土壤重金属污染风险评价方法对比研究

刘德成，李玉倩，郑纯静，李希贤

（1.中国地质大学（北京）工程技术学院，北京 100083；2.北京市地质矿产勘查开发总公司，北京 100050）

随着城市化的快速发展，北京市土壤污染问题已经成为城市发展面临的突出问题。由于土壤重金属污染具有长期累积性、生态毒理性、生物富集放大性等特点，对地区生态环境、食品安全和人体健康构成持续性威胁[1]，所以，土壤重金属污染问题是制约和影响北京城市发展的重要因素。选取合适的评价方法，准确评估土壤重金属含量的风险程度，不仅能科学指导土地规划利用，控制和减轻重金属污染带来的危害，还能为社会、经济与环境协调发展提供参考依据[2]。

目前，有关土壤重金属风险评价的方法较多[3～8]，其中，评价体系最为成熟、应用最为广泛的评价方法是指数评价法[9]，其是基于重金属总量的评价方法，能直观地反映重金属含量实测值与背景值的关系，进而评价重金属在土壤中的风险。指数评价法依据评价标准的不同，可划分为单项污染指数法[10，11]、内梅罗指数法[12～15]、地积累指数法[16，17]和潜在生态风险指数法[18]等。

本试验选取北京市某卫生填埋场周边土壤为研究对象，分析土壤重金属的污染特征，并选取多种评价方法开展土壤重金属污染风险评价。针对不同评价方法的污染指数计算结果，采用surfer软件（版本13）绘制污染指数等值线图，分析不同评价方法之间污染指数等值线图的区域空间分布特征，不仅可为区域土壤重金属污染风险评价方法的选择积累经验，还可为土壤重金属污染评价提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

北京市某卫生填埋场位于北京市海淀区，是北京市建成的标准化垃圾卫生填埋场，总占地面积约0.47 km2，其中填埋区占地约0.35 km2。以卫生填埋场为中心，选取垂直地下水流动方向宽4 km、沿地下水流动方向长6 km的长方形区域进行研究，研究区面积24 km2。

研究区主要被第四系所覆盖，其下隐伏基岩及其周边山区出露岩石地层有奥陶系（O）、石炭-二叠系（C-P）、侏罗系（J1-2）、侵入岩体。第四系地层主要成因于山前及南沙河洪积、冲洪积作用，形成厚约200 m的第四纪沉积物，分为中更新统（Qp2）、上更新统（Qp3）和全新统（Qh）。

研究区第四系松散孔隙水在垂向上划分为浅层、中层和深层3个主要含水层组。浅层主要为潜水含水层和浅部承压含水层，其中，含水层底板埋深一般为20～40 m，含水层组岩性以中粗砂、中细砂、粉砂、粉质砂土、砂质黏土为主。中层为中部承压含水层组，含水层埋深一般为60～100 m，底板埋深一般为80～120 m，该含水层组由多层砂和黏性土组成，单层厚度一般5～10 m，累计厚度多小于20 m。深层为深层承压含水层组，含水层顶板埋深一般为100～120 m，底板埋深一般为180～250 m（部分地区可达300 m），该含水层岩性以多层中粗砂含砾、中细砂为主，累计厚度20～35 m。

图1 研究区位置图Fig.1 Location of the study area

1.2 土样采集与指标分析

1.2.1 样品采集 采用布设工程钻孔方式采集土样。以垃圾填埋场为中心，沿地下水流方向布设剖面线，钻孔间距400 m，剖面线间距600 m。共布设剖面线4条，布设钻孔26个，孔深60 m，部分钻孔位置根据实际情况适当调整。因卫生填埋场坑底在地表以下25 m，本次研究采用各钻孔地表以下30 m处的土样进行指标检测。

原状土样采用快速静力连续压入法，软塑至流塑状态的黏性土采用薄壁取土器压入取土；砂质粉土和砂土采用环刀取样器或二重管取土器取样。土样长度不小于20 cm。

1.2.2 指标测定 土壤重金属污染物检测指标为砷（As）、汞（Hg）、铅（Pb）和六价铬（Cr6+）含量。其中，As含量测定采用硼氢化钾-硝酸银分光光度法（GB/T 17135）；Hg含量测定采用冷原子吸收分光光度法（GB/T 17136）；Pb含量测定采用KI-MIBK萃取火焰原子吸收分光光度法（GB/T 17140）；Cr6+含量测定采用比色法（EPA 7196）。

