鐘振宇， 杜紅花,， 陳 燦， 陳躍輝， 萬 勇

(1.湖南省環(huán)境保護科學(xué)研究院，湖南 長沙 410004；2.湘潭大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，湖南 湘潭 411105)

近年來，中國的土壤污染引起了廣泛的關(guān)注.由于過去幾十年土地資源高度利用和經(jīng)濟高速發(fā)展，中國的土壤污染已逐漸出現(xiàn)[1].研究表明，工業(yè)活動對土壤金屬濃度的影響明顯地勝過氣候條件和土壤性質(zhì)[2].目前工礦區(qū)土壤重金屬超標率超過30%,其中，工礦企業(yè)、工業(yè)荒地污染超標率分別為36.3%，34.9%[3].顯然，工礦區(qū)土壤污染特別嚴重，會造成巨大威脅和危害.隨著城市的發(fā)展，許多遺留工業(yè)場地土地的性質(zhì)發(fā)生了變化，有的將作為城市建設(shè)用地，而遺留工業(yè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)榫幼∮玫鼗蛏虡I(yè)用地時，在某種程度上必然會對人體的健康產(chǎn)生影響，需要在其重新規(guī)劃使用前對污染場地進行健康風險評價研究[4-6].湖南是我國重要的重金屬礦區(qū)之一 , 分布著大量優(yōu)質(zhì)鉛鋅礦和銅鋅礦等重金屬礦.而重金屬元素與人體健康密切相關(guān)，土壤重金屬可以通過多種途徑直接或間接危害人體健康[7].因此需要對土壤污染物進行風險評估.土壤污染風險一般是指各種來源的土壤污染物對生態(tài)系統(tǒng)和人體健康造成的有害影響.土壤污染物、污染源和土壤污染風險受體是土壤污染風險的主要因素.風險評估目前是一項重要的土壤管理方法，我國對于污染場地人體健康風險評估的研究比較滯后[8].今對湖南省某遺留工業(yè)區(qū)進行場地調(diào)查，采集土壤樣品，根據(jù)檢測結(jié)果利用地累積指數(shù)法和健康風險評估法對場地污染情況和污染物對人體健康的影響進行評估.選擇最佳空間變異函數(shù)模型，通過克里金插值對土壤重金屬進行空間分析[9],旨在為該遺留工業(yè)區(qū)后期土地開發(fā)利用提供科學(xué)性依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本次調(diào)查工業(yè)區(qū)坐落于湖南省某區(qū)東北部，市區(qū)鐵路專用線幾乎全部坐落于該區(qū)域，經(jīng)濟基礎(chǔ)較好，特別是區(qū)域西部地區(qū)，自20世紀60年代末起步，幾經(jīng)調(diào)整，逐步形成了以化工(醫(yī)藥)、機械、皮革、紡織為主的工業(yè)區(qū)，一直在該市經(jīng)濟發(fā)展中占有重要地位.本次調(diào)查位于該工業(yè)區(qū)內(nèi)，調(diào)查區(qū)域總面積約為 40.14 畝，場地四周主要為：東側(cè)，環(huán)保公司的干化場地；南側(cè)，馬路對面為化工公司和化肥廠；西側(cè)，加油站和鐵路軌道；北側(cè)，某合成藥分廠、居民區(qū)及農(nóng)田.場地內(nèi)共有 3 個堆渣區(qū)域，該 3 個堆渣均為企業(yè)垃圾乘夜傾倒形成，形成歷史為20～30 年.調(diào)查區(qū)周邊情況如圖1所示.依據(jù)當?shù)卣囊?guī)劃說明文件，該調(diào)查區(qū)未來規(guī)劃為公園綠地使用.

1.2 樣品采集與測定

由于調(diào)查到的場地地層具有一定的變化性，不同的地層對污染物的遷移轉(zhuǎn)化起到不同的作用，因而在土壤調(diào)查中采用分層調(diào)查，在每一個主要地層中都要選取代表性的樣品.首先根據(jù)現(xiàn)場踏勘和資料收集的初步分析，在場區(qū)每個有代表性的區(qū)域進行快速污染源采樣分析調(diào)查，然后根據(jù)進一步分析判斷進行局部區(qū)域布點，這樣可以使調(diào)查布點更有針對性和科學(xué)性.根據(jù)《場地環(huán)境調(diào)查技術(shù)導(dǎo)則》(HJ25.1-2014)中相關(guān)要求，以經(jīng)驗判斷法、系統(tǒng)布點法和加密布點法相結(jié)合的原則來進行采樣點的布設(shè).本次調(diào)查設(shè)計土壤調(diào)查點位共 26 個，共采集土樣72個.土壤和堆土采樣點分別用S和G加以區(qū)別.

