高新沙水库土壤重金属分布特征及环境风险

茹卫东，黄俣轩，王元成，莫建成，汤家源，党志，黄飞*

（1.广东粤海珠三角供水有限公司，广州 511455；2.广东工业大学环境科学与工程学院，广州 510006；3.华南理工大学环境与能源学院，广州 510006；4.广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635；5.中国水利水电第七工程局有限公司，成都 610213）

珠江三角洲水资源配置是国务院批准《珠江流域综合规划（2012—2030 年）》中提出的重要水资源配置工程，其中拟建的高新沙水库是珠江三角洲水资源配置工程中重要的调节水库之一。拟建高新沙库区选址区域主要为淤质黏土，土壤中重金属在适宜的库区环境条件下很有可能被重新释放到水体中，从而影响水质安全，危害人体健康。因此，研究高新沙水库库区土壤重金属含量分布及潜在风险对水质安全保障具有重要意义。

近年来，国内外学者在不同区域中土壤重金属污染特征与生态风险评价方面开展了大量研究[1-5]。目前的研究内容主要集中在土壤重金属污染评价[6]、重金属迁移转化机制[7-8]、重金属来源解析[9-10]等方面，研究区域也侧重于农业生产区[8，11-13]、污水灌溉区[14-15]、工业矿区[16-17]等，这些研究工作表明，不同利用类型的土壤区域中重金属分布特征及污染来源具有显著性差异。水库土壤不同于工业或农业生产污染区，也与河流、湖泊、海洋等自然生态系统有所不同，水库作为一类人工淡水生态系统，其受人类活动影响较大且被污染途径较多。部分学者针对三峡库区[18]、密云水库水源保护区[19]、丹江口水库[20]等现行水库土壤中重金属分布特征及风险展开了深入研究，结果均表明现行水库土壤重金属存在不同程度的潜在生态风险，非常有必要加强水质监测与保护工作。从这个角度来看，对拟建水库土壤中重金属风险进行评价就显得尤为重要，但是，当前针对拟建水库土壤重金属分布特征及风险评价的研究工作还鲜见报道。

本研究以拟建高新沙水库库区土壤为研究对象，通过对库区4 层土壤（A 层0~50 cm、B 层50~100 cm、C 层100~200 cm、D 层200~300 cm）中8 种重金属（Cu、Zn、Cd、Pb、Ni、Cr、Hg 和As）含量的测定，利用ArcGIS 技术探讨了重金属元素的空间分布特征，并采用单因子指数法和潜在生态危害指数法对重金属的生态风险进行了评价，从而揭示水源地土壤重金属分布特征及环境风险，以期为采取有效措施保护水源提供数据支持，并为将来高新沙水库运行中水质安全与风险管控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域及采样点布设

拟建高新沙水库选址位于广州市南沙区蕉门水道江心洲的头部三角地带，土地利用类型原属于果园用地。水库水域面积100 000 m2，库容5 290 000 m3。根据库区实际地形，采用网格加图斑的方法将库区分为16 个采样区域。在实际采样中，采用“S”或“X”形进行布点采样（图1），尽可能避开地形干扰。每个采样区域设置3个平行样，按照0~50、50~100、100~200、200~300 cm依次采集4个土层样品。

图1 研究区域及采样点分布Figure 1 Schematic diagram of the soil sampling sites

1.2 样品采集处理与测定分析

土壤样品采集后去除植物根须、砂砾、杂草等杂物，置于干净通风处自然晾干后用研钵研磨并过100目尼龙网筛，装于保鲜袋密封保存备用。在研究区域中，采集A层土壤样品48份，B层样品43份，C层样品31 份，D 层样品14 份，共计136 份土样。在每份土样测定Cu、Zn、Cd、Pb、Ni、Cr、Hg 和As 8 种重金属的含量，共测定样品数3 264个。

准确称取0.1 g 土样放入聚四氟乙烯坩埚中，加入10 mL 优级纯盐酸（ρ=1.19 g·mL-1），将坩埚置于电热板上120 ℃左右加热。当坩埚内盐酸剩余大约3 mL 时，分别加入5 mL 优级纯硝酸（ρ=1.42 g·mL-1）、5 mL优级纯氢氟酸（ρ=1.49 g·mL-1）和3 mL优级纯高氯酸（ρ=1.76 g·mL-1）进行消解。等待产生大量白烟时，盖上坩埚盖使埚内壁黑色物质完全消解，开盖排尽白烟，并用去离子水冲洗坩埚盖和内壁，将溶液转移至50 mL容量瓶中，冷却后定容待测。Cu、Zn、Cd、Pb、Ni和Cr的含量采用石墨炉原子吸收法测定，Hg 和As的含量采用原子荧光光度计测定[12]。

