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大同市城区公园表层土壤重金属污染特征和健康风险及来源解析

刘玥 郭文强 武晔秋

刘 玥, 郭文强, 武晔秋. 大同市城区公园表层土壤重金属污染特征和健康风险及来源解析[J]. 土壤通报, 2023, 54(1): 180 − 191 doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2022032901
引用本文: 刘 玥, 郭文强, 武晔秋. 大同市城区公园表层土壤重金属污染特征和健康风险及来源解析[J]. 土壤通报, 2023, 54(1): 180 − 191 doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2022032901
LIU Yue, GUO Wen-qiang, WU Ye-qiu. Pollution Characteristics, Health Risks and Source Analysis of Surface Soil Heavy Metals in Urban Parks of Datong City[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2023, 54(1): 180 − 191 doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2022032901
Citation: LIU Yue, GUO Wen-qiang, WU Ye-qiu. Pollution Characteristics, Health Risks and Source Analysis of Surface Soil Heavy Metals in Urban Parks of Datong City[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2023, 54(1): 180 − 191 doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2022032901

大同市城区公园表层土壤重金属污染特征和健康风险及来源解析

doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2022032901
基金项目: 山西省哲学社会科学规划课题(2022YD123)和山西大同大学科学研究项目(2020K11)资助
详细信息
    作者简介:

    刘玥:刘 玥(1980−),女,辽宁阜新人,硕士研究生,副教授,主要从事环境质量评价工作。E-mail:liuyue_violet1980@163.com

    通讯作者:

    E-mail: liuyue_violet1980@163.com

  • 中图分类号: X513

Pollution Characteristics, Health Risks and Source Analysis of Surface Soil Heavy Metals in Urban Parks of Datong City

  • 摘要:   目的  为了解大同市城区公园表层土壤中重金属污染特征、健康风险和污染来源。  方法  于2021年4月在大同市7个公园共采集54个0 ~ 10 cm表层土壤样品,测定铬(Cr)、锰(Mn)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、砷(As)、镉(Cd)、铅(Pb)含量,利用地累积污染指数法、潜在生态风险指数法和健康风险评价模型评价土壤重金属污染程度,并采用绝对主成分-多元线性回归模型解析重金属污染来源及其贡献率。  结果  大同市公园表层土壤中9种重金属含量均高于山西省A层土壤背景值。其中,所调查的公园土壤中As、Cd和Pb含量分别是土壤背景值的2.27、18.93和2.77倍。文瀛湖公园表层土壤重金属污染最严重,其次是御河公园,Cd是主要污染因子。Mn对成人和儿童造成的非致癌健康风险最大,其次是As和Cr;经呼吸吸入途径造成的非致癌健康风险高于经口摄入途径和皮肤接触途径。  结论  大同市各公园表层土壤中重金属对成人造成的非致癌健康风险指数均在可接受范围内,而对儿童造成的非致癌健康风险指数均远大于1.0,存在非致癌风险。Co对成人和儿童造成的致癌健康风险指数均大于1 × 10−4,存在致癌风险。大同市城区公园表层土壤中重金属的主要来源为土壤母质、交通和燃煤,其贡献率分别为48.93%、30.79%和20.28%。本研究结果可为大同市城区公园表层土壤污染控制和城市规划提供重要理论依据。
  • 图  1  研究区域及各城区公园分布示意图

    Figure  1.  Distribution diagram of study area and urban parks

    图  2  大同市公园土壤中重金属地累积污染指数

    Figure  2.  Geo-accumulation pollution index of soil heavy metals from parks in Datong City

    图  3  大同市公园土壤中重金属潜在生态风险指数

    Figure  3.  Potential ecological risk indices of soil heavy metals from parks in Datong City

    表  1  重金属污染程度分级标准[4]

