消落帶土壤一作物體系Cd富集及潛在風(fēng)險(xiǎn)

劉丹 譚雪梅 魏大江

摘要：指出了三峽水位落干期，庫(kù)岸居民普遍在消落帶種植作物，存在一定生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。以三峽典型近城支流天仙湖農(nóng)業(yè)區(qū)為例，測(cè)定了土壤和地上作物可食部位鎘（Cd）含量，采用Monte - Carlo模型評(píng)估了土壤農(nóng)作物體系中Cd富集水平及其可能對(duì)人體健康帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明：天仙湖消落帶土壤Cd分布存在中等程度變異，普遍超過(guò)了國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，且含量高值區(qū)主要分布在三處河道彎曲段;地上作物可食用部位Cd富集能力為空心菜>香菜>花生>豇豆>綠豆，且空心菜和香菜的健康商數(shù)（HQ）值>1，對(duì)人體健康存在一定風(fēng)險(xiǎn);花生、綠豆和豇豆的HQ值<1，對(duì)人體不具有健康風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：三峽庫(kù)區(qū);農(nóng)作物;消落帶;鎘;健康風(fēng)險(xiǎn)

中圖分類(lèi)號(hào)：X820

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9944（2018）8-0096-03

1 引言

三峽工程特殊的調(diào)蓄水制度使三峽庫(kù)岸消落帶夏半年落干，冬半年淹水[1～3]。隨著移民搬遷和庫(kù)區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，庫(kù)區(qū)人口密集，人地矛盾突出，庫(kù)岸居民普逮在消落帶從事農(nóng)作活動(dòng)[4，5]。庫(kù)岸消落帶是水陸交錯(cuò)地帶，是污染物遷移轉(zhuǎn)化的過(guò)渡地帶。鎘（Cd）具有潛在生物毒性[6]、生物累積性[7，8]和致癌作用[9]，受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1O，11]，但有關(guān)三峽消落帶農(nóng)作區(qū)Cd的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的研究較少，亟待查明。本研究以三峽庫(kù)區(qū)典型支流消落帶一天仙湖農(nóng)作區(qū)為例，以消落帶土壤及地上農(nóng)作物為研究對(duì)象，測(cè)定土壤和作物中Cd含量，結(jié)合GIS空間分析技術(shù)，探討了Cd在土壤一作物體系中的富集水平和空間分布特征，以期為三峽庫(kù)區(qū)消落帶合理利用和水生態(tài)安全提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

于2017年7月，三峽庫(kù)區(qū)水位落干期，用不銹鋼土鉆隨機(jī)采集0～30 cm消落帶耕層土樣，混合均勻，自封袋保存，每個(gè)混合樣品由3個(gè)平行樣組成，同時(shí)采集地上作物。并用手持GPS定位，記錄經(jīng)緯度。采樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。

2.2 樣品分析

土壤經(jīng)風(fēng)干，剔除植物殘?bào)w，研磨后，過(guò)100目篩。植物樣品在105℃殺青后，用自來(lái)水和去離子水反復(fù)清洗，晾干，切碎，在60℃下烘干，粉碎研磨備用[12]。采用HNO3+HCl04+HF方法消解樣品，石墨爐-原子吸收光譜法測(cè)定Cd含量[13]。并加入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品GSS-1、GSV-4進(jìn)行質(zhì)量控制。

2.3 數(shù)據(jù)處理

Cd含量的描述性統(tǒng)計(jì)采用SPSS20軟件計(jì)算.Google earth軟件輸出采樣點(diǎn)圖，采用ArcGIS9.2進(jìn)行克里格內(nèi)插計(jì)算。

2.4 土壤一作物系統(tǒng)Cd風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

采用Monte - Carlo模型評(píng)估土壤一作物中Cd污染對(duì)人體健康的潛在風(fēng)險(xiǎn)[14～16]。

式中：CDI為Cd通過(guò)飲食途徑的人體單位體重的日均暴露量，mg/（d.kg）：CS為土壤Cd的濃度（mg/kg），由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲得;Ab為Cd從土壤到農(nóng)作物中的轉(zhuǎn)換系數(shù)，即富集系數(shù);IRi為人體對(duì)某種作物的飲食途徑的日均暴露量（kg/d）[15];EF為暴露頻率（d/a），缺省值350d;ED為暴露持續(xù)時(shí)問(wèn)（a），缺省值70a;BW為平均體重，（60.1±10.9）kg，按2002年中年人的平均體重計(jì)算;AT為平均壽命，76.72a[16]。3結(jié)果與分析

3.1 天仙湖農(nóng)作區(qū)土壤Cd含量特征

天仙湖消落帶農(nóng)業(yè)區(qū)土壤Cd含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，土壤Cd含量最小值為2.55 mg/kg，最大值為3.6 mg/kg，均值為3.03 mg/kg.均超過(guò)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限定值（1.0 mg/kg） [17]，超標(biāo)率為100%，變異系數(shù)為11.71%屬于中等程度變異[18]，說(shuō)明土壤Cd存在污染。

3.2 天仙湖農(nóng)作區(qū)土壤Cd空間分布特征

采用ArcGIS9.2空間分析技術(shù)，應(yīng)用普通克里格（ Ordinary Kriging）最優(yōu)內(nèi)插法，調(diào)查r天仙湖農(nóng)作區(qū)土壤Cd的空間分布特征[19，20]，土壤Cd的空間分布見(jiàn)圖2。從圖2可見(jiàn)，天仙湖消落帶土壤Cd污染高值區(qū)（ hotspot）主要分布在三處水流彎曲段，分別為采樣點(diǎn)S2、S4、S10處。

