平頂山礦區(qū)丘陵坡地土壤重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

楚純潔 周金風(fēng) 吳楠楠

(1.平頂山學(xué)院旅游與規(guī)劃學(xué)院，河南省平頂山市，467000；2.平頂山學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，河南省平頂山市，467000)

★ 節(jié)能與環(huán)保 ★

平頂山礦區(qū)丘陵坡地土壤重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

楚純潔1周金風(fēng)2吳楠楠1

(1.平頂山學(xué)院旅游與規(guī)劃學(xué)院，河南省平頂山市，467000；2.平頂山學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，河南省平頂山市，467000)

以平頂山礦區(qū)丘陵坡地土壤為供試材料，分別以沿坡面不同海拔處與礦區(qū)下風(fēng)向不同距離處為軸線進(jìn)行樣品采集，測(cè)試分析了土壤中重金屬Cu、Zn、Cr、Ni和Pb的含量，并開(kāi)展土壤重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。試驗(yàn)結(jié)果表明，平頂山礦區(qū)丘陵坡地土壤中所測(cè)試重金屬元素均不產(chǎn)生非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)，不同暴露途徑下的潛在健康風(fēng)險(xiǎn)大小依次為Cr>Pb>Ni>Cu>Zn，經(jīng)口攝入是主要暴露途徑。土壤中的Cr對(duì)周邊居民健康可產(chǎn)生致癌風(fēng)險(xiǎn)，其中皮膚接觸途徑的致癌風(fēng)險(xiǎn)程度較大，其變化主要與礦區(qū)長(zhǎng)期的煤炭開(kāi)采活動(dòng)所釋放的有害重金屬元素的坡面徑流遷移、高空氣流傳輸、地形阻滯以及沉降有關(guān)。

平頂山礦區(qū) 土壤重金屬 健康風(fēng)險(xiǎn)

近年來(lái)，重金屬污染土壤的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面受到了較多的關(guān)注，這些研究主要集中于城市土壤、工礦區(qū)土壤、農(nóng)田土壤和蔬菜種植基地土壤等，其中以工礦區(qū)重金屬污染土壤的健康風(fēng)險(xiǎn)研究占多數(shù)。低山丘陵地區(qū)是中國(guó)生態(tài)環(huán)境破壞最嚴(yán)重的區(qū)域之一，其退化生態(tài)系統(tǒng)的診斷、評(píng)估與修復(fù)是改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境、維護(hù)人們健康、提高低山丘陵區(qū)生產(chǎn)力以及實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。

平頂山礦區(qū)是中國(guó)北方重要的能源化工基地，主要分布于豫西石質(zhì)丘陵地帶，特殊的地理位置使得土壤環(huán)境長(zhǎng)期受到煤炭開(kāi)采與水蝕風(fēng)蝕的深刻影響。而長(zhǎng)期煤炭資源開(kāi)采所造成的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，不僅直接影響礦區(qū)周邊丘陵坡地土壤的健康與生態(tài)安全，而且還嚴(yán)重威脅著主導(dǎo)下風(fēng)向的平頂山市城區(qū)的環(huán)境質(zhì)量與生態(tài)系統(tǒng)功能。但是針對(duì)這一區(qū)域污染土壤的健康風(fēng)險(xiǎn)與評(píng)價(jià)研究鮮見(jiàn)報(bào)道，作者曾研究過(guò)這一區(qū)域受采礦行為影響的丘陵坡地土壤的重金屬分布及污染特征，但其土壤重金屬污染的健康風(fēng)險(xiǎn)還有必要在此基礎(chǔ)上做進(jìn)一步深入評(píng)估。因此，本文以平頂山礦區(qū)平煤四礦周邊的丘陵坡地為研究對(duì)象，以分析特殊地形條件下煤炭開(kāi)采對(duì)土壤重金屬污染健康風(fēng)險(xiǎn)的影響特點(diǎn)及規(guī)律，為污染土壤的修復(fù)及污染防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于豫西石質(zhì)丘陵區(qū)(33°08′～34°20′N，112°14′～113°45′E)，為北亞熱帶向暖溫帶過(guò)渡的大陸性季風(fēng)氣候，6～8月份盛行南風(fēng)或偏南風(fēng)，其他月份以北風(fēng)或偏北風(fēng)為主，年均氣溫為14.7℃，年均降雨量為759 mm。土壤具有典型的過(guò)渡性，為南方黃紅壤土向北方褐土的過(guò)渡類型，土壤粗骨性比較突出，土層淺薄，多有基巖裸露，土壤厚度多在5～45 cm。

