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2018, 35(11):1019-1024, 1030.doi:10.13213/j.cnki.jeom.2018.18294

陕西省宝鸡市不同功能区土壤重金属污染特征及健康风险评价


宝鸡文理学院地理与环境学院, 陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室, 陕西 宝鸡 721013

收稿日期: 2018-04-22;  发布日期: 2018-12-06

基金项目: 陕西省自然科学基础研究计划项目(编号:2015JQ4114);陕西省教育厅自然科学项目(编号:14JS008)

通信作者: 易文利, Email: ywl7585@126.com  

作者简介: 易文利(1975-), 女, 博士, 副教授; 研究方向:环境污染分析与健康风险评价; E-mail:

[目的] 分析陕西省宝鸡市不同功能区表层土壤重金属污染特征,并评价其潜在健康风险。

[方法] 采集该城市居民区、交通区、工业区和商业区109件表层土壤样品。采用电感耦合等离子体质谱仪测定土壤中Cr、Cd、Ni、Cu和Zn 5种重金属的含量。利用内梅罗综合污染指数PN和健康风险评价模型对其污染状况和健康风险进行评价。

[结果] 宝鸡市各功能区5种重金属的平均值均超过陕西省土壤背景值,具有不同程度污染,Cd污染最为严重。内梅罗综合指数PN结果表明,各功能区污染程度表现为工业区(8.2)>交通区(6.9)>商业区(6.7)>居民区(6.3),且都处于重度污染。健康风险模型评价结果表明,Cr、Ni总致癌风险呈现居民区>交通区>商业区>工业区趋势,Cd总致癌风险呈现居民区>工业区>交通区>商业区的趋势。不同功能区土壤Cd与Ni不会产生致癌风险(< 1×10-6),Cr的致癌风险水平在可接受范围内(1×10-6~1×10-4)。居民区Cr的非致癌风险值为2.62,其余各功能区非致癌风险值均小于1。

[结论] 该研究区表层土壤重金属污染严重,Cd污染超标严重。Cr为是各功能区土壤重金属非致癌风险和致癌风险最主要的贡献因子,应关注其潜在危害。

关键词: 功能区;  土壤;  重金属;  污染;  健康风险评价 

城市土壤是城市生态系统的重要组成部分,是大量养分和污染元素的蓄积场所,既可通过食物链影响食品安全,又可通过水体、大气影响城市环境的质量[1-3]。重金属具有残留时间长、不易降解、毒性强、易积累和来源广等特征[4-5],进入土壤环境后易在城市环境介质中发生迁移转化,在日常生活中可以通过扬尘、地下水、手、口、皮肤接触等途径被人体吸收,从而威胁人类的身体健康。

宝鸡市作为陕西省第二大城市,是西北重要的工业型城市之一,有冶金、采矿、制造、能源化工、新材料研发等多个工业门类[6-7],且宝鸡市地貌为南、西、北三面环山,大气污染物不容易扩散[8-9]。近年由于宝鸡市城市化进程的加快,人类活动所引起的城市土壤重金属污染问题日趋严重。Cr、Cd、Ni、Cu、Zn具有慢性非致癌健康风险,其中Ni、Cr和Cd又具有致癌风险[10-11]。宝鸡市城郊土壤中Cd为生态危害与污染最严重的因子,农村土壤中除Cd存在低污染生态风险外其余元素均没有生态风险,城区周边农田土壤则不存在重金属污染[12-13]。宝鸡市街尘中重金属元素的生态危害和污染水平已经达到严重污染程度,儿童的非致癌风险大于成人[14]。然而,关于宝鸡市不同功能区城市土壤重金属污染对于人体健康影响研究还鲜见报道。因此,本研究拟探讨宝鸡市不同功能区土壤重金属的污染特征及其对人体健康的风险。

1   材料与方法

1.1   样品采集

根据人类活动对城市土壤的影响,将宝鸡市城区划分为居民区、交通区、工业区和商业区4个功能区。于2017年3—4月,按照HJT 166—2004 《土壤环境检测技术规范》 [15]采用网格法(每个网格面积200 m×200 m)与随机布点法进行城市土壤样品采集与处理。交通区以宝鸡市主要交通干线为主轴采集土壤样品47个,工业区选择宝鸡市老工业区(姜谭工业区)采集土壤样品25个,商业区为经二路与经一路附近商业点,采集土壤样品16个,在交通网格内的主要居民区采集土壤样品21个共109个样品。每个采样点均按照“ S”形采集3~5个子样品(采样深度0~20 cm),以其混合样品作为该样点的代表样品,并装入聚乙烯自封袋密封保存。将采集到的样品带回实验室,自然风干、混合后,四分法取适量样品研磨过100目尼龙筛保存备用。

