污灌區(qū)農(nóng)田土壤-作物體系重金屬復(fù)合污染及健康風(fēng)險評價

趙穎 王飛 喬鵬明

摘要：對山西太原小店污灌區(qū)土壤和主要農(nóng)作物產(chǎn)品取樣調(diào)查，分別測定分析了土壤和農(nóng)作物中砷（As）、汞（Hg）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、鉛（Pb）、銅（Cu）、鋅（Zn）等重金屬的含量。 同時，通過綜合污染指數(shù)評價了農(nóng)田土壤的污染狀況，并利用危險商（HQ）法評價了食用當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物產(chǎn)品對成人和兒童造成的重金屬健康風(fēng)險。結(jié)果表明，農(nóng)田土壤重金屬污染屬于警戒或輕度污染。參照GB 2762—2017《糧食衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，農(nóng)作物中重金屬的綜合污染指數(shù)由大到小為馬鈴薯>西葫蘆>茄子>黃瓜>西紅柿>生菜>春玉米>糯玉米，農(nóng)作物整體上屬于安全等級;從健康風(fēng)險指數(shù)來看，食用根莖類蔬菜對成人具有潛在健康風(fēng)險;對兒童而言，除谷物外，其他4類作物均對兒童具有潛在健康風(fēng)險，且重金屬通過本地農(nóng)作物產(chǎn)品攝入對成人造成的健康風(fēng)險略高于兒童。

關(guān)鍵詞：污染農(nóng)田;土壤;農(nóng)產(chǎn)品;重金屬;健康風(fēng)險

中圖分類號： X53 ?文獻標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）23-0270-05

近年來，我國土壤環(huán)境質(zhì)量不斷下降，主要是因為工業(yè)“三廢”以及城市生活垃圾等的不恰當(dāng)?shù)奶幹门c排放[1-2]。農(nóng)田土壤是農(nóng)產(chǎn)品的主要產(chǎn)地，也是污染物的主要載體。 研究人員目前主要對污灌區(qū)土壤重金屬污染與積累狀況及農(nóng)作物重金屬累積量的相關(guān)性等方面進行了探討，這些研究對于揭示污灌對土壤和農(nóng)作物重金屬分布特征、運移規(guī)律、累積效應(yīng)及其生態(tài)環(huán)境影響具有重要的促進作用[3-8]。 已有研究多集中在南方農(nóng)田周圍的老工業(yè)區(qū)，對于北方半干旱地區(qū)污灌區(qū)對土壤農(nóng)作物系統(tǒng)重金屬積累及其對人體健康風(fēng)險評價的報道尚少。

山西省太原市小店區(qū)位于太原市東南部，由于水資源短缺，該區(qū)主要采用污水進行農(nóng)業(yè)灌溉，已有30多年歷史;雖然緩解了用水緊張，但也使得該區(qū)的土壤受到污水中有毒有害物質(zhì)不同程度的污染，影響了作物的質(zhì)量，甚至危及人體健康。本研究對山西省太原市小店污灌區(qū)農(nóng)田土壤重金屬含量進行測定，以山西省土壤背景值作為對照，分別運用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對土壤、作物中重金屬的污染水平進行評價，對土壤有效態(tài)重金屬和作物中全量重金屬的相關(guān)關(guān)系進行分析，同時對作物的健康風(fēng)險進行評價，以期了解小店污灌區(qū)重金屬的污染水平，同時了解重金屬通過土壤-作物體系對人類的健康風(fēng)險。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況和樣品采集

研究區(qū)位于山西省太原市小店區(qū)（圖1），該研究區(qū)主要使用汾河一壩東干渠、北張退水渠和太榆退水渠的污水灌溉，灌溉污水主要包括經(jīng)楊家堡污水處理廠處理過的工業(yè)廢水、沿途匯入的城鎮(zhèn)生活污水、部分未經(jīng)處理的工業(yè)廢水（如禽畜養(yǎng)殖場、食品加工廠），有超過20年的污灌歷史。該區(qū)域?qū)儆谂瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫約 9.5 ℃，年平均降水量442 mm，研究區(qū)主要土壤類型為褐土，土壤整體偏弱堿性。

在研究區(qū)3條污灌渠附近于2016年7月采集土壤樣品，采用網(wǎng)格布點法按照污水渠流向共布設(shè)35個采樣點位（圖1）。土壤：用木鏟采集0～20 cm表層土壤，每個采樣點采用對角線法采集1個混合樣，經(jīng)四分法取出 500 g土樣帶回實驗室自然風(fēng)干，研磨過200目尼龍篩，裝磨口玻璃瓶待測。蔬菜和谷物：蔬菜或谷物成熟后，在所布設(shè)的土樣點位附近采集5株植物樣品，帶回實驗室清洗烘干后研磨過20目尼龍篩，保存待測。合計35個土壤樣品和35個蔬菜樣品。

