某工业区遗留场地土壤重金属污染及健康风险评价*

钟振宇， 杜红花,， 陈 灿， 陈跃辉， 万 勇

(1.湖南省环境保护科学研究院，湖南 长沙 410004；2.湘潭大学 环境与资源学院，湖南 湘潭 411105)

近年来，中国的土壤污染引起了广泛的关注.由于过去几十年土地资源高度利用和经济高速发展，中国的土壤污染已逐渐出现[1].研究表明，工业活动对土壤金属浓度的影响明显地胜过气候条件和土壤性质[2].目前工矿区土壤重金属超标率超过30%,其中，工矿企业、工业荒地污染超标率分别为36.3%，34.9%[3].显然，工矿区土壤污染特别严重，会造成巨大威胁和危害.随着城市的发展，许多遗留工业场地土地的性质发生了变化，有的将作为城市建设用地，而遗留工业用地转变为居住用地或商业用地时，在某种程度上必然会对人体的健康产生影响，需要在其重新规划使用前对污染场地进行健康风险评价研究[4-6].湖南是我国重要的重金属矿区之一 , 分布着大量优质铅锌矿和铜锌矿等重金属矿.而重金属元素与人体健康密切相关，土壤重金属可以通过多种途径直接或间接危害人体健康[7].因此需要对土壤污染物进行风险评估.土壤污染风险一般是指各种来源的土壤污染物对生态系统和人体健康造成的有害影响.土壤污染物、污染源和土壤污染风险受体是土壤污染风险的主要因素.风险评估目前是一项重要的土壤管理方法，我国对于污染场地人体健康风险评估的研究比较滞后[8].今对湖南省某遗留工业区进行场地调查，采集土壤样品，根据检测结果利用地累积指数法和健康风险评估法对场地污染情况和污染物对人体健康的影响进行评估.选择最佳空间变异函数模型，通过克里金插值对土壤重金属进行空间分析[9],旨在为该遗留工业区后期土地开发利用提供科学性依据.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

本次调查工业区坐落于湖南省某区东北部，市区铁路专用线几乎全部坐落于该区域，经济基础较好，特别是区域西部地区，自20世纪60年代末起步，几经调整，逐步形成了以化工(医药)、机械、皮革、纺织为主的工业区，一直在该市经济发展中占有重要地位.本次调查位于该工业区内，调查区域总面积约为 40.14 亩，场地四周主要为：东侧，环保公司的干化场地；南侧，马路对面为化工公司和化肥厂；西侧，加油站和铁路轨道；北侧，某合成药分厂、居民区及农田.场地内共有 3 个堆渣区域，该 3 个堆渣均为企业垃圾乘夜倾倒形成，形成历史为20～30 年.调查区周边情况如图1所示.依据当地政府的规划说明文件，该调查区未来规划为公园绿地使用.

1.2 样品采集与测定

由于调查到的场地地层具有一定的变化性，不同的地层对污染物的迁移转化起到不同的作用，因而在土壤调查中采用分层调查，在每一个主要地层中都要选取代表性的样品.首先根据现场踏勘和资料收集的初步分析，在场区每个有代表性的区域进行快速污染源采样分析调查，然后根据进一步分析判断进行局部区域布点，这样可以使调查布点更有针对性和科学性.根据《场地环境调查技术导则》(HJ25.1-2014)中相关要求，以经验判断法、系统布点法和加密布点法相结合的原则来进行采样点的布设.本次调查设计土壤调查点位共 26 个，共采集土样72个.土壤和堆土采样点分别用S和G加以区别.

表1 土壤重金属检测方法标准

1.3 评价方法

1.3.1地累积指数法地累积指数法是德国科学家 Müller在1969年提出用于研究沉积物中重金属污染程度的定量评估法，不仅能够反映沉积物中重金属的分布特征，也可以直观地判断人为活动对环境的影响[10]，同时兼顾环境地球化学背景值和自然成岩作用引起背景值变动的因素[11].其计算公式为：

表2 地积累指数级数表[14]

(1)

式中:Igeo为地累积指数;Cn为样品中重金属含量实测值(mg·kg-1);Bn为参比值(mg·kg-1)，本文选取《湖南重金属污染场地土壤修复标准》(DB43/T1165—2016);k为修正系数，一般取值1.5.依据Igeo的计算，将重金属的污染程度分为7个等级，具体见表2.

