某工業(yè)區(qū)遺留場(chǎng)地土壤重金屬污染及健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)*

鐘振宇， 杜紅花,， 陳 燦， 陳躍輝， 萬(wàn) 勇

(1.湖南省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.湘潭大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，湖南 湘潭 411105)

近年來(lái)，中國(guó)的土壤污染引起了廣泛的關(guān)注.由于過(guò)去幾十年土地資源高度利用和經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，中國(guó)的土壤污染已逐漸出現(xiàn)[1].研究表明，工業(yè)活動(dòng)對(duì)土壤金屬濃度的影響明顯地勝過(guò)氣候條件和土壤性質(zhì)[2].目前工礦區(qū)土壤重金屬超標(biāo)率超過(guò)30%,其中，工礦企業(yè)、工業(yè)荒地污染超標(biāo)率分別為36.3%，34.9%[3].顯然，工礦區(qū)土壤污染特別嚴(yán)重，會(huì)造成巨大威脅和危害.隨著城市的發(fā)展，許多遺留工業(yè)場(chǎng)地土地的性質(zhì)發(fā)生了變化，有的將作為城市建設(shè)用地，而遺留工業(yè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)榫幼∮玫鼗蛏虡I(yè)用地時(shí)，在某種程度上必然會(huì)對(duì)人體的健康產(chǎn)生影響，需要在其重新規(guī)劃使用前對(duì)污染場(chǎng)地進(jìn)行健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究[4-6].湖南是我國(guó)重要的重金屬礦區(qū)之一 , 分布著大量?jī)?yōu)質(zhì)鉛鋅礦和銅鋅礦等重金屬礦.而重金屬元素與人體健康密切相關(guān)，土壤重金屬可以通過(guò)多種途徑直接或間接危害人體健康[7].因此需要對(duì)土壤污染物進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估.土壤污染風(fēng)險(xiǎn)一般是指各種來(lái)源的土壤污染物對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人體健康造成的有害影響.土壤污染物、污染源和土壤污染風(fēng)險(xiǎn)受體是土壤污染風(fēng)險(xiǎn)的主要因素.風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估目前是一項(xiàng)重要的土壤管理方法，我國(guó)對(duì)于污染場(chǎng)地人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究比較滯后[8].今對(duì)湖南省某遺留工業(yè)區(qū)進(jìn)行場(chǎng)地調(diào)查，采集土壤樣品，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果利用地累積指數(shù)法和健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估法對(duì)場(chǎng)地污染情況和污染物對(duì)人體健康的影響進(jìn)行評(píng)估.選擇最佳空間變異函數(shù)模型，通過(guò)克里金插值對(duì)土壤重金屬進(jìn)行空間分析[9],旨在為該遺留工業(yè)區(qū)后期土地開發(fā)利用提供科學(xué)性依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本次調(diào)查工業(yè)區(qū)坐落于湖南省某區(qū)東北部，市區(qū)鐵路專用線幾乎全部坐落于該區(qū)域，經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)較好，特別是區(qū)域西部地區(qū)，自20世紀(jì)60年代末起步，幾經(jīng)調(diào)整，逐步形成了以化工(醫(yī)藥)、機(jī)械、皮革、紡織為主的工業(yè)區(qū)，一直在該市經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有重要地位.本次調(diào)查位于該工業(yè)區(qū)內(nèi)，調(diào)查區(qū)域總面積約為 40.14 畝，場(chǎng)地四周主要為：東側(cè)，環(huán)保公司的干化場(chǎng)地；南側(cè)，馬路對(duì)面為化工公司和化肥廠；西側(cè)，加油站和鐵路軌道；北側(cè)，某合成藥分廠、居民區(qū)及農(nóng)田.場(chǎng)地內(nèi)共有 3 個(gè)堆渣區(qū)域，該 3 個(gè)堆渣均為企業(yè)垃圾乘夜傾倒形成，形成歷史為20～30 年.調(diào)查區(qū)周邊情況如圖1所示.依據(jù)當(dāng)?shù)卣囊?guī)劃說(shuō)明文件，該調(diào)查區(qū)未來(lái)規(guī)劃為公園綠地使用.

