高新沙水庫土壤重金屬分布特征及環境風險

茹衛東，黃俁軒，王元成，莫建成，湯家源，黨志，黃飛*

（1.廣東粵海珠三角供水有限公司，廣州 511455；2.廣東工業大學環境科學與工程學院，廣州 510006；3.華南理工大學環境與能源學院，廣州 510006；4.廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510635；5.中國水利水電第七工程局有限公司，成都 610213）

珠江三角洲水資源配置是國務院批準《珠江流域綜合規劃（2012—2030 年）》中提出的重要水資源配置工程，其中擬建的高新沙水庫是珠江三角洲水資源配置工程中重要的調節水庫之一。擬建高新沙庫區選址區域主要為淤質黏土，土壤中重金屬在適宜的庫區環境條件下很有可能被重新釋放到水體中，從而影響水質安全，危害人體健康。因此，研究高新沙水庫庫區土壤重金屬含量分布及潛在風險對水質安全保障具有重要意義。

近年來，國內外學者在不同區域中土壤重金屬污染特征與生態風險評價方面開展了大量研究[1-5]。目前的研究內容主要集中在土壤重金屬污染評價[6]、重金屬遷移轉化機制[7-8]、重金屬來源解析[9-10]等方面，研究區域也側重于農業生產區[8，11-13]、污水灌溉區[14-15]、工業礦區[16-17]等，這些研究工作表明，不同利用類型的土壤區域中重金屬分布特征及污染來源具有顯著性差異。水庫土壤不同于工業或農業生產污染區，也與河流、湖泊、海洋等自然生態系統有所不同，水庫作為一類人工淡水生態系統，其受人類活動影響較大且被污染途徑較多。部分學者針對三峽庫區[18]、密云水庫水源保護區[19]、丹江口水庫[20]等現行水庫土壤中重金屬分布特征及風險展開了深入研究，結果均表明現行水庫土壤重金屬存在不同程度的潛在生態風險，非常有必要加強水質監測與保護工作。從這個角度來看，對擬建水庫土壤中重金屬風險進行評價就顯得尤為重要，但是，當前針對擬建水庫土壤重金屬分布特征及風險評價的研究工作還鮮見報道。

本研究以擬建高新沙水庫庫區土壤為研究對象，通過對庫區4 層土壤（A 層0~50 cm、B 層50~100 cm、C 層100~200 cm、D 層200~300 cm）中8 種重金屬（Cu、Zn、Cd、Pb、Ni、Cr、Hg 和As）含量的測定，利用ArcGIS 技術探討了重金屬元素的空間分布特征，并采用單因子指數法和潛在生態危害指數法對重金屬的生態風險進行了評價，從而揭示水源地土壤重金屬分布特征及環境風險，以期為采取有效措施保護水源提供數據支持，并為將來高新沙水庫運行中水質安全與風險管控提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域及采樣點布設

擬建高新沙水庫選址位于廣州市南沙區蕉門水道江心洲的頭部三角地帶，土地利用類型原屬于果園用地。水庫水域面積100 000 m2，庫容5 290 000 m3。根據庫區實際地形，采用網格加圖斑的方法將庫區分為16 個采樣區域。在實際采樣中，采用“S”或“X”形進行布點采樣（圖1），盡可能避開地形干擾。每個采樣區域設置3個平行樣，按照0~50、50~100、100~200、200~300 cm依次采集4個土層樣品。

圖1 研究區域及采樣點分布Figure 1 Schematic diagram of the soil sampling sites

1.2 樣品采集處理與測定分析

土壤樣品采集后去除植物根須、砂礫、雜草等雜物，置于干凈通風處自然晾干后用研缽研磨并過100目尼龍網篩，裝于保鮮袋密封保存備用。在研究區域中，采集A層土壤樣品48份，B層樣品43份，C層樣品31 份，D 層樣品14 份，共計136 份土樣。在每份土樣測定Cu、Zn、Cd、Pb、Ni、Cr、Hg 和As 8 種重金屬的含量，共測定樣品數3 264個。

準確稱取0.1 g 土樣放入聚四氟乙烯坩堝中，加入10 mL 優級純鹽酸（ρ=1.19 g·mL-1），將坩堝置于電熱板上120 ℃左右加熱。當坩堝內鹽酸剩余大約3 mL 時，分別加入5 mL 優級純硝酸（ρ=1.42 g·mL-1）、5 mL優級純氫氟酸（ρ=1.49 g·mL-1）和3 mL優級純高氯酸（ρ=1.76 g·mL-1）進行消解。等待產生大量白煙時，蓋上坩堝蓋使堝內壁黑色物質完全消解，開蓋排盡白煙，并用去離子水沖洗坩堝蓋和內壁，將溶液轉移至50 mL容量瓶中，冷卻后定容待測。Cu、Zn、Cd、Pb、Ni和Cr的含量采用石墨爐原子吸收法測定，Hg 和As的含量采用原子熒光光度計測定[12]。

