歷 軍 趙偉強(qiáng) 俞龍生﹡ 孫斌斌

(1 廣州草木蕃環(huán)境科技有限公司，華南自然保護(hù)與生態(tài)修復(fù)研究院，廣東 廣州 510000；2 南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津城市生態(tài)環(huán)境修復(fù)與污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350)

水源保護(hù)區(qū)土壤作為密切連接水陸生態(tài)系統(tǒng)的特殊類型區(qū)域，其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量?jī)?yōu)劣直接影響飲用水水質(zhì)，進(jìn)而影響人體健康和生命安全(馬武生等,2016;于洋等,2013; Gevorg et al, 2017)。近年研究表明，工礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)热祟惢顒?dòng)輸出的重金屬，以地表徑流或地下徑流、大氣沉降、固體廢物或農(nóng)藥化肥的投放殘留等途徑聚集，已對(duì)土壤環(huán)境產(chǎn)生直接或間接的影響，而水源保護(hù)區(qū)土壤也不可避免受到影響(關(guān)卉等,2006;魏靜等,2019; Elbana et al,2013)。重金屬具有生物毒性，尤其是砷(As)、鎘(Cd)、銅(Cu)、鉛(Pb)、汞(Hg)等重金屬已被美國(guó)國(guó)家環(huán)保局(USEPA)列為內(nèi)分泌干擾物，重金屬還具有富集性和污染持久性等特點(diǎn)，能夠在一定條件下從土壤中遷移到水和動(dòng)植物生態(tài)系統(tǒng)中，并通過飲用水和食物鏈的傳遞和富集作用影響人類健康(李海興等,2018;史貴濤等,2008;于洋等,2013;張菊等,2012)。因此，開展飲用水水源保護(hù)區(qū)土壤重金屬生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控和分析十分必要。

研究區(qū)為2018年新設(shè)的河流型水源保護(hù)區(qū)，由于在已有潮汐河段設(shè)立，水源保護(hù)區(qū)土壤重金屬存在歷史富集的風(fēng)險(xiǎn)，探究飲用水水源保護(hù)區(qū)土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)于該飲用水水源安全具有重大意義。依據(jù)《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 166—2004）和《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749—2006），選取嚴(yán)格控制類污染物中的重金屬，即Cd、As、鋅 (Zn)、Pb、Cu、Hg、鎳 (Ni)、鉻(Cr)8種重金屬進(jìn)行分析，結(jié)合污染特征、地積累指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法等分析方法，揭示研究區(qū)污染特征、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀況，以期為該新設(shè)水源保護(hù)區(qū)安全用水提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣東省珠江三角洲海陸交互相沉積腹地，西江下游，保護(hù)區(qū)地 理 位 置 22°45′2.6″～ 22°45′8.8″ N，113°6′54.3″～ 113°14′8.4″ E。區(qū)域?qū)倥瘻貛駶?rùn)氣候，年降雨量為1 690 mm，海拔0.7～3 m，絕大部分地區(qū)為沖積土壤，覆蓋著廣泛發(fā)育的第四系沉積層，區(qū)域經(jīng)過30多年高速經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市化、工業(yè)化特征非常明顯(史瑾瑾,2014)。本研究水源地為河流型飲用水源地，疊加研究區(qū)域人造地表強(qiáng)度數(shù)據(jù)，研究區(qū)域周邊存在不同程度的開發(fā)利用(圖1)。

圖1 水源保護(hù)地土壤采樣點(diǎn)位圖Fig.1 soil sample location in water resource conservation area

1.2 研究方法

1.2.1 土壤采樣以HJ/T 166-2004為指導(dǎo)，在水源保護(hù)區(qū)陸域范圍內(nèi)，即陸域沿岸縱深與河岸的水平距離50～100 m受潮汐影響的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行均勻布點(diǎn)，共采集32個(gè)0～20 cm深的土壤表層樣品(圖1)。每個(gè)樣點(diǎn)用梅花形布點(diǎn)法采集5個(gè)分點(diǎn)位土壤混合，再用四分法取約1 kg的土壤鮮樣，用密封的聚乙烯塑料袋帶回。

1.2.2 分析測(cè)試帶回的土壤鮮樣在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)置于陰涼處自然風(fēng)干，而后將土樣置于塑料板上研磨，過100目土壤篩，進(jìn)行土壤重金屬含量測(cè)定。采用HJ/T 166-2004和《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB15618-2018)中推薦的分析方法(表1)。

表1 各監(jiān)測(cè)因子檢測(cè)方法及檢出限Table1 Detection method and detection limit of heavy metals

1.2.3 評(píng)價(jià)方法

(1)污染特征分析。選取GB15618-2018風(fēng)險(xiǎn)篩選值作為調(diào)查數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)依據(jù)，當(dāng)重金屬含量超過篩選值則表示土壤超過污染風(fēng)險(xiǎn)(雷國(guó)建等, 2013;唐磊等, 2015)。以廣東省背景值(黃華偉等,2015;楊國(guó)義等,2007)作為依據(jù)，當(dāng)重金屬含量超過背景值則表示土壤存在累積污染(高清等,2014)。

