菜地土壤重金屬污染狀況及對蔬菜安全性分析

劉輝，鄒繼穎，*，邊紅楓，權(quán)佳惠，李萬海，李健煒

（1.吉林化工學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院，吉林吉林132022；2.東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，吉林長春130117）

隨著化工業(yè)和農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)境土壤污染問題越來越突出，尤其是土壤重金屬污染，已經(jīng)受到世界各國的關(guān)注，并成為環(huán)保的重要研究領(lǐng)域[1-2]。土壤重金屬污染具有滯后性、不可逆性、長期性和隱蔽性的特點(diǎn)，微量重金屬不僅污染土壤，而且其被作物吸收后有毒害作用，并可以通過環(huán)境-作物系統(tǒng)進(jìn)入食物鏈進(jìn)而危害人類的身體健康。蔬菜是日常生活中人們必不可少的食物，也是非常重要的經(jīng)濟(jì)作物，其質(zhì)量的好壞關(guān)系到人類的身體健康[3]。

有研究顯示[4]，我國城郊菜地和蔬菜已受到不同程度的重金屬污染，主要的污染金屬元素是Pb、Hg、Cd、Cu等，城市土壤中很大部分重金屬污染物濃度普遍高于農(nóng)村郊區(qū)的土壤，有顯著的人為富集的特點(diǎn)，不同的城市，不同重金屬濃度有明顯的差異，同一個(gè)城市不同區(qū)域，也會(huì)出現(xiàn)某類重金屬元素嚴(yán)重富集的現(xiàn)象[5-8]。通過對化工區(qū)土壤重金屬的調(diào)查以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和重金屬污染對蔬菜的影響分析，為保護(hù)化工區(qū)土壤和食用蔬菜的安全性提供依據(jù)。同時(shí)對于提高蔬菜的質(zhì)量、保障人們的飲食安全、制定防治措施、建立預(yù)警和反應(yīng)機(jī)制、促進(jìn)蔬菜生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展也具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

選取吉林市化工區(qū)附近的菜地作為采樣地點(diǎn)。根據(jù)《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ/T166-2004）[14]的相關(guān)采樣點(diǎn)布設(shè)要求，本研究采樣使用梅花布設(shè)點(diǎn)法布設(shè)。去除表層5 cm土，使用木鏟，采樣深度一般取耕作層土壤20 cm左右，采集1 kg左右混合土樣，自封袋袋內(nèi)外各貼一標(biāo)簽，寫明編號(hào)、采集地點(diǎn)、土壤名稱等。并且綜合考慮吉林市化工區(qū)區(qū)分布，選取機(jī)械加工廠（A）、農(nóng)藥廠（B）、化工廠（C）和化纖廠（D）4個(gè)采樣區(qū)。同時(shí)對于蔬菜樣品的采集和菜地土壤一致的采樣地點(diǎn)進(jìn)行采集，采集的蔬菜樣品有菠菜、生菜、香菜和小白菜4種葉類蔬菜。

1.2 儀器與設(shè)備

ZCA-1000火焰原子吸收分光光度計(jì)：北京中和測通儀器有限責(zé)任公司；FA2004N電子天平：上海菁海儀器有限公司；JJ-2組織搗碎機(jī)：常州澳華儀器有限公司；DNG-9070A電熱恒溫鼓風(fēng)烘干燥箱：上海精宏儀器有限公司。

1.3 樣品處理與檢測

將采集好的土壤樣品中的枯枝、小石子剔除，放在實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，于70℃烘干箱內(nèi)烘干。將烘干好的樣品放在陶瓷研缽磨碎后過200目篩，保存在干凈的塑料小瓶中，待測。

將采摘回來的蔬菜樣品中的發(fā)黃部分、不可食用部分等摘除，用去離子水把依附在蔬菜表面的泥土沖洗干凈，晾干，然后放入樣品袋中，標(biāo)記并冷凍備用。

處理的樣品經(jīng)消解后，用火焰原子吸收光譜法測定重金屬離子濃度。

1.4 重金屬污染評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與方法

1.4.1 土壤中重金屬污染評價(jià)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)據(jù)參考《吉林省環(huán)境背景值研究》和國家GB 15618-1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作為土壤污染評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[9-11]。二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)一般主要適用于菜地、農(nóng)地、茶園、果園等土壤，土壤質(zhì)量基本上對植物和環(huán)境不造成危害和污染，即維護(hù)人體健康的土壤限制值[12-13]。

