咸阳城区表层土壤重金属污染特征及生态健康风险评价
2020-05-12刘宇峰原志华廖世芳
刘宇峰， 原志华， 廖世芳
(1.咸阳师范学院 资源环境与历史文化学院，陕西 咸阳 712000；2.咸阳师范学院经济与管理学院，陕西 咸阳 712000)
一 研究意义
近年来，随着城市经济的发展及城市化进程的加快，许多城市出现了诸如交通拥挤、资源短缺、环境污染等严重的“城市病”问题，对城市生态系统的良性运行及居民的健康生活产生严重威胁。城市土壤污染是城市生态环境质量恶化的一个重要方面，其危害性更加直接和广泛。城市化进程中产生的大量无机和有机废弃物是造成城市土壤污染的主要原因，其中无机污染物包括各类酸性和碱性物质、盐类、重金属以及含放射性元素的各种化合物，而有机农药、石油、合成洗涤剂等属于有机污染物。由于土壤中的重金属元素一般只能发生形态上的转变和迁移，而不能被其他微生物降解，是土壤环境中长期存在的潜在污染物，加之重金属可通过生物链、扬尘、渗漏和地表径流等途径污染生物、大气和水体，对城市生态环境质量和人体健康产生严重危害[1-2]。由于城市表层土壤接纳了众多污染源中的绝大部分污染物，毫无疑问成为土壤重金属污染的“重灾区”[3]，因此，城市土壤污染尤其是表层土壤重金属污染是城市环境污染研究的核心问题之一，这对于城市人地关系和谐发展以及人类社会的可持续发展具有重要意义。
二 研究进展
目前，许多学者利用多种研究方法针对不同城市的土壤重金属污染开展了相关研究，在研究内容上，主要集中在城市土壤重金属含量特征、污染程度评价、污染来源解析、潜在生态风险评价等方面。如杨少斌[4]等对北京城市公园绿地、道旁绿地、附属绿地等多种类型绿地土壤中Pb、Cd、Ni、Hg、As 5种重金属的污染状况和空间特征进行了分析，结果显示5种重金属的污染程度均为轻度污染；Syed[5]等对上海市工业区、农业区、住宅区等不同区域土壤中Zn、Cr、Ni、Mn、Cu、Pb、Cd的含量进行了测定，其平均含量分别为229、128、56、719、55、119、0.3 mg/kg，均高于当地土壤元素背景值；段雪梅[6]等研究了南京市不同功能区土壤重金属(Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、)的污染特征，同时对重金属的可能来源进行了解析，研究发现，南京市工业区和交通繁忙区土壤重金属污染相对较重，而居民区和公园区则相对较轻，引起土壤重金属污染的主要原因是交通排放和工业释放，而城市垃圾、市政工程等也是不可忽视的重要因素；CAI[7]等对广州道路两侧、住宅区、公园等区域的土壤重金属污染研究得出，61%的土壤样本存在中度甚至重度重金属(Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn)污染，且人类活动是导致Cd、Cu、Pb、Zn污染的主要原因；刘梦梅[8]等研究指出，西安市工业区、交通区、商业交通混合区、住宅区、文教区和公园土壤中As、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb 和Zn的平均含量均高于陕西省土壤元素背景值，所有重金属总的生态风险属于中等水平，人群暴露土壤中As、Cr 和Ni 的致癌风险在可接受范围之内，但高于下限值。在研究方法上，国内外相关研究主要采用地累积指数法(Index of Geoaccumulation)、单项污染指数法(Single-item Pollution Index)、潜在生态危害指数法(Potential Ecological Risk Index)、内梅罗综合污染指数法(Nemerow Index)和富集因子法(Enrichment Factor Method)对土壤重金属的污染状况进行评价，这些方法在使用过程中各有优缺点，因此应采用两种以上方法进行污染评价，使研究结果更加可靠；此外，部分研究成果采用相关分析、主成分分析等数理统计方法对重金属来源进行分析。
