土壤重金屬元素分布與生態(tài)風(fēng)險評價研究

高心怡，鄭雨爽，嵇靈燁，陶 鐘

（1.浙江瑞博思檢測科技有限公司，浙江 杭州 310000；2.納海環(huán)境科技股份有限公司，浙江 杭州 310000；3.浙江傳超環(huán)?？萍加邢薰?，浙江 杭州 311100；4.杭州通標(biāo)環(huán)境檢測技術(shù)有限公司，浙江 杭州 311200）

0 引言

生活廢棄物胡亂填埋、農(nóng)藥過量使用與工業(yè)氣體排放為當(dāng)前區(qū)域土壤重金屬元素的重要來源。工業(yè)生產(chǎn)中的廢水與廢氣會產(chǎn)生大量重金屬元素，而該類元素又借助降雨、降塵形式進(jìn)入土壤中，隨著進(jìn)入時間的增加對土壤造成的傷害也帶有不可逆性質(zhì)，要對該類污染物的元素數(shù)量與分布狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)檢測、處理。

1 土壤重金屬元素分布特點(diǎn)

1.1 收集樣品

為更好地探究區(qū)域土壤重金屬元素分布特點(diǎn)，相關(guān)部門詳細(xì)了解與掌握了區(qū)域農(nóng)田、工業(yè)中土壤重金屬元素的主要類型，其以鎘、鋅、鉛與銅等重金屬元素為主，文中分別用Cd、Zn、Pb、Cu 等符號來表示。操作人員要科學(xué)收集土壤內(nèi)部不同重金屬元素樣品，利用樣品檢測來找尋出各項重金屬元素的分布情況。具體來看，操作人員可挑選10 塊面積相同的土地，挖出土壤剖面，設(shè)計出標(biāo)準(zhǔn)的土壤檢測樣塊，在各項樣塊內(nèi)合理設(shè)置土壤元素含量檢測深度，可將深度劃分成40～60cm、20～40cm、0～20cm 等。在完成土壤樣品的收集工作后，要將相同深度的樣品開展適當(dāng)混合，再根據(jù)合適的取樣方法來清理土壤樣品中的各項雜質(zhì)，將土壤樣品研磨碾碎以后，借助尼龍篩開展過濾工作，以確認(rèn)土壤重金屬元素分布特征探究的準(zhǔn)確性[1]。

1.2 垂直分布特點(diǎn)

在全面了解區(qū)域土壤重金屬元素垂直分布特征時，可發(fā)現(xiàn)Cd、Zn、Pb、Cu 等元素的分布特征存在較大區(qū)別，要進(jìn)行合理記錄。例如，農(nóng)田中土壤重金屬元素多為Zn、Pb 與Cu，Zn 會出現(xiàn)在40～60cm、20～40cm、0～20cm 等不同區(qū)域內(nèi)；Pb 與Cu 則多產(chǎn)生在0～20cm 的深度區(qū)域中，其3 種元素含量都隨著深度的增加而縮減，即上述污染物質(zhì)多出現(xiàn)在表層土壤中，要采用合適的處理方法加以控制，確保區(qū)域土壤整體質(zhì)量。

1.3 水平分布特點(diǎn)

在充分了解了土壤重金屬元素垂直分布特征后，還要觀察各項元素的水平分布特征。一般來講，水平分布特征的檢測需用到變異系數(shù)，要對變異系數(shù)的變化范圍進(jìn)行合理規(guī)范。借助合適的檢測手段，相關(guān)部門了解到區(qū)域Cd、Zn、Pb、Cu 等元素的變異系數(shù)分別為0.63、0.55、0.52、0.42，可看出上述重金屬元素的變異系數(shù)都處在較高水平，即變異速度較快、變異范圍較大。由于Cd、Zn、Pb、Cu 等重金屬元素的變異系數(shù)較高，全部處在快速變化中，可說明土壤內(nèi)部不同重金屬的集中程度較弱，即水平分布處在不均勻狀態(tài)。相關(guān)部門在合理了解與掌握土壤重金屬元素垂直與水平的分布特征后，要根據(jù)合適方法精準(zhǔn)掌握不同金屬元素所形成的生態(tài)風(fēng)險，將生態(tài)風(fēng)險評價控制在理想范圍中。

2 土壤重金屬元素生態(tài)風(fēng)險評價設(shè)計

2.1 明確生態(tài)風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)

