粵港澳大灣區(qū)某新設(shè)水源保護區(qū)土壤重金屬污染與生態(tài)風(fēng)險評價

歷 軍 趙偉強 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)與污染防治重點實驗室，天津 300350)

水源保護區(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)量優(yōu)劣直接影響飲用水水質(zhì)，進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)、交通運輸?shù)热祟惢顒虞敵龅闹亟饘伲缘乇韽搅骰虻叵聫搅鳌⒋髿獬两怠⒐腆w廢物或農(nóng)藥化肥的投放殘留等途徑聚集，已對土壤環(huán)境產(chǎn)生直接或間接的影響，而水源保護區(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)等重金屬已被美國國家環(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，能夠在一定條件下從土壤中遷移到水和動植物生態(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區(qū)土壤重金屬生態(tài)環(huán)境風(fēng)險監(jiān)控和分析十分必要。

研究區(qū)為2018年新設(shè)的河流型水源保護區(qū)，由于在已有潮汐河段設(shè)立，水源保護區(qū)土壤重金屬存在歷史富集的風(fēng)險，探究飲用水水源保護區(qū)土壤環(huán)境風(fēng)險和生態(tài)風(fēng)險對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)測技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 166—2004）和《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB5749—2006），選取嚴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)險和生態(tài)風(fēng)險狀況，以期為該新設(shè)水源保護區(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駶櫄夂颍杲涤炅繛? 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 水源保護地土壤采樣點位圖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)進行均勻布點，共采集32個0～20 cm深的土壤表層樣品(圖1)。每個樣點用梅花形布點法采集5個分點位土壤混合，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 分析測試帶回的土壤鮮樣在實驗室內(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，進行土壤重金屬含量測定。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)險管控標準(試行)》(GB15618-2018)中推薦的分析方法(表1)。

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

1.2.3 評價方法

(1)污染特征分析。選取GB15618-2018風(fēng)險篩選值作為調(diào)查數(shù)據(jù)的評價依據(jù)，當重金屬含量超過篩選值則表示土壤超過污染風(fēng)險(雷國建等, 2013;唐磊等, 2015)。以廣東省背景值(黃華偉等,2015;楊國義等,2007)作為依據(jù)，當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)險評價。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行比較，根據(jù)土壤元素含量的增加程度，判斷外源輸入對土壤元素含量的影響，進而判斷土壤累積污染程度(何東明等,2014;陸泗進等,2017;GUO Wei Hua et al,2010)。

式中：Igeo為地質(zhì)累積指數(shù)，共分為7級，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為中強度累積污染，4～5為強度累積污染，5～10為極強度累積污染 ；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)險評價。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)險評價，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)險分級標準(表2)，將土壤重金屬潛在生態(tài)危害風(fēng)險分級(李良忠,2014;徐爭啟等,2008; Hakansonl, 1980)。

表2 重金屬污染潛在生態(tài)危害指標和風(fēng)險分級表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)險指數(shù)；為單一重金屬i的潛在生態(tài)風(fēng)險系數(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的實測含量；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)險篩選值(表3)。8種重金屬平均值與風(fēng)險篩選值比較表明，Cd超過土壤污染風(fēng)險，其他7種重金屬達標。與廣東省土壤背景值結(jié)果對比表明，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個樣品濃度與背景值濃度比值的箱型圖反映不同點位重金屬含量的差異(圖2)，Cu、Cr、Ni、Cd存在離群數(shù)據(jù)，總離群點位數(shù)量為4個，離群比例為12.5%。其中21號點位Cu、Cr、Ni高于其他采樣點，這可能與21號點位距離工廠較近有關(guān)。18、23號點位低于其他采樣點，這可能由于兩個采樣點位于水廠附近，與保護強度有關(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，認為該區(qū)域重金屬受到人類活動影響，研究區(qū)經(jīng)濟發(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)險分析

以廣東省土壤重金屬背景濃度作為參考值(表3)，對研究區(qū)土壤重金屬的地質(zhì)累積指數(shù)進行分析(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)計算了研究區(qū)域32個點位重金屬元素的地累積指數(shù)(Igeo)，按照Igeo的7個分級統(tǒng)計了每個分級點位的頻率(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受中強度及以上累積污染頻率總計為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)評價結(jié)果Table 4 Evaluation results of geo-accumulation index

圖3 采樣點重金屬地累積指數(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～極強污染。Cd表現(xiàn)出極強污染，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的累積污染強度最大。

2.3 土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險分析

以廣東省土壤元素背景值作為參比值(表3)，對研究區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險進行評價（表5），單一重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)(Eri)的平均值表明，各重金屬元素風(fēng)險程度從大到小依次為：Cd＞Hg＞As＞ Cu＞Ni＞Pb＞Zn＞Cr。利用公式(2)計算了研究區(qū)32個點位8種重金屬元素的潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù) (Eri)，按照Eri的 5 個等級統(tǒng)計了每個等級點位的頻率(圖4)，其中As中度生態(tài)風(fēng)險的頻率為21.88%；Hg強度生態(tài)風(fēng)險的頻率為31.25%，很強生態(tài)風(fēng)險的頻率為15.63%；Cd很強生態(tài)風(fēng)險的頻率為43.75%，極強生態(tài)風(fēng)險的頻率為53.15%。

表5 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)評價結(jié)果Table 5 Evaluation results of potential ecological risk index

圖4 采樣點潛在生態(tài)風(fēng)險指數(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；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～很強生態(tài)風(fēng)險；Cd的E ri極小值超過了40，極大值超過了320，屬于中度～極強生態(tài)風(fēng)險。Cd和Hg表現(xiàn)出很強和極強的生態(tài)風(fēng)險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)險指數(shù)(RI)，其輕度、中度、強度和很強生態(tài)風(fēng)險頻率分別為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)險為強度及以上，這與區(qū)域的綜合開發(fā)強度、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)險篩選值相比，Cd存在土壤污染風(fēng)險，其余7種重金屬達標。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)評價表明，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～極強度累積污染。

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

(4) Cd存在土壤污染風(fēng)險，且表現(xiàn)出極強度累積風(fēng)險和生態(tài)風(fēng)險，應(yīng)加強水源地監(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，但表現(xiàn)出很強的生態(tài)風(fēng)險，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)。