表1 土壤重金屬檢測方法標準

1.3 評價方法

1.3.1地累積指數(shù)法地累積指數(shù)法是德國科學(xué)家 Müller在1969年提出用于研究沉積物中重金屬污染程度的定量評估法，不僅能夠反映沉積物中重金屬的分布特征，也可以直觀地判斷人為活動對環(huán)境的影響[10]，同時兼顧環(huán)境地球化學(xué)背景值和自然成巖作用引起背景值變動的因素[11].其計算公式為：

表2 地積累指數(shù)級數(shù)表[14]

(1)

式中:Igeo為地累積指數(shù);Cn為樣品中重金屬含量實測值(mg·kg-1);Bn為參比值(mg·kg-1)，本文選取《湖南重金屬污染場地土壤修復(fù)標準》(DB43/T1165—2016);k為修正系數(shù)，一般取值1.5.依據(jù)Igeo的計算，將重金屬的污染程度分為7個等級，具體見表2.

1.3.2健康風險評價法本次調(diào)查范圍未來規(guī)劃為綠化用地，依據(jù)《湖南重金屬污染場地土壤修復(fù)標準》(DB43/T1165—2016)居住用地標準，綠化用地歸屬于居住用地，故本文將以《污染場地風險評估技術(shù)導(dǎo)則》(HJ25.3—2014)，(以下簡稱《導(dǎo)則》)中敏感用地適當模型計算重金屬上述3種途徑對人體的致癌和非致癌風險.

1.3.3數(shù)據(jù)處理土壤重金屬數(shù)據(jù)統(tǒng)計采用Excel 2016 進行分析，土壤重金屬地累積指數(shù)分級空間分布圖使用地理信息系統(tǒng)ArcGIS 10.2.2中地統(tǒng)計分析工具簡單克里金插值方法制作，制作前轉(zhuǎn)換樣本數(shù)據(jù)，使其符合正態(tài)分布[12].

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤調(diào)查結(jié)果

根據(jù)檢測結(jié)果，各點位均有該7種重金屬檢出，具體信息如表3.

據(jù)表3可知，該遺留工業(yè)區(qū)重金屬在農(nóng)田區(qū)范圍內(nèi)Hg和Cu均未超標，其余重金屬均有不同程度超標，超標率順序從大到小依次為As>Cd>Pb>Ni>Cr.變異系數(shù)是反映采樣點之間某屬性的平均變異程度[13]，其值可以反應(yīng)人為活動對環(huán)境的影響，變異系數(shù)越大說明受人為活動的干擾越強.農(nóng)田區(qū)7種重金屬變異系數(shù)普遍超過70%，Cd、As、Cr、Pb均超過100%，表明農(nóng)田區(qū)的重金屬污染受人為影響十分嚴重，這很有可能與農(nóng)田區(qū)周邊人為傾倒的3個堆土區(qū)有關(guān).

表3 土壤重金屬基本參數(shù)統(tǒng)計

堆土區(qū)各重金屬的變異系數(shù)大于農(nóng)田區(qū)，這與該 3 個堆土區(qū)均為企業(yè)垃圾乘夜傾倒形成，形成歷史20～30年的事實相符.重金屬超標率依次為As> Ni> Cd> Pb> Cu> Hg> Cr.從整個調(diào)查區(qū)看，As、Cd的污染最為嚴重.長時間暴露在高砷環(huán)境中會對人體造成嚴重的健康問題[14-15]，接觸過量的砷可導(dǎo)致全身皮膚、呼吸、消化、神經(jīng)、心肌及免疫系統(tǒng)損傷[16].Cd可以通過生物鏈進入人體，通過富集作用導(dǎo)致慢性中毒，并使骨骼代謝受阻和肝臟、腎臟受損[17].從圖1可知，調(diào)查區(qū)周圍民居較多，因此必須采取措施予以防治.

