三種土地利用方式下貴州省土壤重金屬污染特征及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

饒靜　許佳

摘 要 監(jiān)測(cè)了3種不同土地利用類(lèi)型土壤中6種重金屬（Cu、Mn、Cr、Zn、As、Ni）含量，并分析了貴州省土壤背景值和變異系數(shù)，了解土壤重金屬污染狀況。采用Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法和結(jié)合我國(guó)人體健康情況的USEPA健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，對(duì)因土壤重金屬引起的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和人體健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：1）本研究區(qū)只有重金屬As未超過(guò)貴州省各元素背景值；2）重金屬Cu、Zn、Ni的含量在農(nóng)用地中含量最高，受人類(lèi)活動(dòng)干擾大；3）重金屬As的含量在林地中最高，這與土壤質(zhì)地有關(guān)；4）該研究區(qū)綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI均值為36.21，具有低等強(qiáng)度的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；5）對(duì)于成人和兒童，該區(qū)域內(nèi)Cu、Mn、Cr、Zn、As、Ni等重金屬的HQ（非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)）小于1，不存在非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)；6）3種土地利用類(lèi)型中，土壤的As、Ni、Cr的TCR（總致癌風(fēng)險(xiǎn)）存在較高的致癌風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞 土地利用類(lèi)型；重金屬；生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；健康風(fēng)險(xiǎn)；貴州省

中圖分類(lèi)號(hào)：X53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.17.018

土壤重金屬累積具有復(fù)雜性、隱蔽性、滯后性和長(zhǎng)期性等特性，并經(jīng)過(guò)不同方式遷移、最終浸入土壤，導(dǎo)致表層土壤重金屬元素不同程度的富集[1]。研究不同土地利用類(lèi)型中土壤重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和人體健康風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于定量分析土壤重金屬污染對(duì)生態(tài)和人體的影響，以及不同土地利用類(lèi)型區(qū)的土壤污染防治和治理具有重要意義。

1? 材料與方法

1.1? 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省畢節(jié)市，地勢(shì)為西部較高，東部較低；氣候?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候，常年氣溫為10～15 ℃，降雨量為849～1 399 mm，耕地土壤pH均值在7.04～7.33。土壤類(lèi)型主要有石灰土、粗骨土、沼澤土、黃壤、棕壤、黃棕壤、山地草甸土、紫色土、水稻土等。

1.2? 樣品的采集和處理

1.2.1? 樣品采集

在研究區(qū)分別選取3個(gè)類(lèi)型的樣地，分別為林地、農(nóng)用地、撂荒地，每一樣地參照“S”型挑選3個(gè)點(diǎn)位（A、B、C），采0～20 cm的表層土壤。首先剔除雜質(zhì)，然后進(jìn)行混合，在再行四分，取1 kg的土壤，共9個(gè)樣品，用聚乙烯密封袋貼標(biāo)簽封裝。

1.2.2? 樣品處理

樣品送到實(shí)驗(yàn)室，平攤在室溫條件下自然風(fēng)干，風(fēng)干過(guò)程中不斷翻動(dòng)土壤，確保土壤完全干透。風(fēng)干后的土壤首先通過(guò)100目尼龍篩，除去土壤中雜質(zhì)；接著用瑪瑙研缽研磨，研磨后的土壤按要求取500 g分析樣放入磨砂玻璃廣口瓶中保存，用于檢測(cè)土壤樣品中的重金屬含量。先稱(chēng)量0.5 g樣品，將稱(chēng)取的樣品倒入聚四氟乙烯坩堝中，依次在樣品中加入鹽酸、硝酸、高氯酸、氫氟酸，在電熱板上加熱消解；待溶液被分解至黏稠，待其冷卻，用5%的稀硝酸定容至50 mL后過(guò)濾；再用一次性注射器提取過(guò)濾后的溶液，在通過(guò)0.45 μm濾膜后用于測(cè)試。用原子吸收分光光度法（AAS）測(cè)定重金屬Cu、Zn、Ni、Cr、As、Mn的含量，用原子熒光光度法（AFS）測(cè)定重金屬As的含量，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)量3次。

1.3? 評(píng)價(jià)方法

1.3.1? 潛在生態(tài)評(píng)價(jià)方法

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)涉及到單項(xiàng)污染系數(shù)、重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)單項(xiàng)系數(shù)，其計(jì)算公式如下。

