珠江三角洲位于广东省中南部, 南临南海, 毗邻港澳, 行政区包括广州市、深圳市、珠海市等9个市(区、县); 是我国人口集聚最多、创新能力最强、综合实力最强的三大区域之一, 也是世界人口和面积最大的都市区。其地理位置为112° 00'~115° 24'E, 21° 43'~23° 56'N, 面积约为47 954 km², 属于亚热带季风气候。研究区内河网密布, 水系发育, 其中由东江、西江、北江、潭江等组成的珠江水系具有集水面积大、径流量大、汛期长、含沙量大的特点。区域内地层发育较全, 主要出露第四纪松散沉积物, 其次为南华纪、震旦纪、寒武纪、泥盆纪、石炭纪、侏罗纪地层等。岩浆岩以花岗岩类为主, 基性岩类极少出露。第四纪松散堆积物覆盖区约占3/4, 基岩出露区约1/4(图1)。

数据来自广东省地质调查院完成的珠江三角洲经济区农业地质与生态地球化学调查项目, 样品采集与分析测试方法详见参考文献[12]。本次研究对调查数据赋了土地利用属性(表1), 根据表层土壤(0~20 cm)的As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb和Zn元素含量数据, 开展土壤重金属的区域生态风险评价研究, 数据结果用Excel进行统计, 综合风险空间表征用ArcGIS10.2完成。

图1

Fig.1

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	图1 研究区地理位置及地质图(地质图引自参考文献[12])Fig.1 Location of the study area and geological map(the geological map from reference [12])

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 珠江三角洲经济区土地利用类型统计表 Table 1 Statistics of land use patterns in Pearl River Delta Economic Zone 土地利用类型 水田 旱地 林地 草地 水域 城乡、工矿、 居民用地 未利用地 样品数量/N 2 528 1 056 5 314 132 1 004 871 2

表1 珠江三角洲经济区土地利用类型统计表 Table 1 Statistics of land use patterns in Pearl River Delta Economic Zone

有研究者提出预测环境浓度(Predicted Eviron-mental Concentration, PEC)与预测无效应浓度(Predicted No Effect Concentrations, PNEC)的比值(PEC/PNEC)作为评价指标来表征重金属的环境风险水平, 该方法可用于区域尺度上不同环境介质的重金属风险评价^[23]。本次研究基于该评价方法, 结合我国现有的土壤重金属风险筛选值标准^{[24, 25]}, 根据土壤的pH值和土地利用现状, 对研究区表层土壤重金属的综合风险进行评价和区划。所采用计算公式如下:

IERi=ACiRCi-1(1)

IER=∑i=1nIERi(2)

式中:I_ERi为i元素环境风险指数; AC_i为表层土壤i元素的实测浓度; RC_i是i元素的环境风险筛选值。RC_i的取值参考环保部2016年《农用地土壤环境质量标准》和《建设用地土壤污染风险筛选指导值》(3次征求意见稿)。I_ER为表层土壤的环境风险总指数。若I_ERi小于0, 表明土壤中i元素产生风险可以忽略不计, 不参与环境风险总指数I_ER的计算; 若所有元素的I_ERi均小于0, 则该点土壤重金属产生的环境风险总指数I_ER为0, 表明其风险可以忽略不计。

每个表层土壤的环境风险总指数(I_ER)代表所在采样单元网格内土壤重金属产生的风险水平; I_ER越大, 重金属产生的环境风险越高, 环境风险评价最终结果用ArcGIS10.2进行表征。

土壤中的重金属可以通过多种暴露途径被人体摄入从而引起人体健康风险, 最常见的暴露途径包括土壤— 作物— 食物暴露、口鼻无意吸食暴露以及皮肤接触暴露^{[26, 27]}。本次研究参考美国环保署(USEPA)提出的重金属剂量— 反应模型, 确定研究区不同土地利用类型条件下土壤重金属的暴露途径, 估算研究区成人的慢性风险和致癌风险来表征土壤重金属的人体健康风险。由于珠江三角洲经济区的作物以水稻和蔬菜为主, 因此食物暴露途径主要考虑大米和蔬菜的摄入, 评价过程假设水田全部种植水稻, 旱地均种植蔬菜。由于非耕地土壤重金属通过土壤— 作物— 食物途径进入人体的可能性较小, 故只考虑无意吸食和皮肤接触2种暴露途径。人体健康风险通过计算As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb和Zn 8种重金属的日摄入量进行评价(表2), 慢性风险大小由风险指数表示:

