平天湖濕地農田土壤重金屬污染及風險評價

方宇媛　王紅新

摘 要：以平天湖濕地農田土壤為研究對象，采集土壤樣本，分析土壤樣品中汞、鎘、砷、鉛、總鉻、銅、鋅7種重金屬含量。采用單因子指數法、內梅羅綜合污染指數法開展其污染特征分析，利用潛在生態(tài)危害指數法開展?jié)撛谏鷳B(tài)風險分析，同時采用人體健康風險評估模型，分析其健康風險水平。研究結果表明，濕地農田土壤中Cd、Cu、Pb、Zn、總Cr、As、Hg元素含量均在農用地土壤污染風險篩選值之內，與安徽省江淮流域土壤背景值對比，Zn和Hg出現累積趨勢；濕地農田土壤中各種重金屬潛在生態(tài)因子和綜合潛在生態(tài)危害指數在安全范圍之內，但Cd潛在生態(tài)風險值最高；兒童致癌風險、非致癌風險顯著高于成人，但兩者均在安全范圍內。

關鍵詞：濕地農田；重金屬污染；潛在生態(tài)風險；健康風險；平天湖

中圖分類號：X825? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2023）02-0028-06

引言

土壤重金屬生物毒性和生物富集能力較強，造成環(huán)境危害持續(xù)時間長，具有較強的生態(tài)風險性，因此廣泛受到學者們的關注[1，2]。況琴研究指出鄂西北農田重金屬均存在不同程度的累積，保護區(qū)內各項重金屬均存在超標樣本，土壤受到輕度污染，Cd元素達到輕度生態(tài)風險危害[3]。李萍等分析以金華市耕地土壤重金屬含量，探討了其土壤重金屬來源[4]。肖凱琦等采集洞庭湖南緣農田土壤樣品，分析其含量、生態(tài)風險、看見分布及來源[5]。結果表明，農業(yè)活動是該區(qū)域重金屬的主要來源。麥麥提吐爾遜·艾則孜等研究指出新疆博斯騰湖濕地邊緣帶農田土壤樣品中Cd的污染程度與生態(tài)風險均最高[6]。辛福萌等通過對杭州灣濱海圍墾濕地重金屬污染狀況的研究指出，隨著圍墾年限增加，農田土壤重金屬含量呈現上升趨勢[7]。劉凡惠等通過對天津市典型農田濕地、濱海濕地和沼澤濕地重金屬含量進行分析，指出在前述三種類型濕地中，農田濕地重金屬污染程度最高[8]。在土壤重金屬含量分析和污染特征的基礎上，眾多研究者開展了土壤重金屬潛在生態(tài)環(huán)境風險水平[9-11]和健康風險水平[12，13]兩方面。

作為國家級濕地公園、省級風景名勝區(qū)和池州備用水源地，池州市平天湖濕地土壤環(huán)境質量對生態(tài)環(huán)境和飲用水安全均產生重要影響。目前，尚未有研究關注平天湖濕地周邊農田土壤重金屬含量分析。本研究以池州市平天湖濕地農田為研究對象，采集土壤樣本，分析土壤樣品中汞、鎘、砷、鉛、總鉻、銅、鋅共7種重金屬含量。采用單因子指數法、內梅羅綜合指數法對土壤污染程度進行評價，并利用潛在生態(tài)危害指數法、健康風險評價模型分別判定其潛在生態(tài)風險危害程度和健康風險水平。研究結果為平天湖濕地開展土壤環(huán)境保護工作提供基礎依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

平天湖濕地是國家級濕地公園和省級風景名勝區(qū)，位于安徽省池州市貴池區(qū)境內，東邊與池州市教育園區(qū)銜接，北邊緊鄰池州市經濟技術開發(fā)區(qū)，南邊連接池州市站前區(qū)，西邊與池州市主城區(qū)緊鄰。平天湖周邊農田面積相對較小，屬于丘陵地形，農田土壤類型單一（為黃棕土），主要集中在濕地的東南側。

1.2 采樣點設置與實驗方法

參照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范》（HJ T 166-2004），將平天湖周邊農田劃分為同一監(jiān)測單元，在此監(jiān)測單元內設置4個采樣區(qū)，每個采樣區(qū)都是自然分割的田地。4個采樣區(qū)的選擇在考慮監(jiān)測單元農田土壤種植類型和采樣實際的基礎上，根據均勻布點法確定。對于每一個采樣區(qū)，由于其面積較小，地勢相對平坦，且土壤結構組成及污染程度都較為均衡，故采用梅花布點法進行混合樣的采集。

