長(zhǎng)沙市土壤重金屬污染特征及其生態(tài)與健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

收稿日期：2024-03-05

作者簡(jiǎn)介：蔣艷萍（1989—），女，湖南永州人，碩士，工程師。研究方向：環(huán)境監(jiān)測(cè)。

摘要：為深入了解長(zhǎng)沙市土壤重金屬污染情況，對(duì)研究區(qū)內(nèi)287個(gè)土壤采樣點(diǎn)的5種重金屬（Cd、Hg、As、Pb和Cr）污染特征進(jìn)行分析，并采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，運(yùn)用人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型對(duì)人體健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)，除Cd外，其余4種重金屬的含量整體不高；各重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)排序?yàn)镃d＞Hg＞As＞Pb＞Cr，其中Cd具有極強(qiáng)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，5種重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)處于強(qiáng)的水平；5種土壤重金屬對(duì)成人產(chǎn)生較低的非致癌風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)兒童會(huì)產(chǎn)生一定的非致癌風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)暴露途徑對(duì)比，土壤重金屬主要通過(guò)經(jīng)口攝入途徑對(duì)成人和兒童產(chǎn)生非致癌風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：土壤；重金屬；污染特征；潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；人體健康風(fēng)險(xiǎn)；長(zhǎng)沙市

中圖分類號(hào)：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）05-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.05.043

Characteristics of Soil Heavy Metal Pollution and Ecological and Health Risk Assessment in Changsha City

JIANG Yanping， PENG Yao， YIN Yuying， RU Saihong， ZHAO Fang， HU Fang

（Changsha Ecological Environment Monitoring Center of Hunan Province， Changsha 410000， China）

Abstract： In order to gain a deeper understanding of soil heavy metal pollution in Changsha city， the pollution characteristics of five heavy metals （Cd， Hg， As， Pb， and Cr） at 287 soil sampling points in the study area are analyzed， and the potential ecological risk index method is used to evaluate potential ecological risks， and a human health risk assessment model is used to assess human health risks. The results show that in the study area， except for Cd， the overall content of the other four heavy metals is not high; the ecological risk ranking of each heavy metal is Cd＞Hg＞As＞Pb＞Cr， among which Cd has extremely strong potential ecological risks， and the comprehensive potential ecological risks of the five heavy metals are at a strong level; five soil heavy metals have a lower non carcinogenic risk for adults and a certain non carcinogenic risk for children. Through comparison of exposure pathways， soil heavy metals mainly pose a non carcinogenic risk to adults and children through oral ingestion.

Keywords： soil; heavy metals; pollution characteristics; potential ecological risks; human health risks; Changsha city

土壤是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)[1-2]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大量污染物通過(guò)礦山開采、金屬冶煉、交通運(yùn)輸和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等途徑進(jìn)入土壤，污染土壤環(huán)境，其中土壤重金屬污染尤為突出[3-4]。湖南省是中國(guó)的有色金屬之鄉(xiāng)，有色冶金、化工和礦山采選等行業(yè)的產(chǎn)值占全省工業(yè)產(chǎn)值的80%以上，重金屬污染問(wèn)題突出。長(zhǎng)沙市礦產(chǎn)種類繁多，非金屬礦獨(dú)具特色。目前，長(zhǎng)沙市土壤重金屬污染研究取得一定進(jìn)展。

彭銳等[5]以長(zhǎng)沙市為例，評(píng)價(jià)土壤污染風(fēng)險(xiǎn)，研究重金屬積累情況。劉瓊峰等[6]依據(jù)513個(gè)農(nóng)田土壤采樣點(diǎn)，分析長(zhǎng)沙市城郊農(nóng)田土壤重金屬Pb、Cd的污染特征，對(duì)Pb、Cd生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。龍永珍等[7]以長(zhǎng)沙市等地為例，分析土壤重金屬污染現(xiàn)狀，采用單因子指數(shù)法和綜合指數(shù)法分別對(duì)土壤污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。吳塹虹等[8]以長(zhǎng)沙市等地為例，分析土壤、基巖、大氣干濕沉降、水與懸浮物等介質(zhì)的重金屬質(zhì)量平衡和土壤重金屬含量的時(shí)間變化特征，研究土壤中重金屬來(lái)源。上述研究主要關(guān)注重金屬污染特征、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和污染來(lái)源解析，長(zhǎng)沙市土壤重金屬的人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究較少。因此，有必要結(jié)合長(zhǎng)沙市土壤重金屬污染現(xiàn)狀，運(yùn)用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，采用人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型對(duì)人體健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，從而為土壤生態(tài)環(huán)境保護(hù)、重金屬污染防控和居民健康維護(hù)等提供技術(shù)支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究數(shù)據(jù)來(lái)自2017—2022年的國(guó)家土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)和湖南省土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)。兩種來(lái)源的數(shù)據(jù)匯總后，最終獲取長(zhǎng)沙市287個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的5種土壤重金屬（Cd、Hg、As、Pb和Cr）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

