某集中式饮用水源地保护区土壤重金属监测与评价

陆泗进，王业耀，何立环

中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

某集中式饮用水源地保护区土壤重金属监测与评价

陆泗进，王业耀，何立环

中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

采用现场采样与室内测试方法测定了某大型集中式饮用水源地一级保护区土壤中Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn和Ni的含量，利用污染指数法、地累积指数法和潜在生态指数法对其土壤环境质量进行了评价。结果表明，上述8种重金属都存在不同程度的超标，其中Cd超标最为严重。地累积指数法评价结果表明，研究区只有Cd、Hg存在一定污染，污染程度分别为中度污染到强污染、中度污染和中度污染到强污染。潜在生态指数法结果表明：研究区土壤样品Cd的单因子潜在生态风险指数最高，轻微、中等和较高风险等级中所占比例分别为44.7%、23.7%、31.6%；其次为Hg，有89.5%的土壤样品中Hg处于轻微生态风险水平，10.5%的土壤样品处于中等生态风险水平；土壤样品中As、Pb、Cu、Ni、Zn、Cr都处于轻微生态风险水平。Cd是研究区最主要的污染和生态风险因子，其次是Hg，说明集中式饮用水源地保护区土壤已受到个别重金属的影响。虽然目前尚不存在饮用水源地水体受污染问题，但应引起高度关注。

饮用水源地；重金属；监测与评价；生态风险

Keywords:drinking water source;heavy metal;monitoring and evaluation;ecological risk

保障土壤环境安全是全面建成小康社会、构建和谐社会的重要内容，是促进经济社会可持续发展、保障人民群众身体健康和稳定社会秩序的基本条件。然而，随着人口和社会经济的增长以及城镇化水平的提高，我国土壤环境污染形势严峻。通常，重金属以天然浓度广泛存在于自然界中，但随着工业化或者城市化的进程，人类对重金属的开采、冶炼、加工及制造活动造成大量重金属进入土壤环境。进入土壤中的重金属具有毒性大、难降解、易产生复合污染效应并可通过食物链富集放大等特点，因此，土壤重金属污染更是受到人们普遍关注[1-4]。当前，国内外对土壤重金属污染物研究主要集中在研究土壤中重金属的污染现状、来源识别、形态分析、污染评价等方面[5-9]。常用的土壤重金属污染评价方法包括单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法、地累积指数法和Hakanson潜在生态风险指数法，这些评价方法各具优势，得到了广泛应用[2,4,7-10]。

集中式饮用水源地的环境问题能直接或间接影响居民生活健康，同时对国家生态环境安全也具有一定的影响，一直是国家环境监管的重点区域。目前，关于集中式饮用水源地保护区土壤环境质量状况的研究报道还很少。为此，本文在2014年全国饮用水源地保护区周边土壤环境质量例行监测工作基础上，选择南方某典型集中式饮用水源地保护区土壤为研究对象，开展土壤中8种重金属Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn和Ni的累积、污染和潜在生态风险研究，以期为集中式饮用水源地保护区土壤环境质量评价、污染综合监管以及政府决策提供依据。

1 实验部分

1.1土样采集

研究区位于南方某市服务50万以上人口的某大型集中式饮用水源地一级保护区。当地属中亚热带季风湿润气候，热量资源富足，平均气温16.7～17.4 ℃。降水量较充沛，但季节分布不均，年际变化大，全年降水量为1 200～1 500 mm。研究区属小丘陵地带地形，土壤主要为黄棕壤。

在该水源地一级保护区陆域范围内，采用网格(100 m×100 m)随机布点方法，使用塑料工具采集0～20 cm表层土壤样品38个，均为混合样，在小范围内多点采样后混合，然后用四分法选取1 kg土壤。样品经风干后，全部通过0.25 mm筛，供分析测试用。

1.2重金属总量的测定

本研究测定了8种重金属元素Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni的总量。前处理采用“四酸”(盐酸-硝酸-高氯酸-氢氟酸)消解。Cd采用AAS(Hitachi 508)测定，Hg采用氢化物发生-原子荧光法测定，As采用AFS(AFS-1201)测定，Pb、Cr、Cu、Zn、Ni采用ICP-AES(Perkin-Elmer 3300 DV)测定[10]。

分析测试过程中均加入土壤标样进行质量控制，质控样测定均值和偏差都在规定要求范围内，8种重金属元素平行样测定含量相对偏差均为10%～15%[11]。分析测试所用试剂均为优级纯，用水为去离子水[10]。