根據平天湖周邊農田分布情況，4個采樣區(qū)均位于平天湖東側，屬于平天湖（備用）水源地二級保護區(qū)范圍。各采樣點采集土壤表層樣（0-20cm），依據梅花布點法每個采集區(qū)設置5個分點，分別采集農田表層土壤（0-20cm）各2kg左右，土壤樣品混合均勻之后用四分法取大約1kg土壤作為采樣區(qū)實驗樣品，如表1所示。土壤樣品存放在實驗室自然風干后，剔除其中的混雜物，木錘壓碎后采用四分法取對角兩部分實驗用（其余留存），土壤樣品全部過篩20目孔徑尼龍篩后均勻混合，繼續(xù)研磨并分別過60目、100目篩后存放于聚乙烯密封袋備用。土壤汞和砷采用微波消解-原子熒光法測定；鉛和鎘采用石墨爐原子吸收分光光度法測定；總鉻、銅、鋅采用火焰原子吸收分光光度法測定。

1.3 數據處理方法

1.3.1 污染特征分析

（1）單因子指數法

單因子指數法計算公式見式（1），公式中Sm、Cm和C0分別指單項污染指數、重金屬m含量實測值（mg·kg-1）和GB15618-2018中重金屬m對應的篩選值（mg·kg-1）。根據計算結果，Si≤1、1＜Si≤2、2＜Si≤3、3＜Si≤5和Si＞5時，所對應該因子污染程度分別為清潔水平、輕微污染、輕度污染、中度污染和重度污染[9]：

（2）內梅羅綜合指數法

應用內梅羅綜合指數[12]來評價某種污染物造成的總體污染水平，具體計算方法見公式（2），公式中S綜、（Sm）ave、（Sm）max分別指內梅羅綜合指數、重金屬m單因子指數均值和重金屬m單因子指數最大值。S綜≤0.7代表土壤環(huán)境安全，0.7

1.3.2 潛在生態(tài)危害指數法

Hakanson所提出潛在生態(tài)風險評價模型是目前在重金屬危害影響評價中應用最為廣泛的方法[14]，其主要計算過程為：

（1）單因子潛在生態(tài)危害指數

單因子潛在生態(tài)危害指數計算公式見公式（3）。

Em=Tm×CmC0? （3）

式中，Ei為重金屬i的潛在生態(tài)危害指數，Tm為重金屬m的毒性響應系數，Cm和C0的含義同公式（1）。Hakanson提出的各元素毒性系數布如表2所示[15]，當Em<40時危害輕微，40≤Em<80危害中等，80≤Em<160危害較強，160≤Em<320危害很強，Em≥320危害極強。

（2）綜合潛在生態(tài)危害指數法

綜合潛在生態(tài)危害指數法的計算公式見式（4），當RI≤150對應為輕微風險，1501200為極強風險。

1.3.3 健康風險評價

研究選擇USEPA推薦的健康風險評估模型計算不同重金屬健康風險水平[12]。該模型針對不同重金屬特征，分別計算特定暴露途徑下非致癌風險水平和致癌風險水平。結合根據國際癌癥研究機構（IARC）關于不同化合物毒性研究結果，研究分析的7種金屬均可經口、經皮膚和經鼻暴露途徑產生非致癌風險。對于致癌風險而言，砷、鉛2種金屬可經口發(fā)生暴露，鎘、砷、鉛、總鉻可經呼吸作用發(fā)生暴露。

首先分別計算不同暴露途徑下重金屬日均暴露量，分別見公式（5）～（7）。在研究中，由于成人和兒童的體質不同以及對重金屬的耐受程度不同，部分參數選取存在差異，研究參數取值主要參考USEPA暴露因子手冊和國內外相關研究[12-14]，如表3所示。

ADD經口=Cm·IR·CF·EF·ED/（BW·AT） （5）

ADD呼吸=Cm·PM10·DAIR·PIAF·FSPO·CF·? ? ? EF·ED/（BW·AT）? （6）

ADD皮膚=Cm·SA·AF·ABS·CF·EF·ＥＤ/? ? ? （ＢＷ·ＡＴ）? （7）

非致癌健康風險水平主要根據土壤重金屬不同暴露途徑重金屬暴露量與該重金屬某種暴露途徑下的參考劑量來進行計算，計算公式見公式（8）和（9），HIm表示單個重金屬非致癌風險值，HI表示不同種重金屬導致的綜合非致癌風險值，HI小于1，則認為土壤中重金屬造成非致癌風險比較??；HI大于1，則說明存在綜合的非致癌風險。

研究中不同重金屬不同暴露途徑下日均參考暴露劑量RfDmn，mg·（kg·d）-1，參考值[12-14]如表4所示。對于土壤中的重金屬的致癌健康風險評價通過單個重金屬m的致癌風險指數（CRm）和總致癌風險指數（CRI）表示，其計算見公式（10）、（11）所示，式中，SF為致癌斜率因子[（kg·d）·mg-1]，SF值[12，13，15]參考量如表5所示。

2 結果與分析

2.1 農田土壤重金屬污染特征研究結論與分析

2.1.1 農田土壤重金屬含量分析

選擇安徽省土壤背景值[16]（江淮流域）、《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）[17]中的標準值作為基準，分析平天湖濕地農田污染特征。表6數據顯示7種元素的平均含量均在土壤環(huán)境質量農用地土壤污染風險管控標準之內，與安徽省江淮流域土壤背景值對比，除了總Cr、Cu、Pb之外，剩余的重金屬元素含量均高于相應的土壤背景值，尤其是Zn和Hg，超出背景值分別為1.36倍、3.75倍。這表明平天湖濕地土壤農田可能受到周邊工農業(yè)生產的影響，部分重金屬出現累積趨勢。

