安溪铁观音茶园土壤-茶叶重金属健康风险评价

林承奇 ，王凤婷，胡恭任，于瑞莲，郝春莉，黄华斌 *

1. 厦门华厦学院环境与公共健康学院（厦门 361024）；2. 环境监测福建省高校重点实验室（厦门 361024）；3. 华侨大学化工学院（厦门 361021）

重金属是一类持久性有毒污染物，农田土壤中的重金属累积和污染引起广泛关注[1-2]。农田土壤中的重金属不但会影响农作物的品质，还可能通过多种途径对人体构成健康风险。一方面，土壤中重金属可能通过直接暴露（经口摄食、呼吸吸入和皮肤接触）进入人体，从而产生健康风险[3-4]；另一方面，土壤中重金属可能被茶树吸收并经过食物链进入人体，从而产生健康风险[5-6]。重金属一旦在人体内长期累积，可能会引起致癌、致突变和致畸等毒性[7]。茶有着“国饮”之美称，因其独特的口味及保健功能等而备受青睐[5,8]。根据统计数据，2018年，全球茶叶总产量为5.9×106t，其中，中国茶叶产量占全球的44.7%[9]。福建省是生产和出口茶叶的大省，在世界茶叶交易市场中具有重要经济地位[10]。茶树在生长发育过程中，会从土壤中吸收必需和非必需元素，从而也造成土壤中重金属往茶树的迁移和富集[11]。有研究表明，茶叶中含有重金属且长期接触或饮茶可能使得重金属在人体累积并造成危害[6,12-13]。因此，研究茶园中土壤-茶叶系统重金属健康风险评价具有重要意义。

常采用的重金属健康风险评价是基于美国环保署（EPA）建立的方法，对重金属的致癌和非致癌风险进行评价[14]。但查阅文献发现，早期研究只对土壤中重金属进行健康风险评价[15]，或者只对茶叶中重金属进行健康风险评价[16]，而近年来更多学者将土壤和农作物作为一个系统进行评价[17-18]，能更全面评估重金属的健康风险。

试验以安溪铁观音茶园土壤-茶叶系统为研究对象，分析土壤和茶叶中重金属含量，评估重金属通过直接暴露（经口摄食、呼吸吸入和皮肤接触）和食物链途径对人体的综合健康风险，以期为茶农和茶园周边居民的健康风险评估及茶园土壤重金属污染污染防治提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

有着“中国茶都”之称的安溪县（117°36′～118°17′E，北纬24°50′～25°26′N）是著名乌龙茶铁观音的主要产地[19]。安溪县地形地貌主要是丘陵，气候属于亚热带海洋性季风气候，其地形和气候条件为铁观音茶叶提供了优越的生长环境。根据统计数据，2018年安溪县共拥有4万 hm2茶园，年产茶叶6.5万 t，涉茶总产值175亿元[9]。开展针对安溪铁观音茶园土壤重金属的质量安全评估对该地区茶等产品的发展具有重要意义。

1.2 样品采集与预处理

选择安溪县感德镇、湖头镇、长坑乡、尚卿乡、西坪镇、官桥镇、虎邱镇和凤城镇为采样区，茶园主要分布于丘陵地貌，茶园土壤主要为黄壤，茶树树龄5～10年。采集铁观音茶园耕层（0～20 cm）土壤样品，并在相应采样位置采集茶叶样品，具体采样点分布见图1。采集的土壤样品在实验室经自然风干、碾碎、研磨后分别过2 mm筛（用于测定pH等理化参数）和0.075 mm筛（用于测定重金属含量）。茶叶样品去除杂物并用超纯水洗干净后，置于烘箱中105 ℃杀青并烘干，用粉碎机研磨成粉末并过0.425 mm筛用于测定重金属含量。

图1 土壤-茶叶采样分布图

1.3 土壤中重金属含量测定

土壤中重金属含量采用混酸（0.200 0 g样品，HF、HCl和HNO3）微波消解；茶叶中重金属含量采用混酸（1.000 0 g样品，HNO3-HClO4混合）电热板湿法消解。消解液中重金属含量（Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb）用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS ELEMENT XR型）测定。

试验过程中，通过全程空白、平行样测定及标准物质同步分析等手段进行质量控制。其中：平行样测定的δRSD在5%以下，标准物质测定的回收率在±10%之内；在测定过程中，通过内标进行质量控制，内标回收率在±20%之内。

1.4 土壤重金属健康风险评估方法

美国环保署（USEPA）建立的健康风险评价模型主要评价人体经重金属暴露后的致癌和非致癌风险[20]。茶园土壤-茶叶系统中重金属主要通过土壤颗粒经口摄入、皮肤接触、呼吸吸入以及茶叶经口摄入这4个途径进入人体。对成人的4种暴露途径的日均摄入量及健康风险指数计算如式（1）～（6）所示[17,21-23]。

式中：ADI为日均暴露量，mg/（kg·d）；HI（HQ）为综合（单元素）非致癌风险指数；TCR（CR）为综合（单元素）致癌风险指数；式（1）～（4）中参数含义及取值见表1。式（5）和（6）中参数含义及取值见表2[25-26]。

重金属的非致癌风险分为无风险（HI/HQ＜1）和有风险（1≤HI/HQ）；致癌风险分为无风险（TCR/CR＜10-6）、有人体可耐受的风险（10-6≤TCR/CR＜10-4）和有人体不可耐受的风险（10-4≤TCR/CR）。

