飲用水水源地周邊土壤環境質量監測與評價

摘 要：為探究岳陽鐵山水庫飲用水水源地周邊土壤環境質量情況，以岳陽鐵山水庫集中式飲用水水源地周邊土壤為監測對象，對采集土壤樣品中的pH值、陽離子交換量、有機質含量及典型污染物進行了測定與分析。結果表明：該飲用水水源地周邊土壤中pH值、陽離子交換量及有機質含量平均值存在一定差異，但變化范圍不大；單因子評價和綜合評價得出，當地主要以無機污染為主，除點位4未受到無機污染外，點位1、2、3、5均存在輕度的無機污染，但均不存在有機污染；主成分分析得出，土壤中污染物主要由3個主成分構成，3個主成分累積貢獻率為100%，其中第一、二、三主成分貢獻率分別為39.145%、37.872%、22.984%；聚類分析發現，苯并[a]芘、六氯環己烷、滴滴涕、As、Hg和Cd可歸為一類，Ni、Cu可歸為一類，Pb、Cr、Zn各歸為一類。研究結果為保護岳陽鐵山水庫集中式飲用水水源地安全提供了理論依據。

關鍵詞：岳陽鐵山水庫；飲用水水源地；土壤；環境質量；評價

中圖分類號：X5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-060X（2018）06-0049-06

Monitor and Evaluation of Environmental Quality on the Surrounding Oil in the Drinking Water Source area of Yueyang Tieshan Reservoir

NIE Zi-meng，XU Yun-hai

（1. College of Resources and Environment， Shanxi Agricultural University， Taiyuan 030801， PRC； 2. College of Plant Protection，

Hunan Agricultural University， Changsha 410128， PRC）

Abstract：In order to investigate the environmental quality of soil surrounding the drinking water source of Yueyang Tieshan Reservoir， this study chose the surrounding soil of the water source in centralized drinking water in Yueyang Tieshan Reservoir as the monitoring object. The pH value， cation exchange capacity， organic matter content and typical pollutants in soil samples were measured. The result shows that the average of pH value， cation exchange capacity， organic matter content have a little difference. According to the evaluation single factor and comprehensive factor， the inorganic pollution is the main type pollution at local. The result shows clearly that point 4 has not got the inorganic pollution， and point 1， 2， 3 and 5 have got slight inorganic pollution. But there is no organic pollution in each point. The analysis of principal component shows that soil pollutants are mainly composed of 3 principal components， and the cumulative contribution rate of 3 principal components is 100%， among which the first， second， third principal component contribution rates are 39.145%， 37.871% and 22.984%， respectively. The cluster analysis shows that benzo [a] pyrene， HCH， DDT， As， Hg and Cd can be classified as a class， Ni and Cu can be classified as a class， and Pb， Cr， Zn can be classified as a class. The result provides a theoretical basis for the protection of centralized drinking water source in Yueyang Tieshan Reservoir.

Key words： Yueyang Tieshan reservoir； drinking water source； soil； environmental quality； evaluation

水資源是人類生存和社會發展的基本條件，而飲用水的水質優劣則直接關系到群眾的身體健康和社會穩定[1-3]。隨著中國工業化進程的加快和城市化水平的不斷提高，人們對水資源需求日益加大，但是隨之而來的環境污染問題也日益嚴重[4-5]。工礦業、農業等人類活動對飲用水水源地周邊土壤產生了嚴重的影響，如重金屬、苯并[a]芘、有機氯農藥等污染物以干、濕沉降的形式聚集到水源地周邊土壤中，并在一定條件下遷移到水體和水生動物體內，最終通過飲用水和食物鏈的傳遞及富集作用影響人類健康，對人類造成潛在安全問題[6-8]。

岳陽鐵山水庫飲用水水源地作為水利部公布的第三批59個全國重要飲用水水源地之一，為岳陽的城市供水、灌溉、防洪、攔沙和發電等提供了巨大的效益[9]。近年來，隨著鐵山水庫的開發建設及其周邊種養植業的發展，鐵山水庫周邊土壤環境也相應受到了人為活動帶來的影響，目前，國內外關于集中式飲用水水源地周邊土壤安全問題的研究較多[10-12]，但未見對岳陽市鐵山水庫飲用水水源地周邊土壤環境質量監測及評價的報道，因此，開展對岳陽市集中式飲用水水源地周邊土壤中典型污染物的監測及其評價具有意義和價值。

