長沙市土壤重金屬污染特征及其生態與健康風險評估

收稿日期：2024-03-05

作者簡介：蔣艷萍（1989—），女，湖南永州人，碩士，工程師。研究方向：環境監測。

摘要：為深入了解長沙市土壤重金屬污染情況，對研究區內287個土壤采樣點的5種重金屬（Cd、Hg、As、Pb和Cr）污染特征進行分析，并采用潛在生態風險指數法對潛在生態風險進行評估，運用人體健康風險評價模型對人體健康風險進行評估。結果表明，研究區內，除Cd外，其余4種重金屬的含量整體不高；各重金屬的生態風險排序為Cd＞Hg＞As＞Pb＞Cr，其中Cd具有極強的潛在生態風險，5種重金屬綜合潛在生態風險處于強的水平；5種土壤重金屬對成人產生較低的非致癌風險，對兒童會產生一定的非致癌風險。經暴露途徑對比，土壤重金屬主要通過經口攝入途徑對成人和兒童產生非致癌風險。

關鍵詞：土壤；重金屬；污染特征；潛在生態風險；人體健康風險；長沙市

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）05-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.05.043

Characteristics of Soil Heavy Metal Pollution and Ecological and Health Risk Assessment in Changsha City

JIANG Yanping， PENG Yao， YIN Yuying， RU Saihong， ZHAO Fang， HU Fang

（Changsha Ecological Environment Monitoring Center of Hunan Province， Changsha 410000， China）

Abstract： In order to gain a deeper understanding of soil heavy metal pollution in Changsha city， the pollution characteristics of five heavy metals （Cd， Hg， As， Pb， and Cr） at 287 soil sampling points in the study area are analyzed， and the potential ecological risk index method is used to evaluate potential ecological risks， and a human health risk assessment model is used to assess human health risks. The results show that in the study area， except for Cd， the overall content of the other four heavy metals is not high; the ecological risk ranking of each heavy metal is Cd＞Hg＞As＞Pb＞Cr， among which Cd has extremely strong potential ecological risks， and the comprehensive potential ecological risks of the five heavy metals are at a strong level; five soil heavy metals have a lower non carcinogenic risk for adults and a certain non carcinogenic risk for children. Through comparison of exposure pathways， soil heavy metals mainly pose a non carcinogenic risk to adults and children through oral ingestion.

Keywords： soil; heavy metals; pollution characteristics; potential ecological risks; human health risks; Changsha city

土壤是人類賴以生存和發展的物質基礎[1-2]。隨著社會經濟的發展，大量污染物通過礦山開采、金屬冶煉、交通運輸和農業生產等途徑進入土壤，污染土壤環境，其中土壤重金屬污染尤為突出[3-4]。湖南省是中國的有色金屬之鄉，有色冶金、化工和礦山采選等行業的產值占全省工業產值的80%以上，重金屬污染問題突出。長沙市礦產種類繁多，非金屬礦獨具特色。目前，長沙市土壤重金屬污染研究取得一定進展。

彭銳等[5]以長沙市為例，評價土壤污染風險，研究重金屬積累情況。劉瓊峰等[6]依據513個農田土壤采樣點，分析長沙市城郊農田土壤重金屬Pb、Cd的污染特征，對Pb、Cd生態風險進行評價。龍永珍等[7]以長沙市等地為例，分析土壤重金屬污染現狀，采用單因子指數法和綜合指數法分別對土壤污染狀況進行評價。吳塹虹等[8]以長沙市等地為例，分析土壤、基巖、大氣干濕沉降、水與懸浮物等介質的重金屬質量平衡和土壤重金屬含量的時間變化特征，研究土壤中重金屬來源。上述研究主要關注重金屬污染特征、生態風險評價和污染來源解析，長沙市土壤重金屬的人體健康風險評價研究較少。因此，有必要結合長沙市土壤重金屬污染現狀，運用潛在生態風險指數法對潛在生態風險進行評估，采用人體健康風險評價模型對人體健康風險進行評估，從而為土壤生態環境保護、重金屬污染防控和居民健康維護等提供技術支撐。

