三種土地利用方式下貴州省土壤重金屬污染特征及風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

饒 靜，許 佳

（遵義生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，貴州遵義 563000）

土壤重金屬累積具有復(fù)雜性、隱蔽性、滯后性和長期性等特性，并經(jīng)過不同方式遷移、最終浸入土壤，導(dǎo)致表層土壤重金屬元素不同程度的富集[1]。研究不同土地利用類型中土壤重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和人體健康風(fēng)險(xiǎn)，對于定量分析土壤重金屬污染對生態(tài)和人體的影響，以及不同土地利用類型區(qū)的土壤污染防治和治理具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省畢節(jié)市，地勢為西部較高，東部較低；氣候?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候，常年氣溫為10～15 ℃，降雨量為849～1 399 mm，耕地土壤pH 均值在7.04～7.33。土壤類型主要有石灰土、粗骨土、沼澤土、黃壤、棕壤、黃棕壤、山地草甸土、紫色土、水稻土等。

1.2 樣品的采集和處理

1.2.1 樣品采集

在研究區(qū)分別選取3個(gè)類型的樣地，分別為林地、農(nóng)用地、撂荒地，每一樣地參照“S”型挑選3個(gè)點(diǎn)位（A、B、C），采0～20 cm 的表層土壤。首先剔除雜質(zhì)，然后進(jìn)行混合，在再行四分，取1 kg 的土壤，共9個(gè)樣品，用聚乙烯密封袋貼標(biāo)簽封裝。

1.2.2 樣品處理

樣品送到實(shí)驗(yàn)室，平攤在室溫條件下自然風(fēng)干，風(fēng)干過程中不斷翻動(dòng)土壤，確保土壤完全干透。風(fēng)干后的土壤首先通過100 目尼龍篩，除去土壤中雜質(zhì)；接著用瑪瑙研缽研磨，研磨后的土壤按要求取500 g分析樣放入磨砂玻璃廣口瓶中保存，用于檢測土壤樣品中的重金屬含量。先稱量0.5 g樣品，將稱取的樣品倒入聚四氟乙烯坩堝中，依次在樣品中加入鹽酸、硝酸、高氯酸、氫氟酸，在電熱板上加熱消解；待溶液被分解至黏稠，待其冷卻，用5%的稀硝酸定容至50 mL 后過濾；再用一次性注射器提取過濾后的溶液，在通過0.45 μm 濾膜后用于測試。用原子吸收分光光度法（AAS）測定重金屬Cu、Zn、Ni、Cr、As、Mn的含量，用原子熒光光度法（AFS）測定重金屬As 的含量，每個(gè)樣品重復(fù)測量3次。

1.3 評價(jià)方法

1.3.1 潛在生態(tài)評價(jià)方法

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)涉及到單項(xiàng)污染系數(shù)、重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)單項(xiàng)系數(shù)，其計(jì)算公式如下。

式中：RI為潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；為金屬元素i的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)單項(xiàng)系數(shù)；為金屬元素i的毒性響應(yīng)系數(shù)；為金屬元素i的單項(xiàng)污染系數(shù)；Ci是土壤中金屬元素i的濃度實(shí)測值，是金屬元素i的背景值，mg·kg-1。

1.3.2 人體健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法

計(jì)算成人和兒童通過3 種途徑攝取潛在有毒重金屬的平均每日劑量的公式[2]如下。

式中，ADDing為每日經(jīng)過口攝取所吸收的金屬的劑量；ADDinh為每日經(jīng)過呼吸吸入所吸收的金屬的劑量；ADDdermal為每日經(jīng)過皮膚接觸所吸收的金屬的劑量。再利用非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（HQ）、總非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（HI）和致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（CR）評價(jià)重金屬對人體造成的非致癌和癌癥風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)算公式如下。

式中，ADDij為i重金屬在第j種暴露途徑下的日均暴露量，參考劑量RfDij是指非致癌重金屬i在j種暴露途徑下不會(huì)對兒童和成人造成有害影響的每日吸收金屬的最大劑量，具體參數(shù)如表1[3-7]所示。

表1 6種金屬的參考劑量 單位：mg·kg-1·d-1

若經(jīng)手-口、呼吸、皮膚接觸3種途徑的平均每日劑量小于或等于對應(yīng)的參考劑量，也就是說HQ≤1，那么就說明該種途徑下某種特定金屬不會(huì)對人體產(chǎn)生任何非致癌的風(fēng)險(xiǎn)；相反，若ADI＞RfD，即HQ＞1 時(shí)，就會(huì)對人體產(chǎn)生明顯的非致癌風(fēng)險(xiǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用類型土壤重金屬含量描述性統(tǒng)計(jì)

從表2 可以看出該研究區(qū)重金屬Cu、Mn、Cr、Zn、Ni含量均超過貴州省各元素背景值，只有重金屬As 含量未超過貴州省As 元素背景值。從圖1 可以得出，從單一重金屬含量來看，在農(nóng)用地中重金屬Cu、Cr、Zn、Mn、Ni的含量最高，重金屬As的含量最低；在撂荒地中重金屬As 的含量最高，重金屬Cu、Mn、Zn、Ni的含量最低；在林地中重金屬Cr含量最低，重金屬As的含量最高。

