施用城市污泥堆肥后林业土壤中重金属的潜在生态风险评价 Potential Ecological Risk Assessment of Heavy Metals in the Forestry Lands of Application of Municipal Sludge Compost

doi:10.12677/AEP.2014.41B007

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Advances in Environmental Protection 环境保护前沿, 2014, 4, 41-46

Published Online March 2014 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/aep

http://dx.doi.org/10.12677/aep.2014.41B007

Potential Ecological Risk Assessment of

Heavy Metals in the Forestry Lands of

Application of Municipal Sludge Compost

Yujia Zhai, Li Feng, Boqiang Ma, Liqiu Zhang*

College of Environmental Science and Engineering, Beijing Forestry University, Beijing, China

Email: *kathy920@163.com

Received: Feb. 18th, 2014

Abstract

Application of municipal sludge compost in forestry land will not directly bring pollutants, such as

heavy metals, into food chain, but it will change the content of heavy metals in soil. This paper stu-

died potential environment risk of heavy metals in Ginkgo land and Plum blossom land after ap-

plication of compost. The ecological risk index was used to evaluate the potential ecological risk of

heavy metals in soil. The results showed that one year after fertilization, the Ginkgo and Plum

lands had low ecological risk in general, where Cd and Hg were the main pollution factors. How-

ever the pollution of Hg in Ginkgo forest had reached high ecological risk. Moreover the ecological

risk is higher when the application of compost amount is greater. Also, it can be found that soil

background value is an important factor when applying sewage sludge compost in forest lands.

