.9) NaHCO3-P 81.2 (19.2~155.0) 125.2 (53.8~159.8) 173.7 (143.4~212.5)

71.8 (56.9~103.1) 104.2 (19.2~212.5) 108.7 (20.1~266.5) NaOH-P 168.9 (58.7~400.3) 287.1 (208.9~380.4)

337.1 (242.6~512.2)

143.2 (54.8~219.1) 218.5 (54.8~512.2) 222.9 (19.4~534.8) HCl-P 695.6 (47.3~1902.7)

629.2 (212.4~1335.8)

2135.6 (1700.4~2561)

395.4 (216.6~571.0)

835.0 (47.3~2561.0)

687.6 (362.2~1044.1) 残余态P 170.8 (.5~393.2) 296.7 (130.6~498.7)

182.2 (142.6~206.4)

317.4 (221.9~394.4)

233.3 (.5~498.7) 1.0 (15.8~479.3) 为了了解由酸雨等引起的酸性条件下土壤P素的潜在释放，测定了在恒定pH（5.0，6.0）和固液比（1∶100）下P素的释放量。称1.0 g土样于200 ml酸洗的玻璃烧杯中，加100 ml去离子水置于磁搅器上搅拌，小心滴加0.5 mol/L HNO3，保持悬液恒定pH（6.0 或5.0），4 h后，离心分离悬液测定溶出的P含量。统计分析在SAS软件上进行。

P含量的1~6倍，平均为潮土的2倍。 2.2 P的形态组成特点

随着总P含量的变化，城市和郊区土壤中各形态P的组分也有较大的变化（表1）。城市土壤中H2O-P、NaHCO3-P、NaOH-P和HCl-P平均顺次为18.9、104.2、218.5和835. 0 mg/kg。残余态P平均为233.3 mg/kg。P的组分主要为HCl-P，占总量的50%以上，其次为残余态P和NaOH-P。但总可提取态P（包括H2O-P、NaHCO3-P、NaOH-P和HCl-P）平均达78%。不同采样区之间各形态P也有较大的变化。H2O-P、NaHCO3-P和NaOH-P 平均含量为：商业区>风景区>文教居民区>工业区；而HCl-P平均含量为：商业区（2135.6 mg/kg）>文教居民区 （695.6 mg/kg）>风景区（629.2 mg/kg）>工业区 （395.4 mg/kg）。

郊区农业土壤H2O-P、NaHCO3-P、NaOH-P、HCl-P和残余态P平均依次为24.7、108.7、222.9、687.6和1.0 mg/kg。与城市土壤相比，郊区农业土壤残余态P的比例较低，H2O-P比例较高，平均HCl-P和总可提态P的比例均高于城市土壤。城市土壤中水可溶性P（H2O-P）低于郊区农业土壤，这可能与城市土壤中含有较高的Ca、Fe、有机质和

表2 城市土壤与郊区农业土壤部分土壤性质的比较 土壤

pH

有机质 粘粒

总 Fe /(gkg-1)

39.4 14.9 171 101 30.1 21.3 18.0 13.6 47.4 47.3 总Ca

总Al

2 结果与讨论

2.1 城市和郊区土壤中P的积累

杭州市城市土壤和郊区农业土壤中P均有明显的积累。城市土壤表土总P含量在563~3522 mg/kg之间，平均为1410 mg/kg (表1)，最高约为最低的6倍。平均总P量：商业区(2857 mg/kg) > 风景区(1360 mg/kg) > 文教居民区(1133 mg/kg) > 工业区(940 mg/kg)；商业区总P平均约为工业区的3倍、文教居民区的2.5倍、风景区的2倍。而郊区农业土壤总P含量在722~1800 mg/kg 之间，平均为1208 mg/kg，略低于城市土壤的平均值，但两者差异不显著。

根据浙江省土壤总P含量分级标准[19]（即总P>1.00 g/kg为1级，1.00~0.81 g/kg为2级，0.80~0.61 g/kg为3级，0.60~0.41 g/kg为4级，0.40~0.20 g/kg为5级，≤0.20 g/kg为6级），在32个土样中，总P含量小于1.0 g/kg的占43.75%，有56.25%的城市土壤总P含量达1级以上水平。无论城市土壤还是郊区农业土壤，总P含量均明显高于相似母质发育的其它土壤

[19]

城市土壤( n = 20) 7.68 郊区土壤(n = 12) 6.74 。例如，浙江省滨海平原海相沉积物

发育的潮土表土平均总P含量为0.80 g/kg，而滨海盐土表土平均总P含量为0.57 g/kg。杭州市城市土壤和郊区农业土壤总P含量约为以上潮土和盐土总

粘粒，固定作用较强有关（表2）。

在所研究的32个城市和郊区土壤中，H2O-P

章明奎等：杭州市城市和郊区表土磷库及环境风险评价 31

为3.1~62.9 mg/kg， 有26个土样在10 mg/kg 以上，其中11个在20 mg/kg 以上，达到较高的水平。NaHCO3-P为19.2~266.5 mg/kg，其中15个土样在100 mg/kg以上。酸可溶性P（HCl-P）的含量在47.3~2561 mg/kg之间 ，仅1个土样在50 mg/kg以下，其它均在200 mg/kg以上，其中15个土样在1000 mg/kg以上。

