陇南某水源地周边土壤重金属监测与对策建议

符永鹏 张武平 刘明延 尚瑞琦

（甘肃省陇南生态环境监测中心 甘肃陇南 746000）

引言

土壤是地球生命赖以生存的重要基础、是人类生存与发展的战略资源，关系着人类身心健康及社会的高质量发展进步，保障土壤环境安全是实现全面小康社会、构建和谐社会极为重要的物质基础。随着人口和经济社会的快速增长及我国城市化进程的不断加快，随之也产生了各种类型较为严重的土壤重金属污染问题。

1 研究背景

在没有受到人类生产、生活干扰时，自然环境中的重金属元素为自然含量，随着人类文明的向前发展，特别是近些年经济社会的飞速进步，工业化程度的不断推进，已经延伸到生产、生活的各个领域，重金属在人类社会生产、生活中的重要性日益凸显，需求急剧增加，随之产生了不同类型较为严重的土壤重金属污染问题。由于土壤重金属污染威胁到生态环境安全，进而影响人类及种植物正常生长，所以，土壤重金属污染问题得到了广泛关注[1][2][3]。

对土壤重金属元素污染程度进行评价时，一般有下列几种评价方法：（1）单因子污染指数法（Pi）；（2）内梅罗综合污染指数法（Pn）；（3）地累积指数法（Igeo）；（4）Hakanson 潜在生态风险指数法。上述几种方法各有侧重点，可以从不同角度进行评价，最后再综合分析评价结果，因此运用较为广泛[3～6]。

水源地周边土壤环境质量，对饮用水水源产生一定的潜在影响，居民的生产生活时刻离不开安全优质的水源，水源地周边保护区的土壤环境安全问题关系到水源的安全，如果长期饮用重金属污染水源将对人体健康产生有害影响，甚至会影响居民的正常生活及身体健康。所以，水源地的环境安全问题广受大家关心。掌握水源水质及水源地周边土壤重金属污染状况是实现水资源风险管控的基础环节，能有效提升对水源地安全的掌控能力，因此，该研究通过对陇南市某饮用水源地保护区周边土壤环境安全状况为目标，开展土壤中8 种重金属Cd、Cu、Cr、Pb、Ni、Zn、As 和Hg 的含量、污染状况和潜在生态风险研究，同时也为本市其他水源地保护和风险防控提供第一手基础资料，也为保障城区居民的用水安全，为饮用水源地环境风险防控和环境管理及维护人体健康提供科学依据。

2 实验过程

2.1 土壤样品采集及制备

该地属暖温带半湿润性气候，降水分布主要在秋季，年降水量451-734.7 毫米，研究区为较平坦的黄土坡地，土壤主要为褐土。

按照前期开展调研情况，结合此水源地的实际情况，经过充分论证，确定使用网格法进行布点采样，在水源地周边区域，采集有代表性的15 个土壤样品。每个采样点，在距中心20 米左右范围内均匀采集5 份0-20cm 的表层土壤，进行混匀，再用四分法来缩分2kg 新鲜土壤样品，装入适当容器，按要求填好采样原始记录，按方法规范要求运送至实验室。在通风环境下晾干后，剔除明显杂物及碎石，研磨，通过100 目和200 目筛进行筛分，然后进行定量测试。

2.2 重金属总量的测定

参照农用地国家标准中的基本项目，测定了土样中Cd、Cu、Cr、Pb、Ni、Zn、As 和Hg 的含量。根据不同项目的测定要求，土壤样品前处理包括经典“四酸” 消解、微波消解和干燥过筛后直接压片。

重金属元素Cd 运用ICP-MS（仪器型号：Agilent 7900）测定，运用经典的AFS 法测定总As 和总Hg（仪器型号：AFS-830 和AFS-3000），其它5 种重金属元素运用波长色散X 射线荧光光谱法测定（仪器型号：赛默飞ARL Perform'x ），土壤pH 的测定运用电位法，样品有机物项目有机氯农药和多环芳烃分别使用气相色谱和气相质谱法。

