生活垃圾堆放场周边表层土壤重金属污染及健康风险评价

2024-06-16刘辰朔闫金霞郑筱萱

环境科学导刊 2024年3期

刘辰朔闫金霞郑筱萱

收稿日期：2023-08-05

作者简介：刘辰朔（2000- ），女，硕士研究生，研究方向为流域水生态重金属污染风险评价。

摘要：以河南某高校垃圾堆放场周边表层土壤为研究对象，分析土壤理化性质和重金属含量，并对表层土壤重金属进行污染评价和健康风险评价。研究结果表明，土壤含水率与植被覆盖率相关，与垃圾堆放场的远近无关；距离垃圾堆放处越远土壤中全盐量越小；垃圾堆放处对于土壤中的全氮和总磷含量并未有直接的影响。表层土壤中重金属As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的含量均低于河南省土壤背景值，除重金属Cd以外，距离垃圾堆放处越远重金属含量越小。研究发现距离垃圾堆放处较近对于蔬菜中重金属含量有一定的影响。毛豆对于重金属的富集能力较强，更容易吸收土壤中的各种重金属元素。根据单因子指数法分析显示，本区域目前尚未受到污染。地累积指数法计算得出，研究区域土壤重金属处于无污染状态。蔬菜的目标危险系数（THQ）均＜1，说明食用该区域的蔬菜并不会对人体健康产生影响。

关键词：表层土壤；重金属；蔬菜；健康风险评价

中图分类号：X 825文献标志码：A文章编号：1673-9655（2024）03-00-06

0 引言

重金属在土壤中具有长期残留、不可降解、易迁移、高毒性等特点，赋存在土壤中的重金属污染物，通过根系富集等途径进入农作物的不同部位，影响作物的生长发育。Linnik[1]等在俄罗斯对污染土壤进行研究后发现，一旦土壤中的重金属含量超标，就会对植物的生长产生巨大影响，经不同层级食物链的累积作用最终危害到人体健康。近年来，国内外许多学者对于校园内的土壤重金属污染情况有一定研究，主要是从不同校区、不同分块区域进行研究，同时对校园土壤进行单因子指数、地累积指数等等进行研究。淮南[2]、

开封[3]等地的校园土壤重金属大多都超过了当地土壤背景值，其中人类活动占主要因素，人类活动与自然原因是校园土壤重金属污染的主要来源。

本次研究主要针对高校中垃圾堆放处周边土壤重金属的污染情况并进行健康风险评价，研究垃圾堆放处对于校园周边表层土壤的理化性质以及重金属含量的影响，并运用单因子污染指数法和地累积指数法对土壤中重金属污染进行评价，同时探究垃圾堆放处周边土壤中所种植的蔬菜的重金属含量，分析植物可食用部位的重金属富集能力，采用目标危险系数法分析成人食用蔬菜摄入重金属的健康风险，提供了一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域为郑州市某高校长期性生活垃圾堆放场，占地面积约100 m2，地势平坦开阔，地势西北高东南低，地下水水位稳定。堆放场北部约20 m

处为学生宿舍区，南部相邻区域为农田，种植毛豆、小葱、油菜花籽、小青菜和生菜等蔬菜作物。该区域的污染源主要包括化肥、农药、编织网袋等。此外，由于大雨对垃圾堆放场的淋溶和雨后积水对场地的浸泡，垃圾堆放场受到了严重影响，可能会对周边土壤造成污染。

1.2 采集点的确定

样品采集时，刮去地表植物凋落物，采集地表土样，并去除杂草、砾石、肥料团块等杂物。每个采样区的样品为农田土壤混合样。由于采样点数目较多，为全面客观评价污染情况，本次使用蛇形法进行布点，分别采取土壤和蔬菜样品。土壤采样总共有19个采样点，且采样时需要避开施肥区，减少干扰。为测定蔬菜和植物中的重金属含量，通过蛇形法布点，布设5个采样点，如图1所示。