平頂山礦區(qū)主要分布于平頂山市區(qū)北部的丘陵南坡，東西長(zhǎng)約30 km，自1956年以來(lái)共建有大型礦井11對(duì)，為中國(guó)北方重要的煤炭基地。礦區(qū)周邊丘陵多屬剝蝕侵蝕地形，工礦開(kāi)發(fā)以來(lái)的土壤侵蝕速率增大了近2倍，達(dá)到了3750 t/km2。采樣區(qū)為中平能化集團(tuán)四礦所在的擂鼓臺(tái)南坡，母巖為中粗粒石英砂巖、粉砂巖及砂質(zhì)頁(yè)巖。

1.2 樣品采集與處理

結(jié)合研究區(qū)地形分布，以礦區(qū)為中心，分別選取沿坡面變化(A軸)和沿礦區(qū)下風(fēng)向變化(B軸)兩條采樣軸線。A軸為研究主軸線，依據(jù)不同海拔從坡頂至坡底按土地利用類型采樣，每個(gè)樣點(diǎn)采用蛇形取樣法采集多點(diǎn)表層混合樣(0～15 cm)；B軸為研究區(qū)污染主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向(東南方向)，分別在距離礦區(qū)50 m、100 m、200 m、500 m、1000 m和1500 m處(高差相差較小)按蛇形取樣法采集多點(diǎn)表層混合樣。研究區(qū)地形及采樣點(diǎn)位分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)地形及采樣點(diǎn)位分布

1.3 測(cè)試方法

將土樣自然風(fēng)干后研磨，全部通過(guò)2 mm土壤篩；再分取部分樣品繼續(xù)研磨，分別通過(guò)1 mm和0.149 mm土壤篩，備測(cè)。測(cè)試重金屬元素共5種，包括Cu、Zn、Cr、Ni和Pb，采用硝酸-氫氟酸-高氯酸加熱消解，采用火焰分光光度法測(cè)試(日本島津AA-6601F原子吸收分光光度計(jì)，氘燈作背景校正)。

1.4 土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

1.4.1 健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

土壤污染物在遷移過(guò)程中引起的暴露風(fēng)險(xiǎn)是污染土壤健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的核心。參照美國(guó)環(huán)保局(USEPA)推薦的健康風(fēng)險(xiǎn)方法，重金屬經(jīng)暴露途徑進(jìn)入人體后引起的健康風(fēng)險(xiǎn)分為非致癌風(fēng)險(xiǎn)(HQ)和致癌風(fēng)險(xiǎn)(Risk)。

(1)非致癌風(fēng)險(xiǎn)(HQ)見(jiàn)式(1)：

(1)

式中：HQ——非致癌風(fēng)險(xiǎn)；

CDI——慢性日攝入劑量，mg/(kg·d)；

RfD——污染物非致癌參考劑量，mg/(kg·d)。

(2)致癌風(fēng)險(xiǎn)(Risk)見(jiàn)式(2)：

Risk=CDI×SF

(2)

式中：Risk——致癌風(fēng)險(xiǎn)；

SF——污染物致癌斜率因子，mg/(kg·d)。

依據(jù)USEPA風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，Risk值取10-6為可接收致癌水平下限，取10-4為可接收致癌水平上限；對(duì)于非致癌物質(zhì)，當(dāng)HQ>1時(shí)，存在非致癌風(fēng)險(xiǎn)。

1.4.2 暴露途徑及模型

結(jié)合平頂山礦區(qū)丘陵坡地土壤重金屬對(duì)人體的暴露途徑，參照USEPA推薦的暴露模型從經(jīng)口攝入(Ding)、皮膚接觸(Dder)和呼吸接觸(Dinh)這3種途徑進(jìn)行暴露量計(jì)算，人體健康風(fēng)險(xiǎn)暴露途徑及其模型見(jiàn)表1。

表1中暴露參數(shù)依據(jù)US EPA暴露因子手冊(cè)和污染場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則確定，健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)暴露參數(shù)見(jiàn)表2。

重金屬Cu、Zn、Ni和Pb具有慢性非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)，Pb同時(shí)也是可能的化學(xué)致癌物，Cr則具有明確的致癌健康風(fēng)險(xiǎn)。各重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的參考劑量(RfD)和致癌斜率系數(shù)(SF)的具體量值見(jiàn)表3。

表1 人體健康風(fēng)險(xiǎn)暴露途徑及其模型

表3 重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)參考劑量(RfD)和致癌斜率系數(shù)(SF)