1.3.2健康风险评价法本次调查范围未来规划为绿化用地，依据《湖南重金属污染场地土壤修复标准》(DB43/T1165—2016)居住用地标准，绿化用地归属于居住用地，故本文将以《污染场地风险评估技术导则》(HJ25.3—2014)，(以下简称《导则》)中敏感用地适当模型计算重金属上述3种途径对人体的致癌和非致癌风险.

1.3.3数据处理土壤重金属数据统计采用Excel 2016 进行分析，土壤重金属地累积指数分级空间分布图使用地理信息系统ArcGIS 10.2.2中地统计分析工具简单克里金插值方法制作，制作前转换样本数据，使其符合正态分布[12].

2 结果与讨论

2.1 土壤调查结果

根据检测结果，各点位均有该7种重金属检出，具体信息如表3.

据表3可知，该遗留工业区重金属在农田区范围内Hg和Cu均未超标，其余重金属均有不同程度超标，超标率顺序从大到小依次为As>Cd>Pb>Ni>Cr.变异系数是反映采样点之间某属性的平均变异程度[13]，其值可以反应人为活动对环境的影响，变异系数越大说明受人为活动的干扰越强.农田区7种重金属变异系数普遍超过70%，Cd、As、Cr、Pb均超过100%，表明农田区的重金属污染受人为影响十分严重，这很有可能与农田区周边人为倾倒的3个堆土区有关.

表3 土壤重金属基本参数统计

堆土区各重金属的变异系数大于农田区，这与该 3 个堆土区均为企业垃圾乘夜倾倒形成，形成历史20～30年的事实相符.重金属超标率依次为As> Ni> Cd> Pb> Cu> Hg> Cr.从整个调查区看，As、Cd的污染最为严重.长时间暴露在高砷环境中会对人体造成严重的健康问题[14-15]，接触过量的砷可导致全身皮肤、呼吸、消化、神经、心肌及免疫系统损伤[16].Cd可以通过生物链进入人体，通过富集作用导致慢性中毒，并使骨骼代谢受阻和肝脏、肾脏受损[17].从图1可知，调查区周围民居较多，因此必须采取措施予以防治.

2.2 地累积指数评价

据土壤样本中重金属含量的分析结果计算得到地累积指数(Igeo)及污染级别空间分布图见表4和图2.除As之外，其余重金属地累积指数平均值均小于0，说明若按平均值计算，此6种重金属在该区域属于无污染状态，As处于中污染.但7种重金属地累积指数最大值均大于0，特别是As和Cd达到极度污染，Pb、Ni、Cu处于强污染～极度污染，Cr和Hg达到强污染.从污染分级比例知，Cr、Hg、Cu无污染样本数均大于90%，表明总的来说在该区域此3种重金属污染轻微，将该3种重金属地累积指数小于0的点位去除，其主要产生污染点位见图2，Cr污染点位为S4、S10、S11和G10, Hg主要位于G2 、G7、G9和G10，且全部位于堆土区，Cu集中在G9、G10、G11、G15，主要来自堆土区1和2.因该3种重金属地累积指数过于集中于负值，故本文只考虑其余4种重金属地累积指数空间分布.从土壤样本污染分级比例知，As和Cd的污染最为严重，分别达到58%和44%，且As有18%的土壤样本属于极度污染状态.据图2可知，As元素的污染区域主要集中在3个堆土区周边，中污染～强污染以上区域主要集中于堆土区1，可见堆土区1周边As污染尤其严重. Cd元素污染区集中于农田区1农田区2及堆土区1，且与堆土区关系没有其他重金属紧密，这可能与农业操作中喷洒农药有关[23].Ni的无污染～中污染区主要集中在堆土区2和堆土区1西南角，且中污染以上区域位于堆土区1西南.Pb元素的污染区全部集中在堆土区1.总的来看，堆土区1及周边区域污染情况最为严重，在未来该区域作为城市公园绿地使用中，需特别注意防范.

2.3 健康风险评估

2.3.1暴露途径和暴露量土壤重金属可能通过3种途径损害人体健康，经口直接摄入、经口鼻呼吸吸入土壤颗粒物、通过暴露的皮肤接触土壤暴露.因Pb在《导则》中缺乏参数，故本次参与健康风险评估的重金属为Hg、As、Cd、Cr 、Ni、Cu.除As和Cd外，其余重金属在《导则》中均无皮肤接触吸收效率因子(ABSd)，只考虑经口摄入和吸入土壤颗粒物两种暴露途径.根据《导则》A1敏感用地暴露评估模型中的公式A1.1、A1.2、A1.3以及附录G的参数推荐值计算.现阶段研究中一般不考虑人体中的生物可利用性，而是将某种污染物含量作为计算暴露量的基础数据[18].因此，在计算风险商的时候往往会出现风险过高的情况[19].

