土壤重金屬污染評價方法對比研究

張 娜，崔嬌梅，孫 晶，高海濤，李 偉

(西藏大學 理學院，西藏 拉薩 850000)

1 引言

土壤是最為重要的自然資源之一，是人類生存的物質基礎[1]。隨著工農業生產，重金屬通過大氣沉降、農業灌溉等途徑進入土壤并不斷累積富集造成一定程度的污染[2]。土壤重金屬具有持久性、潛伏性、生物富集性和不降解性的特點，能影響植物的生長發育、人體健康及土壤質量[3,4]。目前，國內外對土壤中重金屬的污染和風險評價的方法沒有固定的體系，目前可用的方法有[5]：指數評價法、模型指數評價法和其他類評價法。指數評價法較為常用，模型指數法比指數評價法較為少用，其它類則包括：健康風險評價法與基于GIS的地統計分析法[5]。將人體健康與風險評價法結合起來的方法也越來越成熟與完善，依據評價標準的不同，有不同的風險評價結果，每種方法各有其局限性與優點。本文整理了常見的評價法，分析了其異同點，總結出根據不同的研究區域情況選擇多種評價方式并行的結論，才能更加準確地反映污染區的綜合污染程度。

2 土壤重金屬污染和風險評價方法

相比于國外發展，國內土壤污染和風險評價方法起步較晚。對于應用較為廣泛的指數評價法最大的特點就是較為簡單，其相關參數修正與依據正在不斷完善[6]。

2.1 單因子指數法與內梅羅綜合指數法

單因子污染指數法是國內重金屬污染評價應用較廣泛的一種方法[7]，該方法可以得出實際值與參考的背景值的比值。因此，參考的背景值不同，同一研究區域同一元素的污染值必定不同。其計算公式為：

(1)

單因子污染指數劃分標準及式中各參數物理意義如表1[8]。

內梅羅綜合污染指數法以單因子指數的整體污染狀況為基礎[9]。

其公式為：

(2)

式(1)、(2)中內梅羅綜合污染指數污染等級劃分及各參數物理意義如表1[10]。

表1 單因子指數污染與內梅羅綜合污染指數等級劃分

采用單因子指數法進行評價，Pi越大,表明土壤中所受某重金屬污染越嚴重。可通過單因子指數明確某單一元素的最大污染值，也可看到所有元素中該研究區域的最大污染金屬元素。如陳錦等[11]用單因子污染指數法對礦區土壤中各重金屬元素進行劃分，并進行了排序比較，發現As重污染樣品達28.57%，污染較重，方曉波等[12]以浙江省土壤含量為背景值，發現研究區域土壤中Pb元素污染程度為中度污染。

內梅羅綜合污染指數，可以反映出研究區域每個樣點的整體污染程度。如劉兵昌等[13]用內梅羅綜合污染指數法對永登縣土壤污染程度進行了評價，分別判斷出5個研究地區的整體污染狀況，李秋燕等[14]經內梅羅綜合污染指數得出錦州市土壤屬于中度污染，韓晉仙等[15]對山西某個縣的農耕地綜合污染評價，發現1

2.2 地積累指數法

地積累指數是Muller[19]提出來的，最初用來測定其他物質中的重金屬，后來逐漸在土壤重金屬的研究中廣泛應用，地積累指數不僅可以反映地質環境，還可反映是否受人類活動污染。如屈星辰等[20]對香河縣農用地表層土壤重金屬污染程度用地積累指數法進行了分析，發現Hg除了地質發展影響外，有別的污染來源。鄧霞等[21]利用地積累指數法計算發現，伊寧市道路中研究區域的大多數點存在Pb、Hg的污染。羅松英等[22]對紅樹林濕地研究發現，地積累值較高的3個站位點的污染主要來自于Cd、Hg、Zn，主要受人類活動影響。

其公式為：

(3)

式(3)中關于地積累指數的污染等級劃分及各參數物理意義如表2[23]。

表2 地積累指數污染等級劃分

2.3 污染負荷指數法

污染負荷指數法是由Tomlinson[24]提出的。

其公式為：

(4)

(5)

式(4)、(5)中,各參數的物理意義及污染分級標準如表3[25]。

表3 污染負荷指數污染分級標準

這種方法也可以測定某一研究區域的污染負荷，其公式可以表達為：

(6)

式(6)中，m為采樣點個數。該方法一般用來表示某地受多種重金屬的污染程度，如黃悅等[26]分別用該方法計算了2015年、2016年陜西段沉積物中10種重金屬污染狀況，游佐佳等[27]對某廠區運用該方法發現，研究區域屬于極強污染，徐雙貴等[28]通過污染負荷指數發現湟水河流域西寧段沉積物中存在極強污染元素Hg和Cd，王興富等[29]用污染負荷對某廢棄礦區土壤重金屬污染進行計算后，發現了達到高度污染元素的Cd,并進一步用各元素均值計算后發現該區域的污染負荷值為0.8，屬于未污染。

2.4 潛在生態風險指數

潛在生態危害指數法是學者Hakanson提出的,其能對重金屬潛在的程度定量分析[30]，應用較廣泛。

其公式為:

(7)

(8)

(9)