1.2 評(píng)價(jià)方法

1.2.1 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法是系統(tǒng)、全面評(píng)價(jià)土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的一種方法。單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Ei和綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)R的計(jì)算步驟參考相關(guān)研究[9]。5種重金屬的毒性響應(yīng)系數(shù)及土壤環(huán)境背景值如表1所示，評(píng)價(jià)依據(jù)如表2、表3所示。

1.2.2 人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

土壤重金屬對(duì)人體健康產(chǎn)生影響的途徑主要包括經(jīng)口攝入、口鼻吸入和皮膚接觸。依據(jù)人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，結(jié)合我國(guó)居民的實(shí)際健康情況，對(duì)5種重金屬產(chǎn)生的人體健康非致癌風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。模型的具體計(jì)算過(guò)程同李春芳等[10]的研究。模型的相關(guān)參數(shù)參考《建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》

（HJ 25.3—2019）[11]。不同暴露途徑下，重金屬參考劑量如表4所示。根據(jù)非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Q和非致癌總風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)I對(duì)土壤重金屬的非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)依據(jù)如表5所示。

1.3 數(shù)據(jù)處理

對(duì)于潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，數(shù)據(jù)分析均通過(guò)Excel軟件完成，繪圖采用ArcGIS軟件和Origin軟件完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤重金屬含量的特征分析

順序統(tǒng)計(jì)量是數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的一種常用統(tǒng)計(jì)量，是將樣本觀測(cè)值由小到大排列而得到的統(tǒng)計(jì)量。研究區(qū)287個(gè)土壤樣品重金屬含量的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表6所示。10%分位值表示有10%的數(shù)據(jù)小于此數(shù)值，反映土壤重金屬含量低；25%分位值表示有25%的數(shù)據(jù)小于此數(shù)值，反映土壤重金屬含量較低；中位值表示有50%的數(shù)據(jù)小于此數(shù)值，反映土壤重金屬含量中等；75%分位值表示有75%的數(shù)據(jù)小于此數(shù)值，反映土壤重金屬含量較高；90%分位值表示有90%的數(shù)據(jù)小于此數(shù)值，反映土壤重金屬含量高。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，土壤中Cd、Hg、As、Pb與Cr的含量中位值分別為0.34 mg/kg、0.12 mg/kg、17.2 mg/kg、42.9 mg/kg和78.7 mg/kg，均值分別為1.56 mg/kg、0.16 mg/kg、25.0 mg/kg、50.4 mg/kg和78.1 mg/kg，可見(jiàn)，重金屬含量主要分布在低水平。對(duì)比土壤重金屬含量，Cd、As變異系數(shù)較大，分別為206.0%、101.0%，Pb、Cr的變異系數(shù)較小，分別為52.1%、40.4%。由此可見(jiàn)，土壤中Cd、As的含量空間差異性較大，受人為活動(dòng)影響較嚴(yán)重，土壤中Pb、Cr的含量相對(duì)集中，變化不大，主要為自然地質(zhì)積累。

2.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

對(duì)287個(gè)土壤樣品中5種重金屬的單因子生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果如表7所示。各重金屬Ei平均值從大到小的排序?yàn)镃d＞Hg＞As＞Pb＞Cr。Cd的Ei平均值為466.48，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)極強(qiáng)，中等風(fēng)險(xiǎn)及以上的樣點(diǎn)數(shù)所占比例高達(dá)78.4%，是研究區(qū)最主要的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子；Hg的Ei平均值為56.44，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)中等，中等風(fēng)險(xiǎn)及以上的樣點(diǎn)數(shù)所占比例為55.7%，可見(jiàn)Hg存在一定的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；As的Ei平均值為13.82，中等風(fēng)險(xiǎn)及以上的樣點(diǎn)數(shù)所占比例不足10%，表明研究區(qū)內(nèi)該重金屬整體處于較低的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平；全部土壤樣品Pb、Cr的Ei均小于40，說(shuō)明2種重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)低。5種重金屬R平均值為559.34，說(shuō)明綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)處于強(qiáng)的水平，中等風(fēng)險(xiǎn)及以上的樣點(diǎn)數(shù)所占比例為63.8%。

