熊敏 桑语 黄相钦 罗怡 周昭敏
摘 要:为了解青藏高原东缘城市绿地表层土壤的汞污染水平及其潜在生态风险,在四川和云南不同海拔的8个城市使用五点采样法采集土壤样品并测定其总汞含量。分别采用地累积指数、单因子指数、潜在生态危害指数等方法对土壤汞的污染程度、潜在生态风险进行评估,并使用健康风险模型进行风险计算和评价。结果表明:各城市土壤汞浓度的几何平均数为:平武县(0.113 mg·kg-1)>九寨沟县(0.101 mg·kg-1)>康定市(0.090 mg·kg-1)>玉龙县(0.073 mg·kg-1)>永仁县(0.052 mg·kg-1)>绥江县(0.050 mg·kg-1)>甘孜县(0.042 mg·kg-1)>元谋县(0.029 mg·kg-1);所有土壤样本没有受到污染或污染程度较低;潜在风险以轻微和中等生态风险等级为主,占比分别为53.1%和31.3%;8个城市的土壤汞的总非致癌危险指数均低于1,说明对人体均不存在非致癌风险。
关键词:青藏高原东缘;城市绿地;汞污染;风险评估
中图分类号:X53 文献标志码:A文章编号:1673-5072(2023)04-0333-09
汞(Hg)及其化合物是严重的环境污染物,广泛分布在大气、土壤以及河流水域中。城市地区汞的来源主要是化石燃烧、矿业开采和工业排放等[1-3]。汞污染由于其对环境和公共卫生的潜在危害而引起国际广泛关注[4]。我国是汞储备大国,也是土壤汞污染最为严重的国家之一。近几年我国人为汞排量每年达到600 t左右,且在全球排放中的比重持续增大[5]。
了解城市绿地中汞的富集情况,并开展污染风险评估和健康风险评价,对城市可持续发展和公众健康具有重要意义。土壤是经济可持续发展的基础,与环境安全以及人民群众身体健康息息相关,保护好土壤环境是推进生态文明建设和维护国家生态安全的重要内容[6]。土壤既是汞的源也是汞的汇,是地球化学循环的重要储存库。目前国内外大批学者已经对城市土壤中的汞分布进行了研究[7-8],并且发现植被类型[9]、海拔[10]、土地利用类型[11]、降雨量[12]等因素都会不同程度影响城市土壤中汞的积累。Liu等[10]对青藏高原谢尔盖拉山两坡采集的苔藓、针叶树和表层土壤的总汞浓度和同位素组成进行了分析,发现东坡和西坡样品中总汞含量(除东坡苔藓外)均与海拔高度呈正相关。Richardson和Moore[11]以美国的3个城市为研究区域,通过对比城市和非城市的土壤汞含量差异,发现土壤中汞含量随着土地利用类型的增加而增加,与具体的利用类型相关性不高。Chen等[13]以珠江三角洲作为研究区域,发现城市不同的土地利用类型中,公园绿地的汞含量最高,其次是居住区,工业区,菜地,谷物地和林地。土壤积累的汞可通过饮食摄入和皮肤接触进入人体,并对人体健康造成不良的影响[14]。
青藏高原平均海拔4 000 m,作为“第三极”和“世界脊梁”,地理位置独特。除了工业区分布、距离交通主干道距离等主要影响因素之外[15-16],土壤汞含量还可能受高原降雨的影响。受来自太平洋和印度洋的季风影响,青藏高原的东南部降雨充沛,这增加了湿沉降过程,从而影响土壤中汞的含量[17]。邵俊娟[18]以苔蘚和松萝作为指示植物,发现总汞和甲基汞的浓度随采样点海拔升高而增高,这表明青藏高原对汞具有冷凝效应。现有研究表明,相比于其他重金属,青藏高原土壤中的汞表现出较强的聚集效应,虽然总体上土壤汞含量低于中国其他地区,但随着自然资源的开发利用和旅游业的持续发展,该地区土壤生态系统受到了一定程度的汞污染[19]。
本研究选择城市绿地表层土壤作为研究对象,以青藏高原东缘不同海拔的8个城市作为研究区域,系统分析土壤汞的污染特征和生态风险,并开展人体健康风险评估,以期为城市土壤汞的污染防治、生态环境保护和居民健康生活提供科学依据。国标GB36600—2018[20]中对绿地土壤中汞含量有明确的标准筛选值和管制值,本研究可进一步为地方标准的制定提供依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
选择青藏高原东缘地区8个城市(甘孜县、康定市、九寨沟县、平武县、玉龙县、永仁县、元谋县、绥江县)的县级政府所在地开展土壤样品的采集(图1)。各城市间垂直海拔差异2 865 m,南北跨度为44~870 km,因此各地区受青藏高原的高原气候和西南季风气候的影响程度不同。位于四川的4个城市(甘孜县、康定市、九寨沟县、平武县)中,甘孜由于海拔较高表现为高山寒温带气候,冬长夏短,其余3个城市主要表现为温带季风气候,日照充足,降水集中,干雨季分明[21];位于云南的4个城市(玉龙县、永仁县、元谋县、绥江县)主要表现为亚热带高原季风气候,干湿季节分明、夏季气温偏低、春秋季长、气温日较差大、干季日照较多[22]。土壤类型相对单一,均以砂质壤土和壤质砂土为主。
