茹衛(wèi)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(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣州 510006;3.華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院,廣州 510006;4.廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣州 510635;5.中國(guó)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(guó)務(wù)院批準(zhǔn)《珠江流域綜合規(guī)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(kù)是珠江三角洲水資源配置工程中重要的調(diào)節(jié)水庫(kù)之一。擬建高新沙庫(kù)區(qū)選址區(qū)域主要為淤質(zhì)黏土,土壤中重金屬在適宜的庫(kù)區(qū)環(huán)境條件下很有可能被重新釋放到水體中,從而影響水質(zhì)安全,危害人體健康。因此,研究高新沙水庫(kù)庫(kù)區(qū)土壤重金屬含量分布及潛在風(fēng)險(xiǎn)對(duì)水質(zhì)安全保障具有重要意義。
近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者在不同區(qū)域中土壤重金屬污染特征與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面開(kāi)展了大量研究[1-5]。目前的研究?jī)?nèi)容主要集中在土壤重金屬污染評(píng)價(jià)[6]、重金屬遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制[7-8]、重金屬來(lái)源解析[9-10]等方面,研究區(qū)域也側(cè)重于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)[8,11-13]、污水灌溉區(qū)[14-15]、工業(yè)礦區(qū)[16-17]等,這些研究工作表明,不同利用類型的土壤區(qū)域中重金屬分布特征及污染來(lái)源具有顯著性差異。水庫(kù)土壤不同于工業(yè)或農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染區(qū),也與河流、湖泊、海洋等自然生態(tài)系統(tǒng)有所不同,水庫(kù)作為一類人工淡水生態(tài)系統(tǒng),其受人類活動(dòng)影響較大且被污染途徑較多。部分學(xué)者針對(duì)三峽庫(kù)區(qū)[18]、密云水庫(kù)水源保護(hù)區(qū)[19]、丹江口水庫(kù)[20]等現(xiàn)行水庫(kù)土壤中重金屬分布特征及風(fēng)險(xiǎn)展開(kāi)了深入研究,結(jié)果均表明現(xiàn)行水庫(kù)土壤重金屬存在不同程度的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),非常有必要加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)與保護(hù)工作。從這個(gè)角度來(lái)看,對(duì)擬建水庫(kù)土壤中重金屬風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)就顯得尤為重要,但是,當(dāng)前針對(duì)擬建水庫(kù)土壤重金屬分布特征及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的研究工作還鮮見(jiàn)報(bào)道。
本研究以擬建高新沙水庫(kù)庫(kù)區(qū)土壤為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)庫(kù)區(qū)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(cè)定,利用ArcGIS 技術(shù)探討了重金屬元素的空間分布特征,并采用單因子指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià),從而揭示水源地土壤重金屬分布特征及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),以期為采取有效措施保護(hù)水源提供數(shù)據(jù)支持,并為將來(lái)高新沙水庫(kù)運(yùn)行中水質(zhì)安全與風(fēng)險(xiǎn)管控提供理論依據(jù)。
擬建高新沙水庫(kù)選址位于廣州市南沙區(qū)蕉門(mén)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(kù)水域面積100 000 m2,庫(kù)容5 290 000 m3。根據(jù)庫(kù)區(qū)實(shí)際地形,采用網(wǎng)格加圖斑的方法將庫(kù)區(qū)分為16 個(gè)采樣區(qū)域。在實(shí)際采樣中,采用“S”或“X”形進(jìn)行布點(diǎn)采樣(圖1),盡可能避開(kāi)地形干擾。每個(gè)采樣區(qū)域設(shè)置3個(gè)平行樣,按照0~50、50~100、100~200、200~300 cm依次采集4個(gè)土層樣品。
圖1 研究區(qū)域及采樣點(diǎn)分布Figure 1 Schematic diagram of the soil sampling sites