1 數據與方法

1.1 數據來源

研究數據來自2017—2022年的國家土壤環境監測網和湖南省土壤環境監測網。兩種來源的數據匯總后，最終獲取長沙市287個監測點位的5種土壤重金屬（Cd、Hg、As、Pb和Cr）監測數據。

1.2 評價方法

1.2.1 潛在生態風險指數法

潛在生態風險指數法是系統、全面評價土壤重金屬生態風險的一種方法。單因子潛在生態風險指數Ei和綜合潛在生態風險指數R的計算步驟參考相關研究[9]。5種重金屬的毒性響應系數及土壤環境背景值如表1所示，評價依據如表2、表3所示。

1.2.2 人體健康風險評價模型

土壤重金屬對人體健康產生影響的途徑主要包括經口攝入、口鼻吸入和皮膚接觸。依據人體健康風險評價模型，結合我國居民的實際健康情況，對5種重金屬產生的人體健康非致癌風險進行評價。模型的具體計算過程同李春芳等[10]的研究。模型的相關參數參考《建設用地土壤污染風險評估技術導則》

（HJ 25.3—2019）[11]。不同暴露途徑下，重金屬參考劑量如表4所示。根據非致癌健康風險指數Q和非致癌總風險指數I對土壤重金屬的非致癌健康風險進行評價，評價依據如表5所示。

1.3 數據處理

對于潛在生態風險評價和人體健康風險評價，數據分析均通過Excel軟件完成，繪圖采用ArcGIS軟件和Origin軟件完成。

2 結果與討論

2.1 土壤重金屬含量的特征分析

順序統計量是數理統計中的一種常用統計量，是將樣本觀測值由小到大排列而得到的統計量。研究區287個土壤樣品重金屬含量的統計分析結果如表6所示。10%分位值表示有10%的數據小于此數值，反映土壤重金屬含量低；25%分位值表示有25%的數據小于此數值，反映土壤重金屬含量較低；中位值表示有50%的數據小于此數值，反映土壤重金屬含量中等；75%分位值表示有75%的數據小于此數值，反映土壤重金屬含量較高；90%分位值表示有90%的數據小于此數值，反映土壤重金屬含量高。

統計結果顯示，土壤中Cd、Hg、As、Pb與Cr的含量中位值分別為0.34 mg/kg、0.12 mg/kg、17.2 mg/kg、42.9 mg/kg和78.7 mg/kg，均值分別為1.56 mg/kg、0.16 mg/kg、25.0 mg/kg、50.4 mg/kg和78.1 mg/kg，可見，重金屬含量主要分布在低水平。對比土壤重金屬含量，Cd、As變異系數較大，分別為206.0%、101.0%，Pb、Cr的變異系數較小，分別為52.1%、40.4%。由此可見，土壤中Cd、As的含量空間差異性較大，受人為活動影響較嚴重，土壤中Pb、Cr的含量相對集中，變化不大，主要為自然地質積累。

2.2 潛在生態風險評價

對287個土壤樣品中5種重金屬的單因子生態風險和綜合生態風險進行評價，評價結果如表7所示。各重金屬Ei平均值從大到小的排序為Cd＞Hg＞As＞Pb＞Cr。Cd的Ei平均值為466.48，生態風險極強，中等風險及以上的樣點數所占比例高達78.4%，是研究區最主要的潛在生態風險因子；Hg的Ei平均值為56.44，生態風險中等，中等風險及以上的樣點數所占比例為55.7%，可見Hg存在一定的生態風險；As的Ei平均值為13.82，中等風險及以上的樣點數所占比例不足10%，表明研究區內該重金屬整體處于較低的生態風險水平；全部土壤樣品Pb、Cr的Ei均小于40，說明2種重金屬的生態風險低。5種重金屬R平均值為559.34，說明綜合生態風險處于強的水平，中等風險及以上的樣點數所占比例為63.8%。

