劉德成，李玉倩，鄭純靜，李希賢

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)總公司，北京 100050）

隨著城市化的快速發(fā)展，北京市土壤污染問題已經(jīng)成為城市發(fā)展面臨的突出問題。由于土壤重金屬污染具有長(zhǎng)期累積性、生態(tài)毒理性、生物富集放大性等特點(diǎn)，對(duì)地區(qū)生態(tài)環(huán)境、食品安全和人體健康構(gòu)成持續(xù)性威脅[1]，所以，土壤重金屬污染問題是制約和影響北京城市發(fā)展的重要因素。選取合適的評(píng)價(jià)方法，準(zhǔn)確評(píng)估土壤重金屬含量的風(fēng)險(xiǎn)程度，不僅能科學(xué)指導(dǎo)土地規(guī)劃利用，控制和減輕重金屬污染帶來的危害，還能為社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展提供參考依據(jù)[2]。

目前，有關(guān)土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的方法較多[3～8]，其中，評(píng)價(jià)體系最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的評(píng)價(jià)方法是指數(shù)評(píng)價(jià)法[9]，其是基于重金屬總量的評(píng)價(jià)方法，能直觀地反映重金屬含量實(shí)測(cè)值與背景值的關(guān)系，進(jìn)而評(píng)價(jià)重金屬在土壤中的風(fēng)險(xiǎn)。指數(shù)評(píng)價(jià)法依據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的不同，可劃分為單項(xiàng)污染指數(shù)法[10，11]、內(nèi)梅羅指數(shù)法[12～15]、地積累指數(shù)法[16，17]和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法[18]等。

本試驗(yàn)選取北京市某衛(wèi)生填埋場(chǎng)周邊土壤為研究對(duì)象，分析土壤重金屬的污染特征，并選取多種評(píng)價(jià)方法開展土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。針對(duì)不同評(píng)價(jià)方法的污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果，采用surfer軟件（版本13）繪制污染指數(shù)等值線圖，分析不同評(píng)價(jià)方法之間污染指數(shù)等值線圖的區(qū)域空間分布特征，不僅可為區(qū)域土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法的選擇積累經(jīng)驗(yàn)，還可為土壤重金屬污染評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

北京市某衛(wèi)生填埋場(chǎng)位于北京市海淀區(qū)，是北京市建成的標(biāo)準(zhǔn)化垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)，總占地面積約0.47 km2，其中填埋區(qū)占地約0.35 km2。以衛(wèi)生填埋場(chǎng)為中心，選取垂直地下水流動(dòng)方向?qū)? km、沿地下水流動(dòng)方向長(zhǎng)6 km的長(zhǎng)方形區(qū)域進(jìn)行研究，研究區(qū)面積24 km2。

研究區(qū)主要被第四系所覆蓋，其下隱伏基巖及其周邊山區(qū)出露巖石地層有奧陶系（O）、石炭-二疊系（C-P）、侏羅系（J1-2）、侵入巖體。第四系地層主要成因于山前及南沙河洪積、沖洪積作用，形成厚約200 m的第四紀(jì)沉積物，分為中更新統(tǒng)（Qp2）、上更新統(tǒng)（Qp3）和全新統(tǒng)（Qh）。

研究區(qū)第四系松散孔隙水在垂向上劃分為淺層、中層和深層3個(gè)主要含水層組。淺層主要為潛水含水層和淺部承壓含水層，其中，含水層底板埋深一般為20～40 m，含水層組巖性以中粗砂、中細(xì)砂、粉砂、粉質(zhì)砂土、砂質(zhì)黏土為主。中層為中部承壓含水層組，含水層埋深一般為60～100 m，底板埋深一般為80～120 m，該含水層組由多層砂和黏性土組成，單層厚度一般5～10 m，累計(jì)厚度多小于20 m。深層為深層承壓含水層組，含水層頂板埋深一般為100～120 m，底板埋深一般為180～250 m（部分地區(qū)可達(dá)300 m），該含水層巖性以多層中粗砂含礫、中細(xì)砂為主，累計(jì)厚度20～35 m。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location of the study area