在样品分析环节，实验室内采用校准曲线、空白试验、密码样控制等质量控制措施，对Cd、Cu、Cr、Pb、Ni、Zn、As 和Hg 等元素均采用国家标准土壤样品进行了密码样考核，考核结果在规定的置信范围内。本实验试剂均为市售优级纯，试验用水及消解所用的酸均做了空白实验，对所需试剂进行剔除处理。

2.3 单项污染指数（Pi）和内梅罗污染指数（Pn）

计算公式：

Pi=土壤重金属元素实测值/重金属元素质量标准值

Pn=｛［（PI均2）+（PI最大2］/2｝1/2，式中（PI均）－平均单项污染指数、（PI最大）－最大单项污染指数

土壤重金属元素质量标准值，参照（GB 15618-2018）表1 规定的风险筛选值。指数Pi和Pn的评价结果分级标准依次见表1、表2[3]。

表1 Pi法分级标准

表2 Pn法分级标准

2.4 地累积指数法（Igeo）

地积累指数法广泛用于研究沉积物及其它物质中重金属污染程度的定量指标[4]，地累积指数（Igeo）计算公式及分级标准见表3[3]。

表3 Igeo法分级标准

式中：Cn－某项重金属元素总含量；Bn－某项重金属元素的环境背景值，本研究采用中国土壤环境背景值[7]；系数k（通常取值为1.5）。

2.5 土壤重金属生态风险评价

该研究运用Hakanson 的潜在生态风险评价法对水源地保护区中的土壤重金属潜在生态风险进行评价[3～5][8]。其计算公式：

8 种重金属的背景值和毒性系数见表4，土壤重金属的RI 指数分级标准见表5。

表4 8种重金属的背景值[7]和毒性系数[9][10]

表5 土壤重金属的潜在生态风险分级标准

3 结果及分析

3.1 土壤重金属元素总量测定

在水源地保护区内15 个土壤样品重金属元素含量测试结果见表6。Cd、Cu、Cr、Pb、Ni、Zn、As 和Hg 的测定含量平均值依次为0.180、28.93、70.52、26.30、35.04、84.06、18.17、0.148 mg/kg。除11#样品的Cr 超标外，其他样品的8 种重金属元素含量都低于（GB 15618-2018）表1 中规定的风险筛选值，土壤有机物含量均低于方法检出限。该批样品所测8 种元素的变异系数范围3.4-57.5，其中Hg 和Cd 的变异系数较大，说明该批样品中这两种元素的含量可能存在较大差异，另外6 种元素的变异系数较小。

表6 15个土样中重金属元素含量测定和统计结果单位：mg·kg-1

3.2 土壤重金属超标情况

对土壤样品8 种重金属元素的测定结果，运用单项污染指数法（Pi）、内梅罗综合污染指数法（Pn）开展综合评价。11# 土样的重金属元素Cr 含量超标，单项污染指数为1.45，污染等级为轻微污染。其余点位的8种重金属元素均未超标，单项污染指数均小于1，污染等级为无污染，但Cr 和As 的平均单项污染指数分别为0.75 和0.70，表明土壤中这两种元素的含量较高。

在15 个土壤样品中，11# 土样的内梅罗综合污染指数Pn 为1.1，土样处于轻度污染。其余14 个土样的Pn 均小于0.7，表明土样处于清洁（安全）状态。但该指数也存在一定的局限性，存在一定程度的夸大或缩小某种元素的作用，在实际应用中要多因素考量，不然会造成该方法对环境质量评价结果的不科学的现象。

3.3 重金属污染程度评价

Cd、Cu、Cr、Pb、Ni、Zn、As 和Hg 的地累积指数Igeo结果如图1 所示。各元素Igeo平均值大小为Hg＞Cd＞As＞Ni＞Cu＞Cr＞Zn＞Pb。全部土样样品中Ni、Cu、Cr、Zn、Pb 五种元素的Igeo<0，污染等级为0，表明这5 种元素无污染;而全部土壤样品中Cd 的地累积指数均大于0，范围为0.07-0.92，As 和Hg 均有11 个点地累积指数大于0，范围分别为0.02-0.0.31、0.03-1.62，其余4 个点小于0。由图1 所示，全部土样受到Cd 污染，主要为轻度污染到中等污染。73.3% 的土壤样品受到As 污染，污染程度主要为轻度污染到中等污染。73.3% 的土壤样品受到Hg 污染，6 个样品污染程度为轻度污染到中等污染，中等污染所占的比例达到33.3% 。从上述研究结果得知土壤可能受到Hg、Cd、As 的污染。

