土壤重金屬污染風險評價方法對比研究

劉德成，李玉倩，鄭純靜，李希賢

（1.中國地質大學（北京）工程技術學院，北京 100083；2.北京市地質礦產勘查開發總公司，北京 100050）

隨著城市化的快速發展，北京市土壤污染問題已經成為城市發展面臨的突出問題。由于土壤重金屬污染具有長期累積性、生態毒理性、生物富集放大性等特點，對地區生態環境、食品安全和人體健康構成持續性威脅[1]，所以，土壤重金屬污染問題是制約和影響北京城市發展的重要因素。選取合適的評價方法，準確評估土壤重金屬含量的風險程度，不僅能科學指導土地規劃利用，控制和減輕重金屬污染帶來的危害，還能為社會、經濟與環境協調發展提供參考依據[2]。

目前，有關土壤重金屬風險評價的方法較多[3～8]，其中，評價體系最為成熟、應用最為廣泛的評價方法是指數評價法[9]，其是基于重金屬總量的評價方法，能直觀地反映重金屬含量實測值與背景值的關系，進而評價重金屬在土壤中的風險。指數評價法依據評價標準的不同，可劃分為單項污染指數法[10，11]、內梅羅指數法[12～15]、地積累指數法[16，17]和潛在生態風險指數法[18]等。

本試驗選取北京市某衛生填埋場周邊土壤為研究對象，分析土壤重金屬的污染特征，并選取多種評價方法開展土壤重金屬污染風險評價。針對不同評價方法的污染指數計算結果，采用surfer軟件（版本13）繪制污染指數等值線圖，分析不同評價方法之間污染指數等值線圖的區域空間分布特征，不僅可為區域土壤重金屬污染風險評價方法的選擇積累經驗，還可為土壤重金屬污染評價提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

北京市某衛生填埋場位于北京市海淀區，是北京市建成的標準化垃圾衛生填埋場，總占地面積約0.47 km2，其中填埋區占地約0.35 km2。以衛生填埋場為中心，選取垂直地下水流動方向寬4 km、沿地下水流動方向長6 km的長方形區域進行研究，研究區面積24 km2。

研究區主要被第四系所覆蓋，其下隱伏基巖及其周邊山區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的第四紀沉積物，分為中更新統（Qp2）、上更新統（Qp3）和全新統（Qh）。

研究區第四系松散孔隙水在垂向上劃分為淺層、中層和深層3個主要含水層組。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、中細砂、粉砂、粉質砂土、砂質黏土為主。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（部分地區可達300 m），該含水層巖性以多層中粗砂含礫、中細砂為主，累計厚度20～35 m。

圖1 研究區位置圖Fig.1 Location of the study area

1.2 土樣采集與指標分析

1.2.1 樣品采集 采用布設工程鉆孔方式采集土樣。以垃圾填埋場為中心，沿地下水流方向布設剖面線，鉆孔間距400 m，剖面線間距600 m。共布設剖面線4條，布設鉆孔26個，孔深60 m，部分鉆孔位置根據實際情況適當調整。因衛生填埋場坑底在地表以下25 m，本次研究采用各鉆孔地表以下30 m處的土樣進行指標檢測。

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

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

1.3 土壤重金屬污染風險評價方法

1.3.1 單項污染指數法 單因子污染評價法是《全國土壤污染狀況評價技術規定》 （環發【2008】39號）中推薦的一種評價方法，其應用簡單、便于對比，是其他環境質量分級、環境質量指數和綜合評價的基礎[19]。單項污染指數計算公式為：

式中，Pi為土壤中重金屬污染物i的單項污染指數；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的實測值（mg/kg）；Si為土壤中重金屬污染物i的背景值或標準值（mg/kg）。

1.3.2 地積累指數法 地積累指數又稱Mull指數，是20世紀60年代晚期在歐洲發展起來的廣泛用于研究沉積物及其他物質中重金屬污染程度的定量指標。地積累指數計算公式為：

式中，Igeoi為土壤中重金屬污染物i的地積累指數；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的實測值（mg/kg）；Si為土壤中重金屬污染物i的背景值或標準值（mg/kg）；Pi為土壤中重金屬污染物i的單項污染指數；k為巖石差異引起背景值變動而取的修正系數，取1.5。

評價重金屬的污染，除必須考慮到人為污染因素、環境地球化學背景值外，還應考慮到由于自然成巖作用可能會引起背景值變動的因素。地累積指數法注意到了此因素，彌補了其他評價方法的不足[20]。

1.3.3 內梅羅指數法 內梅羅指數法是在單項污染指數法的基礎上，針對土壤重金屬對環境質量影響進行的綜合評價。內梅羅指數法主要突出污染最大值對所測土壤的污染程度，以反映土壤的綜合污染狀況[8]。內梅羅污染指數計算公式為：

式中，PN為內梅羅污染指數；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的最大值；Piavg為土壤中各重金屬污染指數的平均值。

1.3.4 潛在生態風險指數法 潛在生態風險指數法是國際通用的土壤重金屬污染評價方法之一。其結合環境化學、生物毒理學、生態學等方面的內容，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用較為廣泛的一種方法[21]。潛在生態風險指數計算公式為：