筆者通過對岳陽市鐵山水庫飲用水水源地周邊土壤進行環境質量監測，利用化學分析法及測試法對土壤樣品的pH值、陽離子交換量、有機質含量及Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni、苯并[a]芘和有機氯農藥等污染物含量進行了測定。結合環境毒理學、環境化學等理論及相關性分析、主成分分析、聚類分析等對相關數據進行了處理，探究了該集中式飲用水水源地周邊土壤中的污染物含量及污染水平，以期為岳陽鐵山水庫飲用水水源地周邊土壤的環境治理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 采樣點布設及樣品采集

在岳陽市鐵山水庫飲用水水源地陸域一級保護區分別布設5個土壤采樣點（見圖1），采集0～20 cm表層土壤，每份土壤樣品采樣量為2 kg。

1.2 樣品處理及測定

1.2.1 風干樣品的制備 在風干室將土樣置于風干盤中，除去土壤中混雜的磚瓦石塊、石灰結核、根莖及動植物殘體等，攤成2～3 cm的薄層，常翻動。當土壤為半干狀態時，用木棍壓碎土樣，置陰涼處自然風干。粗磨后，將過2 mm篩的樣品全部置于無色聚乙烯薄膜上，充分攪拌、混合直至均勻，用四分法棄取，分別稱取兩份500.0 g的樣品，其中一份可直接用于土壤pH值、陽離子交換量等的分析，另一份進行細磨。手工研磨土樣，過孔徑0.15 mm（100目）的尼龍篩，四分法棄取，分別稱取3份土壤樣品各5.0 g，裝瓶備用。

1.2.2 新鮮樣品的制備 為分析測定揮發性和半揮發性有機污染物，采集新鮮土樣，置于4℃暗處冷藏，并在7 d內進行前處理，40 d之內完成分析。

1.2.3 分析測試方法 檢測項目執行《關于印發〈2011年全國土壤環境質量例行監測工作方案的通知〉》（總站生字〔2011〕161號），未列入項目的監測方法參照2006年國家環?？偩帧度珖寥牢廴緺顩r調查樣品分析測試技術規定》（見表1）。

1.3 評價方法

土壤樣品監測結果按照每個采樣點取3個平行樣做算術平均，監測結果采用土壤單項污染指數進行單因子評價和內梅羅污染指數進行綜合評價。土壤單項污染指數計算及單因子評價方法參考《全國土壤污染狀況調查技術規范》中土壤環境質量評價分級，內梅羅污染指數的計算及土壤污染程度分級評價參照《土壤環境監測技術規范》（HJ/T 166—2004）中評價方法。

1.3.1 土壤環境質量評價標準值 土壤環境質量評價標準執行《土壤環境質量標準》（GB15618—1995）一級標準，對于GB15618未包含的評價標準執行《全國土壤污染狀況評價技術規定》（環發〔2008〕39號），有機氯農藥評價標準參照《加拿大土壤環境質量標準農用地標準值》[13]。

1.3.2 土壤單因子評價法 土壤單項污染指數用以下公式計算。

式中，Pip為土壤單項污染指數，Ci為土壤污染物實測濃度，Sip為土壤污染物評價標準。根據Pip的大小將土壤污染程度劃分為5級（見表2）。

1.3.3 土壤綜合評價法 內梅羅污染指數用以下公式計算。

式中：Pz為內梅羅綜合污染指數，Pimax為污染物i的單因子污染指數中的最大值，Pave為污染物i的單因子污染指數平均值，根據Pz的大小，將土壤污染程度劃分為5級（見表3）。