综上所述，许多学者对城市土壤的重金属污染进行了大量研究，取得了较为丰硕的研究成果，然而目前的研究成果在研究区域的选择上主要以大城市以及工业型城市为主，对中小型城市的研究相对较少，且研究内容多以土壤重金属污染含量特征、空间分异、污染程度评价以及污染来源溯踪为主，而对城市土壤重金属污染的生态健康风险评价研究较为少见。
咸阳市地处陕西关中平原腹地，是关中城市群建设规划的核心城市，近年来随着大西安都市圈及西咸新区建设步伐的加快，咸阳城市化进程不断推进，城市化水平逐渐提高，“城市病”问题凸显，城市重金属污染越来越受到相关研究者的关注。目前，对于咸阳重金属的污染研究主要集中在街道灰尘、渭河河床、林地土壤以及高速公路两侧农田土壤的污染评价上[9-13]，缺乏对城市绿地表层土壤重金属污染特征及评价研究，亦没有人体暴露于土壤重金属的生态健康风险方面的研究。因此，本文以咸阳城区为例，研究城市表层土壤重金属污染特征，并进行生态健康风险评价，以期为城市土壤污染的修复治理、生态环境质量的改善及居民的健康防护提供理论依据。
三 实验样品采集与研究方法
(一)样品采集与实验
选择咸阳城区代表性区域进行土壤样品的采集，具体包括市区交通主干道路两侧、城市公园、成熟的大型住宅小区、典型工矿企业周边区域4类城市功能区60个采样点(包括交通主干道区10个、城市公园8个、大型住宅小区26个、工矿企业区16个)，每个采样点采集土壤样品3个，共计180个样品。土壤样品的采集在天气晴好的状况下进行，在每个功能区选择合适的采样地点，布置2m×2m样方，采用五点混合采样法进行采集，即分别在样方的四周及中心区域采集表层0～20cm(采集时将地表枯枝落叶等杂物去除)土样5份，然后将土样均匀混合，装入聚乙烯封口塑料袋，每袋土样重约1.5kg，同时用GPS记录好采样点信息。
由于不同的重金属，其来源、化学性质、毒理性质、生态风险等都有一定差异，而有关研究显示，As(砷)、Cd(镉)、Cr(铬)、Cu(铜)、Hg(汞)、Ni(镍)、Pb(铅)、Zn(锌)等重金属的生物毒性和生态风险较大[14-15]。因此，在实验室条件许可的情况下，同时考虑重金属的毒性和生态风险，本文拟测定咸阳城市表层土壤中Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 5种重金属含量，实验测定在咸阳师范学院环境演变与分析实验室进行。
首先应在室温条件下进行自然风干，将风干土壤中的植物根茎、砂砾等异物去除，用木棒研压，通过2mm尼龙筛，然后用玛瑙研钵研磨并过100目尼龙筛，备用待测。其次，利用原子吸收分光光度计测定土壤中5种重金属含量，其中Cr、Cu、Ni、Zn用火焰原子吸收分光光度法测定，Pb用石墨炉原子吸收分光光度法测定。土壤样品中重金属的含量利用以下公式进行计算[16]：
(1)
(2)
式中：f为土壤水分含量，%；W1为土壤烘干前的重量，g；W2为105℃烘箱中烘干后的土壤重量，g。
(二)土壤重金属污染评价方法
1.污染指数评价法
(1)用土壤重金属污染实测值与评价标准比较，计算土壤重金属单因子污染指数，公式如下[17-18]：
(3)
式中：CFi为第i种重金属的污染指数；Ci为土壤中第i种重金属的实测值，mg/kg；Si为第i种重金属的评价标准，mg/kg。根据CFi值的大小进行土壤质量分级，即CFi≤1，非污染；1
(2)利用内梅罗(N.L.Nemerow)公式计算土壤重金属综合污染指数P，公式如下[18]：
(4)
式中：P表示综合污染指数；平均Ci/Si表示土壤中各种重金属单种污染指数的平均值；最大Ci/Si表示土壤中各种重金属单种污染指数的最大值。土壤污染评价以陕西省土壤环境背景值为评价标准[13]。土壤重金属污染综合指数P的土壤质量分级见表1。
