嘉興市農(nóng)田菜地果園土壤重金屬人體健康風(fēng)險評價

李 莉，金雅薇，陳 燕，馬艷玲，浦國佳，沈耀宗

(浙江省嘉興生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，浙江 嘉興 314000)

土壤的重金屬污染是我國比較突出的土壤環(huán)境問題之一[1-2]。土壤中重金屬污染物的積累不僅會對生態(tài)環(huán)境造成破壞[3]，還會影響相關(guān)的農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量[4]，并且會通過食物鏈對人體的健康造成嚴(yán)重危害。土壤中的重金屬不但可以通過食物鏈影響人體健康，還會經(jīng)過手-口攝入、呼吸和皮膚等接觸途徑進(jìn)入人體[5]。美國國家環(huán)境保護(hù)署(US EPA)于1986年頒布了一系列健康風(fēng)險評價體系的技術(shù)性文件、指南，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于土壤、大氣降塵對人體健康風(fēng)險狀況的評估體系中。

隨著民眾的健康風(fēng)險意識的加強(qiáng)和提高，農(nóng)產(chǎn)品中的重金屬污染逐漸受到越來越多的關(guān)注。嘉興市作為浙江省重要的糧、油產(chǎn)區(qū)，正確的評估嘉興市農(nóng)村農(nóng)業(yè)用地的土壤重金屬健康風(fēng)險，對于無公害農(nóng)業(yè)發(fā)展、人群健康保護(hù)以及本地的農(nóng)業(yè)發(fā)展都具有重要的意義。

本文選取了嘉興市7個縣(市、區(qū))的農(nóng)村土壤監(jiān)測中的農(nóng)作物產(chǎn)區(qū)(農(nóng)田、菜地和果園點位(共67個，其中農(nóng)田點位36個，菜地21個，果園10個)2019-2020年)的土壤監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用US EPA推薦的健康風(fēng)險評價模型，對土壤中重金屬鎘(Cd)、汞(Hg)、砷(As)、鉛(Pb)、鉻(Cr)、銅(Cu)、鎳(Ni)和鋅(Zn)經(jīng)手-口攝入、呼吸攝入和皮膚接觸3種暴露途徑的健康風(fēng)險進(jìn)行評估，希望對嘉興市農(nóng)用地生態(tài)環(huán)境發(fā)展及民眾身體健康提供科學(xué)的依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

嘉興地處中國華東地區(qū)、浙江省東北部、長江三角洲杭嘉湖平原腹地，是長江三角洲重要的城市之一，也是浙江省最大的平原區(qū)主，地勢平坦土壤肥沃，雨熱同期，河網(wǎng)密布，非常有利于有利于農(nóng)業(yè)的發(fā)展。嘉興自古為繁華富庶之地，素有“魚米之鄉(xiāng)”、“絲綢值府”美譽(yù)。

1.2 內(nèi)梅羅指數(shù)法

單因子指數(shù)法是土壤評價中最常用的評價方法：

(1)

式中:Pi為第i種污染物的單項污染指數(shù)；Ci為污染物的實測值；Si為第i種污染物的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值。

內(nèi)梅羅指數(shù)法是一種綜合指數(shù)法，是在單因子指數(shù)法發(fā)展而來的，可以綜合評價土壤中的重金屬污染狀況：

(2)

式中:P為土壤綜合污染指數(shù)，Pave為單項污染指數(shù)平均值，Pimax為最大單項污染指數(shù)。按照內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)，土壤污染等級可以被劃分為5個等級(見表1)。

表1 內(nèi)梅羅指數(shù)土壤污染等級分級評價

1.3 土壤健康風(fēng)險評價法

1.3.1 模型與參數(shù)

健康風(fēng)險評估的目的是搞清楚目標(biāo)污染物質(zhì)對人體健康會造成什么樣的損傷以及導(dǎo)致這種損傷的可能性。土壤中的重金屬可以經(jīng)口直接攝入、皮膚接觸和呼吸吸入3種主要的途徑進(jìn)入人體，本文參考了US EPA的健康風(fēng)險評估風(fēng)險，結(jié)合《中國人群暴露參數(shù)手冊》、《我國場地環(huán)境評價指南》和實際情況，得到3種不同暴露途徑的重金屬日均暴露量相關(guān)計算公式及參數(shù)如下[6-14]：

(3)

(4)

(5)

式中:ADDing、ADDinh、ADDdern分別是通過手-口攝入途徑、呼吸途徑和皮膚接觸途徑攝入的重金屬日均暴露量,mg/(kg·d)；c為實測土壤樣品的重金屬含量,mg/kg。

