珠江三角洲某河流型飲用水源地的土壤重金屬污染源解析和風險評價*

歷 軍 趙偉強 俞龍生 孫斌斌

(1.廣州草木蕃環(huán)境科技有限公司，廣東省場地修復技術與裝備工程技術中心，廣東省科技特派員工作站，廣東 廣州 510000；2.南開大學環(huán)境科學與工程學院，環(huán)境污染過程與基準教育部重點實驗室，天津城市生態(tài)環(huán)境修復與污染防治重點實驗室，天津 300350)

人類活動排放的重金屬因其具有隱蔽性強、持續(xù)時間長、降解困難、生物毒害大等特點，已對土壤產生了不可忽視的直接或間接影響[1-4]。飲用水源地土壤亦不可避免地受到重金屬影響[5-6],[7]1763。飲用水源地土壤作為密切連接水陸生態(tài)系統(tǒng)的特殊區(qū)域，由于水陸交互作用，重金屬可從土壤遷移到水生態(tài)系統(tǒng)中，進而影響飲用水水質[8]141,[9]3572,[10]，因此研究其重金屬污染狀況尤為重要。目前，國內外對土壤重金屬污染狀況已有較多研究[11]387,[12-14]，但較少涉及飲用水源地土壤[7]1763。

與水庫型飲用水源地相比，河流型飲用水源地在我國占據的比例更高、距居民生產生活區(qū)域更近，因此更易受到人類生產活動的影響，也更易對人類生產生活產生影響[15]。珠江三角洲是我國供水能力和規(guī)模較大的區(qū)域，河流型飲用水源地在珠江三角洲更是占據主導地位。本研究在珠江三角洲某典型河流型飲用水源地，依據《土壤環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范》(HJ/T 166—2004)選取重點項目中的重金屬(Cd、As、Zn、Pb、Cu、Hg、Ni、Cr)進行分析，揭示研究區(qū)域污染特征、來源和風險水平，以期為水源地土壤環(huán)境保護提供科學指導。

1 方 法

1.1 樣品采集

以HJ/T 166—2004為指導，根據水源地地形地貌、土壤類型和土地利用情況，采用綜合放射布點法在珠江三角洲某典型河流型飲用水源地距離河岸100 m的范圍內采集土壤樣品，共采得15個表層土壤樣品。每個點用梅花形布點法或蛇形布點法采集5個分樣混合，再用四分法取約1 kg的土壤裝于250 mL玻璃瓶中，壓實并貼上標簽。

1.2 樣品分析

Cd、As、Zn、Pb、Cu、Hg、Ni、Cr 8種重金屬及pH采用HJ/T 166—2004中的第一方法進行分析，其中Cd、Pb選擇石墨爐原子吸收分光光度法，As選擇二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法。實驗所需試劑均為分析純或優(yōu)級純，所用水為超純水。

1.3 土壤重金屬源解析方法

根據《土壤環(huán)境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)風險篩選值及更為嚴格的廣東省土壤背景值[11]388對土壤重金屬污染狀況進行評價。用變異系數(shù)(CV)反映土壤重金屬的空間差異性，CV可以定量反映出污染物在空間尺度上的波動程度[16-17]。

用聚類分析方法[18-19]解析土壤重金屬的來源。

1.4 土壤重金屬風險評價方法

1.4.1 地質累積指數(shù)方法

地質累積指數(shù)根據土壤元素含量的增加程度來判斷外源輸入對土壤元素含量的影響，進而判斷土壤受污染程度，計算公式見式(1)[20-21],[22]127。

(1)

式中：Igeo為地質累積指數(shù)；Ci為重金屬i的質量濃度，mg/kg；Bi為重金屬i的背景質量濃度，mg/kg，本研究中使用廣東省土壤背景值。

地質累積指數(shù)共分為7級，≤0為無污染，>0～1為輕度污染，>1～2為輕中度污染，>2～3為中度污染，>3～4為中強度污染，>4～5為強度污染，>5～10為極強度污染。