1.3 評價方法

（1）單因子指數法。依據土壤pH值，不同重金屬選取對應的風險篩選值進行評價。計算公式：

式中：Pi為土壤中污染物的環境質量指數；Ci為污染物實測含量，mg·kg-1；Si為《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）篩選值，mg·kg-1。當Pi<1時，說明土壤重金屬含量沒有超標；當Pi≥1 時，說明土壤重金屬含量超標，可能影響人體健康[21]。

（2）潛在生態危害指數法。該方法不但能說明某一特定環境中不同重金屬污染物對環境的影響，而且可以反映多種重金屬污染物的綜合風險，并定量劃分潛在生態危害等級[22]。計算公式：

2 結果與討論

式中：RI為多種重金屬潛在生態危害指數，RI分級標準是由Hakanson 依據沉積物中Hg、As、Pb、Cu、Cr、Zn和PCB 等8 種污染物的毒性系數（T ir）之和而提出的，可分為輕微風險、中等風險、較強風險、很強風險、極強風險5 個等級[23]；Tri為重金屬的毒性系數，重金屬Cu、Zn、Cd、Pb、Ni、Cr、Hg和As的Tri分別為5、1、30、5、5、2、40 和10；Eri為單個重金屬的潛在生態危害指數，反映重金屬的潛在生態危害程度；Ci為重金屬i的實測含量，mg·kg-1；為重金屬i的含量參比值，本研究參照《土壤重金屬風險評價篩選值珠江三角洲》（DB 44/T 1415—2014）中土壤環境背景值，重金屬Cu、Zn、Cd、Pb、Ni、Cr、Hg 和As 分別選取為32、97、0.11、60、28、77、0.13 mg·kg-1和25 mg·kg-1。根據趙梓霖等[22]和姚波等[24]的報道，土壤重金屬Eri、RI與潛在生態風險程度的關系如表1所示。

表1 Eri及RI的分級標準Table 1 Criteria for classification of Eri and RI

2.1 土壤pH及重金屬含量分析

總體來看，隨著土層深度增加土壤pH 由酸性逐步變為弱堿性，A、B、C、D 4 層土壤的pH 依次為（5.77±1.53）、（6.29±1.17）、（6.91±0.76）、（7.56±0.92），變異系數依次為0.27、0.19、0.11、0.12。重金屬Cu、Zn、Cd、Pb、Ni、Cr、Hg 和As 的含量范圍分別為8~77、40~159、0.03~0.40、16~400、6~48、27~99、0.003~0.666 mg·kg-1和4.2~40.9 mg·kg-1。重金屬Cu、Zn、Hg 和As均在A 層土壤中平均含量最大，分別是50.27、119.69、0.14 mg·kg-1和23.58 mg·kg-1，而Pb、Ni、Cr 均在B 層土壤中平均含量最大，分別為65.84、27.65、65.30 mg·kg-1，僅Cd 在4 層土壤中平均含量的差異不顯著，4 層土壤從上到下的平均含量依次為0.17、0.13、0.15 mg·kg-1和0.16 mg·kg-1（表2）。

表2 庫區土壤重金屬含量特征Table 2 Content of heavy metals in reservoir soil

2.2 重金屬污染的生態風險

2.2.1 單因子指數法評價

（1）A層土壤中的重金屬含量分布特征與評價

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水庫土壤中Cu、Cd、Pb、Hg 和As 5 種重金屬呈現輕度超標現象，含量范圍分別為21~77、0.06~0.40、16~288、0.060~0.666、7.53~40.90 mg·kg-1，超標率分別是47.92%、14.58%、6.25%、2.08%和4.17%，最大超標倍數分別是0.54、0.33、2.60、0.34 倍和0.36 倍。值得注意的是，Cd、Pb、Hg 和As 4 種重金屬在絕大部分點位中沒有超標，僅在個別點位超標（圖2）。此外，Zn、Ni 和Cr3 種重金屬的含量范圍分別為85~158、9~41 mg·kg-1和28~99 mg·kg-1，均低于我國農用地土壤重金屬風險篩選值（GB 15618—2018）。綜合來看，水庫A層土壤中絕大部分重金屬表現為輕微超標現象，可能對水質的影響較小。重金屬Cu輕微超標點位的面積最大（圖3），可能原因是新建水庫開挖之前的用地類型屬于果園土壤，大量的Cu 隨著畜禽糞便等進入農田（約69%的Cu 來源于畜禽糞便），從而造成水庫土壤Cu的大面積輕微超標[25]。