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(fēng)處自然晾干后用研缽研磨并過(guò)100目尼龍網(wǎng)篩,裝于保鮮袋密封保存?zhèn)溆?。在研究區(qū)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(jì)136 份土樣。在每份土樣測(cè)定Cu、Zn、Cd、Pb、Ni、Cr、Hg 和As 8 種重金屬的含量,共測(cè)定樣品數(shù)3 264個(gè)。
準(zhǔn)確稱取0.1 g 土樣放入聚四氟乙烯坩堝中,加入10 mL 優(yōu)級(jí)純鹽酸(ρ=1.19 g·mL-1),將坩堝置于電熱板上120 ℃左右加熱。當(dāng)坩堝內(nèi)鹽酸剩余大約3 mL 時(shí),分別加入5 mL 優(yōu)級(jí)純硝酸(ρ=1.42 g·mL-1)、5 mL優(yōu)級(jí)純氫氟酸(ρ=1.49 g·mL-1)和3 mL優(yōu)級(jí)純高氯酸(ρ=1.76 g·mL-1)進(jìn)行消解。等待產(chǎn)生大量白煙時(shí),蓋上坩堝蓋使堝內(nèi)壁黑色物質(zhì)完全消解,開(kāi)蓋排盡白煙,并用去離子水沖洗坩堝蓋和內(nèi)壁,將溶液轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶中,冷卻后定容待測(cè)。Cu、Zn、Cd、Pb、Ni和Cr的含量采用石墨爐原子吸收法測(cè)定,Hg 和As的含量采用原子熒光光度計(jì)測(cè)定[12]。
(1)單因子指數(shù)法。依據(jù)土壤pH值,不同重金屬選取對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)篩選值進(jìn)行評(píng)價(jià)。計(jì)算公式:
式中:Pi為土壤中污染物的環(huán)境質(zhì)量指數(shù);Ci為污染物實(shí)測(cè)含量,mg·kg-1;Si為《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)篩選值,mg·kg-1。當(dāng)Pi<1時(shí),說(shuō)明土壤重金屬含量沒(méi)有超標(biāo);當(dāng)Pi≥1 時(shí),說(shuō)明土壤重金屬含量超標(biāo),可能影響人體健康[21]。
(2)潛在生態(tài)危害指數(shù)法。該方法不但能說(shuō)明某一特定環(huán)境中不同重金屬污染物對(duì)環(huán)境的影響,而且可以反映多種重金屬污染物的綜合風(fēng)險(xiǎn),并定量劃分潛在生態(tài)危害等級(jí)[22]。計(jì)算公式:
式中:RI為多種重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù),RI分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是由Hakanson 依據(jù)沉積物中Hg、As、Pb、Cu、Cr、Zn和PCB 等8 種污染物的毒性系數(shù)(T ir)之和而提出的,可分為輕微風(fēng)險(xiǎn)、中等風(fēng)險(xiǎn)、較強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)、很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)、極強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)5 個(gè)等級(jí)[23];Tri為重金屬的毒性系數(shù),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(gè)重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù),反映重金屬的潛在生態(tài)危害程度;Ci為重金屬i的實(shí)測(cè)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)篩選值珠江三角洲》(DB 44/T 1415—2014)中土壤環(huán)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(jù)趙梓霖等[22]和姚波等[24]的報(bào)道,土壤重金屬Eri、RI與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度的關(guān)系如表1所示。
表1 Eri及RI的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Criteria for classification of Eri and RI
總體來(lái)看,隨著土層深度增加土壤pH 由酸性逐步變?yōu)槿鯄A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(shù)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(kù)區(qū)土壤重金屬含量特征Table 2 Content of heavy metals in reservoir soil
2.2.1 單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)
(1)A層土壤中的重金屬含量分布特征與評(píng)價(jià)
林丹笑笑,一顆心跟著緊跳了幾下,想著這是他們這個(gè)月的第三次見(jiàn)面了。200多公里的距離不是太遠(yuǎn),但讓他從紛繁的工作和新婚的老婆占據(jù)的時(shí)間中,偷得這樣的閑暇,實(shí)屬奢侈。
