广州某农场土壤和植物重金属含量及健康风险评估

2017-05-30马晓净郑丽周耀红陈晓红吕辉雄

热带作物学报 2017年9期

马晓净郑丽周耀红陈晓红吕辉雄

摘要以广州某农场中的植物和土壤为研究对象，采用火焰原子吸收分光光度法对植物和土壤中的6种重金属（Pb、Cu、Ni、Zn、Cr、Cd）含量进行分析，对蔬菜中重金属的人体健康风险进行了评估。结果表明：与国家土壤质量 II 级标准GB15618-1995（6.5关键词重金属；植物；土壤；风险

中图分类号 S151.9 文献标识码 A

Heavy Metal Concentration and Health Risk Appraisal

of Agricultural Soil and Plant from

One Farm in Guangzhou

MA Xiaojing， ZHENG Li， ZHOU Yaohong， CHEN Xiaohong， Lü Huixiong*

College of Natural Resources and Environment， South China Agricultural University， Guangzhou， Guangdong 510642， China

Abstract On the basis of the vegetable and soil in a farm in Guangzhou， the contents of six heavy metals（Pb， Cu， Ni， Zn， Cr， Cd）in plants and soil were analyzed by flame atomic absorption spectrometry. The human health risks of heavy metals in vegetables were assessed. The results showed that compared with the national soil quality standard II GB15618-1995（6.5

当前土壤重金属污染受到了广泛关注，土壤重金属是植物中重金属的重要来源。不少学者针对植物中重金属含量和土壤重金属含量之间的相关性进行了论证，研宄结果表明植物中重金属含量与土壤中重金属含量之间有着极为密切的关系，特别是与土壤中有效态重金属的含量相关性更明显[6]。因此对蔬菜和源头土壤中的重金属含量进行检测及评价，对控制污染和保护人类健康有重大意义[7]。

当前中国的土壤重金属污染呈日趋加剧的态势，农产品产地环境点源、面源污染扩大，防治形势十分严峻[8]。污染类型以无机型为主，有机型次之，复合型污染所占比重较小，无机污染超标点位数占全部超标点位数的82.8%，镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍8种无机污染物点位超标率分别为7%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%[9]。研究表明重金属超标可导致人体呼吸系统、消化系统和神经系统等多种器官和组织的损伤[10]。国内外在土壤重金属方面已经做了大量研究，主要针对城市土壤、菜园土壤、果园土壤以及矿区周边农田土壤重金属的含量、空间分布及其对农作物的影响等进行研究[11]。中国在农田土壤重金属方面的研究，大都是选取某些典型区域，采集土壤和植被样本通过化学分析等确定重金属含量并进行相关分析。中国土壤重金属含量较高，且各区域重金属含量分布存在较大差异[12]。中国区域农田土壤Pb、Cd、Cu和Zn均有不同程度的富集，通过与背景值进行比较发现，Cd的富集最为严重，其次是Pb，其超标现象在全国普遍存在。从总体上看，中国西南部地区土壤重金属富集值较高，其次是两广和辽宁地区，各区域土壤重金属的富集程度与类型受到当地农业活动和工业发展等的影响[13]。为了进一步了解广州某农场土壤环境质量现状，在农场内随机采集了植物样品及其相对应的土壤样品进行重金属含量的测定。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试验材料在农场里随机采取6种植物样品（芋头、小白菜、豆角、毛豆、番薯、香蕉）和其对应的土壤样品，用于试验及重金属含量的测定。采土区土壤类型是中性偏酸性土壤，样品采集方法采用S型采集，共采集6种植物样及对应的6种土壤样。

1.1.2 主要仪器分析天平[PB2002-N，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司]、30 mL聚四氟乙烯坩埚、30 mL瓷坩埚、ES-1020电炉（三角牌）、DC-B马弗炉（北京独创科技有限公司）、DHG-9140A电热恒温风干燥箱（上海齐欣科学仪器有限公司）、火焰原子吸收分光光度（Z-2300，日本HITACHI公司）、JP-150A-8高速多功能粉碎机（永康市久品工贸有限公司）、电热板。

