色连矿区土壤重金属生态健康风险评价

＊徐守明 潘忠德 何宏康

（鄂尔多斯市中北煤化工有限公司色连煤矿 内蒙古 017008）

随着工业的发展，矿产资源的开采力度也在加大。煤矿开采时会破坏当地原有的水文地质条件及其生态环境，从而导致一系列的环境、生态及经济问题[1]，如：土壤环境污染问题。在矿产工业开采流程中产生的废气、固废等会以沉降、淋溶等多种方式进入土壤环境，导致重金属的累积，并在土壤-植物系统中迁移后借助食物链传递，最终汇集到人体，危害人体健康[2]。聂锦霞等[3]对赣南西华山钨矿区周边土壤进行研究，结果表明土壤Cd污染严重，对人体存在较大的健康风险。M.Farhad Howladar等[4]研究证明孟加拉当地煤矿周边农田土壤中的Mn、Zn、Pb等重金属含量均超标。Nezhada等[5]使用内梅罗指数法对阿瓦士市钢厂周边的土壤进行污染现状分析评价。

本研究所选取矿区主要采用井工开采方式，开采过程中当地环境受到破坏、煤炭运输途中的散落、飞散等都会使地表土壤的重金属含量增加。为了能更好地保护煤矿开采地周边生态环境及居民健康，了解该矿区土壤重金属的污染程度，对生态健康风险的综合评估尤为重要。本研究选择矿区表层土壤中的As、Hg、Cr、Ni、Cu、Cd、Pb七种重金属进行风险评价对比。

1.研究区与研究方法

(1)研究区概况

研究区矿井田占地面积70.28km2，海拔标高在1440m-1480m之间，为典型的丘陵沟壑区地貌。矿区自然条件较为恶劣，风沙危害剧烈，气温峰值达30.97℃，下限为-24.12℃，年均降雨量为388mm左右。风向则多以西北风为主，整年最大风速21m/s左右，平均风速为2.3m/s。矿区内没有湖泊、河流等大型水域，但沟谷发育完全，矿区土类主要可由风沙土、粗骨土和栗钙土组成。此外，调研发现矿区内有明显的地表沉陷并伴随有因植被破坏而导致的土壤资源流失、沙化现象。

(2)样品采集与测试

根据土壤环境监测技术规范（HJ-T166-2004）[6]等相关标准，依据矿区分布在研究区使用系统布点法进行采样，设置采样点位42个，基本可以覆盖整个矿区。每个点位采集0-10cm地表土壤约1kg，记录各点位GPS坐标（经、纬度坐标）、周围植被覆盖情况、土壤质地现场粗测定等。土壤样品采样后用塑料自封袋封存，做好点位编号，尽快送回实验室检测。

采集后的土壤样品放置于自封袋中密封保存后立即送回实验室。

所采集的土壤样品先去除大块，包括难以碾碎的石块、草根树根和植物残体等，之后转移到土壤风干盘中自然风干一周，风干后用玛瑙研钵对土壤进行研磨，再将研磨后的土壤样品过100目（0.154mm）塑料筛。最后用塑料自封袋留存备用。取过筛后的土壤样品0.5000g于35mL聚四氟乙烯坩埚中，加入10mL HF除硅后再加入5mL HNO3和10mL HClO4，加盖置于通风橱里冷消化一夜；第二天完成消解，消解完全后制得待测液。再用原子吸收法测定各重金属含量。

(3)研究方法

①地累积指数法[7]

地累积指数（Geoaccumulation Index，Igeo）可以量化河流底部沉积物以及土壤中重金属污染程度。其计算公式如下：

式中：Ci—重金属含量实测值，mg·kg-1；

Bi—重金属的地球化学背景值，mg·kg-1。

土壤污染分级标准见表1。

表1 地累积指数法土壤污染分级标准

续表

②潜在生态风险评估[8-9]

某地域上多个污染源潜在的生态危害系数的综合值可由潜在生态危害指数法得出，其计算公式如下：

表2 内蒙古土壤背景值

其中重金属As、Hg、Cr、Ni、Cu、Cd、Pb的Tr分别是10、40、2、5、5、30、5。重金属潜在生态风险评价标准见表3。

表3 潜在生态风险评价标准

③健康风险评估

暴露剂量计算。该研究使用的健康风险评价方法来自于美国环保署[10]，可以对研究区土壤中重金属As、Hg、Cr、Ni、Cu、Cd、Pb进行健康风险评价。不同暴露途径的日均暴露量计算方法如下：

