隴南某水源地周邊土壤重金屬監測與對策建議

符永鵬 張武平 劉明延 尚瑞琦

（甘肅省隴南生態環境監測中心 甘肅隴南 746000）

引言

土壤是地球生命賴以生存的重要基礎、是人類生存與發展的戰略資源，關系著人類身心健康及社會的高質量發展進步，保障土壤環境安全是實現全面小康社會、構建和諧社會極為重要的物質基礎。隨著人口和經濟社會的快速增長及我國城市化進程的不斷加快，隨之也產生了各種類型較為嚴重的土壤重金屬污染問題。

1 研究背景

在沒有受到人類生產、生活干擾時，自然環境中的重金屬元素為自然含量，隨著人類文明的向前發展，特別是近些年經濟社會的飛速進步，工業化程度的不斷推進，已經延伸到生產、生活的各個領域，重金屬在人類社會生產、生活中的重要性日益凸顯，需求急劇增加，隨之產生了不同類型較為嚴重的土壤重金屬污染問題。由于土壤重金屬污染威脅到生態環境安全，進而影響人類及種植物正常生長，所以，土壤重金屬污染問題得到了廣泛關注[1][2][3]。

對土壤重金屬元素污染程度進行評價時，一般有下列幾種評價方法：（1）單因子污染指數法（Pi）；（2）內梅羅綜合污染指數法（Pn）；（3）地累積指數法（Igeo）；（4）Hakanson 潛在生態風險指數法。上述幾種方法各有側重點，可以從不同角度進行評價，最后再綜合分析評價結果，因此運用較為廣泛[3～6]。

水源地周邊土壤環境質量，對飲用水水源產生一定的潛在影響，居民的生產生活時刻離不開安全優質的水源，水源地周邊保護區的土壤環境安全問題關系到水源的安全，如果長期飲用重金屬污染水源將對人體健康產生有害影響，甚至會影響居民的正常生活及身體健康。所以，水源地的環境安全問題廣受大家關心。掌握水源水質及水源地周邊土壤重金屬污染狀況是實現水資源風險管控的基礎環節，能有效提升對水源地安全的掌控能力，因此，該研究通過對隴南市某飲用水源地保護區周邊土壤環境安全狀況為目標，開展土壤中8 種重金屬Cd、Cu、Cr、Pb、Ni、Zn、As 和Hg 的含量、污染狀況和潛在生態風險研究，同時也為本市其他水源地保護和風險防控提供第一手基礎資料，也為保障城區居民的用水安全，為飲用水源地環境風險防控和環境管理及維護人體健康提供科學依據。

2 實驗過程

2.1 土壤樣品采集及制備

該地屬暖溫帶半濕潤性氣候，降水分布主要在秋季，年降水量451-734.7 毫米，研究區為較平坦的黃土坡地，土壤主要為褐土。

按照前期開展調研情況，結合此水源地的實際情況，經過充分論證，確定使用網格法進行布點采樣，在水源地周邊區域，采集有代表性的15 個土壤樣品。每個采樣點，在距中心20 米左右范圍內均勻采集5 份0-20cm 的表層土壤，進行混勻，再用四分法來縮分2kg 新鮮土壤樣品，裝入適當容器，按要求填好采樣原始記錄，按方法規范要求運送至實驗室。在通風環境下晾干后，剔除明顯雜物及碎石，研磨，通過100 目和200 目篩進行篩分，然后進行定量測試。

2.2 重金屬總量的測定

參照農用地國家標準中的基本項目，測定了土樣中Cd、Cu、Cr、Pb、Ni、Zn、As 和Hg 的含量。根據不同項目的測定要求，土壤樣品前處理包括經典“四酸” 消解、微波消解和干燥過篩后直接壓片。

重金屬元素Cd 運用ICP-MS（儀器型號：Agilent 7900）測定，運用經典的AFS 法測定總As 和總Hg（儀器型號：AFS-830 和AFS-3000），其它5 種重金屬元素運用波長色散X 射線熒光光譜法測定（儀器型號：賽默飛ARL Perform'x ），土壤pH 的測定運用電位法，樣品有機物項目有機氯農藥和多環芳烴分別使用氣相色譜和氣相質譜法。

