土壤和蔬菜重金属污染及健康风险评价<br/>——以佳木斯城郊菜地为例

土壤和蔬菜重金属污染及健康风险评价
——以佳木斯城郊菜地为例

2023-12-14王雪力

现代农业研究 2023年11期

王雪力，潘涛，李富

（佳木斯大学理学院黑龙江，佳木斯 154007）

引言

菜地土壤利用率高，受人类活动影响严重[1]。由于菜地长期使用农药、化肥和施加畜农家肥，导致土壤理化、生物特性恶化及重金属污染等生态环境问题。重金属元素在土壤中能够迁移和形态转换，而且在植物体内进行富集，并通过食物链进行传递，超过食物安全限值时就会影响人体健康[2，3]。研究资料显示，重金属在人体内的过度富集可诱发心血管、肝肾、神经系统和骨骼等器官发生病变，严重的甚至可致癌[4，5]，同时重金属污染还存在着隐蔽性和长期性以及不可逆性等特征[6]。重金属毒性及其危害程度除与总量有关外，更大程度上取决于其生物有效性[7]，而不同形态重金属的生物学有效性差别很大，进而影响了重金属的危害性、迁移转化和可利用性等[8，9]。

鉴于此，国内外学者对菜地土壤重金属污染特性、赋存形态、蔬菜中重金属的富集规律及其对自然界和人们健康等方面所形成的影响，开展了深入研究[7-9]。由于土壤环境的空间异质性差别较大，各地区土壤及果蔬中重金属含量及赋存形态差异较大，导致各区域土壤及蔬菜中重金属元素形成的生态风险差异性明显[10-13]。因此掌握区域蔬菜种植土壤、蔬菜中重金属富集对区域生态环境和人体健康影响至关重要。

佳木斯市地处中国东北部，是传统的老工业基地，长期以来的工业生产会对周边地区土壤环境及自然生态景观带来严重污染。此外，菜地中农家肥的长期施用和污水浇灌都会造成土壤重金属污染加剧。为了评估佳木斯城郊菜地土壤重金属的生态风险以及蔬菜中重金属的潜在危害，本实验采集了研究区土壤及蔬菜样品，测试其重金属含量并进行污染评价和健康风险评价，依据评价结果准确掌握研究区土壤重金属风险等级及蔬菜摄入造成的人体健康风险提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

2021年5 月，采集佳木斯市城郊菜地0～20 cm表层土壤及蔬菜样本，带回实验室进行处理、自然风干后分取适量不同部位样品进行研磨过100目筛后备用。蔬菜用去离子水洗净，杀青烘干至恒重，粉碎研磨过100目筛，用于重金属检测。

1.2 样品分析方法

土壤样品采用混酸（HNO3-HCl-H2SO4-H2O2）微波消解[14]，蔬菜样品采用HNO3-H2O2微波消解后测定。As、Cu、Pb、Cr、Ni、Zn 元素利用电感耦合等离子体质谱仪（ICPMS，Agilent 7500X型，美国）测定，Hg采用原子荧光光谱法测定，Cd采用石墨炉原子吸收法测定。每个样品做3次平行样，实验结果均达到国家标准规定的精密度要求。

1.3 土壤和蔬菜重金属评价方法

1.3.1 土壤和蔬菜重金属污染评价

土壤重金属污染采用单项污染指数法和内梅罗综合污染指数法进行评价[15-17]。

式中：Pi为单项污染指数；Ci为污染物浓度的实测值；Si为样品限值。

内梅罗综合污染指数计算公式为：

式中：PN 为综合污染指数；Pi均为单项污染指数；Pi最大为最大单项污染指数（见表1）。

表1 单项污染指数法和内梅罗综合污染指数法危害等级划分

1.3.2 潜在生态风险指数评价法

采用Hakanson的潜在生态风险指数法对土壤中重金属污染进行评价[18-20]，并且根据计算结果划分风险等级[19]。计算公式：

后来真相大白，镯子是被怡红院的坠儿偷了去。但那句“本来又穷”已经把人赤裸裸地定在了道德的耻辱柱上，动弹不得、翻身不得。

式中，RI为综合生态风险指数；为重金属i元素的潜在生态风险指数；为重金属i的毒性系数[17]；Ci为重金属i元素的实测值；为重金属i元素评价参照值。迄今为止，国内土壤沉积物的背景值多采用区域土壤环境背景值。本研究采用黑龙江省松嫩平原土壤背景值作为参照值[20（]见表2、表3）。