    Table  1.   Classification standard of heavy metal pollution

    级别
    Level
    地累积污染指数
    Geo-accumulation index
    潜在生态风险指数
    Potential ecological risk index
    Igeo污染等级
    Class of pollution
    EiRI风险等级
    Class of ecological risk
    1Igeo ≤ 0未受污染Ei < 40RI < 110轻微生态风险
    20 < Igeo ≤ 1未污染到中度污染40 ≤ Ei < 80150 ≤ RI < 300中等生态风险
    31 < Igeo ≤ 2中度污染80 ≤ Ei < 160300 ≤ RI < 600强生态风险
    42 < Igeo ≤ 3中度至重度污染160 ≤ Ei < 320600 ≤ RI < 1200很强生态风险
    53 < Igeo≤ 4严重污染320 ≤ Ei1200 ≤ RI极强生态风险
    64 < Igeo ≤ 5严重或极严重污染
    7Igeo > 5严重污染
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    表  2  重金属健康风险评估模型相关参数[4]

    Table  2.   Parameters used in health risk assessment model of heavy metal

    参数
    Parameter
    单位
    Unit
    儿童
    Child
    成人
    Adult
    表层土壤重金属含量/c mg kg−1
    暴露年限/ED a 6 24
    平均体重/BW kg 19.2 61.8
    暴露频率/EF d a−1 350 350
    平均暴露时间/AT d 365 × ED (非致癌)
    365 × 76 (致癌)
    经手−口摄入频率/IRg mg d−1 200 100
    呼吸频率/IRh m3 d−1 7.5 14.5
    皮肤表面土壤粘附系数/AF mg cm−2 d−1 0.2 0.07
    暴露皮肤面积/SA cm2 d−1 1600 4350
    皮肤接触吸收效率因子/ABS 无量纲 0.001
    空气中可吸入颗粒物含量/PM10 mg m−3 0.15
    吸入土壤颗粒物在体内滞留比列/PLAF 无量纲 0.75
    空气中来自土壤颗粒物的占比/FSPO 无量纲 0.5
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    表  3  重金属不同暴露途径的参考剂量(RfD)和斜率因子(SF[4]

    Table  3.   Parameters used in health risk assessment model of heavy metal

    重金属
    Heavy metal
    参考剂量
    RfD
    斜率因子
    SF
    手口摄入
    Ingestion
    呼吸吸入
    Inhalation
    皮肤接触
    Dermal
    手口摄入
    Ingestion
    呼吸吸入
    Inhalation
    皮肤接触
    Dermal
    Cr3.00 × 10−32.86 × 10−56.00 × 10−54.20 × 101
    Mn4.60 × 10−21.43 × 10−51.84 × 10−3
    Co2.00 × 10−25.71 × 10−61.60 × 10−29.80 × 100
    Ni2.00 × 10−22.06 × 10−25.40 × 10−38.40 × 10−1
    Cu4.00 × 10−24.00 × 10−21.20 × 10−2
    Zn3.00 × 10−13.00 × 10−16.00 × 10−2
    As3.00 × 10−43.01 × 10−41.23 × 10−43.80 × 10−11.50 × 1001.52 × 100
    Cd1.00 × 10−31.00 × 10−31.00 × 10−51.50 × 1007.05 × 1003.66 × 100
    Pb3.50 × 10−33.52 × 10−35.25 × 10−3
      注:“−”表示没有相关数据。
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    表  4  大同市公园土壤中重金属含量(mg kg−1

