华北地区某蔬菜基地土壤重金属污染特征及健康风险评价

王兰化, 李明明, 张 莺, 马武明, 崔凯鹏, 王志强

1)天津市地质调查研究院, 天津 300191; 2)河北工业大学, 天津 300401

随着工业化和城市化的飞速发展, 我国城市规模不断扩大, 水资源短缺已成为制约社会发展和人民生活的重要因素, 许多城市郊区的农业用水采用污水灌溉, 使得农田土壤受到严重污染, 尤其是重金属的污染尤为突出(车飞等, 2009; 林晓峰等,2011; 谭科艳等, 2011, 2012; 赵筱青等, 2012; 储彬彬等, 2012; 刘瑾等, 2014)。

本文选取具有长期污水灌溉历史的华北地区某城郊蔬菜基地作为研究对象, 调查了研究区土壤重金属的污染现状, 分析评价了重金属的污染特征。采用美国环境保护署(U.S.Environmental Protection Agency, 以下简称 USEPA)推荐的健康风险评估模型, 对研究区土壤重金属对周边居民三种暴露途径(土壤摄食、皮肤接触、呼吸)进行了健康风险评价。

1 材料与方法

1.1 样品的采集

该蔬菜基地位于城郊农业区内, 土地种植类型为菜地, 采用污水和地下水清污混灌历史已近30年。2009年在该场地进行了土壤样品采集(图1),采用对角线法垂直采取0至20 cm的表层土壤, 将土样混合均匀, 按四分法混合取1 kg装入样品袋。

1.2 分析方法

土壤样品经自然风干, 玛瑶研钵研磨后过100目尼龙筛。pH采用酸度计法测定; 铜、锌、铬、镍采用酸全分解、等离子发射光谱法测定; 铅、镉采用酸全分解、原子吸收法测定; 汞采用王水消化、冷原子荧光法测定; 砷采用混合酸消化、原子荧光法测定。质量控制按照国家环境保护总局《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166—2004)(国家环境保护总局, 2004)进行。

1.3 土壤环境质量现状评价

1.3.1评价方法

为了衡量监测点土壤中污染元素是否对农业生产、食品安全构成威胁, 采用单因子评价法对各指标进行评价, 同时使用内梅罗指数法对各监测点的环境质量进行综合评价。

(1)单因子评价法

单因子评价是指以土壤污染实测值和评价标准相比计算土壤各项污染物的污染指数, 计算公式如下:

式中, Pi为土壤中污染物i的污染指数; Ci为土壤中污染物i的实测浓度, 单位为mg/kg; Si为污染物i的评价标准, 单位为mg/kg。

(2)内梅罗综合指数法

采用内梅罗指数法计算各监测点的综合环境质量指数, 内梅罗指数的计算方法为:

图1 土壤采样点位示意图Fig.1 Schematic map of soil sampling sites

式中, PN为综合质量指数; (Ci/Si)ave为单项质量指数的平均值; (Ci/Si)max为单项质量指数的最大值。

1.3.2评价标准

《土壤环境质量标准》(GB15618—1995) (国家环境保护局, 1995)中的二级标准, 是保障农业生产,维护人体健康的土壤限制值, 此次土壤重金属污染评价采用该标准(pH>7.5)。

针对土壤不同的利用类型和 pH值, 标准对同一元素的限值也随之变化; 因此各监测点的数据在计算污染指数时选取了相应的限值进行计算。

对单因子和综合的评价结果采用《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166—2004)中推荐的指标(表1)进行分级。

1.4 土壤重金属健康风险评价

1.4.1健康风险评价模型

健康风险评价模型包括非致癌风险模型和致癌风险模型(USEPA, 1997), 分别如式(1)、式(2)所示:

(1)非致癌风险计算方法:

式中, HQ为非致癌风险; CDI为长期日摄入剂量(单位体重日平均摄入剂量), 单位为mg/(kg·d);RFD 为污染物的非致癌参考剂量, 单位为 mg/(kg·d)。