圖1 不同土地利用類型下的重金屬含量圖

表2 土壤重金屬含量表

變異系數(shù)是重金屬元素的含量的標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值，通常用變異系數(shù)代表重金屬含量在研究區(qū)土壤中離散程度，變異系數(shù)越大，表明該重金屬元素的含量在該區(qū)域離散程度越高，也就說明該金屬在土壤中分布得越不均勻，因而很有可能是人為活動(dòng)導(dǎo)致這種情況的出現(xiàn)[8]。一般情況下，變異系數(shù)≤25%屬于輕微變異、變異系數(shù)25%～50%屬于中度變異、變異系數(shù)≥50%屬于高度變異[9]。表2中Mn、Zn、Ni、Cr的含量分別為343.00～995.00、70.00～150.50、34.50～70.05、41.85～157.55 mg·kg-1，變異系數(shù)分別為28%、27%、23%、40%，呈中度變異；As 和Cu 的含量分別為1.53～19.22、23.90～134.70 mg·kg-1，呈高度變異，表明該研究區(qū)的土壤重金屬含量分布不均勻，受人為干擾大。

2.2 潛在生態(tài)危害評價(jià)

從數(shù)據(jù)分析來看，詳見表3，農(nóng)用地土壤重金屬的Ei從高到低依次為Cu、Ni、As、Cr、Zn、Mn，林地土壤重金屬的Ei從高到低依次為Cu、As、Ni、Cr、Zn、Mn，撂荒地土壤重金屬的Ei從高到低依次為Cu、As、Ni、Cr、Zn、Mn。從綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI來看，此調(diào)查區(qū)RI 變化范圍為16.84～55.66，均值36.21，說明此研究區(qū)域具有低等強(qiáng)度的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，其中ECu、ENi對綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI 的貢獻(xiàn)率分別約為50%、40%，二者之和超過90%，可見，Cu和Ni是各土地利用類型潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最大的2個(gè)貢獻(xiàn)因子。從不同土地利用類型來看，綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI從高到低依次為農(nóng)用地、林地、撂荒地，其中潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最高的ECu、ENi也與RI一致。

2.3 人體健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

2.3.1 非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

由表4、表5 可見，3 種土地利用類型6 種重金屬成人和兒童的HQ（非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)）小于1，不存在非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)。從暴露途徑來看，除Mn的HQ 是從高到低排列為經(jīng)口攝入、呼吸吸入、皮膚接觸外，其余重金屬的HQ 都是，從高到低排列為經(jīng)口攝入、皮膚接觸、呼吸吸入。從不同土地利用類型來看，關(guān)于成人的3 種土地利用類型HI 從高到低分別為農(nóng)用地、撂荒地、林地，其中Cu、Ni、As 和Mn 的HQ 從高到低分別為農(nóng)用地、林地、撂荒地，Cr 和Zn 的HQ 從高到低分別為農(nóng)用地、撂荒地、林地；關(guān)于兒童的3 種土地利用類型HI從高到低分別為林地、撂荒地、農(nóng)用地，其中Cu、Ni、As、Zn 和Mn 的HQ 從高到低分別為農(nóng)用地、林地、撂荒地，Cr 的HQ 從高到低分別為撂荒地和林地等同，大于農(nóng)用地。從單一污染物來看，Cr 是各土地利用類型土壤重金屬HQ 的最主要影響因子，在農(nóng)用地中的成人為3.14×10-2，在林地和撂荒地中的兒童為0.22。在成人和兒童的非致癌總風(fēng)險(xiǎn)中，Mn、Cr、As 的貢獻(xiàn)率占比較大，則Mn、Cr、As是各土地利用類型非致癌風(fēng)險(xiǎn)最大的3個(gè)貢獻(xiàn)因子。

表4 不同土地利用類型土壤重金屬的暴露途徑及非致癌風(fēng)險(xiǎn)（成人）

表5 不同土地利用類型土壤重金屬的暴露途徑及非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)（兒童）

2.3.2 致癌健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

從表6 中可得，從暴露途徑來看，調(diào)查區(qū)內(nèi)As 的CR 從高到低表現(xiàn)為：經(jīng)口攝入、皮膚接觸、呼吸吸入，Cr 和Ni 考慮兩種暴露途徑，其CR 從高到低表現(xiàn)為經(jīng)口攝入、呼吸吸入。從不同土地利用類型來看，3 種土地利用類型的TCR 從高到低表現(xiàn)為農(nóng)用地、林地、撂荒地。從單一污染物來看，不同重金屬的CR從高到低表現(xiàn)為Ni、Cr、As，兒童和成人Ni 的CR 對TCR 的貢獻(xiàn)率占比大，所以Ni也是各土地利用類型最主要的致癌風(fēng)險(xiǎn)因子。As、Ni、Cr 的致癌風(fēng)險(xiǎn)已達(dá)到較高水平，應(yīng)引起重視。

表6 不同土地利用類型土壤重金屬的暴露途徑及致癌健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

3 結(jié)論

1）該研究區(qū)重金屬Cu、Mn、Cr、Zn、Ni 含量均超過貴州省各元素背景值，只有重金屬As含量未超過貴州省As元素背景值。

2）重金屬Cu、Zn、Ni 的含量在農(nóng)用地、林地、撂荒地這三種土地利用類型下均是在農(nóng)用地中含量最高，由于Cu、Ni、Zn 是植物生長必需的重金屬元素,受人類活動(dòng)（施肥、農(nóng)藥的使用）干擾大。重金屬As的含量在林地中最高，這與土壤質(zhì)地有關(guān)。

3）該研究區(qū)的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI 變化范圍為16.84～55.66，均值36.21，表明此區(qū)域具有低等強(qiáng)度的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI從高到低表現(xiàn)為農(nóng)用地、林地、撂荒地，Cu、Ni是各土地利用類型潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最大的2個(gè)貢獻(xiàn)因子。

4）3種土地利用類型中土壤的As、Ni、Cr的TCR從高到低表現(xiàn)為：農(nóng)用地、林地、撂荒地，表明As、Ni、Cr 已經(jīng)存在較高的致癌風(fēng)險(xiǎn)，Ni也是各土地利用類型最主要的致癌風(fēng)險(xiǎn)因子。