貴州煤矸石堆存區(qū)周邊農(nóng)用地土壤重金屬污染及健康風(fēng)險評價

陳貴廷,成國坤,何偉,包文兵,袁麗

(1.貴州省檢測技術(shù)研究應(yīng)用中心,貴州 貴陽 550014;2.貴州博聯(lián)檢測技術(shù)股份有限公司,貴州 貴陽 550014)

煤矸石是煤炭開采和洗選過程中必然產(chǎn)生的工業(yè)固體廢物[1]。長期露天堆放的煤矸石在風(fēng)化、降雨等作用下內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性發(fā)生變化,經(jīng)雨水沖刷,煤矸石淋溶液攜帶大量重金屬元素,遷移擴散至鄰近區(qū)域,造成周邊土壤和水環(huán)境污染,影響農(nóng)漁產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量,最終重金屬直接通過經(jīng)口接觸、皮膚接觸和呼吸吸入等暴露途徑或食物鏈途徑對附近居民的健康構(gòu)成威脅[2-3]。

本研究以貴州普安縣一煤矸石淋濾液污染農(nóng)用地土壤為研究對象,檢驗了土壤中8種重金屬元素(Cu、Zn、Cr、Cd、Ni、Pb、Hg、As)的含量特征,采用污染指數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法和人體健康風(fēng)險評價模型評價研究區(qū)土壤重金屬的污染風(fēng)險和人體健康風(fēng)險,以期為當(dāng)?shù)剞r(nóng)用地的污染防控、土壤修復(fù)和安全從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于貴州普安縣南部農(nóng)用地,整體地勢北高南低且起伏大,以水田為主,其次為旱地,高程范圍1 320～1 395 m,當(dāng)?shù)啬昃鶜鉁?3.7 ℃,年均降雨量1 512 mm。研究區(qū)域東北方向有一處已停產(chǎn)選煤廠,高程范圍1 395～1 420 m,廠區(qū)內(nèi)堆放有大量煤矸石,據(jù)了解,降雨量大時會產(chǎn)生大量煤矸石淋溶液,沿著地表徑流流至研究區(qū)域農(nóng)用地。

1.2 樣品采集與檢測

在研究區(qū)域范圍內(nèi),基于現(xiàn)場踏勘和遙感影像,共布設(shè)30個采樣點位,每個點位均采用五點取樣法用木制工具采集表層(0～20 cm)土壤,混勻后用四分法留取1kg樣品,裝入密封袋帶回實驗室,經(jīng)自然風(fēng)干、去除異物、研磨和過篩后備用。研究區(qū)采樣點位如圖1所示。

圖1 研究區(qū)采樣布點圖

土壤樣品的pH值采用電位法(HJ 962—2018)進行檢測;經(jīng)HCl-HNO3-HF體系消解后,Cu、Zn、Cr和Ni采用原子吸收分光光度法(HJ 491—2019)進行檢測;Cd和Pb采用石墨爐原子吸收分光光度法(GB/T 17141—1997)進行檢測;Hg和As采用原子熒光法(GB/T 22105.1—2008、GB/T 22105.2—2008)進行檢測。

1.3 土壤重金屬污染評價

1.3.1 污染指數(shù)法

單因子指數(shù)法是通過比較重金屬元素實測值與土壤背景值或標(biāo)準(zhǔn)限值的關(guān)系,評價單一重金屬的污染程度,其計算公式如下:

Pi=Ci/Si

(1)

式中:Ci為重金屬i的實測含量(mg·kg-1);Si為重金屬i的評價標(biāo)準(zhǔn)值(mg·kg-1),此處采用貴州省土壤背景值[4];Pi為重金屬i的單因子指數(shù),其評價標(biāo)準(zhǔn)為:Pi≤1表示安全(清潔),15表示重度污染。

內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法能兼顧重金屬污染指數(shù)的最大值和平均值,用于評價多種重金屬導(dǎo)致的綜合污染程度[5],其公式如下:

(2)

式中:Pimax為各污染物的最大污染指數(shù);Piave為各污染物指數(shù)的算數(shù)平均值;Pn為綜合污染指數(shù),其評價標(biāo)準(zhǔn)為:Pn≤0.7表示安全(清潔),0.73為重度污染。

