符永鵬 張武平 劉明延 尚瑞琦

（甘肅省隴南生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)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(chǔ)、是人類生存與發(fā)展的戰(zhàn)略資源，關(guān)系著人類身心健康及社會(huì)的高質(zhì)量發(fā)展進(jìn)步，保障土壤環(huán)境安全是實(shí)現(xiàn)全面小康社會(huì)、構(gòu)建和諧社會(huì)極為重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著人口和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速增長(zhǎng)及我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，隨之也產(chǎn)生了各種類型較為嚴(yán)重的土壤重金屬污染問(wèn)題。

1 研究背景

在沒(méi)有受到人類生產(chǎn)、生活干擾時(shí)，自然環(huán)境中的重金屬元素為自然含量，隨著人類文明的向前發(fā)展，特別是近些年經(jīng)濟(jì)社會(huì)的飛速進(jìn)步，工業(yè)化程度的不斷推進(jìn)，已經(jīng)延伸到生產(chǎn)、生活的各個(gè)領(lǐng)域，重金屬在人類社會(huì)生產(chǎn)、生活中的重要性日益凸顯，需求急劇增加，隨之產(chǎn)生了不同類型較為嚴(yán)重的土壤重金屬污染問(wèn)題。由于土壤重金屬污染威脅到生態(tài)環(huán)境安全，進(jìn)而影響人類及種植物正常生長(zhǎng)，所以，土壤重金屬污染問(wèn)題得到了廣泛關(guān)注[1][2][3]。

對(duì)土壤重金屬元素污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，一般有下列幾種評(píng)價(jià)方法：（1）單因子污染指數(shù)法（Pi）；（2）內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法（Pn）；（3）地累積指數(shù)法（Igeo）；（4）Hakanson 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法。上述幾種方法各有側(cè)重點(diǎn)，可以從不同角度進(jìn)行評(píng)價(jià)，最后再綜合分析評(píng)價(jià)結(jié)果，因此運(yùn)用較為廣泛[3～6]。

水源地周邊土壤環(huán)境質(zhì)量，對(duì)飲用水水源產(chǎn)生一定的潛在影響，居民的生產(chǎn)生活時(shí)刻離不開(kāi)安全優(yōu)質(zhì)的水源，水源地周邊保護(hù)區(qū)的土壤環(huán)境安全問(wèn)題關(guān)系到水源的安全，如果長(zhǎng)期飲用重金屬污染水源將對(duì)人體健康產(chǎn)生有害影響，甚至?xí)绊懢用竦恼Ｉ罴吧眢w健康。所以，水源地的環(huán)境安全問(wèn)題廣受大家關(guān)心。掌握水源水質(zhì)及水源地周邊土壤重金屬污染狀況是實(shí)現(xiàn)水資源風(fēng)險(xiǎn)管控的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，能有效提升對(duì)水源地安全的掌控能力，因此，該研究通過(guò)對(duì)隴南市某飲用水源地保護(hù)區(qū)周邊土壤環(huán)境安全狀況為目標(biāo)，開(kāi)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(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究，同時(shí)也為本市其他水源地保護(hù)和風(fēng)險(xiǎn)防控提供第一手基礎(chǔ)資料，也為保障城區(qū)居民的用水安全，為飲用水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防控和環(huán)境管理及維護(hù)人體健康提供科學(xué)依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 土壤樣品采集及制備

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

按照前期開(kāi)展調(diào)研情況，結(jié)合此水源地的實(shí)際情況，經(jīng)過(guò)充分論證，確定使用網(wǎng)格法進(jìn)行布點(diǎn)采樣，在水源地周邊區(qū)域，采集有代表性的15 個(gè)土壤樣品。每個(gè)采樣點(diǎn)，在距中心20 米左右范圍內(nèi)均勻采集5 份0-20cm 的表層土壤，進(jìn)行混勻，再用四分法來(lái)縮分2kg 新鮮土壤樣品，裝入適當(dāng)容器，按要求填好采樣原始記錄，按方法規(guī)范要求運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室。在通風(fēng)環(huán)境下晾干后，剔除明顯雜物及碎石，研磨，通過(guò)100 目和200 目篩進(jìn)行篩分，然后進(jìn)行定量測(cè)試。

2.2 重金屬總量的測(cè)定

參照農(nóng)用地國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的基本項(xiàng)目，測(cè)定了土樣中Cd、Cu、Cr、Pb、Ni、Zn、As 和Hg 的含量。根據(jù)不同項(xiàng)目的測(cè)定要求，土壤樣品前處理包括經(jīng)典“四酸” 消解、微波消解和干燥過(guò)篩后直接壓片。