1.2   样品处理及分析

称取上述研磨过筛土壤样品0.500 0 g,采用HNO3-HCl-HF-HClO4(优级纯,天津市科密欧化学试剂有限公司,中国)四酸消解法,利用Deena Ⅱ全自动消解仪(Thomas Cain,美国)进行样品消解,消解后样品用超纯水定容至50 mL。参考HJ 766—2015 《固体废物重金属元素的测定电感耦合等离子体质谱法》 [16],采用Nexion 350电感耦合等离子体质谱仪ICP-MS(PerkinElmer,美国)对土壤样品中的Cr、Cd、Ni、Cu和Zn 5种重金属进行测定。每个样品重复2次,取平均值。同时在测试过程中每隔20个样品插入标样来监控仪器的稳定性。

1.3   重金属污染评价方法

1.3.1   单因子指数法

单因子指数(Pi)能够直观地反映出土壤中重金属污染的主要因子及其危害水平。Pi=Ci/Si,式中:Pi为单因子指数;Ci为某重金属i实测值(mg/kg);Si为某重金属i标准值(mg/kg)(以陕西省土壤背景值为标准[17])。Pi分级标准[15, 18]表 1

表1

土壤重金属污染分级标准

1.3.2   内梅罗综合污染指数法

内梅罗综合污染指数(PN)能够反映多种污染元素对土壤的污染程度。${P_N} = \sqrt {\left[ {P_{i\max }^2 + P_{i{\rm{ave}}}^2} \right]/2} $,式中:PimaxPiave分别为该研究中单因子污染指数最大值和平均值。PN分级标准[15, 18]表 1

1.4   健康风险评价法

1.4.1   暴露模型与参数选取

根据HJ 25.3—2014 《污染场地风险评估技术导则》 [19](简称《导则》),居民区为敏感用地,交通区、工业区、商业区为非敏感用地;敏感用地方式下:对于致癌效应,主要依据儿童期和成人期的暴露来评估污染物的终生致癌风险;对于非致癌效应,一般根据儿童期暴露来评估污染物的非致癌效应。非敏感用地方式下,一般根据成人期的暴露来评估污染物的致癌风险和非致癌效应[19]。本研究依据《导则》中敏感用地与非敏感用地推荐的经口摄入、皮肤接触、吸入土壤颗粒物3种暴露途径模型,计算单一污染物经上述3种暴露途径的致癌与非致癌土壤暴露量,其暴露量计算公式见《导则》附录A。

1.4.2   风险表征

由于重金属Cr、Cd、Ni、Cu、Zn具有慢性非致癌健康风险,其中Ni、Cr和Cd又具有致癌风险[10-11],依据《导则》推荐模型计算单一重金属某一暴露途径的致癌风险(CR)和非致癌风险(HQ),计算公式如下。CR=SERca×Csur×SFHQ=SERnc×Csur/RfD/SAF。式中:CR为单一污染物某种暴露途径的致癌风险,表示癌症发生的概率,通常以一定数量人口出现癌症患者的个体数表示;HQ为危害商,表征单一污染物某种暴露途径的非致癌风险;SERcaSERnc表示某种暴露途径致癌和非致癌效应摄入土壤暴露量(其中经口摄入用OISER表示,皮肤接触用DCSER表示,呼吸吸入用PISER表示),mg·kg-1·d-1Csur为表层土壤中污染物浓度,mg·kg-1SF为某一暴露途径致癌斜率因子,mg·kg-1·d-1RfD为某一暴露途径某一种金属非致癌风险参考剂量,mg·kg-1·d-1SAF为暴露于土壤中的参考剂量的分配系数,无量纲,取值0.2。本研究根据《导则》附录B [19]和参考文献[20-22]获得各重金属不同途径下的RfDSF,见表 2

表2

各元素健康风险斜率系数与参考剂量

单一污染物多暴露途径的总非致癌危害指数(HI)和总致癌风险(TCR)计算如下。TCRi=1n CRiHIi=1nHQi。式中:TCR表示单一染物多暴露途径的总致癌风险,CRi为单一污染物第i种暴露途径的致癌风险;HI表示单一污染物多暴露途径的总非致癌危害指数,HQi为单一污染物第i种暴露途径的非致癌风险;n表示暴露途径的数量。

《导则》建议,单一污染物的可接受致癌风险水平为10-6,单一污染物的可接受危害商为1 [19]。当污染物CRTCR > 10-6表示具有一定的风险,CRTCR ≤ 10-6表示风险甚微或可忽略;当污染物HQHI ≤ 1时说明场地非致癌健康风险可以忽略,当HQHI > 1时说明场地存在非致癌健康风险[20]