    Table  4.   Concentration of soil heavy metals from parks in Datong City

    研究区域
    Study area
    指标
    Index
    CrMnCoNiCuZnAsCdPb
    大同公园 平均值 61.03 680.77 10.81 26.45 24.00 62.56 24.06 1.11 46.92
    标准差 3.48 3.40 27.54 0.42 1.67 0.65 5.64 1.27 0.16
    儿童公园 平均值 64.28 684.14 11.56 26.97 22.44 54.25 23.23 1.46 39.64
    标准差 5.50 1.90 42.60 0.54 1.58 0.92 2.57 1.39 0.12
    智家堡公园 平均值 72.54 773.01 14.18 32.56 24.31 73.06 21.32 1.72 40.29
    标准差 5.04 3.44 82.41 1.11 2.63 1.04 3.28 1.20 0.09
    城墙公园 平均值 62.92 712.09 12.55 28.58 24.19 61.22 22.03 2.02 39.48
    标准差 2.11 3.05 23.84 0.51 1.56 1.43 5.17 1.45 0.09
    御河公园 平均值 73.67 765.56 14.98 33.68 26.44 74.82 22.34 2.15 40.92
    标准差 5.66 5.82 65.20 1.07 2.87 2.12 10.16 1.44 0.12
    绿轴公园 平均值 66.84 705.35 13.58 30.40 22.39 80.39 19.18 2.17 37.08
    标准差 6.30 3.53 31.54 1.10 0.77 0.26 40.94 5.36 0.10
    文瀛湖公园 平均值 57.79 873.89 13.04 27.99 22.73 110.23 15.86 2.30 40.76
    标准差 22.81 17.34 445.04 1.26 9.02 4.33 45.90 3.53 0.75
    所有土壤样品 最小值 44.03 527.81 10.24 19.67 10.89 29.92 11.52 0.94 23.81
    最大值 84.82 1904.93 16.66 38.57 30.41 182.81 26.55 4.76 102.17
    平均值 66.35 759.36 13.19 30.18 23.96 73.11 20.69 1.93 40.75
    标准偏差 7.51 227.96 1.68 4.01 2.84 27.20 3.97 0.54 9.93
    偏度 −0.14 4.33 0.13 −0.07 −1.49 2.65 −0.91 2.29 4.56
    峰度 0.82 19.70 −0.78 0.08 7.69 7.92 −0.23 13.46 28.03
    变异系数(CV %) 11.31 30.02 12.74 13.28 11.85 37.20 19.18 28.07 24.37
    山西省A层土壤重金属背景值[20] 55.30 532.00 10.10 29.90 22.90 63.50 9.10 0.10 14.70
    全国A层土壤重金属背景值[20] 61.00 583.0 12.70 26.90 22.60 74.20 11.20 0.10 26.00
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    表  5  大同市公园土壤中重金属污染等级百分比

    Table  5.   Percentages of soil heavy metal pollution grades in parks in Datong city

    污染等级
    Class of pollution
    CrMnCoNiCuZnAsCdPb
    未受污染98.15%90.74%87.04%100.00%100.00%92.59%9.26%00
    未污染到中度污染1.85%9.26%12.96%007.41%90.74%081.48%
    中度污染03.70%00000016.67%
    中度至重度污染000000090.74%1.85%
    严重污染00000007.41%0
    严重或极严重污染00000001.85%0
    严重污染000000000
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    表  6  大同市公园土壤中重金属非致癌健康风险指数统计

    Table  6.   Statistics analysis for non-carcinogenic risk index of soil heavy metals from parks in Datong city