重金屬元素Cd 運(yùn)用ICP-MS（儀器型號(hào)：Agilent 7900）測(cè)定，運(yùn)用經(jīng)典的AFS 法測(cè)定總As 和總Hg（儀器型號(hào)：AFS-830 和AFS-3000），其它5 種重金屬元素運(yùn)用波長(zhǎng)色散X 射線熒光光譜法測(cè)定（儀器型號(hào)：賽默飛ARL Perform'x ），土壤pH 的測(cè)定運(yùn)用電位法，樣品有機(jī)物項(xiàng)目有機(jī)氯農(nóng)藥和多環(huán)芳烴分別使用氣相色譜和氣相質(zhì)譜法。

在樣品分析環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用校準(zhǔn)曲線、空白試驗(yàn)、密碼樣控制等質(zhì)量控制措施，對(duì)Cd、Cu、Cr、Pb、Ni、Zn、As 和Hg 等元素均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品進(jìn)行了密碼樣考核，考核結(jié)果在規(guī)定的置信范圍內(nèi)。本實(shí)驗(yàn)試劑均為市售優(yōu)級(jí)純，試驗(yàn)用水及消解所用的酸均做了空白實(shí)驗(yàn)，對(duì)所需試劑進(jìn)行剔除處理。

2.3 單項(xiàng)污染指數(shù)（Pi）和內(nèi)梅羅污染指數(shù)（Pn）

計(jì)算公式：

Pi=土壤重金屬元素實(shí)測(cè)值/重金屬元素質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值

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

土壤重金屬元素質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值，參照（GB 15618-2018）表1 規(guī)定的風(fēng)險(xiǎn)篩選值。指數(shù)Pi和Pn的評(píng)價(jià)結(jié)果分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)依次見(jiàn)表1、表2[3]。

表1 Pi法分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表2 Pn法分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.4 地累積指數(shù)法（Igeo）

地積累指數(shù)法廣泛用于研究沉積物及其它物質(zhì)中重金屬污染程度的定量指標(biāo)[4]，地累積指數(shù)（Igeo）計(jì)算公式及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3[3]。

表3 Igeo法分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

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

2.5 土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

該研究運(yùn)用Hakanson 的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法對(duì)水源地保護(hù)區(qū)中的土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)[3～5][8]。其計(jì)算公式：

8 種重金屬的背景值和毒性系數(shù)見(jiàn)表4，土壤重金屬的RI 指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5。

表4 8種重金屬的背景值[7]和毒性系數(shù)[9][10]

表5 土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果及分析

3.1 土壤重金屬元素總量測(cè)定

在水源地保護(hù)區(qū)內(nèi)15 個(gè)土壤樣品重金屬元素含量測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。Cd、Cu、Cr、Pb、Ni、Zn、As 和Hg 的測(cè)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(biāo)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(guī)定的風(fēng)險(xiǎn)篩選值，土壤有機(jī)物含量均低于方法檢出限。該批樣品所測(cè)8 種元素的變異系數(shù)范圍3.4-57.5，其中Hg 和Cd 的變異系數(shù)較大，說(shuō)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(shù)較小。

表6 15個(gè)土樣中重金屬元素含量測(cè)定和統(tǒng)計(jì)結(jié)果單位：mg·kg-1

3.2 土壤重金屬超標(biāo)情況

對(duì)土壤樣品8 種重金屬元素的測(cè)定結(jié)果，運(yùn)用單項(xiàng)污染指數(shù)法（Pi）、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法（Pn）開(kāi)展綜合評(píng)價(jià)。11# 土樣的重金屬元素Cr 含量超標(biāo)，單項(xiàng)污染指數(shù)為1.45，污染等級(jí)為輕微污染。其余點(diǎn)位的8種重金屬元素均未超標(biāo)，單項(xiàng)污染指數(shù)均小于1，污染等級(jí)為無(wú)污染，但Cr 和As 的平均單項(xiàng)污染指數(shù)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(gè)土壤樣品中，11# 土樣的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)Pn 為1.1，土樣處于輕度污染。其余14 個(gè)土樣的Pn 均小于0.7，表明土樣處于清潔（安全）狀態(tài)。但該指數(shù)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(shí)際應(yīng)用中要多因素考量，不然會(huì)造成該方法對(duì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果的不科學(xué)的現(xiàn)象。

