粤港澳大湾区某新设水源保护区土壤重金属污染与生态风险评价

历 军 赵伟强 俞龙生﹡ 孙斌斌

(1 广州草木蕃环境科技有限公司，华南自然保护与生态修复研究院，广东 广州 510000；2 南开大学环境科学与工程学院，天津城市生态环境修复与污染防治重点实验室，天津 300350)

水源保护区土壤作为密切连接水陆生态系统的特殊类型区域，其生态环境质量优劣直接影响饮用水水质，进而影响人体健康和生命安全(马武生等,2016;于洋等,2013; Gevorg et al, 2017)。近年研究表明，工矿业、农业、交通运输等人类活动输出的重金属，以地表径流或地下径流、大气沉降、固体废物或农药化肥的投放残留等途径聚集，已对土壤环境产生直接或间接的影响，而水源保护区土壤也不可避免受到影响(关卉等,2006;魏静等,2019; Elbana et al,2013)。重金属具有生物毒性，尤其是砷(As)、镉(Cd)、铜(Cu)、铅(Pb)、汞(Hg)等重金属已被美国国家环保局(USEPA)列为内分泌干扰物，重金属还具有富集性和污染持久性等特点，能够在一定条件下从土壤中迁移到水和动植物生态系统中，并通过饮用水和食物链的传递和富集作用影响人类健康(李海兴等,2018;史贵涛等,2008;于洋等,2013;张菊等,2012)。因此，开展饮用水水源保护区土壤重金属生态环境风险监控和分析十分必要。

研究区为2018年新设的河流型水源保护区，由于在已有潮汐河段设立，水源保护区土壤重金属存在历史富集的风险，探究饮用水水源保护区土壤环境风险和生态风险对于该饮用水水源安全具有重大意义。依据《土壤环境监测技术规范》（HJ/T 166—2004）和《生活饮用水卫生标准》（GB5749—2006），选取严格控制类污染物中的重金属，即Cd、As、锌 (Zn)、Pb、Cu、Hg、镍 (Ni)、铬(Cr)8种重金属进行分析，结合污染特征、地积累指数法和潜在生态危害指数法等分析方法，揭示研究区污染特征、环境风险和生态风险状况，以期为该新设水源保护区安全用水提供依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于广东省珠江三角洲海陆交互相沉积腹地，西江下游，保护区地 理 位 置 22°45′2.6″～ 22°45′8.8″ N，113°6′54.3″～ 113°14′8.4″ E。区域属暖温带湿润气候，年降雨量为1 690 mm，海拔0.7～3 m，绝大部分地区为冲积土壤，覆盖着广泛发育的第四系沉积层，区域经过30多年高速经济发展，城市化、工业化特征非常明显(史瑾瑾,2014)。本研究水源地为河流型饮用水源地，叠加研究区域人造地表强度数据，研究区域周边存在不同程度的开发利用(图1)。

图1 水源保护地土壤采样点位图Fig.1 soil sample location in water resource conservation area

1.2 研究方法

1.2.1 土壤采样以HJ/T 166-2004为指导，在水源保护区陆域范围内，即陆域沿岸纵深与河岸的水平距离50～100 m受潮汐影响的区域内进行均匀布点，共采集32个0～20 cm深的土壤表层样品(图1)。每个样点用梅花形布点法采集5个分点位土壤混合，再用四分法取约1 kg的土壤鲜样，用密封的聚乙烯塑料袋带回。

1.2.2 分析测试带回的土壤鲜样在实验室内置于阴凉处自然风干，而后将土样置于塑料板上研磨，过100目土壤筛，进行土壤重金属含量测定。采用HJ/T 166-2004和《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-2018)中推荐的分析方法(表1)。

表1 各监测因子检测方法及检出限Table1 Detection method and detection limit of heavy metals

1.2.3 评价方法

(1)污染特征分析。选取GB15618-2018风险筛选值作为调查数据的评价依据，当重金属含量超过筛选值则表示土壤超过污染风险(雷国建等, 2013;唐磊等, 2015)。以广东省背景值(黄华伟等,2015;杨国义等,2007)作为依据，当重金属含量超过背景值则表示土壤存在累积污染(高清等,2014)。

