基于蒙特卡罗模拟的铅锌冶炼...农田土壤重金属健康风险评估_黄剑波.pdf

Eco-EnvironmentalKnowledge Web环 境 科 学Environmental Science第44卷第4期 2023年4月Vol44，No4 Apr，2023基于蒙特卡罗模拟的铅锌冶炼厂周边农田土壤重金属健康风险评估黄剑波1，2，姜登登1，2，温冰1，2，王磊1，2，石佳奇1，2，周艳1，2*(1 生态环境部南京环境科学研究所，南京210042;2 国家环境保护土壤环境管理与污染控制重点实验室，南京210042)摘要:为探明铅锌冶炼厂周边土壤重金属污染程度及人体健康风险，在云南省某铅锌冶炼厂周边农田采集 56 个表层土壤(020 cm)，分析了土壤中 pH 和重金属 Pb、Cd、Zn、As、Cu 和 Hg 的含量，对土壤重金属含量的污染程度、生态风险和概率健康风险进行了研究 结果表明，研究区土壤中(Pb)、(Cd)、(Zn)、(As)、(Cu)和(Hg)的平均值分别为4 413.93、6.89、1 672.76、44.45、47.61 和0.21 mg kg1，均超过云南省土壤背景值 Cd 的地累积指数(Igeo)平均值为0.24，单因子污染指数(Pi)平均值为 30.42，潜在生态风险指数(Er)平均值为1 312.60，是研究区污染最重以及生态风险最高的重金属 蒙特卡罗概率健康风险结果显示，成人和儿童的非致癌风险指数(HI)分别为 2.42E 01 和 9.36E 01，儿童的非致癌风险超过控制值的比例为 36.63%;成人和儿童的致癌风险指数(TC)分别为 6.98E 05 和 5.93E 04，儿童的致癌风险超过控制值的比例为 86.85%;Cd 和 As 是造成致癌风险和非致癌风险的主要因素 研究结果可为该区域实现精准风险管控和修复措施提供科学依据关键词:铅锌冶炼;农田土壤;重金属污染;生态风险;概率健康风险中图分类号:X53文献标识码:A文章编号:0250-3301(2023)04-2204-11DOI:1013227/j hjkx202205055收稿日期:2022-05-06;修订日期:2022-07-06基金项目:国家重点研发计划项目(2018YFC1801100)作者简介:黄剑波(1988 )，男，硕士，助理研究员，主要研究方向为土壤与地下水调查和评估，E-mail:huangjianbo nies org*通信作者，E-mail:zhouyan nies orgContamination andProbabilisticHealthiskAssessmentofHeavyMetalsinAgricultural Soils Around a Lead-Zinc SmelterHUANG Jian-bo1，2，JIANG Deng-deng1，2，WEN Bing1，2，WANG Lei1，2，SHI Jia-qi1，2，ZHOU Yan1，2*(1 Nanjing Institute of Environmental Sciences，Ministry of Ecology and Environment，Nanjing 210042，China;2 State Environmental Protection Key Laboratory of SoilEnvironmental Management and Pollution Control，Nanjing Institute of Environmental Sciences，Ministry of Ecology and Environment，Nanjing 210042，China)Abstract:In order to identify the contamination and health risks of heavy metals in agricultural soils，a total of 56 surface soil samples(0-20 cm)were collected around a Pb-Zn smelter in Yunnan Province，and six heavy metals(Pb，Cd，Zn，As，Cu，and Hg)and pH were analyzed to assess heavy metal status，ecological risk，and probabilistichealth risk The results revealed that the average contents of six heavy metals(Pb:4 413.93 mg kg1，Cd:6.89 mg kg1，Zn:1 672.76 mg kg1，As:44.45mg kg1，Cu:47.61 mg kg1，and Hg:0.21 mg kg1)were higher than their background values in Yunnan Province Cd had the highest mean geo-accumulation index(Igeo)of 0.24，the highest mean pollution index(Pi)of 30.42，and the greatest average ecological risk index(Er)of 1 312.60，indicating that Cd was the primaryenriched and highest-ecological risk pollutant The mean hazard index(HI)through exposure to six HMs was 2.42E 01 and 9.36E 01 for adults and children，respectively，with 36.63%of HI values for children exceeding the risk