基于双指标多等级的土壤重金属生态风险评价

张霖琳，霍晓芹，刘 丽，袁 懋，肖建军

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

土壤生态风险评价是预测土壤中污染物对生态系统或其中一部分产生有害影响可能性的过程，在风险管理的框架下发展起来，重点是评估人为活动引起的土壤生态系统的不利改变，可为土壤风险管理提供可能引起不良生态效应的信息，为环境决策提供依据[1]。生态风险评价是生态评价和风险评价的综合体，生态评价侧重于暴露评价和效应评价[2]，而风险评价则侧重于得出风险高低及与其有关的一些风险评价技术的开发和利用。现有的土壤中重金属风险评价主要基于富集因子法[3]、地积累指数法[4]和潜在生态危害指数法[5]等单一评价方法，且多使用重金属总量来评价，没有充分考虑对生态产生影响的有效态部分[6-7]；在毒性效应上，没有充分考虑土壤生态系统中受暴露物种的慢性效应不同、生态系统中物种的敏感性范围以及单个物种的生态功能。联合概率曲线法(JPCs)[8]是以毒性数据的累积函数和污染物暴露浓度的反累积函数作图，曲线反映了各损害水平下暴露浓度超过相应临界浓度值的概率，体现了暴露状况和暴露风险之间的关系，可以弥补上述不足。

该研究将JPCs法引入土壤风险评价中，建立基于双指标多等级综合评估的土壤中重金属生态风险评估模型，同时采用重金属总量和有效态双指标，连续应用低层次的筛选到高层次的风险评价，综合多种风险评价法，从而确定土壤中重金属实际产生的生态系统风险。

1 实验部分

1.1 样品采集与分析方法

按照土壤采样技术规范的要求[9]，土壤样品取自湖南湘江某河段及附近农田土，样品在室温下风干，去除植物残体、石子等杂物，研磨混匀后过0.15 mm孔径尼龙筛，分装至聚乙烯小瓶中于干燥器中保存。混合、粉碎、研磨等处理过程均使用非金属工具。

采用硝酸-盐酸-氢氟酸体系和微波消解后赶酸的前处理方法对样品进行全分解[10]，二乙烯三胺五乙酸(DTPA)浸提土壤元素有效态[11]，ICP-MS法对上述前处理后的试样中的Cr、Ni、Cu、Zn、As、Pb等6种元素进行测定[12]。

1.2 富集因子法

富集因子主要用于判断自然与人为污染来源及其对污染的比例，在土壤和沉积物等环境介质中，重金属的富集因子表示其超过背景值的程度[3]。富集因子(K)的计算公式为

(1)

式中:Ci为研究元素i的浓度，Cn为选定的参比元素浓度，“环境”指研究元素与参比元素的比值，“背景”指土壤中相应元素平均含量与参比元素平均含量比值。通常选择在土壤中比较稳定和迁移性差的元素作为参比元素，背景值取自中国土壤元素背景值。K值大于10说明有人为污染的风险，且比值越大风险越高。

1.3 地积累指数法

德国学者MÜLLER在1979年提出的地积累指数法(Igeo)[4]，广泛用于沉积物及其他物质中重金属污染程度的研究，其表达式为

(2)

式中:Ci为测定元素在沉积物中的含量，Bi为沉积物中该元素的地球化学背景值，k为考虑各地岩石差异可能会引起背景值的变动而取的系数(一般取值为1.5)，Igeo共分为7级(0～6级)，表示污染程度由无至极强。

1.4 潜在生态危害指数法

1980年瑞典学者HAKANSON提出潜在生态危害指数法(RI)[5]，利用沉积物中重金属相对于工业化以前沉积物的最高背景值的比值，以及重金属的生物毒性系数进行加权求和，得到生态危害指数。指数反映沉积物重金属的浓度效应、多种重金属污染物的协同效应、不同重金属的毒性效应和水体对不同重金属污染物的敏感性，广泛应用于底泥重金属风险评价，计算公式为

(3)

1.5 联合概率曲线法

JPCs是以毒性数据的累积函数和污染物暴露浓度的反累积函数作图，曲线反映了各损害水平下暴露浓度超过相应临界浓度值的概率，体现了暴露状况和暴露风险之间的关系，常用于水环境生态风险评估[13]。联合概率曲线上的每一个点都表示对一定水平生物产生不良效应的发生概率，联合概率曲线越靠近轴说明引起不良效应的概率越小。具体包括以下3个步骤：

步骤一：将重金属暴露浓度和毒性数据浓度按照概率函数分布拟合，转换为概率函数并排序，其中μ表示分布数据的均值，σ表示分布数据的标准偏差。

(4)

步骤二：将转换后的概率单位取对数值，并用线性回归拟合，求出线性方程的斜率(m)和截距(b)，其中y是概率单位转换后的环境暴露数据或毒性数据，x是对数转化后的环境暴露数据或毒性数据。

y=xm+b

(5)

步骤三：利用暴露浓度数据集和毒性浓度数据集2个线性回归方程所计算的斜率和截距，来计算某一浓度对生物物种造成指定百分比影响的概率。prob(X)是指期望保护的某水平(X%)物种的概率单位值，mtox和btox分别指经过对数转化的毒性浓度数据和对应的概率单位数据线性回归方程的斜率和截距，mexp和bexp分别指经过对数转化的重金属暴露浓度数据和对应的概率单位数据线性回归方程的斜率和截距。土壤中重金属有效态含量对X%物种产生影响的概率=〔mtox·concentration(X)〕+btox，concentration(X)指对X%物种产生影响的浓度。

