基于健康风险评价的白菜种植土壤中重金属的安全限量研究

2020-07-01周安琪曹红斌刘建伟陈艳姣张爱琛

农业环境科学学报 2020年6期

周旭，周安琪，曹红斌 *，刘建伟，陈艳姣，张爱琛

（1.中药资源保护与利用北京市重点实验室，北京 100875；2.天然药物教育部工程研究中心，北京 100875；3.北京师范大学地理科学学部，北京 100875）

蔬菜在我国城乡居民膳食摄入食品中占有重要地位，仅次于谷物。随着城镇规模的扩大，蔬菜的规模化、集约化生产已经在我国日趋成熟，虽然蔬菜的产量可以满足居民需求，但是蔬菜的安全性问题却屡屡发生。蔬菜安全性问题主要体现在蔬菜的重金属超标以及农药残留两个方面。我国的蔬菜安全问题从20世纪90年代初期就有学者开展研究，蔬菜种植土壤中重金属的累积会导致蔬菜中重金属超标，进而引发一系列的人体健康问题[1]。部分类金属如砷（As），对身体的各个器官组织有损伤毒害作用，并且具有致癌性和致畸性[2]。因此，有必要对我国居民由于食用蔬菜摄入重金属所导致的健康风险进行分析并从源头进行控制。

中国现行土壤质量标准《土壤环境质量农用地土壤风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）规定了农用地土壤中重金属及类金属As的风险筛选值和管制值[3-5]，但该标准适用于所有的农用地，没有涉及到具体的农作物种类，因此土壤标准的普适性一直是学者关注和讨论的热点问题。不同作物对同一土壤污染物的富集系数差异显著[6]，许根焰等[7]基于食品中污染物的安全限量标准反推贵州白菜种植土壤Cd的浓度，认为国家农用地标准对于贵州白菜地适用偏保守。可见，农作物种类不同，对种植土壤环境质量的要求不同，对连作品种的选择亦有不同。因此，针对主栽蔬菜品种制定相应的种植土壤安全限量标准，有利于科学利用不同环境质量的土壤，保障蔬菜食用安全[8]。

现有的反推土壤安全限值的研究主要以食品污染物安全限量标准为起点，通过富集系数或回归方程来探究不同种类农作物的种植土壤基准[7，9]。我国食品污染物安全限量标准遵循食品法典委员会（CAC）食品中污染物标准制定原则，以风险评估为基础，确定污染物在相关食品中的限量[10]，但是现有标准存在规定体系过于笼统、交叉重复和更新修订滞后等问题[11]。随着生活水平和健康生活意识的提高，我国人群蔬菜摄入量增加，蔬菜来源重金属暴露的健康风险也与日俱增[12]。有必要根据中国人群膳食摄入现状，基于健康风险分析确定蔬菜中重金属的安全限值。

本文以我国主栽蔬菜之一的白菜为例，基于我国居民分年龄段的最新暴露参数，细化分析了蔬菜摄入所致重金属暴露的健康风险，确定蔬菜可食部分和白菜种植土壤重金属中类金属As和重金属Cd、Cr、Cu、Ni、Zn、Hg的安全限值，并与国家标准进行对比分析，为制定不同种类蔬菜种植土壤质量标准提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 基于健康风险评价的重金属安全限量值推定

人体摄入化学物质的健康风险分为致癌风险与非致癌风险。摄入蔬菜所致重金属暴露的致癌风险评价分为两步：首先定性判断该物质是否具有经口致癌毒性，再根据中国人群暴露参数及蔬菜膳食摄入量，评估蔬菜摄入的重金属暴露水平，结合重金属暴露的剂量-效应关系，定量评估蔬菜摄入的个体终生暴露致癌概率；非致癌风险通常以商值法来表示，暴露量与经口摄入参考剂量的商值（HQ值）小于1，表示该暴露水平下不会对人体产生非致癌风险，大于1则表示该暴露水平可能对人体造成非致癌风险[13]。当致癌风险设定为可接受风险水平，非致癌HQ值设定为1时，可以分别反推蔬菜中重金属的安全限值，取其小者为最终的安全限值。

1.1 .1致癌风险评价

致癌效应的暴露评估，使用一生单位体重平均一日潜在剂量（LADD）。当暴露时间很长，包括了儿童期（C）和成人期（A）时，一般对两个时期的暴露参数分别取值，单位体质量一生平均一日潜在剂量LADD与致癌风险R计算如下：

1.1.2 非致癌风险评价

非致癌效应暴露评价，使用单位体质量平均一日潜在剂量，将儿童期（C）和成人期（A）分别取值计算，重金属暴露量ADD和商值HQ表示如下：

式中：ADD为单位体质量一生平均一日潜在剂量，mg∙kg-1∙d-1；AT为平均化时间，d，本文考虑从2岁开始摄入蔬菜，取为寿命值LT-2，68×365 d；RfD为经口摄入参考剂量，mg∙kg-1∙d-1。

