珠江三角洲某河流型饮用水源地的土壤重金属污染源解析和风险评价*

2020-12-23赵伟强俞龙生孙斌斌

环境污染与防治 2020年12期

历军赵伟强俞龙生孙斌斌

(1.广州草木蕃环境科技有限公司，广东省场地修复技术与装备工程技术中心，广东省科技特派员工作站，广东广州 510000；2.南开大学环境科学与工程学院，环境污染过程与基准教育部重点实验室，天津城市生态环境修复与污染防治重点实验室，天津 300350)

人类活动排放的重金属因其具有隐蔽性强、持续时间长、降解困难、生物毒害大等特点，已对土壤产生了不可忽视的直接或间接影响[1-4]。饮用水源地土壤亦不可避免地受到重金属影响[5-6],[7]1763。饮用水源地土壤作为密切连接水陆生态系统的特殊区域，由于水陆交互作用，重金属可从土壤迁移到水生态系统中，进而影响饮用水水质[8]141,[9]3572,[10]，因此研究其重金属污染状况尤为重要。目前，国内外对土壤重金属污染状况已有较多研究[11]387,[12-14]，但较少涉及饮用水源地土壤[7]1763。

与水库型饮用水源地相比，河流型饮用水源地在我国占据的比例更高、距居民生产生活区域更近，因此更易受到人类生产活动的影响，也更易对人类生产生活产生影响[15]。珠江三角洲是我国供水能力和规模较大的区域，河流型饮用水源地在珠江三角洲更是占据主导地位。本研究在珠江三角洲某典型河流型饮用水源地，依据《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166—2004)选取重点项目中的重金属(Cd、As、Zn、Pb、Cu、Hg、Ni、Cr)进行分析，揭示研究区域污染特征、来源和风险水平，以期为水源地土壤环境保护提供科学指导。

1 方法

1.1 样品采集

以HJ/T 166—2004为指导，根据水源地地形地貌、土壤类型和土地利用情况，采用综合放射布点法在珠江三角洲某典型河流型饮用水源地距离河岸100 m的范围内采集土壤样品，共采得15个表层土壤样品。每个点用梅花形布点法或蛇形布点法采集5个分样混合，再用四分法取约1 kg的土壤装于250 mL玻璃瓶中，压实并贴上标签。

1.2 样品分析

Cd、As、Zn、Pb、Cu、Hg、Ni、Cr 8种重金属及pH采用HJ/T 166—2004中的第一方法进行分析，其中Cd、Pb选择石墨炉原子吸收分光光度法，As选择二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法。实验所需试剂均为分析纯或优级纯，所用水为超纯水。

1.3 土壤重金属源解析方法

根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)风险筛选值及更为严格的广东省土壤背景值[11]388对土壤重金属污染状况进行评价。用变异系数(CV)反映土壤重金属的空间差异性，CV可以定量反映出污染物在空间尺度上的波动程度[16-17]。

用聚类分析方法[18-19]解析土壤重金属的来源。

1.4 土壤重金属风险评价方法

1.4.1 地质累积指数方法

地质累积指数根据土壤元素含量的增加程度来判断外源输入对土壤元素含量的影响，进而判断土壤受污染程度，计算公式见式(1)[20-21],[22]127。

(1)

式中：Igeo为地质累积指数；Ci为重金属i的质量浓度，mg/kg；Bi为重金属i的背景质量浓度，mg/kg，本研究中使用广东省土壤背景值。

地质累积指数共分为7级，≤0为无污染，>0～1为轻度污染，>1～2为轻中度污染，>2～3为中度污染，>3～4为中强度污染，>4～5为强度污染，>5～10为极强度污染。

1.4.2 生态风险评价方法

潜在生态危害指数法是广泛应用于土壤重金属生态风险评价的方法。该方法不但考虑了土壤重金属含量，还综合考虑了重金属毒性以及重金属的区域背景值，体现了生物有效性及地理空间差异等特点，是综合反映重金属对生态环境影响潜力的指标，计算公式见式(2)和式(3)[23-25]。

(2)

RI=∑Ei

(3)

式中：Ei为重金属i的潜在生态危害指数；Ti为重金属i的毒性系数，Hg、Cd、As、Pb、Cu、Ni、Cr和Zn的Ti分别为40、30、10、5、5、5、2、1；RI为多种重金属的综合潜在生态危害指数。

对于单一重金属而言，Ei<40的潜在生态危害程度为轻微，40≤Ei<80为中度，80≤Ei<160为强，160≤Ei<320为很强，Ei≥320为极强；对于多种重金属而言，RI<150的潜在生态危害程度为轻微，150≤RI<300为中度，300≤RI<600为强，RI≥600为很强。

