色連礦區土壤重金屬生態健康風險評價

＊徐守明 潘忠德 何宏康

（鄂爾多斯市中北煤化工有限公司色連煤礦 內蒙古 017008）

隨著工業的發展，礦產資源的開采力度也在加大。煤礦開采時會破壞當地原有的水文地質條件及其生態環境，從而導致一系列的環境、生態及經濟問題[1]，如：土壤環境污染問題。在礦產工業開采流程中產生的廢氣、固廢等會以沉降、淋溶等多種方式進入土壤環境，導致重金屬的累積，并在土壤-植物系統中遷移后借助食物鏈傳遞，最終匯集到人體，危害人體健康[2]。聶錦霞等[3]對贛南西華山鎢礦區周邊土壤進行研究，結果表明土壤Cd污染嚴重，對人體存在較大的健康風險。M.Farhad Howladar等[4]研究證明孟加拉當地煤礦周邊農田土壤中的Mn、Zn、Pb等重金屬含量均超標。Nezhada等[5]使用內梅羅指數法對阿瓦士市鋼廠周邊的土壤進行污染現狀分析評價。

本研究所選取礦區主要采用井工開采方式，開采過程中當地環境受到破壞、煤炭運輸途中的散落、飛散等都會使地表土壤的重金屬含量增加。為了能更好地保護煤礦開采地周邊生態環境及居民健康，了解該礦區土壤重金屬的污染程度，對生態健康風險的綜合評估尤為重要。本研究選擇礦區表層土壤中的As、Hg、Cr、Ni、Cu、Cd、Pb七種重金屬進行風險評價對比。

1.研究區與研究方法

(1)研究區概況

研究區礦井田占地面積70.28km2，海拔標高在1440m-1480m之間，為典型的丘陵溝壑區地貌。礦區自然條件較為惡劣，風沙危害劇烈，氣溫峰值達30.97℃，下限為-24.12℃，年均降雨量為388mm左右。風向則多以西北風為主，整年最大風速21m/s左右，平均風速為2.3m/s。礦區內沒有湖泊、河流等大型水域，但溝谷發育完全，礦區土類主要可由風沙土、粗骨土和栗鈣土組成。此外，調研發現礦區內有明顯的地表沉陷并伴隨有因植被破壞而導致的土壤資源流失、沙化現象。

(2)樣品采集與測試

根據土壤環境監測技術規范（HJ-T166-2004）[6]等相關標準，依據礦區分布在研究區使用系統布點法進行采樣，設置采樣點位42個，基本可以覆蓋整個礦區。每個點位采集0-10cm地表土壤約1kg，記錄各點位GPS坐標（經、緯度坐標）、周圍植被覆蓋情況、土壤質地現場粗測定等。土壤樣品采樣后用塑料自封袋封存，做好點位編號，盡快送回實驗室檢測。

采集后的土壤樣品放置于自封袋中密封保存后立即送回實驗室。

所采集的土壤樣品先去除大塊，包括難以碾碎的石塊、草根樹根和植物殘體等，之后轉移到土壤風干盤中自然風干一周，風干后用瑪瑙研缽對土壤進行研磨，再將研磨后的土壤樣品過100目（0.154mm）塑料篩。最后用塑料自封袋留存備用。取過篩后的土壤樣品0.5000g于35mL聚四氟乙烯坩堝中，加入10mL HF除硅后再加入5mL HNO3和10mL HClO4，加蓋置于通風櫥里冷消化一夜；第二天完成消解，消解完全后制得待測液。再用原子吸收法測定各重金屬含量。

(3)研究方法

①地累積指數法[7]

地累積指數（Geoaccumulation Index，Igeo）可以量化河流底部沉積物以及土壤中重金屬污染程度。其計算公式如下：

式中：Ci—重金屬含量實測值，mg·kg-1；

Bi—重金屬的地球化學背景值，mg·kg-1。

土壤污染分級標準見表1。

表1 地累積指數法土壤污染分級標準

續表

②潛在生態風險評估[8-9]

某地域上多個污染源潛在的生態危害系數的綜合值可由潛在生態危害指數法得出，其計算公式如下：

表2 內蒙古土壤背景值

其中重金屬As、Hg、Cr、Ni、Cu、Cd、Pb的Tr分別是10、40、2、5、5、30、5。重金屬潛在生態風險評價標準見表3。

表3 潛在生態風險評價標準

③健康風險評估

暴露劑量計算。該研究使用的健康風險評價方法來自于美國環保署[10]，可以對研究區土壤中重金屬As、Hg、Cr、Ni、Cu、Cd、Pb進行健康風險評價。不同暴露途徑的日均暴露量計算方法如下：