式中：RI為潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；[Eir]為金屬元素i的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)單項(xiàng)系數(shù)；[Tir]為金屬元素i的毒性響應(yīng)系數(shù)；[Cif]為金屬元素i的單項(xiàng)污染系數(shù)；[Ci]是土壤中金屬元素i的濃度實(shí)測(cè)值，[Cin]是金屬元素i的背景值，mg·kg-1。

1.3.2? 人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

計(jì)算成人和兒童通過(guò)3種途徑攝取潛在有毒重金屬的平均每日劑量的公式[2]如下。

式中，[ADDing]為每日經(jīng)過(guò)口攝取所吸收的金屬的劑量；[ADDinh]為每日經(jīng)過(guò)呼吸吸入所吸收的金屬的劑量；[ADDdermal]為每日經(jīng)過(guò)皮膚接觸所吸收的金屬的劑量。再利用非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（HQ）、總非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（HI）和致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（CR）評(píng)價(jià)重金屬對(duì)人體造成的非致癌和癌癥風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)算公式如下。

式中，[ADDij]為i重金屬在第j種暴露途徑下的日均暴露量，參考劑量[RfDij]是指非致癌重金屬i在j種暴露途徑下不會(huì)對(duì)兒童和成人造成有害影響的每日吸收金屬的最大劑量，具體參數(shù)如表1[3-7]所示。

若經(jīng)手-口、呼吸、皮膚接觸3種途徑的平均每日劑量小于或等于對(duì)應(yīng)的參考劑量，也就是說(shuō)HQ≤1，那么就說(shuō)明該種途徑下某種特定金屬不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生任何非致癌的風(fēng)險(xiǎn)；相反，若ADI>RfD，即HQ>1時(shí)，就會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生明顯的非致癌風(fēng)險(xiǎn)。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 不同土地利用類(lèi)型土壤重金屬含量描述性統(tǒng)計(jì)

從表2可以看出該研究區(qū)重金屬Cu、Mn、Cr、Zn、Ni含量均超過(guò)貴州省各元素背景值，只有重金屬As含量未超過(guò)貴州省As元素背景值。從圖1可以得出，從單一重金屬含量來(lái)看，在農(nóng)用地中重金屬Cu、Cr、Zn、Mn、Ni的含量最高，重金屬As的含量最低；在撂荒地中重金屬As的含量最高，重金屬Cu、Mn、Zn、Ni的含量最低；在林地中重金屬Cr含量最低，重金屬As的含量最高。

變異系數(shù)是重金屬元素的含量的標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值，通常用變異系數(shù)代表重金屬含量在研究區(qū)土壤中離散程度，變異系數(shù)越大，表明該重金屬元素的含量在該區(qū)域離散程度越高，也就說(shuō)明該金屬在土壤中分布得越不均勻，因而很有可能是人為活動(dòng)導(dǎo)致這種情況的出現(xiàn)[8]。一般情況下，變異系數(shù)≤25%屬于輕微變異、變異系數(shù)25%～50%屬于中度變異、變異系數(shù)≥50%屬于高度變異[9]。表2中Mn、Zn、Ni、Cr的含量分別為343.00～995.00、70.00～150.50、34.50～70.05、41.85～157.55 mg·kg-1，變異系數(shù)分別為28%、27%、23%、40%，呈中度變異；As和Cu的含量分別為1.53～19.22、23.90～134.70 mg·kg-1，呈高度變異，表明該研究區(qū)的土壤重金屬含量分布不均勻，受人為干擾大。

2.2? 潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)

從數(shù)據(jù)分析來(lái)看，詳見(jiàn)表3，農(nóng)用地土壤重金屬的Ei從高到低依次為Cu、Ni、As、Cr、Zn、Mn，林地土壤重金屬的Ei從高到低依次為Cu、As、Ni、Cr、Zn、Mn，撂荒地土壤重金屬的Ei從高到低依次為Cu、As、Ni、Cr、Zn、Mn。從綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI來(lái)看，此調(diào)查區(qū)RI變化范圍為16.84～55.66，均值36.21，說(shuō)明此研究區(qū)域具有低等強(qiáng)度的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，其中ECu、ENi對(duì)綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI的貢獻(xiàn)率分別約為50%、40%，二者之和超過(guò)90%，可見(jiàn)，Cu和Ni是各土地利用類(lèi)型潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最大的2個(gè)貢獻(xiàn)因子。從不同土地利用類(lèi)型來(lái)看，綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI從高到低依次為農(nóng)用地、林地、撂荒地，其中潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最高的ECu、ENi也與RI一致。