HQij=ADDijRfDij（3）

HI=∑j=1n∑i=1nHQij（4）

式中:HQ_ij为慢性风险指数, 其中ADD_ij为土壤重金属(i)在j暴露途径下的平均日摄入量, RfD_ij为重金属(i)在j暴露途径下的参考剂量(表3), 对于多种重金属暴露途径, 用指数HI表示产生的总健康风险。若HI< 1, 表明研究区土壤重金属暴露水平低于参考剂量, 可认为产生的人体健康风险较小或可忽略不计; 若HI> 1, 则认为研究区居民有患慢性病的风险, 且HI越高, 发病的可能性就越大。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 3种暴露途径下的暴露量计算公式 Table 2 Calculation formulas of metal exposure dose for three exposure pathways 暴露途径 计算公式 参考文献 饮食摄入 ADD食用=C土壤× BCF×IR食用×EF×EDBW×AT [26, 28] 无意吸食 ADD吸食=C土壤× IR土壤×EF×ED×CFBW×AT [28] 皮肤接触 ADD皮肤 =C土壤× SA×AF×ABS×EF×ED×CFBW×AT [28]

表2 3种暴露途径下的暴露量计算公式 Table 2 Calculation formulas of metal exposure dose for three exposure pathways

As是世界卫生组织和国际癌症研究机构公认的致癌元素, 因此致癌风险主要考虑As元素的影响, 其大小由致癌风险指数表示:

CR=LADD×CSF5

式中:CR为致癌风险指数; LADD为As元素的平均日摄入量, 暴露年限为终生; CSF为致癌斜率因子(表3)。当CR小于1× 10^-6时, 致癌风险可忽略不计, 当CR处于1× 10^-6~1× 10^-4, 表明致癌风险处于可接受水平, 而当CR大于1× 10^-4则认为风险达到不可接受的水平, 应当采取措施降低风险。

为了提高评价结果的准确性, 风险值的计算主要采用美国环保署推荐的参数, 部分参数根据研究区的实际情况选用地区性参数。其中, 土壤重金属在大米中的富集系数选用研究区8种重金属在糙米中的富集系数, 重金属在蔬菜中的富集系数由研究区37种蔬菜的富集系数取平均值获得（赖启宏, 杜海燕, 周国华, 等. 广东省珠江三角洲经济区土壤区域生态地球化学评价报告, 2010.）。 同时, 考虑到重金属产生的风险水平与土地利用类型的暴露频率有关, 因此针对不同土地利用类型采用不同暴露频率进行计算(表4)。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 3种暴露途径下重金属元素的参考剂量 Table 3 Reference dose of heavy metals for three exposure pathways 重金属 RfD/(mg/(kg· d)) CSF mg/(kg· d)[29] 饮食摄入[29, 30] 无意吸食[29, 30] 皮肤接触[30] As 3× 10-4 3× 10-4 1.23× 10-4 Cd 1× 10-3 1× 10-3 1× 10-5 Cr 3× 10-3 3× 10-3 6× 10-5 Cu 4× 10-2 4× 10-2 1.2× 10-2 1.5 Hg 3× 10-4 3× 10-4 2.1× 10-5 Ni 2× 10-2 2× 10-2 5.4× 10-3 Pb 3.5× 10-3 3.5× 10-3 5.25× 10-4 Zn 3× 10-1 3× 10-1 6× 10-2

表3 3种暴露途径下重金属元素的参考剂量 Table 3 Reference dose of heavy metals for three exposure pathways

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 健康风险评价模型计算参数 Table 4 Calculation parameters in the health risk assessment models 参数 单位 含义 取值 参考文献 BCF 无量纲 珠江三角洲土壤重金属在大米或蔬菜中的富集系数 / 见正文 IR食 kg/d 广东省成人食物日平均消费量 大米0.339 蔬菜0.290 [31] IR土 mg/d 尘土日摄入量 100 SA cm2 皮肤暴露面积 5 700 [32] AF mg/cm2 吸附因子 0.07 ABS 无量纲 皮肤吸收因子 As取0.03 其他取0.001 [32] EF d/a 重金属暴露频率 耕地350 城工居300 其他40 [26, 32] ED a 慢性风险暴露年限 30 [32] 慢性风险暴露总时间 30× 365 AT a 致癌风险暴露总时间, 本研究取广东人平均寿命 76.5× 365 [32, 33] BW kg 成人平均体重 62 [34] CF 无量纲 转换系数 10-6 [32]

