土壤重金屬污染風險評價方法對比研究

劉德成，李玉倩，鄭純靜，李希賢

（1.中國地質(zhì)大學（北京）工程技術(shù)學院，北京 100083；2.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)總公司，北京 100050）

隨著城市化的快速發(fā)展，北京市土壤污染問題已經(jīng)成為城市發(fā)展面臨的突出問題。由于土壤重金屬污染具有長期累積性、生態(tài)毒理性、生物富集放大性等特點，對地區(qū)生態(tài)環(huán)境、食品安全和人體健康構(gòu)成持續(xù)性威脅[1]，所以，土壤重金屬污染問題是制約和影響北京城市發(fā)展的重要因素。選取合適的評價方法，準確評估土壤重金屬含量的風險程度，不僅能科學指導土地規(guī)劃利用，控制和減輕重金屬污染帶來的危害，還能為社會、經(jīng)濟與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展提供參考依據(jù)[2]。

目前，有關(guān)土壤重金屬風險評價的方法較多[3～8]，其中，評價體系最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的評價方法是指數(shù)評價法[9]，其是基于重金屬總量的評價方法，能直觀地反映重金屬含量實測值與背景值的關(guān)系，進而評價重金屬在土壤中的風險。指數(shù)評價法依據(jù)評價標準的不同，可劃分為單項污染指數(shù)法[10，11]、內(nèi)梅羅指數(shù)法[12～15]、地積累指數(shù)法[16，17]和潛在生態(tài)風險指數(shù)法[18]等。

本試驗選取北京市某衛(wèi)生填埋場周邊土壤為研究對象，分析土壤重金屬的污染特征，并選取多種評價方法開展土壤重金屬污染風險評價。針對不同評價方法的污染指數(shù)計算結(jié)果，采用surfer軟件（版本13）繪制污染指數(shù)等值線圖，分析不同評價方法之間污染指數(shù)等值線圖的區(qū)域空間分布特征，不僅可為區(qū)域土壤重金屬污染風險評價方法的選擇積累經(jīng)驗，還可為土壤重金屬污染評價提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

北京市某衛(wèi)生填埋場位于北京市海淀區(qū)，是北京市建成的標準化垃圾衛(wèi)生填埋場，總占地面積約0.47 km2，其中填埋區(qū)占地約0.35 km2。以衛(wèi)生填埋場為中心，選取垂直地下水流動方向?qū)? km、沿地下水流動方向長6 km的長方形區(qū)域進行研究，研究區(qū)面積24 km2。

研究區(qū)主要被第四系所覆蓋，其下隱伏基巖及其周邊山區(qū)出露巖石地層有奧陶系（O）、石炭-二疊系（C-P）、侏羅系（J1-2）、侵入巖體。第四系地層主要成因于山前及南沙河洪積、沖洪積作用，形成厚約200 m的第四紀沉積物，分為中更新統(tǒng)（Qp2）、上更新統(tǒng)（Qp3）和全新統(tǒng)（Qh）。

研究區(qū)第四系松散孔隙水在垂向上劃分為淺層、中層和深層3個主要含水層組。淺層主要為潛水含水層和淺部承壓含水層，其中，含水層底板埋深一般為20～40 m，含水層組巖性以中粗砂、中細砂、粉砂、粉質(zhì)砂土、砂質(zhì)黏土為主。中層為中部承壓含水層組，含水層埋深一般為60～100 m，底板埋深一般為80～120 m，該含水層組由多層砂和黏性土組成，單層厚度一般5～10 m，累計厚度多小于20 m。深層為深層承壓含水層組，含水層頂板埋深一般為100～120 m，底板埋深一般為180～250 m（部分地區(qū)可達300 m），該含水層巖性以多層中粗砂含礫、中細砂為主，累計厚度20～35 m。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location of the study area

