长株潭地区集中式饮用水水源地周边土壤环境质量监测与评价

杨海君, 张海涛, 许云海, 刘亚宾, 金红玉, 王雅玲, 刑宏霖,2

(1.湖南农业大学 植物保护学院, 长沙 410128; 2.湖南省环境监测中心站, 长沙 410014)

水资源是人类生存和社会发展的基本条件，饮用水的水质优劣则直接关系到人民群众的身体健康和社会稳定[1-3]。随着我国工业化进程的加快和城市化水平的不断提高，人们对水资源需求日益加大，但是随之而来的环境污染问题也日益严重[4-5]。工矿业、农业等人类活动对饮用水水源地周边土壤产生了严重的影响，如重金属、苯并[a]芘、有机氯农药等持久性污染物以干、湿沉降的形式聚集到水源地周边土壤中，并在一定条件下迁移到水体和水生动物体内，最终通过饮用水和食物链的传递及富集作用影响人类健康，对人类造成潜在安全问题[6-8]。目前，国内外关于集中式饮用水水源地周边土壤安全问题研究的内容较多[9-11]，但对长株潭集中式饮用水水源地周边土壤环境质量监测及评价却鲜有报道，因此，开展对长株潭集中式饮用水水源地周边土壤中典型污染物的监测和评价很有意义和价值。

本文通过对长株潭地区6个具有代表性的集中式饮用水水源地周边土壤进行环境质量监测，利用化学分析及测定法对土壤样品的pH值、阳离子交换量、有机质含量及Cd，Hg，As，Pb，Cr，Cu，Zn，Ni，苯并[a]芘和有机氯农药等污染物含量进行了测定。结合环境毒理学、环境化学等理论和相关性分析、主成分分析、聚类分析等对相关数据进行处理，探究长株潭地区6个具有代表性的集中式饮用水水源地周边土壤的污染物含量及污染水平等，研究结果将为长株潭地区饮用水水源地周边土壤的环境治理提供科学依据。

1　材料与方法

1.1　采样点布设及样品采集

选取长株潭地区6个具有代表性的集中式饮用水水源地，并对饮用水水源地周边土壤进行环境质量监测(图1)。在6个水源地陆域一级保护区各均匀布设5个采样点，采集0—20 cm表层土壤，每份土壤样品采样量为2 kg。

1.2　样品处理及测定

1.2.1风干样品的制备风干：在风干室将土样置于风干盘中，除去土壤中混杂的砖瓦石块、石灰结核，根茎动植物残体等，摊成2～3 cm的薄层，常翻动。土壤为半干状态时，用木棍压碎或用两个木铲搓碎土样，置阴凉处自然风干。

图1　长株潭地区饮用水水源地分布

粗磨并分样：粗磨后，将过2 mm目筛的样品全部置于无色聚乙烯薄膜上，充分搅拌、混合直至均匀，用四分法弃取，分别称取两份500.0 g的样品，其中一份可直接用于土壤pH值、阳离子交换量等项目的分析，另一份进行细磨。

细磨并分样：手工研磨土样，过孔径0.15 mm(100目)的尼龙筛，四分法弃取，分别称取3份土壤样品各5.0 g，装瓶备用。

1.2.2新鲜样品的制备为分析测定挥发性和半挥发性有机污染物，采集新鲜土样，置于4℃暗处冷藏，并在7 d内进行前处理，40 d之内完成分析。

1.2.3分析测试方法检测项目执行《关于印发<2011年全国土壤环境质量例行监测工作方案的通知>》(总站生字[2011]161号)，没有列入项目的监测方法参照《全国土壤污染状况调查样品分析测试技术规定》(国家环保总局，2006年)(详见表1)。

