西安副中心区土壤重金属污染特征与健康风险研究

陈秀端， 白旭晨

(陕西学前师范学院 经济与管理学院， 西安 710100)

城市表层土壤是影响城市生态环境结构、功能和可持续发展的重要因子，城市化背景下表层土壤理化性质和组成结构的变化不仅对土壤健康造成威胁，同时也增加了人居健康风险[1]。城市发展过程中工业活动、交通活动、居民生活活动等人类活动的释放物会通过不同途径汇聚在城市土壤之中，带来城市生态风险，经由手口摄入、呼吸摄入、皮肤接触等途径对人类健康产生危害[2-3]。因此，快速城市化和工业化地区的城市土壤污染水平和风险分析研究对于城市生态环境管理和产业布局等都具有重要意义。

目前，关于我国城市土壤重金属污染的研究成果较为丰硕，研究内容包括城市土壤重金属的污染评价、风险分析、来源解析、空间分布等[4-11]，城市类型包括中心城市、工业城市等[12-14]，对于大城市的副中心地区或拓展区域的土壤重金属污染的关注还不多，也有学者以城市规划新区为对象研究了土壤重金属污染[15]，而大都市副中心城市化速度快，受到大都市工业外移、人口疏散等影响，人类活动聚集快，因此有必要研究这些地区的土壤重金属污染及风险状况，以为这些地区的可持续发展提供参照。

鄠邑区2010年起开始作为西安市副中心城市进行建设，社会经济发展速度加快，近10年中完成由农业主导向三产融合，沣京工业园、汽配产业园、西户高新产业园、余下老工业基地等聚集效应凸显，伴随着城市化和工业化进程的快速推进，人类活动对本区土壤生态环境的影响也日益显著，因此有必要关注和搞清鄠邑区土壤环境的污染水平。目前鄠邑区表层土壤重金属研究的相关报道还很少。本研究通过多种污染指数评价鄠邑区土壤重金属的污染水平，采用风险评价模型分析该区土壤重金属产生的生态风险和人群健康风险，以期为区域可持续发展和生态环境管理提供参考支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

西安市鄠邑区原称户县，位于108°22′～108°46′E、33°46′～34°16′N之间，地处关中平原中部，南依秦岭，北临渭水，是西安国家级中心城市和国际化大都市的副中心城市之一，鄠邑区总面积1 282 km2，总人口60万人。上世纪90年代就成为全国有名的机械加工、压力容器铸造等产业聚集区，传统机械加工业数量多；根据鄠邑区国民经济和社会发展统计公报，目前全区以装备制造、电子信息、医药制药、新材料新能源、印刷包装等五大特色产业为主导；2000年三大产业的比重依次为17.7%、65.2%、17.1%，2018年三大产业的比重为11.8%、43.3%、44.9%。全区道路货运量405.6万吨，货运周转量12 195万吨公里；客运量1 533.1万人，客运周转量45 712.4万人公里。

1.2 样品采集与测试

在室外考察的基础上，分别在鄠邑区政府所在地、草堂镇(汽车制造、生物化工、装备制造、制药等产业集中)和大王镇(交通枢纽)布设采样点，然后2019年12月到室外开展实地采样，用GPS记录采样点的经纬度位置，每个采样点采集表层(0～20 cm)土壤，每个采样点均为周围3-5个点的混合样，每个土样约为1.5 kg，共采集55个土样，如图1。采集完成后将土样封存在聚乙烯土样袋中带回实验室。土样在实验室自然风干后，先磨碎过20目筛，过筛后的样品采用缩分法取20g后利用电动振动磨研磨，再压片，利用X-荧光光谱仪测定土样中V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Pb、Ba的含量[16]，测定过程采用标样(GSD-12，GSS1)和重复样进行质量控制，标准样和重复样的测定结果的标准差均小于5%，结果可信。

图1 采样点示意图

1.3 数据分析模型

研究中采用地累积指数和富集因子评价各元素的污染水平；采用污染负荷指数评价所有元素的综合污染水平。采用美国环保署推荐的健康风险评价模型分析土壤重金属的人群健康风险水平。研究中涉及的土壤背景值采用西安市褐土背景值。

地累积指数(Igeo)[17]的计算方法为：

Igeo=log2(Ci/1.5Cn)

(1)

地累积指数的分级标准是0级(Igeo≤0为无污染)，Ⅰ级(0

富集因子(EF)[18]的计算方法为：

(2)