1.4.2 生態(tài)風險評價方法

潛在生態(tài)危害指數(shù)法是廣泛應用于土壤重金屬生態(tài)風險評價的方法。該方法不但考慮了土壤重金屬含量，還綜合考慮了重金屬毒性以及重金屬的區(qū)域背景值，體現(xiàn)了生物有效性及地理空間差異等特點，是綜合反映重金屬對生態(tài)環(huán)境影響潛力的指標，計算公式見式(2)和式(3)[23-25]。

(2)

RI=∑Ei

(3)

式中：Ei為重金屬i的潛在生態(tài)危害指數(shù)；Ti為重金屬i的毒性系數(shù)，Hg、Cd、As、Pb、Cu、Ni、Cr和Zn的Ti分別為40、30、10、5、5、5、2、1；RI為多種重金屬的綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)。

對于單一重金屬而言，Ei<40的潛在生態(tài)危害程度為輕微，40≤Ei<80為中度，80≤Ei<160為強，160≤Ei<320為很強，Ei≥320為極強；對于多種重金屬而言，RI<150的潛在生態(tài)危害程度為輕微，150≤RI<300為中度，300≤RI<600為強，RI≥600為很強。

2 結果與討論

2.1 土壤重金屬污染特征

pH分析表明，本研究的水源地土壤pH為6.5～7.5。由表1可見，與GB 15618—2018風險篩選值比較，Cu、Zn、Pb、Cd、As等5種重金屬存在不同程度的超標現(xiàn)象。與廣東省土壤背景值相比，各重金屬濃度均值均超過了背景值，超過的倍數(shù)大小表現(xiàn)為Cd>As>Zn>Cu>Pb>Hg>Ni>Cr，與雷國建等[26]的研究結果基本一致。由此說明，該水源地土壤存在一定的人為源重金屬干擾，有一定的環(huán)境風險。Pb的CV最大，為104.62%，其次Cu、Cd、Hg的CV也較大，分別達到84.63%、72.89%、70.59%，說明Pb、Cu、Cd、Hg在空間分布上存在較大的差異，表明受人為源干擾的可能性較大，唐磊等[27]也得到過類似的結論。

表1 土壤重金屬污染特征

2.2 土壤重金屬來源分析

通過水源地周邊環(huán)境的實地調查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)周邊有豐富的交通網，北側存在工業(yè)園區(qū)，南側有以“桑基魚塘”為主要生產方式的農漁業(yè)基地。因此，初步判斷，該水源地土壤重金屬來源主要包括工業(yè)源、農業(yè)源、交通源。

用SPSS軟件對水源地土壤中重金屬進行層次聚類，結果見圖1。

圖1 土壤重金屬聚類分析結果Fig.1 Hierarchical cluster result of soil heavy metals

第Ⅰ類為Cd、Hg、Ni、As。研究表明，Cd、Hg、Ni、As多來源于工業(yè)廢水，通常以地表徑流或污水灌溉的形式進入土壤[28]32,[29-30]。研究區(qū)周邊存在工業(yè)園區(qū)，因此第Ⅰ類重金屬可能來源于工業(yè)源。

第Ⅱ類為Cu、Cr。研究表明，水產養(yǎng)殖的餌料投放會造成Cu污染[8]145,[31-32]；土壤Cr與農業(yè)施肥有關[8]145,[33]。研究區(qū)周邊存在大面積“?；~塘”，不可避免地會有肥料、農藥和餌料等進入水源地土壤，因此第Ⅱ類重金屬可能來源于農業(yè)源。

第Ⅲ類為Zn、Pb。研究表明，Zn多通過煙塵、揚塵等顆粒物以干、濕沉降的方式進入土壤[34]；土壤中Pb的積聚與交通業(yè)密切相關[28]32,[35]。因此，第Ⅲ類重金屬可能來源于交通源。

