平顶山矿区丘陵坡地土壤重金属健康风险评价

楚纯洁 周金风 吴楠楠

(1.平顶山学院旅游与规划学院，河南省平顶山市，467000；2.平顶山学院化学与环境工程学院，河南省平顶山市，467000)

★ 节能与环保 ★

平顶山矿区丘陵坡地土壤重金属健康风险评价

楚纯洁1周金风2吴楠楠1

(1.平顶山学院旅游与规划学院，河南省平顶山市，467000；2.平顶山学院化学与环境工程学院，河南省平顶山市，467000)

以平顶山矿区丘陵坡地土壤为供试材料，分别以沿坡面不同海拔处与矿区下风向不同距离处为轴线进行样品采集，测试分析了土壤中重金属Cu、Zn、Cr、Ni和Pb的含量，并开展土壤重金属健康风险评价。试验结果表明，平顶山矿区丘陵坡地土壤中所测试重金属元素均不产生非致癌健康风险，不同暴露途径下的潜在健康风险大小依次为Cr>Pb>Ni>Cu>Zn，经口摄入是主要暴露途径。土壤中的Cr对周边居民健康可产生致癌风险，其中皮肤接触途径的致癌风险程度较大，其变化主要与矿区长期的煤炭开采活动所释放的有害重金属元素的坡面径流迁移、高空气流传输、地形阻滞以及沉降有关。

平顶山矿区 土壤重金属 健康风险

近年来，重金属污染土壤的健康风险评估方面受到了较多的关注，这些研究主要集中于城市土壤、工矿区土壤、农田土壤和蔬菜种植基地土壤等，其中以工矿区重金属污染土壤的健康风险研究占多数。低山丘陵地区是中国生态环境破坏最严重的区域之一，其退化生态系统的诊断、评估与修复是改善区域生态环境、维护人们健康、提高低山丘陵区生产力以及实现可持续发展的关键所在。

平顶山矿区是中国北方重要的能源化工基地，主要分布于豫西石质丘陵地带，特殊的地理位置使得土壤环境长期受到煤炭开采与水蚀风蚀的深刻影响。而长期煤炭资源开采所造成的生态环境问题，不仅直接影响矿区周边丘陵坡地土壤的健康与生态安全，而且还严重威胁着主导下风向的平顶山市城区的环境质量与生态系统功能。但是针对这一区域污染土壤的健康风险与评价研究鲜见报道，作者曾研究过这一区域受采矿行为影响的丘陵坡地土壤的重金属分布及污染特征，但其土壤重金属污染的健康风险还有必要在此基础上做进一步深入评估。因此，本文以平顶山矿区平煤四矿周边的丘陵坡地为研究对象，以分析特殊地形条件下煤炭开采对土壤重金属污染健康风险的影响特点及规律，为污染土壤的修复及污染防治提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于豫西石质丘陵区(33°08′～34°20′N，112°14′～113°45′E)，为北亚热带向暖温带过渡的大陆性季风气候，6～8月份盛行南风或偏南风，其他月份以北风或偏北风为主，年均气温为14.7℃，年均降雨量为759 mm。土壤具有典型的过渡性，为南方黄红壤土向北方褐土的过渡类型，土壤粗骨性比较突出，土层浅薄，多有基岩裸露，土壤厚度多在5～45 cm。

平顶山矿区主要分布于平顶山市区北部的丘陵南坡，东西长约30 km，自1956年以来共建有大型矿井11对，为中国北方重要的煤炭基地。矿区周边丘陵多属剥蚀侵蚀地形，工矿开发以来的土壤侵蚀速率增大了近2倍，达到了3750 t/km2。采样区为中平能化集团四矿所在的擂鼓台南坡，母岩为中粗粒石英砂岩、粉砂岩及砂质页岩。

1.2 样品采集与处理

结合研究区地形分布，以矿区为中心，分别选取沿坡面变化(A轴)和沿矿区下风向变化(B轴)两条采样轴线。A轴为研究主轴线，依据不同海拔从坡顶至坡底按土地利用类型采样，每个样点采用蛇形取样法采集多点表层混合样(0～15 cm)；B轴为研究区污染主导风向的下风向(东南方向)，分别在距离矿区50 m、100 m、200 m、500 m、1000 m和1500 m处(高差相差较小)按蛇形取样法采集多点表层混合样。研究区地形及采样点位分布如图1所示。