表2 重金属的潜在生态风险评价和危害等级划分

表3 黑龙江省土壤重金属背景参照值( )和毒性系数()

项目Hg Cd As Cu Pb Cr Ni Zn Ci n（mg/kg）Ti r 0.04 0.08 7.3 20 24.2 58.6 22.8 70.7 40 30 10 5 5 2 2 1

1.3.3 蔬菜摄入的健康风险评价

研究区居民由金属量引起的健康风险评价采用文献[21]中的方法，计算公式为：

式中：DI为重金属的日均摄入量mg/d；FIR为鲜蔬菜的日摄取速率kg/d；C为蔬菜中重金属浓度mg/kg。参照相关文献[22-23]，确定研究区成人和青少年儿童蔬菜的日摄取率FIR分别为0.45 kg/d 和0.23 kg/d。健康风险评价采用美国（US EPA）使用的目标危险系数法（target hazard quotient，THQ）。当THQ 值＞1.0，说明重金属对人体具有潜在健康风险。THQ 的计算公式为[21，24]：

式中：THQ 为健康风险系数；FIR 和C 的含义同式（5）；AT为平均暴露时间（ED×365）。根据US EPA 风险信息系统数据库及其相关文献资料，得到式（6）中的模型参数（表4）。

表4 蔬菜健康风险评价模型参数取值

重金属复合风险计算公式为：

式中：当TTHQ≤1，没有风险；TTHQ＞1，产生负影响；TTHQ＞10，存在慢性毒性效应。

1.4 数据分析与统计

2 结果与讨论

2.1 菜地土壤重金属污染状况

数据显示（见表5），土壤中Hg、Cd、Pb、As、Ni、Zn、Cu和Cr 含量范围分别为0.03～0.29、0.12～0.45、3.28～39.25、1.99～11.68、11.15～34.48、87.67～215.76、5.31～35.15 和3.97～63.19 mg/kg，平均含量分别为0.14、0.32、15.40、7.19、21.89、150.28、22.73和47.48 mg/kg。8种重金属元素含量的最大值均低于国家二类标准限值[27]（见表2），但Hg、Cd、Zn 和Cu 浓度超过黑龙江省土壤环境背景值[28]（见表3），分别是背景值的3.5 倍、4.0 倍、2.13 倍和1.14倍，表明这4种重金属元素都存在富集。单因子污染指数表现为Cd＞Hg＞Zn＞Cu＞As＞Ni＞Cr＞Pb。Cd 的单项污染指数为4.00，属于污染严重。此外，Hg、Zn和Cu元素的均单项污染指数＞1，存在风险。内美罗综合污染指数为3.09，表明该区土壤重金属污染严重。土壤重金属中Hg、Pb和As元素的变异系数分别为49%、65%和73%均为高度变异（CV＞36%），这表明这3种元素在各采样点的差异较大，说明Hg、Pb 和As 受到外界强烈的干扰，而人类活动应是其主要来源，菜地中Hg的来源主要是化石燃料燃烧、金属冶炼及城市垃圾焚烧，此外，机动车尾气排放等人类活动也是环境中Hg元素的另外一个重要来源[29]。研究区土壤中Cd和As浓度的增加，或许与菜地中长期施用农药和化肥等有关，因为生产磷肥矿石中含有Cd元素[30]，除此之外还含Zn、As 和Cr 等元素，长时间施用磷肥会给土壤带来极为严重的污染[30]。