1.2 樣品分析

將HNO3-HCl混合液（體積比1 ∶ 1）于沸水浴中消煮2 h后用于總砷（As）、總汞（Hg）含量的測定。用石墨爐-原子吸收光譜法測定總鎘（Cd）、總鉛（Pb）含量[9];用火焰-原子吸收光譜法測定總鉻（Cr）、總銅（Cu）、總鋅（Zn）含量[10];用原子熒光法測定As和Hg的含量[11]。

1.3 重金屬污染評價

污染評價參考值以GB 15618—2008《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（修訂）》中二級限量值作為標(biāo)準(zhǔn)（表4），采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評估污染狀況。

P綜=CiSi2mean+CiSi2max2。

式中：Ci是土壤重金屬i的實測值;Si是重金屬i 的評價標(biāo)準(zhǔn)值;（Ci/Si）mean和（Ci/Si）max分別為平均單因子污染指數(shù)和最大污染指數(shù)。P綜為內(nèi)梅羅綜合指數(shù)，評價等級劃分標(biāo)準(zhǔn)：P綜≤0.7，安全;0.7﹤P綜≤1，警戒;1﹤P綜≤2，輕度污染;2﹤P綜≤3，中度污染;P綜>3，重度污染。

1.4 農(nóng)產(chǎn)品健康風(fēng)險評價

單一重金屬潛在的非致癌風(fēng)險評價參數(shù)為風(fēng)險系數(shù)（HQ）[12]，該方法假定污染物吸收劑量等于攝入劑量，以人體攝入污染物劑量與參考劑量的比值作為評價標(biāo)準(zhǔn)。計算公式如下：

式中：CDI為慢性日均暴露量，表示單位體質(zhì)量單位時間的污染物攝入量，mg/（kg·d）;RfD0表示重金屬經(jīng)口毒性參考劑量，mg/（kg·d）;CF表示重金屬均值，mg/kg;IR表示每人每日農(nóng)產(chǎn)品攝入量，kg/d;EF表示暴露頻率;ED表示平均暴露的持續(xù)時間，年;BW表示平均體質(zhì)量，kg;AT表示平均暴露時間，d;各參數(shù)取值見表1[12-16]。

根據(jù)相關(guān)文獻報道[17-19]，本研究選擇參數(shù)如下：IR成人蔬菜攝入率0.301 kg/d，兒童蔬菜攝入率0.231 kg/d;成人玉米攝入率為0.15 kg/d，兒童玉米攝入率0.1 kg/d;ED成人30年，兒童7年;BW成人63.5 kg，兒童25.6 kg;RfD0（Zn）=3×10-1 mg/（kg·d），RfD0（Cu）=4×10-2 mg/（kg·d），RfD0（Cd）=1×10-3 mg/（kg·d），RfD0（Cr）=3×10-3 mg/（kg·d），RfD0（As）=5×10-2 mg/（kg·d），RfD0（Pb）=3.5×10-3 mg/（kg·d），RfD0（Hg）=3×10-4 mg/（kg·d）。

多種重金屬潛在的非致癌風(fēng)險評價參數(shù)為風(fēng)險指數(shù)（HI），計算公式如下：

可見，風(fēng)險指數(shù)等于風(fēng)險系數(shù)之和，當(dāng)HI>1 時，表明有潛在健康風(fēng)險。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用Excel 2010和SPSS 19.0 進行統(tǒng)計與相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 小店污灌區(qū)農(nóng)田土壤重金屬含量特征及污染評價

由表2可知，小店污灌區(qū)不同區(qū)域土壤中重金屬含量分布差異較大，Cd、Pb、Cr、As、Hg、Cu、Zn含量分別為0.15～0.82、9.85～69.74、44.32～130.12、9.57～24.19、0.08～0.49、20.40～70.51、55.00～252.72 mg/kg，其平均值由大到小依次為Zn>Cr> Cu> Pb>As>Cd>Hg。研究區(qū)所有重金屬含量均高于太原市土壤環(huán)境背景值，但均低于國家二級標(biāo)準(zhǔn)值。變異系數(shù)（CV）反映了總體樣本中各采樣點的平均變異程度，若CV<10%，則為弱變異性，若10%≤CV<100%，則為中等變異性，若CV>100%，則為強變異性[20]。小店污灌區(qū)7種重金屬含量的變異系數(shù)為32.92%～65.29%，屬于中等變異性。

由表3可以看出，研究區(qū)土壤重金屬的單因子污染指數(shù)平均值均小于1，表示未污染;其中As和Cd的單因子污染指數(shù)最大，是污染的主要貢獻因子。研究區(qū)重金屬污染的綜合指數(shù)為0.63，土壤處于安全等級。但各采樣點的綜合污染指數(shù)差異較大，分布在污灌區(qū)中部的采樣點綜合污染指數(shù)較大，為0.85～1.11，屬于警戒或輕度污染等級，表明土壤作物開始受到污染。