上述公式中C为土壤中重金属含量，单位为mg·kg-1，其余参数物理意义及取值见表4。

表4 人体健康风险评价参数取值

根据土壤中重金属含量及口、呼吸及皮肤接触的值，对重金属分别进行非致癌及致癌风险评价。本研究对As、Cr、Cd进行致癌风险评价，对Hg、Ni、Cu、Pb进行非致癌风险评价，计算公式如下：

式中，HQi为单一重金属非致癌风险；HI为不同暴露途径下总非致癌风险；THI为总非致癌风险指数；RfDij为非致癌重金属不同暴露途径的参考剂量；CRi是单一重金属致癌风险值；TCR是总致癌风险值；SFij是致癌斜率系数。

各重金属的RfD及SF参考值见表5。美国环境保护署（USEPA）规定当总非致癌风险指数HI值小于1时，说明风险较小或者可忽略，HI值大于1时，表示可能存在潜在风险，且值越大，对人体产生的健康风险程度越高。当CRi值在110-6～110-4范围内时，是人体可接受的致癌风险水平。

表5 不同暴露途径下RfD及SF取值

续表

2.结果与讨论

(1)地累积指数评价

地累积指数法计算结果如图1和表6，由图1可知，42个采样点中重金属Cr、Ni、Pb的Igeo均大于5，即重金属Cr、Ni及Pb达到极强污染的点位有42个，占比100%；Cu达到及强污染的点位有38个，占比90.48%；而Hg与Cd的地累积指数均不超过0，故研究区未受Hg与Cd污染。由表6可得，7种重金属Igeo大小次序：Cr＞Ni＞Cu＞Pb＞As＞Cd＞Hg，综上所述，研究区重金属主要污染因子为Cr、Ni、Pb及Cu。

图1 各取样点土壤重金属地累积指数

表6 地累积指数统计分析

(2)潜在生态风险评估

图2为各类重金属对于潜在生态危害指数的贡献度。潜在生态危害指数法计算结果及各重金属对潜在生态危害指数的贡献率如图2所示，由图可知该研究区有16个点位重金属为轻度危害，占比38.10%，中度危害及强危害均有7个点位，各占比16.67%，达到很强生态危害的点位则有12个，占比28.57%，故研究区域半数之上的采样点潜在危害程度较低，整体危害强度为中等危害。

图2 潜在生态危害指数及重金属贡献率

贡献率结果表明，贡献率最大的重金属为Hg，所占比例达到94.21%，远超其他重金属所占比例，说明研究区中对土壤存在潜在危害的主要因子为重金属Hg。

(3)人体健康风险评估

表7和表8为重金属对人体健康风险评估结果。对于非致癌风险而言，由表可得七种重金属的HI儿童都高于HI成人；THI成人为1.11，THI儿童为6.44，都高于1，故研究区存在非致癌风险，且对儿童造成的健康风险更高，其中Hg和Pb为主导元素。对于致癌风险而言，不同重金属CR成人大小顺序为：As（6.57E-05）＞Cr（6.03E-06）＞Cd（3.58E-06），TCR成人值为7.53E-05＜10-4，故不会对成人造成致癌风险。不同重金属CR儿童大小排序为：As（1.53E-04）＞Cd（8.33E-06）＞Cr（2.69E-06），可见As的CR值超过10-4，故As对儿童存在致癌风险。其中做出主要风险贡献的为口摄入，As的CR口达到1.52E-04，TCR儿童值为1.64E-04＞10-4，因此研究区土壤重金属对儿童存在潜在的致癌风险。

表7 土壤重金属对成人造成的健康风险

表8 土壤重金属对儿童造成的健康风险

终上所述，重金属对儿童造成的健康风险普遍高于成人，且结合三种不同暴露途径下的风险值可发现，所占比重大小为呼吸吸入＜皮肤接触＜口摄入。

3.结论

地累积指数法研究结果表明：该矿区Cr、Ni、Pb及Cu为主要重金属污染因子。研究区域半数之上的采样点位潜在危害程度较低，整体危害强度为中等。其中重金属Hg污染贡献值最大。人体健康风险评估结果表明：重金属对成人及儿童均存在非致癌风险，Pb和Hg是造成儿童非致癌风险的主导元素；As对儿童存在致癌风险，但所测重金属对成人基本不构成致癌风险。此外，重金属对儿童造成的健康风险程度比成人高，且口摄入为主要贡献途径。