土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法對(duì)比研究

張 娜，崔嬌梅，孫 晶，高海濤，李 偉

(西藏大學(xué) 理學(xué)院，西藏 拉薩 850000)

1 引言

土壤是最為重要的自然資源之一，是人類生存的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，重金屬通過大氣沉降、農(nóng)業(yè)灌溉等途徑進(jìn)入土壤并不斷累積富集造成一定程度的污染[2]。土壤重金屬具有持久性、潛伏性、生物富集性和不降解性的特點(diǎn)，能影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育、人體健康及土壤質(zhì)量[3,4]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)土壤中重金屬的污染和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的方法沒有固定的體系，目前可用的方法有[5]：指數(shù)評(píng)價(jià)法、模型指數(shù)評(píng)價(jià)法和其他類評(píng)價(jià)法。指數(shù)評(píng)價(jià)法較為常用，模型指數(shù)法比指數(shù)評(píng)價(jià)法較為少用，其它類則包括：健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法與基于GIS的地統(tǒng)計(jì)分析法[5]。將人體健康與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法結(jié)合起來的方法也越來越成熟與完善，依據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的不同，有不同的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果，每種方法各有其局限性與優(yōu)點(diǎn)。本文整理了常見的評(píng)價(jià)法，分析了其異同點(diǎn)，總結(jié)出根據(jù)不同的研究區(qū)域情況選擇多種評(píng)價(jià)方式并行的結(jié)論，才能更加準(zhǔn)確地反映污染區(qū)的綜合污染程度。

2 土壤重金屬污染和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

相比于國(guó)外發(fā)展，國(guó)內(nèi)土壤污染和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法起步較晚。對(duì)于應(yīng)用較為廣泛的指數(shù)評(píng)價(jià)法最大的特點(diǎn)就是較為簡(jiǎn)單，其相關(guān)參數(shù)修正與依據(jù)正在不斷完善[6]。

2.1 單因子指數(shù)法與內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法

單因子污染指數(shù)法是國(guó)內(nèi)重金屬污染評(píng)價(jià)應(yīng)用較廣泛的一種方法[7]，該方法可以得出實(shí)際值與參考的背景值的比值。因此，參考的背景值不同，同一研究區(qū)域同一元素的污染值必定不同。其計(jì)算公式為：

(1)

單因子污染指數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)及式中各參數(shù)物理意義如表1[8]。

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法以單因子指數(shù)的整體污染狀況為基礎(chǔ)[9]。

其公式為：

(2)

式(1)、(2)中內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)污染等級(jí)劃分及各參數(shù)物理意義如表1[10]。

表1 單因子指數(shù)污染與內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)等級(jí)劃分

采用單因子指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，Pi越大,表明土壤中所受某重金屬污染越嚴(yán)重。可通過單因子指數(shù)明確某單一元素的最大污染值，也可看到所有元素中該研究區(qū)域的最大污染金屬元素。如陳錦等[11]用單因子污染指數(shù)法對(duì)礦區(qū)土壤中各重金屬元素進(jìn)行劃分，并進(jìn)行了排序比較，發(fā)現(xiàn)As重污染樣品達(dá)28.57%，污染較重，方曉波等[12]以浙江省土壤含量為背景值，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域土壤中Pb元素污染程度為中度污染。

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)，可以反映出研究區(qū)域每個(gè)樣點(diǎn)的整體污染程度。如劉兵昌等[13]用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對(duì)永登縣土壤污染程度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，分別判斷出5個(gè)研究地區(qū)的整體污染狀況，李秋燕等[14]經(jīng)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)得出錦州市土壤屬于中度污染，韓晉仙等[15]對(duì)山西某個(gè)縣的農(nóng)耕地綜合污染評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)1

2.2 地積累指數(shù)法

地積累指數(shù)是Muller[19]提出來的，最初用來測(cè)定其他物質(zhì)中的重金屬，后來逐漸在土壤重金屬的研究中廣泛應(yīng)用，地積累指數(shù)不僅可以反映地質(zhì)環(huán)境，還可反映是否受人類活動(dòng)污染。如屈星辰等[20]對(duì)香河縣農(nóng)用地表層土壤重金屬污染程度用地積累指數(shù)法進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)Hg除了地質(zhì)發(fā)展影響外，有別的污染來源。鄧霞等[21]利用地積累指數(shù)法計(jì)算發(fā)現(xiàn)，伊寧市道路中研究區(qū)域的大多數(shù)點(diǎn)存在Pb、Hg的污染。羅松英等[22]對(duì)紅樹林濕地研究發(fā)現(xiàn)，地積累值較高的3個(gè)站位點(diǎn)的污染主要來自于Cd、Hg、Zn，主要受人類活動(dòng)影響。