(2)环境风险评价。地质累积指数也称Muller指数，是区域内土壤元素质量与区域土壤元素背景值进行比较，根据土壤元素含量的增加程度，判断外源输入对土壤元素含量的影响，进而判断土壤累积污染程度(何东明等,2014;陆泗进等,2017;GUO Wei Hua et al,2010)。

式中：Igeo为地质累积指数，共分为7级，Igeo≤0为无污染，0～1为轻度累积污染，1～2为轻中度累积污染，2～3为中度累积污染，3～4为中强度累积污染，4～5为强度累积污染，5～10为极强度累积污染 ；Cn为样品中重金属n的质量浓度，mg/kg；Bn为背景浓度，mg/kg；1.5为修正指数，指岩层差异引起背景值变化的调整系数。

(3)生态风险评价。瑞典学者HaKanson提出的潜在生态危害指数法，广泛应用于土壤重金属污染生态风险评价，见公式(2)和公式(3)。根据土壤重金属污染潜在生态风险分级标准(表2)，将土壤重金属潜在生态危害风险分级(李良忠,2014;徐争启等,2008; Hakansonl, 1980)。

表2 重金属污染潜在生态危害指标和风险分级表Table 2 The relation between heavy metals potential pollution and classification

式中：RI为多种重金属的潜在生态风险指数；为单一重金属i的潜在生态风险系数；为重金属i的毒性相应系数，Hg、Cd、As、Pb、Cu、Ni、Cr和Zn 8种重金属的毒性相应系数依次为：40、30、10、5、5、5、2、1；为重金属i的污染系数；为土壤中重金属i的实测含量；为相应重金属i的背景值。

2 结果与分析

2.1 土壤重金属污染特征分析

本研究区土壤pH为6.5～7.5，依据GB15618-2018确定该土壤酸度下的土壤风险筛选值(表3)。8种重金属平均值与风险筛选值比较表明，Cd超过土壤污染风险，其他7种重金属达标。与广东省土壤背景值结果对比表明，8种重金属平均值均高于广东省土壤背景值，研究区8种重金属均存在累积污染。

32个样品浓度与背景值浓度比值的箱型图反映不同点位重金属含量的差异(图2)，Cu、Cr、Ni、Cd存在离群数据，总离群点位数量为4个，离群比例为12.5%。其中21号点位Cu、Cr、Ni高于其他采样点，这可能与21号点位距离工厂较近有关。18、23号点位低于其他采样点，这可能由于两个采样点位于水厂附近，与保护强度有关。

图2 土壤样品中重金属浓度与土壤背景值浓度的比值分布Fig.2 Distribution of the ratio of heavy metal concentrations in soil to the background value

通过对研究区土壤重金属污染特征分析，8种重金属超过土壤背景值，认为该区域重金属受到人类活动影响，研究区经济发展带来的城镇化、工业化特征明显，导致重金属存在一定的人为排放和土壤累积，通过不同点位重金属含量的差异分析，城镇化、工业化发育程度越高的区域土壤重金属累积的程度越高。

2.2 土壤重金属环境风险分析

以广东省土壤重金属背景浓度作为参考值(表3)，对研究区土壤重金属的地质累积指数进行分析(表4)，从地累积指数平均值分析，各重金属累积污染程度从大到小依次为：Cd＞Zn＞ As＞Cu＞Ni＞Hg＞Pb=Cr。利用公式(1)计算了研究区域32个点位重金属元素的地累积指数(Igeo)，按照Igeo的7个分级统计了每个分级点位的频率(图3)，Cd、Zn、As、Hg、Cu、Ni 6种重金属存在轻中度及以上累积污染频率分别为96.88%、40.63%、31.25%、25%、9.38%、3.13%。其中Cd、As、Zn、Cu受中度累积污染频率分别为46.88%、3.13%、3.13%、3.13%；Cd受中强度及以上累积污染频率总计为50.00%。