1.5   统计学分析

数据采用Excel 2013和SPSS 22.0进行统计分析。

2   结果

2.1   各功能区土壤重金属分布

对109个表层样品的土壤重金属含量进行统计分析,结果见表 3。各功能区土壤Cr、Ni、Cu、Zn、Cd 5种重金属平均含量均超过陕西省土壤背景值。其中,各功能区Cd超标最为严重,平均超标倍数为8.93,超标率达到100%;其次为Zn,平均超标倍数为5.61,超标率也达到100%。Cd和Zn的变异系数较大,表明这两种重金属含量空间分布不均匀,受人为活动的干扰大。

表3

陕西省宝鸡市各功能区土壤重金属描述性统计

2.2   土壤重金属环境质量评价

宝鸡市各功能区土壤重金属单因子污染水平(Pi)均为Cd > Zn > Cu > Ni > Cr。其中:各功能区Cr污染程度均为轻度污染(Pi为1~2);各功能区Ni与居民区Cu为中度污染(Pi为2~3);商业区、工业区Cu与交通区Cu和Zn为重度污染(Pi为3~5);各功能区Cd与居民区、商业区、工业区Zn为严重污染(Pi>5)。各功能区均以Cd污染最为严重,其中以工业区为最高,Pi达10.6。见图 1

图 1

陕西省宝鸡市各功能区土壤重金属的污染指数

各功能区污染综合指数(PN)大小依次为工业区(8.2)>交通区(6.9)>商业区(6.7)>居民区(6.3)。

2.3   土壤健康风险评价

2.3.1   不同功能区土壤重金属的致癌风险评价

各功能区Cr的TCR为居民区>交通区>商业区>工业区,分别为1.19×10-4、5.86×10-5、5.23×10-5、4.89×10-5。从暴露途径来看,Cr在交通区、商业区、工业区致癌途径均以吸入土壤颗粒物为主要暴露途径,其次为经口摄入与皮肤接触;在居民区则以经口摄入与吸入土壤颗粒物为主要暴露途径。Cd在不同功能区的TCR为居民区>工业区>交通区>商业区,分别为5.43×10-7、2.59×10-7、2.14×10-7、2.05×10-7。Cd除在居民区不同暴露途径的CR为经口摄入>吸入土壤颗粒物>皮肤接触外,在交通区、商业区、工业区均为经口摄入>皮肤接触>吸入土壤颗粒物。重金属Ni在只考虑吸入颗粒物暴露途径的情况下,其TCR为居民区>交通区>商业区>工业区,分别为5.19×10-7、2.92×10-7、2.72×10-7、2.71×10-7。见表 4

表4

陕西省宝鸡市不同功能区土壤重金属的致癌风险

2.3.2   不同功能区土壤重金属的非致癌风险评价

从暴露途径来看,居民区除Ni和Cd的HQ为吸入土壤颗粒物>经口摄入>皮肤接触外,其余重金属的HQ均为经口摄入>吸入土壤颗粒物>皮肤接触;交通区、商业区、工业区除Zn的HQ为经口摄入>吸入土壤颗粒物>皮肤接触外,其余重金属的HQ均为吸入土壤颗粒物>经口摄入>皮肤接触。见表 5

表5

陕西省宝鸡市不同功能区土壤重金属的非致癌风险

从单一污染物来看,居民区和商业区土壤重金属的HI为Cr > Ni > Cu > Cd > Zn,交通区和工业区的HI为Cr > Ni > Cd > Cu > Zn。Cr为各功能区土壤重金属HI的最主要影响因子,以居民区最高,为2.62。其余重金属的HI均小于1。

3   讨论

本研究单因子评价结果表明,宝鸡市各功能区土壤重金属的Pi均为Cd > Zn > Cu > Ni > Cr,Cd为宝鸡市各功能区最主要的土壤重金属污染因子。其结果与谢萍娟等[8]和王陆军等[10]在宝鸡市近郊与城郊农田的研究结果基本一致。土壤中的Cr、Cd、Ni、Zn、Cu主要来源于交通、工业、燃煤污染,其中Cr、Cd、Ni主要来源于金属加工、铸造、冶炼等工业污染,同时汽车上的防锈材料、汽车轮胎磨损、汽车尾气等也能带来Cr与Cd污染,Zn、Cu主要来源于工矿企业、道路交通、化石燃料的燃烧与汽车零部件的磨损[23-26]。宝鸡市位于陕西省关中西部,是我国重点建设的老工业基地、河谷型与燃煤型城市,化石燃料的燃烧以及人口、工业企业、机动车数量不断增加可能是表层土壤重金属Cd污染的主要来源。