水庫(kù)土壤中Cu、Cd、Pb、Hg 和As 5 種重金屬呈現(xiàn)輕度超標(biāo)現(xiàn)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(biāo)率分別是47.92%、14.58%、6.25%、2.08%和4.17%,最大超標(biāo)倍數(shù)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(diǎn)位中沒(méi)有超標(biāo),僅在個(gè)別點(diǎn)位超標(biāo)(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(guó)農(nóng)用地土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)篩選值(GB 15618—2018)。綜合來(lái)看,水庫(kù)A層土壤中絕大部分重金屬表現(xiàn)為輕微超標(biāo)現(xiàn)象,可能對(duì)水質(zhì)的影響較小。重金屬Cu輕微超標(biāo)點(diǎn)位的面積最大(圖3),可能原因是新建水庫(kù)開(kāi)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(jìn)入農(nóng)田(約69%的Cu 來(lái)源于畜禽糞便),從而造成水庫(kù)土壤Cu的大面積輕微超標(biāo)[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(píng)價(jià)
對(duì)比A 層土壤來(lái)看,B 層土壤中Cu、Pb 和As 3 種重金屬同樣存在輕微超標(biāo)現(xiàn)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(biāo)倍數(shù)分別為0.48、3.00 倍和0.34 倍,超標(biāo)率分別是11.63%、2.33%和6.98%;Zn、Cd、Ni、Cr 和Hg 均未出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)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(kù)區(qū)B 層土壤重金屬超標(biāo)程度總體上有所減弱,其中Cu、Pb 和As 僅在個(gè)別點(diǎn)位中存在超標(biāo)現(xiàn)象(圖5)。肖武等[21]對(duì)巢湖流域農(nóng)田土壤重金屬污染調(diào)查研究的結(jié)果表明,重金屬Cu、Zn、Pb、Ni 和As 存在輕微超標(biāo)現(xiàn)象,而Hg和Cd嚴(yán)重超標(biāo)。
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(píng)價(jià)
在8 種重金屬中,C 層土壤僅有As存在輕微超標(biāo)現(xiàn)象,其含量范圍為9.97~30.30 mg·kg-1,最大超標(biāo)倍數(shù)為0.21 倍,超標(biāo)率為22.58%(圖6),而且超標(biāo)范圍主要集中在水庫(kù)西北角區(qū)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(yīng)的農(nóng)用地土壤風(fēng)險(xiǎn)篩選值。以上表明,相對(duì)于前兩層土壤,C 層土壤重金屬超標(biāo)程度顯著降低。邱其俊等[26]研究閩北某新建水庫(kù)周邊土壤重金屬污染特征的結(jié)果表明,水庫(kù)周邊區(qū)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(píng)價(jià)
對(duì)比前3層土壤,D 層土壤中僅有As呈現(xiàn)輕度超標(biāo)現(xiàn)象,超標(biāo)率為35.71%,最大超標(biāo)倍數(shù)僅為0.39倍,超標(biāo)區(qū)域集中于水庫(kù)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(guò)農(nóng)用地土壤風(fēng)險(xiǎn)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(duì)水質(zhì)的影響也逐漸減小。韓志軒等[27]對(duì)珠江三角洲沖積平原土壤重金屬含量進(jìn)行研究,認(rèn)為地表輸入的As元素在強(qiáng)烈的淋溶和淀積作用下可能向深層遷移,從而導(dǎo)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(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)
從Eir來(lái)看,土壤Cu、Zn、Pb、Ni、Cr 和As 6 種重金屬的Eir遠(yuǎn)小于40,說(shuō)明庫(kù)區(qū)4 層土壤中重金屬生態(tài)危害程度均為輕微級(jí)別生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)(表3),這與張雷等[28]對(duì)丹江口水庫(kù)遷建區(qū)土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的結(jié)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(tài)風(fēng)險(xiǎn)處于中等級(jí)別,而Hg僅在A 層土壤Eir平均值大于40,處于中等級(jí)別生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。總體來(lái)看,大約58.09%的土壤可能處于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別(Eir<40),33.09%的土壤處于中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別,僅有3.23%的土壤處于強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別。
