城鄉(xiāng)交錯區(qū)土壤-作物-地下水系統(tǒng)As積累遷移特征與健康風(fēng)險評價.pdf

1、作為城市與鄉(xiāng)村的過渡帶，城鄉(xiāng)交錯區(qū)既是重要的糧食和蔬菜生產(chǎn)基地，同時也因其存在著復(fù)雜的污染源亦是敏感與脆弱的生態(tài)環(huán)境區(qū)。它的環(huán)境狀況將會直接影響當(dāng)?shù)氐募Z食安全和人們的身體健康。因此，對城鄉(xiāng)交錯區(qū)關(guān)鍵的環(huán)境污染物在主要環(huán)境介質(zhì)系統(tǒng)中的積累與遷移進(jìn)行全面系統(tǒng)的調(diào)查與研究是非常重要且必要的。鑒于此，本文以開封市東郊城鄉(xiāng)交錯區(qū)為研究區(qū)域，在野外調(diào)查走訪的基礎(chǔ)上，運(yùn)用網(wǎng)格布點(diǎn)法采集表層土壤樣品247個，開展表層土壤As總量的空間變異特征研究。在此

2、基礎(chǔ)上，依據(jù)研究區(qū)內(nèi)部不同區(qū)域間微環(huán)境的差異選取剖面樣點(diǎn)和典型表層樣區(qū)進(jìn)行樣品采集。其中，選取了P1（化肥河附近）、P2（化肥河與化肥廠交互污染區(qū)）和P3（對照區(qū)）三個剖面采集區(qū)，共采集了13個土壤剖面280個土壤剖面樣品；同時，選取了T1（化肥廠與煉鋅廠以及制藥廠東北輻射區(qū)）、T2（火電廠西南）、T3（化肥河與煉鋅廠/化肥廠的交互區(qū)）、T4（化肥河支渠與鐵路沿岸交互區(qū)）、T5（化肥河與鐵路沿線交互區(qū)）、T6（化肥河干渠與鐵路沿線交互區(qū)

3、）、T7（化肥河支渠）和T8（化肥河南段）八個典型樣區(qū)，進(jìn)行土壤-小麥的匹配采集，共采集到34個表層土壤樣品和22個小麥匹配樣品。與此同時，以研究區(qū)內(nèi)田間與住戶水井為依托采集了26個不同深度地下水樣品。
　　樣品中As的含量采用原子熒光光度計測定，土壤中As的形態(tài)基于Tessier連續(xù)提取法進(jìn)行分析測定。同時，對采集的土壤樣品進(jìn)行了理化性質(zhì)分析。在此基礎(chǔ)上，探析研究區(qū)土壤-作物-地下水系統(tǒng)中 As遷移積累特征，并基于健康風(fēng)險評價法

4、和改進(jìn)的Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法評價分析了開封市東郊農(nóng)田土壤As的健康風(fēng)險水平和潛在生態(tài)風(fēng)險。
　　通過以上研究，主要得出以下結(jié)論：
　　（1）研究區(qū)表層土壤 As含量與空間變異特征。表層土壤 As含量平均值為7.13 mg/kg，約為對照樣區(qū)土壤As含量（3.67 mg/kg）的1.94倍，顯著高于對照區(qū)（顯著性水平P<0.01）。然而，研究區(qū)表層土壤樣品中僅25.91％超過區(qū)域土壤背景值（9.7 mg/kg）。

5、典型樣區(qū)As含量平均值為19.19 mg/kg，相當(dāng)于對照樣區(qū)的5.22倍，約為中國潮土背景值的1.97倍，其中82.86%個樣點(diǎn)高于背景值?？梢?，研究區(qū)表層土壤在不同程度上受到了As污染，典型樣區(qū)表層土壤的污染尤為嚴(yán)重。
　　研究區(qū)表層土壤As的空間分布呈現(xiàn)出顯著異質(zhì)性。低值區(qū)位于研究區(qū)北部（制藥廠以北），土壤As含量（0.45～9.7 mg/kg）低于背景值；高值區(qū)（21～29.8 mg/kg）有兩個，一個位于化肥廠/煉鋅廠與

