平天湖湿地农田土壤重金属污染及风险评价

2023-05-30方宇媛王红新

赤峰学院学报·自然科学版 2023年2期

方宇媛　王红新

摘要：以平天湖湿地农田土壤为研究对象，采集土壤样本，分析土壤样品中汞、镉、砷、铅、总铬、铜、锌7种重金属含量。采用单因子指数法、内梅罗综合污染指数法开展其污染特征分析，利用潜在生态危害指数法开展潜在生态风险分析，同时采用人体健康风险评估模型，分析其健康风险水平。研究结果表明，湿地农田土壤中Cd、Cu、Pb、Zn、总Cr、As、Hg元素含量均在农用地土壤污染风险筛选值之内，与安徽省江淮流域土壤背景值对比，Zn和Hg出现累积趋势；湿地农田土壤中各种重金属潜在生态因子和综合潜在生态危害指数在安全范围之内，但Cd潜在生态风险值最高；儿童致癌风险、非致癌风险显著高于成人，但两者均在安全范围内。

关键词：湿地农田；重金属污染；潜在生态风险；健康风险；平天湖

中图分类号：X825 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2023）02-0028-06

引言

土壤重金属生物毒性和生物富集能力较强，造成环境危害持续时间长，具有较强的生态风险性，因此广泛受到学者们的关注[1，2]。况琴研究指出鄂西北农田重金属均存在不同程度的累积，保护区内各项重金属均存在超标样本，土壤受到轻度污染，Cd元素达到轻度生态风险危害[3]。李萍等分析以金华市耕地土壤重金属含量，探讨了其土壤重金属来源[4]。肖凯琦等采集洞庭湖南缘农田土壤样品，分析其含量、生态风险、看见分布及来源[5]。结果表明，农业活动是该区域重金属的主要来源。麦麦提吐尔逊·艾则孜等研究指出新疆博斯腾湖湿地边缘带农田土壤樣品中Cd的污染程度与生态风险均最高[6]。辛福萌等通过对杭州湾滨海围垦湿地重金属污染状况的研究指出，随着围垦年限增加，农田土壤重金属含量呈现上升趋势[7]。刘凡惠等通过对天津市典型农田湿地、滨海湿地和沼泽湿地重金属含量进行分析，指出在前述三种类型湿地中，农田湿地重金属污染程度最高[8]。在土壤重金属含量分析和污染特征的基础上，众多研究者开展了土壤重金属潜在生态环境风险水平[9-11]和健康风险水平[12，13]两方面。

作为国家级湿地公园、省级风景名胜区和池州备用水源地，池州市平天湖湿地土壤环境质量对生态环境和饮用水安全均产生重要影响。目前，尚未有研究关注平天湖湿地周边农田土壤重金属含量分析。本研究以池州市平天湖湿地农田为研究对象，采集土壤样本，分析土壤样品中汞、镉、砷、铅、总铬、铜、锌共7种重金属含量。采用单因子指数法、内梅罗综合指数法对土壤污染程度进行评价，并利用潜在生态危害指数法、健康风险评价模型分别判定其潜在生态风险危害程度和健康风险水平。研究结果为平天湖湿地开展土壤环境保护工作提供基础依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

平天湖湿地是国家级湿地公园和省级风景名胜区，位于安徽省池州市贵池区境内，东边与池州市教育园区衔接，北边紧邻池州市经济技术开发区，南边连接池州市站前区，西边与池州市主城区紧邻。平天湖周边农田面积相对较小，属于丘陵地形，农田土壤类型单一（为黄棕土），主要集中在湿地的东南侧。

1.2 采样点设置与实验方法

参照《土壤环境监测技术规范》（HJ T 166-2004），将平天湖周边农田划分为同一监测单元，在此监测单元内设置4个采样区，每个采样区都是自然分割的田地。4个采样区的选择在考虑监测单元农田土壤种植类型和采样实际的基础上，根据均匀布点法确定。对于每一个采样区，由于其面积较小，地势相对平坦，且土壤结构组成及污染程度都较为均衡，故采用梅花布点法进行混合样的采集。

根据平天湖周边农田分布情况，4个采样区均位于平天湖东侧，属于平天湖（备用）水源地二级保护区范围。各采样点采集土壤表层样（0-20cm），依据梅花布点法每个采集区设置5个分点，分别采集农田表层土壤（0-20cm）各2kg左右，土壤样品混合均匀之后用四分法取大约1kg土壤作为采样区实验样品，如表1所示。土壤样品存放在实验室自然风干后，剔除其中的混杂物，木锤压碎后采用四分法取对角两部分实验用（其余留存），土壤样品全部过筛20目孔径尼龙筛后均匀混合，继续研磨并分别过60目、100目筛后存放于聚乙烯密封袋备用。土壤汞和砷采用微波消解-原子荧光法测定；铅和镉采用石墨炉原子吸收分光光度法测定；总铬、铜、锌采用火焰原子吸收分光光度法测定。