2.3? 人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

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

由表4、表5可見(jiàn)，3種土地利用類(lèi)型6種重金屬成人和兒童的HQ（非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)）小于1，不存在非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)。從暴露途徑來(lái)看，除Mn的HQ是從高到低排列為經(jīng)口攝入、呼吸吸入、皮膚接觸外，其余重金屬的HQ都是，從高到低排列為經(jīng)口攝入、皮膚接觸、呼吸吸入。從不同土地利用類(lèi)型來(lái)看，關(guān)于成人的3種土地利用類(lèi)型HI從高到低分別為農(nóng)用地、撂荒地、林地，其中Cu、Ni、As和Mn的HQ從高到低分別為農(nóng)用地、林地、撂荒地，Cr和Zn的HQ從高到低分別為農(nóng)用地、撂荒地、林地；關(guān)于兒童的3種土地利用類(lèi)型HI從高到低分別為林地、撂荒地、農(nóng)用地，其中Cu、Ni、As、Zn和Mn的HQ從高到低分別為農(nóng)用地、林地、撂荒地，Cr的HQ從高到低分別為撂荒地和林地等同，大于農(nóng)用地。從單一污染物來(lái)看，Cr是各土地利用類(lèi)型土壤重金屬HQ的最主要影響因子，在農(nóng)用地中的成人為3.14×10-2，在林地和撂荒地中的兒童為0.22。在成人和兒童的非致癌總風(fēng)險(xiǎn)中，Mn、Cr、As的貢獻(xiàn)率占比較大，則Mn、Cr、As是各土地利用類(lèi)型非致癌風(fēng)險(xiǎn)最大的3個(gè)貢獻(xiàn)因子。

2.3.2? 致癌健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

從表6中可得，從暴露途徑來(lái)看，調(diào)查區(qū)內(nèi)As的CR從高到低表現(xiàn)為：經(jīng)口攝入、皮膚接觸、呼吸吸入，Cr和Ni考慮兩種暴露途徑，其CR從高到低表現(xiàn)為經(jīng)口攝入、呼吸吸入。從不同土地利用類(lèi)型來(lái)看，3種土地利用類(lèi)型的TCR從高到低表現(xiàn)為農(nóng)用地、林地、撂荒地。從單一污染物來(lái)看，不同重金屬的CR從高到低表現(xiàn)為Ni、Cr、As，兒童和成人Ni的CR對(duì)TCR的貢獻(xiàn)率占比大，所以Ni也是各土地利用類(lèi)型最主要的致癌風(fēng)險(xiǎn)因子。As、Ni、Cr的致癌風(fēng)險(xiǎn)已達(dá)到較高水平，應(yīng)引起重視。

3? 結(jié)論

1）該研究區(qū)重金屬Cu、Mn、Cr、Zn、Ni含量均超過(guò)貴州省各元素背景值，只有重金屬As含量未超過(guò)貴州省As元素背景值。

2）重金屬Cu、Zn、Ni的含量在農(nóng)用地、林地、撂荒地這三種土地利用類(lèi)型下均是在農(nóng)用地中含量最高，由于Cu、Ni、Zn是植物生長(zhǎng)必需的重金屬元素，受人類(lèi)活動(dòng)（施肥、農(nóng)藥的使用）干擾大。重金屬As的含量在林地中最高，這與土壤質(zhì)地有關(guān)。

3）該研究區(qū)的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI變化范圍為16.84～55.66，均值36.21，表明此區(qū)域具有低等強(qiáng)度的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI從高到低表現(xiàn)為農(nóng)用地、林地、撂荒地，Cu、Ni是各土地利用類(lèi)型潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最大的2個(gè)貢獻(xiàn)因子。

4）3種土地利用類(lèi)型中土壤的As、Ni、Cr的TCR從高到低表現(xiàn)為：農(nóng)用地、林地、撂荒地，表明As、Ni、Cr已經(jīng)存在較高的致癌風(fēng)險(xiǎn)，Ni也是各土地利用類(lèi)型最主要的致癌風(fēng)險(xiǎn)因子。

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（責(zé)任編輯：敬廷桃）

收稿日期：2023-03-29

基金項(xiàng)目：貴州省青年科技人才成長(zhǎng)項(xiàng)目（黔教合KY字﹝2020﹞103號(hào)）；貴州省青年科技人才成長(zhǎng)項(xiàng)目（黔教合KY字﹝2022﹞016號(hào)）。

作者簡(jiǎn)介：饒靜（1982—），女，貴州遵義人，碩士，工程師，主要從事環(huán)境監(jiān)測(cè)與分析。E-mail：549356402@qq.com。

*為通信作者，E-mail：864002900@qq.com。