1.3 评价方法

（1）单因子指数法。依据土壤pH值，不同重金属选取对应的风险筛选值进行评价。计算公式：

式中：Pi为土壤中污染物的环境质量指数；Ci为污染物实测含量，mg·kg-1；Si为《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）筛选值，mg·kg-1。当Pi<1时，说明土壤重金属含量没有超标；当Pi≥1 时，说明土壤重金属含量超标，可能影响人体健康[21]。

（2）潜在生态危害指数法。该方法不但能说明某一特定环境中不同重金属污染物对环境的影响，而且可以反映多种重金属污染物的综合风险，并定量划分潜在生态危害等级[22]。计算公式：

2 结果与讨论

式中：RI为多种重金属潜在生态危害指数，RI分级标准是由Hakanson 依据沉积物中Hg、As、Pb、Cu、Cr、Zn和PCB 等8 种污染物的毒性系数（T ir）之和而提出的，可分为轻微风险、中等风险、较强风险、很强风险、极强风险5 个等级[23]；Tri为重金属的毒性系数，重金属Cu、Zn、Cd、Pb、Ni、Cr、Hg和As的Tri分别为5、1、30、5、5、2、40 和10；Eri为单个重金属的潜在生态危害指数，反映重金属的潜在生态危害程度；Ci为重金属i的实测含量，mg·kg-1；为重金属i的含量参比值，本研究参照《土壤重金属风险评价筛选值珠江三角洲》（DB 44/T 1415—2014）中土壤环境背景值，重金属Cu、Zn、Cd、Pb、Ni、Cr、Hg 和As 分别选取为32、97、0.11、60、28、77、0.13 mg·kg-1和25 mg·kg-1。根据赵梓霖等[22]和姚波等[24]的报道，土壤重金属Eri、RI与潜在生态风险程度的关系如表1所示。

表1 Eri及RI的分级标准Table 1 Criteria for classification of Eri and RI

2.1 土壤pH及重金属含量分析

总体来看，随着土层深度增加土壤pH 由酸性逐步变为弱碱性，A、B、C、D 4 层土壤的pH 依次为（5.77±1.53）、（6.29±1.17）、（6.91±0.76）、（7.56±0.92），变异系数依次为0.27、0.19、0.11、0.12。重金属Cu、Zn、Cd、Pb、Ni、Cr、Hg 和As 的含量范围分别为8~77、40~159、0.03~0.40、16~400、6~48、27~99、0.003~0.666 mg·kg-1和4.2~40.9 mg·kg-1。重金属Cu、Zn、Hg 和As均在A 层土壤中平均含量最大，分别是50.27、119.69、0.14 mg·kg-1和23.58 mg·kg-1，而Pb、Ni、Cr 均在B 层土壤中平均含量最大，分别为65.84、27.65、65.30 mg·kg-1，仅Cd 在4 层土壤中平均含量的差异不显著，4 层土壤从上到下的平均含量依次为0.17、0.13、0.15 mg·kg-1和0.16 mg·kg-1（表2）。

表2 库区土壤重金属含量特征Table 2 Content of heavy metals in reservoir soil

2.2 重金属污染的生态风险

2.2.1 单因子指数法评价

（1）A层土壤中的重金属含量分布特征与评价

林丹笑笑，一颗心跟着紧跳了几下，想着这是他们这个月的第三次见面了。200多公里的距离不是太远，但让他从纷繁的工作和新婚的老婆占据的时间中，偷得这样的闲暇，实属奢侈。

水库土壤中Cu、Cd、Pb、Hg 和As 5 种重金属呈现轻度超标现象，含量范围分别为21~77、0.06~0.40、16~288、0.060~0.666、7.53~40.90 mg·kg-1，超标率分别是47.92%、14.58%、6.25%、2.08%和4.17%，最大超标倍数分别是0.54、0.33、2.60、0.34 倍和0.36 倍。值得注意的是，Cd、Pb、Hg 和As 4 种重金属在绝大部分点位中没有超标，仅在个别点位超标（图2）。此外，Zn、Ni 和Cr3 种重金属的含量范围分别为85~158、9~41 mg·kg-1和28~99 mg·kg-1，均低于我国农用地土壤重金属风险筛选值（GB 15618—2018）。综合来看，水库A层土壤中绝大部分重金属表现为轻微超标现象，可能对水质的影响较小。重金属Cu轻微超标点位的面积最大（图3），可能原因是新建水库开挖之前的用地类型属于果园土壤，大量的Cu 随着畜禽粪便等进入农田（约69%的Cu 来源于畜禽粪便），从而造成水库土壤Cu的大面积轻微超标[25]。