1.3 土壤重金属污染风险评价方法

1.3.1 单项污染指数法 单因子污染评价法是《全国土壤污染状况评价技术规定》 （环发【2008】39号）中推荐的一种评价方法，其应用简单、便于对比，是其他环境质量分级、环境质量指数和综合评价的基础[19]。单项污染指数计算公式为：

式中，Pi为土壤中重金属污染物i的单项污染指数；i为土壤中第i种重金属污染物；Ci为土壤中重金属污染物i的实测值（mg/kg）；Si为土壤中重金属污染物i的背景值或标准值（mg/kg）。

1.3.2 地积累指数法 地积累指数又称Mull指数，是20世纪60年代晚期在欧洲发展起来的广泛用于研究沉积物及其他物质中重金属污染程度的定量指标。地积累指数计算公式为：

式中，Igeoi为土壤中重金属污染物i的地积累指数；i为土壤中第i种重金属污染物；Ci为土壤中重金属污染物i的实测值（mg/kg）；Si为土壤中重金属污染物i的背景值或标准值（mg/kg）；Pi为土壤中重金属污染物i的单项污染指数；k为岩石差异引起背景值变动而取的修正系数，取1.5。

评价重金属的污染，除必须考虑到人为污染因素、环境地球化学背景值外，还应考虑到由于自然成岩作用可能会引起背景值变动的因素。地累积指数法注意到了此因素，弥补了其他评价方法的不足[20]。

1.3.3 内梅罗指数法 内梅罗指数法是在单项污染指数法的基础上，针对土壤重金属对环境质量影响进行的综合评价。内梅罗指数法主要突出污染最大值对所测土壤的污染程度，以反映土壤的综合污染状况[8]。内梅罗污染指数计算公式为：

式中，PN为内梅罗污染指数；i为土壤中第i种重金属污染物；Pimax为土壤中各重金属污染指数的最大值；Piavg为土壤中各重金属污染指数的平均值。

1.3.4 潜在生态风险指数法 潜在生态风险指数法是国际通用的土壤重金属污染评价方法之一。其结合环境化学、生物毒理学、生态学等方面的内容，以定量的方法划分出重金属潜在危害的程度，是目前此类研究中应用较为广泛的一种方法[21]。潜在生态风险指数计算公式为：

式中，RI为土壤中重金属污染物潜在生态风险指数；i为土壤中第i种重金属污染物；n为土壤中重金属污染物的种类数；Ci为土壤中重金属污染物i的实测值（mg/kg）；Si为土壤中重金属污染物i的背景值或标准值（mg/kg）；Pi为土壤中重金属污染物i的单项污染指数；Ti为重金属i的毒性响应系数，Hg、As、Pb 的 Ti分别为 40、10、5。

1.3.5 评价标准 采用《全国土壤污染状况评价技术规定》 （环发【2008】39号）中重点区域土壤污染评价参考值（除蔬菜地外） 中Hg、Pb、As的参考值作为评价标准值。其中，Hg参考值为10 mg/kg，Pb参考值为530 mg/kg，As参考值为55 mg/kg。不同指数法的评价标准不同：Pi≤1，土壤无污染；Igeo≤0，土壤清洁；PN≤0.7，土壤清洁（安全）；RI＜150，土壤为轻微生态危害。

针对不同评价方法的污染指数计算结果，采用surfer软件（版本13）绘制污染指数等值线图，分析不同评价方法之间污染指数等值线图的区域空间分布特征。污染指数等值线图采用surfer软件（版本13）绘制，网格化算法采用克里金插值法。为了凸显各评价方法所绘制的污染指数等值线图之间的差异，各污染指数等值线图中最大等值线数值与等值线间隔值之比控制在 20～30。

2 结果与分析

2.1 土壤重金属单项污染风险评价

2.1.1 单项污染物污染程度分析 测试土样均未检测出 Cr6+；As、Hg和 Pb的 P 均＜1，Igeo均＜0 （表 1）。根据单项污染指数法和地积累指数法的评价标准（P≤1为无污染，Igeo≤0为清洁），研究区土壤未受到重金属Cr6+、As、Hg和Pb的污染，土壤处于清洁状态。