图1 地累积指数计算结果

3.4 土壤潜在生态风险评估

由表7 和表8 数据得出结论，各元素的潜在生态风险单项系数平均值大小为Hg＞Cd＞As＞Ni＞Cu＞Pb＞Cr＞Zn。保护区土壤样品Cu、Cr、Pb、Ni、Zn 和As 等元素的指数对照分级标准，均为轻微生态风险水平，土壤样品Hg 的平均值为90.96，对照分级标准分别为轻微生态危害、中等生态危害、强生态危害和很强生态危害等级依次占13.33%、40.00%、33.33%、13.33%。土壤样品Cd 的平均值为55.62，最大值为85.36。从上述结果可知，Hg 的生态风险因子最为关键，Cd 次之，另外6 种重金属元素对保护区土壤生态环境影响轻微。

从表7 和表8 结果中可知，15 个土壤样品综合潜在生态风险指数（RI）范围是106.87～312.02，平均值为184.21，对照该分级标准，26.67%样品处于轻微生态风险水平，73.33%样品处于中等生态风险水平，综上所评结果，该批土壤样品8 种重金属基本为轻微和中等生态风险水平。

表7 土壤重金属潜在生态风险评价结果（1）

表8 土壤重金属潜在生态风险评价结果（2）

4 小结

该研究结果表明，在所有的土壤样品中，11# 土壤样品的Cr 超标0.45 倍，其他样品的8 种重金属元素含量都普遍低于（GB 15618-2018）表1 中规定的风险筛选值。

水源地保护区土壤样品中地累积指数法（Igeo）评价结果表明，水源地保护区土壤整体上污染较轻，Ni、Cu、Cr、Zn、Pb 等重金属元素无污染，另外大部分样品的3 种重金属元素Cd、Hg、As 存在轻度到中等污染，个别样品Hg 存在中等污染。

用综合潜在生态风险指数（RI）法得出的结论可知，水源地保护区土壤环境整体上生态风险程度都较轻，5 种重金属元素（Cu、Cr、Pb、Ni、Zn 和As）均处于轻微生态危害，另外两种重金属元素Cd、Hg 具有一定的潜在生态风险，26.67%、73.33%的样品污染程度分别为为轻微、中等生态危害。

综合上述两种评价结果，从该研究区土壤样品中Hg、Cd 的污染程度，水源地保护区周边土壤可能已被个别重金属元素影响，而通过对近5 年该水源地水质监测数据的汇总及分析，该水体的水质类别达到地表水III 类水质标准，且这8 种重金属元素（Cd、Cu、Cr、Pb、Ni、Zn、As、Hg）的含量较低。目前尚不存在饮用水源地水体受该类重金属污染的情况，但保护区周边土壤和水体为相互影响、有机统一的整体，因此土壤的污染情况应引起的特别关注。

结语

通过本次对水源地周边土壤状况的调查监测，基于水源地保护区周边土壤和水体为相互影响、有机统一的整体，为确保土壤和饮用水安全，提出以下建议。

（1）水源地周边村庄的生产生活污水要通过雨污分流排水管网收集处理，避免向水源地内随意排放；

（2）加大水源地周边农田管理，加强农业面源污染的治理力度，尽量少施或禁止施用化肥和农药，改施安全无污染的其他有机肥料；

（3）增加公共宣传力度，牢固树立水源地周边居民的环境保护理念，使广大居民群众充分认识到到水源地保护的重要意义，充分调动周边住户的积极性，共同参与保护水源地安全；

（4）结合现状调查情况，综合评价水源地水质安全，建立典型饮用水源地保护的模式，提出具有科学、可行、有效的对策和保护方案。