大庆市建成区土壤重金属潜在生态危害和健康风险评价.pdf

收稿日期: 2010 - 06 - 04;修订日期: 2010 - 11 - 23 基金项目:中国地质调查研究局项目(1212010511217 - 03)资助。 作者简介:汤 洁(1957 - ) ,女,吉林长春人,教授,主要从事生态环境系统与信息管理研究。E2mail: tangjiejlu. edu. cn 中国地质调查局.多目标区域地球化学调查规范 (1 250000) , 2005. 大庆市建成区土壤重金属潜在生态危害和 健康风险评价 汤 洁,陈初雨,李海毅,张天琴,肖 瑞 (吉林大学环境与资源学院,吉林 长春130012) 摘要:根据大庆市城市功能区划,以表层土壤为研究对象,通过308个样品的采集、 测定、 分析,采用Hakanson潜 在生态风险危害指数法评价土壤重金属元素的潜在生态危害程度。结果表明,表层土壤重金属污染程度较低,潜 在生态危害风险较小,汞(Hg)和镉(Cd)是主要的潜在生态危害元素。汞的生态危害风险相对较大,有11. 9%的 样品处于较重及以上风险级别,镉的生态危害级别虽然较低,但中等危害级别分布范围较广。分别用致癌风险 和非致癌风险模型进行了土壤重金属镉和汞对人体健康的风险评价,两种元素的风险指数均处于安全值范围 内,不会对当地居民的健康构成风险。 关 键 词:城市土壤;重金属;潜在生态危害;健康风险;大庆市 中图分类号: X820. 4 文献标识码:A 文章编号: 1000 - 0690(2011) 01 - 0117 - 06 近年来,随着中国工业化水平的提高和城市化 进程加快,工业、 商业、 交通等各种人类活动将大量 重金属带入城市土壤。铅、 汞、 镉等重金属具有毒 性,进入土壤环境后难以被微生物降解,可通过大 气、 土壤、 水等不同途径进入生物体内并不断富集, 直接或间接地威胁人类健康和生命 1, 2 。据报道 , 许多城市儿童通过手和口途径摄入大量重金属,影 响了其智力和行为的正常发育 3 。 大庆市位于黑龙江省西部,地理坐标为4440 N4600N, 12335E12548E。该市地处欧亚 大陆季风区,属于半湿润半干旱气候,受蒙古内陆 冷空气和海洋暖流季风的共同影响,全年主导风向 为西南风,冬季盛行西北风。全市总面积22 161 km 2 ,人口262. 2万人 4 。其中建成区包括萨尔 图、 让胡路、 龙凤、 红岗4个区,面积3 076 km 2 ,人 口132万人。北部萨尔图区是该市的主要商业区, 为政治、 经济、 文化中心;西北部让胡路区是全国最 大的石油石化生产基地之一,分布着各类石油化工 企业,其中聚丙烯、 轻烃等年生产能力达百万吨;中 部红岗区以采油和建材产业为主,区内分布着4个 采油厂,原油年产量占全市总产量的40%;东部龙 凤区有龙凤、 油田、 石化公司三大热电厂,以及大庆 石化厂等38家企业 5 。大庆市位于欧亚沙碱带的 东端,生态环境脆弱,随着石油化工产业不断发展 壮大,逐步形成了以化工、 食品、 建材为主导的产业 群,在取得巨大经济效益的同时,环境问题也日益 严峻 6 ,尤其是土壤中重金属元素的不断累积,可 能直接或间接危害到人体健康 7。因此 ,以大庆 市建成区为研究区,开展城市土壤主要有毒重金属 潜在生态危害评价和人体健康风险评价具有十分 重要的现实意义。 1 样品测试与风险因子筛选 1. 1 样品采集 本研究按照多目标区域地球化学调查规范 (1 25万) 要求 ,采用网格化均匀布设采样点, 将研究区划分为308个1 km1km的采样单元 格,采样密度为1件/km 2 ,共采集308件土壤样品 (图 1) 。采样中尽量避开外来土和新近扰动过的 土层,用木铲垂直于地表取020 cm的土壤约1 kg。样品取回后置于室内背光处自然风干,研磨并 过200目筛,用四分法取约100 g作为待测样品。 采样时间为2009年4月。 1. 2 样品测试 样品送国土资源部哈尔滨矿产资源监督检测 中心检测,测试过程严格按照 多目标区域地球化 第31卷第1期 2 0 1 1年0 1月 地 理 科 学 SCIENTI A GEOGRAPH ICA SI N ICA Vol. 31 No. 1 Jan. ,2 0 1 1 中国地质调查局,多目标区域地球化学调查规范(1: 25万) , 2005. 中国地质调查局,生态地球化学评价样品分析技术要求(试行) , 2005. 图1 大庆市表层土壤采样点分布 Fig . 