表1 土壤各重金属含量及其污染指数Table 1 Contents and pollution index of heavy metals in soil

2.1.2 潜在主要污染分析 根据综合污染指数贡献率（土壤中某重金属污染物的单项污染指数除以全部重金属的单项污染指数总和）判断。综合污染指数贡献率越高，表明该污染物在土壤环境综合污染评价中越占主导作用。

测试土样As、Hg和Pb的平均综合污染指数贡献率分别为67.73%、2.32%和29.95%（表2）。表明研究区土壤重金属的主要潜在污染物为As，其次为Pb，Hg的平均污染贡献率最小。

2.1.3 评价方法对比分析 根据污染指数计算结果，采用surfer软件（版本13） 分别绘制Hg、Pb和As的单元素污染指数等值线图（图2～4）。可以看出，分别采用单项污染指数法和地积累指数法对同一污染物进行评价，依据这2种方法分别绘制的区域污染指数等值线图在区域空间分布形态上基本一致。根据各评价方法的污染等级划分标准，所得出的污染程度定性结论也基本一致。

2种方法所绘制的区域污染指数等值线图形态一致性产生的原因在于：地积累指数法虽然考虑了因自然成岩作用可能会引起背景值变动的因素，并为此设定了修正系数k，但k是一个区域性概念修正系数，除非研究区域足够大，否则，在一定区域范围内，此数一般为固定值（如，一般取值为1.5）。

2.2 土壤重金属综合污染风险评价

2.2.1 重金属综合污染程度分析 研究区土壤重金属总量可以揭示区域重金属的累积状况。测试土样未检测出Cr6+，其他3种重金属元素的 RI均＜150，PN均＜0.7（表3）。根据潜在生态风险系数法和内梅罗污染指数法的评价标准〔RI＜150为轻微生态危害，PN≤0.7为清洁（安全）〕，研究区土壤未受到重金属Cr6+、As、Hg和Pb的污染，土壤处于清洁（安全）状态。

2.2.2 评价方法对比分析 根据综合污染指数计算结果，采用surfer软件（版本13） 绘制土壤综合污染指数等值线图（图5）。可以看出，分别采用潜在生态风险系数法和内梅罗污染指数法进行土壤污染评价，依据这2种方法分别绘制的区域综合污染指数等值线图在区域空间分布形态上基本一致。根据各评价方法的污染等级划分标准，所得出的污染程度定性结论也基本一致。

表2 土壤重各金属的综合污染指数贡献率Table 2 Contribution rate of comprehensive pollution index of heavy metals in soil （%）

图2 Hg污染指数等值线图Fig.2 Isoline map of Hg pollution index

图3 Pb污染指数等值线图Fig.3 Isoline map of Pb pollution index

图4 As污染指数等值线图Fig.4 Isoline map of As pollution index

表3 土壤重金属的综合污染指数Table 3 Comprehensive pollution index of heavy metals in soil

图5 土壤重金属综合污染指数等值线图Fig.5 Isoline map of comprehensive pollution index of heavy metals in soil

2种方法所绘制的区域综合污染指数等值线图形态一致性产生的原因在于：研究区土壤重金属污染物Hg、Pb、As的综合污染指数贡献率差异较大，其中As的贡献率最高，在综合污染评价中发挥了主导作用，而Hg和Pb的贡献率较低。

相比Hg和Pb，As对土壤环境污染程度的贡献率过高，这也造成了As单一指标的区域污染指数等值线图在区域空间分布形态上与土壤重金属综合污染指数等值线图基本一致。

3 结论与建议

选择指数评价法作为区域土壤重金属污染风险评价方法时，在具体方法的选择上，可以考虑以下结论与建议：

（1）当研究区范围不大或自然成岩作用影响不明显时，选用单项污染指数法或地积累指数法对单项污染物的污染风险评价结果基本一致。建议选用单项污染指数法，因为此法更便捷。

（2）进行区域土壤重金属综合污染风险评价时，可以先计算土壤中各重金属污染物的综合污染指数贡献率。当其中一种污染物贡献率较高时（一般在50%以上），内梅罗指数法和潜在生态风险指数法的各自优势表现并不明显，2种方法评价结果基本一致。建议从2个方法中任选一种开展综合污染风险评价工作。