绿竹林土壤重金属污染特征及竹笋健康风险评价1)

岳晋军 倪张林 朱燕琳 袁金玲

(中国林业科学研究院亚热带林业研究所，富阳，311400)(浙江省苍南县林业事业发展中心)(中国林业科学研究院亚热带林业研究所)

重金属污染是目前面积最广、危害最大的生态环境问题之一。据统计，中国土壤重金属超标污染的面积占耕地总面积的1/6左右[1]，每年影响粮食产量高达1.2×107t，造成直接经济损失达200多亿元[2]。由于不合理的工业三废排放、农田污水灌溉、化肥农药超量滥用等因素，导致了土壤中重金属污染问题较为严重，相应地也带来了一些食用农林产品的重金属超标问题[3]。

绿竹是我国栽培面积最大的笋用丛生竹，具有悠久的栽培利用历史[4-5]。绿竹笋因形似马蹄，俗称马蹄笋，其笋味鲜美，质地脆嫩，清甜爽口，是食用品质最好的竹笋品种之一[6-7]，经济效益和社会效益良好。随着人们对竹笋经济效益的追求，笋用竹林的生产方式由天养人采的粗放经营模式转向高肥多药的集约经营模式[8]，有机肥和化肥混合施用能显著增加雷竹笋体中Pb和Cu的质量分数[9]，覆盖年限的延长会增加土壤中的Zn、Cu、Hg和Cd的质量分数[10]，这些超标的重金属会对竹子生长造成一定的影响[11]，农药、肥料的大量施用是否会导致绿竹林土壤中重金属的质量分数不断积累[5，12]，进而是否会导致绿竹笋中重金属的质量分数超标尚不清楚，也未见相应的文献报道。

本文通过对绿竹主产区的竹林土壤重金属污染特征及竹笋健康风险评价的研究，旨在发现绿竹林地土壤重金属的污染规律和食用绿竹笋的健康风险，为有效防治和解决笋用林生产中出现土壤与环境问题，提高竹笋的产量和品质，指导绿竹安全高效栽培，实现绿竹笋用林的可持续经营提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

研究样品来源于浙江省、福建省、重庆市等绿竹产区的笋用林生产基地，按照山顶、山腰、山麓、山地稻田、平原稻田、河滩地等6种不同的土地类型进行分类，每种土地类型设置5个取样单元，共计30个取样单元。

每个取样单元设置5个采样点，采样点代表的竹林面积不小1 hm2，每个样点分散随机选择一个正常经营的竹丛，采集1株尚未露出地面的竹笋，5个竹笋混合作为该取样单元的竹笋样品，同时在该竹丛中采集土壤样品，土壤采样深度为0～20 cm，5个土壤样品混合作为该取样单元的土壤样品。

1.2 测定方法

竹笋剥掉笋壳后，取可食用部分，切碎后混合均匀，研磨成粉状冷冻备用。

土壤样品风干后，采用多点取样法取出部分土壤，用研钵研磨成粉状，过100目土壤筛。

土壤pH采用LY/T 1239—1999标准方法测定，土壤Cd采用GB/T 17141—1997标准方法测定，Pb、Cu、Zn、Cr采用HJ 491—2019标准方法测定，As采用NY/T 1121.11—2006标准方法测定。

竹笋中重金属Cd、Pb、As、Cu、Zn、Cr采用GB 5009.268—2016标准的第一法测定。

1.3土壤环境质量、生物富集系数、人群健康目标危险系数评价

单项污染指数。作为评价土壤污染程度的无量纲指数，单项污染指数是土壤污染实测值与评价标准限量值的相对比值，可反映污染物超标倍数和污染程度，其公式是Pi=Ci/Si，公式中Pi是土壤中重金属i的单项污染指数；Ci是土壤中重金属i的实测值；Si为依据《食用农产品产地土壤环境质量标准限值》(HJ 332—2006)的标准限量值，竹笋是一种森林蔬菜产品，按照蔬菜的标准执行。

土壤综合质量指数。采用Nemerow综合指数法计算各林地的土壤综合质量指数：

其中，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。

评价标准采用GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中的土壤重金属限制值。针对土壤不同的利用类型和pH值，该标准对同一元素的限值也随之发生变化，因此各采样单元的数据在计算污染指数时选择了相应的限定值进行使用。