1.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法

潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法是瑞典科學(xué)家Hakanson提出的,結(jié)合了環(huán)境評價與毒理學(xué)方法,綜合考慮了多元素協(xié)同作用、毒性水平、污染濃度、環(huán)境對重金屬污染的敏感性等因素[6]。用于評價重金屬污染程度并劃分生態(tài)風(fēng)險等級的方法[7]。

RI=∑Ei=∑Ti×(Ci/Si)

(3)

式中:Ti為重金屬元素i的毒性系數(shù),Cu、Zn、Cr、Cd、Ni、Pb、Hg和As的毒性系數(shù)分別取5,1,2,30,5,5,40,10[8];Ci、Si與式(1)中相同;Ei為單項重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù),其評價標(biāo)準(zhǔn)為:Ei<40表示輕微,40≤Ei<80表示中度,80≤Ei<160表示強,160≤Ei<320表示很強,Ei≥320為極強;RI為多種重金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù),其評價標(biāo)準(zhǔn)為:RI<80表示輕微,80≤RI<160表示中度,160≤RI<320表示強,RI≥320為很強。

1.4 人體健康風(fēng)險評價

土壤中重金屬可通過直接暴露途徑(經(jīng)口攝入、經(jīng)皮膚接觸和經(jīng)呼吸吸入)進入人體并造成健康損害[9]。本研究采用US EPA提出的人體健康風(fēng)險評估模型[10]對研究區(qū)土壤重金屬引起的成人和兒童的非致癌風(fēng)險和致癌風(fēng)險分別進行評估。

ADDing=Ci×Ing×CF×EF×ED/(BW×AT)

(4)

ADDderm=Ci×SA×SF×ABS×CF×ED/(BW)×AT

(5)

ADDinh=Ci×Inh×EF×ED/(BW×AT×PEF)

(6)

式中:Ci為土壤重金屬實測值(mg·kg-1);ADDing、ADDderm、ADDinh分別代表經(jīng)口、經(jīng)皮膚和經(jīng)吸入的日均暴露劑量(mg·kg-1d-1);其他相關(guān)參數(shù)取值見表1[11-12]。

表1 土壤重金屬健康暴露參數(shù)

HI=∑HQ=∑ADD/RfD

(7)

TCR=∑CR=∑ADD×SF

(8)

式中:HQ為非致癌風(fēng)險;HI為非致癌總風(fēng)險,其評價標(biāo)準(zhǔn)為:HI<1表示無非致癌風(fēng)險,HI≥1表示存在非致癌風(fēng)險;CR為致癌風(fēng)險;TCR為致癌總風(fēng)險,其評價標(biāo)準(zhǔn)為:TCR<1×10-6表示無致癌風(fēng)險,1×10-61×10-4表示存在較高的致癌風(fēng)險;RfD為重金屬的日參考劑量(mg·kg-1d-1),SF為重金屬的致癌斜率(mg·kg-1d-1),參數(shù)取值見表2[13-14]。

表2 三種暴露途徑的日參考劑量和致癌斜率

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)整理分析采用Excel 2021、SPSS 26完成;研究區(qū)采樣點位圖采用Arcgis 10.8完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 研究區(qū)土壤重金屬含量特征

研究區(qū)土壤重金屬含量及pH值統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。研究區(qū)土壤pH值介于3.47～6.32之間,變異系數(shù)(0.16)較小,說明表層土壤總體呈酸性。與貴州省土壤背景值[4]相比,8種重金屬元素中Cu、Zn、Cr、Ni和Hg含量均值均有不同程度的超標(biāo),分別超出3.6,1.3,1.7,1.6和1.01倍,說明Cu、Zn、Cr、Ni和Hg在研究區(qū)域土壤中均有不同程度的累積。

表3 土壤重金屬含量統(tǒng)計

2.2 研究區(qū)土壤重金屬污染評價

2.2.1 污染指數(shù)評價

研究區(qū)土壤重金屬污染指數(shù)評價統(tǒng)計結(jié)果如表4所示。8種元素的單因子污染指數(shù)(Pi)均值由大到小依次為Cu(3.63)>Cr(1.66)>Ni(1.58)>Zn(1.25)>Hg(1.01)>As(0.89)>Pb(0.51)>Cd(0.34),其中單因子污染指數(shù)平均值大于1的元素有Cu、Cr、Ni、Zn、Hg,其中Cu表現(xiàn)為中度污染,其余表現(xiàn)為輕微污染水平。從單因子指數(shù)污染等級劃分占比來看,研究區(qū)表層土壤Cu污染最為嚴(yán)重,重、中和輕度污染樣本占比依次為3%,73%和20%;其次為Cr和Ni污染,輕度污染占比23%和7%,Ni還有3%的土壤樣本表現(xiàn)為中度污染水平。說明Cu、Cr、Ni為研究區(qū)域的主要污染因子。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)(Pn)范圍在1.53～5.14之間,其中重度污染、中度污染和輕度污染的樣本占比依次為30%,57%和13%,說明研究區(qū)大部分土壤遭到重金屬污染。

