基于雙指標(biāo)多等級的土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

張霖琳，霍曉芹，劉 麗，袁 懋，肖建軍

中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)是預(yù)測土壤中污染物對生態(tài)系統(tǒng)或其中一部分產(chǎn)生有害影響可能性的過程，在風(fēng)險(xiǎn)管理的框架下發(fā)展起來，重點(diǎn)是評估人為活動引起的土壤生態(tài)系統(tǒng)的不利改變，可為土壤風(fēng)險(xiǎn)管理提供可能引起不良生態(tài)效應(yīng)的信息，為環(huán)境決策提供依據(jù)[1]。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)是生態(tài)評價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的綜合體，生態(tài)評價(jià)側(cè)重于暴露評價(jià)和效應(yīng)評價(jià)[2]，而風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)則側(cè)重于得出風(fēng)險(xiǎn)高低及與其有關(guān)的一些風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)技術(shù)的開發(fā)和利用。現(xiàn)有的土壤中重金屬風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)主要基于富集因子法[3]、地積累指數(shù)法[4]和潛在生態(tài)危害指數(shù)法[5]等單一評價(jià)方法，且多使用重金屬總量來評價(jià)，沒有充分考慮對生態(tài)產(chǎn)生影響的有效態(tài)部分[6-7]；在毒性效應(yīng)上，沒有充分考慮土壤生態(tài)系統(tǒng)中受暴露物種的慢性效應(yīng)不同、生態(tài)系統(tǒng)中物種的敏感性范圍以及單個物種的生態(tài)功能。聯(lián)合概率曲線法(JPCs)[8]是以毒性數(shù)據(jù)的累積函數(shù)和污染物暴露濃度的反累積函數(shù)作圖，曲線反映了各損害水平下暴露濃度超過相應(yīng)臨界濃度值的概率，體現(xiàn)了暴露狀況和暴露風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)系，可以彌補(bǔ)上述不足。

該研究將JPCs法引入土壤風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中，建立基于雙指標(biāo)多等級綜合評估的土壤中重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估模型，同時(shí)采用重金屬總量和有效態(tài)雙指標(biāo)，連續(xù)應(yīng)用低層次的篩選到高層次的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，綜合多種風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)法，從而確定土壤中重金屬實(shí)際產(chǎn)生的生態(tài)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品采集與分析方法

按照土壤采樣技術(shù)規(guī)范的要求[9]，土壤樣品取自湖南湘江某河段及附近農(nóng)田土，樣品在室溫下風(fēng)干，去除植物殘?bào)w、石子等雜物，研磨混勻后過0.15 mm孔徑尼龍篩，分裝至聚乙烯小瓶中于干燥器中保存?；旌稀⒎鬯?、研磨等處理過程均使用非金屬工具。

采用硝酸-鹽酸-氫氟酸體系和微波消解后趕酸的前處理方法對樣品進(jìn)行全分解[10]，二乙烯三胺五乙酸(DTPA)浸提土壤元素有效態(tài)[11]，ICP-MS法對上述前處理后的試樣中的Cr、Ni、Cu、Zn、As、Pb等6種元素進(jìn)行測定[12]。

1.2 富集因子法

富集因子主要用于判斷自然與人為污染來源及其對污染的比例，在土壤和沉積物等環(huán)境介質(zhì)中，重金屬的富集因子表示其超過背景值的程度[3]。富集因子(K)的計(jì)算公式為

(1)

式中:Ci為研究元素i的濃度，Cn為選定的參比元素濃度，“環(huán)境”指研究元素與參比元素的比值，“背景”指土壤中相應(yīng)元素平均含量與參比元素平均含量比值。通常選擇在土壤中比較穩(wěn)定和遷移性差的元素作為參比元素，背景值取自中國土壤元素背景值。K值大于10說明有人為污染的風(fēng)險(xiǎn)，且比值越大風(fēng)險(xiǎn)越高。

1.3 地積累指數(shù)法

德國學(xué)者M(jìn)üLLER在1979年提出的地積累指數(shù)法(Igeo)[4]，廣泛用于沉積物及其他物質(zhì)中重金屬污染程度的研究，其表達(dá)式為

(2)

式中:Ci為測定元素在沉積物中的含量，Bi為沉積物中該元素的地球化學(xué)背景值，k為考慮各地巖石差異可能會引起背景值的變動而取的系數(shù)(一般取值為1.5)，Igeo共分為7級(0～6級)，表示污染程度由無至極強(qiáng)。

1.4 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

1980年瑞典學(xué)者HAKANSON提出潛在生態(tài)危害指數(shù)法(RI)[5]，利用沉積物中重金屬相對于工業(yè)化以前沉積物的最高背景值的比值，以及重金屬的生物毒性系數(shù)進(jìn)行加權(quán)求和，得到生態(tài)危害指數(shù)。指數(shù)反映沉積物重金屬的濃度效應(yīng)、多種重金屬污染物的協(xié)同效應(yīng)、不同重金屬的毒性效應(yīng)和水體對不同重金屬污染物的敏感性，廣泛應(yīng)用于底泥重金屬風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，計(jì)算公式為