表1　土壤样品制备及分析方法

1.3　评价方法

土壤样品监测结果按照每个饮用水水源地5个采样点做算术平均，监测结果采用土壤单项污染指数进行单因子评价[12]和内梅罗污染指数进行综合评价[13]。土壤单项污染指数计算及单因子评价方法参考《全国土壤污染状况调查技术规范》中土壤环境质量评价分级，内梅罗污染指数的计算及土壤污染程度分级评价参照《土壤环境监测技术规范》(HJ/T166—2004)中评价方法。相关计算公式和分级标准如下：

1.3.1土壤环境质量评价标准值土壤环境质量评价标准执行《土壤环境质量标准》(GB15618—1995)一级标准进行评价，对于GB15618没有的评价标准执行《全国土壤污染状况评价技术规定》(环发[2008]39号)，有机氯农药评价标准参照《加拿大土壤环境质量标准农用地标准值》[14]。

1.3.2土壤单因子评价法

(1)

式中：Pip为土壤单项污染指数；Ci为土壤污染物实测浓度；Sip为土壤污染物评价标准。根据Pip的大小将土壤污染程度划分为5级，详见表2。

1.3.3土壤综合评价法

(2)

式中：Pz为内梅罗综合污染指数；Pi,max为污染物i的单因子污染指数中的最大值；Pave为污染物i的单因子污染指数平均值。根据Pz的大小，将土壤污染程度划分为5级(见表3)。

表2　土壤单因子污染指数及对应污染程度等级

表3　内梅罗污染指数评价标准及对应污染程度等级

1.4　统计分析

采用SPSS 20.0和Excel进行数据统计分析，对饮用水水源地周边土壤中各种污染物的监测值进行相关性分析、主成分分析及聚类分析等[15-16]。

2　结果与分析

2.1　饮用水源地周边土壤中pH值、阳离子交换量及有机质含量监测结果

长株潭地区6个集中式饮用水水源地周边土壤中pH值、阳离子交换量及有机质含量监测结果见表4，由表4可知，长沙市A，B水源地周边土壤平均pH值分别为5.892，7.174，说明长沙市A水源地周边土壤平均pH值偏酸性，B水源地周边土壤平均pH值偏中性；A，B水源地周边土壤中平均离子交换量分别为8.201 cmol/kg，11.832 cmol/kg，有机质含量分别为0.562 g/kg，2.018 g/kg。株洲市A，B水源地周边土壤平均pH值分别为5.409，5.057，说明株洲市A，B水源地周边土壤平均pH值偏酸性；A，B水源地周边土壤中阳离子交换量分别为6.401 cmol/kg，6.952 cmol/kg，有机质含量分别为0.868 g/kg，1.151 g/kg。湘潭市A，B水源地周边土壤平均pH值分别为5.371，4.373，说明湘潭市A，B水源地周边土壤平均pH值偏酸性；A，B水源地周边土壤中阳离子交换量分别为13.501 cmol/kg，10.401 cmol/kg，有机质含量分别为4.182 g/kg，12.101 g/kg。

综上可知，长株潭地区6个集中式饮用水水源地周边土壤中pH值、阳离子交换量及有机质含量存在差异，其中长沙市B水源地周边土壤平均pH值最高，湘潭市B水源地周边土壤平均pH值最低，湘潭市A水源地周边土壤阳离子交换量与有机质含量均最高。研究表明，土壤pH值是控制土壤中重金属有效态的主要因素之一，而土壤阳离子交换量和有机质含量代表土壤可能保持的养分数量[17-18]。张建龙等[17]研究发现，土壤理化性质的差异对土壤健康风险评价结果、风险评估精度及制订修复决策具有重要意义。