对单因子和综合因子的评价结果采用《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166—2004)中推荐的指标进行分级，当(Pi或PN)≤0.7时，污染等级为1，表示土壤清洁；0.7<(Pi或PN)≤1.0时，污染等级为2，表示土壤尚清洁；1<(Pi或PN)≤2时，污染等级为3，表示土壤轻度污染；2<(Pi或PN)≤3，污染等级为4，表示土壤中度污染；(Pi或PN)>3，表示土壤重度污染，且(Pi或PN)≤3越大受到污染越严重。

生物富集系数(FBC)是衡量植物从环境中积累金属到组织中效率的指标[13]，公式是FBC=Ch/Csoil，Ch是目标组织中重金属的质量分数，Cs是土壤中重金属的质量分数。

人群健康目标危险系数评价。以美国环保局(USEPA)提出的人体暴露健康风险评价模型为基础，针对中国人群和绿竹笋期食用特点进行部分参数的修正，目标危险系数QTH的计算公式如下：

式中：ED为暴露持续时间，成人EDa取24 a，儿童EDc取6 a。FIR为日摄入量，成人FIRa取255 g/d，儿童FIRc取163 g/d。BW为人体平均体质量，成人BWa取56.8 kg，儿童BWc取15.9 kg。EF为人群暴露频率，105 d/a。Cf为重金属的质量分数；RfDo为参考暴露剂量，Cd、Pb、As、Cu、Zn、Cr的参考暴露剂量分别为1、3.6、0.3、40、3 000、1 500 μg/(kg·d)。ATca为致癌效应平均时间为26 280 d；ATnc为非致癌效应平均时间为2 190 d。

评价多种重金属对人体的危害指数(HI)，其计算公式为：

HI=∑QTH。

式中：HI数值越大表示该食品潜在的健康风险越大。

2 结果与分析

2.1 绿竹林6种土地类型的土壤重金属质量分数及综合质量指数

对福建、浙江、重庆等绿竹主产区的6种土地类型的土壤pH和重金属质量分数进行检测的结果如表1。由表1可见，6种土地的土壤pH值在4.55～6.09之间，平均为5.17。根据HJ/T《食用农产品产地环境质量评价标准》中的土壤质量标准限定值，对6种土地类型中的6种重金属的质量分数及其单项污染指数进行分析，Cd在水稻田土地类型中超标；Pb在山顶、山麓、河滩地共3种土地类型中存在超标；其他4种重金属Zn、As、Cu、Cr在6种土地类型中均未发现超标。有研究表明，中国耕地表层土壤重金属污染占比为19.4%，Cd超标率7.0%，远高于其他的7种重金属元素[3]，中国稻米主产区大米Cd超标占10.3%[14]，说明人为活动频繁对水稻田的重金属污染有一定影响；也可能是由于水稻田所处位置交通便利、有利于施用含有重金属的有机肥等所导致的[15]，具体原因有待于进一步深入研究。Pb在山顶、山麓、河滩地中均存在超标现象，可能与南方地区土壤母岩本底的Pb的质量分数较高有关[16-17]，在毛竹林土壤中发现Pb普遍超标[18-19]。

对绿竹笋主产区6种土壤类型中的6种重金属的单项污染指数Pi和综合污染指数PN进行计算，结果如表2。6种重金属在山顶、山腰、山麓、山地稻田、水稻田、河滩地6种土地类型中的平均值均未超标；Pb污染指数在山顶、山麓、河滩3种土地类型中有个别采样单元超过1.0，最大值为1.75，说明土壤有轻度污染；Cd在河滩地、稻田2种土地类型中有个别采样单元超过1.0，最大值为1.04，说明土壤有轻度污染，Zn、As、Cu、Cr等4种重金属单项污染指数在各种土地类型的采样单元中均不超标。从综合污染指数PN来看，6种土地类型的综合污染指数均小于或等于1.0，未超国家标准，其中山上、山腰、山麓3种土地类型的PN≤0.7，属于清洁土壤，山地稻田、稻田、河滩3种土地类型的0.7