式中，RI為土壤中重金屬污染物潛在生態風險指數；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；Ci為土壤中重金屬污染物i的實測值（mg/kg）；Si為土壤中重金屬污染物i的背景值或標準值（mg/kg）；Pi為土壤中重金屬污染物i的單項污染指數；Ti為重金屬i的毒性響應系數，Hg、As、Pb 的 Ti分別為 40、10、5。

1.3.5 評價標準 采用《全國土壤污染狀況評價技術規定》 （環發【2008】39號）中重點區域土壤污染評價參考值（除蔬菜地外） 中Hg、Pb、As的參考值作為評價標準值。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。不同指數法的評價標準不同：Pi≤1，土壤無污染；Igeo≤0，土壤清潔；PN≤0.7，土壤清潔（安全）；RI＜150，土壤為輕微生態危害。

針對不同評價方法的污染指數計算結果，采用surfer軟件（版本13）繪制污染指數等值線圖，分析不同評價方法之間污染指數等值線圖的區域空間分布特征。污染指數等值線圖采用surfer軟件（版本13）繪制，網格化算法采用克里金插值法。為了凸顯各評價方法所繪制的污染指數等值線圖之間的差異，各污染指數等值線圖中最大等值線數值與等值線間隔值之比控制在 20～30。

2 結果與分析

2.1 土壤重金屬單項污染風險評價

2.1.1 單項污染物污染程度分析 測試土樣均未檢測出 Cr6+；As、Hg和 Pb的 P 均＜1，Igeo均＜0 （表 1）。根據單項污染指數法和地積累指數法的評價標準（P≤1為無污染，Igeo≤0為清潔），研究區土壤未受到重金屬Cr6+、As、Hg和Pb的污染，土壤處于清潔狀態。

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

2.1.2 潛在主要污染分析 根據綜合污染指數貢獻率（土壤中某重金屬污染物的單項污染指數除以全部重金屬的單項污染指數總和）判斷。綜合污染指數貢獻率越高，表明該污染物在土壤環境綜合污染評價中越占主導作用。

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

2.1.3 評價方法對比分析 根據污染指數計算結果，采用surfer軟件（版本13） 分別繪制Hg、Pb和As的單元素污染指數等值線圖（圖2～4）?？梢钥闯?，分別采用單項污染指數法和地積累指數法對同一污染物進行評價，依據這2種方法分別繪制的區域污染指數等值線圖在區域空間分布形態上基本一致。根據各評價方法的污染等級劃分標準，所得出的污染程度定性結論也基本一致。

2種方法所繪制的區域污染指數等值線圖形態一致性產生的原因在于：地積累指數法雖然考慮了因自然成巖作用可能會引起背景值變動的因素，并為此設定了修正系數k，但k是一個區域性概念修正系數，除非研究區域足夠大，否則，在一定區域范圍內，此數一般為固定值（如，一般取值為1.5）。

2.2 土壤重金屬綜合污染風險評價

2.2.1 重金屬綜合污染程度分析 研究區土壤重金屬總量可以揭示區域重金屬的累積狀況。測試土樣未檢測出Cr6+，其他3種重金屬元素的 RI均＜150，PN均＜0.7（表3）。根據潛在生態風險系數法和內梅羅污染指數法的評價標準〔RI＜150為輕微生態危害，PN≤0.7為清潔（安全）〕，研究區土壤未受到重金屬Cr6+、As、Hg和Pb的污染，土壤處于清潔（安全）狀態。

2.2.2 評價方法對比分析 根據綜合污染指數計算結果，采用surfer軟件（版本13） 繪制土壤綜合污染指數等值線圖（圖5）?？梢钥闯?，分別采用潛在生態風險系數法和內梅羅污染指數法進行土壤污染評價，依據這2種方法分別繪制的區域綜合污染指數等值線圖在區域空間分布形態上基本一致。根據各評價方法的污染等級劃分標準，所得出的污染程度定性結論也基本一致。

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

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

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

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

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

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

2種方法所繪制的區域綜合污染指數等值線圖形態一致性產生的原因在于：研究區土壤重金屬污染物Hg、Pb、As的綜合污染指數貢獻率差異較大，其中As的貢獻率最高，在綜合污染評價中發揮了主導作用，而Hg和Pb的貢獻率較低。

相比Hg和Pb，As對土壤環境污染程度的貢獻率過高，這也造成了As單一指標的區域污染指數等值線圖在區域空間分布形態上與土壤重金屬綜合污染指數等值線圖基本一致。

3 結論與建議

選擇指數評價法作為區域土壤重金屬污染風險評價方法時，在具體方法的選擇上，可以考慮以下結論與建議：

（1）當研究區范圍不大或自然成巖作用影響不明顯時，選用單項污染指數法或地積累指數法對單項污染物的污染風險評價結果基本一致。建議選用單項污染指數法，因為此法更便捷。

（2）進行區域土壤重金屬綜合污染風險評價時，可以先計算土壤中各重金屬污染物的綜合污染指數貢獻率。當其中一種污染物貢獻率較高時（一般在50%以上），內梅羅指數法和潛在生態風險指數法的各自優勢表現并不明顯，2種方法評價結果基本一致。建議從2個方法中任選一種開展綜合污染風險評價工作。