式(7)～(9)中關于重金屬污染潛在生態風險系數和潛在生態風險指數分級標準及各參數物理意義見表4[31]。

表4 潛在生態風險指數污染分級標準

2.5 土壤重金屬污染的健康風險評價

健康風險評價是評價污染對人體健康造成影響的一種方法，根據美國國家環保局(USEPA)推薦的人體健康風險評價模型[34]，計算經手口攝入、呼吸攝入、皮膚接觸三種途徑攝入的重金屬引起的健康風險，對成人和兒童分別進行致癌與非致癌健康風險評價。不同途徑日均暴露量：

(10)

(11)

(12)

式(10)～(12)中，ADDing、ADDinh、ADDdermal分別為經手口攝入、呼吸攝入、皮膚接觸的日均暴露量，其中各個參數的取值可結合USEPA推薦與國內參考文獻，但因為國內外人種、生活習性的不同[35]，再繼續使用美國暴露參數可能會導致較大的誤差，如BW、AT等國內外人群得取值均有差異，不同的取值會對風險評價的結果準確性造成一定的影響。近年來，已有很多國內研究者在進行暴露模型計算時，調整了部分暴露參數，以減少誤差。因金屬元素汞的易揮發性特征，有學者將Hg的經呼吸暴露途徑進行單獨計算，公式如下[36,37]：

(13)

其中，ADDvapovr為汞通過水蒸氣的暴露量，VF為汞的蒸發系數

2.5.1 致癌健康風險評價

CR=ADD×SF

(14)

TCR=∑CR

(15)

2.5.2 非致癌健康風險評價

(16)

HI=∑HQ

(17)

式(14)～(17)中，兩種風險評價污染等級劃分及參數意義如表5[38]。

表5 致癌與非致癌污染等級劃分及相關參數物理意義

3 討論

不同的污染評價方法有不同的結果，樊志穎等[39]用不同的評價方法對色拉山森林土壤重金屬污染進行評價發現，內梅羅指數值結果顯示,色季拉山陰坡和陽坡的采樣點土壤都受到重金屬一定程度的污染,而污染負荷指數值結果顯示,僅有陽坡采樣點有輕度重金屬污染。劉德成等[23]通過研究幾種評價方法給出的建議：當研究區范圍不大或者成巖作用不顯著時，對單一重金屬進行評價時，在地積累指數和單項因子指數中，根據計算的簡便性，可以選擇單項因子指數法；對土壤進行綜合污染評價時，內梅羅和潛在生態風險評價結果基本一致，可以選擇任意一個進行計算評價。宋曉薇等[40]采用單因子、地積累、內梅羅、潛在生態風險指數法分析稀土礦區土壤，結果表明幾種方法基本一致，但地積累指數與潛在生態危害指數法更加適用于輕微污染的區域，朱紅等[41]采用地積累指數法與內梅羅污染指數法對某研究區土壤污染進行評價發現，內梅羅指數法評價顯示整體區域未污染，但污染指數最大的采樣點主要源于元素砷，地積累指數表明該區域砷和汞污染較嚴重，總的來說，加強砷元素的綜合利用是兩種方法得出的共同結論。綜上，若考慮研究區域單元素污染程度，則可選擇單因子指數法，若考慮某區域整體污染概況，可用內梅羅或污染負荷指數，若考慮重金屬毒性系數可選擇潛在生態風險指數法，若再考慮地質環境效應，則要用地累積指數法，根據不同的研究目的，針對不同的研究區域選擇評價方法，但最好選擇多種方法并行。

4 結論與展望

根據不同評價方法中各公式所表達的意義發現，單因子污染指數法與其他幾種評價方法都有著異同點。單因子污染指數與污染負荷指數法及潛在生態風險指數法中單一重金屬的污染系數計算公式有著相同的意義，均為某重金屬實測值與背景值比值，但是各自表達的污染等級劃分意義不同，單因子污染指數等級劃分表示某一點某單一重金屬的污染程度，污染負荷系數則表示某一點所測各重金屬的污染程度，進行內梅羅綜合污染指數評價的前提是進行單因子污染指數計算，潛在生態風險方法中，某一重金屬的污染系數與單因子污染系數具有相同的意義，計算方法均為重金屬實測值與參考值比值。幾種方法進行比較發現，單因子、內梅羅、地積累、污染負荷指數法雖然在等級劃分上具有不同的背景，但其污染等級劃分結果有著極大的相似性。

根據對幾種評價方法的綜合考量，總結了其優缺點，如表6。

表6 不同評價方法的優缺點

因此，針對研究區域，應使用多種方法共同評價才能更精確表達其污染情況，再進一步針對污染情況采取相應措施。

健康風險評價模型中的相關參數正在完善與修改中，參數值的選擇決定了結論的誤差大小，由于所參考模型中缺乏手口攝入與皮膚攝入途徑的重金屬致癌斜率因子，不能準確分析危害程度，因此，應該建立并完善國內的健康風險評價體系。基于GIS的地統計法與土壤重金屬污染的評價相結合的應用也越來越多，在采樣前期，可用ArcGIS軟件進行采樣空間規劃，尤其對于進行高密度采樣類型較為便捷，進行采樣時可按照采樣圖，對照相應的經緯度進行采樣，將土壤重金屬污染評價法與ArcGIS中的克里金插值法和反距離加權法結合起來，可以更好地分析研究區域的空間污染狀況，各種方法的污染狀況空間圖相互結合能更清晰地判斷出共同危害因子或共同污染區域。