在樣品分析環節，實驗室內采用校準曲線、空白試驗、密碼樣控制等質量控制措施，對Cd、Cu、Cr、Pb、Ni、Zn、As 和Hg 等元素均采用國家標準土壤樣品進行了密碼樣考核，考核結果在規定的置信范圍內。本實驗試劑均為市售優級純，試驗用水及消解所用的酸均做了空白實驗，對所需試劑進行剔除處理。

2.3 單項污染指數（Pi）和內梅羅污染指數（Pn）

計算公式：

Pi=土壤重金屬元素實測值/重金屬元素質量標準值

Pn=｛［（PI均2）+（PI最大2］/2｝1/2，式中（PI均）－平均單項污染指數、（PI最大）－最大單項污染指數

土壤重金屬元素質量標準值，參照（GB 15618-2018）表1 規定的風險篩選值。指數Pi和Pn的評價結果分級標準依次見表1、表2[3]。

表1 Pi法分級標準

表2 Pn法分級標準

2.4 地累積指數法（Igeo）

地積累指數法廣泛用于研究沉積物及其它物質中重金屬污染程度的定量指標[4]，地累積指數（Igeo）計算公式及分級標準見表3[3]。

表3 Igeo法分級標準

式中：Cn－某項重金屬元素總含量；Bn－某項重金屬元素的環境背景值，本研究采用中國土壤環境背景值[7]；系數k（通常取值為1.5）。

2.5 土壤重金屬生態風險評價

該研究運用Hakanson 的潛在生態風險評價法對水源地保護區中的土壤重金屬潛在生態風險進行評價[3～5][8]。其計算公式：

8 種重金屬的背景值和毒性系數見表4，土壤重金屬的RI 指數分級標準見表5。

表4 8種重金屬的背景值[7]和毒性系數[9][10]

表5 土壤重金屬的潛在生態風險分級標準

3 結果及分析

3.1 土壤重金屬元素總量測定

在水源地保護區內15 個土壤樣品重金屬元素含量測試結果見表6。Cd、Cu、Cr、Pb、Ni、Zn、As 和Hg 的測定含量平均值依次為0.180、28.93、70.52、26.30、35.04、84.06、18.17、0.148 mg/kg。除11#樣品的Cr 超標外，其他樣品的8 種重金屬元素含量都低于（GB 15618-2018）表1 中規定的風險篩選值，土壤有機物含量均低于方法檢出限。該批樣品所測8 種元素的變異系數范圍3.4-57.5，其中Hg 和Cd 的變異系數較大，說明該批樣品中這兩種元素的含量可能存在較大差異，另外6 種元素的變異系數較小。

表6 15個土樣中重金屬元素含量測定和統計結果單位：mg·kg-1

3.2 土壤重金屬超標情況

對土壤樣品8 種重金屬元素的測定結果，運用單項污染指數法（Pi）、內梅羅綜合污染指數法（Pn）開展綜合評價。11# 土樣的重金屬元素Cr 含量超標，單項污染指數為1.45，污染等級為輕微污染。其余點位的8種重金屬元素均未超標，單項污染指數均小于1，污染等級為無污染，但Cr 和As 的平均單項污染指數分別為0.75 和0.70，表明土壤中這兩種元素的含量較高。

在15 個土壤樣品中，11# 土樣的內梅羅綜合污染指數Pn 為1.1，土樣處于輕度污染。其余14 個土樣的Pn 均小于0.7，表明土樣處于清潔（安全）狀態。但該指數也存在一定的局限性，存在一定程度的夸大或縮小某種元素的作用，在實際應用中要多因素考量，不然會造成該方法對環境質量評價結果的不科學的現象。

3.3 重金屬污染程度評價

Cd、Cu、Cr、Pb、Ni、Zn、As 和Hg 的地累積指數Igeo結果如圖1 所示。各元素Igeo平均值大小為Hg＞Cd＞As＞Ni＞Cu＞Cr＞Zn＞Pb。全部土樣樣品中Ni、Cu、Cr、Zn、Pb 五種元素的Igeo<0，污染等級為0，表明這5 種元素無污染;而全部土壤樣品中Cd 的地累積指數均大于0，范圍為0.07-0.92，As 和Hg 均有11 個點地累積指數大于0，范圍分別為0.02-0.0.31、0.03-1.62，其余4 個點小于0。由圖1 所示，全部土樣受到Cd 污染，主要為輕度污染到中等污染。73.3% 的土壤樣品受到As 污染，污染程度主要為輕度污染到中等污染。73.3% 的土壤樣品受到Hg 污染，6 個樣品污染程度為輕度污染到中等污染，中等污染所占的比例達到33.3% 。從上述研究結果得知土壤可能受到Hg、Cd、As 的污染。