表4 土壤重金属地累积指数(Igeo)

2.3.2风险表征对于致癌风险(CR)，《导则》推荐单一污染物的可接受致癌风险水平为10-6，对于非致癌风险，用危害商(HQ)表征.《导则》中推荐单一污染物可接受危害商为1，各重金属致癌斜率因子及参考量见表5.

表5 重金属健康风险斜率系数和参考剂量

注：SFois、SFdcs、SFpis分别表示经口摄入、皮肤接触、吸入土壤颗粒物途径下的致癌斜率因子；RfDois、RfDdcs、RfDpis分别表示经口摄入、皮肤接触、吸入土壤颗粒物途径下的非致癌参考剂量.

考虑到该场地将作为公园绿地使用，未来地势将会平坦化处理，故将场地土壤按照上层、中层、下层土壤模式进行风险评估，根据每种污染物在该层的最大值(A)和平均浓度值(B)计算其风险水平，将堆土第一层视为上层，第二层和第三层视为中层，第四层和第五层视为下层.风险水平的计算均采用该层相应的土工参数，最大限度地保证风险评估的真实可靠性.农田各污染重金属致癌风险与危害商计算结果见表6.农田区As和Cr上层土壤均有致癌风险达到10-3级别，远远超过10-6的标准值.非致癌风险As和Cr在上层土壤分别达到最大值231和29；Cd的非致癌风险在中层达到最大值为18.整个农田区除Hg和Ni的致癌风险和非致癌风险较轻以外，其余污染物均具有较严重的致癌风险和非致癌风险.农田区土壤上层污染情况较之中下层重，这表明农田区的重金属污染具有一定的外源性.

表6 农田区重金属致癌风险和非致癌风险

续表

注：加粗字体为未超标值；CRois：经口直接摄入土壤的致癌风险；CRdcs：皮肤接触土壤的致癌风险；CRpis:呼吸吸入土壤中颗粒物的致癌风险；CRn：土壤中某种污染物所有暴露途径的致癌风险；HQois：经口直接摄入土壤的非致癌风险；HQdcs：皮肤接触土壤的非致癌风险；HQpis：呼吸吸入土壤中颗粒物的非致癌风险；HIn：土壤中某种污染物所有暴露途径的非致癌风险；A：以该层污染物浓度最大值计算结果；B：以该层污染物浓度平均值计算结果.

堆土区计算结果如表7.计算结果表明，堆土区重金属污染水平比农田区严峻，As的致癌风险在不同土层中均达到10-2级别，下层堆渣中 Cr在A标准下致癌效应同样达到10-2级别.As的非致癌风险最大值出现在下层A标准下，达到4 966，其次为Cr,达到199，整个堆渣区，除Cu的非致癌风险较轻，其余各污染重金属致癌风险和非致癌风险均十分严峻.整个调查场地的重金属污染严重，污染程度依次为As、Cd、Cr、Ni、Hg，其中As、Cd、Cr 和Ni由于其本身对人体健康损害严重，在日后的修复过程中，需要格外关注.

表7 堆土区重金属致癌风险和非致癌风险

注：同表6.

3 结 论

(1) 该调查区范围内7种重金属均有不同程度超标，总的来看，综合超标率依次为As>Cd>Ni>Pb>Cu>Hg>Cr.整个区域重金属变异系数均大于70%，说明该调查区域重金属污染受人为干扰很强.As、Cd的污染最为严重.

(2) 据地累积指数计算结果，调查区Cr、Hg、Cu无污染样本数均大于90%，表明总的来说在该区域此3种重金属污染轻微，As和Cd的污染样本数最多，分别达到58%和44%，堆土区1及周边区域污染情况最严峻，在未来该区域作为城市公园绿地使用中，需特别注意修复.

(3) 健康风险评价结果说明，调查区内除Cu和Hg致癌风险和危害商较轻外，其余重金属均具有明显的致癌风险和非致癌风险，As的致癌风险和非致癌风险达到10-2级和4 966，鉴于As元素的毒性，整个场地对As的修复应予以特别重视.