基于ArcGIS的城郊不同功能区土壤重金属健康风险评价

林静雯, 陈勉为, 郑冬梅, 苏成坤, 范 朵

(沈阳大学 环境学院, 辽宁 沈阳 110044)

城市化不断加快已给城郊地区土壤带来了严重的重金属污染,目前针对北京[1]、沈阳[2]、呼和浩特[3]和洛阳[4]等几座大中型城市土壤重金属污染的研究表明,我国部分城市郊区土壤已经受到了不同程度的重金属污染,因此城市化进程中城郊土壤重金属污染防治已成为土壤重金属污染防治研究的关注热点.

现阶段,部分城市已针对主城区进行土壤重金属健康风险评价,如西安[5]、重庆[6]、武汉[7]等地.对于城郊地区,其土壤利用类型复杂,土壤重金属会通过更复杂的途径对周围居民健康产生不良影响,因此开展城郊地区土壤重金属健康风险评价,特别是通过符合我国人群健康实际情况的人体暴露参数的选择,探究其参数的计算,提高数据可靠性的研究[8],确定影响健康的污染因素和风险等级与人体健康的关系,对土壤重金属健康风险评价技术的应用具有重要的意义[9].但城郊土壤重金属健康风险评价却少有文献涉及,特别是针对城郊利用不同类型的土壤进行健康风险评价未见文献报道.随着地理信息系统ArcGIS的广泛使用,越来越多的研究者通过使用ArcGIS来评价土壤重金属的空间分布[10-11],但基于ArcGIS的城郊土壤重金属健康风险评价也未见文献报道.

沈阳大东区东北部城郊地区,主要以汽车产业为主,城市化进程中,土壤面临着重金属污染的威胁[12].本文首次根据该区域不同的土地利用类型,通过基于ArcGIS的不同土地利用类型的土壤重金属健康风险评价及空间分布研究,对城市化进程中土壤中重金属对居民健康产生的影响进行预测分析,为城郊环境土壤质量改善和人群建康防护提供理论依据[13],为城郊土壤重金属健康风险评价提供新技术.

1 研究方法

1.1 研究区域

沈阳市大东区位于沈阳市东部,是沈阳市市内五区之一,面积100 km2,观泉路以南为大东区城市主城区,观泉路以北为大东区城郊地区.本文对沈阳市大东区观泉路以北约80 km2范围内的城郊地区的土壤进行研究.根据大东区发展规划,根据不同的功能特性,该区域划分为3个功能区,分别为产业聚集区、整车核心区和生活配套区,各功能区划分等信息如表1和图1所示.

表1 功能区信息Table 1 Information of functional division

1.2 土壤样品的布点及采集

在实地调研的基础上,根据《农田土壤环境质量监测技术规范》(NY T 395—2012),确定在沈阳大东区观泉路以北约80 km2范围内设置140个采样点.根据划分的功能区,把采样划分为3个区域,其中将功能区划分4～8个采样单元,每个采样单元设6～10个采样区进行混合样采集.采样区分割为200 m×200 m的区域,采用GPS定位仪对采样中心点进行定位,采用对角线法进行混合样的采取,即先确定对角线的中点作为中心抽样点,再在对角线上选择4个与中心样点距离相等的点作为采样点进行5点混合样采集,采样点用小铲采集表层土,采样深度约20 cm,各等分点混匀后用四分法取1 kg土样装入样品袋,多余部分弃去.

1.3 土壤样品的预处理及重金属含量分析

将样品带回实验室后,除去土壤中混杂的砖瓦石块、石灰结核、根茎及动植物残体等,摊成2～3 cm的薄层,经常翻动.半干状态时捣碎土样,置阴凉处自然风干;将风干的样品倒在有机玻璃板上,压磨,清除植物须根等杂质;混匀土样,过孔径2 mm尼龙筛,去除2 mm以上的砂粒,将小于2 mm的土壤继续研磨,研磨到土样全部通过0.15 mm的尼龙筛.