2.3 人體健康風險評價

根據健康風險評價模型和相應的參數計算研究區內不同暴露途徑下成人和兒童的人體健康風險，結果如表8所示。土壤非致癌健康風險評價結果顯示，從不同暴露途徑來看，成人和兒童的非致癌健康風險排序為經口攝入＞口鼻吸入 ＞皮膚接觸，表明重金屬主要通過經口攝入途徑對成人和兒童產生非致癌風險。從重金屬元素來看，成人和兒童的非致癌風險排序為As＞Cr＞Pb＞Cd＞Hg。其中，兒童經口攝入As的Q平均值大于1，意味著As是高風險元素，將通過經口攝入途徑對兒童產生非致癌影響；Cr、Pb、Cd和Hg在不同暴露途徑下的Q平均值都小于1，說明4種重金屬對成人和兒童的健康影響較小。從非致癌綜合健康風險來看，As對兒童的I平均值大于1，說明研究區內As對兒童具有一定的非致癌健康風險；其他4種重金屬對成人的I均小于1，表明4種重金屬對成人的健康影響不顯著。

3 結論

長沙市土壤中，Cd含量偏高，Hg、As、Pb與Cr的含量整體不高。Cd與As的變異系數均大于1，空間差異較大，受人為活動影響較嚴重。Cd、Hg和As是研究區內土壤重金屬生態風險最高的3種元素，其中，Cd具有極強的生態風險，5種重金屬綜合生態風險處于強的水平。研究區內，綜合非致癌健康風險對兒童的影響比較顯著，其中As對兒童的非致癌健康風險最大。此外，經口攝入是重金屬對成人和兒童產生非致癌健康風險的主要途徑。

參考文獻

1 劉 同，劉傳朋，鄧 俊，等.山東省沂南縣東部土壤重金屬生態健康風險評價[J].中國地質，2022（5）：1497-1508.

2 CHEN Z Y，ZHAO Y Y，CHEN D L，et al.

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3 環境保護部，國土資源部.全國土壤污染狀況調查公報[EB/OL].（2014-04-17）[2024-02-19].https：//www.mee.gov.cn/gkml/sthjbgw/qt/201404/W020140417558995804588.pdf.

4 生態環境部.2022中國生態環境狀況公報[EB/OL].

（2023-05-29）[2024-02-19].https：//www.mee.gov.cn/hjzl/sthjzk/zghjzkgb/202305/P020230529570623593284.pdf.

5 彭 銳，吳 堅，謝亞莉，等.土壤污染風險評價及重金屬積累情況研究：以長沙地區為例[J].環境生態學，2023（1）：35-38.

6 劉瓊峰，李明德，段建南，等.長沙城郊農田土壤重金屬Pb、Cd的生態風險評價研究[J].農業環境科學學報，2013（8）：1564-1570.

7 龍永珍，戴塔根，鄒海洋.長沙、株洲、湘潭地區土壤重金屬污染現狀及評價[J].地球與環境，2008（3）：231-236.

8 吳塹虹，戴塔根，方建武，等.長沙、株洲、湘潭三市土壤中重金屬元素的來源[J].地質通報，2007（11）：1453-1458.

9 萬自學，楊海君，張正云，等.長沙市某集中式飲用水水源地周邊土壤重金屬污染特征和風險評價[J].中國環境監測，2021（4）：118-127.

10 李春芳，曹見飛，呂建樹，等.不同土地利用類型土壤重金屬生態風險與人體健康風險[J].環境科學，2018（12）：5628-5638.

11 生態環境部.建設用地土壤污染風險評估技術導則：HJ 25.3—2019[S].北京：中國環境出版集團，2019.