有機(jī)肥施用對(duì)蔬菜及其土壤環(huán)境中重金屬含量的影響及健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

王忠林，虞軼俊，王紫艷，楊桂玲*

(1.龍泉市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江 龍泉 323700； 2.浙江省耕地質(zhì)量與肥料管理總站，浙江 杭州 310020；3.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室(杭州)，浙江 杭州 310020)

隨著生態(tài)農(nóng)業(yè)的大力發(fā)展以及人類對(duì)綠色有機(jī)食品需求的提高，有機(jī)肥的作用重新受到人們的重視。近年來(lái)，國(guó)家實(shí)施果菜有機(jī)肥替代化肥示范縣創(chuàng)建，加大有機(jī)肥推廣應(yīng)用力度，實(shí)踐證明，有機(jī)肥替代化肥能夠提高耕地土壤肥力，進(jìn)而改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。但由于畜禽業(yè)向規(guī)?；⒓s化發(fā)展，因飼料中違規(guī)添加、排泄物處理工藝落后、使用方式不當(dāng)?shù)纫蛩?，畜禽糞尿等排泄物，對(duì)產(chǎn)地環(huán)境、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全造成的污染風(fēng)險(xiǎn)日趨嚴(yán)重[1-2]。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外大量文獻(xiàn)中研究結(jié)果及結(jié)論的整理分析表明，長(zhǎng)期施用豬糞等畜禽糞便有機(jī)肥會(huì)顯著增加耕地土壤中重金屬的含量，使得重金屬在土壤環(huán)境中累積風(fēng)險(xiǎn)有升高的趨勢(shì)，從而造成土壤及農(nóng)產(chǎn)品中重金屬含量超標(biāo)的現(xiàn)象[3-5]。因此，亟需開(kāi)展相應(yīng)的有機(jī)肥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作，跟蹤已有風(fēng)險(xiǎn)因子，明確風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源，為有機(jī)肥質(zhì)量監(jiān)管和施用技術(shù)的生產(chǎn)指導(dǎo)提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

龍泉市可使用土地總面積為3 059 km2，能夠種植山地蔬菜的面積高達(dá)16 667 hm2。龍泉市海拔500 m以上的耕地總面積為8 667 hm2，海拔800 m以上的耕地面積3 333 hm2，可利用面積居全省第一[6]。優(yōu)越的耕地、氣候、生態(tài)環(huán)境條件，非常適合發(fā)展生態(tài)精品蔬菜產(chǎn)業(yè)，目前已建成高山蔬菜、山地蔬菜和設(shè)施蔬菜的高、中、低三個(gè)產(chǎn)業(yè)帶。2017年龍泉市蔬菜種植面積6 833 hm2，產(chǎn)值達(dá)4.86億元。

1.2 樣品采集

根據(jù)龍泉市蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展及有機(jī)肥替代情況的調(diào)研結(jié)果，選擇30多個(gè)具有代表性的蔬菜種植基地進(jìn)行樣品采集。具體采集原則為：蔬菜樣品采自多個(gè)植株且均勻分布，每個(gè)蔬菜樣品采集量為2 kg。土壤樣品采自蔬菜所在地中0～20 cm的耕作層，每個(gè)土壤樣品由多個(gè)子樣混合而成，總重為2 kg。采集樣品共68批次，且采集土壤樣品與蔬菜樣品一一對(duì)應(yīng)，各34批次，蔬菜樣品為茄果類、豆類、葉菜類等常見(jiàn)蔬菜種類。

1.3 研究方法

1.3.1 污染指數(shù)法

單因子污染指數(shù)(Pi)是指重金屬實(shí)際檢測(cè)值和該重金屬限量標(biāo)準(zhǔn)的比值，可用來(lái)表征土壤中單一重金屬的污染程度，具體公式[7-8]：

式中：Pi為重金屬i的單因子污染指數(shù)；Ci為土壤中重金屬i的檢測(cè)值(mg·kg-1)；Si為重金屬i的限量標(biāo)準(zhǔn)值(mg·kg-1)。

單因子污染指數(shù)僅反映了土壤中某單一重金屬的污染程度，而內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)PN不僅綜合了多種重金屬污染情況，而且突出了土壤中重金屬污染情況最嚴(yán)重的綜合污染評(píng)價(jià)方法，計(jì)算如下式所示[9-10]：

