基于土壤中铅化学形态的生态风险评价方法比较

孙瑞瑞，陈华清，李杜康（中国地质大学（武汉）环境学院，湖北　武汉430074）

基于土壤中铅化学形态的生态风险评价方法比较

孙瑞瑞，陈华清，李杜康
（中国地质大学（武汉）环境学院，湖北武汉430074）

针对曾爆发儿童血铅事件的南安市庄内村土壤中的铅含量及化学形态，采用Tessier连续提取法对其土壤中的铅进行化学形态分析，并采用ICP-MS对土壤中各形态铅含量及总铅含量进行测定，同时根据测定结果利用地累积指数法、风险评价编码法（RAC法）和次生相与原生相分布比值法（RSP法）3种评价方法对土壤中铅的环境生态风险进行评价和对比研究。结果表明:基于地累积指数法评价结果显示，土壤中铅为轻度-偏中度水平，环境风险水平不高；基于RAC法评价结果显示，土壤中铅平均风险水平为中等风险；基于RSP法评价结果显示，土壤中铅平均风险水平为重度风险；RAC法、RSP法评价结果均呈现出表层土壤风险程度略高于母质层；3种评价方法中RSP法较适宜对小区域土壤中铅的风险评价。

土壤；铅化学形态；RAC法；RSP法；地累积指数法；生态风险评价

随着我国经济的快速发展，土壤重金属污染现象在过去的50年中愈演愈烈，已受到人们的广泛关注［1］。尤其是作为“五毒”重金属元素之一的铅元素，铅污染已使我国“血铅中毒事件”时有发生，严重危及生态安全和人类健康，因此加强土壤中铅的生态环境风险评价刻不容缓。目前有关重金属风险评价的方法有很多，但大多数都是从总量角度衡量重金属污染程度和风险水平，较少考虑赋存形态的影响。然而，重金属的环境行为、生物有效性及毒性与其在土壤中的赋存形态有密切关系［2-5］，不考虑化学形态影响的评价结论存在局限性，因而从重金属化学形态的角度分析其环境风险正逐渐被人们所重视［6-7］。

基于形态学的环境风险评价中的风险标准不同，至今还没有统一的评价方法，并且缺乏对这些方法进行整合、比较的案例。本文以爆发过儿童血铅事件的福建省南安市庄内村的高铅土壤为研究对象［8］，采集土壤样品分析总铅含量及化学形态，并运用风险评价编码（Risk Assessment Code，RAC）法和次生相与原生相分布比值（Rations of Secondary Phase and Primary Phase，RSP）法对该地区土壤中铅的环境风险进行评价，并与从总铅角度量化土壤中铅污染环境风险的地累积指数法评价结果进行对比，以此比较不同的风险评价方法在土壤中铅高背景区域的适用性，这既有利于对研究区进行比较客观准确的环境生态风险评价，也有利于甄别这些评价方法在土壤中铅高背景区域应用上的优缺点及适用性，从而为土壤重金属环境生态风险评价方法的选择提供参考。

1　材料与方法

1.1研究区概况

研究区位于福建省南安市庄内村，地处晋江东溪东岸，观音亭水库下游，地貌以低丘台地为主，分布在向西南倾斜的山坡上，山坡坡度为3°～5°，海拔高度为24.9～44.0 m，最大相对高差为19.1 m。该地区气候属于亚热带海洋性季风气候，年平均温度为20.4℃，多年年均降水量为1 264.0 mm，降雨基本呈酸性。整个村庄及周围的岩石类型为黑云母钾长花岗岩，土壤表层主要由花岗岩完全风化形成的第四系残坡积黏土组成，渗透性较小，其下层为砂土状强风化花岗岩，渗透性较好。

据新闻报道［8］及现场调查，庄内村曾爆发过大范围的儿童血铅超标现象，因此本文以该村土壤为研究对象，采集当地农田、荒地和林地主要土壤类型样品，开展土壤中铅污染水平生态风险评估。

1.2样品处理与测定

采用随机布点的方式在南安市庄内村进行系统的采样，选择有代表性的5个土壤采样点（A、B、C、D、E）分别采集表层土壤（0～30 cm）和母质层土壤（90～120 cm）样品，共10件，去除土壤样品中的杂草、植物根茎等，装入自封采样袋，排净空气密封保存。将土壤样品送至实验室经烘箱烘干，玛瑙研钵碾磨，过200目尼龙筛，储存备用。

