方宇媛　王紅新

摘 要：以平天湖濕地農(nóng)田土壤為研究對象，采集土壤樣本，分析土壤樣品中汞、鎘、砷、鉛、總鉻、銅、鋅7種重金屬含量。采用單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法開展其污染特征分析，利用潛在生態(tài)危害指數(shù)法開展?jié)撛谏鷳B(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析，同時(shí)采用人體健康風(fēng)險(xiǎn)評估模型，分析其健康風(fēng)險(xiǎn)水平。研究結(jié)果表明，濕地農(nóng)田土壤中Cd、Cu、Pb、Zn、總Cr、As、Hg元素含量均在農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值之內(nèi)，與安徽省江淮流域土壤背景值對比，Zn和Hg出現(xiàn)累積趨勢；濕地農(nóng)田土壤中各種重金屬潛在生態(tài)因子和綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)在安全范圍之內(nèi)，但Cd潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值最高；兒童致癌風(fēng)險(xiǎn)、非致癌風(fēng)險(xiǎn)顯著高于成人，但兩者均在安全范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：濕地農(nóng)田；重金屬污染；潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；健康風(fēng)險(xiǎn)；平天湖

中圖分類號：X825? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1673-260X（2023）02-0028-06

引言

土壤重金屬生物毒性和生物富集能力較強(qiáng)，造成環(huán)境危害持續(xù)時(shí)間長，具有較強(qiáng)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)性，因此廣泛受到學(xué)者們的關(guān)注[1，2]。況琴研究指出鄂西北農(nóng)田重金屬均存在不同程度的累積，保護(hù)區(qū)內(nèi)各項(xiàng)重金屬均存在超標(biāo)樣本，土壤受到輕度污染，Cd元素達(dá)到輕度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)危害[3]。李萍等分析以金華市耕地土壤重金屬含量，探討了其土壤重金屬來源[4]。肖凱琦等采集洞庭湖南緣農(nóng)田土壤樣品，分析其含量、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、看見分布及來源[5]。結(jié)果表明，農(nóng)業(yè)活動是該區(qū)域重金屬的主要來源。麥麥提吐爾遜·艾則孜等研究指出新疆博斯騰湖濕地邊緣帶農(nóng)田土壤樣品中Cd的污染程度與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)均最高[6]。辛福萌等通過對杭州灣濱海圍墾濕地重金屬污染狀況的研究指出，隨著圍墾年限增加，農(nóng)田土壤重金屬含量呈現(xiàn)上升趨勢[7]。劉凡惠等通過對天津市典型農(nóng)田濕地、濱海濕地和沼澤濕地重金屬含量進(jìn)行分析，指出在前述三種類型濕地中，農(nóng)田濕地重金屬污染程度最高[8]。在土壤重金屬含量分析和污染特征的基礎(chǔ)上，眾多研究者開展了土壤重金屬潛在生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)水平[9-11]和健康風(fēng)險(xiǎn)水平[12，13]兩方面。

作為國家級濕地公園、省級風(fēng)景名勝區(qū)和池州備用水源地，池州市平天湖濕地土壤環(huán)境質(zhì)量對生態(tài)環(huán)境和飲用水安全均產(chǎn)生重要影響。目前，尚未有研究關(guān)注平天湖濕地周邊農(nóng)田土壤重金屬含量分析。本研究以池州市平天湖濕地農(nóng)田為研究對象，采集土壤樣本，分析土壤樣品中汞、鎘、砷、鉛、總鉻、銅、鋅共7種重金屬含量。采用單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對土壤污染程度進(jìn)行評價(jià)，并利用潛在生態(tài)危害指數(shù)法、健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型分別判定其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)危害程度和健康風(fēng)險(xiǎn)水平。研究結(jié)果為平天湖濕地開展土壤環(huán)境保護(hù)工作提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

平天湖濕地是國家級濕地公園和省級風(fēng)景名勝區(qū)，位于安徽省池州市貴池區(qū)境內(nèi)，東邊與池州市教育園區(qū)銜接，北邊緊鄰池州市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，南邊連接池州市站前區(qū)，西邊與池州市主城區(qū)緊鄰。平天湖周邊農(nóng)田面積相對較小，屬于丘陵地形，農(nóng)田土壤類型單一（為黃棕土），主要集中在濕地的東南側(cè)。