表4　土壤中pH值、阳离子交换量及有机质含量

2.2　饮用水水源地周边土壤中典型污染物监测结果

长株潭地区6个集中式饮用水水源地周边土壤中Cd，Hg，As，Pb，Cr，Cu，Zn，Ni，六氯环己烷、滴滴涕及苯并[a]芘的监测结果见表5和图2，由表5可知，长沙市A水源地周边土壤中As，Pb，Cr，Cu，Zn平均含量及B水源地周边土壤中Cd，Hg，As，Pb，Zn平均含量均超过国家一级标准；株洲市A水源地周边土壤中Cd平均含量及B水源地周边土壤中Cd，Pb平均含量均超过国家一级标准；湘潭市A水源地周边土壤中Cd，Hg，As，Pb，Zn平均含量及B水源地周边土壤中Cd，As，Pb，Zn平均含量均超过国家一级标准。长株潭地区6个集中式饮用水水源地周边土壤的30个监测点位中Cd，Pb，Zn平均含量超标率均大于50%，分别为63.33%，63.33%和73.33%，Hg，Cr，Cu平均含量超标率均为16.67%，As和Ni平均含量超标率分别为33.33%，13.33%，六氯环己烷、滴滴涕及苯并[a]芘含量均未超标。

表5　土壤中典型污染物监测结果　mg/kg

注：n表示各水源地监测点位数。

2.3　饮用水水源地周边土壤污染指数评价

长株潭地区6个集中式饮用水水源地周边土壤单项污染指数和内梅罗综合污染指数评价结果见表6所示，由表6可知，长沙市A，B水源地周边土壤无机有机综合值评价均处于轻度污染状态；株洲市A水源地周边土壤无机有机综合值评价处于重度污染状态，B水源地周边土壤处于中度污染状态；湘潭市A，B水源地周边土壤无机有机综合值评价均处于中度污染状态。

长株潭地区6个集中式饮用水水源地周边土壤30个点位中主要以无机污染为主，只有3个点位存在有机污染。30个监测点位均受到无机有机复合污染，其中轻微、轻度、中度和重度污染点位数量分别为0个、16个、6个和8个，所占比例分别0%，53.33%，20.0%和26.67%；30个监测点位均受到无机污染，其中轻度、中度和重度污染点位数量分别为16个、5个和9个，所占比例分别53.33%，16.67%和30.0%；受到有机污染的点位有3个，轻微、轻度污染点位数量分别为1个和2个，所占比例分别为3.33%，6.67%。

表6　土壤中典型污染物单项及综合污染指数

2.4　饮用水水源地周边土壤中污染物相关性分析

长株潭地区6个集中式饮用水水源地周边土壤中典型污染物相关性分析见表7，由表7可知，集中式饮用水水源地周边土壤中Cd，Hg，As，Pb，Cr，Cu，Zn，Ni，六氯环己烷，滴滴涕，苯并[a]芘等污染物相互之间存在联系，其中Cr与Cu，Ni，Cu与Ni在p=0.01水平上显著正相关；Hg与Cr，Ni在p=0.01水平上显著负相关；Hg与Cd、六氯环己烷，Cd与Pb在p=0.05水平上显著正相关；Cd与Cr，Ni，Pb与Ni，Hg与Cu在p=0.05水平上显著负相关。

表7　土壤中典型污染物相关性分析

注：“*”表示在0.05水平上显著相关；“**”表示在0.01水平上显著相关。

2.5　饮用水水源地周边土壤中污染物主成分分析

长株潭地区集中式饮用水水源地周边土壤中污染物主成分分析见表8。由表8可知，土壤中污染物主要有3个主成分，3个主成分合计贡献率为76.055%，其中第一主成分贡献率为40.144%、第二主成分的贡献了为18.467%、第三主成分的贡献率为17.444%。结合主成分相关系数(表9)可知，第一主成分包含的信息量最大，它的主要代表为Cr，Cu，Ni，其权重系数分别为0.943，0.839，0.970；第二主成分的主要代表为Zn、六氯环己烷、Cd，其权重系数分别为0.885，0.751，0.507；第三主成分的主要代表为As、苯并[a]芘，Hg，其权重系数分别为0.807，0.852，-0.397。