表5 郊区菜地土壤重金属含量统计值（n=45）

2.2 菜地土壤重金属污染评价

在45 个采样点中，Hg 元素是最主要的生态风险因子，其潜在的生态风险程度达到了较高等级，在中风险、较高风险和高风险样点数分别占24.4%、40%和31.1%；其次是Cd元素，生态风险也达到了较高等级，中风险、较高风险和高风险样点数分别占24.4%、84.4%和11.1%。8种重金属元素的潜在生态风险指数（）顺序为Hg＞Cd＞As＞Cu＞Pb＞Zn＞Cr＞N（i表6）。综合生态污染指数显示，佳木斯城郊菜地土壤重金属综合污染指数表现为中度污染，其中，中等生态风险样点数占60%，较高生态风险样点数占40%，表明该区域菜地土壤受到污染，存在中等污染风险。

表6 重金属潜在风险指数（）和综合风险指数（RI）

统计值Ei r最小值平均值最大值Cr 1.15 1.62 2.16 Ni 0.88 1.52 2.58 Cu 1.32 5.68 7.14 Zn 1.24 2.13 3.05 As 1.50 9.85 50.31 Cd 44.27 119.28 158.87 Hg 32.49 139.13 309.45 Pb 0.33 3.18 8.11 RI 161.82 282.78 500.41

2.3 蔬菜中重金属污染状况

蔬菜中重金属含量的统计结果及差异性分析如（图1）。菜地葱中Hg、Cd、Pb、As、Ni、Zn、Cu和Cr的平均含量为0.0004，0.088，0.139，0.0043，0.094，5.525，1.941，0.0998 mg/kg；圆白菜中Hg、Cd、Pb、As、Ni、Zn、Cu 和Cr 的平均含量为0.0005，0.082，0.139，0.005，0.094，5.012，1.804，0.103 mg/kg；白菜中Hg、Cd、Pb、As、Ni、Zn、Cu 和Cr 的平均含量为0.0004，0.082，0.136，0.005，0.102，5.755，2.184，0.099 mg/kg。在葱、圆白菜和白菜中，8 种重金属含量均表现出一致趋势，Zn 的含量最高，其次是Cu、Pb、Cr、Ni、Cd、As 和Hg。Zn、Cu、Pb 和Cr 在蔬菜中含量相对其他重金属高，或许与其在对应土壤中含量较高有关。

图1 蔬菜中重金属含量及差异性分析

由图1可看出，Hg、Cr、Pb和As在蔬菜中的平均含量从大到小依次均表现为：圆白菜＞葱＞白菜；Cd 在蔬菜中的平均含量从大到小依次均表现为：葱＞白菜＞圆白菜；Ni和Zn在蔬菜中的平均含量从大到小依次均表现为：白菜＞圆白菜＞葱；Cu在蔬菜中的平均含量从大到小依次均表现为：白菜＞葱＞圆白菜。本研究显示，白菜中重金属Hg、Cr、As、Pb四种重金属含量低于葱和圆白菜，但是Ni、Zn、Cu 含量却比葱和圆白菜的高；Hg、Cr、As、Pb 四种重金属在圆白菜中含量最高。

2.4 蔬菜重金属富集特征

蔬菜重金属的富集系数大小与其吸收重金属的能力呈正相关，与抗的能力呈负相关[31]。从表7可以看出，葱、圆白菜和白菜对重金属的富集能力具有一致性，均表现为Cd＞Cu＞Zn＞Pb＞Ni＞Hg＞Cr＞As。3种蔬菜中Cd、Cu和Zn较容易富集，表明其活性较强，易被植物吸收，而Cr和As最不容易富集，此结论与其他人研究成果相同[32-34]。但也有学者研究发现，不同种类蔬菜对不同重金属的富集能力存在差异，如徐志等[35]研究发现，Pb、Zn、Cu 和Ni 元素在芸豆中富集较强，而Cd元素在白菜和萝卜中富集能力较强。