1.2 采樣點(diǎn)設(shè)置與實(shí)驗(yàn)方法

參照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ T 166-2004），將平天湖周邊農(nóng)田劃分為同一監(jiān)測單元，在此監(jiān)測單元內(nèi)設(shè)置4個(gè)采樣區(qū)，每個(gè)采樣區(qū)都是自然分割的田地。4個(gè)采樣區(qū)的選擇在考慮監(jiān)測單元農(nóng)田土壤種植類型和采樣實(shí)際的基礎(chǔ)上，根據(jù)均勻布點(diǎn)法確定。對于每一個(gè)采樣區(qū)，由于其面積較小，地勢相對平坦，且土壤結(jié)構(gòu)組成及污染程度都較為均衡，故采用梅花布點(diǎn)法進(jìn)行混合樣的采集。

根據(jù)平天湖周邊農(nóng)田分布情況，4個(gè)采樣區(qū)均位于平天湖東側(cè)，屬于平天湖（備用）水源地二級保護(hù)區(qū)范圍。各采樣點(diǎn)采集土壤表層樣（0-20cm），依據(jù)梅花布點(diǎn)法每個(gè)采集區(qū)設(shè)置5個(gè)分點(diǎn)，分別采集農(nóng)田表層土壤（0-20cm）各2kg左右，土壤樣品混合均勻之后用四分法取大約1kg土壤作為采樣區(qū)實(shí)驗(yàn)樣品，如表1所示。土壤樣品存放在實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后，剔除其中的混雜物，木錘壓碎后采用四分法取對角兩部分實(shí)驗(yàn)用（其余留存），土壤樣品全部過篩20目孔徑尼龍篩后均勻混合，繼續(xù)研磨并分別過60目、100目篩后存放于聚乙烯密封袋備用。土壤汞和砷采用微波消解-原子熒光法測定；鉛和鎘采用石墨爐原子吸收分光光度法測定；總鉻、銅、鋅采用火焰原子吸收分光光度法測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

1.3.1 污染特征分析

（1）單因子指數(shù)法

單因子指數(shù)法計(jì)算公式見式（1），公式中Sm、Cm和C0分別指單項(xiàng)污染指數(shù)、重金屬m含量實(shí)測值（mg·kg-1）和GB15618-2018中重金屬m對應(yīng)的篩選值（mg·kg-1）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，Si≤1、1＜Si≤2、2＜Si≤3、3＜Si≤5和Si＞5時(shí)，所對應(yīng)該因子污染程度分別為清潔水平、輕微污染、輕度污染、中度污染和重度污染[9]：

（2）內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法

應(yīng)用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)[12]來評價(jià)某種污染物造成的總體污染水平，具體計(jì)算方法見公式（2），公式中S綜、（Sm）ave、（Sm）max分別指內(nèi)梅羅綜合指數(shù)、重金屬m單因子指數(shù)均值和重金屬m單因子指數(shù)最大值。S綜≤0.7代表土壤環(huán)境安全，0.7

1.3.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

Hakanson所提出潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型是目前在重金屬危害影響評價(jià)中應(yīng)用最為廣泛的方法[14]，其主要計(jì)算過程為：

（1）單因子潛在生態(tài)危害指數(shù)

單因子潛在生態(tài)危害指數(shù)計(jì)算公式見公式（3）。

Em=Tm×CmC0? （3）

式中，Ei為重金屬i的潛在生態(tài)危害指數(shù)，Tm為重金屬m的毒性響應(yīng)系數(shù)，Cm和C0的含義同公式（1）。Hakanson提出的各元素毒性系數(shù)布如表2所示[15]，當(dāng)Em<40時(shí)危害輕微，40≤Em<80危害中等，80≤Em<160危害較強(qiáng)，160≤Em<320危害很強(qiáng)，Em≥320危害極強(qiáng)。

（2）綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)法

綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)法的計(jì)算公式見式（4），當(dāng)RI≤150對應(yīng)為輕微風(fēng)險(xiǎn)，1501200為極強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)。

1.3.3 健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

研究選擇USEPA推薦的健康風(fēng)險(xiǎn)評估模型計(jì)算不同重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)水平[12]。該模型針對不同重金屬特征，分別計(jì)算特定暴露途徑下非致癌風(fēng)險(xiǎn)水平和致癌風(fēng)險(xiǎn)水平。結(jié)合根據(jù)國際癌癥研究機(jī)構(gòu)（IARC）關(guān)于不同化合物毒性研究結(jié)果，研究分析的7種金屬均可經(jīng)口、經(jīng)皮膚和經(jīng)鼻暴露途徑產(chǎn)生非致癌風(fēng)險(xiǎn)。對于致癌風(fēng)險(xiǎn)而言，砷、鉛2種金屬可經(jīng)口發(fā)生暴露，鎘、砷、鉛、總鉻可經(jīng)呼吸作用發(fā)生暴露。