1.1.3 主要试剂硝酸、氢氟酸、盐酸、高氯酸。

1.2 方法

1.2.1 植物样品的制备方法将采集的植物样品放入烘箱以105 ℃杀青3 h，然后以65 ℃烘干样品（约108 h），将烘干后的植物样品用粉碎机粉碎后过100目筛；称取约3.000 g过筛植物样品于坩埚内，先在电炉上碳化（待其无白烟冒出即可），然后置于马福炉（根据样品编号按顺序放置）中以（500±25）℃灰化约8 h，每种植物样做3个平行；待样品冷却后，取出坩锅，贴上标签，按1 ∶ 1（V ∶ V）的比例向坩埚中加入2 mL HCl溶解残渣；然后转移至25 mL试管，用蒸馏水清洗坩埚2～3次，清洗液全部倒入试管中；最后用蒸馏水定容至25 mL，充分摇匀后用滤纸过滤至烘干后的塑料瓶中，待测。

1.2.2 土壤样品的制备方法

称1 g土壤样品于聚四氟乙烯坩埚中，分别加入5 mL HNO3、5 mL HF、3 mL HClO4，加蓋放置一夜，打开电热板，高温加热；1 h后，打开通风橱，开盖，继续加热除硅；当加热至冒浓厚白烟时，加盖，待坩埚壁上的黑色有机物消失后，开盖驱赶HClO4白烟并蒸至内容物呈粘稠状；当白烟基本冒尽且坩埚内容物呈粘稠状时，用坩埚钳将坩埚取下，稍微冷却；加入5 mL HNO3，赶酸至粘稠状，稍微冷却；按1 ∶ 1（V ∶ V）的比例加入2 mL HCl 溶解；转移至25 mL定量管中，定容，摇匀，过滤于塑料瓶中，待测。

植物重金属含量测定采用干灰化-原子吸收光谱法，其具体测定方法参照《土壤农业化学分析方法》[14]；土壤中6种重金属含量均采用HCl-HNO3-HF-HClO4消煮-原子吸收光谱测定法（GB/T 17138-1997）测定[15]。

1.3 数据分析

采用因子指数法评价土壤重金属污染，包括单因子和多因子指数评价法。单因子指数法计算公式为Pi=Ci/S，其中，Pi为单项污染指数，Ci为实测指数，S为土壤评价标准（一般为土壤评价标准二级）[7]。

多因子指数评价采用内梅罗污染指数法，内梅罗指数是一种兼顾极值或突出最大值的计权型多因子环境质量指数，公式为PN=[（P2iave）+（P2imax）/2]1/2，其中，Pimax为各单因子环境质量指数中的最大者，Piave为各单因子环境质量指数的平均值。

采用THQ靶标危害系数方法评估人体通过食物摄取重金属的风险大小。

2 结果与分析

2.1 重金属含量的测定

对6种植物样品和6种土壤样品的6种重金属含量进行测定，结果见表1、表2。农场中无论是植物还是土壤，Zn元素含量最高，Cd元素含量最低，且土壤重金属（芋头土和小白菜土Cd元素除外）含量都高于植物。不少学者针对植物中重金属含量与土壤重金属含量之间的相关性进行了论证，研究结果表明植物中重金属含量与土壤中重金属含量之间有着极为密切的关系，特别是与土壤中有效态重金属含量的相关性更明显[19]。本研究的6种植物中的Cd、Pb全部超过植物评价标准，Cu超标率较少；植物与土壤中重金属含量呈正相关。