1.2 樣品采集與測(cè)定

由于調(diào)查到的場(chǎng)地地層具有一定的變化性，不同的地層對(duì)污染物的遷移轉(zhuǎn)化起到不同的作用，因而在土壤調(diào)查中采用分層調(diào)查，在每一個(gè)主要地層中都要選取代表性的樣品.首先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘和資料收集的初步分析，在場(chǎng)區(qū)每個(gè)有代表性的區(qū)域進(jìn)行快速污染源采樣分析調(diào)查，然后根據(jù)進(jìn)一步分析判斷進(jìn)行局部區(qū)域布點(diǎn)，這樣可以使調(diào)查布點(diǎn)更有針對(duì)性和科學(xué)性.根據(jù)《場(chǎng)地環(huán)境調(diào)查技術(shù)導(dǎo)則》(HJ25.1-2014)中相關(guān)要求，以經(jīng)驗(yàn)判斷法、系統(tǒng)布點(diǎn)法和加密布點(diǎn)法相結(jié)合的原則來(lái)進(jìn)行采樣點(diǎn)的布設(shè).本次調(diào)查設(shè)計(jì)土壤調(diào)查點(diǎn)位共 26 個(gè)，共采集土樣72個(gè).土壤和堆土采樣點(diǎn)分別用S和G加以區(qū)別.

表1 土壤重金屬檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)

1.3 評(píng)價(jià)方法

1.3.1地累積指數(shù)法地累積指數(shù)法是德國(guó)科學(xué)家 Müller在1969年提出用于研究沉積物中重金屬污染程度的定量評(píng)估法，不僅能夠反映沉積物中重金屬的分布特征，也可以直觀地判斷人為活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響[10]，同時(shí)兼顧環(huán)境地球化學(xué)背景值和自然成巖作用引起背景值變動(dòng)的因素[11].其計(jì)算公式為：

表2 地積累指數(shù)級(jí)數(shù)表[14]

(1)

式中:Igeo為地累積指數(shù);Cn為樣品中重金屬含量實(shí)測(cè)值(mg·kg-1);Bn為參比值(mg·kg-1)，本文選取《湖南重金屬污染場(chǎng)地土壤修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)》(DB43/T1165—2016);k為修正系數(shù)，一般取值1.5.依據(jù)Igeo的計(jì)算，將重金屬的污染程度分為7個(gè)等級(jí)，具體見表2.

1.3.2健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法本次調(diào)查范圍未來(lái)規(guī)劃為綠化用地，依據(jù)《湖南重金屬污染場(chǎng)地土壤修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)》(DB43/T1165—2016)居住用地標(biāo)準(zhǔn)，綠化用地歸屬于居住用地，故本文將以《污染場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》(HJ25.3—2014)，(以下簡(jiǎn)稱《導(dǎo)則》)中敏感用地適當(dāng)模型計(jì)算重金屬上述3種途徑對(duì)人體的致癌和非致癌風(fēng)險(xiǎn).

1.3.3數(shù)據(jù)處理土壤重金屬數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采用Excel 2016 進(jìn)行分析，土壤重金屬地累積指數(shù)分級(jí)空間分布圖使用地理信息系統(tǒng)ArcGIS 10.2.2中地統(tǒng)計(jì)分析工具簡(jiǎn)單克里金插值方法制作，制作前轉(zhuǎn)換樣本數(shù)據(jù)，使其符合正態(tài)分布[12].

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤調(diào)查結(jié)果

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，各點(diǎn)位均有該7種重金屬檢出，具體信息如表3.