其分级标准是0级(EF≤ 1为无污染)，Ⅰ级(140为极强污染)。

污染负荷指数(PLI)[15]的计算方法为：

CFi=Ci/Cn

(3)

(4)

其分级标准是PLI≤1为无污染，1

城市土壤中的重金属可能通过三种途径影响人类健康：①不慎经手口直接摄入，②经口鼻呼吸吸入土壤颗粒物，③通过暴露的皮肤接触。健康风险评价模型[2，19-20]的计算公式如下。

(5)

(6)

(7)

(8)

HQij=ADD/RfD

(9)

(10)

Risk=LADD×SF

(11)

其中，IngR表示摄食率(mg·d-1)，InhR表示吸入率(m3·d-1)，EF为暴露频率(d·a-1)，ED为暴露周期(a)，SA为皮肤暴露面积(cm·d-1)，AF为皮肤黏着度(mg·cm-2)，ABS为皮肤吸收因子(无量纲)，BW为平均体重(kg)，AT为致癌效应与非致癌效应的平均暴露时间(d)，ADD代表三种途径各自的日均暴露量(mg·kg-1·d-1)，LADD为致癌重金属的终生日暴露量(mg·kg-1·d-1)，HQij为非致癌风险商，RfD为参考剂量(mg·kg-1·d-1)，HI为所有污染物所有途径的总非致癌风险的和，Risk为致癌风险，SF为致癌斜率系数(mg·kg-1·d-1)。对于非致癌性风险，HI小于1时表示重金属元素的累积对人体健康没有威胁，HI大于1时则认为会对人体健康产生危害；对于致癌性风险，Risk小于10-6不具有致癌风险，处于10-4～10-6之间时风险是可以接受的，大于10-4对人体具有高致癌风险[19-20]。

2 结果与分析

2.1 表层土壤重金属的污染评价

2.1.1 表层土壤重金属污染与中心城区的比较

将研究区土壤中V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Pb、Ba的含量与相应的背景值相比得到鄠邑区表层土壤重金属的单项污染系数，结果如表1。

鄠邑区土壤中V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Pb、Ba的单项污染系数的范围分别是0.56～2.36、0.90～5.54、0.44～1.60、0.29～2.42、0.39～2.11、0.60～4.89、0.72～23.51、0.28～3.31、1.02～15.30、0.93～2.71。各元素的单项污染系数的平均值中Pb的平均值最高，为2.06，其次为Zn(1.98)、Cr(1.78)、Cu(1.45)、Ba(1.34)；V(1.00)、Mn(0.99)、Co(0.93)、Ni(0.99)相应值接近1；As的平均单项污染系数最低，为0.72。利用SPSS软件计算得到各元素单项污染系数的标准差，结果表明Zn和Pb的单项污染系数的标准差分别为2.91和1.85，其余元素的单项污染系数的标准差均小于1，可见鄠邑区表层土壤中Pb和Zn的单项污染系数的离散程度较大，各采样点重金属累积的差异较大。

表1 土壤重金属单项污染系数及与中心区的比较

将鄠邑区表层土壤重金属的单项污染系数与西安市中心城区的两个区域的相应元素的单污染系数相比较，这两个区域的土壤重金属数据来自于研究组前期研究结果[22]。为便于阐述，西安市二环内设为I区，二环至三环之间设为Ⅱ区。分析可知鄠邑区土壤中Cr、Ba的单项污染系数略高于I区(1.3、1.22)和Ⅱ区(1.35、1.20)的相应值；Pb、Cu、V、Mn、Ni、Co、As的单项污染系数均略低于或等于Ⅱ区相应值，Ⅱ区土壤中Pb、Cu、V、Mn、Ni、Co、As的单项污染系数分别为2.12、1.67、1.00、1.05、1.10、1.46、0.99，七种元素的单项污染系数均低于I区相应数值(分别为2.79、2.54、1.27、1.21、1.20、1.82、1.00)。鄠邑区土壤中Zn的单项污染系数大于Ⅱ区的相应值(1.71)但低于I区相应值(2.68)。可见，鄠邑区表层土壤中部分重金属的累积程度还低于西安市中心城区，但由于快速的城市化或者农业生产累积等原因个别元素的累积高于西安市中心城区。鄠邑区是西安市的副中心区，其中心到西安市中心的直线距离约35 km；西安市二环内区域的城市化水平高，人口密集、交通量大；西安市二环至三环之间的区域是西安市自中心向外扩展的第二个环带，这个环带的城市化速度存在差异，鄠邑区中心到三环的最近直线距离约为22 km，不同的城市发展程度可能会是导致城市表层土壤重金属累积程度存在差异的原因之一。