表3 庫(kù)區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)Table 3 Potential ecological risk index of heavy metals in the reservoir soils
從RI來(lái)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(kù)區(qū)94.12%的土壤RI值小于150,屬于輕微級(jí)別風(fēng)險(xiǎn);5.88%的土壤RI值小于300,處于中等級(jí)別風(fēng)險(xiǎn)。這些結(jié)果進(jìn)一步表明庫(kù)區(qū)重金屬總體生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平處于輕微級(jí)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(tài)風(fēng)險(xiǎn),發(fā)現(xiàn)80%以上的土壤中Cd生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)處于極強(qiáng)生態(tài)危害級(jí)別,而Zn、Ni和Cr則屬于輕微級(jí)別。結(jié)合單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果,本研究表明高新沙庫(kù)區(qū)土壤重金屬總體環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)極低,對(duì)水質(zhì)安全可能不會(huì)造成影響,適于作為水庫(kù)建設(shè)用地。
對(duì)比文獻(xiàn)報(bào)道的廣東省現(xiàn)行水庫(kù)底泥中重金屬含量結(jié)果(表4),擬建高新沙水庫(kù)4 層土壤中Cu、Zn、Cd、Pb和Hg 5種重金屬含量普遍低于現(xiàn)行水庫(kù)含量。譬如,高新沙水庫(kù)土壤Cd 平均含量為0.15 mg·kg-1,普遍低于粵東水庫(kù)(0.49 mg·kg-1)、粵西水庫(kù)(0.17 mg·kg-1)、粵北水庫(kù)(1.46 mg·kg-1)、粵中水庫(kù)(0.44 mg·kg-1)、松木山水庫(kù)(1.63 mg·kg-1)、橫崗水庫(kù)(1.11 mg·kg-1)和五點(diǎn)梅水庫(kù)(1.00 mg·kg-1)等,但僅高于西麗水庫(kù)(0.10 mg·kg-1)。此外,Cr 和Ni 的含量與廣東現(xiàn)行水庫(kù)底泥含量相近,其中庫(kù)區(qū)Cr 平均含量為60.95 mg·kg-1,與粵中水庫(kù)(65.27 mg·kg-1)接近,但低于粵西水庫(kù)(130.81 mg·kg-1)和粵北水庫(kù)(85.06 mg·kg-1)。以上對(duì)比分析間接反映了該區(qū)域土壤重金屬對(duì)擬建水庫(kù)水質(zhì)不會(huì)造成不良影響。
表4 廣東省水庫(kù)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(kù)區(qū)As 平均含量為20.77 mg·kg-1,高于馬尾水庫(kù)(14.35 mg·kg-1)、松木山水庫(kù)(11.28 mg·kg-1)、白坑水庫(kù)(4.22 mg·kg-1)等7 個(gè)水庫(kù)的重金屬含量,但低于五點(diǎn)梅水庫(kù)(25.97 mg·kg-1)和水濂山水庫(kù)(20.83 mg·kg-1),這些間接說(shuō)明擬建高新沙庫(kù)區(qū)土壤As 可能對(duì)水質(zhì)存在潛在的風(fēng)險(xiǎn)。因此,在水庫(kù)庫(kù)盆阻隔措施中應(yīng)加強(qiáng)土壤As的檢測(cè)與防控工作。
(1)擬建高新沙水庫(kù)前3 層(0~200 cm)土壤pH呈現(xiàn)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(huán)境標(biāo)準(zhǔn)篩選值(GB 15618—2018),超標(biāo)范圍為4.17%~35.71%,但最大超標(biāo)倍數(shù)僅為0.39 倍;Cu 僅在前兩層土壤中存在輕微超標(biāo)現(xiàn)象,超標(biāo)率分別為47.92%(0~50 cm)和11.63%(50~100 cm);Cd、Pb 和Hg 僅在個(gè)別點(diǎn)位中出現(xiàn)極輕微超標(biāo)現(xiàn)象;Zn、Cr和Ni均未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。
(2)擬建高新沙水庫(kù)土壤中Cu、Zn、Pb、Ni、Cr 和As 6 種重金屬的單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)值均遠(yuǎn)小于40,表明重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)處于輕微級(jí)別,且大約94.12%的庫(kù)區(qū)土壤的綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)小于150,說(shuō)明重金屬總體生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)處于安全水平。
(3)擬建高新沙水庫(kù)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(xiàn)行水庫(kù)含量,Cr和Ni 2種重金屬含量與現(xiàn)行水庫(kù)含量接近,As含量略高于部分水庫(kù)含量,這些間接反映出擬建高新沙水庫(kù)土壤重金屬可能不會(huì)對(duì)水質(zhì)造成不良影響。