图1 研究区地形及采样点位分布

1.3 测试方法

将土样自然风干后研磨，全部通过2 mm土壤筛；再分取部分样品继续研磨，分别通过1 mm和0.149 mm土壤筛，备测。测试重金属元素共5种，包括Cu、Zn、Cr、Ni和Pb，采用硝酸-氢氟酸-高氯酸加热消解，采用火焰分光光度法测试(日本岛津AA-6601F原子吸收分光光度计，氘灯作背景校正)。

1.4 土壤重金属污染风险评价

1.4.1 健康风险评价模型

土壤污染物在迁移过程中引起的暴露风险是污染土壤健康风险评估的核心。参照美国环保局(USEPA)推荐的健康风险方法，重金属经暴露途径进入人体后引起的健康风险分为非致癌风险(HQ)和致癌风险(Risk)。

(1)非致癌风险(HQ)见式(1)：

(1)

式中：HQ——非致癌风险；

CDI——慢性日摄入剂量，mg/(kg·d)；

RfD——污染物非致癌参考剂量，mg/(kg·d)。

(2)致癌风险(Risk)见式(2)：

Risk=CDI×SF

(2)

式中：Risk——致癌风险；

SF——污染物致癌斜率因子，mg/(kg·d)。

依据USEPA风险评价标准，Risk值取10-6为可接收致癌水平下限，取10-4为可接收致癌水平上限；对于非致癌物质，当HQ>1时，存在非致癌风险。

1.4.2 暴露途径及模型

结合平顶山矿区丘陵坡地土壤重金属对人体的暴露途径，参照USEPA推荐的暴露模型从经口摄入(Ding)、皮肤接触(Dder)和呼吸接触(Dinh)这3种途径进行暴露量计算，人体健康风险暴露途径及其模型见表1。

表1中暴露参数依据US EPA暴露因子手册和污染场地风险评价导则确定，健康风险评价暴露参数见表2。

重金属Cu、Zn、Ni和Pb具有慢性非致癌健康风险，Pb同时也是可能的化学致癌物，Cr则具有明确的致癌健康风险。各重金属健康风险评价的参考剂量(RfD)和致癌斜率系数(SF)的具体量值见表3。

表1 人体健康风险暴露途径及其模型

表3 重金属健康风险参考剂量(RfD)和致癌斜率系数(SF)

注：Cr的参考值采用Cr6+推荐值。这是由于目前USEPA计划中尚无总结的参考值，而旱作土壤表层Eh一般大于400 mV，土壤中Cr6+约占总铬的70%，考虑到最大风险原则和预警作用，故本研究采用 Cr6+的RfD和SF值

2 评价结果分析

2.1 矿区丘陵坡地土壤重金属的健康风险水平

各重金属在不同暴露途径下的非致癌风险水平主要集中于10-1～10-6之间，均小于1，说明土壤中Cu、Zn、Cr、Ni和Pb元素含量对当前矿区周边居民健康未产生非致癌健康影响。在3种暴露途径中，各重金属经口入途径所产生的非致癌健康风险最大，而呼吸途径风险最小。同时，儿童经口入途径的非致癌风险要远远大于成人。就儿童口入途径的不同重金属HQ值对比来看，依大小顺序为Cr>Pb>Ni>Cu>Zn，Cr和Pb的潜在非致癌风险程度较大。平顶山矿区丘陵坡地土壤重金属的健康风险指数见表4。

由表4可以看出，不同暴露途径下的土壤Pb的Risk值均小于10-6，致癌风险水平集中在10-7～10-9之间，说明平顶山矿区丘陵坡地土壤Pb污染对周边居民健康尚不会构成致癌风险。但是，皮肤接触与呼吸途径下的土壤Cr的Risk值均大于10-6，说明平顶山矿区丘陵坡地土壤Cr对周边居民健康可产生致癌风险。其中，皮肤接触途径的Risk指数达到了4.78×10-5，致癌风险程度较大。

表4 平顶山矿区丘陵坡土壤重金属致癌与非致癌风险指数

2.2 不同海拔与不同距离条件下土壤重金属健康风险分析

依据前述分析，以致癌风险较明显的土壤Cr为例，分析其皮肤接触途径的Risk指数在不同海拔与不同距离条件下的分布特点，平顶山矿区丘陵坡土壤Cr皮肤接触途径致癌风险分布如图2所示。