threshold of 1 Moreover，the mean total cancer risks(TC)were 6.98E 05 and 5.93E 04 foradults and children，respectively，with 86.85%of TC values for children exceeding the guideline value of 1E-04 The probabilistic health risk assessment suggested that Cdand As were the main contributors for the non-carcinogenic risks and carcinogenic risks This work will provide scientific reference for the precise risk management and effectiveremediation strategy of soil heavy metal pollution in this study areaKey words:lead-zinc smelter;agricultural soil;heavy metal contamination;ecological risk;probabilistic health risk随着我国工业化和城市化的快速发展，农田土壤重金属污染环境问题日益突出1，我国农田土壤样品点位超标率为19.4%，其中，有色金属冶炼周边土壤中镉、砷、铅和锌等重金属污染较为严重2 冶炼过程中产生的废渣和粉尘等通过降雨径流和大气沉降等形式进入土壤、地表水和地下水，进而通过食物链对生态环境和人体健康构成严重威胁3，4 调查研究表明，中国 49 个有色金属冶炼厂周边农田土壤中(Cd)、(Pb)、(Zn)和(Cu)的平 均 值 分 别 为 19.8、1 536、1 371 和 19.8mg kg1，均超过了对应的土壤背景值，对周边居民健康风险较高5 因此，冶炼厂周边农田土壤重金属污染特征及风险评价一直是研究热点目前，用于土壤重金属污染评价的方法主要包括地累积指数法、单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数、潜在生态风险指数和健康风险评价6，7 采用两种及以上的评价方法可以较为全面地反映土壤污染状况8，9 传统的健康风险评价主要关注确定性健康风险，多采用参数的均值或中位值进行风险评 估，可 能 导 致 过 高 或 者 过 低 估 算 风 险 水平10，11 此外，由于重金属含量和输入参数不确定性的存在，确定性风险评估很难识别出对风险较高4 期黄剑波等:基于蒙特卡罗模拟的铅锌冶炼厂周边农田土壤重金属健康风险评估的重金属12 近年来，概率风险评估逐渐成为土壤污染风险评价领域的新趋势13，而蒙特卡罗模拟(Monte Carlo)则是最常用的概率风险分析方法14 蒙特卡罗模拟在确定暴露参数先验分布下可生成随机数进行迭代计算，输出以概率分布的形式表达，最终提供污染超过风险值的概率，识别出有限控制污染物15 已有学者利用蒙特卡罗模拟方法评价了城市公园土壤重金属16、居民区土壤多环芳烃17 和矿区土壤重金属18 的概率风险 迄今为止，国内关于铅锌冶炼厂周边农田土壤重金属的概率健康风险则鲜有报道鉴于此，本文选择云南省怒江州兰坪县境内某铅锌冶炼厂周边农田土壤为研究对象，分析其土壤中重金属污染状况，应用地累积指数和污染指数分析土壤重金属污染程度，采用潜在生态风险指数评价土壤生态风险，结合 Monte Carlo 模拟对土壤中重金属健康风险进行概率评估，以期为该区域实现精准风险管控和修复措施提供科学依据，研究结果对保障当地居民人体健康具有重要意义1材料与方法1.1研究区概况研究区域位于兰坪县某铅锌冶炼厂周边农田，地理坐标为:东经 9923 9924，北纬 2623 2625 兰坪县位于云南省西北部，怒江州东部，境内矿产资源丰富，被称为中国的“绿色锌都”县内有色金属冶炼厂较多，冶炼厂周边分布多个村庄，由于大气沉降等途径，金属冶炼活动对周边人群健康造成极大威胁 兰坪县属低纬山地季风气候，地形复杂，海拔在1 360 4 435.4 m之间，相对高差大，年平均气温为 13.7，年平均降雨量为1 002.4 mm，主导风向为偏西风，夏季偏南风 研究区耕地类型以旱地为主，土壤类型以黄棕壤土为主，主要农作物为玉米1.2样品采集与测试在冶炼厂周边 2 块农田共布设 56 个土壤点位，采样点分布见图 1 A 农田占地约100 000 m2，距离冶炼厂 400 m 左右;B 农田占地约200 000 m2，距离冶炼厂1 300 m左右 考虑到 A 农田距离冶炼厂较近，采用 50 m 50 m 网格布点法共布设 35 个采样点，B 农田距离冶炼厂较远，采用 100 m 100 m 网格布点法共布设 21 个采样点 每个采样点利用木铲采集 0 20 cm 表层土壤，按四分法弃除多余土壤后保留 1.0 kg 土壤样品，样品装入密封袋运输至实验室采集的土壤样品经自然风干后去除根茎、石块等异物，用玛瑙研钵研磨后过 100 目筛装入自封袋备用 土壤 pH 参照文献 19 方法测定 土壤样品经HNO3-HF-HClO4法消解后使用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测定重金属 As、Cd、Cu、Pb 和 Zn 的含量;另外，称取土壤样品经(1 1)王水消解后采用原子荧光光度计测定 Hg 的含量 采用 GSS-28 标准物质进行质量控制，回收率为 90%110%之间图 1研究区土壤采样点示意Fig 1Soil sampling sites of the study area1.3分析方法1.3.1地累积指数法地累积指数法(Igeo)近年来已被广泛应用于评价土壤重金属污染程度20，其计算公式为:Igeo=log2 Ci/(K C0)(1)式中，Igeo为地