圖2 A層土壤（0~50 cm）重金屬含量Figure 2 Content of heavy metals in the soil profile A（0-50 cm）for each sampling site

圖3 A層土壤（0~50 cm）重金屬含量空間分布特征Figure 3 Spatial distribution of heavy metals content for the soil profile A（0-50 cm）in reservoir region

（2）B層土壤中的重金屬含量分布特征與評價

對比A 層土壤來看，B 層土壤中Cu、Pb 和As 3 種重金屬同樣存在輕微超標現象，含量范圍分別為13~74、25~400 mg·kg-1和10.7~40.3 mg·kg-1，最大超標倍數分別為0.48、3.00 倍和0.34 倍，超標率分別是11.63%、2.33%和6.98%；Zn、Cd、Ni、Cr 和Hg 均未出現超標現象，含量范圍分別為52~159、0.03~0.40、10~48、38~84 mg·kg-1和0.013~0.176 mg·kg-1（圖4）。以上表明庫區B 層土壤重金屬超標程度總體上有所減弱，其中Cu、Pb 和As 僅在個別點位中存在超標現象（圖5）。肖武等[21]對巢湖流域農田土壤重金屬污染調查研究的結果表明，重金屬Cu、Zn、Pb、Ni 和As 存在輕微超標現象，而Hg和Cd嚴重超標。

圖4 B層土壤（50~100 cm）重金屬含量Figure 4 Content of heavy metals in the soil profile B（50-100 cm）for each sampling site

圖5 B層土壤（50~100 cm）重金屬含量空間分布特征Figure 5 Spatial distribution of heavy metals content for the soil profile B（50-100 cm）in reservoir region

（3）C層土壤中的重金屬含量分布特征與評價

在8 種重金屬中，C 層土壤僅有As存在輕微超標現象，其含量范圍為9.97~30.30 mg·kg-1，最大超標倍數為0.21 倍，超標率為22.58%（圖6），而且超標范圍主要集中在水庫西北角區域（圖7）。此外，Cu、Zn、Cd、Pb、Ni、Cr 和Hg 的含量范圍分別為14~54、45~125、0.08~0.35、22~100、7~39、38~83 mg · kg-1和0.009~0.525 mg·kg-1，均未超出相應的農用地土壤風險篩選值。以上表明，相對于前兩層土壤，C 層土壤重金屬超標程度顯著降低。邱其俊等[26]研究閩北某新建水庫周邊土壤重金屬污染特征的結果表明，水庫周邊區域不受Ni、Cr、Hg污染，但受As污染。

圖7 C層土壤（100~200 cm）重金屬含量空間分布特征Figure 7 Spatial distribution of heavy metals content for the soil profile C（100—200 cm）in reservoir region

（4）D層土壤中的重金屬含量分布特征與評價

對比前3層土壤，D 層土壤中僅有As呈現輕度超標現象，超標率為35.71%，最大超標倍數僅為0.39倍，超標區域集中于水庫西北角；Cu、Zn、Cd、Pb、Ni、Cr 和Hg 的含量范圍分別為8~57、40~130、0.08~0.30、25~74、6~39、27~84、0.003~0.124 mg·kg-1，均未超過農用地土壤風險篩選值（圖8 和圖9）。以上表明，隨著土層深度增加，8 種重金屬的污染程度總體上逐步降低，對水質的影響也逐漸減小。韓志軒等[27]對珠江三角洲沖積平原土壤重金屬含量進行研究，認為地表輸入的As元素在強烈的淋溶和淀積作用下可能向深層遷移，從而導致深層土壤As含量上升。

圖8 D層土壤（200~300 cm）重金屬含量Figure 8 Content of heavy metals in the soil profile D（200-300 cm）for each sampling site

圖9 D層土壤（200~300 cm）重金屬含量空間分布特征Figure 9 Spatial distribution of heavy metals content for the soil profile D（200-300 cm）in reservoir region

2.2.2 潛在生態風險指數法評價

從Eir來看，土壤Cu、Zn、Pb、Ni、Cr 和As 6 種重金屬的Eir遠小于40，說明庫區4 層土壤中重金屬生態危害程度均為輕微級別生態風險（表3），這與張雷等[28]對丹江口水庫遷建區土壤重金屬生態風險評價的結果一致。其余2 種重金屬中，Cd 在A 層、C 層和D 層土壤中Eir平均值大于40，潛在生態風險處于中等級別，而Hg僅在A 層土壤Eir平均值大于40，處于中等級別生態風險?？傮w來看，大約58.09%的土壤可能處于輕微生態風險級別（Eir<40），33.09%的土壤處于中等生態風險級別，僅有3.23%的土壤處于強生態風險級別。