2.3 土壤重金屬風險評價

2.3.1 地質累積指數(shù)

各重金屬平均地質累積指數(shù)計算結果為Cd>As>Zn>Cu>Pb>Hg>Ni>Cr，與何東明等[22]128、于云江等[36]1525的研究結果基本一致。圖2具體統(tǒng)計了研究區(qū)土壤重金屬的地質累積指數(shù)分級頻率。由圖2可見，Cu、Cr、Ni、Zn、Pb、Cd、As、Hg等8種重金屬均存在不同頻率的污染，其污染頻率分別為73.33%、6.67%、60.00%、73.33%、73.33%、93.33%、80.00%、60.00%。其中，Cu、Cr、Ni、Zn、Pb、As、Hg受輕度污染的頻率分別為13.33%、6.67%、60.00%、66.67%、26.67%、6.67%、40.00%；Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg受輕中度污染的頻率分別53.33%、6.67%、40.00%、13.33%、33.33%、20.00%；Cd、As受中度污染的頻率分別為6.67%、40.00%；Cu、Pb、Cd受中強度污染的頻率分別為6.67%、6.67%、13.33%；Cd受強度和極強度污染的頻率分別為13.33%、46.67%。總體而言，研究區(qū)域受Cd污染頻率最高，強度最大。

圖2 重金屬地質累積指數(shù)分級頻率分布Fig.2 Frequency distribution of geo-accumulation index of heavy metals

2.3.2 生態(tài)風險

研究區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)計算結果見表2。從單一重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)均值看，各重金屬的生態(tài)風險大小為Cd>Hg>As>Cu>Pb>Ni>Zn>Cr。其中，Cd表現(xiàn)出極強生態(tài)危害，Hg表現(xiàn)出強生態(tài)危害，這兩種重金屬的生態(tài)危害較強，可能與它們的背景值低和毒性系數(shù)大有關[9]3576。RI均值為1 384.60，表明研究區(qū)土壤重金屬總體存在很強的潛在生態(tài)危害。圖3具體統(tǒng)計了研究區(qū)重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)分級頻率。由圖3可見，Cr、Ni、Zn均為輕微生態(tài)危害；Cu、Pb、As除輕微生態(tài)危害外，中度生態(tài)危害的頻率分別達到6.67%、6.67%、66.67%；而Hg的強和極強生態(tài)危害的頻率分別達到33.33%、20.00%；Cd的極強生態(tài)危害的頻率達到了86.67%。由此可見，研究區(qū)域受到Cd污染導致的生態(tài)風險最嚴重，這與于云江等[36]1526、TYLER等[37]的研究結果一致，也與2.3.1節(jié)的地質累積指數(shù)評價結果一致。

表2 潛在生態(tài)危害指數(shù)計算結果

圖3 重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)分級頻率分布Fig.3 Frequency distribution of potential ecological hazard index of heavy metals

3 結論與建議

(1) 研究區(qū)水源地土壤中Cu、Zn、Pb、Cd、As等5種重金屬存在不同程度地超過GB 15618—2018風險篩選值的現(xiàn)象；與更為嚴格的廣東省土壤背景值相比，超過的倍數(shù)大小表現(xiàn)為Cd>As>Zn>Cu>Pb>Hg>Ni>Cr，表明該水源地土壤受到了一定的人為源重金屬干擾。

(2) Cd、Hg、Ni、As來源歸因于工業(yè)源，Cu、Cr歸因于農業(yè)源，Zn、Pb歸因于交通源。

(3) 地質累積指數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)評價均表明，該水源地土壤存在一定的重金屬污染風險，污染頻率最高、強度最大的重金屬是Cd。

(4) 為保障飲用水安全，建議加強周邊工業(yè)污染源的監(jiān)控、阻隔，禁止水源地周邊進行水產養(yǎng)殖，合理建造綠化帶以隔絕交通源污染。