图2 A层土壤（0~50 cm）重金属含量Figure 2 Content of heavy metals in the soil profile A（0-50 cm）for each sampling site

图3 A层土壤（0~50 cm）重金属含量空间分布特征Figure 3 Spatial distribution of heavy metals content for the soil profile A（0-50 cm）in reservoir region

（2）B层土壤中的重金属含量分布特征与评价

对比A 层土壤来看，B 层土壤中Cu、Pb 和As 3 种重金属同样存在轻微超标现象，含量范围分别为13~74、25~400 mg·kg-1和10.7~40.3 mg·kg-1，最大超标倍数分别为0.48、3.00 倍和0.34 倍，超标率分别是11.63%、2.33%和6.98%；Zn、Cd、Ni、Cr 和Hg 均未出现超标现象，含量范围分别为52~159、0.03~0.40、10~48、38~84 mg·kg-1和0.013~0.176 mg·kg-1（图4）。以上表明库区B 层土壤重金属超标程度总体上有所减弱，其中Cu、Pb 和As 仅在个别点位中存在超标现象（图5）。肖武等[21]对巢湖流域农田土壤重金属污染调查研究的结果表明，重金属Cu、Zn、Pb、Ni 和As 存在轻微超标现象，而Hg和Cd严重超标。

图4 B层土壤（50~100 cm）重金属含量Figure 4 Content of heavy metals in the soil profile B（50-100 cm）for each sampling site

图5 B层土壤（50~100 cm）重金属含量空间分布特征Figure 5 Spatial distribution of heavy metals content for the soil profile B（50-100 cm）in reservoir region

（3）C层土壤中的重金属含量分布特征与评价

在8 种重金属中，C 层土壤仅有As存在轻微超标现象，其含量范围为9.97~30.30 mg·kg-1，最大超标倍数为0.21 倍，超标率为22.58%（图6），而且超标范围主要集中在水库西北角区域（图7）。此外，Cu、Zn、Cd、Pb、Ni、Cr 和Hg 的含量范围分别为14~54、45~125、0.08~0.35、22~100、7~39、38~83 mg · kg-1和0.009~0.525 mg·kg-1，均未超出相应的农用地土壤风险筛选值。以上表明，相对于前两层土壤，C 层土壤重金属超标程度显著降低。邱其俊等[26]研究闽北某新建水库周边土壤重金属污染特征的结果表明，水库周边区域不受Ni、Cr、Hg污染，但受As污染。

图7 C层土壤（100~200 cm）重金属含量空间分布特征Figure 7 Spatial distribution of heavy metals content for the soil profile C（100—200 cm）in reservoir region

（4）D层土壤中的重金属含量分布特征与评价

对比前3层土壤，D 层土壤中仅有As呈现轻度超标现象，超标率为35.71%，最大超标倍数仅为0.39倍，超标区域集中于水库西北角；Cu、Zn、Cd、Pb、Ni、Cr 和Hg 的含量范围分别为8~57、40~130、0.08~0.30、25~74、6~39、27~84、0.003~0.124 mg·kg-1，均未超过农用地土壤风险筛选值（图8 和图9）。以上表明，随着土层深度增加，8 种重金属的污染程度总体上逐步降低，对水质的影响也逐渐减小。韩志轩等[27]对珠江三角洲冲积平原土壤重金属含量进行研究，认为地表输入的As元素在强烈的淋溶和淀积作用下可能向深层迁移，从而导致深层土壤As含量上升。

图8 D层土壤（200~300 cm）重金属含量Figure 8 Content of heavy metals in the soil profile D（200-300 cm）for each sampling site

图9 D层土壤（200~300 cm）重金属含量空间分布特征Figure 9 Spatial distribution of heavy metals content for the soil profile D（200-300 cm）in reservoir region