注：Cr的參考值采用Cr6+推薦值。這是由于目前USEPA計(jì)劃中尚無(wú)總結(jié)的參考值，而旱作土壤表層Eh一般大于400 mV，土壤中Cr6+約占總鉻的70%，考慮到最大風(fēng)險(xiǎn)原則和預(yù)警作用，故本研究采用 Cr6+的RfD和SF值

2 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

2.1 礦區(qū)丘陵坡地土壤重金屬的健康風(fēng)險(xiǎn)水平

各重金屬在不同暴露途徑下的非致癌風(fēng)險(xiǎn)水平主要集中于10-1～10-6之間，均小于1，說(shuō)明土壤中Cu、Zn、Cr、Ni和Pb元素含量對(duì)當(dāng)前礦區(qū)周邊居民健康未產(chǎn)生非致癌健康影響。在3種暴露途徑中，各重金屬經(jīng)口入途徑所產(chǎn)生的非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)最大，而呼吸途徑風(fēng)險(xiǎn)最小。同時(shí)，兒童經(jīng)口入途徑的非致癌風(fēng)險(xiǎn)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于成人。就兒童口入途徑的不同重金屬HQ值對(duì)比來(lái)看，依大小順序?yàn)镃r>Pb>Ni>Cu>Zn，Cr和Pb的潛在非致癌風(fēng)險(xiǎn)程度較大。平頂山礦區(qū)丘陵坡地土壤重金屬的健康風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)見(jiàn)表4。

由表4可以看出，不同暴露途徑下的土壤Pb的Risk值均小于10-6，致癌風(fēng)險(xiǎn)水平集中在10-7～10-9之間，說(shuō)明平頂山礦區(qū)丘陵坡地土壤Pb污染對(duì)周邊居民健康尚不會(huì)構(gòu)成致癌風(fēng)險(xiǎn)。但是，皮膚接觸與呼吸途徑下的土壤Cr的Risk值均大于10-6，說(shuō)明平頂山礦區(qū)丘陵坡地土壤Cr對(duì)周邊居民健康可產(chǎn)生致癌風(fēng)險(xiǎn)。其中，皮膚接觸途徑的Risk指數(shù)達(dá)到了4.78×10-5，致癌風(fēng)險(xiǎn)程度較大。

表4 平頂山礦區(qū)丘陵坡土壤重金屬致癌與非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

2.2 不同海拔與不同距離條件下土壤重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)分析

依據(jù)前述分析，以致癌風(fēng)險(xiǎn)較明顯的土壤Cr為例，分析其皮膚接觸途徑的Risk指數(shù)在不同海拔與不同距離條件下的分布特點(diǎn)，平頂山礦區(qū)丘陵坡土壤Cr皮膚接觸途徑致癌風(fēng)險(xiǎn)分布如圖2所示。

圖2 平頂山礦區(qū)丘陵坡土壤Cr皮膚接觸途徑致癌風(fēng)險(xiǎn)分布

由圖2(a)可以看出，RiskCr值沿坡面(A軸)在不同海拔處存在顯著差異。在礦區(qū)附近致癌風(fēng)險(xiǎn)最大，這顯然是受礦區(qū)煤炭開(kāi)采活動(dòng)的直接影響。礦區(qū)以下坡面及近坡底附近土壤致癌風(fēng)險(xiǎn)也較高，主要與礦區(qū)粉煤灰、粉塵受長(zhǎng)期的水流沖刷及風(fēng)力近距離沉降影響沿坡面向下遷移、積累有關(guān)。相反，在礦區(qū)以上坡面RiskCr值隨著海拔上升趨于減小，但在海拔為394～434 m之間的近坡頂附近出現(xiàn)了明顯的峰值，土壤致癌風(fēng)險(xiǎn)增大。這一結(jié)果與重金屬元素等在此處的小幅累積相似，這與礦區(qū)所產(chǎn)生的粉煤灰等通過(guò)氣流的高空傳輸、地形阻滯截留和沉降有關(guān)。

由圖2(b)可以看出，礦區(qū)下風(fēng)向(B軸)不同距離處RiskCr值在礦區(qū)附近最大，且隨距離增大而迅速減小，在距離礦區(qū)下風(fēng)向200 m以外RiskCr值趨于穩(wěn)定，這主要與礦區(qū)煤炭開(kāi)采活動(dòng)中粉煤灰和粉塵的傳播有關(guān)。

3 結(jié)論

從致癌與非致癌兩方面對(duì)平頂山市礦區(qū)丘陵坡地土壤的健康風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)行了評(píng)估，得出以下結(jié)論：

