土壤重金属污染评价方法对比研究

张 娜，崔娇梅，孙 晶，高海涛，李 伟

(西藏大学 理学院，西藏 拉萨 850000)

1 引言

土壤是最为重要的自然资源之一，是人类生存的物质基础[1]。随着工农业生产，重金属通过大气沉降、农业灌溉等途径进入土壤并不断累积富集造成一定程度的污染[2]。土壤重金属具有持久性、潜伏性、生物富集性和不降解性的特点，能影响植物的生长发育、人体健康及土壤质量[3,4]。目前，国内外对土壤中重金属的污染和风险评价的方法没有固定的体系，目前可用的方法有[5]：指数评价法、模型指数评价法和其他类评价法。指数评价法较为常用，模型指数法比指数评价法较为少用，其它类则包括：健康风险评价法与基于GIS的地统计分析法[5]。将人体健康与风险评价法结合起来的方法也越来越成熟与完善，依据评价标准的不同，有不同的风险评价结果，每种方法各有其局限性与优点。本文整理了常见的评价法，分析了其异同点，总结出根据不同的研究区域情况选择多种评价方式并行的结论，才能更加准确地反映污染区的综合污染程度。

2 土壤重金属污染和风险评价方法

相比于国外发展，国内土壤污染和风险评价方法起步较晚。对于应用较为广泛的指数评价法最大的特点就是较为简单，其相关参数修正与依据正在不断完善[6]。

2.1 单因子指数法与内梅罗综合指数法

单因子污染指数法是国内重金属污染评价应用较广泛的一种方法[7]，该方法可以得出实际值与参考的背景值的比值。因此，参考的背景值不同，同一研究区域同一元素的污染值必定不同。其计算公式为：

(1)

单因子污染指数划分标准及式中各参数物理意义如表1[8]。

内梅罗综合污染指数法以单因子指数的整体污染状况为基础[9]。

其公式为：

(2)

式(1)、(2)中内梅罗综合污染指数污染等级划分及各参数物理意义如表1[10]。

表1 单因子指数污染与内梅罗综合污染指数等级划分

采用单因子指数法进行评价，Pi越大,表明土壤中所受某重金属污染越严重。可通过单因子指数明确某单一元素的最大污染值，也可看到所有元素中该研究区域的最大污染金属元素。如陈锦等[11]用单因子污染指数法对矿区土壤中各重金属元素进行划分，并进行了排序比较，发现As重污染样品达28.57%，污染较重，方晓波等[12]以浙江省土壤含量为背景值，发现研究区域土壤中Pb元素污染程度为中度污染。

内梅罗综合污染指数，可以反映出研究区域每个样点的整体污染程度。如刘兵昌等[13]用内梅罗综合污染指数法对永登县土壤污染程度进行了评价，分别判断出5个研究地区的整体污染状况，李秋燕等[14]经内梅罗综合污染指数得出锦州市土壤属于中度污染，韩晋仙等[15]对山西某个县的农耕地综合污染评价，发现1

2.2 地积累指数法

地积累指数是Muller[19]提出来的，最初用来测定其他物质中的重金属，后来逐渐在土壤重金属的研究中广泛应用，地积累指数不仅可以反映地质环境，还可反映是否受人类活动污染。如屈星辰等[20]对香河县农用地表层土壤重金属污染程度用地积累指数法进行了分析，发现Hg除了地质发展影响外，有别的污染来源。邓霞等[21]利用地积累指数法计算发现，伊宁市道路中研究区域的大多数点存在Pb、Hg的污染。罗松英等[22]对红树林湿地研究发现，地积累值较高的3个站位点的污染主要来自于Cd、Hg、Zn，主要受人类活动影响。

其公式为：

(3)

式(3)中关于地积累指数的污染等级划分及各参数物理意义如表2[23]。

表2 地积累指数污染等级划分

2.3 污染负荷指数法

污染负荷指数法是由Tomlinson[24]提出的。

其公式为：

(4)

(5)

式(4)、(5)中,各参数的物理意义及污染分级标准如表3[25]。

表3 污染负荷指数污染分级标准

这种方法也可以测定某一研究区域的污染负荷，其公式可以表达为：

(6)

式(6)中，m为采样点个数。该方法一般用来表示某地受多种重金属的污染程度，如黄悦等[26]分别用该方法计算了2015年、2016年陕西段沉积物中10种重金属污染状况，游佐佳等[27]对某厂区运用该方法发现，研究区域属于极强污染，徐双贵等[28]通过污染负荷指数发现湟水河流域西宁段沉积物中存在极强污染元素Hg和Cd，王兴富等[29]用污染负荷对某废弃矿区土壤重金属污染进行计算后，发现了达到高度污染元素的Cd,并进一步用各元素均值计算后发现该区域的污染负荷值为0.8，属于未污染。

2.4 潜在生态风险指数

潜在生态危害指数法是学者Hakanson提出的,其能对重金属潜在的程度定量分析[30]，应用较广泛。

其公式为:

(7)

(8)

(9)