1.2 样品采集与测试
1.2.1 样品采集
参照国家标准HJ/T166—2004[23],在每个城市选取8个相距1.8 km以上的绿地,各设置1个40 m×40 m的样方,采用五点取样法进行表层土壤取样。为了避免相互污染,不同样方之间锄头需采用超纯水清洗并用80%的酒精消毒。将同一样方采集的5个样点的土壤放在同一塑封袋中混合均匀。8个城市共采集64个样品。
1.2.2 样品检测方法
将各样方土壤样品分别混合均匀后干燥过孔径为0.125 mm的标准检验筛。对同一样品取3份进行微波消解,消解步骤参照HJ832—2017[24]。消解完成后,将提取液收集于50 mL容量瓶中。用少量超纯水清洗聚四氟乙烯消解罐的盖子内壁和罐体内壁和残渣至少3次,洗液一并收集于容量瓶中,用超纯水定容后,静置1 h。使用直径13 mm、孔径0.45 μm过滤器进行过滤,滤液收集到10 mL的离心管中,使用原子荧光光度计(吉天AFS-921,北京)检测汞浓度[24]。此仪器的检出限为0.003 μg·L-1,相对标准偏差为2.58%。
1.2.3 质量控制
所有试剂均为优级纯(GR),器具都使用超纯水冲洗3次,在恒温箱中烘干。聚四氟乙烯消解罐消解完一批样品之后使用50%HNO3浸泡一昼夜,不加土壤样品的条件下空白消解1次,以避免样品消解时的交叉污染。为了分析的准确性,土壤样品消解过程中每8个样品设置2个土壤标准物质以及2个空白样品[25],保证加标回收率控制在80%~120%。对总汞进行分析时,重复测定3次。重复测定值的相对标准偏差小于5%,且标准曲线相关系数大于0.999,数据才可接受。
1.3 评价方法
选用单因子指数(Pi)[26]、地累积指数(Igeo)[27]以及潜在生态危害指数(Er)[28]评价城市绿地表层土壤中的汞污染水平和风险。使用健康风险模型[29]对城市土壤中的汞进行健康风险评估。
1.3.1 单因子指数
单因子指数法[26]是以土壤元素背景值为标准来评价重金属元素的累积污染程度,是其他环境质量指数、环境质量分级和综合评价的基础。本研究中评价标准为土壤环境质量(GB36600—2018)[20]I类标准中土壤汞的风险筛选值(8 mg·kg-1)。土壤的单因子指数分级标准见表1。
1.3.3 潜在生态风险评估
潜在生态危害指数法不但将重金属的含量考虑在内,还将重金属的生态效应、环境效应和毒理学效应联系起来,是目前生态风险评价使用较广泛的方法。潜在生态危害指数计算公式为[28]:Er=Tr×Cf,Cf=CnCr,其中Er是Hg的潜在生态风险因子,Tr是Hg的毒性反应因子,汞的毒性系数为40,Cn是土壤汞测量值,Cr是土壤汞的背景值。汞的潜在生态危害指数和污染程度的关系见表1。
1.3.4 健康风险评价
土壤汞的健康风险评价采用美国环保署人体暴露风险评价方法。土壤汞对人造成危害的途径包括经口摄入、呼吸吸入以及皮肤接触3种方式。通过如下公式分别计算经口摄入、呼吸吸入以及皮肤接触的平均日常暴露剂量[29]:
式中:ADDing是经口摄入的日常剂量(mg·kg-1·d-1),ADDinh是呼吸吸入的日常剂量(mg·kg-1·d-1),ADDderm是呼吸皮肤接触的日常剂量(mg·kg-1·d-1)。重金属在不同暴露途径下的参考剂量(RFD)参考建设用地土壤污染風险评估技术导则(HJ 25.3—2019)[32],经口摄入和呼吸吸入为3×10-4mg·kg-1·d-1,皮肤接触为2.1×10-5 mg·kg-1·d-1。HQ是非致癌风险的危害商数。HI是总非致癌危险指数[33],若HI≤1,代表没有非致癌影响风险;若HI>1,代表有非致癌影响风险,其可能性随着HI值的增加而增加。各参数的含义见表2[34-38]。
1.4 数据处理
使用SPSS 19.0对数据进行统计分析,采用描述性统计和正态性检验评估土壤汞的分布特性。为了反映汞在土壤中的均匀性和变异程度,分析8个城市的土壤汞浓度的变异系数。
2 结 果