宝鸡市城市土壤重金属在不同功能区具有较大差异,各功能区PN大小依次为工业区(8.2)>交通区(6.9)>商业区(6.7)>居民区(6.3)。工业区污染最为严重,这可能与该功能区位于宝鸡市老城区与老工业区有关,老工业区采样点主要位于姜谭科技园,园内钢管厂、氮肥厂、石油机械厂等企业单位较多,发展时间较长。企业生产过程中产生的废渣、废气、重金属粉尘等通过堆放、散落、大气干湿沉降等加重了工业区重金属的污染与危害。其次为交通区,据2016年宝鸡市国民经济和社会发展统计公报[27]显示,2016年末宝鸡市民用汽车保有量比2015年末增长16.8%,已达到27.95万辆。商业区采样点主要集中在开源大厦、华康大厦、火车站、汽车站、华通商厦、老工业品市场等商业活动密集的区域附近。较老的工矿企业、较大的人流与车流量、复杂的商业活动、居民活动等人为因素可能是该区域表层土壤重金属污染的主要来源。

根据《导则》、暴露模型及重金属风险表征模型计算该研究区TCR可以得出,Cd与Ni在四个功能区的TCR均小于《导则》推荐的可接受致癌风险水平(10-6),说明Cd与Ni不会对人群产生不可接受致癌风险。Cr在不同功能区的TCR区间为1.19×10-4~5.86×10-5,大于《导则》推荐的可接受致癌风险水平。但目前国际上已普遍认为可接受风险水平很难为一个通用的固定数值,通常将可接受风险水平设置在10-4~10-6的风险区间[28-29],根据这一标准,则宝鸡市不同功能区土壤由重金属引起的CR尚可接受。需要注意的是,Cr在各功能区的TCR已接近限值[29-30],需要对土壤污染进行控制与治理,尤其是居民区Cr的TCR已达到1.19×10-4,且居民区又是人们活动的密集区域,因此政府和人们需要更加重视对居民区Cr的治理。将各种污染物CR进行叠加得到所有污染物和所有致癌途径总的人体健康风险指数为2.81×10-4,大于《导则》推荐的可接受致癌风险水平[28-29],其中Cr为致癌主要因子,其健康风险应得到社会的高度重视。

从不同功能区重金属非致癌风险评价结果来看,经口摄入和呼吸吸入为各功能区最主要的暴露途径。因此一定情况下居民在外出活动时需要做好口、鼻防护,避免摄入过多土壤灰尘。Cr为土壤重金属非致癌风险的最主要影响因子。风险最高的区域主要为居民区,主要可能与人口的集中程度以及人口与污染物的接触途径和接触时间相关。居民区Cr的HI为2.62,已严重超过可接受危害商,说明居民区土壤中的Cr已经能够对人体产生非致癌健康风险的威胁,这与重金属致癌风险评价结果基本相符。同时根据评价结果,Cr在居民区经口摄入途径的HQ为1.80,远远超过可接受危害商,说明居民在日常活动时要尽量避免经口摄入土壤或灰尘。而其他重金属元素的评价结果均小于可接受水平,说明其不会对居民产生明显的不利非致癌影响,但需要注意的是重金属Ni的HI为0.665,已比较接近可接受限值(HI=1),在一定程度上也需要引起人们的重视。

本研究对宝鸡市不同功能区表层土壤重金属污染调查结果表明,5种重金属的平均值均超过陕西省土壤背景值,Cd为最主要的土壤重金属污染因子;内梅罗综合评价结果表明,各功能区污染程度表现为工业区>交通区>商业区>居民区,且都处于重度污染;健康风险模型评价结果表明,Cr、Ni的TCR呈现居民区>交通区>商业区>工业区趋势,Cd的TCR呈现居民区>工业区>交通区>商业区的趋势。宝鸡市不同功能区土壤由重金属引起的致癌风险尚可接受,Cr为各功能区致癌风险最主要的贡献因子;经口摄入和呼吸吸入为各功能区最主要的暴露途径;居民区Cr的HI=2.62>1(可接受危害商),其余各功能区HI均小于1。Cr为土壤重金属非致癌风险的最主要的贡献因子。

表1

土壤重金属污染分级标准

Table 1
表2

各元素健康风险斜率系数与参考剂量

Table 2
表3

陕西省宝鸡市各功能区土壤重金属描述性统计

Table 3
图 1

陕西省宝鸡市各功能区土壤重金属的污染指数

Figure 1
表4

陕西省宝鸡市不同功能区土壤重金属的致癌风险

Table 4
表5

陕西省宝鸡市不同功能区土壤重金属的非致癌风险

Table 5

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[基金项目] 陕西省自然科学基础研究计划项目(编号:2015JQ4114);陕西省教育厅自然科学项目(编号:14JS008)

[作者简介] 易文利(1975-), 女, 博士, 副教授; 研究方向:环境污染分析与健康风险评价; E-mail: ywl7585@126.com

[收稿日期] 2018-04-22 00:00:00.0

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