1.2 土樣采集與指標(biāo)分析

1.2.1 樣品采集 采用布設(shè)工程鉆孔方式采集土樣。以垃圾填埋場(chǎng)為中心，沿地下水流方向布設(shè)剖面線，鉆孔間距400 m，剖面線間距600 m。共布設(shè)剖面線4條，布設(shè)鉆孔26個(gè)，孔深60 m，部分鉆孔位置根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整。因衛(wèi)生填埋場(chǎng)坑底在地表以下25 m，本次研究采用各鉆孔地表以下30 m處的土樣進(jìn)行指標(biāo)檢測(cè)。

原狀土樣采用快速靜力連續(xù)壓入法，軟塑至流塑狀態(tài)的黏性土采用薄壁取土器壓入取土；砂質(zhì)粉土和砂土采用環(huán)刀取樣器或二重管取土器取樣。土樣長(zhǎng)度不小于20 cm。

1.2.2 指標(biāo)測(cè)定 土壤重金屬污染物檢測(cè)指標(biāo)為砷（As）、汞（Hg）、鉛（Pb）和六價(jià)鉻（Cr6+）含量。其中，As含量測(cè)定采用硼氫化鉀-硝酸銀分光光度法（GB/T 17135）；Hg含量測(cè)定采用冷原子吸收分光光度法（GB/T 17136）；Pb含量測(cè)定采用KI-MIBK萃取火焰原子吸收分光光度法（GB/T 17140）；Cr6+含量測(cè)定采用比色法（EPA 7196）。

1.3 土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

1.3.1 單項(xiàng)污染指數(shù)法 單因子污染評(píng)價(jià)法是《全國(guó)土壤污染狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)定》 （環(huán)發(fā)【2008】39號(hào)）中推薦的一種評(píng)價(jià)方法，其應(yīng)用簡(jiǎn)單、便于對(duì)比，是其他環(huán)境質(zhì)量分級(jí)、環(huán)境質(zhì)量指數(shù)和綜合評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)[19]。單項(xiàng)污染指數(shù)計(jì)算公式為：

式中，Pi為土壤中重金屬污染物i的單項(xiàng)污染指數(shù)；i為土壤中第i種重金屬污染物；Ci為土壤中重金屬污染物i的實(shí)測(cè)值（mg/kg）；Si為土壤中重金屬污染物i的背景值或標(biāo)準(zhǔn)值（mg/kg）。

1.3.2 地積累指數(shù)法 地積累指數(shù)又稱Mull指數(shù)，是20世紀(jì)60年代晚期在歐洲發(fā)展起來的廣泛用于研究沉積物及其他物質(zhì)中重金屬污染程度的定量指標(biāo)。地積累指數(shù)計(jì)算公式為：

式中，Igeoi為土壤中重金屬污染物i的地積累指數(shù)；i為土壤中第i種重金屬污染物；Ci為土壤中重金屬污染物i的實(shí)測(cè)值（mg/kg）；Si為土壤中重金屬污染物i的背景值或標(biāo)準(zhǔn)值（mg/kg）；Pi為土壤中重金屬污染物i的單項(xiàng)污染指數(shù)；k為巖石差異引起背景值變動(dòng)而取的修正系數(shù)，取1.5。

評(píng)價(jià)重金屬的污染，除必須考慮到人為污染因素、環(huán)境地球化學(xué)背景值外，還應(yīng)考慮到由于自然成巖作用可能會(huì)引起背景值變動(dòng)的因素。地累積指數(shù)法注意到了此因素，彌補(bǔ)了其他評(píng)價(jià)方法的不足[20]。

1.3.3 內(nèi)梅羅指數(shù)法 內(nèi)梅羅指數(shù)法是在單項(xiàng)污染指數(shù)法的基礎(chǔ)上，針對(duì)土壤重金屬對(duì)環(huán)境質(zhì)量影響進(jìn)行的綜合評(píng)價(jià)。內(nèi)梅羅指數(shù)法主要突出污染最大值對(duì)所測(cè)土壤的污染程度，以反映土壤的綜合污染狀況[8]。內(nèi)梅羅污染指數(shù)計(jì)算公式為：

式中，PN為內(nèi)梅羅污染指數(shù)；i為土壤中第i種重金屬污染物；Pimax為土壤中各重金屬污染指數(shù)的最大值；Piavg為土壤中各重金屬污染指數(shù)的平均值。