肾损伤发生时间及表现 肾损伤发生在服用替诺福韦后 （39.8±2.6）个月，1～96个月，大部分在2～5年之间；距离HIV确认的时间为 （8.6±0.4）年，1～16年。FS发生在服用替诺福韦后（40.2±2.8）个月，1～82月，距离HIV确认的时间为3～15年。
表1 内梅罗综合污染指数法评价环境质量分级
2.潜在生态风险指数法
本文采用瑞典地球化学家Lars Hakanson提出的Hakanson 指数法进行土壤重金属污染的潜在生态风险评价，该方法主要采用潜在生态风险指数(RI)评价土壤中多种重金属污染的潜在生态风险，具体计算公式如下[19-20]：
(5)
表2 生态风险评价指标与分级标准
3.健康风险评价模型
本文对于人体暴露于土壤重金属的生态健康风险评价采用美国环保署的评价模型，同时参考国际癌症研究署(IARC)的相关研究报告，对Cr、Cu、Ni、Pb、Zn进行非致癌风险评价，对Cr和Ni进行致癌风险评价[22-25]。人体暴露于受重金属污染的土壤环境中，主要通过皮肤接触、呼吸摄入和直接摄食3种方式危害健康。不同暴露方式下摄入的非致癌和致癌重金属剂量水平用人体日均重金属摄入量(ADD)表示，具体计算公式如下[25-26]：
(6)
(7)
(8)
式中：CS为某种重金属的含量(mg/kg)；CF为转换系数；SA为暴露皮肤面积(cm2/d)；AF为皮肤黏着度(mg·cm2/d)；ABS为皮肤吸附系数；EF为暴露频率(d/a)；ED为暴露年限(a)；BW为受体体重(kg)；AT为平均暴露时间(d)；InhR为呼吸吸入量(m3/d)；PEF为颗粒物排放因子(mg3/kg)；IngR为土壤灰尘摄入速率(mg/d)。参考各参数的具体取值见表3。
本文单种重金属i的致癌风险指数Riski=ADD致癌i×SFi，所有重金属的综合致癌风险指数RiskT=Risk1+Risk2+…+Riskn(i=1,2,3,…,n)，期中SFi是斜率系数，表示人体暴露于第i种重金属污染下产生致癌效应的最大概率(mg/kg/d)；Riski与RiskT的可接受水平在10-6～10-4之间，表明有一定致癌风险，如果小于10-6，则说明致癌风险不明显，大于10-4说明致癌风险显著。对于重金属的非致癌风险，采用某种暴露途径下单种重金属i的危害指数，即HQi=ADD非致癌/RfDi，那么多种暴露途径下总的非致癌风险HI=HQ1+HQ2+…+HQn(i=1,2,3…，n)，其中RfDi表示不同暴露途径下，在单位时间、单位体重摄取的不会引起人体不良反应的第i种重金属的最大量(mg/kg/d)；当HQ或HI小于1时，表示非致癌风险较小甚至可以忽略不计，当HQ或HI大于1时，说明存在一定的非致癌风险，不同暴露途径下重金属元素非致癌风险参考剂量取值见表4[8,13]。
表3 重金属暴露评价模型参数取值
注：本文AT(致癌)取人体生命期72a。
表4 不同暴露途径下重金属元素非致癌风险参考剂量及斜率系数
四 结果与分析
(一)咸阳城区表层土壤重金属含量水平
咸阳市城区土壤中重金属含量水平见表5。由表5可知，咸阳城市土壤中Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 5种重金属的平均含量分别为65.11、26.91、29.81、38.26、90.94mg/kg，均超过陕西省土壤重金属元素背景值，且Cu、Pb、Zn的含量水平较高，分别是陕西省土壤重金属元素背景值的1.26倍、1.79倍、1.31倍；5种重金属元素平均含量均低于土壤环境质量二级标准限定值，其中Cr、Cu、Ni、Zn 4种元素的平均含量低于土壤环境质量一级标准限定值，而Pb的平均含量(38.26 mg/kg)略高于土壤环境质量一级标准限定值(35 mg/kg)。