2.3 人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

根據(jù)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型和相應(yīng)的參數(shù)計(jì)算研究區(qū)內(nèi)不同暴露途徑下成人和兒童的人體健康風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)果如表8所示。土壤非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，從不同暴露途徑來(lái)看，成人和兒童的非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)排序?yàn)榻?jīng)口攝入＞口鼻吸入 ＞皮膚接觸，表明重金屬主要通過(guò)經(jīng)口攝入途徑對(duì)成人和兒童產(chǎn)生非致癌風(fēng)險(xiǎn)。從重金屬元素來(lái)看，成人和兒童的非致癌風(fēng)險(xiǎn)排序?yàn)锳s＞Cr＞Pb＞Cd＞Hg。其中，兒童經(jīng)口攝入As的Q平均值大于1，意味著As是高風(fēng)險(xiǎn)元素，將通過(guò)經(jīng)口攝入途徑對(duì)兒童產(chǎn)生非致癌影響；Cr、Pb、Cd和Hg在不同暴露途徑下的Q平均值都小于1，說(shuō)明4種重金屬對(duì)成人和兒童的健康影響較小。從非致癌綜合健康風(fēng)險(xiǎn)來(lái)看，As對(duì)兒童的I平均值大于1，說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)As對(duì)兒童具有一定的非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)；其他4種重金屬對(duì)成人的I均小于1，表明4種重金屬對(duì)成人的健康影響不顯著。

3 結(jié)論

長(zhǎng)沙市土壤中，Cd含量偏高，Hg、As、Pb與Cr的含量整體不高。Cd與As的變異系數(shù)均大于1，空間差異較大，受人為活動(dòng)影響較嚴(yán)重。Cd、Hg和As是研究區(qū)內(nèi)土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最高的3種元素，其中，Cd具有極強(qiáng)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，5種重金屬綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)處于強(qiáng)的水平。研究區(qū)內(nèi)，綜合非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)對(duì)兒童的影響比較顯著，其中As對(duì)兒童的非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)最大。此外，經(jīng)口攝入是重金屬對(duì)成人和兒童產(chǎn)生非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)的主要途徑。

參考文獻(xiàn)

1 劉 同，劉傳朋，鄧 俊，等.山東省沂南縣東部土壤重金屬生態(tài)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].中國(guó)地質(zhì)，2022（5）：1497-1508.

2 CHEN Z Y，ZHAO Y Y，CHEN D L，et al.

Ecological risk assessment and early warning of heavy metal cumulation in the soils near the Luanchuan molybdenum polymetallic mine concentration area，Henan province，central China[J].China Geology，2023（1）：15-26.

3 環(huán)境保護(hù)部，國(guó)土資源部.全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)[EB/OL].（2014-04-17）[2024-02-19].https：//www.mee.gov.cn/gkml/sthjbgw/qt/201404/W020140417558995804588.pdf.

4 生態(tài)環(huán)境部.2022中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)[EB/OL].

（2023-05-29）[2024-02-19].https：//www.mee.gov.cn/hjzl/sthjzk/zghjzkgb/202305/P020230529570623593284.pdf.

5 彭 銳，吳 堅(jiān)，謝亞莉，等.土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及重金屬積累情況研究：以長(zhǎng)沙地區(qū)為例[J].環(huán)境生態(tài)學(xué)，2023（1）：35-38.

6 劉瓊峰，李明德，段建南，等.長(zhǎng)沙城郊農(nóng)田土壤重金屬Pb、Cd的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2013（8）：1564-1570.

7 龍永珍，戴塔根，鄒海洋.長(zhǎng)沙、株洲、湘潭地區(qū)土壤重金屬污染現(xiàn)狀及評(píng)價(jià)[J].地球與環(huán)境，2008（3）：231-236.

8 吳塹虹，戴塔根，方建武，等.長(zhǎng)沙、株洲、湘潭三市土壤中重金屬元素的來(lái)源[J].地質(zhì)通報(bào)，2007（11）：1453-1458.

9 萬(wàn)自學(xué)，楊海君，張正云，等.長(zhǎng)沙市某集中式飲用水水源地周邊土壤重金屬污染特征和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2021（4）：118-127.

10 李春芳，曹見(jiàn)飛，呂建樹，等.不同土地利用類型土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)與人體健康風(fēng)險(xiǎn)[J].環(huán)境科學(xué)，2018（12）：5628-5638.

11 生態(tài)環(huán)境部.建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則：HJ 25.3—2019[S].北京：中國(guó)環(huán)境出版集團(tuán)，2019.