表7 蔬菜中重金属富集系数

2.5 蔬菜中重金属污染评价

葱、圆白菜和白菜3种蔬菜中的污染指数依次为：白菜＞葱＞圆白菜（表8），3 种蔬菜的综合污染指数均＞1，其中污染最重的白菜样本综合污染指数为1.814，葱为1.725，圆白菜为1.709，均表现为轻度污染。在3 种蔬菜中，单项污染指数均表现为Cd＞Cu＞Pb＞Cr＞Zn＞As＞Ni＞Hg，其中Cd、Cu 和Pb 元素的污染指数较高，表明Cd、Cu、Pb对这些类型的蔬菜非致癌风险作用有较大贡献。白菜中的Cd 元素污染指数为0.630，严重影响人体健康，这与徐志等[35]对贵州某典型锌冶炼区菜地土壤和主要蔬菜重金属污染评价结果相一致，佳木斯城郊菜地蔬菜重金属风险应当引起重视。除了Cd、Cu和Pb元素外，Cr、Zn、As、Ni和Hg的污染指数相对较低。因此，研究区居民应减少对这三种蔬菜的摄入，以降低其带来的健康风险。

表8 蔬菜重金属单项污染指数和综合污染指数

各种重金属在蔬菜中的风险贡献率差别较大（图2）。Cd 和Pb 对葱的贡献率最大，分别为37%和17%；Cd 和Cu 对圆白菜和白菜中的贡献率最高，分别为34%和19%，33%和22%。Ni 和Hg 贡献率较小，Ni 的风险贡献率低于1%，Hg贡献率低于2%。

图2 蔬菜中各重金属对风险指数（HI）的贡献率

2.6 土壤-蔬菜中重金属含量的相关性分析

土壤重金属与蔬菜中重金属含量之间相关分析表明（表9），土壤中As 元素含量与蔬菜中Hg 含量呈显著正相关（P＜0.05）；土壤中的Hg 和Cr 含量却与蔬菜中与Cd含量呈显著负相关，而Zn 与Cd 含量却呈显著负相关（P＜0.05）；土壤中的Hg、Cr 含量与蔬菜中As 含量呈显著正相关（P＜0.05），而Zn 含量与Cd 含量呈正相关，与Zn呈负相关（P＜0.05），土壤中Cd、Ni 与蔬菜中Ni 含量呈正相关（P＜0.05；P＜0.01）；此外，蔬菜中其它重金属含量之间以及蔬菜与土壤中重金属均无相关性。由此可以看出，同一种重金属元素在土壤和蔬菜中的含量并不一定相关，其原因可能是蔬菜中的重金属浓度与土壤中有效重金属含量有关，与总量无关[36]。叶宏萌等[37]就在研究发现，武夷山茶园土壤中5 种重金属含量与其形态显著相关。吴迪等[38]则通过对贵阳市蓬莱仙界生态园土壤-蔬菜中重金属含量和赋存规律及其内在的关联性进行研究也表明，不同种类的重金属，其在土壤中化学功能和生物学特性存在差异。因此，对土壤重金属的研究不但要考虑总量，还要分析其形态。通过分析各种重金属形态对生物富集的贡献，进而进行生物有效性评价，有助于今后对土壤重金属污染及植物体对重金属的富集特性进行更准确的评价。

表9 土壤重金属与蔬菜重金属含量间相关性分析

2.7 蔬菜中重金属含量的健康风险评价

蔬菜在我国居民的饮食结构中占有重要地位，随着人民生活水平的提高，居民对安全蔬菜需求发生了深刻的变化。蔬菜土壤一旦受到重金属污染，则会通过食物链进入人体并富集，由于重金属半衰期长，长期食用会引起组织急性和慢性损伤[39-40]。本研究参照美国健康风险评价法，计算了研究区居民食用蔬菜摄入重金属健康风险值（表10）。数据显示，8种重金属元素的单因子健康风险指数值均＜1，表明单一重金属不会对成人和青少年儿童健康构成风险。采样区葱、圆白菜和白菜中Cd元素均无超标现象，但Cd 元素引起的健康风险指数最高，应引起重视。复合重金属对成人和青少年儿童引起的健康风险指数值（TTHQ）分别为1.859 和1.781，表明该区域蔬菜中复合重金属将会对人体健康产生风险。