為明確土壤重金屬元素的生態(tài)風(fēng)險，操作人員在開展生態(tài)風(fēng)險評價設(shè)計前，要確認(rèn)生態(tài)風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)。仍以上文Cd、Zn、Pb、Cu 等重金屬元素為例，該類元素的實(shí)際含量極易出現(xiàn)超標(biāo)情況，要利用合適的檢測方法，確認(rèn)不同重金屬含量范圍，通過與生態(tài)風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)的詳細(xì)比較后，確認(rèn)各項重金屬元素的超標(biāo)數(shù)值，找尋出合適的風(fēng)險控制方法。具體來看，當(dāng)前Cd、Zn、Pb、Cu 等重金屬元素的生態(tài)風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)為0.3、200、70、50，而在完成不同元素的含量檢測后，可發(fā)現(xiàn)其具體含量分別為0.59、156.23、92.36、59.32，除Zn 元素外，Cd、Pb、Cu 等重金屬元素含量都出現(xiàn)明顯增長，極大影響土壤內(nèi)部含量的合理性，降低土壤整體質(zhì)量。在明確Cd、Zn、Pb、Cu 等重金屬元素在土壤中的具體含量后，要及時探索不同含量超標(biāo)后形成的風(fēng)險隱患，再將不同類型的生態(tài)隱患引入生態(tài)風(fēng)險評價中，確保區(qū)域土壤檢測工作的整體質(zhì)量。當(dāng)前操作人員要借助生態(tài)風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)規(guī)劃區(qū)域內(nèi)部不同位置土壤重金屬元素含量，再詳細(xì)開展生態(tài)風(fēng)險指標(biāo)的評價工作，確認(rèn)土壤樣品應(yīng)用效果[2]。

2.2 檢測土壤樣品

相關(guān)部門在開展土壤重金屬元素生態(tài)風(fēng)險評價時，為提升風(fēng)險評價的準(zhǔn)確性，要科學(xué)執(zhí)行不同土壤樣品的含量質(zhì)量檢測工作。操作人員在該區(qū)域內(nèi)選擇了土壤含量檢測的樣品，采樣深度在0～20cm，且相同位置的樣點(diǎn)要維持在5 個，確保該項數(shù)值的準(zhǔn)確性、規(guī)范性。還要在正式檢測土壤樣品前，將不同位置的土壤進(jìn)行科學(xué)混合，待各類土壤樣品內(nèi)部性能指標(biāo)較一致后，可將其帶入試驗(yàn)室中。

土壤樣品處理前，要科學(xué)除去土壤樣品內(nèi)部的各項雜質(zhì)，將各種樣品進(jìn)行磨碎風(fēng)干，并將其分別放置到試驗(yàn)用的小袋中，為此后土壤檢測工作打下較好基礎(chǔ)。操作人員將0.5g 的土樣投放到50mL 容量的比色管內(nèi)，借助少量水來加強(qiáng)土壤濕潤度，避免土壤產(chǎn)生不完全消解現(xiàn)象[3]。還要在土壤與水混合的過程中添加鹽酸硝酸混合類試劑，該試劑容量約在10mL 左右，攪勻煮沸并靜置2h 后，可取出冷卻后的土壤樣品，為此后土壤重金屬元素含量檢測提供充分準(zhǔn)備。進(jìn)行土壤樣品各項重金屬元素含量檢測期間，要明確土壤內(nèi)部Cd、Zn、Pb、Cu 等重金屬元素標(biāo)準(zhǔn)檢測方法，將標(biāo)準(zhǔn)光度計運(yùn)用到不同重金屬元素含量檢測中，高效提取土壤內(nèi)部各項重金屬元素，圖1 為土壤樣品檢測過程，明確含量變化范圍。操作人員還可借助電熱板加熱法來逐漸消解土壤中不同重金屬元素含量，利用微波形式完成消除工作后，將各項樣品重新放置到比色管內(nèi)，再合理探測比色管中各項重金屬元素含量的變化范圍，將不同重金屬元素數(shù)值控制在一定范圍中。相關(guān)部門還要采取全譜光譜儀進(jìn)行Cd、Zn、Pb、Cu 等重金屬元素含量的讀取工作，并在測試分析時合理運(yùn)用平行樣品、空白樣品，對不同類型樣品中的土壤物質(zhì)進(jìn)行質(zhì)量控制。在完成Cd、Zn、Pb、Cu 等重金屬元素含量檢測工作后，要根據(jù)不同元素含量的變化范圍，確認(rèn)其出現(xiàn)的生態(tài)風(fēng)險。

