陳貴廷,成國坤,何偉,包文兵,袁麗

(1.貴州省檢測技術研究應用中心,貴州 貴陽 550014;2.貴州博聯(lián)檢測技術股份有限公司,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化、降雨等作用下內部結構的穩(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)風險指數(shù)法和人體健康風險評價模型評價研究區(qū)土壤重金屬的污染風險和人體健康風險,以期為當?shù)剞r(nóng)用地的污染防控、土壤修復和安全從事農(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?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,基于現(xiàn)場踏勘和遙感影像,共布設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準限值的關系,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的評價標準值(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),其評價標準為:Pi≤1表示安全(清潔),15表示重度污染。

內梅羅綜合指數(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),其評價標準為:Pn≤0.7表示安全(清潔),0.73為重度污染。

1.3.2 潛在生態(tài)風險指數(shù)法

潛在生態(tài)風險指數(shù)法是瑞典科學家Hakanson提出的,結合了環(huán)境評價與毒理學方法,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)風險指數(shù),其評價標準為: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)風險指數(shù),其評價標準為: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險和致癌風險分別進行評估。

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為非致癌風險;HI為非致癌總風險,其評價標準為:HI<1表示無非致癌風險,HI≥1表示存在非致癌風險;CR為致癌風險;TCR為致癌總風險,其評價標準為:TCR<1×10-6表示無致癌風險,1×10-61×10-4表示存在較高的致癌風險;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,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)風險評價

研究區(qū)土壤重金屬的潛在生態(tài)風險評價統(tǒng)計結果如表5所示。8種元素的單項重金屬潛在生態(tài)風險指數(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)風險指數(shù)平均值大于40,屬于中等生態(tài)風險。從單項潛在生態(tài)風險因子分布來看,只有Hg在中等～強潛在生態(tài)風險有分布,分別為3%和37%,其余重金屬元素樣本的單項生態(tài)風險指數(shù)均為輕微生態(tài)風險。綜合潛在生態(tài)風險指數(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)風險水平,Hg對綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)的貢獻率為43.6%,是造成研究區(qū)土壤潛在生態(tài)風險的主要因子。

表5 潛在生態(tài)風險評價統(tǒng)計

2.3 人體健康風險評價

非致癌健康風險評價統(tǒng)計見表6。同一元素在三種暴露途徑下的非致癌風險均表現(xiàn)為HQing>HQderm>HQinh,說明土壤重金屬導致非致癌風險的主要途徑是經(jīng)口攝入。非致癌風險(HQ)和非致癌總風險(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險。

表6 非致癌風險評價統(tǒng)計

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

表7 致癌風險評價統(tǒng)計

3 結論

(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。

(2)污染指數(shù)評價結果顯示:Cu、Cr、Ni為研究區(qū)域的主要污染因子,內梅羅綜合污染指數(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)風險指數(shù)評價結果顯示:Hg的潛在生態(tài)風險指數(shù)平均值大于40,對綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)的貢獻率為43.6%,是造成研究區(qū)土壤潛在生態(tài)風險的主要因子。

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