本次研究共检测人体健康风险较大的As、Ni、Cd、Cr等4种重金属,检测方法参照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018),使用上海良平FA1004型号0.1 mg天平称量0.1 g进行土壤消解,分析过程中所用的所有试剂均为优级纯;其中As采用原子荧光光谱法检测(HJ/T 332—2006),Ni采用火焰原子吸收分光光度法检测(GB/T 17139—1997),Cd采用石墨炉原子吸收分光光度法检测(GB/T 17141—1997),Cr采用火焰原子吸收分光光度法检测(GB/T 17141—1997).

1.4 健康风险评价模型

1.4.1 致癌风险指数ITCR计算模型

每种重金属3种暴露途径的致癌风险指数ITCR的计算公式[14]为

ITCR=∑ICR,ICR=DK.

(1)

式中:ICR为单一重金属一种途径致癌风险指数;D为日均暴露量,mg·(kg·d)-1;K为致癌斜率因子.

因重金属通过经口摄入(ing)、呼吸吸入(inh)和皮肤接触(der)3种途径产生致癌风险,故每种重金属ICR有3种致癌风险指数.所以对应的D有经口摄入的日均暴露量Ding、呼吸吸入的日均暴露量Dinh和皮肤接触的日均暴露量Dder3种参数.同样,对应K也有经口摄入的致癌斜率因子King、呼吸吸入的致癌斜率因子Kinh和皮肤接触的致癌斜率因子Kder3种参数.

1) 每种重金属3种途径的日均暴露量计算公式[15]为

式中下标a代表成人,c代表儿童,参量的含义及取值见表2,.

2) 每种重金属3种途径的致癌斜率因子K的取值方法如下:

参量King的取值[16]见表3;

表3 影响致癌斜率因子K的参量取值及计算结果Table 3 Values and calculation results of parameters affecting carcinogenic slope factor K

(5)

(6)

式中:iIUR为呼吸吸入单位致癌因子,m3·mg-1,取值见表3;igi为消化道吸收效率因子,取值见表3.

4种重金属的K值的取值结果见表3[16].

1.4.2 非致癌风险指数IHI计算模型

1) 4种重金属3种暴露途径的非致癌风险指数IHI的计算公式[14]为

(7)

式中:IHQ为每种重金属不同途径非致癌风险指数;R为非致癌参考剂量,mg·(kg·d)-1.

因重金属通过经口摄入(ing)、呼吸吸入(inh)和皮肤接触(der)3种途径产生致癌风险,故每种重金属IHQ有3种致癌风险指数.所以对应的R有经口摄入的日均暴露量Ring、呼吸吸入的日均暴露量Rinh和皮肤接触的日均暴露量Rder3种参数.

3种途径的非致癌参考剂量R取值方法如下:

参数Ring的取值[16]见表4;

式中:CRfc为呼吸吸入参考质量浓度,mg·m-3[16],参量取值见表4;igi的取值见表4,Rinh和Rder的计算值见表4.

表4 影响非致癌参考剂量R的参量取值及计算结果Table 4 The value and calculation result of parameters affecting the non-carcinogenic reference dose R

1.4.3 健康风险评价标准

在健康风险评价模型中包括致癌风险和非致癌风险,其中致癌风险表示人群暴露在污染效应的污染物中所诱发致癌性疾病和损伤的风险指数,即每百万人群中增加癌症患者的人数.美国环保署EPA在健康风险计划中建立的以致癌风险指数为10-6(即每百万人中增加1个癌症患者)作为基准,超过10-6则代表存在致癌风险,未超过10-6代表致癌风险暂时可忽略,我国专家根据我国实际情况建议风险指数在10-6～10-4为基准,超过10-4则存在致癌风险,未超过10-4则代表致癌风险暂时在可控范围内.