表3 庫區土壤重金屬潛在生態風險指數評價Table 3 Potential ecological risk index of heavy metals in the reservoir soils

從RI來看，隨著土層深度增加，RI逐步降低，4層土壤RI的平均值依次為119.8、92.4、92.0 和78.3（表3）。庫區94.12%的土壤RI值小于150，屬于輕微級別風險；5.88%的土壤RI值小于300，處于中等級別風險。這些結果進一步表明庫區重金屬總體生態風險水平處于輕微級別。類似地，歷軍等[29]研究珠江三角洲某飲用水源地土壤重金屬污染與生態風險，發現80%以上的土壤中Cd生態風險處于極強生態危害級別，而Zn、Ni和Cr則屬于輕微級別。結合單因子指數法評價結果，本研究表明高新沙庫區土壤重金屬總體環境風險極低，對水質安全可能不會造成影響，適于作為水庫建設用地。

2.3 廣東省現行水庫土壤重金屬含量的對比分析

對比文獻報道的廣東省現行水庫底泥中重金屬含量結果（表4），擬建高新沙水庫4 層土壤中Cu、Zn、Cd、Pb和Hg 5種重金屬含量普遍低于現行水庫含量。譬如，高新沙水庫土壤Cd 平均含量為0.15 mg·kg-1，普遍低于粵東水庫（0.49 mg·kg-1）、粵西水庫（0.17 mg·kg-1）、粵北水庫（1.46 mg·kg-1）、粵中水庫（0.44 mg·kg-1）、松木山水庫（1.63 mg·kg-1）、橫崗水庫（1.11 mg·kg-1）和五點梅水庫（1.00 mg·kg-1）等，但僅高于西麗水庫（0.10 mg·kg-1）。此外，Cr 和Ni 的含量與廣東現行水庫底泥含量相近，其中庫區Cr 平均含量為60.95 mg·kg-1，與粵中水庫（65.27 mg·kg-1）接近，但低于粵西水庫（130.81 mg·kg-1）和粵北水庫（85.06 mg·kg-1）。以上對比分析間接反映了該區域土壤重金屬對擬建水庫水質不會造成不良影響。

表4 廣東省水庫底泥重金屬含量特征（mg·kg-1）Table 4 Characteristics of heavy metals content for reservoir sediment in Guangdong Province（mg·kg-1）

值得注意地是，高新沙庫區As 平均含量為20.77 mg·kg-1，高于馬尾水庫（14.35 mg·kg-1）、松木山水庫（11.28 mg·kg-1）、白坑水庫（4.22 mg·kg-1）等7 個水庫的重金屬含量，但低于五點梅水庫（25.97 mg·kg-1）和水濂山水庫（20.83 mg·kg-1），這些間接說明擬建高新沙庫區土壤As 可能對水質存在潛在的風險。因此，在水庫庫盆阻隔措施中應加強土壤As的檢測與防控工作。

3 結論

（1）擬建高新沙水庫前3 層（0~200 cm）土壤pH呈現酸性，第4 層（200~300 cm）土壤為弱堿性。4 層土壤中As 普遍輕微超出土壤環境標準篩選值（GB 15618—2018），超標范圍為4.17%~35.71%，但最大超標倍數僅為0.39 倍；Cu 僅在前兩層土壤中存在輕微超標現象，超標率分別為47.92%（0~50 cm）和11.63%（50~100 cm）；Cd、Pb 和Hg 僅在個別點位中出現極輕微超標現象；Zn、Cr和Ni均未發現超標現象。

（2）擬建高新沙水庫土壤中Cu、Zn、Pb、Ni、Cr 和As 6 種重金屬的單項潛在生態風險指數值均遠小于40，表明重金屬的生態風險處于輕微級別，且大約94.12%的庫區土壤的綜合生態風險指數小于150，說明重金屬總體生態風險處于安全水平。

（3）擬建高新沙水庫土壤中Cu、Zn、Cd、Pb和Hg 5種重金屬含量均普遍低于廣東大部分現行水庫含量，Cr和Ni 2種重金屬含量與現行水庫含量接近，As含量略高于部分水庫含量，這些間接反映出擬建高新沙水庫土壤重金屬可能不會對水質造成不良影響。