三種土地利用方式下貴州省土壤重金屬污染特征及風險評價

饒靜　許佳

摘 要 監測了3種不同土地利用類型土壤中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，了解土壤重金屬污染狀況。采用Hakanson潛在生態風險評價方法和結合我國人體健康情況的USEPA健康風險評價方法，對因土壤重金屬引起的潛在生態風險和人體健康風險進行了評價。結果表明：1）本研究區只有重金屬As未超過貴州省各元素背景值；2）重金屬Cu、Zn、Ni的含量在農用地中含量最高，受人類活動干擾大；3）重金屬As的含量在林地中最高，這與土壤質地有關；4）該研究區綜合潛在生態風險指數RI均值為36.21，具有低等強度的潛在生態風險；5）對于成人和兒童，該區域內Cu、Mn、Cr、Zn、As、Ni等重金屬的HQ（非致癌風險指數）小于1，不存在非致癌健康風險；6）3種土地利用類型中，土壤的As、Ni、Cr的TCR（總致癌風險）存在較高的致癌風險。

關鍵詞 土地利用類型；重金屬；生態風險；健康風險；貴州省

中圖分類號：X53 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.17.018

土壤重金屬累積具有復雜性、隱蔽性、滯后性和長期性等特性，并經過不同方式遷移、最終浸入土壤，導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型中土壤重金屬的生態風險和人體健康風險，對于定量分析土壤重金屬污染對生態和人體的影響，以及不同土地利用類型區的土壤污染防治和治理具有重要意義。

1? 材料與方法

1.1? 研究區概況

研究區位于貴州省畢節市，地勢為西部較高，東部較低；氣候為亞熱帶季風濕潤氣候，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

在研究區分別選取3個類型的樣地，分別為林地、農用地、撂荒地，每一樣地參照“S”型挑選3個點位（A、B、C），采0～20 cm的表層土壤。首先剔除雜質，然后進行混合，在再行四分，取1 kg的土壤，共9個樣品，用聚乙烯密封袋貼標簽封裝。

1.2.2? 樣品處理

樣品送到實驗室，平攤在室溫條件下自然風干，風干過程中不斷翻動土壤，確保土壤完全干透。風干后的土壤首先通過100目尼龍篩，除去土壤中雜質；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，用于檢測土壤樣品中的重金屬含量。先稱量0.5 g樣品，將稱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后過濾；再用一次性注射器提取過濾后的溶液，在通過0.45 μm濾膜后用于測試。用原子吸收分光光度法（AAS）測定重金屬Cu、Zn、Ni、Cr、As、Mn的含量，用原子熒光光度法（AFS）測定重金屬As的含量，每個樣品重復測量3次。

1.3? 評價方法

1.3.1? 潛在生態評價方法

潛在生態風險指數涉及到單項污染系數、重金屬毒性響應系數及潛在生態風險單項系數，其計算公式如下。

式中：RI為潛在生態風險指數；[Eir]為金屬元素i的潛在生態風險單項系數；[Tir]為金屬元素i的毒性響應系數；[Cif]為金屬元素i的單項污染系數；[Ci]是土壤中金屬元素i的濃度實測值，[Cin]是金屬元素i的背景值，mg·kg-1。

1.3.2? 人體健康風險評價方法

計算成人和兒童通過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]為每日經過口攝取所吸收的金屬的劑量；[ADDinh]為每日經過呼吸吸入所吸收的金屬的劑量；[ADDdermal]為每日經過皮膚接觸所吸收的金屬的劑量。再利用非致癌風險指數（HQ）、總非致癌風險指數（HI）和致癌風險指數（CR）評價重金屬對人體造成的非致癌和癌癥風險，計算公式如下。

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種暴露途徑下不會對兒童和成人造成有害影響的每日吸收金屬的最大劑量，具體參數如表1[3-7]所示。

若經手-口、呼吸、皮膚接觸3種途徑的平均每日劑量小于或等于對應的參考劑量，也就是說HQ≤1，那么就說明該種途徑下某種特定金屬不會對人體產生任何非致癌的風險；相反，若ADI>RfD，即HQ>1時，就會對人體產生明顯的非致癌風險。

2? 結果與分析

2.1? 不同土地利用類型土壤重金屬含量描述性統計

從表2可以看出該研究區重金屬Cu、Mn、Cr、Zn、Ni含量均超過貴州省各元素背景值，只有重金屬As含量未超過貴州省As元素背景值。從圖1可以得出，從單一重金屬含量來看，在農用地中重金屬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。

變異系數是重金屬元素的含量的標準差與平均值的比值，通常用變異系數代表重金屬含量在研究區土壤中離散程度，變異系數越大，表明該重金屬元素的含量在該區域離散程度越高，也就說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導致這種情況的出現[8]。一般情況下，變異系數≤25%屬于輕微變異、變異系數25%～50%屬于中度變異、變異系數≥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? 潛在生態危害評價