首先分別計(jì)算不同暴露途徑下重金屬日均暴露量，分別見公式（5）～（7）。在研究中，由于成人和兒童的體質(zhì)不同以及對重金屬的耐受程度不同，部分參數(shù)選取存在差異，研究參數(shù)取值主要參考USEPA暴露因子手冊和國內(nèi)外相關(guān)研究[12-14]，如表3所示。

ADD經(jīng)口=Cm·IR·CF·EF·ED/（BW·AT） （5）

ADD呼吸=Cm·PM10·DAIR·PIAF·FSPO·CF·? ? ? EF·ED/（BW·AT）? （6）

ADD皮膚=Cm·SA·AF·ABS·CF·EF·ＥＤ/? ? ? （ＢＷ·ＡＴ）? （7）

非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)水平主要根據(jù)土壤重金屬不同暴露途徑重金屬暴露量與該重金屬某種暴露途徑下的參考劑量來進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式見公式（8）和（9），HIm表示單個(gè)重金屬非致癌風(fēng)險(xiǎn)值，HI表示不同種重金屬導(dǎo)致的綜合非致癌風(fēng)險(xiǎn)值，HI小于1，則認(rèn)為土壤中重金屬造成非致癌風(fēng)險(xiǎn)比較?。籋I大于1，則說明存在綜合的非致癌風(fēng)險(xiǎn)。

研究中不同重金屬不同暴露途徑下日均參考暴露劑量RfDmn，mg·（kg·d）-1，參考值[12-14]如表4所示。對于土壤中的重金屬的致癌健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)通過單個(gè)重金屬m的致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（CRm）和總致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（CRI）表示，其計(jì)算見公式（10）、（11）所示，式中，SF為致癌斜率因子[（kg·d）·mg-1]，SF值[12，13，15]參考量如表5所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田土壤重金屬污染特征研究結(jié)論與分析

2.1.1 農(nóng)田土壤重金屬含量分析

選擇安徽省土壤背景值[16]（江淮流域）、《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618-2018）[17]中的標(biāo)準(zhǔn)值作為基準(zhǔn)，分析平天湖濕地農(nóng)田污染特征。表6數(shù)據(jù)顯示7種元素的平均含量均在土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，與安徽省江淮流域土壤背景值對比，除了總Cr、Cu、Pb之外，剩余的重金屬元素含量均高于相應(yīng)的土壤背景值，尤其是Zn和Hg，超出背景值分別為1.36倍、3.75倍。這表明平天湖濕地土壤農(nóng)田可能受到周邊工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，部分重金屬出現(xiàn)累積趨勢。

2.1.2 農(nóng)田土壤重金屬污染特征分析

7種被檢測重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)均小于1，屬于安全范圍，最大值排序?yàn)镃d＞As＞Zn＞總Cr＞Cu＞Pb＞Hg。不同重金屬內(nèi)梅羅綜合指數(shù)均處于安全范圍內(nèi)（S綜≤0.7），表明研究區(qū)域內(nèi)的土壤重金屬污染程度相對較低，但是結(jié)果同樣顯示Cd的內(nèi)梅羅指數(shù)最高（0.58），如表7所示。以上結(jié)果提示，研究區(qū)域應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注Cd污染防控。

2.2 農(nóng)田土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析

平天湖濕地農(nóng)田土壤重金屬潛在生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析表明，Cd、Cu、Pb、Zn、Cr、As、Hg單項(xiàng)潛在生態(tài)危害指數(shù)排序?yàn)镋Cd>ECr>EAs>EHg>ECu>EPb>EZn。7種重金屬的單項(xiàng)潛在生態(tài)危害指數(shù)均低于40，研究區(qū)綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)低于150，為輕微潛在生態(tài)危害范圍。其中潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最高為Cd，表明在該研究區(qū)最主要生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子為Cd，這與多個(gè)有關(guān)濕地的重金屬污染現(xiàn)狀研究結(jié)論基本一致[9，12，18]，如表8所示。