1.2 土樣采集與指標分析

1.2.1 樣品采集 采用布設(shè)工程鉆孔方式采集土樣。以垃圾填埋場為中心，沿地下水流方向布設(shè)剖面線，鉆孔間距400 m，剖面線間距600 m。共布設(shè)剖面線4條，布設(shè)鉆孔26個，孔深60 m，部分鉆孔位置根據(jù)實際情況適當調(diào)整。因衛(wèi)生填埋場坑底在地表以下25 m，本次研究采用各鉆孔地表以下30 m處的土樣進行指標檢測。

原狀土樣采用快速靜力連續(xù)壓入法，軟塑至流塑狀態(tài)的黏性土采用薄壁取土器壓入取土；砂質(zhì)粉土和砂土采用環(huán)刀取樣器或二重管取土器取樣。土樣長度不小于20 cm。

1.2.2 指標測定 土壤重金屬污染物檢測指標為砷（As）、汞（Hg）、鉛（Pb）和六價鉻（Cr6+）含量。其中，As含量測定采用硼氫化鉀-硝酸銀分光光度法（GB/T 17135）；Hg含量測定采用冷原子吸收分光光度法（GB/T 17136）；Pb含量測定采用KI-MIBK萃取火焰原子吸收分光光度法（GB/T 17140）；Cr6+含量測定采用比色法（EPA 7196）。

1.3 土壤重金屬污染風險評價方法

1.3.1 單項污染指數(shù)法 單因子污染評價法是《全國土壤污染狀況評價技術(shù)規(guī)定》 （環(huán)發(fā)【2008】39號）中推薦的一種評價方法，其應(yīng)用簡單、便于對比，是其他環(huán)境質(zhì)量分級、環(huán)境質(zhì)量指數(shù)和綜合評價的基礎(chǔ)[19]。單項污染指數(shù)計算公式為：

式中，Pi為土壤中重金屬污染物i的單項污染指數(shù)；i為土壤中第i種重金屬污染物；Ci為土壤中重金屬污染物i的實測值（mg/kg）；Si為土壤中重金屬污染物i的背景值或標準值（mg/kg）。

1.3.2 地積累指數(shù)法 地積累指數(shù)又稱Mull指數(shù)，是20世紀60年代晚期在歐洲發(fā)展起來的廣泛用于研究沉積物及其他物質(zhì)中重金屬污染程度的定量指標。地積累指數(shù)計算公式為：

式中，Igeoi為土壤中重金屬污染物i的地積累指數(shù)；i為土壤中第i種重金屬污染物；Ci為土壤中重金屬污染物i的實測值（mg/kg）；Si為土壤中重金屬污染物i的背景值或標準值（mg/kg）；Pi為土壤中重金屬污染物i的單項污染指數(shù)；k為巖石差異引起背景值變動而取的修正系數(shù)，取1.5。

評價重金屬的污染，除必須考慮到人為污染因素、環(huán)境地球化學背景值外，還應(yīng)考慮到由于自然成巖作用可能會引起背景值變動的因素。地累積指數(shù)法注意到了此因素，彌補了其他評價方法的不足[20]。

1.3.3 內(nèi)梅羅指數(shù)法 內(nèi)梅羅指數(shù)法是在單項污染指數(shù)法的基礎(chǔ)上，針對土壤重金屬對環(huán)境質(zhì)量影響進行的綜合評價。內(nèi)梅羅指數(shù)法主要突出污染最大值對所測土壤的污染程度，以反映土壤的綜合污染狀況[8]。內(nèi)梅羅污染指數(shù)計算公式為：

式中，PN為內(nèi)梅羅污染指數(shù)；i為土壤中第i種重金屬污染物；Pimax為土壤中各重金屬污染指數(shù)的最大值；Piavg為土壤中各重金屬污染指數(shù)的平均值。

1.3.4 潛在生態(tài)風險指數(shù)法 潛在生態(tài)風險指數(shù)法是國際通用的土壤重金屬污染評價方法之一。其結(jié)合環(huán)境化學、生物毒理學、生態(tài)學等方面的內(nèi)容，以定量的方法劃分出重金屬潛在危害的程度，是目前此類研究中應(yīng)用較為廣泛的一種方法[21]。潛在生態(tài)風險指數(shù)計算公式為：