    研究区域
    Study area
    经口摄入非致癌风险商
    HQing
    呼吸吸入非致癌风险商
    HQinh
    皮肤接触非致癌风险商
    HQderm
    非致癌风险指数
    HI
    成人
    Adult
    儿童
    Child
    成人
    Adult
    儿童
    Child
    成人
    Adult
    儿童
    Child
    成人
    Adult
    儿童
    Child
    大同公园 1.89 × 10−1 2.16 × 100 2.90 × 10−1 4.46 × 100 2.83 × 10−2 1.67 × 10−1 5.07 × 10−1 6.79 × 100
    儿童公园 1.88 × 10−1 2.15 × 100 3.12 × 10−1 4.79 × 100 2.83 × 10−2 1.68 × 10−1 5.28 × 10−1 7.11 × 100
    智家堡公园 2.18 × 10−1 2.49 × 100 2.77 × 10−1 4.27 × 100 3.53 × 10−2 2.09 × 10−1 5.30 × 10−1 6.97 × 100
    城墙公园 2.40 × 10−1 2.75 × 100 2.70 × 10−1 4.15 × 100 2.50 × 10−2 1.48 × 10−1 5.35 × 10−1 7.05 × 100
    御河公园 2.78 × 10−1 3.18 × 100 3.97 × 10−1 6.10 × 100 3.32 × 10−2 1.97 × 10−1 7.08 × 10−1 9.48 × 100
    绿轴公园 2.30 × 10−1 2.64 × 100 3.26 × 10−1 5.01 × 100 3.12 × 10−2 1.85 × 10−1 5.87 × 10−1 7.83 × 100
    文瀛湖公园 2.06 × 10−1 2.36 × 100 3.06 × 10−1 4.70 × 100 2.32 × 10−2 1.37 × 10−1 5.36 × 10−1 7.21 × 100
    所有土壤样品 Cr 3.80 × 10−2 4.35 × 10−1 1.22 × 10−2 1.86 × 10−1 1.55 × 10−2 9.18 × 10−2 6.57 × 10−2 7.13 × 10−1
    Mn 2.81 × 10−2 3.23 × 10−1 2.76 × 10−1 4.24 × 100 5.75 × 10−3 3.41 × 10−2 3.09 × 10−1 4.59 × 100
    Co 1.12 × 10−3 1.29 × 10−2 1.20 × 10−2 1.84 × 10−1 1.15 × 10−5 6.80 × 10−5 1.31 × 10−2 1.97 × 10−1
    Ni 2.59 × 10−3 2.96 × 10−2 7.65 × 10−6 1.17 × 10−4 7.81 × 10−5 4.63 × 10−4 2.68 × 10−3 3.02 × 10−2
    Cu 1.01 × 10−3 1.15 × 10−2 3.07 × 10−6 4.71 × 10−5 2.74 × 10−5 1.62 × 10−4 1.04 × 10−3 1.17 × 10−2
    Zn 4.14 × 10−4 4.75 × 10−3 1.27 × 10−6 1.94 × 10−5 1.69 × 10−5 1.00 × 10−4 4.32 × 10−4 4.86 × 10−3
    As 1.19 × 10−1 1.36 × 100 3.60 × 10−4 5.54 × 10−3 2.36 × 10−3 1.40 × 10−2 1.22 × 10−1 1.38 × 100
    Cd 3.30 × 10−3 3.76 × 10−2 1.00 × 10−5 1.54 × 10−4 2.68 × 10−3 1.59 × 10−2 5.99 × 10−3 5.37 × 10−2
    Pb 1.92 × 10−2 2.19 × 10−1 5.79 × 10−5 8.89 × 10−4 1.04 × 10−4 6.17 × 10−4 1.93 × 10−2 2.21 × 10−1
    总计 2.13 × 10−1 2.43 × 100 3.00 × 10−1 4.62 × 100 2.65 × 10−2 1.57 × 10−1 5.39 × 10−1 7.21 × 100
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    表  7  大同市公园土壤中重金属致癌健康风险指数统计

    Table  7.   Statistics analysis for carcinogenic risk index of soil heavy metals from parks in Datong city

    研究区域
    Study area
    经口摄入致癌风险商
    CRing
    呼吸吸入致癌风险商
    CRinh
    皮肤接触致癌风险商
    CRderm
    致癌风险指数
    TCR
    成人
    Adults
    儿童
    Child
    成人
    Adults
    儿童
    Child
    成人
    Adults
    儿童
    Child
    成人
    Adults
    儿童
    Child
    大同公园 5.87 × 10−6 6.72 × 10−5 4.96 × 10−4 7.62 × 10−3 2.18 × 10−6 1.29 × 10−5 5.04 × 10−4 7.70 × 10−3
    儿童公园 5.99 × 10−6 6.85 × 10−5 5.30 × 10−4 8.15 × 10−3 2.73 × 10−6 1.62 × 10−5 5.39 × 10−4 8.23 × 10−3
    智家堡公园 5.80 × 10−6 6.64 × 10−5 6.49 × 10−4 9.98 × 10−3 3.11 × 10−6 1.85 × 10−5 6.58 × 10−4 1.01 × 10−2
    城墙公园 6.19 × 10−6 7.08 × 10−5 5.74 × 10−4 8.83 × 10−3 3.61 × 10−6 2.14 × 10−5 5.84 × 10−4 8.92 × 10−3
    御河公园 6.36 × 10−6 7.28 × 10−5 6.85 × 10−4 1.05 × 10−2 3.82 × 10−6 2.27 × 10−5 6.95 × 10−4 1.06 × 10−2
    绿轴公园 5.72 × 10−6 6.55 × 10−5 6.21 × 10−4 9.55 × 10−3 3.80 × 10−6 2.25 × 10−5 6.31 × 10−4 9.64 × 10−3
    文瀛湖公园 5.14 × 10−6 5.88 × 10−5 5.95 × 10−4 9.16 × 10−3 3.96 × 10−6 2.35 × 10−5 6.05 × 10−4 9.24 × 10−3
    所有土壤样品 Cr 9.67 × 10−6 1.48 × 10−4 9.67 × 10−6 1.48 × 10−4
    Co 5.94 × 10−4 9.13 × 10−3 5.94 × 10−4 9.13 × 10−3
    Ni 1.10 × 10−8 1.68 × 10−7 1.10 × 10−8 1.68 × 10−7
    As 4.28 × 10−6 4.90 × 10−5 2.10 × 10−8 3.23 × 10−7 3.41 × 10−7 2.02 × 10−6 4.64 × 10−6 5.13 × 10−5
    Cd 1.56 × 10−6 1.78 × 10−5 2.23 × 10−10 3.42 × 10−9 3.10 × 10−6 1.84 × 10−5 4.66 × 10−6 3.62 × 10−5
    总计 5.84 × 10−6 6.68 × 10−5 6.03 × 10−4 9.28 × 10−3 3.44 × 10−6 2.04 × 10−5 6.13 × 10−4 9.37 × 10−3
      注:“−”表示没有相关数据。
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    表  8  大同市公园土壤中重金属主成分分析