圖1 土壤檢測過程

2.3 開展風(fēng)險評價

開展區(qū)域土壤重金屬元素生態(tài)風(fēng)險評價前，要找尋出合適的風(fēng)險評價方法。當(dāng)前評價土壤重金屬元素生態(tài)風(fēng)險的方法包含潛在生態(tài)危害指數(shù)法與內(nèi)梅羅指數(shù)法，操作人員通過合適的分析與判斷，將前者當(dāng)成當(dāng)前生態(tài)風(fēng)險評價的有效方法，將土壤重金屬元素中的敏感性、毒性、含量與種類等內(nèi)容進(jìn)行合理比對，繼而得到較為準(zhǔn)確的土壤質(zhì)量，該項方法帶有精準(zhǔn)、快速與簡便等優(yōu)勢，可增加該方式的應(yīng)用頻率[4]。在設(shè)計區(qū)域土壤重金屬元素生態(tài)風(fēng)險評價期間，要明確重金屬元素中潛在生態(tài)的危害指數(shù)、潛在危害參數(shù)、潛在生態(tài)的富集系數(shù)等，利用對該類數(shù)值的合理規(guī)范，確保生態(tài)風(fēng)險評價整體質(zhì)量。

在探究潛在生態(tài)富集系數(shù)時，可對某污染元素進(jìn)行富集系數(shù)測試，明確污染元素中的富集系數(shù)，繼而獲取土壤重金屬元素實(shí)際測試值。還要在區(qū)域土壤重金屬元素生態(tài)風(fēng)險評價期間，設(shè)置出不同類型的生態(tài)污染等級，例如，將污染等級系數(shù)劃分到6，0～1 為輕度污染、1～3 為中度污染、3～6 位重度污染、6 以上為較嚴(yán)重污染等，操作人員可根據(jù)各項數(shù)值來判斷區(qū)域生態(tài)污染的嚴(yán)重程度。

觀察本文中Cd、Zn、Pb、Cu 等重金屬元素時，可發(fā)現(xiàn)其生態(tài)富集系數(shù)分別為6.78、2.67、2.54、1.78，即Cd富集系數(shù)在6 以上，屬嚴(yán)重污染；剩余重金屬元素富集系數(shù)多在1～3，即為中度污染。操作人員還要對區(qū)域土壤重金屬元素生態(tài)潛在危害進(jìn)行合理計算，率先測算出不同重金屬元素的危害風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)值，根據(jù)重金屬元素內(nèi)部毒性響應(yīng)狀態(tài)可知，Cd、Zn、Pb、Cu 等重金屬元素的毒性響應(yīng)系數(shù)分別為30、1、5、5，再根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)來測算重金屬元素毒性響應(yīng)值，其具體數(shù)值分別為31.65、1.54、5.65、9.65，即重金屬元素中的毒性均超出測試標(biāo)準(zhǔn)，土壤內(nèi)部毒性已達(dá)到較高水平。操作人員要詳細(xì)分析不同區(qū)域土壤重金屬元素毒性的變化范圍，為此后的科學(xué)處理提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

2.4 分析重金屬元素生態(tài)風(fēng)險

在詳細(xì)探究Cd、Zn、Pb、Cu 等重金屬元素的生態(tài)風(fēng)險評價前，要明確當(dāng)前各項重金屬元素整體分布狀態(tài)。為更好地統(tǒng)計出土壤內(nèi)部重金屬元素的具體含量，要在實(shí)際檢測中明確Cd、Zn、Pb、Cu 等重金屬元素的極小值、極大值、標(biāo)準(zhǔn)差與平均差等，利用對各項系數(shù)的全方位規(guī)范，了解到各項土壤重金屬含量值。應(yīng)用潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法時，合理運(yùn)用生態(tài)風(fēng)險評價的計算公式，即式（1）：

式中：Tir——重金屬毒性的響應(yīng)系數(shù)；Eir——重金屬元素i 的潛在生態(tài)風(fēng)險；Pi——重金屬元素i 中的因子污染系數(shù)；i——具體的重金屬元素。