6、化肥河交互區(qū)，另一個為化肥河下游；次高帶（14.3～21 mg/kg）位于化肥河干渠（隴海線與新宋路之間）。研究區(qū)土壤As含量呈島狀分布，環(huán)狀遞減。從總體上看，研究區(qū)土壤As污染呈現(xiàn)北低南高，且污染嚴(yán)重的區(qū)域集中于工礦企業(yè)與河流沿線的交互區(qū)。土壤As污染隨著距離工廠或者河流距離的增加，污染呈現(xiàn)出遞減的趨勢。
　?。?）研究區(qū)剖面土壤中 As總量的垂直分布特征?？傮w來說，距化肥廠/煉鋅廠等企業(yè)或化肥河及其灌渠越近，剖面土壤中As的積

7、累與淋溶下移特征越顯著。其中，P1樣區(qū)距化肥河較近（P1-A、P1-B）的樣點(diǎn)污染最為嚴(yán)重，第三個樣點(diǎn)（P1-C）距化肥河較遠(yuǎn)且周圍沒有受到工礦企業(yè)的污染，剖面較為清潔；P2樣區(qū)受污灌影響（P2-A、P2-B）與受污灌和煉鋅廠、化肥廠、碳素廠交互污染（P2-D、P2-E、P2-F、P2-G）的樣點(diǎn)呈現(xiàn)出顯著的As積累與淋溶下移特征，距化肥河較遠(yuǎn)的樣點(diǎn)（P2-C）只受碳素廠的影響，污染相對較輕；P3樣區(qū)位于火電廠附近，電廠附近土壤As含量

8、低于背景值，離河流較遠(yuǎn)，相對較清潔。三個剖面樣點(diǎn)均低于背景值，其中P3-A與P3-C各分層間變化不是很明顯，樣點(diǎn)P3-B由于之前為水稻種植，從As的垂直遷移規(guī)律來看與其他兩個樣點(diǎn)的規(guī)律有所不同。
　?。?）研究區(qū)土壤As污染評價。研究區(qū)表層土壤樣點(diǎn)中內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)（P綜）為2.24，污染等級為中等污染；整個樣區(qū)中潛在生態(tài)風(fēng)險沒有處于很強(qiáng)和較強(qiáng)風(fēng)險的樣點(diǎn)，大部分樣點(diǎn)處于輕微風(fēng)險之中，僅1.21%樣品處于較強(qiáng)風(fēng)險。
　　典型

9、剖面樣區(qū)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)（P綜）為3.44，污染等級為嚴(yán)重污染，各個樣區(qū)間內(nèi)梅羅污染指數(shù)的大小順序?yàn)椋篜1（2.00）>P2（1.76）>P3（0.70）。從單個樣點(diǎn)來看，整個剖面樣區(qū)中沒有樣點(diǎn)處于極強(qiáng)風(fēng)險，大部分樣點(diǎn)處于輕微風(fēng)險之中，僅0.71%樣品為很強(qiáng)風(fēng)險。就各個樣區(qū)來看，P1樣區(qū)0～30cm污染等級為超標(biāo)，處于中等或較強(qiáng)風(fēng)險，P2樣區(qū)0～40cm污染等級為超標(biāo)，處于中等或較強(qiáng)風(fēng)險，P3樣區(qū)比較清潔，處于輕微風(fēng)險水平。
　

10、?。?）典型樣區(qū)土壤As全量及化學(xué)形態(tài)分布特征。表層土壤As全量的高值區(qū)是化肥河南段樣區(qū)，低值區(qū)為化肥廠與煉鋅廠以及制藥廠東北輻射區(qū)，化肥河南段樣區(qū)主要受污灌的影響。可見，研究區(qū)農(nóng)田土壤中 As來源與污灌有關(guān)。各樣區(qū)表層土壤中 As的五種化學(xué)形態(tài)平均百分比含量由大到小的順序?yàn)椋篟E（71.34%）>FM（16.82%）>CA（6.68%）>EX（3.86%）>OR（1.29%）?；屎又訁^(qū)中離子交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)最高；化肥河南段樣