2.6　饮用水水源地周边土壤中典型污染物聚类分析

利用SPSS 20.0软件将长株潭地区集中式饮用水水源地周边土壤中Cd，Hg，As，Pb，Cr，Cu，Zn，Ni、苯并[a]芘、六氯环己烷及滴滴涕等11种污染物进行聚类分析，将数据标准化到(0，1)范围，对距离的测度方法选择欧氏距离法(Euclidean distance method)，以离差平方和法(Ward′s method)进行变量(Q型)聚类[19]，得到的聚类过程见表10，聚类过程共有9阶，在第1阶，集群1与集群2的距离最近，系数小于0.121，因此，首先聚成一个类型，其余集群依次类推。

长株潭地区集中式饮用水水源地周边土壤中主要污染的聚类树形见表11，11种化合物可大致归为6类，具体如下：苯并[a]芘，六氯环己烷及滴滴涕可归为一类，Cr，Ni，Cu可归为一类，Pb，Zn可归为一类，As，Hg，Cd各单独归为一类。

表8　土壤中典型污染物主成分分析

表9　主成分相关系数

通过对各饮用水源地周边环境进行调查发现，各水源地作为保护区，污染控制措施较为严格，并无工业生产及排污情况，但存在一定规模的农业区和人类活动，因此可以推测，各饮用水源地污染无主要由农业活动、生活污水排放、支流带入、大气沉降及成土母质等造成的。结合相关性分析、主成分分析和聚类分析结果可知，各水源地周边土壤中苯并[a]芘、六氯环己烷，滴滴涕，Hg和As等主要来自于农田的化肥、农药的使用、生活污水排放、支流带入以及大气沉降，而Pb，Zn，Cd，Cr，Ni，Cu等主要来自于生活污水排放、支流带入、大气沉降及成土母质。

水源地周边土壤中所含的污染物可以通过不同途径进入水体，从而对人体健康产生严重危害，因此，人们应该采取多种措施综合防止和治理饮用水源地周边土壤的污染问题[20]。首先，防止饮用水水源地周边土壤中污染物的加剧，避免农药、化肥的过度使用及污水灌溉，取缔甚至关停具有严重污染能力的企业；其次，提高人们对土壤污染的认识，完善我国土壤环境质量标准体系，健全法律法规，从各个方面将土壤污染的防治工作做到位。

表10　土壤中典型污染物聚类分析

表11　土壤中典型污染物聚类情况统计

3　结 论

(1) 长株潭地区6个集中式饮用水水源地周边土壤中pH值、阳离子交换量及有机质含量存在一定差异，其中长沙市B水源地周边土壤平均pH值最高，湘潭市B水源地周边土壤平均pH值最低，湘潭市A水源地周边土壤阳离子交换量与有机质含量均最高。

(2) 水源地周边土壤30个监测点位中Cd，Pb，Zn平均含量超标率分别为63.33%，63.33%和73.33%，Hg，Cr，Cu平均含量超标率均为16.67%，As和Ni平均含量超标率分别为33.33%，13.33%，六氯环己烷、滴滴涕及苯并[a]芘含量均未超标。

(3) 水源地周边土壤主要以无机污染为主，少量点位存在有机污染；30个点位均受到无机有机复合污染，其中轻度、中度和重度污染点位所占比例分别53.33%，20.0%和26.67%。

(4) 水源地周边土壤中污染物主成分分析得出，第一主成分为Cr，Cu，Ni，其贡献率为40.144%，第二主成分为Zn、六氯环己烷、Cd，其贡献了为18.467%，第三主成分为As、苯并[a]芘、Hg，其贡献率为17.444%，三大主成分贡献率达到76.055%，是构成监测点位污染问题的主要成分。

(5) 水源地周边土壤中污染物聚类分析发现，监测点位土壤中Cd，Hg，As等11种污染物可大致为6类，苯并[a]芘、六氯环己烷及滴滴涕可归为一类，Cr，Ni，Cu可归为一类，Pb，Zn可归为一类，As，Hg，Cd各单独归为一类。

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