2.1.2 鄠邑区表层土壤重金属的污染研究

1)基于两种评价方法比较的表层土壤各重金属的污染水平。研究中采用地累积指数和富集因子评价表层土壤中重金属的污染程度，污染评价结果如图3。

图2 基于富集因子和地累积指数的土壤重金属的平均污染水平

基于地累积指数的污染评价的平均值表明，鄠邑区表层土壤中Cr、Pb、Zn的地累积指数平均值大于0，分别为0.16、0.26、0.04，其他元素的地累积指数平均值均小于0，说明从各采样点的平均水平看，鄠邑区表层土壤不存在V、Mn、Co、Ni、As、Ba、Cu的污染，Cr、Pb、Zn的污染水平为无污染至中度污染。

鄠邑区表层土壤重金属的地累积指数(Igeo)在各采样点的污染情况如图4。

图3 基于地累积指数的土壤重金属污染的分级

分别有98.36%、96.72%、95.08%、98.36%的采样点土壤中V、Mn、Ni、As的Igeo值低于0，仅个别采样点土壤中V、Mn、Ni、As的Igeo值在0至1之间，几乎所有采样点都不存在V、Mn、Ni、As的污染。分别有91.80%、88.52%的采样点土壤中Co、Ba的Igeo值小于0，分别有8.2%、11.48%的采样点土壤中Co、Ba的Igeo值处于0～1之间，可见鄠邑区局部存在无污染至中度污染的土壤Co、Ba累积。分别有32.79%、68.85%、57.38%、29.51%的采样点土壤中Cr、Cu、Zn、Pb的Igeo值低于1，表明这些采样点所代表的区域不存在这四种元素的污染；分别有63.30%、27.87%、34.43%、63.93%的采样点土壤中Cr、Cu、Zn、Pb的Igeo值处于0-1之间，表明这些采样点所代表的区域这四种元素的污染水平为无污染至中度污染；分别有4.92%、3.28%、8.20%、6.56%的采样点土壤中Cr、Cu、Zn、Pb的Igeo值处于1～2之间，表明这些采样点所代表的区域存在这四种元素的中度污染。

根据Wilding对变异程度的分类，变异系数在15%～36%之间属于中等变异，低于15%属于弱变异[23]，通过SPSS软件计算得到鄠邑区表层土壤中Sc含量的标准差和平均值，二者相比得到其变异系数为17.52%，略高于弱变异上限，属于中等变异，其变异系数低于其余元素的变异系数；同时相较于土壤背景值，鄠邑区表层土壤中Sc的含量仅为背景值的1.10倍，因此鄠邑区表层土壤中Sc相对稳定，可以作为富集因子计算的参比元素。依据上述公式(2)计算得到鄠邑区表层土壤V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Pb、Ba的富集因子，如图3。

基于富集因子的污染评价表明，鄠邑区土壤重金属Pb的富集因子为2.04，略高于2，说明鄠邑区土壤存在中度Pb污染；Zn、Cr、Cu、Ba的富集因子系数分别为1.81、1.68、1.35、1.28，处于1和2之间，说明鄠邑区土壤存在轻微的Zn、Cr、Cu、Ba污染，V、Mn、Ni、Co、As的富集因子系数均低于1，说明鄠邑区土壤不存在这些元素的污染，但是V、Mn、Ni的富集因子系数接近1，它们在土壤中的累积也不容忽视。