圖1 地累積指數計算結果

3.4 土壤潛在生態風險評估

由表7 和表8 數據得出結論，各元素的潛在生態風險單項系數平均值大小為Hg＞Cd＞As＞Ni＞Cu＞Pb＞Cr＞Zn。保護區土壤樣品Cu、Cr、Pb、Ni、Zn 和As 等元素的指數對照分級標準，均為輕微生態風險水平，土壤樣品Hg 的平均值為90.96，對照分級標準分別為輕微生態危害、中等生態危害、強生態危害和很強生態危害等級依次占13.33%、40.00%、33.33%、13.33%。土壤樣品Cd 的平均值為55.62，最大值為85.36。從上述結果可知，Hg 的生態風險因子最為關鍵，Cd 次之，另外6 種重金屬元素對保護區土壤生態環境影響輕微。

從表7 和表8 結果中可知，15 個土壤樣品綜合潛在生態風險指數（RI）范圍是106.87～312.02，平均值為184.21，對照該分級標準，26.67%樣品處于輕微生態風險水平，73.33%樣品處于中等生態風險水平，綜上所評結果，該批土壤樣品8 種重金屬基本為輕微和中等生態風險水平。

表7 土壤重金屬潛在生態風險評價結果（1）

表8 土壤重金屬潛在生態風險評價結果（2）

4 小結

該研究結果表明，在所有的土壤樣品中，11# 土壤樣品的Cr 超標0.45 倍，其他樣品的8 種重金屬元素含量都普遍低于（GB 15618-2018）表1 中規定的風險篩選值。

水源地保護區土壤樣品中地累積指數法（Igeo）評價結果表明，水源地保護區土壤整體上污染較輕，Ni、Cu、Cr、Zn、Pb 等重金屬元素無污染，另外大部分樣品的3 種重金屬元素Cd、Hg、As 存在輕度到中等污染，個別樣品Hg 存在中等污染。

用綜合潛在生態風險指數（RI）法得出的結論可知，水源地保護區土壤環境整體上生態風險程度都較輕，5 種重金屬元素（Cu、Cr、Pb、Ni、Zn 和As）均處于輕微生態危害，另外兩種重金屬元素Cd、Hg 具有一定的潛在生態風險，26.67%、73.33%的樣品污染程度分別為為輕微、中等生態危害。

綜合上述兩種評價結果，從該研究區土壤樣品中Hg、Cd 的污染程度，水源地保護區周邊土壤可能已被個別重金屬元素影響，而通過對近5 年該水源地水質監測數據的匯總及分析，該水體的水質類別達到地表水III 類水質標準，且這8 種重金屬元素（Cd、Cu、Cr、Pb、Ni、Zn、As、Hg）的含量較低。目前尚不存在飲用水源地水體受該類重金屬污染的情況，但保護區周邊土壤和水體為相互影響、有機統一的整體，因此土壤的污染情況應引起的特別關注。

結語

通過本次對水源地周邊土壤狀況的調查監測，基于水源地保護區周邊土壤和水體為相互影響、有機統一的整體，為確保土壤和飲用水安全，提出以下建議。

（1）水源地周邊村莊的生產生活污水要通過雨污分流排水管網收集處理，避免向水源地內隨意排放；

（2）加大水源地周邊農田管理，加強農業面源污染的治理力度，盡量少施或禁止施用化肥和農藥，改施安全無污染的其他有機肥料；

（3）增加公共宣傳力度，牢固樹立水源地周邊居民的環境保護理念，使廣大居民群眾充分認識到到水源地保護的重要意義，充分調動周邊住戶的積極性，共同參與保護水源地安全；

（4）結合現狀調查情況，綜合評價水源地水質安全，建立典型飲用水源地保護的模式，提出具有科學、可行、有效的對策和保護方案。