表1 绿竹笋主产区6种土地类型的重金属质量分数

重金属水稻田/mg·kg-1最小值最大值均值±方差河滩地/mg·kg-1最小值最大值均值±方差平均/mg·kg-1最小值最大值均值±方差限量值pH<6.56.5

表2 绿竹笋主产区6种土地类型的污染指数(Pi)

重金属污染指数水稻田最小值最大值均值±方差河滩地最小值最大值均值±方差平均最小值最大值均值±方差PiCd0.531.04(0.91±0.21)a0.661.00(0.79±0.13)a0.221.040.58±0.31PiPb0.440.52(0.49±0.03)b0.951.05(1.01±0.04)a0.531.750.81±0.29PiAs0.190.37(0.26±0.07)b0.230.33(0.27±0.05)a0.230.590.34±0.12PiAs0.120.18(0.14±0.03)a0.060.12(0.08±0.02)b0.060.210.09±0.05PiZn0.390.53(0.44±0.06)a0.530.59(0.56±0.02)a0.420.730.5±0.10PiCr0.220.37(0.28±0.06)a0.100.19(0.15±0.03)b0.100.370.18±0.08PN0.460.79(0.71±0.14)a0.740.83(0.79±0.03)a0.431.270.69±0.18

2.2 绿竹主产区竹笋重金属的质量分数

绿竹笋主产区6种土地类型的竹笋重金属的质量分数见表3。由表3可见，绿竹笋中重金属平均质量分数由大到小为Zn、Cu、Pb、As、Cd、Cr，其中Cu和Zn的质量分数较高，这两种元素是人体必需元素，但限于食品安全国家标准(GB 2762—2017)的缺失相应的限量值，无法判定是否超标；其他Cd、Pb、As、Cr等4种重金属平均值未超出国家限量值，说明各种土地类型的竹笋质量状况良好，可以安全食用。与以往毛竹笋中的重金属的质量分数报道相比[20-21]，本研究的结果偏高，这可能是绿竹比毛竹更容易富集重金属，也可能与不同区域的土地类型、经营措施等因素相关。

表3 主产区6种土地类型的绿竹笋中重金属的质量分数 μg·kg-1

2.3 绿竹笋对重金属的富集情况

农产品中重金属很大程度上来源于根系对土壤重金属的吸收，因此，农产品中重金属的质量分数与土壤重金属具有一定相关性。对绿竹笋与土壤中的重金属的质量分数相关性分析结果如表4，可以看出，绿竹笋与土壤中Cd的质量分数极显著正相关，表明土壤中Cd质量分数的增加可能会促进其在竹笋中的富集；竹笋中As的质量分数与土壤中Cu的质量分数极显著正相关，竹笋中Zn的质量分数与土壤中Pb的质量分数显著正相关，表明极显著或显著相关的两种元素之间可能存在协同富集作用；竹笋中与土壤中Zn的质量分数显著负相关，表明竹笋中Zn的富集受土壤中Zn质量分数的负影响。其他元素在竹笋和土壤中的相关性均未达显著水平。姜培坤等[9]在雷竹上的研究表明，竹笋重金属质量分数与土壤重金属全量相关性不显著，毛竹笋重金属质量分数与竹笋围径大小负相关，与土壤中重金属质量分数相关性低[22]，这可能与不同土壤条件下绿竹对同一种重金属吸收的能力不一致有关，重金属离子之间的相互拮抗、促进也会影响到植物对重金属离子的吸收，也可能与pH值、有机质质量分数等其他因素有关。植物对重金属积累的生物富集系数FBC越大，表示植物对该重金属的富集能力越强。对6种土壤条件下绿竹笋的生物富集系数FBC的计算结果如表5所示，可以看出，绿竹笋对Cd的富集能力为山顶、山麓、山腰、山地稻田、河滩、稻田；对Pb的富集能力为山地稻田、河滩、稻田、山腰、山麓、山顶；对As的富集能力为稻田、河滩、山顶、山腰、山地稻田、山麓；对Cu的富集能力为山地稻田、河滩、山顶、山麓、山腰、稻田；对Zn的富集能力为山顶、山地稻田、河滩、山麓、山腰、稻田；对Cr的富集能力为山地稻田、山顶、山麓、河滩、山腰、稻田6种重金属的富集系数由大到小为Cu、Cd、Zn、Cr、Pb、As，表明绿竹笋对Cu和Cd的富集能力较强，对Zn的富集能力中等，对As、Pb和Cr的富集能力较弱，这与任传义等[21]在毛竹上的研究结果基本一致；而对金佛山方竹的研究表明林地土壤Cd超标但金佛山方竹笋Cd不超标[24]，说明金佛山方竹对Cd吸收能力弱，可见不同竹种对同一种重金属的富集能力存在差异。