不同城市功能区土壤重金属含量水平具有明显的差异，其中住宅小区土壤中Cr的含量(79.62 mg/kg)高于咸阳市平均值，是陕西省土壤元素背景值的1.27倍；交通主干道路两侧和城市公园土壤中Cu的含量分别是30.09、28.62 mg/kg，是咸阳市城区土壤中Cu含量最高的两个区域；Ni的含量同样在交通主干道路两侧和城市公园两个区域高于市区平均值；城市公园土壤中的Pb含量(45.75 mg/kg)明显高于其他城市功能区，亦远超过陕西省土壤中Pb元素的背景值(最大值为34.50 mg/kg、平均值为21.40 mg/kg)；Zn的含量水平在工矿企业周边区域表现的最为突出，平均含量达到112.32 mg/kg，是陕西省土壤元素背景值(69.40 mg/kg)的1.62倍，此外，交通主干道路两侧和城市公园土壤中的Zn含量也达到较高水平。
表5 咸阳城区土壤重金属含量特征
城市土壤中重金属含量水平较高，在很大程度上与人类活动有关，工业三废、汽车尾气等的排放是造成土壤重金属含量超标的主要原因。相关研究表明[27-28]，汽车在使用过程中，包括刹车制动、轮胎橡胶磨损、润滑油使用、尾气排放等过程中会释放重金属元素，其中在刹车制动、轮胎橡胶磨损、润滑油使用过程中会释放一定数量的Zn、Cu、Cr，而尾气排放过程中会排出一定数量的Ni和Pb。此外，城市交通主干道路网络密度、车流量大小以及不同功能区距离主干道的远近等都会对土壤中重金属的含量产生不同程度的影响[29-30]。咸阳市住宅小区、交通主干道路两侧、城市公园等区域含有较高含量的Cr、Cu、Ni和Pb，这与住宅小区在地面停放过多的私家车、主干道较大的车流量等密切相关。
(二)土壤重金属污染指数评价
咸阳城区表层土壤重金属污染指数评价结果如表6所示。由表6可知，咸阳市表层土壤5种重金属污染指数CFi的平均值由大到小依次是：Pb(1.79)>Cu(1.31)>Zn(1.26)>Cr(1.05)>Ni(1.04)，然而所有元素的CFi值都在1和2之间，因此，咸阳城区表层土壤中5种重金属的污染程度均为轻度污染。从不同功能区采样点的污染状况来看，重金属元素Cr在交通主干道路两侧、城市公园以及工矿企业周边区域都不存在污染情况，但在住宅小区则为轻度污染；Cu、Ni、Zn 3种重金属元素在所有采样点区域均为轻度污染；重金属元素Pb除在城市公园为中度污染外，在其他区域亦都为轻度污染。
从土壤重金属综合污染指数P值来看，咸阳市城区土壤重金属总的综合污染指数为1.29，在土壤环境质量等级上属于轻污染。不同功能区土壤重金属综合污染指数均在区间1到2之间，即属于轻污染等级，但不同区域的污染程度还是存在一定差异，其中交通主干道路两侧土壤重金属综合污染最严重(P=1.51)，城市公园和工矿企业周边区域土壤重金属污染程度相当，P值分别为1.35和1.31，住宅小区的污染程度最轻(P=1.22)。
表6 咸阳城区土壤重金属污染评价结果
(三)土壤重金属污染潜在生态风险评价
从5种重金属在咸阳不同功能区土壤中的综合潜在生态风险系数来看，RI均值的大小顺序是城市公园(25.74)>交通主干道路两侧(24.09)>工矿企业周边区域(23.27)>住宅小区(22.07)，均属于低生态风险水平(I)。城市公园和交通主干道路两侧土壤重金属污染综合潜在生态风险系数RI的均值略高，可能原因是，这两个区域土壤中重金属Pb的平均含量是最大的，且Cu、Ni两种元素的平均含量也都处于高值区，加之Pb、Cu、Ni 3种元素的毒性系数都较高，因此使得城市公园和交通主干道路两侧的生态危害水平稍高于其他区域。实际上，本研究中城市公园样点基本都处在咸阳市的交通主干道附近，车流和人流密度都较大，这是导致城市公园土壤重金属污染综合潜在生态风险水平较高的重要原因。
表7 咸阳城区土壤重金属污染潜在生态风险评价结果
(四)土壤重金属污染健康风险评价