據(jù)表3可知，該遺留工業(yè)區(qū)重金屬在農(nóng)田區(qū)范圍內(nèi)Hg和Cu均未超標(biāo)，其余重金屬均有不同程度超標(biāo)，超標(biāo)率順序從大到小依次為As>Cd>Pb>Ni>Cr.變異系數(shù)是反映采樣點(diǎn)之間某屬性的平均變異程度[13]，其值可以反應(yīng)人為活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響，變異系數(shù)越大說(shuō)明受人為活動(dòng)的干擾越強(qiáng).農(nóng)田區(qū)7種重金屬變異系數(shù)普遍超過(guò)70%，Cd、As、Cr、Pb均超過(guò)100%，表明農(nóng)田區(qū)的重金屬污染受人為影響十分嚴(yán)重，這很有可能與農(nóng)田區(qū)周邊人為傾倒的3個(gè)堆土區(qū)有關(guān).

表3 土壤重金屬基本參數(shù)統(tǒng)計(jì)

堆土區(qū)各重金屬的變異系數(shù)大于農(nóng)田區(qū)，這與該 3 個(gè)堆土區(qū)均為企業(yè)垃圾乘夜傾倒形成，形成歷史20～30年的事實(shí)相符.重金屬超標(biāo)率依次為As> Ni> Cd> Pb> Cu> Hg> Cr.從整個(gè)調(diào)查區(qū)看，As、Cd的污染最為嚴(yán)重.長(zhǎng)時(shí)間暴露在高砷環(huán)境中會(huì)對(duì)人體造成嚴(yán)重的健康問(wèn)題[14-15]，接觸過(guò)量的砷可導(dǎo)致全身皮膚、呼吸、消化、神經(jīng)、心肌及免疫系統(tǒng)損傷[16].Cd可以通過(guò)生物鏈進(jìn)入人體，通過(guò)富集作用導(dǎo)致慢性中毒，并使骨骼代謝受阻和肝臟、腎臟受損[17].從圖1可知，調(diào)查區(qū)周圍民居較多，因此必須采取措施予以防治.

2.2 地累積指數(shù)評(píng)價(jià)

據(jù)土壤樣本中重金屬含量的分析結(jié)果計(jì)算得到地累積指數(shù)(Igeo)及污染級(jí)別空間分布圖見表4和圖2.除As之外，其余重金屬地累積指數(shù)平均值均小于0，說(shuō)明若按平均值計(jì)算，此6種重金屬在該區(qū)域?qū)儆跓o(wú)污染狀態(tài)，As處于中污染.但7種重金屬地累積指數(shù)最大值均大于0，特別是As和Cd達(dá)到極度污染，Pb、Ni、Cu處于強(qiáng)污染～極度污染，Cr和Hg達(dá)到強(qiáng)污染.從污染分級(jí)比例知，Cr、Hg、Cu無(wú)污染樣本數(shù)均大于90%，表明總的來(lái)說(shuō)在該區(qū)域此3種重金屬污染輕微，將該3種重金屬地累積指數(shù)小于0的點(diǎn)位去除，其主要產(chǎn)生污染點(diǎn)位見圖2，Cr污染點(diǎn)位為S4、S10、S11和G10, Hg主要位于G2 、G7、G9和G10，且全部位于堆土區(qū)，Cu集中在G9、G10、G11、G15，主要來(lái)自堆土區(qū)1和2.因該3種重金屬地累積指數(shù)過(guò)于集中于負(fù)值，故本文只考慮其余4種重金屬地累積指數(shù)空間分布.從土壤樣本污染分級(jí)比例知，As和Cd的污染最為嚴(yán)重，分別達(dá)到58%和44%，且As有18%的土壤樣本屬于極度污染狀態(tài).據(jù)圖2可知，As元素的污染區(qū)域主要集中在3個(gè)堆土區(qū)周邊，中污染～強(qiáng)污染以上區(qū)域主要集中于堆土區(qū)1，可見堆土區(qū)1周邊As污染尤其嚴(yán)重. Cd元素污染區(qū)集中于農(nóng)田區(qū)1農(nóng)田區(qū)2及堆土區(qū)1，且與堆土區(qū)關(guān)系沒(méi)有其他重金屬緊密，這可能與農(nóng)業(yè)操作中噴灑農(nóng)藥有關(guān)[23].Ni的無(wú)污染～中污染區(qū)主要集中在堆土區(qū)2和堆土區(qū)1西南角，且中污染以上區(qū)域位于堆土區(qū)1西南.Pb元素的污染區(qū)全部集中在堆土區(qū)1.總的來(lái)看，堆土區(qū)1及周邊區(qū)域污染情況最為嚴(yán)重，在未來(lái)該區(qū)域作為城市公園綠地使用中，需特別注意防范.