式中，RI為土壤中重金屬污染物潛在生態(tài)風險指數(shù)；i為土壤中第i種重金屬污染物；n為土壤中重金屬污染物的種類數(shù)；Ci為土壤中重金屬污染物i的實測值（mg/kg）；Si為土壤中重金屬污染物i的背景值或標準值（mg/kg）；Pi為土壤中重金屬污染物i的單項污染指數(shù)；Ti為重金屬i的毒性響應(yīng)系數(shù)，Hg、As、Pb 的 Ti分別為 40、10、5。

1.3.5 評價標準 采用《全國土壤污染狀況評價技術(shù)規(guī)定》 （環(huán)發(fā)【2008】39號）中重點區(qū)域土壤污染評價參考值（除蔬菜地外） 中Hg、Pb、As的參考值作為評價標準值。其中，Hg參考值為10 mg/kg，Pb參考值為530 mg/kg，As參考值為55 mg/kg。不同指數(shù)法的評價標準不同：Pi≤1，土壤無污染；Igeo≤0，土壤清潔；PN≤0.7，土壤清潔（安全）；RI＜150，土壤為輕微生態(tài)危害。

針對不同評價方法的污染指數(shù)計算結(jié)果，采用surfer軟件（版本13）繪制污染指數(shù)等值線圖，分析不同評價方法之間污染指數(shù)等值線圖的區(qū)域空間分布特征。污染指數(shù)等值線圖采用surfer軟件（版本13）繪制，網(wǎng)格化算法采用克里金插值法。為了凸顯各評價方法所繪制的污染指數(shù)等值線圖之間的差異，各污染指數(shù)等值線圖中最大等值線數(shù)值與等值線間隔值之比控制在 20～30。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬單項污染風險評價

2.1.1 單項污染物污染程度分析 測試土樣均未檢測出 Cr6+；As、Hg和 Pb的 P 均＜1，Igeo均＜0 （表 1）。根據(jù)單項污染指數(shù)法和地積累指數(shù)法的評價標準（P≤1為無污染，Igeo≤0為清潔），研究區(qū)土壤未受到重金屬Cr6+、As、Hg和Pb的污染，土壤處于清潔狀態(tài)。

表1 土壤各重金屬含量及其污染指數(shù)Table 1 Contents and pollution index of heavy metals in soil

2.1.2 潛在主要污染分析 根據(jù)綜合污染指數(shù)貢獻率（土壤中某重金屬污染物的單項污染指數(shù)除以全部重金屬的單項污染指數(shù)總和）判斷。綜合污染指數(shù)貢獻率越高，表明該污染物在土壤環(huán)境綜合污染評價中越占主導作用。

測試土樣As、Hg和Pb的平均綜合污染指數(shù)貢獻率分別為67.73%、2.32%和29.95%（表2）。表明研究區(qū)土壤重金屬的主要潛在污染物為As，其次為Pb，Hg的平均污染貢獻率最小。

2.1.3 評價方法對比分析 根據(jù)污染指數(shù)計算結(jié)果，采用surfer軟件（版本13） 分別繪制Hg、Pb和As的單元素污染指數(shù)等值線圖（圖2～4）。可以看出，分別采用單項污染指數(shù)法和地積累指數(shù)法對同一污染物進行評價，依據(jù)這2種方法分別繪制的區(qū)域污染指數(shù)等值線圖在區(qū)域空間分布形態(tài)上基本一致。根據(jù)各評價方法的污染等級劃分標準，所得出的污染程度定性結(jié)論也基本一致。