土壤中铅总量分析采用王水水浴消解处理方法；土壤中铅的化学形态分析采用Tessier连续提取方法［9］，依次得到可交换态（T1）、碳酸盐结合态（T2）、铁锰氧化物结合态（T3）、有机结合态（T4）及残渣态（T5），并用电感耦合等离子体质谱仪（ICPMS）测定土壤中各种化学形态的铅含量，其测定结果见表1。

表1　土壤中总铅含量及其各种化学形态的铅含量（mg·kg¯1）Table 1 Contents of total Pb and its different forms in soil samples（mg·kg-1）

1.3评价方法

1.3.1地累积指数法（Igeo）

地累积指数（Index of Geo-accumulation，Igeo）又称为Muller指数［10］，利用地累积指数来评价土壤中重金属的污染状况及程度不仅考虑了人为污染因素和环境地球化学作用对背景值的影响，还考虑了自然成岩作用对背景值的影响，因此其评价结果科学和直观。运用地累积指数法对土壤重金属进行评价时，可由Igeo值的变化情况来反映采样点土壤特性及其污染来源的变化［11］，其计算公式为

式中:Igeo为地累积指数；Cn为土壤样品中铅的实测浓度（mg/kg）；Bn为土壤中铅的地球化学背景值（mg/kg），福建省土壤中铅的地球化学背景值为34.90 mg/kg［12］；1.5为修正指数，主要用来校正由于风化等效应引起的背景值差异。

可根据Igeo值的大小将土壤中重金属污染水平分为7个等级，详见表2。

表2　地累积指数法分级标准Table 2 Grade standards of Igeo

1.3.2RAC法

风险评价编码法（RAC法）［13］是近年来用于重金属风险表征的常用方法，该方法以重金属形态分析为基础，并以可交换态和碳酸盐结合态为有效态，通过计算这两部分有效态含量占重金属总量的比例来定量评价样品中重金属的有效性，其比例越高，表示重金属对环境的风险越大［14］。为了对环境风险进行定量评价，RAC法将重金属中有效态含量占总量的百分数分为5个等级，详见表3。

表3　RAC法风险评价准则Table 3 Risk levels of heavy metals based on the RAC

1.3.3RSP法

次生相与原生相分布比值法（RSP法）一般用来评价重金属对环境污染的可能污染程度，这种方法最早由陈静生等［15］根据传统地球化学观念提出，他们将颗粒物中原生矿物称为原生地球化学相（简称原生相，primary phase），把原生矿物的风化产物（如碳酸盐和Ee-Mn氧化物等）和外来次生物质（如有机质等）统称为次生地球化学相（简称次生相，secondary phase），并认为重金属在原生相和次生相中的分配比例可以在一定程度上反映颗粒物是否被污染及其污染水平。该评价中次生相的分配比例越大，说明重金属污染物释放到环境中的可能性越大，对环境和人体造成的潜在危害也就越大。其计算公式如下:式中:RSP表示Pb的污染程度；Msec表示土壤次生相中铅的含量（mg/kg）；Mprim表示土壤原生相中铅的含量（mg/kg）。

若RSP≤1，表示无污染；1＜RSP≤2，表示轻度污染；2＜RSP≤3；表示中度污染；RSP＞3表示重度污染［16］。

2　结果与讨论

2.1土壤中总铅含量评价与分析

庄内村土壤样品的总铅含量范围为67.49～177.30 mg/kg，均在《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）［17］二级标准限值（250.00 mg/kg）以内，按照此标准分析，土壤中铅基本上对植物和环境不会造成危害和污染，环境风险很小。

本文以福建省土壤中铅的背景值作为评价依据，采用地累积指数法对表层土壤中铅的污染水平进行评价，其评价结果见图1。由图1可以看出:庄内村表层土壤中铅的污染水平在1～2级之间，即土壤均已受到不同程度的铅污染，其中1级占总样品的80%，为轻度污染，只有采样点O处的表层土壤受到铅的2级偏中度污染。总体上看，庄内村表层土壤均受到了铅的轻度污染，因此仅从土壤中铅总量的角度来看，可以得出5个采样点表层土壤中铅的污染程度的排序为:D＞E＞C＞A＞B。

图1　地累积指数法对表层土壤中总铅含量的评价结果Eig.1 Assessment of total Pb in surface soil samples based on index of geo-accumulation method