图2 平顶山矿区丘陵坡土壤Cr皮肤接触途径致癌风险分布

由图2(a)可以看出，RiskCr值沿坡面(A轴)在不同海拔处存在显著差异。在矿区附近致癌风险最大，这显然是受矿区煤炭开采活动的直接影响。矿区以下坡面及近坡底附近土壤致癌风险也较高，主要与矿区粉煤灰、粉尘受长期的水流冲刷及风力近距离沉降影响沿坡面向下迁移、积累有关。相反，在矿区以上坡面RiskCr值随着海拔上升趋于减小，但在海拔为394～434 m之间的近坡顶附近出现了明显的峰值，土壤致癌风险增大。这一结果与重金属元素等在此处的小幅累积相似，这与矿区所产生的粉煤灰等通过气流的高空传输、地形阻滞截留和沉降有关。

由图2(b)可以看出，矿区下风向(B轴)不同距离处RiskCr值在矿区附近最大，且随距离增大而迅速减小，在距离矿区下风向200 m以外RiskCr值趋于稳定，这主要与矿区煤炭开采活动中粉煤灰和粉尘的传播有关。

3 结论

从致癌与非致癌两方面对平顶山市矿区丘陵坡地土壤的健康风险水平进行了评估，得出以下结论：

(1)所测试Cr、Pb、Ni、Cu和Zn这5种元素中，仅Cr对矿区周边居民健康产生致癌风险，其暴露途径以皮肤接触为主。但这5种元素均没有产生非致癌健康风险，各元素潜在非致癌健康的风险大小依次为Cr>Pb>Ni>Cu>Zn，经口摄入是非致癌健康风险的主要暴露途径。

(2)在不同海拔下，矿区附近坡面土壤Cr致癌风险最大，矿区以下坡面及坡底附近也较高，矿区以上坡面风险降低，但在近坡顶附近健康风险明显增大。矿区下风向土壤Cr致癌风险随距离迅速减小，并在距离矿区下风向200 m以外趋于稳定。其变化主要与矿区长期的煤炭开采活动所释放的有害重金属元素的坡面径流迁移、高空气流传输、地形阻滞和沉降有关。

(3)通过沿坡面不同海拔处与矿区下风向不同距离处两条轴线对矿区周边土壤重金属污染的健康风险进行评估，以线代面，反映了平顶山矿区丘陵坡地土壤重金属污染的健康风险规律，发现基于风险土壤重金属的环境评价更适宜对特定的污染场地土壤进行判断和识别，可以为当地居民的健康提供足够的保障，其风险评估的结果也更有指导意义。

不足的是，本研究结果仅是针对所测试的5种重金属元素所得出，其他未测试元素可能也会产生健康风险，而且本次评估缺乏对多种重金属毒性复合效应的考虑，从而增加了评估结果的不确定性。因此，本研究只是针对矿区周边土壤健康风险的初步评估，还有待于进一步深入研究。

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(责任编辑 王雅琴)

HealthriskassessmentofsoilheavymetalinhillyslopingfieldsofPingdingshanminingarea

Chu Chunjie1, Zhou Jinfeng2, Wu Nannan1

(1. College of Tourism and Planning, Pingdingshan University, Pingdingshan, Henan 467000, China; 2. College of Chemistry and Environmental Engineering, Pingdingshan University, Pingdingshan, Henan 467000, China)

Soil in hilly sloping fields of Pingdingshan mining area was used as tested material, and the soil samples were collected from the axes between different altitudes of sloping face and different distances of downwind direction in the mining area respectively, and the contents of soil heavy metals such as Cu, Zn, Cr, Ni and Pb were tested and analyzed. The results showed that the tested heavy metals in hilly sloping fields soil would not had non-carcinogenic health risk, the potential health risks of heavy metals through different exposure approaches were Cr, Pb, Ni, Cu, Zn in order, and ingestion through mouth was the main exposure approach. In contrast, Cr element in the soil had carcinogenic risk to nearby resident's health, and skin contact was the main exposure approach, the variety of soil health risk were mainly associated with the slope runoff migration, high altitude airflow transmission, terrain block and sedimentation of the harmful heavy-metal element released by long-term coal mining activities in mining area.

Pingdingshan mining area, soil heavy metal, health risk, hill

河南省科技攻关计划项目(152102310202)，河南省教育厅科技研究重点项目(12B210020)，平顶山学院高层次人才资助项目(PXY-BSQD-2017004)

楚纯洁，周金风，吴楠楠. 平顶山矿区丘陵坡地土壤重金属健康风险评价[J].中国煤炭，2017，43(8)：153-157. Chu Chunjie, Zhou Jinfeng, Wu Nannan. Health risk assessment of soil heavy metal in hilly sloping fields of Pingdingshan mining area[J].China Coal，2017，43(8)：153-157.

X825

A

楚纯洁(1978-)，男，河南叶县人，博士，副教授，主要从事生态环境演变及治理研究。