隴南某水源地周邊土壤重金屬監(jiān)測與對策建議

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、是人類生存與發(fā)展的戰(zhàn)略資源，關系著人類身心健康及社會的高質(zhì)量發(fā)展進步，保障土壤環(huán)境安全是實現(xiàn)全面小康社會、構建和諧社會極為重要的物質(zhì)基礎。隨著人口和經(jīng)濟社會的快速增長及我國城市化進程的不斷加快，隨之也產(chǎn)生了各種類型較為嚴重的土壤重金屬污染問題。

1 研究背景

在沒有受到人類生產(chǎn)、生活干擾時，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)濟社會的飛速進步，工業(yè)化程度的不斷推進，已經(jīng)延伸到生產(chǎn)、生活的各個領域，重金屬在人類社會生產(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重的土壤重金屬污染問題。由于土壤重金屬污染威脅到生態(tài)環(huán)境安全，進而影響人類及種植物正常生長，所以，土壤重金屬污染問題得到了廣泛關注[1][2][3]。

對土壤重金屬元素污染程度進行評價時，一般有下列幾種評價方法：（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)風險指數(shù)法。上述幾種方法各有側(cè)重點，可以從不同角度進行評價，最后再綜合分析評價結(jié)果，因此運用較為廣泛[3～6]。

水源地周邊土壤環(huán)境質(zhì)量，對飲用水水源產(chǎn)生一定的潛在影響，居民的生產(chǎn)生活時刻離不開安全優(yōu)質(zhì)的水源，水源地周邊保護區(qū)的土壤環(huán)境安全問題關系到水源的安全，如果長期飲用重金屬污染水源將對人體健康產(chǎn)生有害影響，甚至會影響居民的正常生活及身體健康。所以，水源地的環(huán)境安全問題廣受大家關心。掌握水源水質(zhì)及水源地周邊土壤重金屬污染狀況是實現(xiàn)水資源風險管控的基礎環(huán)節(jié)，能有效提升對水源地安全的掌控能力，因此，該研究通過對隴南市某飲用水源地保護區(qū)周邊土壤環(huán)境安全狀況為目標，開展土壤中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)風險研究，同時也為本市其他水源地保護和風險防控提供第一手基礎資料，也為保障城區(qū)居民的用水安全，為飲用水源地環(huán)境風險防控和環(huán)境管理及維護人體健康提供科學依據(jù)。

2 實驗過程

2.1 土壤樣品采集及制備

該地屬暖溫帶半濕潤性氣候，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。

按照前期開展調(diào)研情況，結(jié)合此水源地的實際情況，經(jīng)過充分論證，確定使用網(wǎng)格法進行布點采樣，在水源地周邊區(qū)域，采集有代表性的15 個土壤樣品。每個采樣點，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，進行混勻，再用四分法來縮分2kg 新鮮土壤樣品，裝入適當容器，按要求填好采樣原始記錄，按方法規(guī)范要求運送至實驗室。在通風環(huán)境下晾干后，剔除明顯雜物及碎石，研磨，通過100 目和200 目篩進行篩分，然后進行定量測試。

2.2 重金屬總量的測定

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

重金屬元素Cd 運用ICP-MS（儀器型號：Agilent 7900）測定，運用經(jīng)典的AFS 法測定總As 和總Hg（儀器型號：AFS-830 和AFS-3000），其它5 種重金屬元素運用波長色散X 射線熒光光譜法測定（儀器型號：賽默飛ARL Perform'x ），土壤pH 的測定運用電位法，樣品有機物項目有機氯農(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)，實驗室內(nèi)采用校準曲線、空白試驗、密碼樣控制等質(zhì)量控制措施，對Cd、Cu、Cr、Pb、Ni、Zn、As 和Hg 等元素均采用國家標準土壤樣品進行了密碼樣考核，考核結(jié)果在規(guī)定的置信范圍內(nèi)。本實驗試劑均為市售優(yōu)級純，試驗用水及消解所用的酸均做了空白實驗，對所需試劑進行剔除處理。

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

計算公式：

Pi=土壤重金屬元素實測值/重金屬元素質(zhì)量標準值

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

土壤重金屬元素質(zhì)量標準值，參照（GB 15618-2018）表1 規(guī)定的風險篩選值。指數(shù)Pi和Pn的評價結(jié)果分級標準依次見表1、表2[3]。

表1 Pi法分級標準

表2 Pn法分級標準

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[4]，地累積指數(shù)（Igeo）計算公式及分級標準見表3[3]。