2 结果与讨论

2.1 土壤重金属污染特征

pH分析表明，本研究的水源地土壤pH为6.5～7.5。由表1可见，与GB 15618—2018风险筛选值比较，Cu、Zn、Pb、Cd、As等5种重金属存在不同程度的超标现象。与广东省土壤背景值相比，各重金属浓度均值均超过了背景值，超过的倍数大小表现为Cd>As>Zn>Cu>Pb>Hg>Ni>Cr，与雷国建等[26]的研究结果基本一致。由此说明，该水源地土壤存在一定的人为源重金属干扰，有一定的环境风险。Pb的CV最大，为104.62%，其次Cu、Cd、Hg的CV也较大，分别达到84.63%、72.89%、70.59%，说明Pb、Cu、Cd、Hg在空间分布上存在较大的差异，表明受人为源干扰的可能性较大，唐磊等[27]也得到过类似的结论。

表1 土壤重金属污染特征

2.2 土壤重金属来源分析

通过水源地周边环境的实地调查发现，研究区周边有丰富的交通网，北侧存在工业园区，南侧有以“桑基鱼塘”为主要生产方式的农渔业基地。因此，初步判断，该水源地土壤重金属来源主要包括工业源、农业源、交通源。

用SPSS软件对水源地土壤中重金属进行层次聚类，结果见图1。

图1 土壤重金属聚类分析结果Fig.1 Hierarchical cluster result of soil heavy metals

第Ⅰ类为Cd、Hg、Ni、As。研究表明，Cd、Hg、Ni、As多来源于工业废水，通常以地表径流或污水灌溉的形式进入土壤[28]32,[29-30]。研究区周边存在工业园区，因此第Ⅰ类重金属可能来源于工业源。

第Ⅱ类为Cu、Cr。研究表明，水产养殖的饵料投放会造成Cu污染[8]145,[31-32]；土壤Cr与农业施肥有关[8]145,[33]。研究区周边存在大面积“桑基鱼塘”，不可避免地会有肥料、农药和饵料等进入水源地土壤，因此第Ⅱ类重金属可能来源于农业源。

第Ⅲ类为Zn、Pb。研究表明，Zn多通过烟尘、扬尘等颗粒物以干、湿沉降的方式进入土壤[34]；土壤中Pb的积聚与交通业密切相关[28]32,[35]。因此，第Ⅲ类重金属可能来源于交通源。

2.3 土壤重金属风险评价

2.3.1 地质累积指数

各重金属平均地质累积指数计算结果为Cd>As>Zn>Cu>Pb>Hg>Ni>Cr，与何东明等[22]128、于云江等[36]1525的研究结果基本一致。图2具体统计了研究区土壤重金属的地质累积指数分级频率。由图2可见，Cu、Cr、Ni、Zn、Pb、Cd、As、Hg等8种重金属均存在不同频率的污染，其污染频率分别为73.33%、6.67%、60.00%、73.33%、73.33%、93.33%、80.00%、60.00%。其中，Cu、Cr、Ni、Zn、Pb、As、Hg受轻度污染的频率分别为13.33%、6.67%、60.00%、66.67%、26.67%、6.67%、40.00%；Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg受轻中度污染的频率分别53.33%、6.67%、40.00%、13.33%、33.33%、20.00%；Cd、As受中度污染的频率分别为6.67%、40.00%；Cu、Pb、Cd受中强度污染的频率分别为6.67%、6.67%、13.33%；Cd受强度和极强度污染的频率分别为13.33%、46.67%。总体而言，研究区域受Cd污染频率最高，强度最大。

图2 重金属地质累积指数分级频率分布Fig.2 Frequency distribution of geo-accumulation index of heavy metals

2.3.2 生态风险

研究区土壤重金属潜在生态危害指数计算结果见表2。从单一重金属的潜在生态危害指数均值看，各重金属的生态风险大小为Cd>Hg>As>Cu>Pb>Ni>Zn>Cr。其中，Cd表现出极强生态危害，Hg表现出强生态危害，这两种重金属的生态危害较强，可能与它们的背景值低和毒性系数大有关[9]3576。RI均值为1 384.60，表明研究区土壤重金属总体存在很强的潜在生态危害。图3具体统计了研究区重金属的潜在生态危害指数分级频率。由图3可见，Cr、Ni、Zn均为轻微生态危害；Cu、Pb、As除轻微生态危害外，中度生态危害的频率分别达到6.67%、6.67%、66.67%；而Hg的强和极强生态危害的频率分别达到33.33%、20.00%；Cd的极强生态危害的频率达到了86.67%。由此可见，研究区域受到Cd污染导致的生态风险最严重，这与于云江等[36]1526、TYLER等[37]的研究结果一致，也与2.3.1节的地质累积指数评价结果一致。