3.3 重金屬污染程度評(píng)價(jià)

Cd、Cu、Cr、Pb、Ni、Zn、As 和Hg 的地累積指數(shù)Igeo結(jié)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(jí)為0，表明這5 種元素?zé)o污染;而全部土壤樣品中Cd 的地累積指數(shù)均大于0，范圍為0.07-0.92，As 和Hg 均有11 個(gè)點(diǎn)地累積指數(shù)大于0，范圍分別為0.02-0.0.31、0.03-1.62，其余4 個(gè)點(diǎn)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(gè)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(dá)到33.3% 。從上述研究結(jié)果得知土壤可能受到Hg、Cd、As 的污染。

圖1 地累積指數(shù)計(jì)算結(jié)果

3.4 土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

由表7 和表8 數(shù)據(jù)得出結(jié)論，各元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)單項(xiàng)系數(shù)平均值大小為Hg＞Cd＞As＞Ni＞Cu＞Pb＞Cr＞Zn。保護(hù)區(qū)土壤樣品Cu、Cr、Pb、Ni、Zn 和As 等元素的指數(shù)對(duì)照分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，均為輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平，土壤樣品Hg 的平均值為90.96，對(duì)照分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分別為輕微生態(tài)危害、中等生態(tài)危害、強(qiáng)生態(tài)危害和很強(qiáng)生態(tài)危害等級(jí)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(jié)果可知，Hg 的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子最為關(guān)鍵，Cd 次之，另外6 種重金屬元素對(duì)保護(hù)區(qū)土壤生態(tài)環(huán)境影響輕微。

從表7 和表8 結(jié)果中可知，15 個(gè)土壤樣品綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）范圍是106.87～312.02，平均值為184.21，對(duì)照該分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，26.67%樣品處于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平，73.33%樣品處于中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平，綜上所評(píng)結(jié)果，該批土壤樣品8 種重金屬基本為輕微和中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。

表7 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果（1）

表8 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果（2）

4 小結(jié)

該研究結(jié)果表明，在所有的土壤樣品中，11# 土壤樣品的Cr 超標(biāo)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(guī)定的風(fēng)險(xiǎn)篩選值。

水源地保護(hù)區(qū)土壤樣品中地累積指數(shù)法（Igeo）評(píng)價(jià)結(jié)果表明，水源地保護(hù)區(qū)土壤整體上污染較輕，Ni、Cu、Cr、Zn、Pb 等重金屬元素?zé)o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(gè)別樣品Hg 存在中等污染。

用綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）法得出的結(jié)論可知，水源地保護(hù)區(qū)土壤環(huán)境整體上生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)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(tài)危害，另外兩種重金屬元素Cd、Hg 具有一定的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，26.67%、73.33%的樣品污染程度分別為為輕微、中等生態(tài)危害。

綜合上述兩種評(píng)價(jià)結(jié)果，從該研究區(qū)土壤樣品中Hg、Cd 的污染程度，水源地保護(hù)區(qū)周邊土壤可能已被個(gè)別重金屬元素影響，而通過(guò)對(duì)近5 年該水源地水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的匯總及分析，該水體的水質(zhì)類別達(dá)到地表水III 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，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(hù)區(qū)周邊土壤和水體為相互影響、有機(jī)統(tǒng)一的整體，因此土壤的污染情況應(yīng)引起的特別關(guān)注。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本次對(duì)水源地周邊土壤狀況的調(diào)查監(jiān)測(cè)，基于水源地保護(hù)區(qū)周邊土壤和水體為相互影響、有機(jī)統(tǒng)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(chǎn)生活污水要通過(guò)雨污分流排水管網(wǎng)收集處理，避免向水源地內(nèi)隨意排放；

（2）加大水源地周邊農(nóng)田管理，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)面源污染的治理力度，盡量少施或禁止施用化肥和農(nóng)藥，改施安全無(wú)污染的其他有機(jī)肥料；

（3）增加公共宣傳力度，牢固樹(shù)立水源地周邊居民的環(huán)境保護(hù)理念，使廣大居民群眾充分認(rèn)識(shí)到到水源地保護(hù)的重要意義，充分調(diào)動(dòng)周邊住戶的積極性，共同參與保護(hù)水源地安全；

（4）結(jié)合現(xiàn)狀調(diào)查情況，綜合評(píng)價(jià)水源地水質(zhì)安全，建立典型飲用水源地保護(hù)的模式，提出具有科學(xué)、可行、有效的對(duì)策和保護(hù)方案。