表3 Igeo法分級標準

式中：Cn－某項重金屬元素總含量；Bn－某項重金屬元素的環(huán)境背景值，本研究采用中國土壤環(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)風險評價

該研究運用Hakanson 的潛在生態(tài)風險評價法對水源地保護區(qū)中的土壤重金屬潛在生態(tài)風險進行評價[3～5][8]。其計算公式：

8 種重金屬的背景值和毒性系數(shù)見表4，土壤重金屬的RI 指數(shù)分級標準見表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)風險分級標準

3 結(jié)果及分析

3.1 土壤重金屬元素總量測定

在水源地保護區(qū)內(nèi)15 個土壤樣品重金屬元素含量測試結(jié)果見表6。Cd、Cu、Cr、Pb、Ni、Zn、As 和Hg 的測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)定的風險篩選值，土壤有機物含量均低于方法檢出限。該批樣品所測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個土樣中重金屬元素含量測定和統(tǒng)計結(jié)果單位：mg·kg-1

3.2 土壤重金屬超標情況

對土壤樣品8 種重金屬元素的測定結(jié)果，運用單項污染指數(shù)法（Pi）、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法（Pn）開展綜合評價。11# 土樣的重金屬元素Cr 含量超標，單項污染指數(shù)為1.45，污染等級為輕微污染。其余點位的8種重金屬元素均未超標，單項污染指數(shù)均小于1，污染等級為無污染，但Cr 和As 的平均單項污染指數(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，在實際應用中要多因素考量，不然會造成該方法對環(huán)境質(zhì)量評價結(jié)果的不科學的現(xiàn)象。

3.3 重金屬污染程度評價

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，污染等級為0，表明這5 種元素無污染;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 個點地累積指數(shù)大于0，范圍分別為0.02-0.0.31、0.03-1.62，其余4 個點小于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)計算結(jié)果

3.4 土壤潛在生態(tài)風險評估

由表7 和表8 數(shù)據(jù)得出結(jié)論，各元素的潛在生態(tài)風險單項系數(shù)平均值大小為Hg＞Cd＞As＞Ni＞Cu＞Pb＞Cr＞Zn。保護區(qū)土壤樣品Cu、Cr、Pb、Ni、Zn 和As 等元素的指數(shù)對照分級標準，均為輕微生態(tài)風險水平，土壤樣品Hg 的平均值為90.96，對照分級標準分別為輕微生態(tài)危害、中等生態(tài)危害、強生態(tài)危害和很強生態(tài)危害等級依次占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)風險因子最為關鍵，Cd 次之，另外6 種重金屬元素對保護區(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 個土壤樣品綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)（RI）范圍是106.87～312.02，平均值為184.21，對照該分級標準，26.67%樣品處于輕微生態(tài)風險水平，73.33%樣品處于中等生態(tài)風險水平，綜上所評結(jié)果，該批土壤樣品8 種重金屬基本為輕微和中等生態(tài)風險水平。

表7 土壤重金屬潛在生態(tài)風險評價結(jié)果（1）

表8 土壤重金屬潛在生態(tài)風險評價結(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)定的風險篩選值。

水源地保護區(qū)土壤樣品中地累積指數(shù)法（Igeo）評價結(jié)果表明，水源地保護區(qū)土壤整體上污染較輕，Ni、Cu、Cr、Zn、Pb 等重金屬元素無污染，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，個別樣品Hg 存在中等污染。

用綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)（RI）法得出的結(jié)論可知，水源地保護區(qū)土壤環(huán)境整體上生態(tài)風險程度都較輕，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)風險，26.67%、73.33%的樣品污染程度分別為為輕微、中等生態(tài)危害。

綜合上述兩種評價結(jié)果，從該研究區(qū)土壤樣品中Hg、Cd 的污染程度，水源地保護區(qū)周邊土壤可能已被個別重金屬元素影響，而通過對近5 年該水源地水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的匯總及分析，該水體的水質(zhì)類別達到地表水III 類水質(zhì)標準，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，但保護區(qū)周邊土壤和水體為相互影響、有機統(tǒng)一的整體，因此土壤的污染情況應引起的特別關注。

結(jié)語

通過本次對水源地周邊土壤狀況的調(diào)查監(jiān)測，基于水源地保護區(qū)周邊土壤和水體為相互影響、有機統(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，改施安全無污染的其他有機肥料；

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

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