上述公式中C為土壤中重金屬含量，單位為mg·kg-1，其余參數物理意義及取值見表4。

表4 人體健康風險評價參數取值

根據土壤中重金屬含量及口、呼吸及皮膚接觸的值，對重金屬分別進行非致癌及致癌風險評價。本研究對As、Cr、Cd進行致癌風險評價，對Hg、Ni、Cu、Pb進行非致癌風險評價，計算公式如下：

式中，HQi為單一重金屬非致癌風險；HI為不同暴露途徑下總非致癌風險；THI為總非致癌風險指數；RfDij為非致癌重金屬不同暴露途徑的參考劑量；CRi是單一重金屬致癌風險值；TCR是總致癌風險值；SFij是致癌斜率系數。

各重金屬的RfD及SF參考值見表5。美國環境保護署（USEPA）規定當總非致癌風險指數HI值小于1時，說明風險較小或者可忽略，HI值大于1時，表示可能存在潛在風險，且值越大，對人體產生的健康風險程度越高。當CRi值在110-6～110-4范圍內時，是人體可接受的致癌風險水平。

表5 不同暴露途徑下RfD及SF取值

續表

2.結果與討論

(1)地累積指數評價

地累積指數法計算結果如圖1和表6，由圖1可知，42個采樣點中重金屬Cr、Ni、Pb的Igeo均大于5，即重金屬Cr、Ni及Pb達到極強污染的點位有42個，占比100%；Cu達到及強污染的點位有38個，占比90.48%；而Hg與Cd的地累積指數均不超過0，故研究區未受Hg與Cd污染。由表6可得，7種重金屬Igeo大小次序：Cr＞Ni＞Cu＞Pb＞As＞Cd＞Hg，綜上所述，研究區重金屬主要污染因子為Cr、Ni、Pb及Cu。

圖1 各取樣點土壤重金屬地累積指數

表6 地累積指數統計分析

(2)潛在生態風險評估

圖2為各類重金屬對于潛在生態危害指數的貢獻度。潛在生態危害指數法計算結果及各重金屬對潛在生態危害指數的貢獻率如圖2所示，由圖可知該研究區有16個點位重金屬為輕度危害，占比38.10%，中度危害及強危害均有7個點位，各占比16.67%，達到很強生態危害的點位則有12個，占比28.57%，故研究區域半數之上的采樣點潛在危害程度較低，整體危害強度為中等危害。

圖2 潛在生態危害指數及重金屬貢獻率

貢獻率結果表明，貢獻率最大的重金屬為Hg，所占比例達到94.21%，遠超其他重金屬所占比例，說明研究區中對土壤存在潛在危害的主要因子為重金屬Hg。

(3)人體健康風險評估

表7和表8為重金屬對人體健康風險評估結果。對于非致癌風險而言，由表可得七種重金屬的HI兒童都高于HI成人；THI成人為1.11，THI兒童為6.44，都高于1，故研究區存在非致癌風險，且對兒童造成的健康風險更高，其中Hg和Pb為主導元素。對于致癌風險而言，不同重金屬CR成人大小順序為：As（6.57E-05）＞Cr（6.03E-06）＞Cd（3.58E-06），TCR成人值為7.53E-05＜10-4，故不會對成人造成致癌風險。不同重金屬CR兒童大小排序為：As（1.53E-04）＞Cd（8.33E-06）＞Cr（2.69E-06），可見As的CR值超過10-4，故As對兒童存在致癌風險。其中做出主要風險貢獻的為口攝入，As的CR口達到1.52E-04，TCR兒童值為1.64E-04＞10-4，因此研究區土壤重金屬對兒童存在潛在的致癌風險。

表7 土壤重金屬對成人造成的健康風險

表8 土壤重金屬對兒童造成的健康風險

終上所述，重金屬對兒童造成的健康風險普遍高于成人，且結合三種不同暴露途徑下的風險值可發現，所占比重大小為呼吸吸入＜皮膚接觸＜口攝入。

3.結論

地累積指數法研究結果表明：該礦區Cr、Ni、Pb及Cu為主要重金屬污染因子。研究區域半數之上的采樣點位潛在危害程度較低，整體危害強度為中等。其中重金屬Hg污染貢獻值最大。人體健康風險評估結果表明：重金屬對成人及兒童均存在非致癌風險，Pb和Hg是造成兒童非致癌風險的主導元素；As對兒童存在致癌風險，但所測重金屬對成人基本不構成致癌風險。此外，重金屬對兒童造成的健康風險程度比成人高，且口攝入為主要貢獻途徑。