而非致癌风险表示人暴露在污染效应的污染物中所带来的非致癌风险的危害,非致癌风险指数小于1,说明该污染物质未对人群造成非致癌性的危害,暂未对人体健康产生威胁;若非致癌风险指数大于1,则表示该污染物质对人群产生非致癌性的的危害,对人体健康产生一定的威胁.

2 结果与讨论

2.1 致癌风险评价

4种重金属As、Cd、Cr和Ni都具有致癌风险,因此根据式(1)对4种重金属进行致癌风险指数计算,结果见表5.

表5 土壤As,Cd,Cr,Ni致癌风险指数Table 5 Carcinogenic risk index of As, Cd, Cr, Ni in soil

由表5数据可看出,整个研究区域内4种重金属As、Cd、Cr和Ni的致癌风险指数分别为164×10-6、5×10-6、105×10-6和250×10-6,因此致癌风险等级由大到小依次为Ni、As、Cr、Cd,其中As、Cr和Ni均超过EPA标准,但暂时未超过我国建议标准,Cd符合EPA制定标准,因此应当对Ni、As、Cr加强风险防范,采取防控措施,而Cd虽然暂未超过标准,但仍需引起重视,加强管治.

As评价结果显示,整个研究区域内致癌风险指数最小值为6.14×10-6,最大值为1 050×10-6,其中产业聚集区、整车核心区及生活配套区As的致癌风险指数大到小依次为生活配套区、产业聚集区、整车核心区,平均值分别为191×10-6、161×10-6、129×10-6,3个功能区域的As均存在致癌风险,应尽快采取防治措施.

Cd评价结果统计数据显示,整个研究区域内致癌风险指数最小值为0.78×10-6,最大值为9.99×10-6,其中产业聚集区、整车核心区及生活配套区Cd的致癌风险指数由大到小依次为整车核心区、生活配套区、产业聚集区,平均值分别为6.05×10-6、5.03×10-6、4.39×10-6,3个功能区域的Cd均不存在致癌风险,但仍然需要引起重视,做好防控措施.

Cr评价结果统计数据显示, 整个研究区域内致癌风险指数最小值为18.6×10-6, 最大值为273×10-6, 其中产业聚集区、 整车核心区及生活配套区Cr的致癌风险指数由大到小依次为整车核心区、 生活配套区、 产业聚集区, 平均值分别为122×10-6、 109×10-6、 84.8×10-6, 3个功能区域的Cr均存在致癌风险, 应尽快采取防治措施.

Ni评价结果统计数据显示,致癌风险指数最小值为39×10-6,最大值为1 800×10-6,其中产业聚集区,整车核心区及生活配套区Ni的致癌风险指数大由到小依次为整车核心区、生活配套区、产业聚集区,平均值为296×10-6、272×10-6、192×10-6,3个功能区域的Ni均存在致癌风险,应尽快采取防治措施.

2.2 非致癌风险评价

4种重金属元素As、Ni、Cd、Cr都具有非致癌风险,根据式(7)对4种重金属进行非致癌风险指数计算,结果见表6.

表6 土壤As,Cd,Cr,Ni非致癌风险指数Table 6 Non-carcinogenic risk index of As, Cd, Cr, Ni in soil

由表6数据可看出,整个研究区域内4种重金属的非致癌风险指数分别为0.77、3.90×10-3、0.18和0.20.

整个研究区域内As非致癌风险指数最小值为0.03,最大值为4.91,虽然As的非致癌风险平均值小于1,但As在生活配套区的非致癌风险指数平均值为1.71,因此As在生活配套区对人体健康产生威胁,应及时采取防治措施.

整个研究区域内Cd非致癌风险指数最小值为5.9×10-4,最大值为7.5×10-3,显然Cd在整个研究区域内并未对人体健康产生威胁,产业聚集区、整车核心区及生活配套区Cd的非致癌风险指数平均值分别为3.35×10-3、4.61×10-3和3.84×10-3,因此Cd在3个不同功能区中均不会对人体健康产生威胁.