表2 重金屬健康風(fēng)險暴露參數(shù)取值

1.3.2 人體健康風(fēng)險表征

本文研究了8種重金屬污染：鎘(Cd)、汞(Hg)、砷(As)、鉛(Pb)、鉻(Cr)、銅(Cu)、鎳(Ni)和鋅(Zn)；這8種重金屬都具有慢性非致癌風(fēng)險，其中Cd、Cr、As、Ni具有致癌風(fēng)險。根據(jù)重金屬的3種暴露途徑及人體健康風(fēng)險評價模型，土壤重金屬的非致癌風(fēng)險(HQ)、總非致癌風(fēng)險指數(shù)(HI)和致癌風(fēng)險指數(shù)(TCR)計算公式如下[8-10]：

(6)

(7)

(8)

(9)

式中各參數(shù)意義見表3。HI表示所有重金屬非致癌風(fēng)險健康風(fēng)險指數(shù)，當(dāng)HI<1或HQ<1，表示重金屬非致癌風(fēng)險較小，可忽略；當(dāng)HI1或HQ1，表示存在重金屬非致癌風(fēng)險，值越大，表明健康風(fēng)險越大[8-10,14]。當(dāng)TCR<10-6時，表明重金屬無致癌風(fēng)險；當(dāng)10-610-4時，表示暴露于這種特定的環(huán)境將給個體造成一定的患癌風(fēng)險。

表3 健康風(fēng)險表征模型各參數(shù)意義

不同重金屬在不同暴露途徑下對人體的健康風(fēng)險參考劑量RfD和致癌斜率因子SF見表4。

表4 不同暴露途徑下各重金屬健康風(fēng)險參考劑量和致癌斜率因子

2 結(jié)果分析與討論

2.1 研究區(qū)域土壤的重金屬含量特征

67個嘉興市農(nóng)作物產(chǎn)區(qū)的土壤點位中的8種重金屬濃指標(biāo)情況見表5。除了As的均值低于土壤環(huán)境背景值以外[19]，其余重金屬污染物均超過背景值，說明這7種重金屬污染物在嘉興市農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)區(qū)土壤中有一定的積累。在所有點位中，Hg和Cu的變異系數(shù)CV值最大，為0.60；Cd和Pb的CV值分別為0.56和0.52，這4種重金屬元素的變異系數(shù)都呈現(xiàn)強(qiáng)變異(CV>0.5)[20]，說明這4種元素空間分布的不均勻；Zn、Cr、As和Ni呈現(xiàn)中等變異(0.2

表5 嘉興市農(nóng)田、菜地、果園土壤重金屬含量特征表

表6分別給出了各農(nóng)作物產(chǎn)區(qū)金屬污染物的變異系數(shù)，農(nóng)田點，Hg、Zn、Cd、和Pb的CV顯示出強(qiáng)變異；菜地點，Cd、Hg、Pb的CV顯示出強(qiáng)變異；果園中，Cu、Cd和Pb的CV顯示出強(qiáng)變異。

表6 嘉興市農(nóng)田、菜地、果園土壤各重金屬變異系數(shù)

2.2 研究區(qū)域重金屬污染評價

67個農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)區(qū)點位中，1個農(nóng)田點位的汞含量超標(biāo)，超標(biāo)率為26.7%；1個果園點位的鋅含量超標(biāo)，超標(biāo)率為18.0%，另1個農(nóng)田點位的鋅超標(biāo)，超標(biāo)率為95.2%。內(nèi)梅羅結(jié)果顯示36個農(nóng)田點位中，各有1個點位屬于尚未污染和輕度污染狀態(tài)，其余為清潔無污染的狀態(tài)；21個菜地點位中有20個點位為清潔無污染狀態(tài)，1個為尚未污染狀態(tài)；10個果園點位中，9個點位為清潔無污染狀態(tài)，1個為尚未污染狀態(tài)。

2.3 研究區(qū)域土壤重金屬人體健康風(fēng)險

2.3.1 土壤重金屬的日平均暴露量

嘉興市農(nóng)田、菜地、果園產(chǎn)區(qū)土壤重金屬在手-口攝入、呼吸攝入和皮膚接觸這3種暴露途徑下的致癌、非致癌日均暴露量由公式(3)～(5)計算得到。

2.3.2 土壤重金屬健康風(fēng)險評價

嘉興市農(nóng)田、菜地、果園產(chǎn)區(qū)的8種土壤重金屬污染物的成人、兒童經(jīng)過3種不同暴露途徑的單項HQ和HI可以由公式(6)、(7)計算可得。土壤中的鎘、砷、鉻、鎳的單項CR和TCR由公式(8)、(9)計算而得。

結(jié)果顯示，嘉興市農(nóng)田、菜地、果園產(chǎn)區(qū)的8種重金屬對成人、兒童的HQ、HI均小于1，說明研究區(qū)域內(nèi)土壤重金屬對于成人和兒童都處于安全范圍內(nèi)，基本不會危害人體健康。