1.3单项污染指数和内梅罗污染指数

重金属元素质量标准值采用《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)一级标准值，单项污染指数法和内梅罗综合污染指数法的评价结果分级标准分别见表1、表2。

表1 单项污染指数法分级标准

表2 内梅罗综合污染指数法分级标准

1.4地累积指数法

地累积指数法能对重金属的污染级别进行直观判断，是研究沉积物和土壤中重金属富集程度的常用方法之一[12]。地累积指数(Igeo)计算公式：

式中：Cn指某项重金属元素总含量；Bn指某项重金属元素的环境背景值,本文取当地土壤元素背景值[13]；k取值1.5。Igeo分为7个级别：Igeo<0，污染级别为0级，表示无污染；0≤Igeo<1，污染级别为1级，表示无污染到中度污染；1≤Igeo<2，污染级别为2级，表示中度污染；2≤Igeo<3，污染级别为3级，表示中度污染到强污染；3≤Igeo<4，污染级别为4级，表示强污染；4≤Igeo<5，污染级别为5级，表示强污染到极强度污染；Igeo≥5，污染级别为6级，表示极强污染。

1.5土壤重金属生态风险评价

本文采用Hakanson的潜在生态风险评价法对研究区土壤中重金属潜在生态风险进行评价[14-15]。其计算公式：

潜在生态风险评价法的参比值采用当地土壤重金属的背景值，毒性系数取值：Zn=1

表3 土壤重金属的潜在生态风险分级标准

2 结果与讨论

2.1土壤重金属含量

研究区38个土壤样品8种重金属含量特征如表4所示。8种重金属Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni的平均含量分别为0.6、0.2、23.0、58.7、60.9、42.8、142.9、36.4 mg/kg。除Cd、Hg、As、Pb外，Cr、Cu、Zn、Ni平均值含量均低于国家《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)一级标准值。8种金属的变异系数为0.3～1.8，其中，变异系数较大的重金属元素为Cd、Hg，表明研究区土壤中Cd、Hg含量变异较大，可能受到一定程度的外界污染。

表4 38个土样中重金属总量测定和统计结果

2.2土壤重金属超标情况

采用单项污染指数法和内梅罗综合污染指数法对研究区土壤中的8种重金属进行了评价，结果见图1。

单项污染指数法评价结果表明，土样中8种重金属都存在不同程度的超标。其中超标最严重的为Cd，超标率达到73.7%，8种重金属超标率大小顺序依次为Cd>Pb>As>Zn>Cu>Ni>Hg≈Cr。按照单项污染指数法分级标准，单项污染指数大于5属重度污染比例的只有Cd(25%)，Pb和As个别点位的单项污染指数大于3。Zn、Cu、Hg等污染指数均在3以下，表明污染相对较轻。说明研究区土壤中主要是Cd、Pb、As超标，特别是Cd可能出现了一定程度的累积。

内梅罗综合污染指数法评价结果表明，38个采样点中，除32号土样外，其余土样的Pn均大于1，表明大部分土样处于污染状态。在这些污染土样中，除3、4、14～20、28～31、36、37号土样处于轻度污染外，其余23个土样Pn均大于3，为重污染。由于内梅罗综合污染指数法考虑了最大的单项污染指数，会过分突出污染指数最大的重金属污染物对环境质量的影响和作用，在评价时可能会人为地夸大或缩小一些元素的影响作用，造成该方法对环境质量评价结果的不科学。从图1可以看出，内梅罗综合污染指数Pn的变化趋势和Cd的单因子指数Pi值类似，说明内梅罗综合污染指数Pn可能受到Cd的单因子指数影响，这也说明该研究区Cd可能是主要的超标或污染元素。

2.3重金属污染程度评价

研究区土壤中8种重金属元素Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni的地累积指数计算结果见图2。

图1 单项污染指数和内梅罗综合污染指数评价结果Fig.1 The results of single factor index and Nemerow integrated index

图2 土壤地累积指数Fig.2 The pollution status of heavy metals by geoaccumulation index method

按地累积指数平均值大小排序为Cd>Hg>As>Pb>Cu>Ni>Zn>Cr。所有土样中As、Pb、Cu、Ni、Zn、Cr的地累积指数都小于0，表明无污染；而所有样品中Cd、Hg的地累积指数几乎都大于0。根据地累积指数分级标准，结合图2可知，70.1%的土样受到Cd污染，污染程度主要为中度污染到强污染，其中，强污染的比例达到23.7%。Hg污染的样品比例为31.6%，污染程度主要为中度污染和中度污染到强污染，其中中度污染到强污染比例为7.9%，表明研究区土壤可能主要受到Cd、Hg的污染。