表4 污染指數(shù)評價統(tǒng)計

2.2.2 潛在生態(tài)風(fēng)險評價

研究區(qū)土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險評價統(tǒng)計結(jié)果如表5所示。8種元素的單項重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(Ei)均值由大到小依次為Hg(40.34)>Cu(18.15)>Cd(10.13)>As(8.85)>Ni(7.88)>Cr(3.32)>Pb(2.53)>Zn(1.25),其中只有Hg的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)平均值大于40,屬于中等生態(tài)風(fēng)險。從單項潛在生態(tài)風(fēng)險因子分布來看,只有Hg在中等～強潛在生態(tài)風(fēng)險有分布,分別為3%和37%,其余重金屬元素樣本的單項生態(tài)風(fēng)險指數(shù)均為輕微生態(tài)風(fēng)險。綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(RI)為69.8～145.66之間,其中有77%的樣本表現(xiàn)為中等潛在生態(tài)風(fēng)險水平,Hg對綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的貢獻率為43.6%,是造成研究區(qū)土壤潛在生態(tài)風(fēng)險的主要因子。

表5 潛在生態(tài)風(fēng)險評價統(tǒng)計

2.3 人體健康風(fēng)險評價

非致癌健康風(fēng)險評價統(tǒng)計見表6。同一元素在三種暴露途徑下的非致癌風(fēng)險均表現(xiàn)為HQing>HQderm>HQinh,說明土壤重金屬導(dǎo)致非致癌風(fēng)險的主要途徑是經(jīng)口攝入。非致癌風(fēng)險(HQ)和非致癌總風(fēng)險(HI)均小于1,說明研究區(qū)土壤重金屬對人體健康目前不存在非致癌風(fēng)險。成人和兒童HI由高到低為As>Cr>Pb>Ni>Cu>Zn>Hg>Cd。兒童的HQ和HI均高于成人,說明兒童更易受到非致癌風(fēng)險。

表6 非致癌風(fēng)險評價統(tǒng)計

致癌健康風(fēng)險評價統(tǒng)計見表7。同一元素在三種暴露途徑下的致癌風(fēng)險同樣表現(xiàn)為CRing>CRderm>CRinh,說明土壤重金屬導(dǎo)致致癌風(fēng)險的主要途徑是經(jīng)口攝入。研究區(qū)對成人和兒童的致癌風(fēng)險(HQ)由高到低為Cr>As>Cd>Pb>Ni。從致癌總風(fēng)險(TCR)來看,Cr、As對于成人和兒童致癌總風(fēng)險和Cd對于兒童的致癌總風(fēng)險均在1.00×10-6

表7 致癌風(fēng)險評價統(tǒng)計

3 結(jié)論

(1)與貴州省土壤重金屬背景值相比,研究區(qū)Cu、Cr、Ni、Zn和Hg含量均值均有不同程度的超標(biāo)。

(2)污染指數(shù)評價結(jié)果顯示:Cu、Cr、Ni為研究區(qū)域的主要污染因子,內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)(Pn)顯示研究區(qū)大部分土壤遭到重金屬污染

(3)潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)評價結(jié)果顯示:Hg的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)平均值大于40,對綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的貢獻率為43.6%,是造成研究區(qū)土壤潛在生態(tài)風(fēng)險的主要因子。

(4)人體健康風(fēng)險評價結(jié)果顯示:經(jīng)口攝入是土壤重金屬導(dǎo)致非致癌風(fēng)險和致癌風(fēng)險的主要暴露途徑;研究區(qū)土壤重金屬對成人和兒童的非致癌風(fēng)險指數(shù)均小于1,不構(gòu)成非致癌風(fēng)險;Cr、As對于成人和兒童致癌總風(fēng)險和Cd對于兒童的致癌總風(fēng)險均在1.00×10-6