(2)致癌风险计算方法:

式中, Risk为致癌风险, 表示人群癌症发生的概率, 通常以一定数量人口出现癌症患者的个体数表示CDI同式⑴; SF为污染物的致癌斜率因子, 单位为(kg·d)/mg。

1.4.2重金属的识别、暴露模型及参数的选择

(1)重金属的识别

根据土样的检测结果, 本次选择对研究区土壤环境质量影响较大的Cd、Hg、Cu、Zn作为评价因子。根据美国综合风险信息数据库(IRIS)数据资料和世界卫生组织(WHO)通过全面评价化学物质致癌性可靠程度而编制的分类系统, Cd为具有较强的致癌能力(车飞等, 2009), 故只对 Cd进行致癌风险评价; 对4种重金属进行非致癌风险评价。

表1 土壤环境质量分级标准Table 1 Classification criteria of soil environmental quality

(2)暴露模型的确定

土壤中重金属主要通过以下三种途径进入人体; 一是口入, 即通过农作物富集, 以食品的方式进入体内; 二是是皮肤接触, 人体皮肤接触污染的土壤而摄入土壤中的污染物; 三呼吸接触, 通过呼吸直接摄入空气中污染的土壤飞尘。

根据美国环境保护署提出的健康风险评价计算公式分别进行经口摄入途径、皮肤接触途径和呼吸途径三种暴露量的计算, 计算公式和各计算参数说明如下:

①经口摄入途径暴露量计算公式:

式中, CDI同式⑴; CS为土壤中化学物质的浓度(mg/kg); IR为表示摄取土壤速率(mg/d); CF为转换因子(kg/mg); FI表示摄取分数(范围 0.0～1.0);EF表示暴露频率(d/a); ED表示暴露持续时间(a);BW表示平均体重(kg); AT表示平均接触时间(d)。

②皮肤接触暴露量计算公式:

式中, SA-可能接触土壤的皮肤面积(cm2);AF-土壤对皮肤的吸附系数(mg/d); ABS-皮肤吸附系数, 无量纲, 其余同式(3)。

③呼吸接触途径暴露计算公式见式(5)。

式中, PM10-空气中可吸入颗粒物含量(mg/m3) ;DAIR-成人每日空气呼吸量(m3/d); PIAF-吸入土壤颗粒物在体内滞留比例, 无量纲; FSPO-空气中来自土壤的颗粒物所占比例, 无量纲; 其余同式(3)。

(3)评价参数的选择

根据美国EPA暴露因子手册(USEPA, 1997)、Superfund(USEPA, 1989; USEPA, 1986)风险评价导则内容, 结合现有研究资料(USEPA, 2008; U.S.OEHHA, 2008; 刘发欣, 2007; 国家环境保护总局,1999; 王喆等, 2008; 王宗爽等, 2009; 常静等,2009), 确定了本次暴露评价参数, 见表 2。国内外学者研究的各种重金属健康风险评价参考剂量(RFD)和致癌斜率因子(SF)如表3(常静等, 2009; 李静等, 2008; 刘庆等, 2008)。

2 评价结果与讨论

2.1 土壤重金属污染特征

2.1.1土壤重金属污染水平

2009年采集的某蔬菜基地各表层土壤重金属指标数据见表4。从表4可以看出, 除As、Ni、Cr外, 其它重金属含量均明显高于背景值, Cd、Cu、Zn、Pb含量的平均值均超出背景值 2倍以上, Hg含量的平均值超出背景值 20倍以上, 测定结果表明该蔬菜基地土壤受到了Cd、Hg、Cu、Zn、Pb的影响。

表2 健康风险评价暴露参数Table 2 Exposure parameter values of health risk assessment

表3 各重金属健康风险评价风险参考剂量(RFD)和斜率系数(SF)Table 3 Reference dose(RFD) and slope factor(SF) values for each heavy metal element in soil