式中，PN為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；Pi平均為綜合重金屬單因子污染指數(shù)的平均值；Pi最大為重金屬i的單因子污染指數(shù)最大值。

1.3.2 污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

土壤中重金屬的污染劃分為5個(gè)等級(jí)[11-12]，標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。其中，P≤0.7表示土壤為安全狀態(tài)，未受污染；0.7

表1 Pi及PN分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.3.3 膳食暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

使用健康風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)(HQi)對(duì)不同人群通過(guò)蔬菜攝入重金屬后的膳食暴露風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，通過(guò)重金屬的攝入劑量與參考劑量比值，計(jì)算出反映該重金屬對(duì)暴露人群的危害程度。當(dāng)HQi<1.0時(shí)，表明重金屬不會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生危害[13-15]。計(jì)算公式：

HQi=(Ci×IR蔬菜×EF×ED)/(BW×AT×RfDi)。

式中，IR蔬菜為人均蔬菜消費(fèi)量(kg·d-1)；EF為人體每年暴露在重金屬條件下的天數(shù)(d·a-1)；ED為人體暴露在重金屬下的年限(a)；BW為體重(kg)；AT為暴露總時(shí)間(d)；RfDi為重金屬i的參考劑量(mg·kg-1·d-1)。

HQi僅能用來(lái)表示某單一重金屬對(duì)人群的膳食暴露風(fēng)險(xiǎn)，而多種重金屬對(duì)人群的總膳食暴露風(fēng)險(xiǎn)則用危害系數(shù)(HI)表征[11]，計(jì)算公式：

HI=∑HQi。

分別對(duì)兒童、成年人和中老年3個(gè)不同年齡段人群所攝入蔬菜中的重金屬膳食暴露風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算[16]。當(dāng)HI<1.0時(shí)，說(shuō)明蔬菜中的重金屬不會(huì)對(duì)人體造成暴露風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)HI>1.0時(shí)，說(shuō)明重金屬對(duì)人體可能產(chǎn)生危害。

1.3.4 評(píng)估數(shù)據(jù)來(lái)源

毒理學(xué)數(shù)據(jù)。化學(xué)污染物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估不僅要考慮統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，還要考慮評(píng)估模型的合理性和結(jié)果的保守性，對(duì)于化學(xué)污染物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估選擇平均值更接近人體攝入污染物實(shí)際值。因此，本報(bào)告選用平均值對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估參照，所有未檢出數(shù)據(jù)用1/2LOD(檢出限)替代。

消費(fèi)量及體重?cái)?shù)據(jù)。蔬菜重金屬暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中消費(fèi)量、人群體重?cái)?shù)據(jù)主要來(lái)源于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的相關(guān)文獻(xiàn)見(jiàn)[15,17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤污染指數(shù)評(píng)估結(jié)果

如圖1所示，根據(jù)單因子污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果，5.9%土壤受到輕度鎳污染；分別有2.9%土壤受到輕度和中度的銅污染；14.7%和 2.9%土壤樣品受到輕度和重度鋅污染；分別有35.3%、2.9%、11.8%的土壤受到輕度、中度、重度的鎘污染；分別有11.8%、2.9%、2.9%的土壤受到輕度、中度、重度的鉛污染。

圖1 土壤中重金屬污染占比

按照內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果，11.8%樣品受到重度污染，2.9%樣品受到中度污染，5.9%樣品受到輕度污染，44.1%樣品處于警戒狀態(tài)，35.3%樣品為安全狀態(tài)。

2.2 蔬菜膳食暴露評(píng)估結(jié)果

龍泉市蔬菜中的重金屬對(duì)不同年齡段人群的健康風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)如圖2所示。在所有類別蔬菜中，重金屬對(duì)兒童的膳食暴露風(fēng)險(xiǎn)均高于青壯年和中老年。就某單一重金屬而言，研究區(qū)蔬菜重金屬HQi及HI平均值排序?yàn)镃d>Pb>Cu>Cr>Zn>Ni，說(shuō)明蔬菜中的鎘、鉛等重金屬產(chǎn)生的暴露風(fēng)險(xiǎn)要高于鋅、鎳等重金屬，但蔬菜中的所有重金屬(Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb)對(duì)兒童、青壯年和中老年人產(chǎn)生的健康風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)及總危害系數(shù)均未超過(guò)1.0，表明攝入龍泉地區(qū)蔬菜后不會(huì)對(duì)居民身體健康產(chǎn)生危害。