2.4土壤潜在生态风险评价

由表5可知，8种重金属单因子潜在生态风险指数从大到小顺序依次为Cd>Hg>As>Pb>Cu>Ni>Zn>Cr。参照单个重金属元素潜在生态风险分级标准，研究区土壤样品中As、Pb、Cu、Ni、Zn、Cr都处于轻微生态风险水平；部分土壤样品Hg的单因子潜在生态风险指数较高，有89.5%的土壤样品处于轻微生态风险水平，10.5%的土壤样品处于中等生态风险水平；土壤样品Cd的平均单因子潜在生态风险指数最高，轻微、中等和较高风险等级中所占比例分别为44.7%、23.7%、31.6%。以上结果表明，Cd是研究区最重要的生态风险因子，其次是Hg，其他重金属对研究区生态环境影响较小。

表5 研究区土壤重金属潜在生态风险评价

综合考虑8种重金属在所有土壤样品的综合潜在生态风险指数(RI)，表5中，综合潜在生态风险指数为10.12～187.92，平均值为77.11。参照其分级标准，所有样品处于轻微、中等、较高生态风险水平的比例分别为71.1%、26.3%、2.6%，表明研究区土壤8种重金属总体处于轻微和中等生态风险水平。

可以看出，污染指数法评价结果与地累积指数法并不一致。按照《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)规定，作为集中式生活饮用水源地保护区的土壤须执行中土壤环境质量一级标准。一级标准主要是依据“七五”国家科技攻关课题土壤环境容量研究的相关资料制定的。但中国地域辽阔，土壤环境的空间异质性高，在不同的气候、地域和土壤类型等条件下，重金属在土壤中的迁移转化规律不同，用一种标准来界定土壤中某种污染物的临界值缺乏一定的科学性。如镉的土壤背景值是0.33 mg/kg，某些省市土壤镉背景值的95%置信区间就已超过该含量水平(如贵州2.977 mg/kg，广西1.262 mg/kg，云南0.956 mg/kg，湖北0.714 mg/kg)。如果改用二级标准评价，研究区重金属超标率会大幅降低。因此，仅依靠各地区土壤背景值而统计得出的土壤环境质量一级标准在实际应用中可能会造成偏差，在实际操作中可能会出现本身没有污染的土壤被评价为元素含量超标的情况。地累积指数法和潜在生态风险指数法的结果也印证了这点。

地累积指数法评价结果表明，研究区只有Cd、Hg存在一定污染，其余重金属元素基本无污染。由于地累积指数法考虑了地球化学背景值，尤其是自然成岩作用可能会引起背景值的变动因素，因此在直观判别重金属污染程度上比污染指数法更具优势，评价结果可能也更为科学。但该方法没有考虑各种重金属的生物毒性效应的大小。因此，地累积指数主要用于土壤重金属的污染程度的判别，要判断重金属的生态风险还需结合生态风险指数评价进行综合判断。潜在生态风险指数评价结果也表明，Cd是研究区最重要的生态风险因子，其次是Hg，其他重金属对研究区生态环境影响较小。说明只有把重金属在土壤环境中的富积程度与其对生态系统的潜在生态危害程度相结合，才能较为全面地说清土壤中重金属的污染状况。以Pb为例，污染指数法表征土壤受污染程度时，Pb的超标率达到68.4%，个别点单项污染指数值甚至已经超过3，但地累积指数法和潜在生态危害指数法结果都表明Pb的污染及生态危害程度较轻，可能是由于Pb这种重金属元素虽然在土壤中出现一定程度的富积，但由于其具有亲颗粒性，容易随其他颗粒物迁移进入土壤中矿化埋藏使其生物活性降低。

研究区土壤中Cd、Hg可能存在污染和一定潜在生态环境风险。通过查询本次监测的水源地水体2015年度每月及季度的水质监测数据，发现水体中各项重金属监测指标含量均较低，且都低于地表水环境质量标准中III类水标准值。这表明土壤中Cd、Hg污染尚未对水源地水质造成影响，但土壤和水体作为一个有机统一的整体，土壤的污染应引起高度重视。