1.3 数据处理方法

1.3.1 污染特征分析

（1）单因子指数法

单因子指数法计算公式见式（1），公式中Sm、Cm和C0分别指单项污染指数、重金属m含量实测值（mg·kg-1）和GB15618-2018中重金属m对应的筛选值（mg·kg-1）。根据计算结果，Si≤1、1＜Si≤2、2＜Si≤3、3＜Si≤5和Si＞5时，所对应该因子污染程度分别为清洁水平、轻微污染、轻度污染、中度污染和重度污染[9]：

（2）内梅罗综合指数法

应用内梅罗综合指数[12]来评价某种污染物造成的总体污染水平，具体计算方法见公式（2），公式中S综、（Sm）ave、（Sm）max分别指内梅罗综合指数、重金属m单因子指数均值和重金属m单因子指数最大值。S综≤0.7代表土壤环境安全，0.7

1.3.2 潜在生态危害指数法

Hakanson所提出潜在生态风险评价模型是目前在重金属危害影响评价中应用最为广泛的方法[14]，其主要计算过程为：

（1）单因子潜在生态危害指数

单因子潜在生态危害指数计算公式见公式（3）。

Em=Tm×CmC0 （3）

式中，Ei为重金属i的潜在生态危害指数，Tm为重金属m的毒性响应系数，Cm和C0的含义同公式（1）。Hakanson提出的各元素毒性系数布如表2所示[15]，当Em<40时危害轻微，40≤Em<80危害中等，80≤Em<160危害较强，160≤Em<320危害很强，Em≥320危害极强。

（2）综合潜在生态危害指数法

综合潜在生态危害指数法的计算公式见式（4），当RI≤150对应为轻微风险，1501200为极强风险。

1.3.3 健康风险评价

研究选择USEPA推荐的健康风险评估模型计算不同重金属健康风险水平[12]。该模型针对不同重金属特征，分别计算特定暴露途径下非致癌风险水平和致癌风险水平。结合根据国际癌症研究机构（IARC）关于不同化合物毒性研究结果，研究分析的7种金属均可经口、经皮肤和经鼻暴露途径产生非致癌风险。对于致癌风险而言，砷、铅2种金属可经口发生暴露，镉、砷、铅、总铬可经呼吸作用发生暴露。

首先分别计算不同暴露途径下重金属日均暴露量，分别见公式（5）～（7）。在研究中，由于成人和儿童的体质不同以及对重金属的耐受程度不同，部分参数选取存在差异，研究参数取值主要参考USEPA暴露因子手册和国内外相关研究[12-14]，如表3所示。

ADD经口=Cm·IR·CF·EF·ED/（BW·AT）（5）

ADD呼吸=Cm·PM10·DAIR·PIAF·FSPO·CF· EF·ED/（BW·AT）（6）

ADD皮肤=Cm·SA·AF·ABS·CF·EF·ＥＤ/ （ＢＷ·ＡＴ）（7）

非致癌健康风险水平主要根据土壤重金属不同暴露途径重金属暴露量与该重金属某种暴露途径下的参考剂量来进行计算，计算公式见公式（8）和（9），HIm表示单个重金属非致癌风险值，HI表示不同种重金属导致的综合非致癌风险值，HI小于1，则认为土壤中重金属造成非致癌风险比较小；HI大于1，则说明存在综合的非致癌风险。

研究中不同重金属不同暴露途径下日均参考暴露剂量RfDmn，mg·（kg·d）-1，参考值[12-14]如表4所示。对于土壤中的重金属的致癌健康风险评价通过单个重金属m的致癌风险指数（CRm）和总致癌风险指数（CRI）表示，其计算见公式（10）、（11）所示，式中，SF为致癌斜率因子[（kg·d）·mg-1]，SF值[12，13，15]参考量如表5所示。