    Table  8.   Principal component analysis of soil heavy metals from parks in Datong city

    元素
    Element
    主成分因子
    Principal component factor
    因子1
    Factor 1
    因子2
    Factor 2
    因子3
    ​​​​​​​Factor 3
    Cr0.93−0.030.16
    Mn0.80−0.250.08
    Co0.770.47−0.09
    Ni0.940.00−0.26
    Cu0.81−0.190.23
    Zn0.170.720.01
    As0.10−0.120.92
    Cd0.050.88−0.09
    Pb−0.110.620.69
    初始特征值4.821.871.03
    方差贡献率53.58%20.77%11.49%
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    表  9  大同市与其它城市公园土壤中重金属的地累积污染指数

    Table  9.   Geo-accumulation pollution index of soil heavy metals from parks in Datong city and other cities

    研究区域
    Study area
    采样时间
    Time of sampling
    CrMnCoNiCuZnAsCdPb
    呼和浩特市[2]20111.581.32 0.95 2.33 1.85 1.02 −0.95
    北京市[8]2017−1.04−0.82−0.89−0.49−0.700.07−0.52
    西安市[6]2016−0.45−0.300.67−0.470.10−0.09−0.400.21
    长春市[27]2019−1.900.90−0.33−0.680.83−1.11
    天津市[28]20070.610.911.271.472.780.01
    大同市2021−0.33−0.11−0.21−0.58−0.53−0.450.573.610.89
      注:“−”表示没有相关数据。
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    表  10  大同市公园土壤中重金属污染源贡献率及其预测值与实测值

    Table  10.   Pollution source contribution ratio, predicted and observed data of surface soil heavy metals from urban parks in Datong city

    元素
    Element
    预测值(mg kg−1)
    Predicted data
    实测值(mg kg−1)
    Observed data
    R2元素
    Element
    主成分因子贡献率(%)
    Contribution ratio of principal component factor
    因子1
    ​​​​​​​Factor 1
    因子2
    ​​​​​​​Factor 2
    因子3
    ​​​​​​​Factor 3
    Cr 66.26 66.35 0.90 Cr 90.17 1.45 8.38
    Mn 768.50 759.36 0.70 Mn 55.26 37.97 6.76
    Co 13.280 13.19 0.82 Co 74.23 20.92 4.85
    Ni 30.26 30.18 0.95 Ni 86.73 0.04 13.23
    Cu 23.79 23.96 0.74 Cu 79.27 8.49 12.23
    Zn 73.16 73.11 0.54 Zn 34.12 64.58 1.30
    As 20.90 20.69 0.90 As 15.42 7.91 76.67
    Cd 1.91 1.93 0.79 Cd 8.91 81.41 9.68
    Pb 40.31 40.75 0.87 Pb 13.57 37.02 49.41
    总计 48.93 30.79 20.28
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-03-29
  • 录用日期:  2022-05-07
  • 修回日期:  2022-04-25
  • 网络出版日期:  2023-02-02
  • 刊出日期:  2023-02-06

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