(2)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。地質(zhì)累積指數(shù)也稱Muller指數(shù)，是區(qū)域內(nèi)土壤元素質(zhì)量與區(qū)域土壤元素背景值進(jìn)行比較，根據(jù)土壤元素含量的增加程度，判斷外源輸入對(duì)土壤元素含量的影響，進(jìn)而判斷土壤累積污染程度(何東明等,2014;陸泗進(jìn)等,2017;GUO Wei Hua et al,2010)。

式中：Igeo為地質(zhì)累積指數(shù)，共分為7級(jí)，Igeo≤0為無污染，0～1為輕度累積污染，1～2為輕中度累積污染，2～3為中度累積污染，3～4為中強(qiáng)度累積污染，4～5為強(qiáng)度累積污染，5～10為極強(qiáng)度累積污染 ；Cn為樣品中重金屬n的質(zhì)量濃度，mg/kg；Bn為背景濃度，mg/kg；1.5為修正指數(shù)，指巖層差異引起背景值變化的調(diào)整系數(shù)。

(3)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。瑞典學(xué)者HaKanson提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法，廣泛應(yīng)用于土壤重金屬污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，見公式(2)和公式(3)。根據(jù)土壤重金屬污染潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表2)，將土壤重金屬潛在生態(tài)危害風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)(李良忠,2014;徐爭(zhēng)啟等,2008; Hakansonl, 1980)。

表2 重金屬污染潛在生態(tài)危害指標(biāo)和風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)表Table 2 The relation between heavy metals potential pollution and classification

式中：RI為多種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；為單一重金屬i的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)；為重金屬i的毒性相應(yīng)系數(shù)，Hg、Cd、As、Pb、Cu、Ni、Cr和Zn 8種重金屬的毒性相應(yīng)系數(shù)依次為：40、30、10、5、5、5、2、1；為重金屬i的污染系數(shù)；為土壤中重金屬i的實(shí)測(cè)含量；為相應(yīng)重金屬i的背景值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬污染特征分析

本研究區(qū)土壤pH為6.5～7.5，依據(jù)GB15618-2018確定該土壤酸度下的土壤風(fēng)險(xiǎn)篩選值(表3)。8種重金屬平均值與風(fēng)險(xiǎn)篩選值比較表明，Cd超過土壤污染風(fēng)險(xiǎn)，其他7種重金屬達(dá)標(biāo)。與廣東省土壤背景值結(jié)果對(duì)比表明，8種重金屬平均值均高于廣東省土壤背景值，研究區(qū)8種重金屬均存在累積污染。

32個(gè)樣品濃度與背景值濃度比值的箱型圖反映不同點(diǎn)位重金屬含量的差異(圖2)，Cu、Cr、Ni、Cd存在離群數(shù)據(jù)，總離群點(diǎn)位數(shù)量為4個(gè)，離群比例為12.5%。其中21號(hào)點(diǎn)位Cu、Cr、Ni高于其他采樣點(diǎn)，這可能與21號(hào)點(diǎn)位距離工廠較近有關(guān)。18、23號(hào)點(diǎn)位低于其他采樣點(diǎn)，這可能由于兩個(gè)采樣點(diǎn)位于水廠附近，與保護(hù)強(qiáng)度有關(guān)。

圖2 土壤樣品中重金屬濃度與土壤背景值濃度的比值分布Fig.2 Distribution of the ratio of heavy metal concentrations in soil to the background value

通過對(duì)研究區(qū)土壤重金屬污染特征分析，8種重金屬超過土壤背景值，認(rèn)為該區(qū)域重金屬受到人類活動(dòng)影響，研究區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的城鎮(zhèn)化、工業(yè)化特征明顯，導(dǎo)致重金屬存在一定的人為排放和土壤累積，通過不同點(diǎn)位重金屬含量的差異分析，城鎮(zhèn)化、工業(yè)化發(fā)育程度越高的區(qū)域土壤重金屬累積的程度越高。

2.2 土壤重金屬環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析

以廣東省土壤重金屬背景濃度作為參考值(表3)，對(duì)研究區(qū)土壤重金屬的地質(zhì)累積指數(shù)進(jìn)行分析(表4)，從地累積指數(shù)平均值分析，各重金屬累積污染程度從大到小依次為：Cd＞Zn＞ As＞Cu＞Ni＞Hg＞Pb=Cr。利用公式(1)計(jì)算了研究區(qū)域32個(gè)點(diǎn)位重金屬元素的地累積指數(shù)(Igeo)，按照Igeo的7個(gè)分級(jí)統(tǒng)計(jì)了每個(gè)分級(jí)點(diǎn)位的頻率(圖3)，Cd、Zn、As、Hg、Cu、Ni 6種重金屬存在輕中度及以上累積污染頻率分別為96.88%、40.63%、31.25%、25%、9.38%、3.13%。其中Cd、As、Zn、Cu受中度累積污染頻率分別為46.88%、3.13%、3.13%、3.13%；Cd受中強(qiáng)度及以上累積污染頻率總計(jì)為50.00%。