2.2土壤中铅的化学形态评价与分析

2.2.1RAC法

土壤中铅能否被生物吸收利用、能否在土壤中迁移转化，主要取决于土壤中铅的有效态含量，即可交换态和碳酸盐结合态的含量。在同等的环境条件下，土壤中铅的有效态含量越高，生态环境危害效应就越显著，相应的环境风险也就越高［18］。

本文基于RAC法对庄内村土壤中铅的环境风险进行评价，不同采样点土壤中铅的有效态含量占总量的百分数见图2。由图2可以看出:庄内村表层土壤和母质层土壤中铅的有效态含量占总量的百分数分别为25.76%、19.19%，均已达到中等风险，且表层土壤中铅风险略高于母质层土壤。其中，点位A的表层土壤中铅的有效态含量高达45.79%，大于阈值31.00%，依据RAC法，土壤中铅存在对环境构成高风险的可能性，需引起高度重视，同时这种分布特征意味着表层土壤中铅的可交换态及碳酸盐结合态占总量的百分数略高于母质层土壤，这可能与表层土壤受人类活动干扰较大有关；点位D的土壤类型为林地，遭受人为活动影响较小，因此表层土壤与母质层土壤中铅的环境风险差距不大，但均属于中等风险。因此，抛开铅总量这一因素，单纯从铅的化学形态分布层面来看，依照RAC法风险评价准则，可以得出5个采样点土壤中铅的平均环境生态风险排序为:A＞B＞D＞C＞E。

图2　不同采样点土壤中铅的有效态含量占总量的百分数Eig.2 Percentage of the effective state of the total lead in soil from different sampling sites

2.2.2RSP法

图3　不同采样点土壤中铅的次生相与原生相比值Eig.3 RSP of Pb in soil from different sampling sites

本文基于RSP法对庄内村土壤中铅的环境生态风险进行评价，其评价结果见图3。由图3可以看出:只有点位C的母质层土壤和点位D的表层土壤样品中铅为轻度污染，环境生态风险较低，其余采样点土壤中铅都达到了重度污染，对环境存在很大的潜在危害。表层与母质层土壤中铅的RSP平均值分别为5.97、3.04，均已达到最高级别重度污染，该评价结果与RAC法风险评价结果趋势基本相似，总体上都是呈现出表层土壤中铅的环境生态风险略高于母质层。但RSP法所得评价结果的环境生态风险要高于RAC法，与RAC法相比，该法评价结果中点位E的环境风险超过了点位D。依照RSP法风险评价准则，可以得出5个采样点土壤中铅的平均环境生态风险排序为:A＞C＞E＞B＞D。

2.3评价结果对比分析

显而易见，针对庄内村土壤中铅污染风险，3种评价方法所得到的结论存在很大的差别。具体地说，地累积指数法得出的土壤中铅污染程度介于轻度-偏中度之间，各采样点土壤中铅的污染程度由大到小依次为D＞E＞C＞A＞B；而基于铅化学形态的RAC法和RSP法评价得出的环境风险水平较高，尤其是RSP法，各采样点土壤中铅的平均风险水平均已达到重度污染，两者的环境生态风险水平由重到轻分别为A＞B＞D＞C＞E，A＞C＞E＞B＞D。究其原因，这可能与每种评价方法分析问题的角度和判别标准不同有关。其中，地累积指数法侧重单因素对环境污染的影响，是从绝对含量层面表征土壤中铅的污染水平，显然该法并未考虑土壤中铅的化学形态分布；RAC法和RSP法是基于铅的赋存形态分析土壤中铅的生物有效性及毒性的重要影响，尤其是RSP法在分析过程中未考虑土壤中铅的总量。可见，该地区土壤中铅的有效态含量较高才出现基于铅化学形态的风险评价结果要高于基于铅总量的风险评价。

此外，通过分析RAC法和RSP法评价结果可以看出，两者风险表征有相同之处，但RSP法得出的环境风险程度较RAC法严重。分析原因认为:首先，RAC法是利用有效态部分进行风险评价，而RSP法则是利用有效态、Ee-Mn氧化物结合态、有机物结合态之和与残渣态进行风险评价，两者的判别标准不同；其次，RAC法只考虑了土壤中铅的有效态，即可交换态和碳酸盐结合态，然而土壤中铅的Ee-Mn氧化物结合态和有机物结合态也具有一定的生物潜在可利用性，这些形态可以在比较强的酸性介质以及适当的环境条件下释放出来或转化为其他不稳定形态，成为生物可利用态，是生物可利用态重金属的直接提供者［19］；而RSP法则充分考虑了土壤中铅的Ee-Mn氧化物结合态和有机物结合态，并以稳定性很高的残渣态作为计算的参比形态，相比RAC法用铅的有效态更加科学合理。