不同暴露方式下，咸阳城区土壤重金属污染对人体(儿童和成人)的非致癌风险指数值见表8。由表8可以看出，不管是儿童还是成人，Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 5种重金属的非致癌风险均表现出直接摄食>皮肤接触>呼吸摄入的特征，反映直接摄食和皮肤接触是人体暴露于土壤重金属的主要途径。此外，从非致癌风险指数的大小来看，5种重金属对人体(儿童和成人)产生的HQ和HI都小于1，说明非致癌风险较小，可以忽略；然而需要注意的是，儿童与成人相比，其HQ和HI均高于成人，原因是儿童的体重较轻，且通过手、口直接摄食重金属的频率高于成人[31]。从5种重金属非致癌风险的贡献率来看，Cr和Pb是人体(儿童和成人)非致癌风险的主要风险源。
表8 不同暴露方式下土壤重金属污染的非致癌风险指数
根据咸阳城区表层土壤中Cr和Ni的平均含量，按照前文公式计算得到二者的单项致癌风险指数和综合致癌风险指数，结果见表9。从单项致癌风险来看，在皮肤接触暴露途径下，重金属Cr和Ni产生的致癌风险在人体(儿童和成人)可接受范围之内，但高于下限值；呼吸暴露途径下两种重金属对儿童和成人产生的致癌风险指数远小于10-6，说明致癌风险不明显；在直接摄食暴露途径下，Cr的致癌风险指数(儿童为2.76×10-3，成人为1.54×10-3)都大于10-4，表明致癌风险显著，而Ni对人体(儿童和成人)产生的致癌风险则在可接受范围之内。从综合致癌风险来看，重金属Cr对人体(儿童和成人)产生的致癌风险是显著的，而重金属Ni的致癌风险则是在可接受范围，即存在一定的致癌风险。
表9 不同暴露方式下土壤重金属污染的致癌风险指数
(五)结论与讨论
采用原子吸收分光光度法测定了咸阳市不同功能区土壤重金属的含量，系统分析了土壤重金属含量特征，并进行了污染指数评价和生态风险评价，得出以下主要结论：
(1)咸阳城市土壤中Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 5种重金属的平均含量分别为65.11、26.91、29.81、38.26、90.94mg/kg，均超过陕西省土壤重金属元素背景值，且Cu、Pb、Zn的含量水平较高；不同城市功能区土壤重金属含量水平具有明显的差异，其中住宅小区土壤中Cr的含量、交通主干道路两侧和城市公园土壤中Cu和Ni的含量、城市公园土壤中Pb的含量以及工矿企业周边区域Zn的含量均超过咸阳市区平均水平。
(2)咸阳市表层土壤 5种重金属污染指数CFi的平均值由大到小依次是：Pb(1.79)>Cu(1.31)>Zn(1.26)>Cr(1.05)>Ni(1.04)，污染程度均为轻度污染，除了重金属元素Pb在城市公园为中度污染外，其余元素几乎在所有的功能区都为轻度污染。此外，从土壤重金属综合污染指数P值来看，不论是咸阳市城区总体还是不同功能区，其土壤环境质量等级均属于轻污染。
(4)咸阳市表层土壤重金属(Cr、Cu、Ni、Pb、Zn)对儿童和成人的非致癌健康风险均很小，可以忽略；人体(儿童和成人)暴露土壤中Ni 的综合致癌风险在可接受的范围内，但明显高于下限值，而Cr的综合致癌风险则是显著的。人体(儿童和成人)暴露于土壤重金属而产生的非致癌风险和致癌风险的主要途径是直接摄入和皮肤接触。
土壤的形成和发展受区域气候、生物、地形、母质等多种成土因素的影响和制约[32]，城市土壤中重金属元素的含量除与母质成分有关外，在很大程度上与强烈的人类活动密切相关。随着城市经济的迅速发展，城市化进程加快，人口集中、交通流量大、工业经济发展加快等是城市化水平逐步提高的重要体现，那么，人口膨胀、交通拥堵、环境污染、资源短缺等“城市病”问题也逐渐凸显出来，城市土壤不可避免地会遭受到不同程度的重金属污染。从咸阳城区整体研究结果来看，虽然绝大部分区域土壤重金属污染处于轻度污染水平，潜在生态风险较小，然而，咸阳市作为关中城市群的核心城市，在大西安都市圈和西咸新区发展规划建设背景下，咸阳的城市化进程必将加快，城市土壤重金属污染必将对土壤生态环境带来更为严重的负面影响，因此，继续开展土壤重金属污染评价和生态风险跟踪研究及来源解析、采取有效措施遏制风险源应引起相关研究者和地方政府部门的持续高等重视。