2.1.2 農田土壤重金屬污染特征分析

7種被檢測重金屬單項污染指數均小于1，屬于安全范圍，最大值排序為Cd＞As＞Zn＞總Cr＞Cu＞Pb＞Hg。不同重金屬內梅羅綜合指數均處于安全范圍內（S綜≤0.7），表明研究區(qū)域內的土壤重金屬污染程度相對較低，但是結果同樣顯示Cd的內梅羅指數最高（0.58），如表7所示。以上結果提示，研究區(qū)域應重點關注Cd污染防控。

2.2 農田土壤重金屬潛在生態(tài)風險分析

平天湖濕地農田土壤重金屬潛在生態(tài)環(huán)境風險分析表明，Cd、Cu、Pb、Zn、Cr、As、Hg單項潛在生態(tài)危害指數排序為ECd>ECr>EAs>EHg>ECu>EPb>EZn。7種重金屬的單項潛在生態(tài)危害指數均低于40，研究區(qū)綜合潛在生態(tài)危害指數低于150，為輕微潛在生態(tài)危害范圍。其中潛在生態(tài)風險指數最高為Cd，表明在該研究區(qū)最主要生態(tài)風險因子為Cd，這與多個有關濕地的重金屬污染現狀研究結論基本一致[9，12，18]，如表8所示。

2.3 農田土壤重金屬研究區(qū)域健康風險評價

2.3.1 農田土壤重金屬非致癌風險分析

利用計算公式（5）～（9），開展平天湖濕地農田土壤中重金屬經不同暴露途徑計算。對于成人來說，不同接觸途徑下HI指數的排序由高到低均為經口途徑、經皮膚途徑和經口鼻呼吸途徑；對于兒童來說，HI指數排序由高到低為經口途徑、經呼吸途徑和經皮膚途徑。成人不同重金屬HI指數排序均為總Cr>As>Pb>Cu>Cd>Hg>Zn，兒童不同重金屬HI指數排序均為As>總Cr>Pb>Cu>Hg>Cd>Zn。成人和兒童非致癌風險總指數分別為1.38×10-1、1.91×10-1，均低于1，研究區(qū)域農田重金屬造成的非致癌風險水平較低，如表9所示。

2.3.2 農田土壤重金屬致癌風險評價

根據平天湖農田土壤重金屬含量均值和不同暴露途徑重金屬暴露量，利用計算公式（10）和（11），開展平天湖濕地農田土壤中重金屬經不同暴露途徑進入人體對成人和兒童造成致癌健康風險水平計算，如表10所示。對于成人和兒童來說，不同接觸途徑下CRI指數由高到低排序均為經口途徑、經皮膚途徑和經口鼻呼吸途徑。這表明經口攝入是研究區(qū)域內致癌風險的首要途徑。

從三種不同接觸途徑綜合來判斷，無論成人或兒童，不同重金屬CRI指數排序為：總鉻>砷>鎘>鉛?？梢?，砷的非致癌風險最高，對于兒童來說，各種重金屬CRI指數排序為：總Cr>As>Cd>Pb，總鉻致癌風險是最高。成人和兒童致癌風險的總指數分別為3.70×10-5、4.43×10-5，均低于10-4。由此可以判斷，研究區(qū)域農田重金屬造成的致癌風險總體較低。

3 結論

平天湖濕地農田土壤中Cd、Cu、Pb、Zn、總Cr、As、Hg含量均在農用地土壤污染風險篩選值之內。與安徽省江淮流域土壤背景值對比，Zn和Hg超出背景值比例分別為1.36倍和3.75倍。各種重金屬潛在風險指數均在安全范圍內，但是Cd潛在生態(tài)風險指數最高，表明Cd是研究區(qū)域內最主要生態(tài)風險因子。研究區(qū)綜合潛在生態(tài)危害指數RI為28.71，屬于安全范圍之內。健康風險評價表明，成人和兒童不同暴露途徑下的綜合非致癌風險分別為1.38×10-1、1.91×10-1，兒童非致癌風險顯著高于成人，但兩者非致癌風險均在可接受范圍內。成人和兒童綜合致癌風險分別為3.70×10-5、4.43×10-5，其中兒童非致癌風險和致癌風險大于成人，但兩者致癌風險均在可接受范圍內。綜上所述，平天湖濕地農田土壤重金屬環(huán)境質量較好，符合國家相關土壤質量管理要求。但是受農業(yè)生產、周邊工業(yè)園區(qū)生產及交通道路影響，研究區(qū)域部分重金屬含量高于江淮流域土壤背景值。建議相關管理部門進一步加強平天湖濕地農田土壤重金屬Zn和Hg的防控。

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收稿日期：2022-09-11

基金項目：2017年安徽省教育廳高校自然科學研究項目（KJ2017A580）