整个研究区域内Cr非致癌风险指数最小值为0.03,最大值为0.46,显然Cr在整个研究区域内并未对人体健康产生威胁,产业聚集区、整车核心区及生活配套区Cr的非致癌风险指数平均值分别为0.14、0.21和0.18,Cr在3个不同功能区中均不会对人体健康产生威胁.

整个研究区域内Ni非致癌风险指数最小值为0.03,最大值为1.42,虽然Ni的非致癌风险平均值小于1,但Ni在个别区域内已经对人体健康产生威胁,产业聚集区、整车核心区及生活配套区Ni的非致癌风险指数平均值分别为0.15、0.24和0.22,由表6中Ni的数据可知,Ni在整车核心区的非致癌风险指数超过1,因此对于Ni在整车核心区已经对人体健康产生威胁,应及时采取防治措施,但Ni在生活配套区及产业聚集区并未对人体健康产生影响,但仍需要加强管控,做好防范措施.

2.3 基于ArcGIS的健康风险评价分析

为了能够更直观地分析研究区域内重金属的健康风险评价,将数据表6和表7通过ArcGIS软件进行空间插值分析,得出重金属健康风险评价图,见图2和图3.

图2 土壤As,Cd,Cr和Ni致癌风险插值Fig.2 Soil As, Cd, Cr and Ni carcinogenic risk interpolation

由图2和图3可以看出,同种重金属的致癌风险和非致癌风险的分布在空间上具有一致性.

图3 土壤As,Cd,Cr,Ni非致癌风险插值Fig.3 Soil As, Cd, Cr, Ni non-carcinogenic risk interpolation

As的致癌风险指数和非致癌风险指数的最大值处于产业聚集区东北部农田区域,农业种植中,施肥工程中使用有机农药是产生As的原因之一.生活配套区和整车核心区的致癌风险和非致癌风险处于良好水平.

Cd的致癌风险指数和非致癌风险指数的最大值处于产业聚集区中部的农田区域,塑料大棚的使用是产生Cd的原因之一,整车核心区的东部地区已经接近临界值,应注意防控.

Cr的致癌风险指数和非致癌风险指数的最大值处于整车核心区东北部区域,产业聚集区和生活配套区Cr的致癌风险超过执行标准,而非致癌风险却未超过执行标准,Cr产生于电镀及合金材料的冶炼,尤其是用于汽车的防腐合金,所以汽车工业是带来土壤Cr的原因,应采取防治措施.

Ni的致癌风险指数和非致癌风险指数的最大值处于整车核心区中部,产业聚集区和生活配套区的致癌风险和非致癌风险处于良好水平.

3 结 论

1) 整个研究区域内4种重金属致癌风险等级由大到小依次为Ni、As、Cr、Cd, 其中As、Cr和Ni均超过EPA标准, 但暂时未超过我国建议标准, Cd符合EPA制定标准. 3个功能区域的As、Cr和Ni均存在致癌风险, Cd不存在致癌风险.

2) 整个研究区域内4种重金属As、Cd、Cr、Ni的非致癌风险指数分别为0.77、3.9×10-3、0.18、0.2.As在生活配套区非致癌风险指数为1.71,对人群造成非致癌性的危害,其他2个功能区非致癌风险指数小于1,Cr和Cd在3个功能区中非致癌风险指数均小于1,未对人群造成非致癌性的危害,Ni在3个功能区中,虽然非致癌风险指数平均值未超过1,但Ni在整车核心区的非致癌风险指数的最大值超过1,应加强管控,做好防范措施.

3) ArcGIS分析表明,3个不同功能区的致癌风险与非致癌风险在空间分布上具有一致性.As、Cd、Cr和Ni的致癌风险与非致癌风险最大值分别出现在产业聚集区东北部农田区域、产业聚集区中部农田区域、整车核心区中部区域.农业种植中的施肥、塑料大棚的使用,以及汽车产业制造中的防腐合金和电镀是产生重金属污染的主要原因.