Keywords

Heavy Metals; Potential Ecological Risk; Municipal Sludge Compost; Forestry Land

施用城市污泥堆肥后林业土壤中重金属的潜在

生态风险评价

翟羽佳，封莉，马博强，张立秋*

北京林业大学环境科学与工程学院，北京，中国

Email: *kathy920@163.com

收稿日期：2014年2月18日

*通讯作者。

施用城市污泥堆肥后林业土壤中重金属的潜在生态风险评价

摘要

在林业土壤施用城市污泥堆肥产品不会将重金属等污染物直接带入食物链，但是会改变土壤中重金属的

含量，影响土壤环境。本文研究了施用城市污泥堆肥后梅花林与银杏林土壤中重金属含量的变化，并利

用潜在生态风险评价法对其风险进行评价。评价结果表明：施肥一年后，梅花林和银杏林土壤的总体风

险均属于低风险范围，Hg、Cd为风险的主要贡献者。从各重金属的风险分析，银杏林中Hg的污染已达

到较高风险，且高施肥量的风险大于低施肥量。参比土壤背景值可以发现，在林地或园林绿地施用污泥

堆肥时，需要考虑施肥场地土壤中重金属的背景值。

关键词

重金属；潜在生态风险评价；城市污泥堆肥；林业土壤

1. 引言

随着城市化的进程日益加据，城市污水处理厂的数量也在大幅增加。截至 2013 年3月底，全国设市

城市、县累计建成城镇污水处理厂 3451座，城市污水处理设施的日处理能力已达 1.45 × 108 m3/d，这些

污水处理设施产生的污泥中约有 10%通过堆肥处理技术回用到土地[1]。

我国已经开展了大量关于城市污泥处理处置及利用的研究工作。其中，污泥堆肥的土地利用受到了

广泛关注。污泥或经过堆肥后施用于林地土壤，可以改善土壤的理化性质与生物活性。但是，城市污泥

林业利用也存在一定的风险。污泥堆肥后仍然存在重金属、有毒有机物等有害因子，会对环境造成一定

的风险。由于重金属具有难迁移、易富集和危害大等特点成为限制污泥利用的主要因素[2]。

瑞典科学家 Lars Hakanson基于沉积学理论创立的潜在生态危害指数法是目前重金属风险评价中应

用非常广泛的方法之一。兰天水、林健等利用该法评价了龙岩市公路旁土壤中重金属的分布及其潜在生

态危害，该路段土壤重金属以 Cd、Pb 污染为主，属于中等生态危害[3]。僮祥英等选取百里杜鹃矿区附

近的土壤为研究对象，利用潜在生态危害指数法评价矿区土壤生态风险，表明该矿区土壤已造成不同程

度的生态危害[4]。也有部分学者将该方法用于评价污泥农用风险。孙敬勇等分析了广州 7种城市污泥中

Zn、Cu、Pb、Cr、Mn 、Ni 的含量，并对污泥农用过程中重金属的潜在生态风险进行了综合性评价[5]。

张蓉等测定合肥市及周边蚌埠，阜阳，黄山，宿州等城市 7个污水处理厂污泥、生物反应器活性污泥及

污水中 5种重金属 Pb、Cr、Cu、Zn、Cd 的含量，用潜在生态危害指数法对污泥中重金属的污染程度进

行评价[6]。铁梅等将沈阳市城市污泥以不同质量比施于土壤，并采用潜在生态风险指数法对施肥土壤中

重金属具有的生态风险性进行了评价，土壤中 Pb 呈现无污染和低生态风险；Cu 和Zn 呈现中度污染和低

生态风险；Cd 达到强度污染和重度生态风险，重金属潜在生态风险(RI)总体处于强度生态风险水平[7]。

本文采用潜在生态风险评价方法对施用城市污泥堆肥产品的梅花林、银杏林的 8种重金属Cu 、Zn、

Pb、Cr、Ni、As、Hg 以及 Cd进行了生态风险评价。

2. 材料与方法

2.1. 数据来源

实验中所用的污泥来自于北京市某污泥处置厂，堆肥工艺为条垛式好氧堆肥，污泥堆肥含水率 48.6%。

堆肥产品中重金属含量见表 1。可见，该堆肥产品中重金属的含量满足《城镇污水处理厂污泥处置林地

施用城市污泥堆肥后林业土壤中重金属的潜在生态风险评价

Table 1. Content of heavy metals in soil and compost mg/kg

表1. 堆肥产品及土壤重金属的含量mg/kg

样品来源 Cu Zn Pb Cr Ni As Hg Cd

堆肥 102.1 744.1 27.4 66.9 18.1 9.6 9.9 0.5

中国城市污泥均值*1 486 1450 131 185 77.5 16.1 2.84 2.97

北京市污泥均值*2 96 1075 39 78 33 13.6 10 1.6

银杏林背景值 18.2 88.3 21.4 24.6 16.7 5.9 1.4 0.2

梅花林背景值 10.2 73.9 10.9 23.8 15.4 2.0 0.1 0.3

土壤环境质量标准二级[8] pH = 6.5 - 7.5 200 250 300 200 50 30 0.50 0.30

土壤环境质量标准二级[8] pH > 7.5 200 300 350 250 60 25 1 0.6

城镇污水处理厂污泥处置林地用泥质[9] < 1500 3000 1000 1000 200 75 15 20

城镇污水处理厂污泥处置园林绿用泥质[10] < 1500 4000 1000 1000 200 75 15 20

注：*1 数据来源自文献(陈同斌等，2003)，样本统计资料的年限为 1994~2001 年[11]，*2 数据来源自文献(李琼等，2009)[12]。

用泥质》和《城镇污水处理厂污泥处置园林绿地用泥质》的要求。与李琼[12]选用的北京市污泥性质相似，

具有 Hg 含量较高的特点。

2.2. 施肥场地及施肥方法介绍

在北京市鹫峰国家森林公园选取梅花林和银杏林两块试验样地作为施肥场地。

1) 银杏林场地介绍

银杏林场地为 700 m2的平地，场地内为长势均匀的银杏树(Ginkgo biloba Linn.)，约 300棵，树龄约

为10~20 年，在林内划分 5个10 m × 10 m的样方，银杏林地土壤的pH为7.25。重金属含量背景值见表

1。

2) 梅花林场地介绍

梅花林场地为面积约为 400 m2的坡地，宽10 m，坡降方向长 19 m，坡度为 3%，样地内种植 5列树

龄均一的梅花树，沿坡降方向每列 4棵。梅花林地土壤的pH为7.51，重金属含量的背景值见表 1。

3) 施肥时间与方法

为考察不同施肥量及施肥方式对污泥堆肥中的重金属在土壤中的积累和迁移的影响，于 2011 年4月

在银杏林场地和梅花林场地分别以沟施和环状施肥的方式施用污泥堆肥，施肥量为 1.5、3、4.5 和6 kg/m2，

同时设置不施肥对照组。于施肥后一年后采集土壤样品并对其进行监测，分析重金属含量。

2.3. 评价方法

1980 年瑞典科学家 Lars Hakanson应用沉积学原理，提出了土壤和沉积物潜在生态危害指数法(RI)

评价方法[13]。

潜在生态危害综合指数 RI值为：

RI EI

iiii s

rrfr i

TCTC

=== ⋅

∑∑ ∑

(1)