通过将表2数据与土壤质量环境标准值进行比较可知，土壤样品只有香蕉土Pb、Cd超过了土壤环境质量标准值二级，其余都未超过标准值二级。

2.2 单因子指数计算结果

本研究采用因子指数法评价土壤重金属污染，包括单因子和多因子指数评价法。表3是土壤样品重金属含量的单因子指数计算结果。由表3可知，只有香蕉土Cd、Zn的数据大于1，属于轻污染，其余大都为优良状态，说明此农场土壤受污染较小，大致良好。

2.3 内梅罗指数计算结果

多因子指数评价采用内梅罗污染指数法，由内梅罗公式计算得芋头土、小白菜土、香蕉土、豆角土毛豆土和番薯土的内梅罗污染指数分别为0.6、0.87、1.85、0.48、0.98和0.79。通过对比内梅罗指数评价标准可知，芋头土和豆角土均为清洁，处于安全状态；小白菜土、毛豆土、番薯土为尚清洁；而香蕉土为轻度污染，需要加强治理。

3 植物中重金属的健康风险评估

THQ（Target Hazard Quotients）靶标危害系数方法是一种用于评估人体通过食物摄取重金属的风险大小的方法，该方法是依据USEPA（2000）[20]提出的按成人或儿童的平均体重建立的风险分析方法，对于不同年龄的人群参数不同[21]。THQ计算方法采用以下公式：

THQ=（EFr×ED×FIR×C×FP×Fm/RfD/WAB/ATn）×10-3[22]

其中THQ表示目标风险商；EFr表示暴露频率，单位为day/year；ED表示暴露持久性，单位为year；FIR表示人均日蔬菜膳食摄入量，单位为g/（day-person）；C表示蔬菜可食部分重金属含量，单位为mg/kg（以鲜重计）；Fp为加工因子；Fm表示变异因子；RfD表示参考剂量，单位为mg/（kg·bw）；WAB表示人均体重，单位为kg/person；ATn表示平均无癌症反应时间，单位为day。

式中：EFr=365day/year；ED=70year；FIR=223.4（儿童）、355（中年）、366.4（老年）g/（day-person）；FP=1；Fm=1；WAB=24.5（儿童）、60.3（中年）、59.4（老年）kg/person；ATn=26280day[20]；

依据USEPA（2000）[24]，Zn、Cd、Cu、Ni的RFD标准分别为0.3、0.001、0.04、0.02 mg/（kg·d）；依据US EPA1997[21]，Pb和Cr的RFD标准分别为0.004和1.5 mg/（kg·d）。

计算结果中，当THQ<1时，表明污染物对人体健康造成的影响不明显；THQ>1时，表明该污染物可引起人体的健康风险，THQ值越大则表明该污染物对人体健康风险越大[25]。

由表4可知，除Cr元素对人体健康造成的影响不明显外，其余5种重金属对人体健康均存在风险。毛豆和番薯的Zn对人体健康不存在风险，其余3种蔬菜的Zn对人体健康存在风险；Pb、Cu对3类人群健康都存在较大的风险；芋头和小白菜的Cd对人体存在威胁，其余蔬菜中的Cd不存在风险；毛豆和番薯的Ni对人体健康造成的影响不明显，但豆角对人体健康存在一定的风险；5种重金属元素对中年人存在的风险最低，对儿童健康存在的风险最高。

4 结论

本研究结果表明，农场蔬菜重金属的健康风险评估中Pb对3类人群健康都存在最大的风险，表明广州市居民饮食摄入的重金属 Pb 已具有潜在的健康威胁。农场中植物样品与土壤样品重金属含量具有相关性。本次采样农场的自然生态状况良好，除了香蕉土Pb、Cd超过了土壤环境质量标准值二级和香蕉土的Cd、Zn单项污染指数大于1（属于轻污染）外，其他土壤重金属含量均在正常范围内，这为建立生态农场提供了良好的自然生态条件。本研究结果为评估土壤、蔬菜中重金属含量对居民健康风险的影响提供一定的参考依据。

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