圖2 蔬菜重金屬膳食風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

2.3 富集系數(shù)

已有研究表明，農(nóng)產(chǎn)品對(duì)其周邊土壤中不同重金屬的吸收能力具有明顯的差異，而富集系數(shù)是反映農(nóng)產(chǎn)品對(duì)土壤中重金屬吸收能力的常見(jiàn)指標(biāo)[18-19]。富集系數(shù)是指蔬菜中某重金屬檢測(cè)值與土壤中該重金屬檢測(cè)值的比值，其比值越小，說(shuō)明蔬菜對(duì)土壤中重金屬的吸收能力越弱，反之，則說(shuō)明蔬菜對(duì)土壤中重金屬吸收能力越強(qiáng)[19-21]。

蔬菜對(duì)土壤中重金屬富集系數(shù)計(jì)算結(jié)果表明，蔬菜對(duì)不同重金屬的吸收能力有明顯差異，重金屬Cr、Pb、Ni、Zn、Cu、Cd的富集系數(shù)如圖3所示，富集系數(shù)最大的是鎘，最小的是鉻，且富集系數(shù)相差100多倍，說(shuō)明蔬菜對(duì)鎘、銅較易吸收，對(duì)鉻、鉛的抵抗能力最強(qiáng)。

圖3 重金屬富集系數(shù)

2.4 相關(guān)性分析

由表2可知，有機(jī)肥使用量與土壤中受污染程度無(wú)顯著相關(guān)(P=0.408>0.05)。可能原因：(1)除土壤外，龍泉地區(qū)蔬菜中更多的重金屬吸收來(lái)源于土壤背景值及大氣、水沉降等；(2)樣本數(shù)據(jù)量較少，統(tǒng)計(jì)學(xué)上可能存在較大誤差；(3)蔬菜中施用有機(jī)肥的種類較多，如菌肥、菜籽餅、畜禽糞便等，不同有機(jī)肥中重金屬含量差異較大。

表2 有機(jī)肥用量與土壤污染相關(guān)性(n=31)

3 小結(jié)

污染指數(shù)評(píng)估結(jié)果表明，極少數(shù)土壤樣品存在鎘、鉛等重金屬超標(biāo)情況，已超出GB 15617—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》規(guī)定的風(fēng)險(xiǎn)篩選值。龍泉蔬菜中重金屬膳食風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果表明，蔬菜中重金屬對(duì)兒童可能造成的膳食暴露風(fēng)險(xiǎn)要高于青年人和中老年，但對(duì)所有年齡段的人群健康均不會(huì)產(chǎn)生危害。由于鉛、鎘部分土壤樣品已受到污染，且鉛、鎘屬于長(zhǎng)期慢性暴露的有毒、有害重金屬。因此，今后需重點(diǎn)關(guān)注蔬菜中鉛、鎘的污染來(lái)源，并進(jìn)行防范治理。同時(shí)，當(dāng)?shù)鼐用褚矐?yīng)合理調(diào)整蔬菜食用結(jié)構(gòu)，保障飲食安全，以降低鉛、鎘重金屬在身體中的富集風(fēng)險(xiǎn)。

有機(jī)肥施用量與土壤污染程度相關(guān)性分析表明，該地區(qū)受污染土壤重金屬累積風(fēng)險(xiǎn)與有機(jī)肥施用暫無(wú)相關(guān)性的結(jié)論，可能是因?yàn)樵摰貐^(qū)土壤重金屬背景值較高，或是施用有機(jī)肥種類較多，不同有機(jī)肥中重金屬含量差異較大，存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，但不可忽視有機(jī)肥長(zhǎng)期使用對(duì)土壤中重金屬的累積風(fēng)險(xiǎn)。建議持續(xù)開(kāi)展不同原料生產(chǎn)的有機(jī)肥產(chǎn)品中重金屬的含量、有機(jī)肥連續(xù)使用對(duì)土壤中重金屬的累積性評(píng)估及在不同農(nóng)產(chǎn)品重金屬殘留的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)評(píng)估，為有機(jī)肥科學(xué)安全使用提供科學(xué)的依據(jù)。