式(7)～(9)中关于重金属污染潜在生态风险系数和潜在生态风险指数分级标准及各参数物理意义见表4[31]。

表4 潜在生态风险指数污染分级标准

2.5 土壤重金属污染的健康风险评价

健康风险评价是评价污染对人体健康造成影响的一种方法，根据美国国家环保局(USEPA)推荐的人体健康风险评价模型[34]，计算经手口摄入、呼吸摄入、皮肤接触三种途径摄入的重金属引起的健康风险，对成人和儿童分别进行致癌与非致癌健康风险评价。不同途径日均暴露量：

(10)

(11)

(12)

式(10)～(12)中，ADDing、ADDinh、ADDdermal分别为经手口摄入、呼吸摄入、皮肤接触的日均暴露量，其中各个参数的取值可结合USEPA推荐与国内参考文献，但因为国内外人种、生活习性的不同[35]，再继续使用美国暴露参数可能会导致较大的误差，如BW、AT等国内外人群得取值均有差异，不同的取值会对风险评价的结果准确性造成一定的影响。近年来，已有很多国内研究者在进行暴露模型计算时，调整了部分暴露参数，以减少误差。因金属元素汞的易挥发性特征，有学者将Hg的经呼吸暴露途径进行单独计算，公式如下[36,37]：

(13)

其中，ADDvapovr为汞通过水蒸气的暴露量，VF为汞的蒸发系数

2.5.1 致癌健康风险评价

CR=ADD×SF

(14)

TCR=∑CR

(15)

2.5.2 非致癌健康风险评价

(16)

HI=∑HQ

(17)

式(14)～(17)中，两种风险评价污染等级划分及参数意义如表5[38]。

表5 致癌与非致癌污染等级划分及相关参数物理意义

3 讨论

不同的污染评价方法有不同的结果，樊志颖等[39]用不同的评价方法对色拉山森林土壤重金属污染进行评价发现，内梅罗指数值结果显示,色季拉山阴坡和阳坡的采样点土壤都受到重金属一定程度的污染,而污染负荷指数值结果显示,仅有阳坡采样点有轻度重金属污染。刘德成等[23]通过研究几种评价方法给出的建议：当研究区范围不大或者成岩作用不显著时，对单一重金属进行评价时，在地积累指数和单项因子指数中，根据计算的简便性，可以选择单项因子指数法；对土壤进行综合污染评价时，内梅罗和潜在生态风险评价结果基本一致，可以选择任意一个进行计算评价。宋晓薇等[40]采用单因子、地积累、内梅罗、潜在生态风险指数法分析稀土矿区土壤，结果表明几种方法基本一致，但地积累指数与潜在生态危害指数法更加适用于轻微污染的区域，朱红等[41]采用地积累指数法与内梅罗污染指数法对某研究区土壤污染进行评价发现，内梅罗指数法评价显示整体区域未污染，但污染指数最大的采样点主要源于元素砷，地积累指数表明该区域砷和汞污染较严重，总的来说，加强砷元素的综合利用是两种方法得出的共同结论。综上，若考虑研究区域单元素污染程度，则可选择单因子指数法，若考虑某区域整体污染概况，可用内梅罗或污染负荷指数，若考虑重金属毒性系数可选择潜在生态风险指数法，若再考虑地质环境效应，则要用地累积指数法，根据不同的研究目的，针对不同的研究区域选择评价方法，但最好选择多种方法并行。

4 结论与展望

根据不同评价方法中各公式所表达的意义发现，单因子污染指数法与其他几种评价方法都有着异同点。单因子污染指数与污染负荷指数法及潜在生态风险指数法中单一重金属的污染系数计算公式有着相同的意义，均为某重金属实测值与背景值比值，但是各自表达的污染等级划分意义不同，单因子污染指数等级划分表示某一点某单一重金属的污染程度，污染负荷系数则表示某一点所测各重金属的污染程度，进行内梅罗综合污染指数评价的前提是进行单因子污染指数计算，潜在生态风险方法中，某一重金属的污染系数与单因子污染系数具有相同的意义，计算方法均为重金属实测值与参考值比值。几种方法进行比较发现，单因子、内梅罗、地积累、污染负荷指数法虽然在等级划分上具有不同的背景，但其污染等级划分结果有着极大的相似性。

根据对几种评价方法的综合考量，总结了其优缺点，如表6。

表6 不同评价方法的优缺点

因此，针对研究区域，应使用多种方法共同评价才能更精确表达其污染情况，再进一步针对污染情况采取相应措施。

健康风险评价模型中的相关参数正在完善与修改中，参数值的选择决定了结论的误差大小，由于所参考模型中缺乏手口摄入与皮肤摄入途径的重金属致癌斜率因子，不能准确分析危害程度，因此，应该建立并完善国内的健康风险评价体系。基于GIS的地统计法与土壤重金属污染的评价相结合的应用也越来越多，在采样前期，可用ArcGIS软件进行采样空间规划，尤其对于进行高密度采样类型较为便捷，进行采样时可按照采样图，对照相应的经纬度进行采样，将土壤重金属污染评价法与ArcGIS中的克里金插值法和反距离加权法结合起来，可以更好地分析研究区域的空间污染状况，各种方法的污染状况空间图相互结合能更清晰地判断出共同危害因子或共同污染区域。