青藏高原东缘城市绿地表层土壤中Hg浓度从0.022 mg·kg-1到0.400 mg·kg-1不等,偏度为2.144,呈现出强烈的正偏态分布(图2),即部分土壤样品的汞含量存在较高的特异质。因此本文使用几何平均数描述各城市的土壤汞含量(表3):青藏高原东缘城市绿地表层土壤的汞浓度几何平均数依次为:平武县(0.113 mg·kg-1)>九寨沟县(0.101 mg·kg-1)>康定市(0.090 mg·kg-1)>玉龙县(0.073 mg·kg-1)>永仁县(0.052 mg·kg-1)>绥江县(0.050 mg·kg-1)>甘孜县(0.042 mg·kg-1)>元谋县(0.029 mg·kg-1)。参照四川和云南的土壤汞背景值,64个样方总超标率为48.4%。其中,超标率最高的是玉龙县(87.5%),最低的是元谋县(12.5%)。除了甘孜县,康定市、九寨沟县和平武县的土壤汞浓度均高于四川土壤汞背景值(0.061 mg·kg-1)。除了玉龙县,永仁县、绥江县、元谋县的土壤汞浓度均低云南土壤汞背景值。64个样方平均变异程度为88.5%,仅玉龙县的土壤汞浓度变异系数显示为中度变异(16%~35%),其余所有城市均表现为高度变异(>35%)。
单因子指数分析显示:所有64个样品未受到汞污染(Pi≤1)。地累积指数表明(表4):无污染样品占比为75.0%,轻污染占14.0%,中度污染占11.0%;其中,甘孜县和元谋县的所有样品均为无污染。潜在生态风险评估表明(表4),轻微和中度生态风险土壤样品的占比分别为53.0%和31.0%;较高生态风险和强烈生态风险样品分别仅占11.0%和5.0%。
健康风险评价结果表明(表5):对成人和儿童而言,三种不同暴露途径的日常剂量均为经口摄入>皮肤接触>呼吸吸入,其中,平均暴露剂量最大的是平武县、最小的是元谋县。如表6所示:在不同暴露途径下,儿童的总非致癌风险高于成人;研究区域土壤汞的总非致癌风险为:平武县>九寨沟县>康定市>玉龙县>永仁县>绥江县>甘孜县>元谋县;对成人和儿童的总非致癌危险指数和非致癌风险的危害商数都远小于1。
3 讨 论
青藏高原由于其独特的地理位置成为重要的生态安全屏障,其生态系统本就十分敏感和脆弱,结构和功能单一,自我修复能力和抗干扰能力极低,一旦出现人为或自然的破坏,就会造成不可逆转的破坏性后果。本研究结果表明,青藏高原东缘城市绿地表层土壤汞污染程度普遍较轻,潜在生态风险处于中低水平,不存在广泛的非致癌风险。
与其他城市的自然生境相比,青藏高原东缘城市绿地表层土壤的汞富集具有一定特殊性。一方面,与国内外其他较发达城市相比,本研究区域的城市绿地表层土壤汞浓度处于较低水平。与国外相比(图3),本研究区域所有城市土壤汞浓度的几何平均数均低于意大利巴勒莫(0.68 mg·kg-1)[39]、美国匹兹堡(0.51 mg·kg-1)[40]、爱尔兰韦克斯福德(0.68 mg·kg-1)[41]、德国柏林(0.22 mg·kg-1)[42]、俄罗斯哈巴罗夫斯克(0.21 mg·kg-1)[43]、挪威特隆赫姆(0.17 mg·kg-1)[44],平武县、九寨沟县、康定市及玉龙县的汞浓度高于亚美尼亚久姆里(0.070 mg·kg-1)[45]、澳大利亚利思高(0.053 mg·kg-1)[46]。与国内相比(图3),除了开封(0.022 mg·kg-1)[47]和兰州(0.04 mg·kg-1)[48],其他城市如厦门(0.46 mg·kg-1)[49]、长沙(0.41 mg·kg-1)[50]、重庆(0.39 mg·kg-1)[51]、北京(0.26 mg·kg-1)[52]、昆明(0.24 mg·kg-1)[53]、贵阳(0.19 mg·kg-1)[54]、成都(0.14 mg·kg-1)[55]等的土壤汞含量均高于本研究区域的8个城镇(图3)。因此,城市发展年限和经济发展状况可能会影响土壤的汞富集。另一方面,本研究区域的城市绿地表层土壤汞浓度均远高于青藏高原冻土层(0.006~0.029 mg·kg-1)[56]。
本研究在選取样方的时候只考虑了城市绿地,因此青藏高原城市不同土地利用类型之间汞含量是否有差异还有待研究。此外,鉴于凋落物对于土壤汞浓度的影响,考虑季节因素进行样品采集也是未来研究土壤汞含量可以关注的方向之一。
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Mercury Contamination and Risk Assessment of Topsoilfrom Urban Green Space at the Eastern Margin of Qinghai-Tibet Plateau
XIONG Min,SANG Yu,HUANG Xiang-qin,LUO Yi,ZHOU Zhao-min
(College of Life Science,China West Normal University,Nanchong Sichuan 637009,China)