鄠邑区表层土壤重金属的富集因子(EF)在各采样点的污染情况如图5。分别有85.25%、75.41%、77.05%、95.08%的采样点土壤中V、Mn、Ni、As的EF值小于1，有少量采样点土壤中V、Mn、Ni、As的EF值在1至2之间，因此大部分采样点都不存在V、Mn、Ni、As污染，少量采样点存在轻微V、Mn、Ni、As污染。分别有24.59%、21.31%、6.56%、19.67%的采样点土壤中Cu、Zn、Pb、Ba的EF值小于1，表明这些采样点所处区域不存在这四种重金属污染；分别有67.21%、59.02%、70.49%、75.41%的采样点土壤中Cu、Zn、Pb、Ba的EF值大于1且小于2，表明这些采样点所处区域存在这四种重金属的轻微污染；分别有8.20%、21.31%、22.95%、4.92%的采样点土壤中Cu、Zn、Pb、Ba的EF值处于2～5之间表明这些采样点所处区域存在这四种重金属的中度污染。分别有67.21%和32.79%的采样点土壤中Co的EF值小于1和处于1～2之间，鄠邑区约三分之一的采样区存在轻微Co污染。分别有81.97%和18.03%的采样点土壤中Cr的EF值处于1～2之间和2～5之间，鄠邑区表层土壤存在轻微或中度的Co污染。

图4 基于EF评价的土壤重金属污染的分级

地累积指数污染评价和富集因子评价的结果基本趋向一致，均表明鄠邑区表层土壤中V、Mn、Ni、As的累积程度较轻，存在不同程度的Pb、Zn、Cr、Co、Cu、Ba污染。从平均污染水平和分级结果对比两种研究方法，结果可知Zn的污染评价结果相似，平均污染水平均为Ⅰ级污染，富集因子和地累积指数对Pb的平均污染水平的评价结果分别为Ⅱ级污染和Ⅰ级污染，富集因子和地累积指数对Cu的平均污染水平的评价结果分别为Ⅰ级污染和0级污染；从各污染程度上的样品数所占比例上看，Cu、Zn、Pb这三种元素的评价结果一致，富集因子的结果中0级无污染样品数所占比例低于地累积指数，但是Ⅰ级污染、Ⅱ级污染的样品数所占比例明显高于地累积指数的分级结果。元素V、Mn、Co的污染在两种评价方法的评价结果中均为0级污染，富集因子评价结果中0级无污染样品数所占比例低于地累积指数评价结果，Ⅰ级污染样品数的比例则高于地累积指数评价结果，均为两级污染分类。元素Ni、As、Ba在富集因子评价中分为三级，地累积指数评价中分为两级，As在各污染程度上样品数所占比例的变化不大，Ni、Ba表现出富集因子评价结果Ⅰ级污染样品数比例明显升高的特征。两种评价方法对元素Cr的污染评价结果表现出平均污染水平均为Ⅰ级污染但是分级结果不太一致的特点，富集因子评价结果中只有Ⅰ级污染和Ⅱ级污染，地累积指数评价结果中0级无污染样品所占比例为32.79%。总体上看，地累积指数评价得到的研究区土壤重金属各元素污染水平低于富集因子的评价结果。

2)表层土壤重金属的综合污染水平。研究中前述公式(3)和(4)计算得到鄠邑区表层土壤中多种元素的综合污染程度，发现其平均值1.18，最高值2.01，最低值0.72，其中有81.97%的采样点的污染负荷指数大于1。根据污染负荷指数的分级，鄠邑区表层土中V、Mn、Co、Ni、Cu、Pb、Zn、Cr、Ba、As这10种元素的综合污染程度为轻度污染；个别点达到中度污染，有80%的采样点存在轻度重金属综合污染。

2.2 表层土壤重金属的健康风险分析

采用前述人群健康风险评价模型分析鄠邑区土壤重金属产生的人群健康风险，暴露量计算公式(5)-(8)中各参数的取值为IngR成人取值100、儿童取值300，InhR成人取值20、儿童取值7.6，EF取值180，ED成人取值24、儿童取值6，SA成人取值5 700、儿童取值2 800，ABS取值0.001，BW成人取值61.8、儿童取值16.2，PEF取值1.36×109，AF成人取值0.07、儿童取值0.2，AT的致癌效应、非致癌效应的平均暴露时间分别为72×365、ED×365[24-26]，表1为各重金属的非致癌风险参考剂量和致癌斜率系数[20,27]。依据前述模型计算得到的各元素的非致癌风险指数和致癌风险指数如表2。

表2 各重金属的非致癌风险参考剂量和致癌斜率系数

从各元素的非致癌暴露量来看，Ba>Mn >Zn>Cr>V>Pb>Cu >Ni>Co >As,且儿童暴露量高于成人，暴露途径方面则手口摄入>皮肤接触>呼吸摄入。从各元素的致癌暴露量来看，暴露量的由大到小依次为Cr、Ni、Co、As。同一元素的非致癌暴露量高于致癌暴露量。