從數據分析來看，詳見表3，農用地土壤重金屬的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。從綜合潛在生態風險指數RI來看，此調查區RI變化范圍為16.84～55.66，均值36.21，說明此研究區域具有低等強度的潛在生態風險，其中ECu、ENi對綜合潛在生態風險指數RI的貢獻率分別約為50%、40%，二者之和超過90%，可見，Cu和Ni是各土地利用類型潛在生態風險最大的2個貢獻因子。從不同土地利用類型來看，綜合潛在生態風險指數RI從高到低依次為農用地、林地、撂荒地，其中潛在生態風險指數最高的ECu、ENi也與RI一致。

2.3? 人體健康風險評價

2.3.1? 非致癌健康風險評價

由表4、表5可見，3種土地利用類型6種重金屬成人和兒童的HQ（非致癌風險指數）小于1，不存在非致癌健康風險。從暴露途徑來看，除Mn的HQ是從高到低排列為經口攝入、呼吸吸入、皮膚接觸外，其余重金屬的HQ都是，從高到低排列為經口攝入、皮膚接觸、呼吸吸入。從不同土地利用類型來看，關于成人的3種土地利用類型HI從高到低分別為農用地、撂荒地、林地，其中Cu、Ni、As和Mn的HQ從高到低分別為農用地、林地、撂荒地，Cr和Zn的HQ從高到低分別為農用地、撂荒地、林地；關于兒童的3種土地利用類型HI從高到低分別為林地、撂荒地、農用地，其中Cu、Ni、As、Zn和Mn的HQ從高到低分別為農用地、林地、撂荒地，Cr的HQ從高到低分別為撂荒地和林地等同，大于農用地。從單一污染物來看，Cr是各土地利用類型土壤重金屬HQ的最主要影響因子，在農用地中的成人為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險中，Mn、Cr、As的貢獻率占比較大，則Mn、Cr、As是各土地利用類型非致癌風險最大的3個貢獻因子。

2.3.2? 致癌健康風險評價

從表6中可得，從暴露途徑來看，調查區內As的CR從高到低表現為：經口攝入、皮膚接觸、呼吸吸入，Cr和Ni考慮兩種暴露途徑，其CR從高到低表現為經口攝入、呼吸吸入。從不同土地利用類型來看，3種土地利用類型的TCR從高到低表現為農用地、林地、撂荒地。從單一污染物來看，不同重金屬的CR從高到低表現為Ni、Cr、As，兒童和成人Ni的CR對TCR的貢獻率占比大，所以Ni也是各土地利用類型最主要的致癌風險因子。As、Ni、Cr的致癌風險已達到較高水平，應引起重視。

3? 結論

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

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

3）該研究區的綜合潛在生態風險指數RI變化范圍為16.84～55.66，均值36.21，表明此區域具有低等強度的潛在生態風險，綜合潛在生態風險指數RI從高到低表現為農用地、林地、撂荒地，Cu、Ni是各土地利用類型潛在生態風險最大的2個貢獻因子。

4）3種土地利用類型中土壤的As、Ni、Cr的TCR從高到低表現為：農用地、林地、撂荒地，表明As、Ni、Cr已經存在較高的致癌風險，Ni也是各土地利用類型最主要的致癌風險因子。

參考文獻：

[1] 李偉，布多，孫晶，等.拉薩巴嘎雪濕地土壤重金屬分布及生態風險評價[J].環境化學，2021，40（1）：195-203.

[2]? HAKANSON L. An ecological risk index for aquatic pollution control.a sedimentological approach[J].Water Research， 1980，14（8）：975-1001.

[3] 李有文，王晶，巨天珍，等.白銀市不同功能區土壤重金屬污染特征及其健康風險評價[J].生態學雜志，2017，36（5）：1408-1418.

[4] USEPA.Exposure Factors Handbook （2011Edition）[R].2011.

[5] 環境保護部.中國人群暴露參數手冊[M].北京：中國環境科學出版社，2013.

[6] JIANG Y，CHAO S，LIU J，et al.Source apportionment and health risk assessment of heavy metals in soil for a township in Jiangsu Province， China[J].Chemosphere，2017，168：1658-1668.

[7] CHEN H， TENG Y，LU S，et al. Source apportionment and health risk assessment of trace metals in surface soils of Beijing metropolitan， China[J].Chemosphere，2016，144：1002-1011.

[8] CHABUKDHARA M，NEMA A K.Heavy metals assessment in urban soil around industrial clusters in Ghaziabad， India： probabilistic health risk approach[J].Ecotoxicology & Environmental Safety，2013，87：57-64.

[9] 吳新民，金洋，翁志華.南京及周邊地區土壤地球化學特征及基礎地質應用探討[J].江蘇地質，2007（3）：180-186.

（責任編輯：敬廷桃）

收稿日期：2023-03-29

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

作者簡介：饒靜（1982—），女，貴州遵義人，碩士，工程師，主要從事環境監測與分析。E-mail：549356402@qq.com。

*為通信作者，E-mail：864002900@qq.com。