3 结论

对南方某地集中式饮用水源地周边土壤监测和评价结果表明，按照《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)一级标准评价，研究区土壤8项重金属都有不同程度超标，如果采用二级标准评价，超标率会大幅降低，这可能与一级标准偏严有关。目前我国城市化和工业化高速发展，给土壤环境带来巨大变化，饮用水源地保护区周边土壤也难以独善其身。从本次的监测和评价结果看，一级标准是否适用于饮用水源地周边土壤环境质量评价，需要更进一步的研究和探讨。地累积指数法和潜在生态危害指数法评价结果表明，研究区域土壤整体上污染和生态风险程度都比较小，大部分重金属不存在污染和生态风险，只有Cd、Hg存在一定程度污染和潜在生态风险，这也反映出集中式饮用水源地保护区土壤已受到个别重金属的影响。虽然目前尚不存在饮用水源地水体受污染问题，但应引起高度关注。

通过本次对水源地的调查和监测，发现目前饮用水源地管理普遍存在一定的漏洞，大部分水源地保护区无明显边界，监管不到位；大部分水源地保护区内农业生产活动频繁，同时，部分水源地保护区范围内畜禽养殖业发展很快。少数饮用水地保护区存在居民倾倒和丢弃垃圾的现象。此外，部分水源地一级、二级保护区内没有工业企业存在，但其准保护区内仍然存在工业、餐饮业污染。这些活动可能都会引起水源地保护区土壤污染。基于土壤和水体是一个有机统一的整体，为了确保土壤和饮用水的安全，建议：①加强对饮用水源保护区的保护和管理，加大对影响水源地保护区土壤环境的污染企业的治理；加大对农业面源污染的治理力度，减少农药化肥的施用量；逐步加强生活垃圾收集系统和转运系统建设，以保障饮用水源地周边土壤及水体的安全。②尽快完成《土壤环境质量标准》的修订。国内土壤地域性变化明显，土壤类型也存在很大差异，在修订一级标准时，建议在沿用背景值基础上，对各地的土壤背景值重新监测以摸清其变化情况，因为工业化和城镇化已经给我国土壤环境带来巨大变化。③开展土壤重金属含量和水体中重金属含量相关性研究，结合土壤重金属生态风险评价和健康风险评价，以说清重金属污染土壤对周边环境，特别是对饮用水体的危害及存在的生态环境和健康风险。

[ 1] 董亚辉, 戴全厚, 邓伊晗, 等.不同类型铅锌矿废弃地重金属的分布特征及污染评价[J].贵州农业科学, 2013,41(5):109-112.

DONG Yahui, DAI Quanhou, DENG Yihan, et al. Distribution characteristics and pollution evaluation of heavy metals in different lead-zinc waste lands[J]. Guizhou Agricultural Sciences, 2013,41(5):109-112.

[ 2] 房辉,曹敏.云南会泽废弃铅锌矿重金属污染评价[J].生态学杂志,2009,28(7):1 277-1 283.

FANG Hui, CAO Min. Assessment of heavy metals pollution in abandoned lead-zinc mine tailings in Huize of Yunnan Provinc[J]. Chinese Journal of Ecology, 2009,28(7):1 277-1 283.

[ 3] 吴攀,刘丛强,张国平,等.黔西北炼锌地区河流重金属污染特征[J].农业环境保护,2002,2(15):443-446.

WU Pan, LIU Congqiang, ZHANG Guoping, et al. Charateristics of heavy metal pollution in stream of zinc smelting area, northwest of Guizhou[J]. Agro-environmental Protection, 2002,2(15):443-446.

[ 4] LI W, XU B, SONG Q, et al. The identification of ‘hotspots’ of heavy metal pollution in soil-rice systems at a regional scale in eastern China[J]. Science of the Total Environment, 2014, 472: 407-420.

[ 5] 敖亮,雷波,王业春,等.三峡库区典型农村型消落带沉积物风险评价与重金属来源解析[J]. 环境科学,2014,35(1):179-185.

AO Liang, LEI Bo, WANG Yechun, et al. Sediment risk assessment and heavy metal source analysis in typical country water level fluctuated zone of the Three Gorges[J]. Environmental Science, 2014,35(1):179-185.

[ 6] 翟丽梅,陈同斌,廖晓勇.广西环江铅锌矿尾砂坝坍塌对农田土壤的污染及其特征[J].环境科学学报,2008,28(6):1 206-1 211.