1 Distribution of sampling sites in Daqing City 学调查规范 (1 25万) 和 生态地球化学评价样 品分析技术要求(试行) ,检测项目为As、Hg、 Cd、Pb、Zn、Cu、Ni、Cr共8种重金属元素。 样品分析由实验室内部与实验室外部质量控 制组成。内部质量控制包括:采用国家一级物质分 析标准进行精密度和准确度控制,按所送试样总数 随机抽取5%试样,编制成密码,进行重复性检验 和异常值重复检查。外部质量控制主要采用中国 地质科学院地球物理化学勘查研究所监控站现有 的土壤一级标准物质,按不同比例配制成不同浓 度、 不同基体组成标准控制样(即配制的标准物 质)进行监控。准确度、 精密度监控和重复检验分 析完成后,抽取5%的特高或特低样品进行异常点 抽查分析。计算基本分析与检查分析的相对偏差 RE,合格率 85%。 1. 3 表土重金属风险因子的筛选 对城市土壤重金属污染的界定,目前尚未形成 统一认识。本研究认为,当土壤中重金属不断累积 并超过土壤环境背景值,使土壤结构和功能受到破 坏并危及人类和其它生物生存的现象,称城市土壤 重金属污染。土壤重金属检测结果发现(表1) ,除 As、Cr变异系数较低外,其余重金属元素的变异幅 度均高于30%。 从表1可知, Hg的变异系数最大(87. 5% ) , 其次为Cd(68. 6% ) ,而且Hg和Cd的平均值均高 于背景值。变异系数越大,表明该元素受人为活动 的干扰越强烈,对土壤环境污染的贡献越大,说明 部分地区土壤可能受到Hg和Cd的污染。 表1 大庆市土壤重金属含量 Table 1 Contents of heavymetals in urban soils ofDaqing City AsHgCdCrNiCuPbZn 最大值(mg/kg)11. 91. 6000. 66566. 727. 562. 3291. 3145. 2 最小值(mg/kg)4. 00. 0130. 04716. 17. 84. 814. 826. 5 平均值(mg/kg)7. 10. 0560. 12338. 116. 318. 323. 950. 9 土壤背景值(mg/kg)7. 30. 0370. 08658. 622. 820. 024. 270. 7 变异系数(% )21. 387. 568. 626. 230. 550. 943. 840. 0 注: n=308 鉴于地质累积指数法可充分考虑自然地质过 程和人为活动的共同影响 8 ,为进一步验证重金 属风险因子筛选的可靠性,本文采用该法对土壤监 测数据进行分析。该法将重金属污染程度划分为 7个级别,见表2。结果表明,分别有8%、11%采 样单元的Hg、Cd达到了中度及以上污染,因此,选 取二者作为风险因子。 811 地 理 科 学 31卷 表2 大庆市表层土壤重金属地质累积指数 Table 2 Geoaccumulation Index of heavymetals in urban surface soils ofDaqing City 污染程度 采样单元数(个) AsHgCdCrNiCuPbZn 无污染300251222304308288286296 无污染到中度污染8305440202212 中度污染0192400000 中度污染到强污染04800000 强污染04000000 强污染到极强污染00000000 极强污染00000000 注: n=308。 2 风险评价 2. 1 潜在生态危害评价 2. 1. 1 潜在生态危害评价模型 潜在生态危害评价是瑞典学者Hakanson建立 的一套应用沉积学原理评价重金属污染及生态危 害的方法 9。该法不仅能够反映多种环境污染物 的综合影响(用总潜在生态危害指数R I表示 ) , 也 能反映某一污染物的影响(用单因子潜在生态危 害指数Er i 表示 ) , 并量化其潜在危害程度。根据 R I和Er i 的不同可将总潜在生态危害和单因子潜 在生态危害进行分级,见表3。 