1.3 理化性质的测定

对于取得的土壤样品，用重量法（HJ 613—2011）测定其含水率，点位法（HJ 962—2018）测定pH值，碱熔-钼锑抗分光光度法（HJ 962—2018）测定TP，凯氏法（HJ 717—2014）测定TN。

称取土壤或蔬菜样品，放入微波消解仪中消解55 min，冷却30 min左右，之后放入赶酸器中。当液体成粘稠状后，取下稍冷，用移液枪加入少量的硝酸溶液冲洗消解罐的内壁，利用余温溶解消解罐中的残渣，而后转入50 mL容量瓶或50 mL比色管中，洗涤三次以上全部转入容量瓶或比色管中，然后用硝酸定容至标线，混匀，静置，取上清液待测。

分析Cd、Cr、Cu、Zn、Ni、Pb、As、Hg

共8种重金属的含量，其中Cd、Cr、Cu、Zn、Ni、Pb的检测采用电感耦合等离子质谱法

（HJ 803—2016），用电感耦合等离子体质谱仪检测。As和Hg采用微波消解—原子荧光法测定

（HJ 680—2013）。土壤和蔬菜样品中各金属元素的含量，按照下式进行计算。

（1）

式中：ω1—样品中金属元素的含量，mg/kg；ρ—由标准曲线计算所得试样中金属元素的质量浓度，mg/L；ρ0—实验室空白试样中对应金属元素的质量浓度，mg/L；V—消解后试样的定容体积，mL；f—试样的稀释倍数；m—称取过筛后样品的质量，g；Wdm—样品干物质的含量，%。

获得实验数据后，运用Excel软件对数据进行基本统计，包括最值、均值等数据，使用SPSS软件进行样品理化性质和重金属含量相关性分析，使用Origin等制图软件进行绘图。

1.4 土壤中重金属污染评价方法

1.4.1 单因子指数法

目前国内评价土壤重金属污染的常用方法为单因子指数法，可以反应处土壤中各个重金属的平均污染水平[4]。其公式如下：

（2）

式中：P—污染物单因子指数；Ci—实测浓度，mg/kg；Si—土壤环境质量标准（GB15618—2008），mg/kg。土壤质量分级标准见表1[5]。

1.4.2 地累积指数

地累积指数Igeo主要用于清晰土壤中的重金属污染[6]，其计算公式如下：

（3）

式中：Ci—土壤元素i的浓度，mg/kg；Bi—元素i的背景值，mg/kg；1.5—修正系数。地累积指数分级标准见表2。

1.5 蔬菜摄入的健康风险评价方法

对这些蔬菜进行健康风险评价，检测评价可能会对人体健康造成的风险。目标危害系数法（THQ）是使用较频繁的方法之一，能够评价重金属元素可能会对人体健康造成的风险评价，此方法可评价单一重金属的健康风险和多种重金属复合暴露的健康风险[7，8]。单一重金属风险计算公式如下。

（4）

式中：THQ—目标危险系数；EF—暴露频率，取365 d/a；ED—暴露年限，取70 a；Fm—蔬菜日摄入量，成人蔬菜日摄取量为0.45 kg/d；c—蔬菜中某重金属的浓度，mg/kg；WAB—平均质量，成人为60 kg；RFD—重金属暴露参考剂量，mg/（kg·d），见表3；Tn—平均暴露时间，取25550 d。

2 结果与讨论

2.1 土壤理化性质分析

根据图2数据分析可知，含水率与植被覆盖率相关，与垃圾堆放场的远近无关。树木较高的区域能阻止土壤水分的蒸发，而其余地区的植被类型为草地，春季草矮且会定期修剪，植被裸露部分较多，土壤水分较低，人为活动较为频繁，土壤含水率也会较低[9]。该区域土壤主要呈中性偏碱性，郑州市城市土壤pH值呈中性偏碱性，主要原因可能是由于土壤类型有风砂土、潮土、褐土等土壤类型，这些土壤本身呈中性或碱性[10]，