表3 土壤重金属的非致癌风险指数和致癌风险指数

非致癌风险分析结果可知，鄠邑区表层土壤中V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Pb、Ba这10种元素的HQ和HI均小于1，都不会产生对成人和儿童的非致癌风险，但是各种元素的可能非致癌风险大小存在差异，其中Cr、As、Mn、V、Pb、Ba产生非致癌风险的可能性较大。从产生非致癌健康风险的途径上看，手口摄入的健康风险最大，其次是皮肤接触的健康风险，呼吸摄入的健康风险最小，且不同元素的非致癌风险指数中三种途径的百分比不同，成人的非致癌风险指数中，元素As、Cu、Zn、Pb的手口摄入所占百分比达到90%以上，Ba、Ni、Cr的手口摄入百分比均在80%以上，Co的手口摄入百分比为60.72%，是最低值，皮肤接触所占百分比中Co、V、Cr、Ni的百分比值在10%以上，Mn的呼吸摄入的百分比最高，为30.08%；儿童的非致癌风险指数中，Ni、Cu、Zn、As、Pb、Ba的手口摄入所占百分比均高于90%，所有元素中Co的皮肤接触的百分比最高，为30.15%，Mn的呼吸摄入的百分比最高，为7.75%。致癌分析结果表明四种致癌元素的风险指数均小于10-6，还不存在土壤重金属产生的致癌风险，其中Cr的致癌风险可能最高，所有采样点中Cr的最高风险指数接近10-6，Co、Ni、As的致癌风险可能较低。

3 结论

作为西安市的副中心区，鄠邑区表层土壤已经受到本区域城市化和工业化活动的影响，出现轻度重金属污染，各种元素的污染程度不一，Pb、Zn、Cr、Cu、Ba的累积较重，As、Mn、Ni、Co、V的累积较轻。与西安市中心区的两个不同发展程度区域相比，鄠邑区表层土壤中Cr、Ba的单项污染系数平均值高于中心区，Zn的比值处于中心区两个对比区域之间，其余7种元素的比值则低于中心区。

从多种元素的综合污染程度来看，污染负荷指数平均值为1.18说明鄠邑区表层土中10种元素的综合污染程度为轻度污染；但个别点达到中度污染，有80%的采样点存在轻度污染。从各元素的污染来看，鄠邑区表层土壤中Cr、Pb、Zn的地累积指数平均值分别为0.16、0.26、0.04，其他元素的地累积指数平均值均小于0，因此鄠邑区表层土壤不存在V、Mn、Co、Ni、As、Ba、Cu的污染，Cr、Pb、Zn的污染水平为无污染至中度污染。鄠邑区土壤重金属Pb、Zn、Cr、Cu、Ba的富集因子分别为2.04、1.81、1.68、1.35、1.28，可知鄠邑区土壤存在中度Pb污染和轻微的Zn、Cr、Cu、Ba污染，V、Mn、Ni、Co、As的富集因子系数均低于1，说明鄠邑区土壤不存在这些元素的污染。地累积指数和富集因子的评价结果相似，Ba、Cu、Pb在污染评价的平均污染水平分级上存在差异，其余7种元素的分级结果一致；各污染程度上的样品数所占的比例在两种评价方法中有一定不同，整体表现出富集因子评价结果中Ⅰ级污染样品数的比例高于地累积指数评价结果的特征，地累积指数评价得到的污染水平略低于富集因子评价的污染水平。

从各元素的非致癌暴露量来看，Ba>Mn >Zn>Cr>V>Pb>Cu >Ni>Co >As,且儿童暴露量高于成人，暴露途径方面则手口摄入>皮肤接触>呼吸摄入。从各元素的致癌暴露量来看，由大到小依次为Cr、Ni、Co、As。同一元素的非致癌暴露量高于致癌暴露量。鄠邑区表层土壤中V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Pb、Ba这10种元素的HQ和HI均小于1，都不会产生对成人和儿童的非致癌风险，但是各种元素的可能非致癌风险大小存在差异，其中Cr、As、Mn、V、Pb、Ba产生非致癌风险的可能性较大。Cr、Co、Ni、As的致癌风险分析表明四种致癌元素的风险指数均小于10-6，还不存在土壤重金属产生的致癌风险，其中Cr的致癌风险可能最高。