表3 潜在生态危害分级 Table 3 Classification of pollution potential ecological risk 总潜在生态危 害指数范围 总潜在生态 危害程度 单因子潜在生态 危害指数范围 单因子潜在生 态危害程度 RI?150低度Eri?40低 150RI?300中度40Eri?80中 300RI?600重度80Eri?160较重 RI600严重160Eri?320重 Eri320严重 计算公式如下: C i f = C i 表 /C i n (1) E i r = T i rC i 表 /C i n (2) R I = 6 n i =1 E i r = 6 n i =1 (T i rC i 表 /C i n) (3) 式(1) , (2) , (3)中,Cf i 为某一重金属元素i的污 染系数; C表 i 为表层土壤中元素i的实测含量; Cn i 为计算所需的参考值,由于目前尚未制定出城市土 壤重金属标准,本文选用黑龙江省土壤元素背景值 作为参考值 10; T r i 为单个污染物的毒性系数,本 文根据HaKanson“ 元素丰度 ” 和“ 稀释效应 ” 原则 和计算方法 11 ,结合参考值,计算出Hg和Cd的 毒性系数分别为79. 4和29. 1。 2. 1. 2 潜在生态危害评价结果 根据公式 (3) , 计算得到大庆市各采样单元总 潜在生态危害指数(图 2) 。R I值小于150的样本 占总样本的86% ,处于低度生态风险;有11%的 样本处于中度生态风险;有1%的R I值超过600, 处于重度及严重生态风险。大庆市表层土壤重金 属总体处于低生态风险状态,部分地区存在一定的 生态风险。 图2 大庆市土壤总潜在生态危害指数(RI) Fig . 2 Total potential risk index of surface soils in Daqing City(RI) 通过公式(2)计算可知,土壤中Hg的潜在生 态危害相对较大,较重、 重和严重危害的样品共占 总数的11. 90% (图 3) 。从Hg元素的反距离加 权 12 插值图 (图 4) 可以看到,这些采样点主要位 于龙凤区的商业区,与萨尔图区相连地带。该地区 经济较发达,交通繁忙,物流密集,表土易受人为因 素扰动,特别是燃煤、 尾气尘等扬尘的影响。另外, 本次采样时间为盛行西北风的4月,位于上风向萨 尔图区的各类化工企业排放的废气在干湿沉降作 用下不断沉积于龙凤区。 有8. 33%样点的Cd处于较重/重生态危害等 级(图3) ,这些点位于萨尔图区东北角(图 4) 岩棉 玻璃制品厂、 橡胶聚乙烯制品厂附近,其风险级别 9111期 汤 洁等:大庆市建成区土壤重金属潜在生态危害和健康风险评价 以该点为中心呈辐射状向四周递减。由于塑料稳 定剂中含有Cd,因此,可推测该地土壤Cd的污染可 能与该厂有关。另有27. 38%采样点处于中等生态 危害等级,该级别样点分布范围较广,主要位于萨尔 图区东南部、 红岗区和龙凤区中部以及让胡路区中 北部,其共同特点是,均处于工业和生活混杂区,环 境复杂且敏感,环境状况与人类活动强度关系密切。 当重金属在土壤中的累积超过土壤承载能力 时,或当气候、 土地利用方式等外部环境发生改变 时,重金属就会突然活化导致严重的环境灾害,进而 危害人体健康。20世纪末提出的“ 化学定时炸弹 ” 图3 大庆市土壤重金属单因子潜在生态危害程度 Fig . 3 Ecological risk level of single heavymetal in surface soils ofDaqing City 图4大庆市表层土壤Hg和Cd生态危害风险分布 Fig . 4 Distribution of Hg and Cd ecological risk in surface soils ofDaqing City 021 地 理 科 学 31卷 概念 13 实际上是指土壤对环境污染承受能力达到 极限时,突然爆发环境污染灾害的效应。根据生态 危害评价结果,应进一步就Hg和Cd对人体健康 带来的风险进行评价。 2. 2 健康风险评价 2. 2. 1 健康风险评价模型 土壤重金属污染对人体产生的危害主要有3 种途径:一是通过土壤 2 蔬菜、 水果系统中重金属积 累的食物链传递;二是通过口鼻直接吸入空气中受 污染的土壤扬尘;三是人体皮肤接触污染土壤通过 皮肤渗入。本文主要针对口鼻吸入和皮肤暴露途 径下,土壤重金属对人体的健康风险进行评价,评 价模型包括非致癌风险模型和致癌风险模型 14。 大庆居民在2种途径下摄入重金属污染物的量采 用人均日摄入量ED I(按寿命周期70岁计)来表 示,即人体终生暴露于致癌物质的单位时间单位体 重的平均日摄入量mg/ (kgd) ,分别用式(4)和 (5)计算。 