1.3.4 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法是國(guó)際通用的土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法之一。其結(jié)合環(huán)境化學(xué)、生物毒理學(xué)、生態(tài)學(xué)等方面的內(nèi)容，以定量的方法劃分出重金屬潛在危害的程度，是目前此類研究中應(yīng)用較為廣泛的一種方法[21]。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算公式為：

式中，RI為土壤中重金屬污染物潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；i為土壤中第i種重金屬污染物；n為土壤中重金屬污染物的種類數(shù)；Ci為土壤中重金屬污染物i的實(shí)測(cè)值（mg/kg）；Si為土壤中重金屬污染物i的背景值或標(biāo)準(zhǔn)值（mg/kg）；Pi為土壤中重金屬污染物i的單項(xiàng)污染指數(shù)；Ti為重金屬i的毒性響應(yīng)系數(shù)，Hg、As、Pb 的 Ti分別為 40、10、5。

1.3.5 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 采用《全國(guó)土壤污染狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)定》 （環(huán)發(fā)【2008】39號(hào)）中重點(diǎn)區(qū)域土壤污染評(píng)價(jià)參考值（除蔬菜地外） 中Hg、Pb、As的參考值作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值。其中，Hg參考值為10 mg/kg，Pb參考值為530 mg/kg，As參考值為55 mg/kg。不同指數(shù)法的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不同：Pi≤1，土壤無污染；Igeo≤0，土壤清潔；PN≤0.7，土壤清潔（安全）；RI＜150，土壤為輕微生態(tài)危害。

針對(duì)不同評(píng)價(jià)方法的污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果，采用surfer軟件（版本13）繪制污染指數(shù)等值線圖，分析不同評(píng)價(jià)方法之間污染指數(shù)等值線圖的區(qū)域空間分布特征。污染指數(shù)等值線圖采用surfer軟件（版本13）繪制，網(wǎng)格化算法采用克里金插值法。為了凸顯各評(píng)價(jià)方法所繪制的污染指數(shù)等值線圖之間的差異，各污染指數(shù)等值線圖中最大等值線數(shù)值與等值線間隔值之比控制在 20～30。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬單項(xiàng)污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.1.1 單項(xiàng)污染物污染程度分析 測(cè)試土樣均未檢測(cè)出 Cr6+；As、Hg和 Pb的 P 均＜1，Igeo均＜0 （表 1）。根據(jù)單項(xiàng)污染指數(shù)法和地積累指數(shù)法的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（P≤1為無污染，Igeo≤0為清潔），研究區(qū)土壤未受到重金屬Cr6+、As、Hg和Pb的污染，土壤處于清潔狀態(tài)。

表1 土壤各重金屬含量及其污染指數(shù)Table 1 Contents and pollution index of heavy metals in soil

2.1.2 潛在主要污染分析 根據(jù)綜合污染指數(shù)貢獻(xiàn)率（土壤中某重金屬污染物的單項(xiàng)污染指數(shù)除以全部重金屬的單項(xiàng)污染指數(shù)總和）判斷。綜合污染指數(shù)貢獻(xiàn)率越高，表明該污染物在土壤環(huán)境綜合污染評(píng)價(jià)中越占主導(dǎo)作用。

測(cè)試土樣As、Hg和Pb的平均綜合污染指數(shù)貢獻(xiàn)率分別為67.73%、2.32%和29.95%（表2）。表明研究區(qū)土壤重金屬的主要潛在污染物為As，其次為Pb，Hg的平均污染貢獻(xiàn)率最小。

2.1.3 評(píng)價(jià)方法對(duì)比分析 根據(jù)污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果，采用surfer軟件（版本13） 分別繪制Hg、Pb和As的單元素污染指數(shù)等值線圖（圖2～4）?？梢钥闯觯謩e采用單項(xiàng)污染指數(shù)法和地積累指數(shù)法對(duì)同一污染物進(jìn)行評(píng)價(jià)，依據(jù)這2種方法分別繪制的區(qū)域污染指數(shù)等值線圖在區(qū)域空間分布形態(tài)上基本一致。根據(jù)各評(píng)價(jià)方法的污染等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，所得出的污染程度定性結(jié)論也基本一致。