在分析不同重金屬元素生態(tài)風(fēng)險評價時，已知Cd、Zn、Pb、Cu 等重金屬元素的毒性系數(shù)，即30、1、5、5。

操作人員還要將潛在生態(tài)危害指數(shù)與因子污染系數(shù)劃分成不同等級，根據(jù)各項等級來確認(rèn)相關(guān)因子的污染程度，確認(rèn)Cd、Zn、Pb、Cu 等重金屬元素的生態(tài)污染狀態(tài)。例如，當(dāng)Eir在40 以內(nèi)，且潛在風(fēng)險指數(shù)在150以下時，重金屬元素的生態(tài)風(fēng)險程度處在“低”等級中；若Eir在40～80，且潛在風(fēng)險指數(shù)維持在150～300，則重金屬元素的生態(tài)風(fēng)險程度為“中”等級；當(dāng)Eir在80～160，且潛在風(fēng)險指數(shù)維持在300～600 時，重金屬元素的生態(tài)風(fēng)險程度為“高”等級，將不同重金屬元素生態(tài)危險程度把控在理想范圍中。操作人員還要為Pi設(shè)計出合適的污染等級，將污染等級劃分為Pi＜1、Pi為1～2、Pi為2～3、Pi＞3，其具體的污染程度分別為警戒線、輕度、中度、重度，確保潛在生態(tài)危害計算的準(zhǔn)確性。文中項目中Cd、Zn、Pb、Cu 等重金屬元素的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.06、12.26、2.84、4.75，在全面了解不同重金屬元素中各項具體的污染指數(shù)后，明確區(qū)域土壤污染范圍，并設(shè)計出合適的重金屬元素生態(tài)風(fēng)險處理方法，提升風(fēng)險危害處理的科學(xué)性。

2.5 改進(jìn)措施

在全面了解區(qū)域土壤重金屬元素生態(tài)風(fēng)險評價后，根據(jù)其出現(xiàn)的不同風(fēng)險，要采用合適的改進(jìn)方法，降低各類重金屬元素對區(qū)域土壤形成的更大風(fēng)險。

首先，區(qū)域內(nèi)部要縮減工業(yè)氣體排放數(shù)量，找尋出合適的工業(yè)廢氣廢水排放方法，將排放過程中生出的重金屬元素排放量、含量把控在標(biāo)準(zhǔn)范圍中。同時，還要合理開展生活廢棄物處理與農(nóng)藥使用，不斷提升農(nóng)藥應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，減少農(nóng)藥使用數(shù)量，借助該項舉措來遏制土壤重金屬元素生態(tài)風(fēng)險的源頭，合理控制酸性土壤中的各項指標(biāo)，酸性土壤具體狀態(tài)如圖2 所示[5]。

圖2 酸性土壤

其次，操作人員還要定期開展土壤修復(fù)與檢測工作，其應(yīng)用的土壤質(zhì)量檢測儀器如圖3 所示。在明確區(qū)域土壤內(nèi)部重金屬元素污染的具體類型后，增加土壤修復(fù)方法的應(yīng)用頻率，將化學(xué)修復(fù)法與生物修復(fù)法充分結(jié)合，切實(shí)減少土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險的產(chǎn)生次數(shù)。在完成定期的土壤檢測與修復(fù)工作后，還要對土壤修復(fù)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理記錄，精準(zhǔn)評價當(dāng)前區(qū)域土壤不同重金屬元素分布特征與產(chǎn)生的具體危害，確保土壤重金屬污染的處理效果。

圖3 土壤質(zhì)量檢測儀器

最后，為提升土壤重金屬元素生態(tài)風(fēng)險控制效果，還要改變區(qū)域人群的生態(tài)風(fēng)險控制意識，在業(yè)余時間開展合適的環(huán)境教育，使區(qū)域內(nèi)部人群養(yǎng)成較佳的環(huán)境保護(hù)意識，在該項意識的全面引領(lǐng)下，科學(xué)保護(hù)地區(qū)土壤資源。

3 結(jié)語

綜上所述，在開展土壤重金屬元素生態(tài)風(fēng)險評價時，要合理探究各項重金屬元素的分布特征與具體含量，再根據(jù)上述數(shù)值來比照生態(tài)風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)，確認(rèn)區(qū)域內(nèi)部的生態(tài)風(fēng)險類型，再根據(jù)土壤重金屬元素的生態(tài)風(fēng)險現(xiàn)狀來給出合適的風(fēng)險解決方案，確保不同重金屬元素生態(tài)風(fēng)險設(shè)計的合理性、科學(xué)性。