表4 绿竹笋与土壤中重金属质量分数的相关系数

2.4 绿竹笋的食用风险评估

人类对重金属的代谢缓慢，低剂量重金属对人体的伤害是一个长期的不断积累的慢性损伤过程，因此，需要综合考虑绿竹竹笋中具体重金属种类及其含量，参考暴露剂量、频率、持续时间，单日摄入量、致癌与非致癌效应平均时间等参数，综合进行绿竹笋的目标危险系数以及人体健康危害指数评价，结果如表6。6种重金属对人体造成的健康风险由大到小为Cu、As、Pb、Cd、Zn、Cr，以Cu的平均健康危险系数最高，但是食品安全国家标准中已经废除了Cu的限量；并且6种土地类型的6种重金属的目标危险系数QTH都小于1，表明6种土地类型生产的绿竹笋对人体健康的风险都较低。6种土地类型条件下绿竹笋重金属的人体健康危害指数由大到小为河滩地、山地稻田、山麓、水稻田、山腰、山顶，其中河滩地、山地稻田风险风险系数分别为1.63、1.46，其他4种土地的HI均小于1.0，说明长期大量食用河滩地和山地稻田出产的绿竹笋存在一定的健康风险，而其他4种土地类型生产的竹笋不存在健康风险。相关研究表明食用毛竹冬笋对成人而言不存在风险[25-26]，吴志伟等[27]的研究表明食用雷竹笋也不存在健康风险。

表5 6种土地类型条件下绿竹笋对重金属的生物富集系数(FBC)

表6 不同土地类型的绿竹笋重金属目标危险系数和人体健康害指数

3 结论

6种土地类型重金属的质量分数及综合污染指数分析：根据土壤中6种重金属的质量分数及其单项污染指数，Cd在水稻田中超标，Pb在山顶、山麓、河滩地3种土地类型中超标，Zn、AS、Cu、Cr未发现超标。6种土地类型的综合污染指数均小于或等于1.0，属于未污染土壤。在绿竹种植的6种土地类型中，需要重点关注河滩地，由于绿竹喜欢潮湿土壤，自然状态下是沿河、沿江、沿湖分布，传统种植上也是以河滩地为主，近年来由于人为活动的加剧，导致河滩地土壤存在Pb超标现象，且人体健康危害指数表明河滩地的风险最高。尽管水稻田土地类型中的Cd超标，但由于在水稻田中绿竹富集Cd能力不强，水稻田中绿竹笋的健康风险并不高。

绿竹笋中重金属的质量分数及其与土壤中重金属的质量分数相关分析：绿竹笋中的重金属的平均质量分数由大到小表现为Zn、Cu、Pb、As、Cd、Cr，均未超出国家限量值，Zn和Cu是植物生长的必需元素，其含量高对于绿竹生长具有一定的促进作用。Pb在绿竹笋中的质量分数较高应该引起警惕，研究表明竹笋中Pb超标较为普遍[25，28]，鞭笋中Pb有逐渐升高的趋势[20]。绿竹笋与土壤中Cd的质量分数显著正相关，且绿竹对Cd的富集能力较强，仅次于Cu，因此，未来选择绿竹种植基地需要重点关注土壤中的Cd含量，以避免生产出超标的绿竹笋，除Cd以外的其他5种重金属与土壤中该元素含量不相关，具体的原因与机制值得深入研究。

绿竹笋6种土地类型的健康风险评价：6种土地类型生产的绿竹笋的重金属的目标危险系数值均小于1，对人的健康风险都较低。6种土地类型生产的绿竹笋的人体健康危害指数由大到小表现为河滩、山地稻田、山麓、稻田、山腰、山顶，其中河滩地、山地稻田风险系数分别为1.63、1.46，说明长期大量食用河滩地和山地稻田出产的绿竹笋存在健康风险；而其他4种土地类型生产的竹笋健康风险较低。