1.1.3 蔬菜中重金属质量分数安全限值

从儿童期到成人期，成长过程中不仅体质量变化较大，蔬菜摄入量亦会随着年龄增长有所变化，因此，有必要分为儿童期与成人期，且对儿童期从开始摄入蔬菜（2岁）至成年（18岁）进行分段计算[15]。

根据公式（1）、公式（2）可以反推得到致癌风险评价蔬菜中重金属安全限值为：

式中：EDCi为儿童期不同年龄阶段组的暴露时间，a；IRCi为儿童期不同年龄阶段组的蔬菜日摄入量，g∙d-1；R0为可接受致癌风险水平，取WHO给出的最高风险建议值1×10-4。

同理根据公式（3）、公式（4）可以反推非致癌风险评价蔬菜中重金属安全限值为：

1.2 基于健康风险反推白菜土壤重金属限值方法

搜集有关土壤-白菜系统重金属迁移转运的研究文献（大田采样/盆栽试验），进行质量判定与筛选，通过相关分析与回归分析，探索白菜在正常生长状态下的土壤重金属浓度和可食部重金属浓度的关系，进而由蔬菜中重金属食用安全浓度限值反推白菜种植土壤的重金属浓度安全限值[17-31]。需要指出的是，蔬菜中重金属的来源依据重金属种类的不同而不同[32]，例如，蔬菜中的Pb与Hg，部分来源于植物根系对土壤中Pb与Hg的吸收转运，部分则来源于蔬菜植株叶片对大气中Pb与Hg的吸收。因此，反推土壤中重金属的安全限量时，需要针对不同的情况分别进行计算。本文以白菜为例，假设白菜中Pb与Hg的50%来源于土壤，其他重金属100%来源于土壤[33]。

2 结果与分析

2.1 基于可接受健康风险的蔬菜中重金属浓度安全限值

本文的蔬菜日摄入量（IR）及体质量采用《中国人群暴露参数手册》（0～5岁）、《中国人群暴露参数手册》（6～17岁）及《中国人群暴露参数手册》（成人卷）[15，34-35]中针对中国人群的膳食摄入及体重数据（表2）。蔬菜摄入从2岁开始，若人的平均寿命为70 a，则总暴露时间为68 a，将2～17岁分为8个年龄段，累加计算。蔬菜中各种重金属摄入量占总膳食摄入的比值（表3）则是参考了现有文献值所做的设定。以Cd为例，张磊等[36]、刘弘等[37]、蒋立新等[38]3篇不同研究区的文献中，膳食Cd暴露的蔬菜占比分别为27.3%、32.2%和43.0%。综合考虑，本文Cd暴露的蔬菜占比设定为中值32.2%。没有文献资料参考的Zn和Cr则取为其他几种重金属蔬菜占比设定值的均值21.5%。

表1 8种重金属经口暴露RfD和SF的取值[16]Table 1 Values of RfD and SF via oral exposure to eight heavy metals[16]

表2 不同年龄阶段人群体重与蔬菜摄入量Table 2 Body weight and vegetable intake in different age groups

重金属通过膳食摄入给人体造成致癌与非致癌健康危害，根据我国普通人群暴露特点，将参数代入公式（5）、公式（6），得到基于可接受健康风险水平的我国蔬菜所含重金属安全限量值（表4）。比较致癌风险与非致癌风险结果，取低值者为最终的安全限值。与《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762—2017）[45]对比，除去 As和Cr，其他重金属安全限值均大于国家标准。

2.2 基于可接受健康风险的白菜种植土壤重金属安全限值

基于2.1得出的蔬菜中重金属的安全浓度限值，研究白菜对土壤中重金属的富集能力，反推白菜种植土壤重金属安全限值。以“土壤重金属污染”“蔬菜产地重金属污染”“蔬菜重金属调查”“白菜重金属富集和相关系数”等为关键词，检索知网、万方、web of sci⁃ence、EBSCO、Science Direct等数据库，得到110余篇涉及到大田采样和盆栽试验土壤重金属浓度和对应蔬菜重金属浓度数据的文献。通过文献的整理，剔除不包含白菜数据、调查样点过少不具有代表性、数据标准差过大导致平均值不具有代表性、数据本身存在的异常值、检测手段未采用重金属国家标准检测方法的文献，筛选得到数据可靠文献16篇，白菜重金属浓度与对应土壤浓度共169对。相关分析发现白菜重金属浓度和土壤重金属浓度显著相关，以土壤重金属浓度为自变量，白菜重金属浓度为因变量，得到不同重金属的回归方程（表5）。将蔬菜中8种重金属的安全浓度限量推定值（表4），代入相应重金属的拟合回归方程（表5），得出白菜种植土壤重金属安全限值（表6）。

表3 中国人群不同类别食物膳食重金属摄入占比Table 3 Proportion of heavy metals fromeach food category in total dietary intake for Chinese people

表4 蔬菜中8种重金属的安全浓度限量值（mg∙kg-1）Table 4 Safety limit values of 8 heavy metals in vegetables（mg∙kg-1）