之前的研究已经表明［20］，研究区降雨丰富，多呈酸性，且当地表层由第四系风化残积物覆盖，土壤介质渗透系数大，这种情况下将导致土壤中部分酸可溶解态重金属随着降雨释放进入地下水，并且土壤中铅累积释放量随酸雨p H值的降低而增加［21-22］。同时，也有研究揭露［20］，该村周边无涉铅的工厂及企事业单位，但地下水中铅含量100%超标，地下水中的铅很可能来源于土壤中活性态铅，从而可部分解释当地爆发儿童血铅的原因，也表明该村土壤中铅的环境生态风险很大。因此，尽管地累积指数法得出研究区土壤中铅污染不严重，但其仅可以一般地了解土壤中铅的污染程度，难以区分土壤中铅的来源，也难以反映土壤中铅的化学活性和生物可利用性，也就不能有效地评价土壤铅的迁移转化特性和可能的潜在环境风险；RAC法未考虑具有潜在生态危害的形态，评价欠周全；相比之下，RSP法较适宜于当地条件，能够相对全面地评价当地土壤中铅的生物有效性及其潜在环境生态风险的影响。

3　结 论

（1）以福建省土壤中铅的背景值为依据，利用地累积指数法对南安市庄内村表层土壤中铅的污染状况及其污染程度进行评价，评价结果表明:地累积指数介于0～2之间，说明铅在该地区土壤中有一定程度的积累，土壤已经受到轻度污染。

（2）RAC法和RSP法的风险评价结果要比地累积指数法严重，分别得出庄内村土壤中铅风险程度为中度和重度，两者均表现为表层土壤风险水平高于母质层土壤，一方面说明表层土壤受当地居民生产活动影响较大，另一方面研究区土壤中铅的有效态含量较高，说明如果从铅总量角度进行风险评价，难以表征出土壤中铅的环境生态风险状况。

（3）3种评价方法都有一定的局限性和侧重点，没有绝对最佳的方法，因此只有针对不同研究区的实际情况，结合评价的侧重点选择合适的方法，才能得出比较全面、客观的评价结果。鉴于研究区特殊的地质条件，显然，从土壤中铅化学形态角度进行风险评价的RSP法更适合研究区土壤环境生态风险程度的判定。

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Comparison of Ecological Risk Assessment Methods Based on the Chemical Forms of Lead in Soil

SUN Ruirui，CHEN Huaqing，LI Dukang
（School of Environmental Studies，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

At Zhuangnei village of Nan'an，the incident of children's blood lead exceeding took place.This paper applies Tessier sequential extraction method to analyzing the chemical forms of lead in soil of this area，applies ICP-MS to measuring the contents of total lead and the chemical forms，and then three kinds of evaluation methods，namely index of geo-accumulation（Igeo），risk assessment code（RAC）and rations of secondary phase and primary phase（RSP），to conducting the ecological risk assessment of environment and comparative study.Igeoanalysis evaluates the pollution degree of total lead in soil，and the result shows that the Igeolevel of lead between being mild and a little moderate，and the environmental risk level is not high. The analysis of risk assessment code is based on chemical forms of lead and the result shows that the average level of environment risk is medium；the analysis of rations of secondary phase and primary phase shows that the average level of environment risk is severe.The evaluation results of RAC and RSP suggest that the risk level of surface soil is slightly higher than that of the parent material layer.Comparison of the 3 kinds of the evaluation results shows that the RSPis suitable for small regional risk assessment of lead in soil.

soil；chemical forms of Pb；risk assessment code method（RAC）；rations of secondary phase and primary phase methed（RSP）；index method of geo-accumulation；ecological risk assessment

X53

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.05.008

1671-1556（2015）05-0047-05

2014-11-27

2015-01-08

福建永安—德化地区区域土壤铅高背景区水环境地球化学调查项目（1212011087082）

孙瑞瑞（1988—），女，硕士研究生，主要研究方向为土壤和地下水环境污染与防治。E-mail:onlysunrui@163.com

陈华清（1982—），男，博士，讲师，主要从事土壤和地下水污染与防治方面的研究。E-mail:hqchen@cug.edu.cn