2.2 地累積指數(shù)評價

據(jù)土壤樣本中重金屬含量的分析結(jié)果計算得到地累積指數(shù)(Igeo)及污染級別空間分布圖見表4和圖2.除As之外，其余重金屬地累積指數(shù)平均值均小于0，說明若按平均值計算，此6種重金屬在該區(qū)域?qū)儆跓o污染狀態(tài)，As處于中污染.但7種重金屬地累積指數(shù)最大值均大于0，特別是As和Cd達到極度污染，Pb、Ni、Cu處于強污染～極度污染，Cr和Hg達到強污染.從污染分級比例知，Cr、Hg、Cu無污染樣本數(shù)均大于90%，表明總的來說在該區(qū)域此3種重金屬污染輕微，將該3種重金屬地累積指數(shù)小于0的點位去除，其主要產(chǎn)生污染點位見圖2，Cr污染點位為S4、S10、S11和G10, Hg主要位于G2 、G7、G9和G10，且全部位于堆土區(qū)，Cu集中在G9、G10、G11、G15，主要來自堆土區(qū)1和2.因該3種重金屬地累積指數(shù)過于集中于負值，故本文只考慮其余4種重金屬地累積指數(shù)空間分布.從土壤樣本污染分級比例知，As和Cd的污染最為嚴重，分別達到58%和44%，且As有18%的土壤樣本屬于極度污染狀態(tài).據(jù)圖2可知，As元素的污染區(qū)域主要集中在3個堆土區(qū)周邊，中污染～強污染以上區(qū)域主要集中于堆土區(qū)1，可見堆土區(qū)1周邊As污染尤其嚴重. Cd元素污染區(qū)集中于農(nóng)田區(qū)1農(nóng)田區(qū)2及堆土區(qū)1，且與堆土區(qū)關(guān)系沒有其他重金屬緊密，這可能與農(nóng)業(yè)操作中噴灑農(nóng)藥有關(guān)[23].Ni的無污染～中污染區(qū)主要集中在堆土區(qū)2和堆土區(qū)1西南角，且中污染以上區(qū)域位于堆土區(qū)1西南.Pb元素的污染區(qū)全部集中在堆土區(qū)1.總的來看，堆土區(qū)1及周邊區(qū)域污染情況最為嚴重，在未來該區(qū)域作為城市公園綠地使用中，需特別注意防范.

2.3 健康風險評估

2.3.1暴露途徑和暴露量土壤重金屬可能通過3種途徑損害人體健康，經(jīng)口直接攝入、經(jīng)口鼻呼吸吸入土壤顆粒物、通過暴露的皮膚接觸土壤暴露.因Pb在《導(dǎo)則》中缺乏參數(shù)，故本次參與健康風險評估的重金屬為Hg、As、Cd、Cr 、Ni、Cu.除As和Cd外，其余重金屬在《導(dǎo)則》中均無皮膚接觸吸收效率因子(ABSd)，只考慮經(jīng)口攝入和吸入土壤顆粒物兩種暴露途徑.根據(jù)《導(dǎo)則》A1敏感用地暴露評估模型中的公式A1.1、A1.2、A1.3以及附錄G的參數(shù)推薦值計算.現(xiàn)階段研究中一般不考慮人體中的生物可利用性，而是將某種污染物含量作為計算暴露量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[18].因此，在計算風險商的時候往往會出現(xiàn)風險過高的情況[19].

表4 土壤重金屬地累積指數(shù)(Igeo)

2.3.2風險表征對于致癌風險(CR)，《導(dǎo)則》推薦單一污染物的可接受致癌風險水平為10-6，對于非致癌風險，用危害商(HQ)表征.《導(dǎo)則》中推薦單一污染物可接受危害商為1，各重金屬致癌斜率因子及參考量見表5.

表5 重金屬健康風險斜率系數(shù)和參考劑量

注：SFois、SFdcs、SFpis分別表示經(jīng)口攝入、皮膚接觸、吸入土壤顆粒物途徑下的致癌斜率因子；RfDois、RfDdcs、RfDpis分別表示經(jīng)口攝入、皮膚接觸、吸入土壤顆粒物途徑下的非致癌參考劑量.