2.1.2土壤重金属环境质量评价

以《土壤环境质量标准》(GB15618—95)二级标准(pH>7.5)为评价标准, 该蔬菜基地土壤重金属污染指数见表 5。从评价结果来看, 各采样点土壤中 As、Pb、Ni、Cr含量均未超过国家土壤环境质量二级标准, Zn在3号采样点达到预警级别, Cd和Cu在3号及4号采样点、Hg 在3号采样点中超标。该蔬菜基地因多年引用污水灌溉, 3、4采样点达到轻度污染, 不符合土壤环境质量二级标准; 1、5采样点达到预警级别; 整个蔬菜基地土壤重金属含量的平均值均未超标, 但 Cd、Hg、Cu均达到预警级别。作为蔬菜基地, 部分采样点土壤中多种重金属超标, 对居民的食品安全存在潜在威胁。影响该蔬菜基地土壤重金属环境质量的因子主要为Cd、Hg、Cu、Zn。

2.2 土壤重金属健康风险评价

应用健康风险评价模型及参数, 采用该蔬菜基地土壤重金属含量(Cd、Hg、Cu、Zn)的平均值, 计算出三种暴露途径下的平均个人风险(表6)。

评价结果表明, 4种重金属在三种暴露途径下的非致癌风险 HQ均小于 1, 不会对人体造成明显的非致癌健康影响。经口摄入途径非致癌风险最大,其次为皮肤接触, 非致癌风险最小为呼吸接触。4种重金属的非致癌风险水平集中在 10–1～10–6, 成年人每100人因土壤重金属的非致癌污染物的影响而受到健康危害(或死亡)的人数达到 1人; 儿童每10人因土壤重金属的非致癌污染物的影响而受到健康危害(或死亡)的人数达到 1人, 表明该蔬菜基地的土壤中4种重金属对暴露人群具有潜在的健康危害。三种暴露途径下的非致癌风险大小均为Hg>Cu>Zn>Cd。

表4 土壤重金属含量统计结果/(mg/kg)Table 4 Statistical values/(mg/kg) of heavy metal concentrations in soil

表5 各采样点土壤环境质量评价结果Table 5 Index of environmental quality in soil sampling sites

表6 非致癌风险指数和致癌风险Table 6 Index of carcinogenic risk and non-carcinogenic risk

Cd在三种暴露途径下的致癌风险 Risk为5.57×10–10～3.86×10–7, 低于可以接受的水平 10–6,表明 Cd的致癌风险较低, 不会对人体造成健康危害。

儿童的非致癌风险是成年人的 8.6倍, 致癌风险是成年人的近 3倍, 因土壤摄入而带来的健康风险明显高于成年人。

研究区内土壤 Cd、Hg、Cu存在超标现象, 建议该蔬菜基地杜绝使用污染水灌溉, 最好使用深层地下水或引灌清洁地表水, 以减少土壤污染对人群健康的威胁。

3 结论

1)研究区Cd、Hg、Cu、Zn、Pb含量均明显高于背景值, 土壤重金属含量的平均值均未超过土壤环境质量二级标准, 但Cd、Hg、Cu达到预警级别。部分采样点土壤中Cd、Hg、Cu超过土壤环境质量二级标准, 个别采样点Zn达到预警级别, 对居民的食品安全存在潜在威胁。

2)4种重金属在三种暴露途径下的非致癌风险HQ均小于1, 不会对人体造成明显的非致癌健康影响。三种暴露途径下的非致癌风险大小均为Hg>Cu>Zn>Cd。在三种暴露途径下的致癌风险Risk为5.57×10–10～3.86×10–7, 低于可以接受的水平 10–6,表明 Cd的致癌风险较低, 不会对人体造成健康危害。

3)本次研究采用了美国环境保护署推荐的健康风险评价方法, 在参数的选择上参考了国外和国内其它研究成果, 对土壤口入摄食暴露途径, 采用EPA的评价参数, 未实地采取蔬菜样品进行测试分析, 同时因地域及人群差异等因素, 不可避免的给评价结果增加了不确定性。

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