2.2 小店污灌區(qū)作物重金屬含量特征與污染評價

不同種類農(nóng)作物重金屬含量如表4所示，蔬菜重金屬含量評價采用 GB 2762—2017《糧食衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（表5）;結(jié)果顯示，除根莖類作物的Cd以外，其余作物中重金屬含量均未超過規(guī)定的限值標(biāo)準(zhǔn)。由于沒有Cu和Zn的作物含量限值標(biāo)準(zhǔn)，所以未對其含量是否超標(biāo)進行評價。作物中其余5種重金屬的含量差異大，總體上從高到低排序為Cr>As>Pb>Cd>Hg，這是由于作物對不同類別重金屬的吸附物特性有關(guān)。As、Cr、Pb在8種作物中的含量均接近，說明As、Cr、Pb在這些作物中的吸附能力相近，而Hg在所有作物中的含量均較低，且遠低于其他幾種重金屬的含量，說明這些作物在對5種重金屬的吸附能力中對Hg的吸收富集能力最弱。Cd在根莖類和瓜菜類中的含量較高，在根莖類中超過衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)限值，在瓜菜類中也接近于衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)限值。

由表6可知，從單因子污染指數(shù)來看，As、Hg和Cr的單因子污染指數(shù)均小于1，表明該研究區(qū)這五大類作物未受到As、Hg、Cr的污染;Pb單因子污染指數(shù)的平均值為0.935，在5種重金屬中單因子污染指數(shù)最高，其中瓜菜類的西葫蘆、黃瓜的Pb污染指數(shù)均大于1，表明瓜菜類受到Pb污染; 根莖類Cd污染指數(shù)大于1，表明根莖類受到Cd污染。

從內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)看，五大類8種作物尚未受到重金屬的嚴(yán)重污染，其綜合污染指數(shù)由高到低依次為馬鈴薯、西葫蘆、茄子、黃瓜、西紅柿、生菜、春玉米、糯玉米。馬鈴薯、茄子、黃瓜、西葫蘆的指數(shù)均大于1小于2，說明其重金屬污染已經(jīng)在輕度污染水平，而茄果類的西紅柿、葉菜類和谷物的綜合污染指數(shù)均≤0.7，其重金屬污染等級屬于安全等級。當(dāng)?shù)鼐用駪?yīng)當(dāng)多食用和種植葉菜類和谷物，減少根莖類和瓜菜類的使用和種植，以降低其使用引起的健康風(fēng)險。茄果類蔬菜的種植應(yīng)根據(jù)不同蔬菜種類對重金屬的吸附特性，視情況而定。

2.3 小店污灌區(qū)農(nóng)作物健康風(fēng)險評估

由表7可知，研究區(qū)中Cd和Cr對成人和兒童的風(fēng)險系數(shù)在7種重金屬中是最高的，說明在研究區(qū)Cd和Cr對人類的健康風(fēng)險最大。從風(fēng)險指數(shù)來看，對成人而言，根莖類的具有潛在健康風(fēng)險;對兒童而言，除了谷物外，其他4類作物均對兒童具有潛在健康風(fēng)險，這與周雅等的研究結(jié)果[21]一致。這主要是由于兒童的身體仍在生長發(fā)育，各個器官尤其是排毒器官的功能仍不完善，其對重金屬等有毒有害物質(zhì)更為敏感[22]。食用相同的蔬菜和谷物，兒童的健康風(fēng)險高于成人。

4 結(jié)論

研究區(qū)的重金屬含量均高于太原市土壤環(huán)境背景值;但低于我國土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)。農(nóng)田土壤As和Cd的單因子污染指數(shù)最大，是污染的主要貢獻因子。分布在污灌區(qū)中部的采樣點綜合污染指數(shù)較大，屬于警戒或輕度污染等級。

農(nóng)作物中重金屬的單因子污染指數(shù)均值均小于1，其均值排序由大到小順序為Cr>Pb>As>Cd>Hg。農(nóng)作物中重金屬的綜合污染指數(shù)排序為馬鈴薯>西葫蘆>茄子>黃瓜>西紅柿>生菜>春玉米>糯玉米，基本上屬于安全等級。其中根莖類和瓜菜類重金屬污染等級屬于輕度污染水平，而葉菜類和谷物重金屬污染等級屬于安全等級。

單個重金屬健康風(fēng)險評價結(jié)果顯示，7種重金屬的健康風(fēng)險指數(shù)（HQ）均小于1。但多種重金屬潛在的非致癌風(fēng)險評價參數(shù)結(jié)果顯示，食用根莖類的蔬菜對成人具有潛在健康風(fēng)險;對兒童而言，除了谷物外，其他4類作物均對兒童具有潛在健康風(fēng)險，且重金屬通過本地蔬菜和谷物產(chǎn)品攝入對成人造成的健康風(fēng)險略高于兒童。

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