考慮到該場地將作為公園綠地使用，未來地勢將會平坦化處理，故將場地土壤按照上層、中層、下層土壤模式進行風險評估，根據(jù)每種污染物在該層的最大值(A)和平均濃度值(B)計算其風險水平，將堆土第一層視為上層，第二層和第三層視為中層，第四層和第五層視為下層.風險水平的計算均采用該層相應(yīng)的土工參數(shù)，最大限度地保證風險評估的真實可靠性.農(nóng)田各污染重金屬致癌風險與危害商計算結(jié)果見表6.農(nóng)田區(qū)As和Cr上層土壤均有致癌風險達到10-3級別，遠遠超過10-6的標準值.非致癌風險As和Cr在上層土壤分別達到最大值231和29；Cd的非致癌風險在中層達到最大值為18.整個農(nóng)田區(qū)除Hg和Ni的致癌風險和非致癌風險較輕以外，其余污染物均具有較嚴重的致癌風險和非致癌風險.農(nóng)田區(qū)土壤上層污染情況較之中下層重，這表明農(nóng)田區(qū)的重金屬污染具有一定的外源性.

表6 農(nóng)田區(qū)重金屬致癌風險和非致癌風險

續(xù)表

注：加粗字體為未超標值；CRois：經(jīng)口直接攝入土壤的致癌風險；CRdcs：皮膚接觸土壤的致癌風險；CRpis:呼吸吸入土壤中顆粒物的致癌風險；CRn：土壤中某種污染物所有暴露途徑的致癌風險；HQois：經(jīng)口直接攝入土壤的非致癌風險；HQdcs：皮膚接觸土壤的非致癌風險；HQpis：呼吸吸入土壤中顆粒物的非致癌風險；HIn：土壤中某種污染物所有暴露途徑的非致癌風險；A：以該層污染物濃度最大值計算結(jié)果；B：以該層污染物濃度平均值計算結(jié)果.

堆土區(qū)計算結(jié)果如表7.計算結(jié)果表明，堆土區(qū)重金屬污染水平比農(nóng)田區(qū)嚴峻，As的致癌風險在不同土層中均達到10-2級別，下層堆渣中 Cr在A標準下致癌效應(yīng)同樣達到10-2級別.As的非致癌風險最大值出現(xiàn)在下層A標準下，達到4 966，其次為Cr,達到199，整個堆渣區(qū)，除Cu的非致癌風險較輕，其余各污染重金屬致癌風險和非致癌風險均十分嚴峻.整個調(diào)查場地的重金屬污染嚴重，污染程度依次為As、Cd、Cr、Ni、Hg，其中As、Cd、Cr 和Ni由于其本身對人體健康損害嚴重，在日后的修復(fù)過程中，需要格外關(guān)注.

表7 堆土區(qū)重金屬致癌風險和非致癌風險

注：同表6.

3 結(jié) 論

(1) 該調(diào)查區(qū)范圍內(nèi)7種重金屬均有不同程度超標，總的來看，綜合超標率依次為As>Cd>Ni>Pb>Cu>Hg>Cr.整個區(qū)域重金屬變異系數(shù)均大于70%，說明該調(diào)查區(qū)域重金屬污染受人為干擾很強.As、Cd的污染最為嚴重.

(2) 據(jù)地累積指數(shù)計算結(jié)果，調(diào)查區(qū)Cr、Hg、Cu無污染樣本數(shù)均大于90%，表明總的來說在該區(qū)域此3種重金屬污染輕微，As和Cd的污染樣本數(shù)最多，分別達到58%和44%，堆土區(qū)1及周邊區(qū)域污染情況最嚴峻，在未來該區(qū)域作為城市公園綠地使用中，需特別注意修復(fù).

(3) 健康風險評價結(jié)果說明，調(diào)查區(qū)內(nèi)除Cu和Hg致癌風險和危害商較輕外，其余重金屬均具有明顯的致癌風險和非致癌風險，As的致癌風險和非致癌風險達到10-2級和4 966，鑒于As元素的毒性，整個場地對As的修復(fù)應(yīng)予以特別重視.