与本次研究的结果分析较为一致。

土壤的全盐量随着距离垃圾堆放处越远而逐渐减小。2号、3号、5号、6号、7号采样点含量比其余采样点较高，有机质含量较高与林内土壤具有较高的腐蚀质相关[11，12]，而喜鹊麻雀的粪便相当于施肥，其有机质含量较高，可能由于该处树木茂密，覆盖面较广，有较多的鸟雀在此处停靠，故有机质含量会高于其余采样点；全氮含量数据波动情况较大，证明垃圾堆放处的远近对于全氮的数值并未有直接的影响。9号、13号、15号、16号采样点含量偏高，经现场调查研究，这四处的采样点其距离种植处极为接近，可能由于肥料的混入导致全氮含量增大；距离垃圾堆放处较近的1号、5号、9号、14号采样点，其总磷含量较高，说明垃圾堆放处可能对于总磷有一定的影响。10号采样点总磷含量最高，主要原因可能为该区域种植生菜蔬菜，其生长周期需要大量的灌溉施肥，土壤水分变化幅度较大，土壤的理化性质也随之改变，从而影响了土壤中微生物的代谢[13]。

2.2 土壤中重金属含量特征分析

土壤中重金属As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的含量均值分别为0.049、0.03、29.337、9.071、1.802、0.135、4.787 mg/kg（如表4所示），均低于河南省土壤背景值[14-16]。本片区域中土壤重金属含量均符合标准，没有超标情况。除了重金属Cd以外，垃圾堆放处对于该区域表层土壤中的其余重金属含量均有一定的影响，特征表现为距离垃圾堆放处从近至远重金属含量呈下降趋势。其中对Cr、Cu两种重金属影响较大。

根据单因子指数法计算结果（见图3），所有污染物单因子指数均＜1，说明该区域目前尚未受到污染。根据地累积指数Igeo计算可得（见图4），

研究区土壤As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn等7种元素的Igeo值均小于1。根据表1的分级标准，研究区域的土壤重金属均属于无污染，目前尚无潜在轻度污染风险。

2.3 蔬菜中重金属含量分析

蔬菜中Zn 、Pb、As 、Ni 、Cu 、Cr 、Cd重金属含量均值分别为：0.476、0.143、0.147、0.0774、0.077、0.0036、0mg/kg（如表5中所示），1号采样点的重金属As、Cr、Cu、Ni、Pb的含量都大于其余采样点，而该点距离垃圾堆放处较近，说明垃圾堆放处对于蔬菜重金属含量有一定的影响（如图5所示）。1号采样点位为毛豆（豆类蔬菜）、2号为小葱（叶菜类蔬菜）、3号为油菜花结的籽（果实类）、4号为小青菜（新鲜蔬菜）、5号为生菜（新鲜蔬菜）。这些重金属主要在毛豆和小葱两种蔬菜中含量较高，其原因可能是这两类蔬菜距离垃圾堆放处位置较近，且这两种植物在采集时主要使用了其菜叶处，通过叶片的吸收作用富集空气中的有害物质，叶片的蒸腾量较大，空气中尘态和气态重金属进入植物体内从而导致植物重金属含量富集，这与其他学者研究结果较为一致[7，17]。本次实验同时研究了蔬菜中重金属的富集能力。富集系数主要是指植物中的某种重金属含量与土壤中同种重金属含量的比值，能够反应其富集能力[18]，见表6。

经过比较发现（图6），毛豆对于各个重金属的富集能力较强，更容易吸收土壤中的各种重金属元素，这可能与蔬菜结构以及代谢能力有关[19]。

根据目标危害系数法计算结果分析（图7），5种蔬菜的目标危险系数（THQ）均＜1，说明食用该区域的蔬菜并不会对人体健康产生影响。由图7和图8可知，成人使用蔬菜摄入的重金属的TTHQ为：毛豆＞小葱＞油菜花籽＞小青菜＞生菜，摄入较高重金属的蔬菜为毛豆，这与毛豆对重金属的富集能力较高的结论一致，但均不会对成人产生影响。