(1)所測(cè)試Cr、Pb、Ni、Cu和Zn這5種元素中，僅Cr對(duì)礦區(qū)周邊居民健康產(chǎn)生致癌風(fēng)險(xiǎn)，其暴露途徑以皮膚接觸為主。但這5種元素均沒(méi)有產(chǎn)生非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)，各元素潛在非致癌健康的風(fēng)險(xiǎn)大小依次為Cr>Pb>Ni>Cu>Zn，經(jīng)口攝入是非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)的主要暴露途徑。

(2)在不同海拔下，礦區(qū)附近坡面土壤Cr致癌風(fēng)險(xiǎn)最大，礦區(qū)以下坡面及坡底附近也較高，礦區(qū)以上坡面風(fēng)險(xiǎn)降低，但在近坡頂附近健康風(fēng)險(xiǎn)明顯增大。礦區(qū)下風(fēng)向土壤Cr致癌風(fēng)險(xiǎn)隨距離迅速減小，并在距離礦區(qū)下風(fēng)向200 m以外趨于穩(wěn)定。其變化主要與礦區(qū)長(zhǎng)期的煤炭開(kāi)采活動(dòng)所釋放的有害重金屬元素的坡面徑流遷移、高空氣流傳輸、地形阻滯和沉降有關(guān)。

(3)通過(guò)沿坡面不同海拔處與礦區(qū)下風(fēng)向不同距離處兩條軸線對(duì)礦區(qū)周邊土壤重金屬污染的健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，以線代面，反映了平頂山礦區(qū)丘陵坡地土壤重金屬污染的健康風(fēng)險(xiǎn)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)基于風(fēng)險(xiǎn)土壤重金屬的環(huán)境評(píng)價(jià)更適宜對(duì)特定的污染場(chǎng)地土壤進(jìn)行判斷和識(shí)別，可以為當(dāng)?shù)鼐用竦慕】堤峁┳銐虻谋Ｕ?，其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的結(jié)果也更有指導(dǎo)意義。

不足的是，本研究結(jié)果僅是針對(duì)所測(cè)試的5種重金屬元素所得出，其他未測(cè)試元素可能也會(huì)產(chǎn)生健康風(fēng)險(xiǎn)，而且本次評(píng)估缺乏對(duì)多種重金屬毒性復(fù)合效應(yīng)的考慮，從而增加了評(píng)估結(jié)果的不確定性。因此，本研究只是針對(duì)礦區(qū)周邊土壤健康風(fēng)險(xiǎn)的初步評(píng)估，還有待于進(jìn)一步深入研究。

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(責(zé)任編輯 王雅琴)

HealthriskassessmentofsoilheavymetalinhillyslopingfieldsofPingdingshanminingarea

Chu Chunjie1, Zhou Jinfeng2, Wu Nannan1

(1. College of Tourism and Planning, Pingdingshan University, Pingdingshan, Henan 467000, China; 2. College of Chemistry and Environmental Engineering, Pingdingshan University, Pingdingshan, Henan 467000, China)

Soil in hilly sloping fields of Pingdingshan mining area was used as tested material, and the soil samples were collected from the axes between different altitudes of sloping face and different distances of downwind direction in the mining area respectively, and the contents of soil heavy metals such as Cu, Zn, Cr, Ni and Pb were tested and analyzed. The results showed that the tested heavy metals in hilly sloping fields soil would not had non-carcinogenic health risk, the potential health risks of heavy metals through different exposure approaches were Cr, Pb, Ni, Cu, Zn in order, and ingestion through mouth was the main exposure approach. In contrast, Cr element in the soil had carcinogenic risk to nearby resident's health, and skin contact was the main exposure approach, the variety of soil health risk were mainly associated with the slope runoff migration, high altitude airflow transmission, terrain block and sedimentation of the harmful heavy-metal element released by long-term coal mining activities in mining area.

Pingdingshan mining area, soil heavy metal, health risk, hill

河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(152102310202)，河南省教育廳科技研究重點(diǎn)項(xiàng)目(12B210020)，平頂山學(xué)院高層次人才資助項(xiàng)目(PXY-BSQD-2017004)

楚純潔，周金風(fēng)，吳楠楠. 平頂山礦區(qū)丘陵坡地土壤重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].中國(guó)煤炭，2017，43(8)：153-157. Chu Chunjie, Zhou Jinfeng, Wu Nannan. Health risk assessment of soil heavy metal in hilly sloping fields of Pingdingshan mining area[J].China Coal，2017，43(8)：153-157.

X825

A

楚純潔(1978-)，男，河南葉縣人，博士，副教授，主要從事生態(tài)環(huán)境演變及治理研究。