2.3 健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

2.3.1暴露途徑和暴露量土壤重金屬可能通過(guò)3種途徑損害人體健康，經(jīng)口直接攝入、經(jīng)口鼻呼吸吸入土壤顆粒物、通過(guò)暴露的皮膚接觸土壤暴露.因Pb在《導(dǎo)則》中缺乏參數(shù)，故本次參與健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重金屬為Hg、As、Cd、Cr 、Ni、Cu.除As和Cd外，其余重金屬在《導(dǎo)則》中均無(wú)皮膚接觸吸收效率因子(ABSd)，只考慮經(jīng)口攝入和吸入土壤顆粒物兩種暴露途徑.根據(jù)《導(dǎo)則》A1敏感用地暴露評(píng)估模型中的公式A1.1、A1.2、A1.3以及附錄G的參數(shù)推薦值計(jì)算.現(xiàn)階段研究中一般不考慮人體中的生物可利用性，而是將某種污染物含量作為計(jì)算暴露量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[18].因此，在計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)商的時(shí)候往往會(huì)出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)過(guò)高的情況[19].

表4 土壤重金屬地累積指數(shù)(Igeo)

2.3.2風(fēng)險(xiǎn)表征對(duì)于致癌風(fēng)險(xiǎn)(CR)，《導(dǎo)則》推薦單一污染物的可接受致癌風(fēng)險(xiǎn)水平為10-6，對(duì)于非致癌風(fēng)險(xiǎn)，用危害商(HQ)表征.《導(dǎo)則》中推薦單一污染物可接受危害商為1，各重金屬致癌斜率因子及參考量見表5.

表5 重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)斜率系數(shù)和參考劑量

注：SFois、SFdcs、SFpis分別表示經(jīng)口攝入、皮膚接觸、吸入土壤顆粒物途徑下的致癌斜率因子；RfDois、RfDdcs、RfDpis分別表示經(jīng)口攝入、皮膚接觸、吸入土壤顆粒物途徑下的非致癌參考劑量.

考慮到該場(chǎng)地將作為公園綠地使用，未來(lái)地勢(shì)將會(huì)平坦化處理，故將場(chǎng)地土壤按照上層、中層、下層土壤模式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，根據(jù)每種污染物在該層的最大值(A)和平均濃度值(B)計(jì)算其風(fēng)險(xiǎn)水平，將堆土第一層視為上層，第二層和第三層視為中層，第四層和第五層視為下層.風(fēng)險(xiǎn)水平的計(jì)算均采用該層相應(yīng)的土工參數(shù)，最大限度地保證風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的真實(shí)可靠性.農(nóng)田各污染重金屬致癌風(fēng)險(xiǎn)與危害商計(jì)算結(jié)果見表6.農(nóng)田區(qū)As和Cr上層土壤均有致癌風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到10-3級(jí)別，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)10-6的標(biāo)準(zhǔn)值.非致癌風(fēng)險(xiǎn)As和Cr在上層土壤分別達(dá)到最大值231和29；Cd的非致癌風(fēng)險(xiǎn)在中層達(dá)到最大值為18.整個(gè)農(nóng)田區(qū)除Hg和Ni的致癌風(fēng)險(xiǎn)和非致癌風(fēng)險(xiǎn)較輕以外，其余污染物均具有較嚴(yán)重的致癌風(fēng)險(xiǎn)和非致癌風(fēng)險(xiǎn).農(nóng)田區(qū)土壤上層污染情況較之中下層重，這表明農(nóng)田區(qū)的重金屬污染具有一定的外源性.