Abstract:In order to understand the mercury contamination and potential ecological risk of urban green space topsoil at the eastern margin of Qinghai-Tibet Plateau,soil samples from eight cities at different altitudes in Sichuan and Yunnan are collected and the total mercury content is determined by five-point sampling.The degree of mercury contamination and potential ecological risks are assessed by the index of geoaccumulation,single factor contaminant index and the potential ecological risk index,respectively.Meanwhile,the risk calculation and evaluation are carried out by the health risk appraisal.The results show as follows:the median soil mercury concentration of these cities is in the sequence of Pingwu county (0.113 mg·kg-1) > Jiuzaigou county (0.101 mg·kg-1) >Kangding city (0.090 mg·kg-1) >Yulong county (0.073 mg·kg-1) >Yongren county (0.052 mg·kg-1) >Suijiang county (0.050 mg·kg-1) >Ganzi county (0.042 mg·kg-1) >Yuanmou county (0.029 mg·kg-1);all soil samples are not contaminated or less contaminated;the main potential risks are at mild and medium ecological risk levels,accounting for 53.1% and 31.3% respectively;the total non-carcinogenic risk index of soil mercury in 8 cities is lower than 1,indicating that there is no non-carcinogenic risk to humans.
Keywords:the eastern margin of Qinghai-Tibet Plateau;urban green space;mercury contamination;risk assessment
收稿日期:2022-06-05基金項目:国家自然科学基金青年项目(31600412);西华师范大学青年教师科研资助项目(19D044);大学生创新创业训练计划项目(S202010638081);西华师范大学大学生创新创业训练计划项目(cxcy2022190)
作者简介:熊敏(1998—),女,硕士研究生,主要从事城市绿地土壤重金属的富集机制研究。
通信作者:周昭敏(1981—),男,博士,研究员,主要从事野生动物在人为干扰下的生存与耐受机制研究。E-mail:zhouzm81@gmail.com
引文格式:熊敏,桑语,黄相钦,等.青藏高原东缘城市绿地表层土壤汞污染现状及风险评估[J].西华师范大学学报(自然科学版),2023,44(4):333-341.[XIONG M,SANG Y,HUANG X Q,et al.Mercury contamination and risk assessment of topsoil from urban green space at the eastern margin of Qinghai-Tibet Plateau[J].Journal of China West Normal University (Natural Sciences),2023,44(4):333-341.]