其公式為：

(3)

式(3)中關(guān)于地積累指數(shù)的污染等級(jí)劃分及各參數(shù)物理意義如表2[23]。

表2 地積累指數(shù)污染等級(jí)劃分

2.3 污染負(fù)荷指數(shù)法

污染負(fù)荷指數(shù)法是由Tomlinson[24]提出的。

其公式為：

(4)

(5)

式(4)、(5)中,各參數(shù)的物理意義及污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表3[25]。

表3 污染負(fù)荷指數(shù)污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

這種方法也可以測(cè)定某一研究區(qū)域的污染負(fù)荷，其公式可以表達(dá)為：

(6)

式(6)中，m為采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)。該方法一般用來表示某地受多種重金屬的污染程度，如黃悅等[26]分別用該方法計(jì)算了2015年、2016年陜西段沉積物中10種重金屬污染狀況，游佐佳等[27]對(duì)某廠區(qū)運(yùn)用該方法發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域?qū)儆跇O強(qiáng)污染，徐雙貴等[28]通過污染負(fù)荷指數(shù)發(fā)現(xiàn)湟水河流域西寧段沉積物中存在極強(qiáng)污染元素Hg和Cd，王興富等[29]用污染負(fù)荷對(duì)某廢棄礦區(qū)土壤重金屬污染進(jìn)行計(jì)算后，發(fā)現(xiàn)了達(dá)到高度污染元素的Cd,并進(jìn)一步用各元素均值計(jì)算后發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的污染負(fù)荷值為0.8，屬于未污染。

2.4 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

潛在生態(tài)危害指數(shù)法是學(xué)者Hakanson提出的,其能對(duì)重金屬潛在的程度定量分析[30]，應(yīng)用較廣泛。

其公式為:

(7)

(8)

(9)

式(7)～(9)中關(guān)于重金屬污染潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及各參數(shù)物理意義見表4[31]。

表4 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.5 土壤重金屬污染的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是評(píng)價(jià)污染對(duì)人體健康造成影響的一種方法，根據(jù)美國(guó)國(guó)家環(huán)保局(USEPA)推薦的人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型[34]，計(jì)算經(jīng)手口攝入、呼吸攝入、皮膚接觸三種途徑攝入的重金屬引起的健康風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)成人和兒童分別進(jìn)行致癌與非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。不同途徑日均暴露量：

(10)

(11)

(12)

式(10)～(12)中，ADDing、ADDinh、ADDdermal分別為經(jīng)手口攝入、呼吸攝入、皮膚接觸的日均暴露量，其中各個(gè)參數(shù)的取值可結(jié)合USEPA推薦與國(guó)內(nèi)參考文獻(xiàn)，但因?yàn)閲?guó)內(nèi)外人種、生活習(xí)性的不同[35]，再繼續(xù)使用美國(guó)暴露參數(shù)可能會(huì)導(dǎo)致較大的誤差，如BW、AT等國(guó)內(nèi)外人群得取值均有差異，不同的取值會(huì)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的結(jié)果準(zhǔn)確性造成一定的影響。近年來，已有很多國(guó)內(nèi)研究者在進(jìn)行暴露模型計(jì)算時(shí)，調(diào)整了部分暴露參數(shù)，以減少誤差。因金屬元素汞的易揮發(fā)性特征，有學(xué)者將Hg的經(jīng)呼吸暴露途徑進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算，公式如下[36,37]：

(13)

其中，ADDvapovr為汞通過水蒸氣的暴露量，VF為汞的蒸發(fā)系數(shù)

2.5.1 致癌健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

CR=ADD×SF

(14)

TCR=∑CR

(15)

2.5.2 非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

(16)

HI=∑HQ

(17)

式(14)～(17)中，兩種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)污染等級(jí)劃分及參數(shù)意義如表5[38]。