表6 農(nóng)田區(qū)重金屬致癌風(fēng)險(xiǎn)和非致癌風(fēng)險(xiǎn)

續(xù)表

注：加粗字體為未超標(biāo)值；CRois：經(jīng)口直接攝入土壤的致癌風(fēng)險(xiǎn)；CRdcs：皮膚接觸土壤的致癌風(fēng)險(xiǎn)；CRpis:呼吸吸入土壤中顆粒物的致癌風(fēng)險(xiǎn)；CRn：土壤中某種污染物所有暴露途徑的致癌風(fēng)險(xiǎn)；HQois：經(jīng)口直接攝入土壤的非致癌風(fēng)險(xiǎn)；HQdcs：皮膚接觸土壤的非致癌風(fēng)險(xiǎn)；HQpis：呼吸吸入土壤中顆粒物的非致癌風(fēng)險(xiǎn)；HIn：土壤中某種污染物所有暴露途徑的非致癌風(fēng)險(xiǎn)；A：以該層污染物濃度最大值計(jì)算結(jié)果；B：以該層污染物濃度平均值計(jì)算結(jié)果.

堆土區(qū)計(jì)算結(jié)果如表7.計(jì)算結(jié)果表明，堆土區(qū)重金屬污染水平比農(nóng)田區(qū)嚴(yán)峻，As的致癌風(fēng)險(xiǎn)在不同土層中均達(dá)到10-2級(jí)別，下層堆渣中 Cr在A標(biāo)準(zhǔn)下致癌效應(yīng)同樣達(dá)到10-2級(jí)別.As的非致癌風(fēng)險(xiǎn)最大值出現(xiàn)在下層A標(biāo)準(zhǔn)下，達(dá)到4 966，其次為Cr,達(dá)到199，整個(gè)堆渣區(qū)，除Cu的非致癌風(fēng)險(xiǎn)較輕，其余各污染重金屬致癌風(fēng)險(xiǎn)和非致癌風(fēng)險(xiǎn)均十分嚴(yán)峻.整個(gè)調(diào)查場(chǎng)地的重金屬污染嚴(yán)重，污染程度依次為As、Cd、Cr、Ni、Hg，其中As、Cd、Cr 和Ni由于其本身對(duì)人體健康損害嚴(yán)重，在日后的修復(fù)過(guò)程中，需要格外關(guān)注.

表7 堆土區(qū)重金屬致癌風(fēng)險(xiǎn)和非致癌風(fēng)險(xiǎn)

注：同表6.

3 結(jié) 論

(1) 該調(diào)查區(qū)范圍內(nèi)7種重金屬均有不同程度超標(biāo)，總的來(lái)看，綜合超標(biāo)率依次為As>Cd>Ni>Pb>Cu>Hg>Cr.整個(gè)區(qū)域重金屬變異系數(shù)均大于70%，說(shuō)明該調(diào)查區(qū)域重金屬污染受人為干擾很強(qiáng).As、Cd的污染最為嚴(yán)重.

(2) 據(jù)地累積指數(shù)計(jì)算結(jié)果，調(diào)查區(qū)Cr、Hg、Cu無(wú)污染樣本數(shù)均大于90%，表明總的來(lái)說(shuō)在該區(qū)域此3種重金屬污染輕微，As和Cd的污染樣本數(shù)最多，分別達(dá)到58%和44%，堆土區(qū)1及周邊區(qū)域污染情況最嚴(yán)峻，在未來(lái)該區(qū)域作為城市公園綠地使用中，需特別注意修復(fù).

(3) 健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果說(shuō)明，調(diào)查區(qū)內(nèi)除Cu和Hg致癌風(fēng)險(xiǎn)和危害商較輕外，其余重金屬均具有明顯的致癌風(fēng)險(xiǎn)和非致癌風(fēng)險(xiǎn)，As的致癌風(fēng)險(xiǎn)和非致癌風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到10-2級(jí)和4 966，鑒于As元素的毒性，整個(gè)場(chǎng)地對(duì)As的修復(fù)應(yīng)予以特別重視.