表4 健康风险评价模型计算参数 Table 4 Calculation parameters in the health risk assessment models

环境风险评价结果参照下列方式进行等级划分(表5)。评价结果显示, 对于单元素而言, 研究区90%以上土壤的环境风险可忽略; 土壤中Cr和Zn元素的风险指数很低, 基本上不存在环境风险; 而As, Cd, Cu, Hg分别有6.46%, 5.27%, 3.36%和2.81%的土壤超过了风险筛选值, 说明这些样点所在采样单元的土壤可能存在这些重金属元素带来的环境风险。对于高风险的土壤样点, 贡献率最高的是As, Hg和Cd 3种元素。同时根据区域上土壤重金属综合风险指数的空间分布特征(图2)可以发现, 珠江三角洲经济区约15.03%的土壤存在不同程度的重金属综合风险, 风险区主要集中在珠江三角洲中部第四系平原区, 重金属风险以广州西北部和佛山南部最为突出。这可能是与成土母质、地区工业发展和人为活动有关, 关于重金属的来源还有待进一步研究。

该评价结果主要基于我国环保部《农用地土壤环境质量标准》和《建设用地土壤污染风险筛选指导值》(3次征求意见稿), 评价结果的准确性较大程度上取决于评价标准中风险筛选值的确立。由于该标准所涉及的土地利用方式不包括水域和未利用地, 因此在计算水域和未利用地土壤的环境风险指数时采用耕地的风险标准, 这在一定程度上降低了该类土地利用类型评价结果的准确性。若风险筛选值的确立可以细分到更加全面的土地利用类型上, 则该类评价方法对研究区的风险管理将更具指导意义。

图2

Fig.2

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	图2 珠江三角洲表层土壤重金属元素环境风险评价图Fig.2 Environmental risk assessment map for heavy metals in topsoil in Pearl River Delta

表5

Table 5

表5(Table 5)

表5 研究区重金属环境风险等级划分 Table 5 Environmental risk levels of soil heavy metals in the study area 重金属 风险等级(IER) 无(IER=0) 低(0< IER< 1) 中(1< IER< 3) 高(IER> 3) 采样单元数 /个 百分比 /% 采样单元数 /个 百分比 /% 采样单元数 /个 百分比 /% 采样单元数 /个 百分比 /% As 10 202 93.54 514 4.71 139 1.27 52 0.48 Cd 10 333 94.74 521 4.78 40 0.37 13 0.12 Cr 10 901 99.94 4 0.04 2 0.02 0 0.00 Cu 10 540 96.64 337 3.09 21 0.19 9 0.08 Hg 10 600 97.19 221 2.03 67 0.61 19 0.17 Ni 10 656 97.70 241 2.21 8 0.07 2 0.02 Pb 10 790 98.93 93 0.85 15 0.14 9 0.08 Zn 10 856 99.53 40 0.37 11 0.10 0 0.00

表5 研究区重金属环境风险等级划分 Table 5 Environmental risk levels of soil heavy metals in the study area

参照美国环保署(USEPA)推荐的分级标准划分人体健康风险等级(图3和图4)。结果显示, 研究区23.89%的土壤慢性风险指数HI> 1, 风险贡献因子主要为As, Cd和Cu元素, 表明这些地区居民具有患慢性病的风险。16.25%的土壤具有较高的慢性风险指数, 主要分布在中山北部、江门— 珠海一带、佛山北部及西部等第四系平原区, 表明这些地区居民患慢性病的可能性较高(图1和图3)。研究区37.22%的土壤慢性风险指数非常低, 可认为几乎不对人体产生健康风险, 而这些风险低值区主要分布在广州东北部、中山东南部以及惠州北部等地区, 与研究区花岗岩分布较为一致(图1和图3)。究其原因可能有2种:①不同成土母质发育形成土壤中重金属含量存在系统差异, 调查结果显示第四系平原区表层土壤中的As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb和Zn元素含量远远高于全区平均值; 而花岗岩分布区表层土壤中这些重金属元素含量均低于全区平均值^[12]; ②第四系和花岗岩分布区土地利用方式存在差异, 第四系地区的土地利用程度比较高, 增加了重金属从土壤进入人体的可能性, 导致第四系地区的重金属风险普遍较高。而花岗岩分布区多为林地等非农耕地, 减少了土壤中重金属的暴露途径, 从而降低了重金属带来的健康风险。