2.3 農(nóng)田土壤重金屬研究區(qū)域健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

2.3.1 農(nóng)田土壤重金屬非致癌風(fēng)險(xiǎn)分析

利用計(jì)算公式（5）～（9），開展平天湖濕地農(nóng)田土壤中重金屬經(jīng)不同暴露途徑計(jì)算。對于成人來說，不同接觸途徑下HI指數(shù)的排序由高到低均為經(jīng)口途徑、經(jīng)皮膚途徑和經(jīng)口鼻呼吸途徑；對于兒童來說，HI指數(shù)排序由高到低為經(jīng)口途徑、經(jīng)呼吸途徑和經(jīng)皮膚途徑。成人不同重金屬HI指數(shù)排序均為總Cr>As>Pb>Cu>Cd>Hg>Zn，兒童不同重金屬HI指數(shù)排序均為As>總Cr>Pb>Cu>Hg>Cd>Zn。成人和兒童非致癌風(fēng)險(xiǎn)總指數(shù)分別為1.38×10-1、1.91×10-1，均低于1，研究區(qū)域農(nóng)田重金屬造成的非致癌風(fēng)險(xiǎn)水平較低，如表9所示。

2.3.2 農(nóng)田土壤重金屬致癌風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

根據(jù)平天湖農(nóng)田土壤重金屬含量均值和不同暴露途徑重金屬暴露量，利用計(jì)算公式（10）和（11），開展平天湖濕地農(nóng)田土壤中重金屬經(jīng)不同暴露途徑進(jìn)入人體對成人和兒童造成致癌健康風(fēng)險(xiǎn)水平計(jì)算，如表10所示。對于成人和兒童來說，不同接觸途徑下CRI指數(shù)由高到低排序均為經(jīng)口途徑、經(jīng)皮膚途徑和經(jīng)口鼻呼吸途徑。這表明經(jīng)口攝入是研究區(qū)域內(nèi)致癌風(fēng)險(xiǎn)的首要途徑。

從三種不同接觸途徑綜合來判斷，無論成人或兒童，不同重金屬CRI指數(shù)排序?yàn)椋嚎傘t>砷>鎘>鉛?？梢?，砷的非致癌風(fēng)險(xiǎn)最高，對于兒童來說，各種重金屬CRI指數(shù)排序?yàn)椋嚎侰r>As>Cd>Pb，總鉻致癌風(fēng)險(xiǎn)是最高。成人和兒童致癌風(fēng)險(xiǎn)的總指數(shù)分別為3.70×10-5、4.43×10-5，均低于10-4。由此可以判斷，研究區(qū)域農(nóng)田重金屬造成的致癌風(fēng)險(xiǎn)總體較低。

3 結(jié)論

平天湖濕地農(nóng)田土壤中Cd、Cu、Pb、Zn、總Cr、As、Hg含量均在農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值之內(nèi)。與安徽省江淮流域土壤背景值對比，Zn和Hg超出背景值比例分別為1.36倍和3.75倍。各種重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均在安全范圍內(nèi)，但是Cd潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最高，表明Cd是研究區(qū)域內(nèi)最主要生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子。研究區(qū)綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)RI為28.71，屬于安全范圍之內(nèi)。健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)表明，成人和兒童不同暴露途徑下的綜合非致癌風(fēng)險(xiǎn)分別為1.38×10-1、1.91×10-1，兒童非致癌風(fēng)險(xiǎn)顯著高于成人，但兩者非致癌風(fēng)險(xiǎn)均在可接受范圍內(nèi)。成人和兒童綜合致癌風(fēng)險(xiǎn)分別為3.70×10-5、4.43×10-5，其中兒童非致癌風(fēng)險(xiǎn)和致癌風(fēng)險(xiǎn)大于成人，但兩者致癌風(fēng)險(xiǎn)均在可接受范圍內(nèi)。綜上所述，平天湖濕地農(nóng)田土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量較好，符合國家相關(guān)土壤質(zhì)量管理要求。但是受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、周邊工業(yè)園區(qū)生產(chǎn)及交通道路影響，研究區(qū)域部分重金屬含量高于江淮流域土壤背景值。建議相關(guān)管理部門進(jìn)一步加強(qiáng)平天湖濕地農(nóng)田土壤重金屬Zn和Hg的防控。

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收稿日期：2022-09-11

基金項(xiàng)目：2017年安徽省教育廳高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目（KJ2017A580）