表3 研究区域表层土壤重金属含量特征 mg/kgTable 3 Descriptive statistics of heavy metalsin soil mg/kg

表4 地累积指数评价结果Table 4 Evaluation results of geo-accumulation index

图3 采样点重金属地累积指数的频率分布Fig.3 Frequency distribution of geo-accumulationindex of heavy metals in sampling sites

根据地质累积指数，研究区Pb、Cr的Igeo为-1.05～0.73，属于无污染～轻度污染；Ni、Hg的Igeo为-1.91～1.94，属于无污染～轻中度污染；Cu、Zn、As的Igeo为-0.49～2.37，属于无污染～中度污染；Cd的Igeo为0.32～6.04，属于轻度污染～极强污染。Cd表现出极强污染，这可能与其易积累和土壤环境背景值低有关(何东明等,2014;陆泗进等,2017;于云江等,2010)。研究结果表明：8种重金属均存在一定的累积，其中Cd的累积污染强度最大。

2.3 土壤重金属生态风险分析

以广东省土壤元素背景值作为参比值(表3)，对研究区土壤重金属潜在生态风险进行评价（表5），单一重金属潜在生态风险系数(Eri)的平均值表明，各重金属元素风险程度从大到小依次为：Cd＞Hg＞As＞ Cu＞Ni＞Pb＞Zn＞Cr。利用公式(2)计算了研究区32个点位8种重金属元素的潜在生态风险系数 (Eri)，按照Eri的 5 个等级统计了每个等级点位的频率(图4)，其中As中度生态风险的频率为21.88%；Hg强度生态风险的频率为31.25%，很强生态风险的频率为15.63%；Cd很强生态风险的频率为43.75%，极强生态风险的频率为53.15%。

表5 潜在生态风险指数评价结果Table 5 Evaluation results of potential ecological risk index

图4 采样点潜在生态风险指数的频率分布Fig.4 Frequency distribution of potential ecological risk index of heavy metals in sampling sites

根据单一重金属潜在生态风险系数(E ri)，Cu、Cr、Ni、Zn、Pb 的E ri为 1.07 ～ 38.82，均小于40，属于轻微生态风险；As的E ri为11.25～60.78，属于轻微～中度生态风；Hg的E ri为15.62～190.86，属于轻微～很强生态风险；Cd的E ri极小值超过了40，极大值超过了320，属于中度～极强生态风险。Cd和Hg表现出很强和极强的生态风险可能与其背景值低及毒性相应系数大有关(王铁宇,2007; 于洋等,2013; 蔡怡敏等,2016; Tyler et al, 1989)。利用公式(3)得出多种重金属的潜在生态风险指数(RI)，其轻度、中度、强度和很强生态风险频率分别为3.13%、3.13%、50%、43.74%，表明研究区大部分区域综合生态风险为强度及以上，这与区域的综合开发强度、城镇化和工业化程度有关。

3 结论与建议

(1) Cd、As、Zn、Pb、Cu、Hg、Ni、Cr 8 种重金属与GB 15618—2018风险筛选值相比，Cd存在土壤污染风险，其余7种重金属达标。8种重金属平均值均高于广东省土壤背景值，表明研究区水源地土壤重金属存在累积污染。

(2)地质积累指数评价表明，Pb、Cr属于无～轻度累积污染，Ni、Hg属于无～轻中度累积污染，Cu、Zn、As属于无～中度累积污染，Cd属于轻度～极强度累积污染。

(3)单一金属潜在生态危害指数评价表明，Cu、Cr、Ni、Zn、Pb属于轻微生态风险，As属于轻微～中度生态风险，Hg属于轻微～很强生态风险，Cd属于中度～极强生态风险。研究区大部分区域表现出强度及以上综合生态风险。

(4) Cd存在土壤污染风险，且表现出极强度累积风险和生态风险，应加强水源地监管，避免产生外源输入，并开展水岸生态带构建和植物修复。Hg不存在土壤污染风险，但表现出很强的生态风险，可能与Hg的环境背景值低和生态毒性系数高有关。