致癌风险在研究区的分布特征与慢性风险相似, 风险高值区主要分布在第四系平原区。约25.68%的样点致癌风险指数超过了美国环保署建议的最大风险可接受水平(1× 10^-4), 14.72%的样点具有非常高的致癌风险指数, 需要进一步开展研究(图4)。

为了进一步表征人体健康风险, 采用珠三角42个县级行政区为评价单元, 用各样点综合风险指数的中位值代表该单元的风险水平(图5和图6), 结果表明:番禺区的慢性风险水平最高, 其风险指数为9.70, 其次为南沙区, 风险指数为8.89, 这些地区由土壤重金属引发慢性病的可能性非常高。花都区的风险指数为1.48(图5), 由土壤重金属引发慢性病的可能性不大, 而从化区、黄浦区等39个区县的慢性风险指数均小于1, 土壤重金属基本不对人体健康造成威胁。

图3

Fig.3

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	图3 珠江三角洲表层土壤重金属元素慢性风险评价图Fig.3 Chronic risk assessment map for heavy metals in topsoil in Pearl River Delta

图4

Fig.4

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	图4 珠江三角洲表层土壤重金属元素致癌风险评价图Fig.4 Cancer risk assessment map for heavy metals in topsoil in Pearl River Delta

图5

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	图5 珠江三角洲表层土壤重金属元素慢性风险区划图Fig.5 Chronic risk assessment map at level of districts for heavy metals in topsoil in Pearl River Delta

图6

Fig.6

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	图6 珠江三角洲表层土壤重金属元素致癌风险区划图Fig.6 Cancer risk assessment map at level of districts for heavy metals in topsoil in Pearl River Delta

对致癌风险而言, 风险指数最高的为番禺区, 其致癌风险指数为2.21× 10^-3(图6), 表明每10万人中就可能有221人患有癌症, 其次为南沙区, 其致癌风险指数为1.58× 10^-3, 此外, 花都区、斗门区和三水区的致癌风险指数也相对其他地区较高, 致癌风险指数分别为2.28× 10^-4, 1.27× 10^-4和1.25× 10^-4, 对于这些致癌风险较高的地区应当引起足够重视。

相比前人的区域生态风险评价而言, 本文在计算风险值的过程中充分考虑了土地利用类型的影响, 并以行政区为评价单元, 采用GIS技术对研究区的综合风险进行表征。需要指出的是, 本研究的评价结果仍具有一定的不确定性, 主要体现在以下几方面:

(1) 环境风险评价主要是基于土壤重金属总量, 在现有的涉及到土地利用类型的土壤评价标准的基础上开展的, 而土壤标准是否完善, 风险筛选标准值的选择是不是符合研究区实际情况还有待进一步探讨。

(2) 人体健康风险评价中假设所有水田均种植水稻, 旱地均种植蔬菜, 而实际上研究区水田和旱地的作物种植情况不仅仅限于此, 其他作物也需要考虑。

(3) 健康风险评价采用的皮肤暴露面积、暴露频率等参数大多参考美国环保署的推荐值, 而实际上这些参数是否符合研究区的实际情况, 仍需要进一步讨论。

(4) 本文所获得的总风险均来自各重金属元素的风险值累加, 忽略了重金属元素间可能存在的协同或拮抗作用, 由此也会使评价结果具有不确定性。

(5) 本文的风险评价主要针对表层土壤的8种重金属元素开展, 而实际上以花岗岩为主的珠三角经济区土壤中还存在较高的天然放射性核素, 尤其是²³⁸U和²³²Th^[35], 这些偏高的放射性核素可能引起潜在的环境和人体健康风险。本文对放射性元素可能引起的潜在风险未进行评估。因此对于珠三角表层土壤产生的综合风险还有待进一步确定。