(3)

1.5 聯(lián)合概率曲線法

JPCs是以毒性數(shù)據(jù)的累積函數(shù)和污染物暴露濃度的反累積函數(shù)作圖，曲線反映了各損害水平下暴露濃度超過相應(yīng)臨界濃度值的概率，體現(xiàn)了暴露狀況和暴露風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)系，常用于水環(huán)境生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估[13]。聯(lián)合概率曲線上的每一個點(diǎn)都表示對一定水平生物產(chǎn)生不良效應(yīng)的發(fā)生概率，聯(lián)合概率曲線越靠近軸說明引起不良效應(yīng)的概率越小。具體包括以下3個步驟：

步驟一：將重金屬暴露濃度和毒性數(shù)據(jù)濃度按照概率函數(shù)分布擬合，轉(zhuǎn)換為概率函數(shù)并排序，其中μ表示分布數(shù)據(jù)的均值，σ表示分布數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

(4)

步驟二：將轉(zhuǎn)換后的概率單位取對數(shù)值，并用線性回歸擬合，求出線性方程的斜率(m)和截距(b)，其中y是概率單位轉(zhuǎn)換后的環(huán)境暴露數(shù)據(jù)或毒性數(shù)據(jù)，x是對數(shù)轉(zhuǎn)化后的環(huán)境暴露數(shù)據(jù)或毒性數(shù)據(jù)。

y=xm+b

(5)

步驟三：利用暴露濃度數(shù)據(jù)集和毒性濃度數(shù)據(jù)集2個線性回歸方程所計(jì)算的斜率和截距，來計(jì)算某一濃度對生物物種造成指定百分比影響的概率。prob(X)是指期望保護(hù)的某水平(X%)物種的概率單位值，mtox和btox分別指經(jīng)過對數(shù)轉(zhuǎn)化的毒性濃度數(shù)據(jù)和對應(yīng)的概率單位數(shù)據(jù)線性回歸方程的斜率和截距，mexp和bexp分別指經(jīng)過對數(shù)轉(zhuǎn)化的重金屬暴露濃度數(shù)據(jù)和對應(yīng)的概率單位數(shù)據(jù)線性回歸方程的斜率和截距。土壤中重金屬有效態(tài)含量對X%物種產(chǎn)生影響的概率=〔mtox·concentration(X)〕+btox，concentration(X)指對X%物種產(chǎn)生影響的濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤樣品測定結(jié)果

中國土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618—1995)中的重金屬標(biāo)準(zhǔn)限值均指的是全量，將土壤樣品中6種元素總量和有效態(tài)的測定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，見表1。

由表1可以發(fā)現(xiàn)，2#樣品Cu含量超過土壤Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)，3#樣品Cu含量超過土壤Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)；3#樣品Zn含量超過土壤Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)；2#樣品As含量超過土壤Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)，3#樣品As含量超過土壤Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)；3個點(diǎn)位Pb含量均超過土壤Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)。

表1 土壤樣品中6種重金屬全量和有效態(tài)測定結(jié)果

2.2 富集因子法結(jié)果

選擇在土壤中比較穩(wěn)定和遷移性差的Ti作為參比元素，3個樣品中7種重金屬用總量的數(shù)據(jù)進(jìn)行富集因子的計(jì)算，結(jié)果見表2。表中3#點(diǎn)位Cu富集系數(shù)為33.2，明顯高于其他元素，且遠(yuǎn)高于2#點(diǎn)位和1#點(diǎn)位；Zn也呈現(xiàn)同樣趨勢，即3#>1#>2#，富集因子分別為4.91、0.80和1.26；2#點(diǎn)位As富集因子較高(19.59)，大于1#點(diǎn)位(2.15)和3#點(diǎn)位(4.56)；其他元素富集因子范圍為0.6～3.35，3#點(diǎn)位較其他2個點(diǎn)位略高。富集因子大于10可認(rèn)為該元素由于污染而富集在土壤中，計(jì)算結(jié)果表明樣品中Cu和As存在人為污染，可能來源于其上游的冶煉工廠。

2.3 地積累指數(shù)法結(jié)果

采用全國土壤環(huán)境背景值調(diào)查結(jié)果中該地區(qū)土壤元素總量背景值的幾何均值作為參比值[14]，比較了3個點(diǎn)位各種重金屬的污染程度，詳細(xì)結(jié)果見表3。結(jié)果顯示，Cu除在1#點(diǎn)位無污染之外，在其他2個點(diǎn)位為5、6級極強(qiáng)污染，As在2#點(diǎn)位為5級強(qiáng)度污染，Pb為2級中度污染，Zn為無～中度污染，Ni、Cr為無污染。根據(jù)重金屬的地積累指數(shù)均值，綜合分析該地區(qū)6種重金屬的污染程度，由強(qiáng)至弱依次為Cu>As>Zn>Pb>Ni>Cr。

表2 土壤樣品中6種重金屬富集因子Table 2 Enrichment factors of six heavy metals in soil samples

表3 土壤樣品中6種重金屬地積累指數(shù)及污染程度分級Table 3 Igeo and pollution degree of six heavy metals in soil samples