ZHAI Limei, CHEN Tongbin, LIAO Xiaoyong, et al. Pollution of agricultural soils resulting from a tailing spill at a Pb-Zn mine: a case study in Huanjiang, Guangxi Province[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2008，28(6): 1 206-1 211.

[ 7] 王英英,钱蜀,万旭,等. 攀西区域涉重金属典型企业周边环境特征及潜在生态风险.中国环境监测,2014, 3(1):13-19.

WANG Yingying, QIAN Shu, WAN Xu, et al. Research on the environmental property and potential ecological risk of the soil and sediment around the typical enterprises relating to heavy mental in the Southwest[J]. Environmental Monitoring in China,2014, 3(1):13-19.

[ 8] 滕彦国,庹先国,倪师军,等.应用地质累积指数评价攀枝花地区土壤重金属污染[J]. 重庆环境科学,2002,24(4):25-27.

TENG Yanguo, TUO Xianguo, NI Shijun, et al. Applying the index of geoaccumulation to evaluate heavy metal pollution in soil in Panzhihua Region[J]. Chongqing Environmental Science, 2002,24(4):25-27.

[ 9] GUO W H, LIU X B, LIU Z G, et al. Pollution and potential ecological risk evaluation of heavy metals in the sediments around Dongjiang harbor, Tianjin [J]. Procedia Environmental Science, 2010,2:729-736.

[10] 陆泗进,王业耀,何立环. 湖南省某冶炼厂周边农田土壤重金属污染及生态风险评价[J]. 中国环境监测, 2015, 31(3):77-83.

LU Sijin, WANG Yeyao, HE Lihuan. Heavy metal pollution and ecological risk assessment of the paddy soils near a smelting area in Hunan Province[J]. Environmental Monitoring in China, 2015, 31(3):77-83.

[11] 陈皓,何瑶,陈玲, 等.土壤重金属监测过程及其质量控制[J] 中国环境监测,2010, 26(5):40-43.

CHEN Hao, HE Yao, CHEN Ling, et al. The monitoring process of heavy metals in soils and its quality control measures[J]. Environmental Monitoring in China, 2010, 26(5):40-43.

[12] 刘妍, 甘国娟, 朱晓龙, 等. 湘中某工矿区农户菜园重金属污染分析与健康风险评价[J]. 环境化学, 2013, 32(9): 1 737-1 742.

LIU Yan, GAN Guojuan, ZHU Xiaolong, et al. Heavy metal pollution and health risk in vegetables and soils in a industrial and mining area in Hunan Province[J]. Environmental Chemistry, 2013, 32(9): 1 737-1 742.

[13] 魏复盛,陈静生,吴燕玉,等.中国土壤环境背景值研究[J].环境科学,1991,12(4):12-19.

WEI Fusheng, CHEN Jinsheng, WU Yanyu, et al. Study on the background contents on 61 elements of soils in China[J]. Environmental Science, 1991,12(4):12-19.

[14] HAKANSON L. An ecological risk index for aquatic pollution control. A sediment logical approach [J]. Water Research, 1980，14(8):975-1 001.

[15] 陆泗进,王业耀,何立环. 会泽某铅锌矿周边农田土壤重金属生态风险评价[J]. 生态环境学报, 2014, 23(11): 1 832-1 838.

LU Sijin, WANG Yeyao, HE Lihuan. Heavy metal pollution and ecological risk assessment of the paddy soils around a Pb-Zn mine in Huize country[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(11): 1 832-1 838.

[16] 徐争启,倪师军,庹先国,等.潜在生态危害指数法评价中重金属毒性系数计算[J].环境科学与技术,2008, 31(2):112-115.

XU Zhengqi,NI Shijun,TUO Xianguo, et al. Calculation of heavy metals toxicity coefficient in the evaluat ion of potential ecological risk index[J]. Environmental Science Technology, 2008, 31(2):112-115.

MonitoringandEvaluationofHeavyMetalsinSoilaroundtheMajorCentralizedDrinkingWaterSources

LU Sijin, WANG Yeyao, HE Lihuan

State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring, China National Environmental Monitoring Centre, Beijing 100012, China

X825

A

1002-6002(2017)03- 0001- 07

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.03.01

2015-12-14;

2016-04-25

环保公益行业专项“国家土壤环境质量监测网构建和业务化运行保障研究与示范”(201509031)

陆泗进(1979-)，男，湖北咸宁人，博士，高级工程师。

王业耀