除残余态P外，各形态的P均随总P的增加而增加，H2O-P、NaHCO3-P、NaOH-P和HCl-P与总P的相关系数分别为0.53**、0.71**、0.61**和0.**（n=32）。这表明，城市和郊区土壤中高的可提取态P与土壤本身P的积累密切相关。逐步回归分析表明（表3），城市及郊区土壤46.54%~94.93%的可

表3 土壤P的形态、酸性条件下磷的潜在 释放量与土壤总磷及土壤性质的关系 各形态P和P溶出量

2

/(mgkg-1) 回归方程

R/% H2O-P Y = 39.42 + 0.013 X1 – 3.28 X3 46.54 NaHCO3-P Y = 129.11 + 0.077 X1 – 20.29 X3 70.99 NaOH-P Y = 145.44 + 0.19 X1 – 47.44 X3 + 0.95 X4 84.31 HCl-P

Y = -397.40 + 0.65 X1 + 62.05 X3 – 1.87 X4

94.93 pH 6时P溶出量 Y = 136.35 + 0.036 X1 – 9.85 X3 – 0.19 X4 43.40 pH 5时P溶出量 Y = 287.26 + 0.14 X1 – 7.40 X2 – 0.57 X4 59.

X1：总P (mgkg-1)； X2：总Ca (gkg-1)；X3：pH；X4：粘粒(gkg-1) 提取态P的变化与土壤总P及土壤性质（包括pH、总Ca和粘粒含量等）有关（表3）。可提取态P的变化可用总P及土壤性质的差异来解释，总P 和pH是影响土壤可提取态P数量最主要的因素，其次为粘粒和总Ca含量。

可提取态P在一定条件下均可逐渐释放，杭州市城市和郊区土壤含较高浓度的可提取态P，占总P的比例较高，说明它们有较高的释放潜力。水可提取态P（H2O-P）的移动性最大，在正常土壤条件下，将会被逐渐释放。NaHCO3-P也是一类有效性较高的P库[12, 20]，可通过微生物矿化或阴离子交换而释放。NaOH-P主要包括被Fe、Al氧化物和有机质表面吸附的P及有机组分中的P，其中无机形态的P（即被Fe、Al氧化物及有机质表面吸附的P）具有中等程度的有效性。而稀酸提取的HCl-P主要为与CaCO3结合的P，在酸性条件下不稳定，可被溶解而释放。

2.3 酸性条件下土壤P的释放特征

表4为酸性条件下（pH6.0和5.0）土壤P的释

表4 酸性条件下土壤P潜在释放量和释放比率 pH = 6.0

pH = 5.0

土壤 /(mgkg-1) /% /(mgkg-1)

/% 城市土壤 41.4 3.36

128.9

10.02

(n =20) (4.4~97.1) (0.78~6.11) (4.5~396.5) (0.83~28.72) 郊区农业土壤

79.3

5.27

198.8

12.29

(n =12)

(9.4~236.8) (1.30~15.24) (23.0~621.4) (2.76~39.99)

*括号内数据为变化范围 放量及占总P的比例。在pH 6时，城市土壤P溶出量为4.4~97.1 mg/kg，平均为41.4 mg/kg，占全P的0.78%~6.11%，平均3.36%。在pH 5时，城市土壤P溶出量在4.5~396.5 mg/kg之间，平均为128.9 mg/kg，占总P的1.03%~28.73%，平均为10.02%。相应地，郊区农业土壤P在pH 6 和5的溶出量分别为9.4~236.8 mg/kg 和23.0~621.4 mg/kg，平均分别为79.3 mg/kg和198.8 mg/kg，分别占总P的5.27%和12.29%，高于城市土壤相应的溶出量。pH 6时土壤P溶出量高于表1中水溶性P（H2O-P）；

pH 5时P溶出量高于pH 6时P的溶出量，表明随着酸度的增加，城市和郊区土壤中P的释放将明显增加，说明酸雨等可能会导致土壤P释放的增加。在酸性条件下（pH 5或6），土壤P溶出量与总P呈正相关，而与土壤pH呈负相关（表5）。这

表5 酸性条件下P释放量与土壤P形态及土壤pH的简单相关r 性质 pH 6时P溶出量

pH 5时P溶出量

总P 0.38* 0.56** H2O-P 0.84** 0.74** NaHCO3-P 0.68** 0.67** NaOH-P 0.52** 0.56** HCl-P 0.16 0.37* 残余态P 0.11 0.07 pH

－0.42*

－0.39*

表明含P量较高和pH较低的土壤P较易溶出。逐步回归分析表明（表3），城市土壤和郊区土壤在酸性条件下P释放量的50%的变异可用总P和土壤性质来解释，其中土壤总P和pH是影响P释放最主要的因子。

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Pools and environmental risk assessment of phosphorus in surface soils

from Hangzhou urban and suburban

ZHANG Ming-kui, FU Juan-lin, WANG Mei-qing

College of Environmental and Natural Resource Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310029, China

Abstract: Both urban and suburban soils in the Hangzhou city had been accumulated to a great extent and the potential release of P has been high. Most of the P in the soils could be extracted by water, NaHCO3, NaOH and HCl with a mean extracted percentage of 80%. The mean percentage of HCl-P in the total P was as high as 55%. Among the 32 surface soil samples, 26 soil samples had H2O-P higher than 10 mgkg-1, 15 soil samples had NaHCO3-P higher than 100 mgkg-1. The potential release of P under the acidic condition increased obviously. Water-soluble P and P released under the acidic condition increased with soil total P and decreasing soil pH.

Key words: urban and suburban soil; phosphorus accumulation; fractionation; release potential; environmental assessment