表1 日均暴露量（ADI）计算参数

2 结果与讨论

2.1 安溪铁观音茶园土壤重金属含量

安溪铁观音茶园土壤中重金属含量统计结果见表3。茶园土壤中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb的平均含量分别为23.05，8.56，15.22，100.2，0.271和49.49 mg/kg。将茶园土壤中重金属含量与福建省土壤元素背景值[27]对比，Zn、Cd和Pb存在一定程度富集，Cd含量达到背景值的5.0倍。将茶园土壤中重金属含量与土壤环境质量对比，土壤的pH为3.47～5.97，分别对应土壤环境质量（GB 15618—2018）中pH≤5.5和5.5＜pH≤6.5的值。除了Cd有25%采样点含量高于农用地土壤污染风险筛选值外，其余元素在所有采样点含量均低于污染风险筛选值，说明安溪铁观音茶园土壤大部分地区污染风险较低，但也有部分地区如虎邱和官桥等地（S1～S5采样点）Cd可能存在污染风险。各元素的变异系数依次为Cd＞Cr＞Zn＞Cu＞Ni＞Pb，说明Cd、Cr和Zn等元素在不同区域之间差异较大[28]。

表3 土壤重金属含量

2.2 安溪铁观音茶园茶叶重金属含量

安溪铁观音茶园茶叶中重金属含量统计结果见表4。茶叶中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb的平均含量分别为0.182，2.86，9.57，20.08，0.020和0.481 mg/kg。对比NY 659—2003和GB 2762—2017中关于茶叶中重金属限值的规定，安溪铁观音茶叶中重金属Cr、Cd和Pb含量均低于标准限值。铁观音茶叶中各元素变异系数依次为Pb＞Cd＞Cr＞Ni＞Zn＞Cu，各采样点Pb和Cd含量的差异较大。

重金属从土壤到植物可食用部分的迁移和累积是土壤中重金属进入食物链的主要途径[29]。生物富集系数（即茶叶与土壤中重金属含量之比）可评估茶叶从土壤中富集重金属的能力[30]。计算结果表明，安溪铁观音茶园茶叶中重金属的富集系数分别为Cr（0.01±0.007），Ni（0.37±0.18），Cu（0.71±0.29），Zn（0.22±0.89），Cd（0.11±0.09）和Pb（0.01±0.01）。安溪铁观音茶园茶叶从土壤中富集重金属的能力为Cu＞Ni＞Zn＞Cd＞Pb≈Cr。其中，茶叶对重金属Cu的富集能力最强，可能是因为Cu属于茶树生长发育所必需的元素。茶叶对Pb和Cr的富集能力最小，可能是因为其迁移能力较弱。有研究表明，茶树吸收土壤中的铅后主要累积在根部，往茶叶迁移能力很弱[13]。

表4 茶叶重金属含量

2.3 茶园土壤-茶叶重金属健康风险评价

铁观音茶园土壤-茶叶系统中不同重金属对人体的非致癌健康风险与致癌健康风险结果见图2。各重金属元素对成人的单元素非致癌风险指数（HQ）大小顺序为Pb＞Cr＞Cu＞Ni＞Zn＞Cd，各元素对综合非致癌风险指数（HQ）的贡献率分别为Pb（28.04%），Cr（25.08%），Cu（23.13%），Ni（14.05%），Zn（6.71%）和Cd（2.99%）。各重金属元素的HQ及HI均小于1，说明无非致癌健康风险。各重金属元素对成人的单元素致癌风险指数（CR）值大小顺序为Cr＞Pb＞Ni＞Cd，各元素对综合非致癌风险指数（TCR）的贡献率分别为Cr（96.12%），Pb（3.87%），Ni（0.004%）和Cd（0.001%）。Cr和Pb的CR介于10-6～10-4，表明存在人体可耐受的致癌风险；Ni和Cd的CR小于10-6，表明无致癌风险。各重金属元素的TCR介于10-6～10-4，表明存在人体可耐受的致癌风险；结合各元素对致癌风险的贡献率可知，各重金属对人体的致癌风险主要由Cr和Pb贡献，两者贡献率之和为99.99%。

图2 不同重金属的健康风险指数

图3 重金属经不同途径的健康风险指数

重金属通过不同途径对人体的非致癌健康风险与致癌健康风险结果见图3。各重金属通过不同途径对成人的非致癌风险大小顺序为经口摄入-茶（63.52%）＞经口摄入-土（19.40%）＞皮肤接触（16.99%）＞呼吸吸入（0.09%），而各重金属通过不同途径对成人的致癌风险大小顺序为经口摄入-土（52.12%）＞经口摄入-茶（47.38%）＞呼吸吸入（0.50%）。在安溪铁观音茶园土壤-茶叶系统中重金属主要通过经口摄入这一途径对人体产生健康风险。

3 结论

安溪铁观音茶园土壤中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb平均含量分别为23.05，8.56，15.22，100.2，0.271和49.49 mg/kg，存在不同程度的重金属富集且空间差异较大。其中，Zn、Cd和Pb的平均含量超过土壤背景值，部分地区土壤中Cd含量高于农用地土壤污染风险筛选值，可能存在污染风险。

安溪铁观音茶园茶叶中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb平均含量分别为0.182，2.86，9.57，20.08，0.020和0.481 mg/kg。其中，Cr、Cd和Pb的含量均低于国家标准限值。茶叶中重金属的富集系数大小顺序为Cu＞Ni＞Zn＞Cd＞Pb≈Cr，较易富集Cu而不易富集Pb和Cr。

安溪铁观音茶园土壤-茶叶系统重金属对人体无非致癌健康风险（HQ和HI均小于1），但存在人体可耐受的致癌风险（TCR介于10-6～10-4，且主要由Cr和Pb贡献，两者贡献率之和99.99%）。通过对不同途径健康风险对比分析可知，土壤-茶叶系统中重金属主要通过经口摄入这一途径对人体产生健康风险。