其中：Cf为重金属 i的污染系数，Cs为表层土壤重金属 i的环境暴露值，Cn为重金属 i的参比值，Tr为重

金属 i的生物毒性响应系数，EI 为重金属 i的潜在生态风险。

施用城市污泥堆肥后林业土壤中重金属的潜在生态风险评价

参比标准选用土壤环境质量标准的二级标准(见表 1)，以此来确定施肥之后对土壤造成的污染。

根据徐争启的研究，计算出的潜在生态危害指数法评价中重金属毒性系数[14]。

Zn = 1 < Cr = 2 < Cu = Ni = Pb = 5 < As = 10 < Cd = 30 < Hg = 40

在进行综合计算之后，得到 EI和RI 值，风险等级标准见表 2。

该法不但考虑了土壤重金属含量，而且还将重金属的生态效应、环境效应及毒理学性质联系起来，

综合考虑了重金属的毒性在土壤沉积物中的迁移转化规律，划分出潜在危害的程度，体现出了生物有效

性、相对贡献等特点，是综合反应重金属对生态环境影响潜力的指标，适合于大区域范围沉积物和土壤

的评价比较。

2.4. 数据处理

分别采用 origin 及excel 软件对数据进行处理和图表的绘制。

3. 结果

3.1. 银杏林土壤的重金属评价结果

施肥一年后，监测土壤中重金属的含量，并对该监测结果进行风险评价，可以判断污泥堆肥施用于

银杏林所造成的潜在生态风险，结果见表 3及图 1。

将污泥堆肥产品施用银杏林后，不同施肥浓度的重金属(除Hg外)潜在生态风险都比较低，各施肥浓

度差距不大，没有明显的线性关系。但是，重金属 Hg 的潜在生态风险值偏高，施肥浓度越大，其风险

值越大。其他各重金属的风险值均为低风险，各金属 EI 值得排序为：Cd > As > Ni > Cu > Zn > Pb > Cr。

3.2. 梅花林土壤的重金属评价结果

施肥一年后，污泥堆肥中各重金属对梅花林所造成的潜在生态风险结果见表 4及图 2。

Table 2. The relation between EI, RI and degree

表2. 潜在生态危害系数和危害指数与污染程度关系

EI RI

低 ≤40 ≤150

中等 40~80 150~300

较高风险 80~160 300~600

高风险 160~320 600~1200

非常高 >320 >1200

Table 3. The results of ginkgo forest potential ecological risk assessment

表3. 银杏林的潜在生态风险评价结果

评价范围

施肥浓度 RI

可接受的风险

80 <

≤

160

中等风险 40 <

≤ 80 低风险

≤ 40

RI 评

价范

围

低风险

(≤150)

4.5 127.76 Hg Cd > As > Ni > Cu > Zn > Pb > Cr

6 123.28 Hg Cd > As > Ni > Cu > Zn > Pb > Cr

1.5 104.25 Hg Cd > As > Ni > Cu > Pb > Zn > Cr

3 99.94 Hg Cd > As > Ni > Cu > Pb > Zn > Cr

施用城市污泥堆肥后林业土壤中重金属的潜在生态风险评价

Figure 1. Histogram of Ginkgo forest potential risk

of heavy metals

图1. 银杏林重金属潜在生态风险柱状图

Figure 2. Histogram of Plum forest potential risk of

heavy metals

图2. 梅花林重金属潜在生态风险柱状图

Table 4. The results of plum forest potential ecological risk assessment

表4. 梅花林的潜在生态风险评价

评价范围

施肥浓度 RI 低风险

≤ 40

RI 评价

范围

低风险

(≤150)

3 51.7 Cd > Hg > Ni > As > Cu > Zn > Cr > Pb

4.5 45.14 Cd > Hg > Ni > Cu > As > Zn > Cr > Pb

1.5 40.31 Hg > Cd > Ni > Cu > As > Zn > Pb > Cr

6 38.28 Cd > Hg > Ni > As > Cu > Zn > Pb > Cr

将堆肥产品施用梅花林之后，不同施肥浓度的重金属潜在生态风险都比较低，各施肥浓度差距不大，

各重金属的风险值也均为低风险，各金属 EI值的排序为：Cd > Hg > Ni > Cu > As > Zn > Cr > Pb。

4. 讨论

将城市污泥堆肥产品的重金属含量与《城镇污水处理厂污泥处置林地用泥质》、《园林绿地用泥质》

施用城市污泥堆肥后林业土壤中重金属的潜在生态风险评价

进行对比，该实验用泥完全符合使用标准，可以施用于林地和园林。但是在实际研究过程中发现，北京

市城市污泥具有 Hg 含量偏高的特点，将该污泥施用于梅花林，不会造成潜在风险；而对于背景值已经

偏高的银杏林土壤来说，施用该污泥会引发 Hg 的潜在生态风险，且堆肥产品浓度越大，Hg 的潜在生态

风险越明显。这与林兰稳[15]的研究结果相近，堆肥产品中含量较高的重金属会成为施肥土壤的主要生态

风险源。

5. 结论

1) 北京市城市污泥产品具有Hg 含量较高的特点，潜在生态风险评价结果表明，相比于其他7种重

金属，施用堆肥产品后，土壤中 Hg 的潜在生态风险较高。在将城市污泥堆肥产品林业利用过程中，会

造成一定程度的生态风险。

2) 施肥后土壤中的 RI 值会随着施肥量的增加而增大，这种趋势在 RI值越大的土壤中表现越明显。

3) 施肥场地的背景值也会影响施肥后土壤中重金属的潜在生态风险，而且有可能成为生态风险的主

要贡献者。

基金项目

环保公益性行业科研专项 No.201109041。

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