3 讨论

3.1 蔬菜及土壤重金属安全限量值与现行标准的对比分析

本文所得结果与《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762—2017）对比来看，蔬菜重金属安全限量值As、Cr低于国家标准，Cd、Cu、Ni、Pb、Zn、Hg高于国家标准。差异原因主要有：本文的蔬菜摄入量及体质量等暴露参数取自最新版《中国人群暴露参数手册》（2013年）全国平均数据，并将年龄细化分成不同的年龄组，分别计算后加和，得到基于一般人群可接受健康风险水平的蔬菜中所含重金属的安全限量；计算中考虑了蔬菜摄入重金属暴露量在总膳食重金属摄入中的占比。

从本文所得的白菜种植土壤重金属安全限值与《土壤环境质量农用地土壤风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）和《温室蔬菜产地环境质量评价标准》（HJ 333—2006）[46]的对比来看，两种致癌物质As和Cr的安全限值较国家标准更低，Pb的安全限值介于两类标准之间，而Cd、Cu、Ni、Zn、Hg的安全限值比国家标准高（表1）。我国现行农用地标准（GB 15618—2018）遵循风险管控的思路，以保护农产品质量安全为主要目标，兼顾保护农作物生长和土壤生态的需要；温室蔬菜标准（HJ 333—2006）则基于采用生态环境效应法的旧标准《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）制定。本文推定同时考虑了摄食蔬菜所致重金属终生暴露的致癌及非致癌风险，最大限度地保障白菜的食用安全。部分重金属的生态毒理风险远高于健康风险，也是本文部分非致癌重金属的土壤限量浓度偏大的原因之一。另外，本文所推导的白菜种植土壤重金属安全限值基于白菜的重金属富集能力，相比国家标准更具有针对性。

表5 白菜中8种重金属浓度与种植土壤中相应重金属浓度的回归方程Table 5 Regression equations of concentrations of 8 heavy metals in Chinese cabbage on those of planted soils

国际上对土壤重金属的标准各有不同。荷兰基于生态风险的土壤临界干预值和基于人体健康风险的临界干预值As为76 mg∙kg-1和576 mg∙kg-1，Cd为13 mg∙kg-1和 28 mg∙kg-1，Cr（Ⅵ）为 78 mg∙kg-1和 78 mg∙kg-1；加拿大对农用地中As、Cd、总Cr的质量指导值为12、1.4、64 mg∙kg-1。可见，不同国家制定相应标准也有很大不同，标准的制定应符合国情。相对于国际标准，我国对土壤重金属的管控力度属于较严格的范畴，然而，仍然不能忽视重金属致癌性导致的蔬菜食用的健康风险。

我国农田土壤环境质量差异较大。为保障农业生产环境安全，国家制定《农用地土壤环境质量类别划分技术指南（试行）》（2018），对农用地实行分类管理。已有大量研究表明，叶菜类、根菜类、茄果类蔬菜的富集系数差异较大，叶菜类往往比茄果类更加容易富集重金属[6]。本文基于蔬菜品种的重金属安全限量标准，使在保障蔬菜食用安全的前提下精准利用优先保护类及安全利用类中不同污染程度的农田土壤成为可能。另外，也可以指导轮作蔬菜的选择。在对华北平原蔬菜主产区的调研中发现，存在大量的白菜-辣椒、小青菜-茄子的轮作方式。这种轮作方式可能会在土壤重金属浓度接近安全限值时存在问题，即茄果类蔬菜富集低，蔬菜中重金属浓度低于安全限值；但是叶菜类蔬菜易富集重金属，浓度可能超过安全限值，导致蔬菜食用的安全问题。

表6 白菜种植土壤的重金属安全限值（mg·kg-1）Table 6 Safety limit values of 8 heavy metals in Chinese cabbage planting soils（mg·kg-1）

3.2 重金属浓度安全限值不确定性的影响因素

本文白菜种植土壤重金属安全限量值的推定基于更为细化的健康风险评估及大量文献调研的汇总分析，使得结果更具科学性。然而，相关变量的取值仍具有一定的不确定性。首先是各种重金属蔬菜摄入占总膳食摄入比值的取值，能够检索到的膳食摄入的相关文献数量偏少，并且不同研究给出的结论也有一定出入。因此，本文在能够检索到的信息中选择具有代表性的中值作为重金属蔬菜摄入占比，并取已有数据的平均值作为无参考文献的重金属摄入的占比。其次，蔬菜摄入量选取的是全国平均摄入量，而全国地区差异较为明显，如西北地区摄食肉类较多而摄入蔬菜较少[37，39-40，47]。另外，虽然种植区域土壤类型、有机质含量和pH值等因素会影响蔬菜对重金属的富集[7]，目前针对具体蔬菜种植土壤重金属的研究仍然偏少，同时给出土壤理化性质的研究更少，在推定白菜种植土壤重金属安全限值时，未区分土壤pH值等理化性质。再有，蔬菜可以通过叶片吸收大气中的重金属，将Pb、Hg通过该途径对蔬菜中总重金属的贡献率设定为50%，其余重金属为0%，取值具有一定的不确定性，会导致一定偏差。