1.4 統計分析

采用SPSS 20.0和Excel進行數據統計分析，對飲用水水源地周邊土壤中各種污染物的監測值進行相關性分析、主成分分析及聚類分析等[16-17]。

2 結果與分析

2.1 水源地周邊土壤中pH值、陽離子交換量及有機質含量監測結果

鐵山水庫飲用水水源地周邊5個采樣點位土壤中pH值、陽離子交換量及有機質含量監測結果如表4所示，由表4可知，點位1～5的pH值平均范圍為5.29～5.44，說明該區域土壤偏酸性；5個點位陽離子交換量平均值范圍為9.88～12.03 cmol/L，有機質含量平均值范圍為1.28～2.17 g/kg。綜上可知，鐵山水庫飲用水水源地周邊5個采樣點位土壤的pH值、陽離子交換量及有機質含量雖存在一定差異，但變化范圍不大。楊秀敏等[18]研究發現，土壤pH值、陽離子交換量等對土壤中重金屬形態存在明顯的影響，因此土壤理化性質的差異對土壤健康風險評價結果、風險評估精度及制訂修復決策具有重要意義。

2.2 水源地周邊土壤中典型污染物監測結果

鐵山水庫飲用水水源地周邊5個采樣點位土壤中污染物監測結果如表5所示。由表5可知，5個采樣點位土壤中Cd、Hg、As、Cr、Ni、六氯環己烷、滴滴涕及苯并[a]芘等污染物含量均未超過國家一級標準限值，但點位1、2、4、5土壤中Pb含量、點位1、4、5土壤中Cu含量及點位1、5土壤中Zn含量均超過國家一級標準。

5個采樣點位土壤中Pb含量超標點位為80%、Cu含量超標點位為60%、Zn含量超標點位為40%；土壤中Cd、Hg、As、Cr、Ni、六氯環己烷、滴滴涕及苯并[a]芘均未超標。因此，鐵山生活飲用水地表水源地周邊土壤中Pb、Cu、Zn的污染應引起當地重視。

2.3 水源地周邊土壤污染指數評價

鐵山水庫飲用水水源地周邊5個采樣點位土壤中有機無機綜合污染指數如表6所示。由表6可知，5個采樣點位的土壤除點位4處于清潔水平外，其他4個點位土壤均受到了輕微污染。5個點位土壤中的有機無機綜合污染指數平均值雖處于尚清潔水平，但是已經達到了警戒限，鐵山水庫飲用水屬于湖庫形飲用水源地，作為半自然半人工水體，流動性差、水體停留時間長，與天然濕地生態系統相比，穩定性差且脆弱性明顯，更容易受到人類活動的影響，水源地周邊土壤中的典型污染物在雨水沖刷及人為影響下容易匯入水體中，并在湖庫水生態環境中通過吸附、解吸、沉淀、生物吸收等反應在水一沉積物一生物體內進行復雜的遷移、轉化過程，并且能通過食物鏈循環在生物體內富集，威脅人體健康[19-20]，因此對水源地周邊土壤典型污染物進行治理十分必要。

此外，通過表6中數據可知，鐵山生活飲用水地表水源地周邊土壤主要以無機污染為主，除點位4沒有受到無機污染，點位1、2、3、5都存在輕度的無機污染，但5個點位均不存在有機污染，按無機有機綜合值進行評價，5個點位的評價等級為：點位1、2、3、5輕度污染，點位4清潔（安全），平均值尚清潔（警戒限）。因此，在治理當地水源地周邊土壤典型污染物時因注意區分對待。

2.4 水源地周邊采樣點位及污染物之間相關性分析

2.4.1 水源地周邊土壤各監測點位之間相關性分析 由表7可知，除點位2與點位3在P=0.05水平上顯著正相關以外，其他點位兩兩之間均在P=0.01水平上極顯著正相關。以上結果說明，水源地周邊各采樣點位之間存在一定的影響。

2.4.2 水源地周邊土壤中污染物相關性分析 由表8可知，Cd與As、Cr與滴滴涕在P=0.05水平上顯著負相關，Cd與六氯環己烷、Hg與Cu、Cr與Cu、Zn與Ni、Zn與苯并[a]芘、Ni與苯并[a]芘、六氯環己烷與滴滴涕在P=0.05水平上顯著正相關，Pb與六氯環己烷、Cr與Ni在P=0.01水平上極顯著正相關。以上結果表明，水源地周邊土壤中Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni、六氯環己烷、滴滴涕、苯并[a]芘等污染物相互之間存在一定的聯系。