2.4 土壤理化性质与重金属含量相关性分析

对于垃圾堆放处周边表层土壤区域的19个采样点中的土壤理化性质与重金属进行相关性分析，结果见表7。

由表7可得，含水率与土壤中的砷、铬、铅、锌存在负相关性，与铜和镍存在正相关性，但无显著相关性；pH与铬存在极显著相关性，与镍存在显著相关性，与其余重金属均不存在显著相关性，其中铜与pH呈负相关性，其余重金属与pH存在正相关性；全盐量与铅存在负相关性，与其余重金属存在正相关性，但均不存在显著相关性；全氮与重金属元素均存在负相关性，其中与砷存在显著相关性，与其余重金属均不存在显著相关性；总磷与重金属元素均存在正相关性，其中与锌存在显著正相关性，与其余重金属元素均不存在显著相关性。

土壤的理化性质中pH与土壤的重金属元素关系较为密切，其次是全氮和总磷，其原因可能因为本区域土壤的pH含量为中性偏碱性，这与王妍[20]

的研究结果较为相同。

2.5 重金属相关性分析

对于垃圾堆放处周边表层土壤区域的19个采样点中的土壤理化性质与重金属进行相关性分析，结果见表8。由表可知，不同重金属之间均存在正相关性。砷与铅、锌存在显著正相关性；铬与镍存在极显著正相关性；铜与镍存在显著相关性；铜与锌存在极显著相关性；镍与锌存在显著相关性。由于土壤中重金属镉含量稳定不存在变量故无法进行分析。重金属铬与镍、铜与锌关系较密切，其次是铅与砷、砷与锌、镍与铜、镍与锌的关系较为密切。

3 结论

（1）含水率与植被覆盖率相关，与垃圾堆放场的远近无关；该区域内的土壤呈中性偏碱性，差距幅度较小，同郑州市本地的土壤背景值相符合；土壤中的全盐量随着距离垃圾堆放处越远而逐渐减小；垃圾堆放处对于土壤中的全氮含量并未有直接的影响，土壤肥力状况处于六级水平，符合其城市所在水平；垃圾堆放处对于土壤中的总磷并未产生直接的影响，含量符合土壤肥力总磷的标准，能满足植物生长的条件。

（2）表层土壤中重金属As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的含量均值分别为0.049、0.03、29.337、9.071、1.802、0.135、4.787 mg/kg，均低于河南省土壤背景值。除了重金属Cd以外，垃圾堆放处对于本区域表层土壤中的其余重金属含量均有一定影响，特征表现为距离垃圾堆放处越远其重金属含量越小。

（3）蔬菜中各个重金属：Zn、Pb、As、Ni、Cu、Cr、Cd的均值分别为0.476、0.143、0.147、0.0774、0.077、0.036、0 mg/kg，在毛豆和小葱两种蔬菜中重金属含量较高，原因可能是这两类蔬菜距离垃圾堆放处位置较近。根据数据分析，毛豆对于重金属的富集能力较强，更容易吸收土壤中的各种重金属元素。

（4）根据单因子指数法分析可得所有污染物含量均＜1，说明该区域目前尚未受到污染；根据地累积指数法计算可得，研究区域的土壤重金属均属于无污染，目前尚无潜在轻度污染风险。对于蔬菜进行健康风险评价，检测是否对人体健康造成的风险，THQ均＜1，说明食用并未对人体健康产生影响，TTHQ含量分别为：毛豆＞小葱＞油菜花籽＞小青菜＞生菜，摄入较高重金属的蔬菜为毛豆，但均不会对成人产生影响。

（5）土壤的理化性质以及重金属进行相关性分析，土壤的理化性质中pH与土壤的重金属元素关系较为密切，其次是全氮和总磷。不同重金属之间均存在正相关性。砷与铅、锌，镍与锌，铜与镍存在显著正相关性，铬与镍，铜与锌存在极显著正相关性，说明重金属铬与镍、铜与锌关系较密切，其次是铅与砷、砷与锌、镍与铜、镍与锌的关系较为密切。

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