2 结果与讨论

2.1 土壤样品测定结果

中国土壤环境质量标准(GB 15618—1995)中的重金属标准限值均指的是全量，将土壤样品中6种元素总量和有效态的测定结果与标准进行比较，见表1。

由表1可以发现，2#样品Cu含量超过土壤Ⅱ级标准，3#样品Cu含量超过土壤Ⅲ级标准；3#样品Zn含量超过土壤Ⅱ级标准；2#样品As含量超过土壤Ⅲ级标准，3#样品As含量超过土壤Ⅰ级标准；3个点位Pb含量均超过土壤Ⅰ级标准。

表1 土壤样品中6种重金属全量和有效态测定结果

2.2 富集因子法结果

选择在土壤中比较稳定和迁移性差的Ti作为参比元素，3个样品中7种重金属用总量的数据进行富集因子的计算，结果见表2。表中3#点位Cu富集系数为33.2，明显高于其他元素，且远高于2#点位和1#点位；Zn也呈现同样趋势，即3#>1#>2#，富集因子分别为4.91、0.80和1.26；2#点位As富集因子较高(19.59)，大于1#点位(2.15)和3#点位(4.56)；其他元素富集因子范围为0.6～3.35，3#点位较其他2个点位略高。富集因子大于10可认为该元素由于污染而富集在土壤中，计算结果表明样品中Cu和As存在人为污染，可能来源于其上游的冶炼工厂。

2.3 地积累指数法结果

采用全国土壤环境背景值调查结果中该地区土壤元素总量背景值的几何均值作为参比值[14]，比较了3个点位各种重金属的污染程度，详细结果见表3。结果显示，Cu除在1#点位无污染之外，在其他2个点位为5、6级极强污染，As在2#点位为5级强度污染，Pb为2级中度污染，Zn为无～中度污染，Ni、Cr为无污染。根据重金属的地积累指数均值，综合分析该地区6种重金属的污染程度，由强至弱依次为Cu>As>Zn>Pb>Ni>Cr。

表2 土壤样品中6种重金属富集因子Table 2 Enrichment factors of six heavy metals in soil samples

表3 土壤样品中6种重金属地积累指数及污染程度分级Table 3 Igeo and pollution degree of six heavy metals in soil samples

2.4 潜在生态危害指数法结果

Cu、Pb、Zn、Cr和As等5种元素在该评价方法中给出了生物毒性系数Ti，故仅能通过计算这5种元素的Ei和RI值来对样品进行潜在生态风险评价。Cn为全国土壤环境背景值调查结果中当地土壤背景值的几何均值[14]，最终得出生态危害评价指数详细结果见表4。Pb、Zn和Cr的Ei值均小于40，表示这3种重金属污染轻微；Cu在1#、2#和3#点位的Ei值依次增高，分别为5.41、79.6和166，表示生态危害程度轻微、中等和很强；As在2#点位生态危害程度很强(Ei值为196)，1#点位和3#点位分别为轻度和中等污染。根据生态危害系数，5种重金属的潜在生态危害由强到弱的顺序为Cu>As>Pb>Zn>Cr。

表4 土壤样品中5种重金属生态危害评价指数Table 4 RI of five heavy metals in soil samples

2.5 联合概率曲线法结果

经上述3种方法评价后，Cu的风险最高，对Cu进行联合概率曲线法评价。选择与土壤相关的物种，收集汇总其毒性相关数据[15-20]，计算得出期望保护的某水平物种概率单位值prob(X)，见表5。

表5 土壤相关的物种毒性和概率数据 Table 5 Soil-related species toxicity and probability data

将毒性浓度数据进行对数转化，和对应的概率进行线性回归,如图1所示。直线对应的方程中：mtox=0.016 7，btox=1.701 4。将3个点位土壤中有效态铜的浓度数据代入公式，得出土壤中重金属浓度对物种产生影响概率分别为1.79、2.96和4.36。反映了对生态产生影响的有效态铜的暴露状况和风险之间的关系。

图1 毒性和概率回归分析Fig.1 The regressive analysis of toxicity and probability

利用富集因子法，将实测点位的土壤中重金属浓度与土壤元素背景值进行比较，反映土壤重金属污染水平；利用地积累指数法，定量表征重金属的污染等级;利用潜在生态危害指数法，反映重金属的浓度效应、多种重金属污染物的协同效应、不同重金属的毒性效应和土壤对不同重金属污染物的敏感性；利用联合概率曲线法，即同时分析重金属暴露浓度与毒性数据的概率分布曲线，考察重金属对生物的毒害程度，从而确定土壤中重金属对于生态系统的风险。如果将这4种方法相结合，则可以充分利用各种方法和手段，实现从简单到复杂、从总量到有效态的多等级、多角度评价。既考虑了土壤生态系统中受暴露物种的慢性效应不同，又兼顾生态系统中物种的敏感性范围以及单个物种的生态功能。采用这种方法对实际土壤样品中重金属的生态风险进行评价，可以更好地掌握该地区的污染状况和潜在风险，为降低该地区重金属污染，提高人群健康状况提供帮助，同时也为今后开展相关研究提供科学参考。

3 结论

1)土壤中重金属的生态风险评价同时考虑总量和有效态含量，能够全面、系统地反映重金属的污染水平和对生态系统的风险。

2)将富集因子法、地积累指数法、潜在生态危害指数法和联合概率曲线法相结合，实现了从简单到复杂的多等级综合评价。既考虑到土壤生态系统中受暴露物种的慢性效应不同，又兼顾了生态系统中物种的敏感性范围以及单个物种的生态功能。

3)通过测定典型地区代表性土壤样品不同重金属的总量和有效态，验证评价模型的实用性和评价分级的合理性，为土壤环境质量管理提供科学支持。

致谢：感谢湖南省环境监测中心站协助完成该研究的现场采样工作。