1.4.2 重金屬污染評價(jià)方法

采用指數(shù)法進(jìn)行分析評價(jià)，包括單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)，直接反映超標(biāo)倍數(shù)和污染程度，是確定土壤污染程度的重要依據(jù)[13]。

1.4.2.1 因子污染指數(shù)

式中：Pi為土壤中污染物i的單項(xiàng)污染指數(shù)，Pi越大，污染越嚴(yán)重；Ci為土壤中污染物i的實(shí)測值；Si為土壤中污染物i標(biāo)準(zhǔn)值。

1.4.2.2 綜合污染指數(shù)即內(nèi)梅羅指數(shù)法

式中：P綜為綜合污染指數(shù)（綜合反映各污染物對區(qū)域土壤的不同作用）；P平均為所有單項(xiàng)污染指數(shù)的平均值；P最大為土壤環(huán)境中各單項(xiàng)污染指數(shù)中的最大值。P綜越大，污染越嚴(yán)重；當(dāng)0＜P綜≤0.7，表示土壤清潔；0.7＜P綜≤1，表示土壤尚清潔；1＜P綜≤2，表示土壤輕污染；2＜P綜≤3，表示土壤中度污染；P綜＞3，表示土壤受到相當(dāng)嚴(yán)重的污染。

1.4.2.3 潛在生態(tài)危害指數(shù)法[14-15]

潛在生態(tài)危害指數(shù)（potential ecological risk index，RI）法是根據(jù)重金屬性質(zhì)及環(huán)境行為特點(diǎn)，從沉積學(xué)角度提出來的，對土壤或沉積物中土壤重金屬污染進(jìn)行評價(jià)的方法。

式中：Eri為單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)；Cfi為重金屬污染物的污染指數(shù)；Tri為單個(gè)污染物的毒性響應(yīng)參數(shù)。

本研究參考徐爭啟等[16]對于重金屬毒性系數(shù)的計(jì)算結(jié)果，Cu、Zn、Cr、Ni、Pb、As、Cd、Hg 的毒性響應(yīng)系數(shù)分別取 5、1、2、5、5、10、30、40，Eri為單個(gè)重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，RI潛在生態(tài)危害指數(shù)[9，17]。根據(jù)Eri和RI的潛在生態(tài)危害分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 土壤重金屬的潛在風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 The potential risk grading standards of soil heavy mental

1.4.3 蔬菜重金屬評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和方法

為了充分評價(jià)研究地的蔬菜重金屬污染情況，參考GB 2762-2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》中的限量值。對蔬菜中的重金屬采用污染指數(shù)計(jì)算，該計(jì)算結(jié)果直接反映超標(biāo)倍數(shù)和污染程度，是確定蔬菜污染程度的重要依據(jù)，其計(jì)算公式如下：

式中：Ii為污染物污染指數(shù)；Ii為污染物在某種蔬菜中的平均指數(shù)；It為各種蔬菜污染指數(shù)；P為蔬菜中實(shí)際測定值；S為蔬菜的限量標(biāo)準(zhǔn)值；n為某類蔬菜樣品數(shù)量；N為污染物種類。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤和蔬菜中重金屬含量分析