2種方法所繪制的區(qū)域污染指數(shù)等值線圖形態(tài)一致性產(chǎn)生的原因在于：地積累指數(shù)法雖然考慮了因自然成巖作用可能會引起背景值變動的因素，并為此設(shè)定了修正系數(shù)k，但k是一個區(qū)域性概念修正系數(shù)，除非研究區(qū)域足夠大，否則，在一定區(qū)域范圍內(nèi)，此數(shù)一般為固定值（如，一般取值為1.5）。

2.2 土壤重金屬綜合污染風險評價

2.2.1 重金屬綜合污染程度分析 研究區(qū)土壤重金屬總量可以揭示區(qū)域重金屬的累積狀況。測試土樣未檢測出Cr6+，其他3種重金屬元素的 RI均＜150，PN均＜0.7（表3）。根據(jù)潛在生態(tài)風險系數(shù)法和內(nèi)梅羅污染指數(shù)法的評價標準〔RI＜150為輕微生態(tài)危害，PN≤0.7為清潔（安全）〕，研究區(qū)土壤未受到重金屬Cr6+、As、Hg和Pb的污染，土壤處于清潔（安全）狀態(tài)。

2.2.2 評價方法對比分析 根據(jù)綜合污染指數(shù)計算結(jié)果，采用surfer軟件（版本13） 繪制土壤綜合污染指數(shù)等值線圖（圖5）。可以看出，分別采用潛在生態(tài)風險系數(shù)法和內(nèi)梅羅污染指數(shù)法進行土壤污染評價，依據(jù)這2種方法分別繪制的區(qū)域綜合污染指數(shù)等值線圖在區(qū)域空間分布形態(tài)上基本一致。根據(jù)各評價方法的污染等級劃分標準，所得出的污染程度定性結(jié)論也基本一致。

表2 土壤重各金屬的綜合污染指數(shù)貢獻率Table 2 Contribution rate of comprehensive pollution index of heavy metals in soil （%）

圖2 Hg污染指數(shù)等值線圖Fig.2 Isoline map of Hg pollution index

圖3 Pb污染指數(shù)等值線圖Fig.3 Isoline map of Pb pollution index

圖4 As污染指數(shù)等值線圖Fig.4 Isoline map of As pollution index

表3 土壤重金屬的綜合污染指數(shù)Table 3 Comprehensive pollution index of heavy metals in soil

圖5 土壤重金屬綜合污染指數(shù)等值線圖Fig.5 Isoline map of comprehensive pollution index of heavy metals in soil

2種方法所繪制的區(qū)域綜合污染指數(shù)等值線圖形態(tài)一致性產(chǎn)生的原因在于：研究區(qū)土壤重金屬污染物Hg、Pb、As的綜合污染指數(shù)貢獻率差異較大，其中As的貢獻率最高，在綜合污染評價中發(fā)揮了主導作用，而Hg和Pb的貢獻率較低。

相比Hg和Pb，As對土壤環(huán)境污染程度的貢獻率過高，這也造成了As單一指標的區(qū)域污染指數(shù)等值線圖在區(qū)域空間分布形態(tài)上與土壤重金屬綜合污染指數(shù)等值線圖基本一致。

3 結(jié)論與建議

選擇指數(shù)評價法作為區(qū)域土壤重金屬污染風險評價方法時，在具體方法的選擇上，可以考慮以下結(jié)論與建議：

（1）當研究區(qū)范圍不大或自然成巖作用影響不明顯時，選用單項污染指數(shù)法或地積累指數(shù)法對單項污染物的污染風險評價結(jié)果基本一致。建議選用單項污染指數(shù)法，因為此法更便捷。

（2）進行區(qū)域土壤重金屬綜合污染風險評價時，可以先計算土壤中各重金屬污染物的綜合污染指數(shù)貢獻率。當其中一種污染物貢獻率較高時（一般在50%以上），內(nèi)梅羅指數(shù)法和潛在生態(tài)風險指數(shù)法的各自優(yōu)勢表現(xiàn)并不明顯，2種方法評價結(jié)果基本一致。建議從2個方法中任選一種開展綜合污染風險評價工作。