2.4 潛在生態(tài)危害指數(shù)法結(jié)果

Cu、Pb、Zn、Cr和As等5種元素在該評價(jià)方法中給出了生物毒性系數(shù)Ti，故僅能通過計(jì)算這5種元素的Ei和RI值來對樣品進(jìn)行潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。Cn為全國土壤環(huán)境背景值調(diào)查結(jié)果中當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸档膸缀尉礫14]，最終得出生態(tài)危害評價(jià)指數(shù)詳細(xì)結(jié)果見表4。Pb、Zn和Cr的Ei值均小于40，表示這3種重金屬污染輕微；Cu在1#、2#和3#點(diǎn)位的Ei值依次增高，分別為5.41、79.6和166，表示生態(tài)危害程度輕微、中等和很強(qiáng)；As在2#點(diǎn)位生態(tài)危害程度很強(qiáng)(Ei值為196)，1#點(diǎn)位和3#點(diǎn)位分別為輕度和中等污染。根據(jù)生態(tài)危害系數(shù)，5種重金屬的潛在生態(tài)危害由強(qiáng)到弱的順序?yàn)镃u>As>Pb>Zn>Cr。

表4 土壤樣品中5種重金屬生態(tài)危害評價(jià)指數(shù)Table 4 RI of five heavy metals in soil samples

2.5 聯(lián)合概率曲線法結(jié)果

經(jīng)上述3種方法評價(jià)后，Cu的風(fēng)險(xiǎn)最高，對Cu進(jìn)行聯(lián)合概率曲線法評價(jià)。選擇與土壤相關(guān)的物種，收集匯總其毒性相關(guān)數(shù)據(jù)[15-20]，計(jì)算得出期望保護(hù)的某水平物種概率單位值prob(X)，見表5。

表5 土壤相關(guān)的物種毒性和概率數(shù)據(jù) Table 5 Soil-related species toxicity and probability data

將毒性濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)化，和對應(yīng)的概率進(jìn)行線性回歸,如圖1所示。直線對應(yīng)的方程中：mtox=0.016 7，btox=1.701 4。將3個點(diǎn)位土壤中有效態(tài)銅的濃度數(shù)據(jù)代入公式，得出土壤中重金屬濃度對物種產(chǎn)生影響概率分別為1.79、2.96和4.36。反映了對生態(tài)產(chǎn)生影響的有效態(tài)銅的暴露狀況和風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)系。

圖1 毒性和概率回歸分析Fig.1 The regressive analysis of toxicity and probability

利用富集因子法，將實(shí)測點(diǎn)位的土壤中重金屬濃度與土壤元素背景值進(jìn)行比較，反映土壤重金屬污染水平；利用地積累指數(shù)法，定量表征重金屬的污染等級;利用潛在生態(tài)危害指數(shù)法，反映重金屬的濃度效應(yīng)、多種重金屬污染物的協(xié)同效應(yīng)、不同重金屬的毒性效應(yīng)和土壤對不同重金屬污染物的敏感性；利用聯(lián)合概率曲線法，即同時(shí)分析重金屬暴露濃度與毒性數(shù)據(jù)的概率分布曲線，考察重金屬對生物的毒害程度，從而確定土壤中重金屬對于生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。如果將這4種方法相結(jié)合，則可以充分利用各種方法和手段，實(shí)現(xiàn)從簡單到復(fù)雜、從總量到有效態(tài)的多等級、多角度評價(jià)。既考慮了土壤生態(tài)系統(tǒng)中受暴露物種的慢性效應(yīng)不同，又兼顧生態(tài)系統(tǒng)中物種的敏感性范圍以及單個物種的生態(tài)功能。采用這種方法對實(shí)際土壤樣品中重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)，可以更好地掌握該地區(qū)的污染狀況和潛在風(fēng)險(xiǎn)，為降低該地區(qū)重金屬污染，提高人群健康狀況提供幫助，同時(shí)也為今后開展相關(guān)研究提供科學(xué)參考。

3 結(jié)論

1)土壤中重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)同時(shí)考慮總量和有效態(tài)含量，能夠全面、系統(tǒng)地反映重金屬的污染水平和對生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。

2)將富集因子法、地積累指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法和聯(lián)合概率曲線法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了從簡單到復(fù)雜的多等級綜合評價(jià)。既考慮到土壤生態(tài)系統(tǒng)中受暴露物種的慢性效應(yīng)不同，又兼顧了生態(tài)系統(tǒng)中物種的敏感性范圍以及單個物種的生態(tài)功能。

3)通過測定典型地區(qū)代表性土壤樣品不同重金屬的總量和有效態(tài)，驗(yàn)證評價(jià)模型的實(shí)用性和評價(jià)分級的合理性，為土壤環(huán)境質(zhì)量管理提供科學(xué)支持。

致謝：感謝湖南省環(huán)境監(jiān)測中心站協(xié)助完成該研究的現(xiàn)場采樣工作。