2.5 水源地周邊土壤中污染物主成分分析

由表9和圖2可知，土壤中污染物主要有3個主成分，3個主成分累積貢獻率為100%，其中第一主成分貢獻率為39.145%、第二主成分的貢獻率為37.872%、第三主成分的貢獻率為22.984%。結合主成分相關系數（見表10）可知，第一主成分包含的信息量最大，主要代表為Cr、Cu、Ni、滴滴涕、苯并[a]芘，其權重系數分別為0.996、0.866、0.957；第二主成分的主要代表為Cd、As、Pb、Zn、六氯環己烷，其權重系數分別為0.919、-0.891、0.821、0.654、0.856；第三主成分的主要代表為Hg，其權重系數為0.778。

2.6 水源地周邊土壤中典型污染物聚類分析

利用SPSS 20.0軟件對鐵山水庫飲用水水源地周邊各采樣點位土壤中11種污染物進行聚類分析，將數據標準化到（0，1）范圍，對距離的測度方法選擇歐氏距離法（European Distance），以離差平方和法

（Ward’smethod）進行變量（Q型）聚類[21]，得到的聚類過程如表11所示。從表11可知，聚類過程共有9階，在第1階，集群1與集群2的距離最近，系數小于0.121，因此，首先聚成一個類型，其余集群依次類推。

鐵山水庫飲用水水源地周邊各采樣點位土壤中主要污染的聚類樹形圖如圖3所示。由圖3可知，11種化合物可大致歸為5類，具體如下：苯并[a]芘、六氯環己烷、滴滴涕、As、Hg、Cd可歸為一類，Ni、Cu可歸為一類，Pb、Cr、Zn各歸為一類。

通過對鐵山水庫飲用水源地周邊環境進行調查發現，水源地作為保護區，污染控制措施較為嚴格，并無工業生產及排污情況，但存在一定規模的農業區和人類活動，因此可以推測，水源地污染物主要由農業活動、生活污水排放、支流帶入、大氣沉降及成土母質等造成的。結合相關性分析、主成分分析和聚類分析結果發現，水源地周邊土壤中苯并[a]芘、六氯環己烷、滴滴涕、Cd、Hg和As等主要來自于農田施用的化肥、農藥、生活污水排放及大氣沉降等，而Pb、Zn、Cr、Ni、Cu等主要來自于生活污水排放、支流帶入、大氣沉降及成土母質。

3 結 論

（1）鐵山水庫飲用水水源地周邊5個采樣點位土壤中pH值、陽離子交換量及有機質含量平均值存在一定差異，平均值變化范圍分別為5.29～5.44、9.88～12.03 cmol/L和1.28～2.17 g/kg，但變化范圍不大。

（2）5個采樣點位土壤中Cd、Hg、As、Cr、Ni、六氯環己烷、滴滴涕及苯并[a]芘等污染物含量均未超過國家一級標準限值，但點位1、2、4、5土壤中Pb含量，點位1、4、5土壤中Cu含量及點位1、5土壤中Zn含量均超過國家一級標準。水源地周邊土壤主要以無機污染為主，除點位4土壤未受到無機污染外，點位1、2、3、5土壤均存在輕度的無機污染，但5個點位土壤均不存在有機污染。

（3）水源地周邊各采樣點位之間存在一定的影響。水源地周邊土壤中Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni、六氯環己烷、滴滴涕和苯并[a]芘等污染物相互之間存在一定的聯系。

（4）水源地周邊土壤中的污染物由三大主成分構成，第一主成分為Cr、Cu、Ni、滴滴涕和苯并[a]芘，貢獻率為39.145%；第二主成分為Cd、As、Pb、Zn、六氯環己烷，貢獻率為37.872%，第三主成分為Hg，貢獻率為22.984%，三大主成分累計貢獻率達到100%，是構成監測點位污染問題的主要成分。

（5）土壤中污染物聚類分析發現，各監測點位土壤中Cd、Hg、As等11種污染物大致歸為5類，苯并[a]芘、六氯環己烷、滴滴涕、As、Hg、Cd可歸為一類，Ni、Cu可歸為一類，Pb、Cr、Zn各歸為一類。

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（責任編輯：肖彥資）