2 结果与分析

2.1 农田土壤重金属污染特征研究结论与分析

2.1.1 农田土壤重金属含量分析

选择安徽省土壤背景值[16]（江淮流域）、《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618-2018）[17]中的标准值作为基准，分析平天湖湿地农田污染特征。表6数据显示7种元素的平均含量均在土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准之内，与安徽省江淮流域土壤背景值对比，除了总Cr、Cu、Pb之外，剩余的重金属元素含量均高于相应的土壤背景值，尤其是Zn和Hg，超出背景值分别为1.36倍、3.75倍。这表明平天湖湿地土壤农田可能受到周边工农业生产的影响，部分重金属出现累积趋势。

2.1.2 农田土壤重金属污染特征分析

7种被检测重金属单项污染指数均小于1，属于安全范围，最大值排序为Cd＞As＞Zn＞总Cr＞Cu＞Pb＞Hg。不同重金属内梅罗综合指数均处于安全范围内（S综≤0.7），表明研究区域内的土壤重金属污染程度相对较低，但是结果同样显示Cd的内梅罗指数最高（0.58），如表7所示。以上结果提示，研究区域应重点关注Cd污染防控。

2.2 农田土壤重金属潜在生态风险分析

平天湖湿地农田土壤重金属潜在生态环境风险分析表明，Cd、Cu、Pb、Zn、Cr、As、Hg单项潜在生态危害指数排序为ECd>ECr>EAs>EHg>ECu>EPb>EZn。7种重金属的单项潜在生态危害指数均低于40，研究区综合潜在生态危害指数低于150，为轻微潜在生态危害范围。其中潜在生态风险指数最高为Cd，表明在该研究区最主要生态风险因子为Cd，这与多个有关湿地的重金属污染现状研究结论基本一致[9，12，18]，如表8所示。

2.3 农田土壤重金属研究区域健康风险评价

2.3.1 农田土壤重金属非致癌风险分析

利用计算公式（5）～（9），开展平天湖湿地农田土壤中重金属经不同暴露途径计算。对于成人来说，不同接触途径下HI指数的排序由高到低均为经口途径、经皮肤途径和经口鼻呼吸途径；对于儿童来说，HI指数排序由高到低为经口途径、经呼吸途径和经皮肤途径。成人不同重金属HI指数排序均为总Cr>As>Pb>Cu>Cd>Hg>Zn，儿童不同重金属HI指数排序均为As>总Cr>Pb>Cu>Hg>Cd>Zn。成人和兒童非致癌风险总指数分别为1.38×10-1、1.91×10-1，均低于1，研究区域农田重金属造成的非致癌风险水平较低，如表9所示。

2.3.2 农田土壤重金属致癌风险评价

根据平天湖农田土壤重金属含量均值和不同暴露途径重金属暴露量，利用计算公式（10）和（11），开展平天湖湿地农田土壤中重金属经不同暴露途径进入人体对成人和儿童造成致癌健康风险水平计算，如表10所示。对于成人和儿童来说，不同接触途径下CRI指数由高到低排序均为经口途径、经皮肤途径和经口鼻呼吸途径。这表明经口摄入是研究区域内致癌风险的首要途径。

从三种不同接触途径综合来判断，无论成人或儿童，不同重金属CRI指数排序为：总铬>砷>镉>铅。可见，砷的非致癌风险最高，对于儿童来说，各种重金属CRI指数排序为：总Cr>As>Cd>Pb，总铬致癌风险是最高。成人和儿童致癌风险的总指数分别为3.70×10-5、4.43×10-5，均低于10-4。由此可以判断，研究区域农田重金属造成的致癌风险总体较低。

3 结论

平天湖湿地农田土壤中Cd、Cu、Pb、Zn、总Cr、As、Hg含量均在农用地土壤污染风险筛选值之内。与安徽省江淮流域土壤背景值对比，Zn和Hg超出背景值比例分别为1.36倍和3.75倍。各种重金属潜在风险指数均在安全范围内，但是Cd潜在生态风险指数最高，表明Cd是研究区域内最主要生态风险因子。研究区综合潜在生态危害指数RI为28.71，属于安全范围之内。健康风险评价表明，成人和儿童不同暴露途径下的综合非致癌风险分别为1.38×10-1、1.91×10-1，儿童非致癌风险显著高于成人，但两者非致癌风险均在可接受范围内。成人和儿童综合致癌风险分别为3.70×10-5、4.43×10-5，其中儿童非致癌风险和致癌风险大于成人，但两者致癌风险均在可接受范围内。综上所述，平天湖湿地农田土壤重金属环境质量较好，符合国家相关土壤质量管理要求。但是受农业生产、周边工业园区生产及交通道路影响，研究区域部分重金属含量高于江淮流域土壤背景值。建议相关管理部门进一步加强平天湖湿地农田土壤重金属Zn和Hg的防控。

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