2.2.2 潜在生态风险指数法评价

从Eir来看，土壤Cu、Zn、Pb、Ni、Cr 和As 6 种重金属的Eir远小于40，说明库区4 层土壤中重金属生态危害程度均为轻微级别生态风险（表3），这与张雷等[28]对丹江口水库迁建区土壤重金属生态风险评价的结果一致。其余2 种重金属中，Cd 在A 层、C 层和D 层土壤中Eir平均值大于40，潜在生态风险处于中等级别，而Hg仅在A 层土壤Eir平均值大于40，处于中等级别生态风险。总体来看，大约58.09%的土壤可能处于轻微生态风险级别（Eir<40），33.09%的土壤处于中等生态风险级别，仅有3.23%的土壤处于强生态风险级别。

表3 库区土壤重金属潜在生态风险指数评价Table 3 Potential ecological risk index of heavy metals in the reservoir soils

从RI来看，随着土层深度增加，RI逐步降低，4层土壤RI的平均值依次为119.8、92.4、92.0 和78.3（表3）。库区94.12%的土壤RI值小于150，属于轻微级别风险；5.88%的土壤RI值小于300，处于中等级别风险。这些结果进一步表明库区重金属总体生态风险水平处于轻微级别。类似地，历军等[29]研究珠江三角洲某饮用水源地土壤重金属污染与生态风险，发现80%以上的土壤中Cd生态风险处于极强生态危害级别，而Zn、Ni和Cr则属于轻微级别。结合单因子指数法评价结果，本研究表明高新沙库区土壤重金属总体环境风险极低，对水质安全可能不会造成影响，适于作为水库建设用地。

2.3 广东省现行水库土壤重金属含量的对比分析

对比文献报道的广东省现行水库底泥中重金属含量结果（表4），拟建高新沙水库4 层土壤中Cu、Zn、Cd、Pb和Hg 5种重金属含量普遍低于现行水库含量。譬如，高新沙水库土壤Cd 平均含量为0.15 mg·kg-1，普遍低于粤东水库（0.49 mg·kg-1）、粤西水库（0.17 mg·kg-1）、粤北水库（1.46 mg·kg-1）、粤中水库（0.44 mg·kg-1）、松木山水库（1.63 mg·kg-1）、横岗水库（1.11 mg·kg-1）和五点梅水库（1.00 mg·kg-1）等，但仅高于西丽水库（0.10 mg·kg-1）。此外，Cr 和Ni 的含量与广东现行水库底泥含量相近，其中库区Cr 平均含量为60.95 mg·kg-1，与粤中水库（65.27 mg·kg-1）接近，但低于粤西水库（130.81 mg·kg-1）和粤北水库（85.06 mg·kg-1）。以上对比分析间接反映了该区域土壤重金属对拟建水库水质不会造成不良影响。

表4 广东省水库底泥重金属含量特征（mg·kg-1）Table 4 Characteristics of heavy metals content for reservoir sediment in Guangdong Province（mg·kg-1）

值得注意地是，高新沙库区As 平均含量为20.77 mg·kg-1，高于马尾水库（14.35 mg·kg-1）、松木山水库（11.28 mg·kg-1）、白坑水库（4.22 mg·kg-1）等7 个水库的重金属含量，但低于五点梅水库（25.97 mg·kg-1）和水濂山水库（20.83 mg·kg-1），这些间接说明拟建高新沙库区土壤As 可能对水质存在潜在的风险。因此，在水库库盆阻隔措施中应加强土壤As的检测与防控工作。

3 结论

（1）拟建高新沙水库前3 层（0~200 cm）土壤pH呈现酸性，第4 层（200~300 cm）土壤为弱碱性。4 层土壤中As 普遍轻微超出土壤环境标准筛选值（GB 15618—2018），超标范围为4.17%~35.71%，但最大超标倍数仅为0.39 倍；Cu 仅在前两层土壤中存在轻微超标现象，超标率分别为47.92%（0~50 cm）和11.63%（50~100 cm）；Cd、Pb 和Hg 仅在个别点位中出现极轻微超标现象；Zn、Cr和Ni均未发现超标现象。

（2）拟建高新沙水库土壤中Cu、Zn、Pb、Ni、Cr 和As 6 种重金属的单项潜在生态风险指数值均远小于40，表明重金属的生态风险处于轻微级别，且大约94.12%的库区土壤的综合生态风险指数小于150，说明重金属总体生态风险处于安全水平。

（3）拟建高新沙水库土壤中Cu、Zn、Cd、Pb和Hg 5种重金属含量均普遍低于广东大部分现行水库含量，Cr和Ni 2种重金属含量与现行水库含量接近，As含量略高于部分水库含量，这些间接反映出拟建高新沙水库土壤重金属可能不会对水质造成不良影响。