ED I口鼻= CSIRCFEFED BWAT (4) ED I皮肤= CSCFSAAFABSEFED BWAT (5) 式(4)、(5)中,CS为重金属元素浓度(mg/kg) ;CF 为转换系数; IR为人体从土壤中摄入重金属的量; EF为暴露频率; ED为暴露年限; SA为可能接触土 壤的皮肤面积; AF为土壤对皮肤的吸附系数; ABS 为皮肤吸附系数; BW为受体体重; AT为平均作用 时间。各种参数具体见表4。 表4 暴露评价模型参数 Table 4 Parameters of exposure assess mentmodels 参数经口鼻摄入经皮肤接触摄入 IR(mg/d)100- CF(kg/mg)10 - 6 10 - 6 AFmg/ (cm2d) -1 EF(d/a)350350 ED(a)3030 BW(kg)6060 非致癌作用AT(d)3653036530 致癌作用AT(d)3657036570 SA (cm 2 /d) -5000 ABS-0. 001 注:根据参考文献14、15、16整理。 致癌风险表示人群癌症发生的概率,通常以一 定数量人口出现癌症患者的个体数表示。本文采 用美国EPA人体暴露风险评价方法进行健康风险 评价 15 ,以致癌风险指数(R ISK) 10 - 6 (即污染导 致百万人增加一个癌症患者)作为土壤污染的基 准。致癌重金属元素有As、Cd等;非致癌风险用 各暴露途径下单个污染物的危害指数(HQ, Haz2 ard Quotient)表示,当HQ1时,认为存在风险。非致癌重金 属元素有Hg、Pb等。见公式(6)和(7)。 R ISK = ED I致SF(6) HQ = ED I非/RFD(7) 式(6) , (7)中,SF为各类(经口、 经皮肤)的致 癌风险斜率系数; RFD为参考剂量。详见表5。 表5 模型参数SF和RFD的值 Table 5 Values ofSFandRFDofmodel parameters SFmg/ (kgd) 口鼻皮肤接触 RFDmg/ (kg d) 口鼻皮肤接触 Cd6. 16. 1- Hg-0. 00030. 0003 注:根据参考文献16整理。 2. 2. 2 健康风险评价结果 Cd在口鼻摄入的途径下,致癌风险指数最大 值为2. 7810 - 6 ,最小值为1. 9610 - 7 ,平均值为 5. 1310 - 7 ;皮肤接触途径下,最大值为1. 39 10 - 7 ,最小值为9. 8210 - 9 ,平均值为2. 57 10 - 8。两种途径的风险指数皆远远小于致癌指数 10 - 6 ,表明大庆市居民在现有环境状态下不会受到 土壤中Cd的致癌危害。 Hg在口鼻途径下,非致癌风险指数最大值为 0. 02,最小值为6. 7210 - 5 ,平均值为0. 30 10 - 4 ;皮肤接触途径下,非致癌风险指数最大值为 0. 4310 - 4 ,最小值为3. 5810 - 6 ,平均值为1. 48 10 - 5。两种途径下的风险指数都远远小于 1,因 此,目前土壤中富存的Hg含量不会对大庆市居民 健康构成威胁。 3 结 论 从大庆城市功能区划和产业布局出发,对建成 区308个土壤重金属样本进行监测、 分析和统计, 采用环境背景值对比法和地质累积指数法在8种 重金属元素中筛选出Hg和Cd为生态风险因子。 潜在生态危害指数评价结果表明,表层土壤中Hg 污染的较重、 重和严重生态危害级别采样单元主要 分布于龙凤区商业区, Cd分布于萨尔图区,均为人 1211期 汤 洁等:大庆市建成区土壤重金属潜在生态危害和健康风险评价 类活动频繁、 环境复杂的地区。城市表层土壤污染 程度的空间分布与城市功能分区和人类活动强度 关系密切。 健康风险评价结果显示,尽管部分地区土壤Hg 和Cd存在潜在生态危害,但通过口鼻摄入和皮肤接 触方式不会对城市居民构成致癌和非致癌风险。 鉴于土壤重金属污染具有持久性和累积性,因 此,大庆市应针对Hg和Cd分布和富集特点,开展 高污染风险区的环境调查,制定详细的污染防治措 施,严格控制工业特征污染物排放,大力推行清洁 生产和循环经济,将环境风险降至最低,确保当地 居民的身体健康。 参考文献: 1 韩爱民,蔡继红,屠锦河,等.水稻重金属含量与土壤质量的 关系J .环境监测管理与技术, 2002, 14 (5) : 2728. 2 ShomarB H,Mller G, Yahya A. 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