3.3 作物Cd含量和富集特征

天仙湖農(nóng)作區(qū)地上作物主要有空心菜、豇豆、香菜、綠豆、花生，其可食部分Cd含量均值分別為0.18、0. 06、0.17、0.05、0.26 mg/kg（見(jiàn)表2）。根據(jù)《食品中污染物限量CJB2762 - 2005》標(biāo)準(zhǔn)限值[21]，空心菜和香菜，屬葉菜類(lèi)限值為0.2 mg/kg;花生限值為0.5 rng/kg、綠豆屬雜糧類(lèi)限值為0.1 mg/kg;豇豆屬其他蔬菜類(lèi)，限值為0.1 mg/kg，空心菜、豇豆、香菜、綠豆、花生均未超標(biāo)。

3.4 作物Cd富集水平和潛在暴露風(fēng)險(xiǎn)

作物Cd富集水平和由飲食途徑的暴露風(fēng)險(xiǎn)見(jiàn)表3，由表3可知，作物可食用部分Cd富集能力為花生>空心菜>香菜>豇豆>綠豆。因此，葉菜類(lèi)Cd富集能力較強(qiáng)，耕作選種時(shí)應(yīng)避免空心某和香菜等葉菜類(lèi)[22，23]。Cd主要通過(guò)土壤一作物體系并以飲食方式進(jìn)入人體，本研究假設(shè)烹調(diào)不減少作物Cd含量，即作物Cd含量與人體攝入量相等。以作物可食部分Cd均值為依據(jù)，采用Monte- Carlo模型評(píng)價(jià)Cd飲食攝取途徑暴露風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果，見(jiàn)表4?？芍悴撕涂招牟说娘L(fēng)險(xiǎn)商（HQ）值>1，對(duì)人體存在一定健康風(fēng)險(xiǎn)?；ㄉ?、綠豆和豇豆的HQ值<1，對(duì)人體不具有健康風(fēng)險(xiǎn)。

4 討論

三峽成庫(kù)后庫(kù)區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人口密集，人地矛盾突出，夏半年三峽消落帶落干期土壤暴露于空氣中，庫(kù)岸居民大量利用其開(kāi)展農(nóng)事活動(dòng)，存在一定生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。本研究發(fā)現(xiàn)，天仙湖農(nóng)作區(qū)土壤Cd存在普遍污染（表1），可能原因?yàn)閹?kù)岸居民大量的農(nóng)業(yè)活動(dòng)增加了化肥等外源重金屬源的攝人、城鎮(zhèn)生活和生產(chǎn)污水排放導(dǎo)致污染物在消落帶匯集、長(zhǎng)江支流水體處于落干期，水流緩慢.水體對(duì)污染物的稀釋和凈化能力卜-降所致。喻超[24]等對(duì)威海市區(qū)域地質(zhì)背景下土壤Cd的地球化學(xué)特征的研究表明，主導(dǎo)區(qū)表層土壤Cd的增加與工礦等人為活動(dòng)有關(guān)。蔡立梅[25]等對(duì)東莞市農(nóng)業(yè)土壤的研究表明，土壤Cd分布主要受工農(nóng)業(yè)活動(dòng)的影響，且可作為施用化肥和農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)活動(dòng)的標(biāo)識(shí)元素。天仙湖農(nóng)作區(qū)土壤Cd含量高值區(qū)分布S2、S4、S10三個(gè)河道彎曲處（圖2），可能原因?yàn)楹拥缽澢幩w流速相對(duì)緩慢，土壤在淹水期受水體的淹水脅迫和水力沖刷影響較小，導(dǎo)致Cd大liang吸附于土壤中[26]。

植物對(duì)Cd富集主要受植物本身的遺傳學(xué)因素影響。施澤明[27]等通過(guò)對(duì)成都城郊典型蔬菜萵筍、紅薯及其根系土的研究表明，莖葉類(lèi)蔬菜對(duì)Cd的富集能力高于塊莖類(lèi)蔬菜。Lehoczky等[28]的研究結(jié)果表明甜菜根、蘿卜、胡蘿卜和萵苣為高富Cd植物，而皺葉甘藍(lán)、紫甘藍(lán)及菜花等具有中等富Cd能力。Kuhoi等[29]則根據(jù)植物積累Cd的能力把植物分為3類(lèi)：低積累型如豌豆，中積累型如洋蔥、胡蘿卜和高積累型如菠菜、萵苣。此外，植物對(duì)Cd富集還與土壤質(zhì)地、氧化還原狀態(tài)、土壤陽(yáng)離子交換量、土壤營(yíng)養(yǎng)元素、土壤重金屬背景含量等密切相關(guān)。研究表明，植物對(duì)Cd的吸收與土壤總Cd和有效Cd含量正相關(guān)[30]，此外，相似的離子半徑使Ca2+與C砰+競(jìng)爭(zhēng)吸時(shí)點(diǎn)位，對(duì)植物Cd富集影響較大[31];另外，Cd- Zn的交互作用對(duì)不同植物可能表現(xiàn)為協(xié)同或拮抗作用[32，33]。因此，本研究區(qū)內(nèi)土壤一作物體系對(duì)Cd的富集機(jī)制在今后的工作中有待進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

受水陸雙重因素影響天仙湖消落帶農(nóng)作區(qū)土壤Cd含量存在普遍污染，可能與化肥使用、城鎮(zhèn)生活和生產(chǎn)污水排放、長(zhǎng)江支流消落帶土壤“源一匯”關(guān)系轉(zhuǎn)化等因素密切相關(guān)，由于遺傳等因素影響，葉菜類(lèi)作物對(duì)Cd富集水平較高且存在一定飲食途徑暴露風(fēng)險(xiǎn)，建議在品種選擇時(shí)加以考慮。

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