土壤和蔬菜中重金屬含量見表2。

表2 土壤和蔬菜中重金屬含量Table 2 Heavy metals in soil and vegetables mg/kg

續(xù)表2 土壤和蔬菜中重金屬含量Continue table 2 Heavy metals in soil and vegetables mg/kg

由表2可知，4個(gè)采樣區(qū)的土壤重金屬Zn、Cr、As均未超出國家GB 15618-1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，而重金屬Cu在A、B、C、D 4個(gè)采樣點(diǎn)中的檢測結(jié)果分別超出國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的0.36、0.13、0.15、0.11倍；重金屬Pb只有C采樣點(diǎn)超出國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的0.1倍；土壤中重金屬Cd的含量在B、C兩個(gè)采樣點(diǎn)超出國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。4個(gè)采樣區(qū)的蔬菜中重金屬Cd、Pb、Cr、As、Hg濃度含量均未超出國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；重金屬Zn濃度只有在B采樣點(diǎn)的香菜中超出限制，而在A采樣點(diǎn)的小白菜和香菜中非常接近標(biāo)準(zhǔn)限量值，其他采樣點(diǎn)的蔬菜均沒超過標(biāo)準(zhǔn)限量值；A采樣點(diǎn)的小白菜和菠菜的Cu濃度超過了標(biāo)準(zhǔn)限量值，白菜比標(biāo)準(zhǔn)限制值高出0.14倍，菠菜比限制值高出0.03倍，B采樣點(diǎn)的香菜也超過標(biāo)準(zhǔn)限量值0.1倍，而小白菜、菠菜和生菜都沒有超過標(biāo)準(zhǔn)限量值，C采樣點(diǎn)的4種蔬菜的Cu含量都超過了標(biāo)準(zhǔn)限量值，超過了0.11倍左右，D（吉林化纖集團(tuán)）區(qū)域，4種蔬菜都沒有超過標(biāo)準(zhǔn)限量值。

2.2 重金屬污染程度的比較分析

2.2.1 對土壤中金屬污染程度分析

選取的4個(gè)菜地采樣地土壤重金屬的單項(xiàng)污染指數(shù)情況如表3所示。

表3 采樣區(qū)域土壤重金屬的污染評價(jià)Table 3 Pollution assessment of heavy metals in vegetable soil near sampling site

由表3可知，A、B、C采樣區(qū)域的附近菜地Cu污染的單項(xiàng)污染指數(shù)超過了1，依次為C＞A＞B，其他重金屬的單項(xiàng)污染指數(shù)值均處在安全范圍。4個(gè)菜地采樣點(diǎn)土壤重金屬的綜合污染情依次是：C＞A＞B＞D；其中A和C附近菜地綜合污染指數(shù)1.093和1.224，屬于輕度污染，B菜地綜合污染超指數(shù)處在警戒線。只有D菜地的綜合污染指數(shù)處于安全級(jí)。因?yàn)锳和C采樣點(diǎn)存在著比較大的Cu污染，因此導(dǎo)致兩地的綜合污染指數(shù)高，A采樣點(diǎn)除了Cu污染外，Cd污染也是造成污染指數(shù)升高的次要原因。C采樣點(diǎn)除了Cu污染外，Pb污染和Cd污染是造成污染指數(shù)升高的原因。結(jié)合單項(xiàng)污染指數(shù)和綜合污染指分析，可知，A和C菜地相對B、D菜地污染較嚴(yán)重，且Cu污染相對比較嚴(yán)重。

以吉林省背景為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算A、B、C、D采樣地附近菜地土壤中重金屬潛在的危害生態(tài)指數(shù)，如表4所示。

表4 采樣區(qū)域土壤重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)Table 4 Potential ecological hazard index of heavy metals in vegetable soil

由表4可知，A和C的潛在生態(tài)危害指數(shù)值分別為163.53和155.54，對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境有微量影響。而B和D的潛在生態(tài)危害指數(shù)值小于150，處在輕微生態(tài)環(huán)境，目前不會(huì)影響該地的生態(tài)環(huán)境。

續(xù)表4 采樣區(qū)域土壤重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)Continue table 4 Potential ecological hazard index of heavy metals in vegetable soil

2.2.2 對蔬菜中金屬污染程度分析

采樣區(qū)蔬菜中重金屬的單項(xiàng)污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)如表5所示。

表5 采樣區(qū)蔬菜中重金屬的單項(xiàng)污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)Table 5 Individual pollution index and comprehensive pollution index of heavy metals in sampled vegetables