表3 研究區(qū)域表層土壤重金屬含量特征 mg/kgTable 3 Descriptive statistics of heavy metalsin soil mg/kg

表4 地累積指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果Table 4 Evaluation results of geo-accumulation index

圖3 采樣點(diǎn)重金屬地累積指數(shù)的頻率分布Fig.3 Frequency distribution of geo-accumulationindex of heavy metals in sampling sites

根據(jù)地質(zhì)累積指數(shù)，研究區(qū)Pb、Cr的Igeo為-1.05～0.73，屬于無污染～輕度污染；Ni、Hg的Igeo為-1.91～1.94，屬于無污染～輕中度污染；Cu、Zn、As的Igeo為-0.49～2.37，屬于無污染～中度污染；Cd的Igeo為0.32～6.04，屬于輕度污染～極強(qiáng)污染。Cd表現(xiàn)出極強(qiáng)污染，這可能與其易積累和土壤環(huán)境背景值低有關(guān)(何東明等,2014;陸泗進(jìn)等,2017;于云江等,2010)。研究結(jié)果表明：8種重金屬均存在一定的累積，其中Cd的累積污染強(qiáng)度最大。

2.3 土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析

以廣東省土壤元素背景值作為參比值(表3)，對(duì)研究區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)（表5），單一重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)(Eri)的平均值表明，各重金屬元素風(fēng)險(xiǎn)程度從大到小依次為：Cd＞Hg＞As＞ Cu＞Ni＞Pb＞Zn＞Cr。利用公式(2)計(jì)算了研究區(qū)32個(gè)點(diǎn)位8種重金屬元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù) (Eri)，按照Eri的 5 個(gè)等級(jí)統(tǒng)計(jì)了每個(gè)等級(jí)點(diǎn)位的頻率(圖4)，其中As中度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的頻率為21.88%；Hg強(qiáng)度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的頻率為31.25%，很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的頻率為15.63%；Cd很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的頻率為43.75%，極強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的頻率為53.15%。

表5 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果Table 5 Evaluation results of potential ecological risk index

圖4 采樣點(diǎn)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的頻率分布Fig.4 Frequency distribution of potential ecological risk index of heavy metals in sampling sites

根據(jù)單一重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)(E ri)，Cu、Cr、Ni、Zn、Pb 的E ri為 1.07 ～ 38.82，均小于40，屬于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；As的E ri為11.25～60.78，屬于輕微～中度生態(tài)風(fēng)；Hg的E ri為15.62～190.86，屬于輕微～很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；Cd的E ri極小值超過了40，極大值超過了320，屬于中度～極強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。Cd和Hg表現(xiàn)出很強(qiáng)和極強(qiáng)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)可能與其背景值低及毒性相應(yīng)系數(shù)大有關(guān)(王鐵宇,2007; 于洋等,2013; 蔡怡敏等,2016; Tyler et al, 1989)。利用公式(3)得出多種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)，其輕度、中度、強(qiáng)度和很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)頻率分別為3.13%、3.13%、50%、43.74%，表明研究區(qū)大部分區(qū)域綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為強(qiáng)度及以上，這與區(qū)域的綜合開發(fā)強(qiáng)度、城鎮(zhèn)化和工業(yè)化程度有關(guān)。

3 結(jié)論與建議

(1) Cd、As、Zn、Pb、Cu、Hg、Ni、Cr 8 種重金屬與GB 15618—2018風(fēng)險(xiǎn)篩選值相比，Cd存在土壤污染風(fēng)險(xiǎn)，其余7種重金屬達(dá)標(biāo)。8種重金屬平均值均高于廣東省土壤背景值，表明研究區(qū)水源地土壤重金屬存在累積污染。

(2)地質(zhì)積累指數(shù)評(píng)價(jià)表明，Pb、Cr屬于無～輕度累積污染，Ni、Hg屬于無～輕中度累積污染，Cu、Zn、As屬于無～中度累積污染，Cd屬于輕度～極強(qiáng)度累積污染。

(3)單一金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)表明，Cu、Cr、Ni、Zn、Pb屬于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，As屬于輕微～中度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，Hg屬于輕微～很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，Cd屬于中度～極強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。研究區(qū)大部分區(qū)域表現(xiàn)出強(qiáng)度及以上綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

(4) Cd存在土壤污染風(fēng)險(xiǎn)，且表現(xiàn)出極強(qiáng)度累積風(fēng)險(xiǎn)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)加強(qiáng)水源地監(jiān)管，避免產(chǎn)生外源輸入，并開展水岸生態(tài)帶構(gòu)建和植物修復(fù)。Hg不存在土壤污染風(fēng)險(xiǎn)，但表現(xiàn)出很強(qiáng)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，可能與Hg的環(huán)境背景值低和生態(tài)毒性系數(shù)高有關(guān)。