11、區(qū)鐵錳氧化態(tài)最高；化肥河干渠與鐵路沿線交互區(qū)有機(jī)結(jié)合態(tài)最高?；蕪S與煉鋅廠以及制藥廠東北輻射區(qū)離子交換態(tài)和鐵錳氧化態(tài)最低；火電廠西南樣區(qū)碳酸鹽結(jié)合態(tài)最高?；屎又訁^(qū)生物可利用性最高，化肥廠與煉鋅廠以及制藥廠東北輻射區(qū)生物有效性最低?；屎幽隙螛訁^(qū)位于As含量的高值區(qū)，化肥河支渠樣區(qū)位于高值區(qū)的環(huán)狀遞減區(qū)，化肥廠與煉鋅廠以及制藥廠東北輻射區(qū)及火電廠西南均位于As含量的低值區(qū)，樣區(qū)間土壤As形態(tài)呈現(xiàn)出不同的規(guī)律，可能與土壤的理化性質(zhì)、土

12、壤As含量以及與工廠或河流的距離有關(guān)。
　　從剖面土壤中As的形態(tài)分布來看，各樣區(qū)剖面土壤中As的五種化學(xué)形態(tài)平均百分比含量由大到小的順序?yàn)椋篟E（85.73%）>FM（9.88%）>CA（2.17%）>EX（1.53%）>OR（0.69%）。除去殘?jiān)鼞B(tài)外，離子交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化態(tài)在剖面土壤中呈現(xiàn)出表層（0～20cm）先升后降，犁底層（20～40cm）下降，下層（40～110cm）趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后三種形態(tài)的平均百分比含

13、量分別為：0.79%、0.89%和5.56%。除去殘?jiān)鼞B(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)外，P1樣區(qū)中35cm以下，P2樣區(qū)45cm以下，P3樣區(qū)為25cm以下各形態(tài)趨于穩(wěn)定。P1樣區(qū)離子交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化態(tài)穩(wěn)定后百分比分別為：1.07%、1.03%和5.94%；P2樣區(qū)為0.62%、0.83%和6.12%；P3樣區(qū)為0.60%、0.79%和4.38%。三個樣區(qū)各形態(tài)均在不同深度后趨于穩(wěn)定，主要原因是 P2樣區(qū)土壤長期污灌且位于表層As含量的高

14、值區(qū)，土壤受到As污染較為嚴(yán)重，在較深處趨于穩(wěn)定，P1樣區(qū)污染程度次于P2樣區(qū)，故穩(wěn)定狀態(tài)深度小于P2樣區(qū)，P3樣區(qū)土壤基本不受外來污染的影響，因此在較淺處就趨于穩(wěn)定。
　?。?）土壤-作物-地下水系統(tǒng)中As含量及其健康風(fēng)險評價。研究區(qū)土壤-小麥匹配采集中土壤-小麥As含量的高值區(qū)為化肥河南段樣區(qū)，低值區(qū)為火電廠西南樣區(qū)。雖然化肥河支渠樣區(qū)土壤-小麥As含量相對較低，但該樣區(qū)的土壤As生物可利用性、遷移系數(shù)和小麥的遷移積累率均最高

15、。因此，該樣區(qū)中小麥籽粒中As含量水平僅次于化肥河南段樣區(qū)。地下水As含量大小順序?yàn)椋簻\層（0.294μg/L）>深層（0.201μg/L）>中層（0.021μg/L）。
　　土壤-小麥系統(tǒng)中致癌風(fēng)險水平為1.78×10-4 a-1，超過ICRP推薦的標(biāo)準(zhǔn)值。皮膚接觸土壤的致癌風(fēng)險水平為1.76×10-6 a-1，食用小麥的致癌風(fēng)險水平為1.76×10-4 a-1。且研究區(qū)95.45%的小麥樣品中As的個人致癌風(fēng)險超過ICRP推薦