從表5單項(xiàng)污染指數(shù)可以看出，選取的4個(gè)采樣地蔬菜主要是受到了Cu、Pb和Zn重金屬污染。其中A采樣點(diǎn)蔬菜受到Cu重金屬的污染較為嚴(yán)重，小白菜和菠菜單項(xiàng)污染指數(shù)超過1，處在潛在污染階段。B采樣點(diǎn)蔬菜受到Cu和Zn兩種重金屬污染，香菜的Zn和Cu的單項(xiàng)污染指數(shù)超過1，屬于潛在污染階段。C采樣點(diǎn)蔬菜受到Cu重金屬污染，采樣的4種蔬菜Cu的單項(xiàng)污染指數(shù)都超過1，有潛在污染危險(xiǎn)。D采樣點(diǎn)蔬菜沒有發(fā)現(xiàn)單項(xiàng)污染指數(shù)高于1的重金屬，所采樣的蔬菜都在安全范圍。

從表5綜合污染指數(shù)可以看出，4個(gè)采樣點(diǎn)對生菜的綜合污染程度順序是：C＞A＞B＞D，A和C處的蔬菜污染程度在警戒線，B、D在安全范圍；小白菜的綜合污染程度順序是：A＞C＞D＞B，A和C處的蔬菜污染程度在污染警戒線，B和D地蔬菜處在安全范圍內(nèi)。菠菜的綜合污染程度順序是：A＞B＞C＞D，除了A地蔬菜污染程度在污染警戒線，其余3地的蔬菜污染程度都在安全范圍內(nèi)；香菜的綜合污染程度順序是：A＞C＞B＞D，A和C地蔬菜污染程度在污染警戒線，B和D在安全范圍內(nèi)。綜上所述，A地蔬菜全部在污染警戒線，B和D地蔬菜全在安全范圍，C地部分蔬菜在安全范圍。

3 結(jié)論

1）通過將土壤樣品的6種金屬與國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對比，A采樣點(diǎn)重金屬有Cu、Pb、As的最大值分別高出國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)的0.36、0.10、0.03倍。B采樣點(diǎn)重金屬有Cu、Cd的最大值分別高出國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)的0.13、0.07倍。C采樣點(diǎn)重金屬有Cd、Cu的最大值超出國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的0.17、0.15倍。D采樣點(diǎn)檢測的6種重金屬結(jié)果都沒有超出國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

2）以單項(xiàng)污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)作為土壤污染程度的評價(jià)結(jié)果是，A、B、C的Cu單項(xiàng)污染指數(shù)大于1，有潛在污染風(fēng)險(xiǎn)。其他重金屬都處在安全范圍。以潛在生態(tài)危害分析評價(jià)方法作為土壤污染程度的評價(jià)結(jié)果是，A和C潛在生態(tài)危害指數(shù)值（Eir、RI）處在潛在危害的范圍內(nèi)，屬于中等危害，其潛在危害指數(shù)不高。

3）對蔬菜中的重金屬含量分析的結(jié)果是，Cu對蔬菜的污染相對其他金屬相比嚴(yán)重，其次是Zn和Pb，只是微量超過蔬菜標(biāo)準(zhǔn)限量值。4個(gè)采樣區(qū)域附近菜地的蔬菜污染程度是：A采樣點(diǎn)蔬菜污染程度在污染警戒線，B和D采樣點(diǎn)蔬菜污染程度都在安全范圍，C采樣點(diǎn)蔬菜污染程度部分在安全范圍。

綜上所述，4個(gè)采樣區(qū)域土壤和蔬菜的重金屬污染程度是：A＞C＞B＞D。

本研究通過對吉林市化工區(qū)不同菜地及蔬菜進(jìn)行采樣分析其重金屬污染情況，不足之處在于沒有分階段進(jìn)行采樣研究，同時(shí)沒有分析蔬菜的根、莖、葉等不同部位的重金屬積累。通過對化工區(qū)土壤重金屬的調(diào)查以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和重金屬污染對蔬菜的影響分析，為保護(hù)化工區(qū)土壤和食用蔬菜的安全性提供依據(jù)。同時(shí)對于提高蔬菜的質(zhì)量、保障人們的飲食安全、制定防治措施、建立預(yù)警和反應(yīng)機(jī)制、促進(jìn)蔬菜生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展也具有重要意義。