2種方法所繪制的區(qū)域污染指數(shù)等值線圖形態(tài)一致性產(chǎn)生的原因在于：地積累指數(shù)法雖然考慮了因自然成巖作用可能會(huì)引起背景值變動(dòng)的因素，并為此設(shè)定了修正系數(shù)k，但k是一個(gè)區(qū)域性概念修正系數(shù)，除非研究區(qū)域足夠大，否則，在一定區(qū)域范圍內(nèi)，此數(shù)一般為固定值（如，一般取值為1.5）。

2.2 土壤重金屬綜合污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.2.1 重金屬綜合污染程度分析 研究區(qū)土壤重金屬總量可以揭示區(qū)域重金屬的累積狀況。測(cè)試土樣未檢測(cè)出Cr6+，其他3種重金屬元素的 RI均＜150，PN均＜0.7（表3）。根據(jù)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)法和內(nèi)梅羅污染指數(shù)法的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)〔RI＜150為輕微生態(tài)危害，PN≤0.7為清潔（安全）〕，研究區(qū)土壤未受到重金屬Cr6+、As、Hg和Pb的污染，土壤處于清潔（安全）狀態(tài)。

2.2.2 評(píng)價(jià)方法對(duì)比分析 根據(jù)綜合污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果，采用surfer軟件（版本13） 繪制土壤綜合污染指數(shù)等值線圖（圖5）。可以看出，分別采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)法和內(nèi)梅羅污染指數(shù)法進(jìn)行土壤污染評(píng)價(jià)，依據(jù)這2種方法分別繪制的區(qū)域綜合污染指數(shù)等值線圖在區(qū)域空間分布形態(tài)上基本一致。根據(jù)各評(píng)價(jià)方法的污染等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，所得出的污染程度定性結(jié)論也基本一致。

表2 土壤重各金屬的綜合污染指數(shù)貢獻(xiàn)率Table 2 Contribution rate of comprehensive pollution index of heavy metals in soil （%）

圖2 Hg污染指數(shù)等值線圖Fig.2 Isoline map of Hg pollution index

圖3 Pb污染指數(shù)等值線圖Fig.3 Isoline map of Pb pollution index

圖4 As污染指數(shù)等值線圖Fig.4 Isoline map of As pollution index

表3 土壤重金屬的綜合污染指數(shù)Table 3 Comprehensive pollution index of heavy metals in soil

圖5 土壤重金屬綜合污染指數(shù)等值線圖Fig.5 Isoline map of comprehensive pollution index of heavy metals in soil

2種方法所繪制的區(qū)域綜合污染指數(shù)等值線圖形態(tài)一致性產(chǎn)生的原因在于：研究區(qū)土壤重金屬污染物Hg、Pb、As的綜合污染指數(shù)貢獻(xiàn)率差異較大，其中As的貢獻(xiàn)率最高，在綜合污染評(píng)價(jià)中發(fā)揮了主導(dǎo)作用，而Hg和Pb的貢獻(xiàn)率較低。

相比Hg和Pb，As對(duì)土壤環(huán)境污染程度的貢獻(xiàn)率過高，這也造成了As單一指標(biāo)的區(qū)域污染指數(shù)等值線圖在區(qū)域空間分布形態(tài)上與土壤重金屬綜合污染指數(shù)等值線圖基本一致。

3 結(jié)論與建議

選擇指數(shù)評(píng)價(jià)法作為區(qū)域土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法時(shí)，在具體方法的選擇上，可以考慮以下結(jié)論與建議：

（1）當(dāng)研究區(qū)范圍不大或自然成巖作用影響不明顯時(shí)，選用單項(xiàng)污染指數(shù)法或地積累指數(shù)法對(duì)單項(xiàng)污染物的污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致。建議選用單項(xiàng)污染指數(shù)法，因?yàn)榇朔ǜ憬荨?/p>

（2）進(jìn)行區(qū)域土壤重金屬綜合污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí)，可以先計(jì)算土壤中各重金屬污染物的綜合污染指數(shù)貢獻(xiàn)率。當(dāng)其中一種污染物貢獻(xiàn)率較高時(shí)（一般在50%以上），內(nèi)梅羅指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法的各自優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)并不明顯，2種方法評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致。建議從2個(gè)方法中任選一種開展綜合污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作。