表5 致癌與非致癌污染等級(jí)劃分及相關(guān)參數(shù)物理意義

3 討論

不同的污染評(píng)價(jià)方法有不同的結(jié)果，樊志穎等[39]用不同的評(píng)價(jià)方法對(duì)色拉山森林土壤重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，內(nèi)梅羅指數(shù)值結(jié)果顯示,色季拉山陰坡和陽(yáng)坡的采樣點(diǎn)土壤都受到重金屬一定程度的污染,而污染負(fù)荷指數(shù)值結(jié)果顯示,僅有陽(yáng)坡采樣點(diǎn)有輕度重金屬污染。劉德成等[23]通過研究幾種評(píng)價(jià)方法給出的建議：當(dāng)研究區(qū)范圍不大或者成巖作用不顯著時(shí)，對(duì)單一重金屬進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，在地積累指數(shù)和單項(xiàng)因子指數(shù)中，根據(jù)計(jì)算的簡(jiǎn)便性，可以選擇單項(xiàng)因子指數(shù)法；對(duì)土壤進(jìn)行綜合污染評(píng)價(jià)時(shí)，內(nèi)梅羅和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致，可以選擇任意一個(gè)進(jìn)行計(jì)算評(píng)價(jià)。宋曉薇等[40]采用單因子、地積累、內(nèi)梅羅、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法分析稀土礦區(qū)土壤，結(jié)果表明幾種方法基本一致，但地積累指數(shù)與潛在生態(tài)危害指數(shù)法更加適用于輕微污染的區(qū)域，朱紅等[41]采用地積累指數(shù)法與內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對(duì)某研究區(qū)土壤污染進(jìn)行評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)顯示整體區(qū)域未污染，但污染指數(shù)最大的采樣點(diǎn)主要源于元素砷，地積累指數(shù)表明該區(qū)域砷和汞污染較嚴(yán)重，總的來說，加強(qiáng)砷元素的綜合利用是兩種方法得出的共同結(jié)論。綜上，若考慮研究區(qū)域單元素污染程度，則可選擇單因子指數(shù)法，若考慮某區(qū)域整體污染概況，可用內(nèi)梅羅或污染負(fù)荷指數(shù)，若考慮重金屬毒性系數(shù)可選擇潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法，若再考慮地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)，則要用地累積指數(shù)法，根據(jù)不同的研究目的，針對(duì)不同的研究區(qū)域選擇評(píng)價(jià)方法，但最好選擇多種方法并行。

4 結(jié)論與展望

根據(jù)不同評(píng)價(jià)方法中各公式所表達(dá)的意義發(fā)現(xiàn)，單因子污染指數(shù)法與其他幾種評(píng)價(jià)方法都有著異同點(diǎn)。單因子污染指數(shù)與污染負(fù)荷指數(shù)法及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法中單一重金屬的污染系數(shù)計(jì)算公式有著相同的意義，均為某重金屬實(shí)測(cè)值與背景值比值，但是各自表達(dá)的污染等級(jí)劃分意義不同，單因子污染指數(shù)等級(jí)劃分表示某一點(diǎn)某單一重金屬的污染程度，污染負(fù)荷系數(shù)則表示某一點(diǎn)所測(cè)各重金屬的污染程度，進(jìn)行內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)的前提是進(jìn)行單因子污染指數(shù)計(jì)算，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)方法中，某一重金屬的污染系數(shù)與單因子污染系數(shù)具有相同的意義，計(jì)算方法均為重金屬實(shí)測(cè)值與參考值比值。幾種方法進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，單因子、內(nèi)梅羅、地積累、污染負(fù)荷指數(shù)法雖然在等級(jí)劃分上具有不同的背景，但其污染等級(jí)劃分結(jié)果有著極大的相似性。

根據(jù)對(duì)幾種評(píng)價(jià)方法的綜合考量，總結(jié)了其優(yōu)缺點(diǎn)，如表6。

表6 不同評(píng)價(jià)方法的優(yōu)缺點(diǎn)

因此，針對(duì)研究區(qū)域，應(yīng)使用多種方法共同評(píng)價(jià)才能更精確表達(dá)其污染情況，再進(jìn)一步針對(duì)污染情況采取相應(yīng)措施。

健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型中的相關(guān)參數(shù)正在完善與修改中，參數(shù)值的選擇決定了結(jié)論的誤差大小，由于所參考模型中缺乏手口攝入與皮膚攝入途徑的重金屬致癌斜率因子，不能準(zhǔn)確分析危害程度，因此，應(yīng)該建立并完善國(guó)內(nèi)的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系。基于GIS的地統(tǒng)計(jì)法與土壤重金屬污染的評(píng)價(jià)相結(jié)合的應(yīng)用也越來越多，在采樣前期，可用ArcGIS軟件進(jìn)行采樣空間規(guī)劃，尤其對(duì)于進(jìn)行高密度采樣類型較為便捷，進(jìn)行采樣時(shí)可按照采樣圖，對(duì)照相應(yīng)的經(jīng)緯度進(jìn)行采樣，將土壤重金屬污染評(píng)價(jià)法與ArcGIS中的克里金插值法和反距離加權(quán)法結(jié)合起來，可以更好地分析研究區(qū)域的空間污染狀況，各種方法的污染狀況空間圖相互結(jié)合能更清晰地判斷出共同危害因子或共同污染區(qū)域。