農(nóng)田、菜地和果園的鎘、砷、鉻、鎳對成人和兒童的CR結(jié)果顯示，各產(chǎn)區(qū)的砷對于成人和兒童的CR均存在不同程度的大于US EPA推薦的土壤治理標(biāo)準(zhǔn)的情況(>10-6)；農(nóng)田區(qū)和果園區(qū)的鎘對兒童的CR存在不同程度的大于US EPA推薦的土壤治理標(biāo)準(zhǔn)的情況(>10-6)，處于人體可耐受的致癌風(fēng)險范圍之內(nèi)(10-6～10-4)，應(yīng)該引起足夠重視。研究區(qū)域內(nèi)，鉻和鎳的CR均小于10-6，表示它們對成人和兒童均不構(gòu)成致癌風(fēng)險。

研究區(qū)域內(nèi)，重金屬的非致癌風(fēng)險表現(xiàn)為手-口途徑>皮膚途徑>呼吸途徑；對于3種暴露途徑下非致癌健康風(fēng)險指數(shù)，鉻、砷、鉛位于8種重金屬污染物中的前三位。非致癌風(fēng)險中，不同作物區(qū)針對兒童的HI表現(xiàn)為菜地>農(nóng)田>果園>0.5；各農(nóng)作物產(chǎn)區(qū)針對成人的HI表現(xiàn)與兒童一致，但是針對成人的HI均小于等于0.1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于針對兒童的HI，說明針對成人來說重金屬的健康風(fēng)險較小，可以忽略不計。其中，對成人和兒童的非致癌風(fēng)險中，各個產(chǎn)區(qū)貢獻(xiàn)最大的金屬都是鉻，其次為砷，第三為鉛。金屬鎳、銅、汞、鋅和鎘對HQ的貢獻(xiàn)率之和小于7.0%；也就是說在兒童和成人非致癌總風(fēng)險中，HQCr、HQAs、HQPb的貢獻(xiàn)率之和達(dá)到所有重金屬HQ之和的93.0%以上，可見鉻、砷和鉛是嘉興市農(nóng)田、菜地和果園非致癌風(fēng)險較大的3個貢獻(xiàn)因子。

研究區(qū)域的成人致癌風(fēng)險和兒童致癌風(fēng)險TCR處于10-6～10-4之間，說明其致癌風(fēng)險屬于人體可承受的致癌風(fēng)險范圍，應(yīng)引起重視。表現(xiàn)為手-口途徑>呼吸途徑>皮膚途徑，致癌風(fēng)險指數(shù)排序為砷>鎘>鉻>鎳；其中，砷對成人和兒童的致癌風(fēng)險占總致癌風(fēng)險的89.5%，是嘉興市農(nóng)產(chǎn)品作物區(qū)最主要的致癌因子。各作物區(qū)的鎘和砷對兒童的TCR均大于對成人的TCR。成人的CRAs和兒童的CRAS對TCR的貢獻(xiàn)率分別為87.1%和91.0%；其次為CRcd，成人和兒童對TCR的貢獻(xiàn)率分別為8.7%和9.0%。嘉興地區(qū)農(nóng)田、菜地、果園土壤的砷和鎘是致癌風(fēng)險最主要的貢獻(xiàn)因子。其中，砷是最重要的貢獻(xiàn)因子，三種農(nóng)作物產(chǎn)區(qū)中砷對成人和兒童CR貢獻(xiàn)率在86.1%～91.8%之間，其次為鎘，貢獻(xiàn)率在7.4%～10.4之間，鉻和鎳的貢獻(xiàn)率可以忽略不計。

3 結(jié) 論

(1)研究區(qū)域內(nèi)，三種農(nóng)作物產(chǎn)區(qū)對成人和對兒童的HQ和HI均小于1；致癌風(fēng)險指數(shù)在10-6～10-4之間；兒童的致癌風(fēng)險指數(shù)均高于成人。

(2)研究區(qū)域內(nèi)，重金屬的非致癌風(fēng)險表現(xiàn)為手-口途徑>皮膚途徑>呼吸途徑；鉻、砷和鉛是嘉興市農(nóng)田、菜地和果園非致癌風(fēng)險較大的3個貢獻(xiàn)因子。

(3)研究區(qū)域的成人致癌風(fēng)險和兒童致癌風(fēng)險TCR處于10-6～10-4之間，說明研究區(qū)域的致癌風(fēng)險屬于人體可承受的致癌風(fēng)險范圍，應(yīng)引起重視。致癌風(fēng)險表現(xiàn)為手-口途徑>呼吸途徑>皮膚途徑，砷和鎘是致癌風(fēng)險最主要的貢獻(xiàn)因子。

研究區(qū)域內(nèi)，三種農(nóng)作物產(chǎn)區(qū)8中重金屬含量均值中，只有As含量低于土壤背景值；其余重金屬含量均值都高于背景值。汞、銅、鎘、鉛的變異系數(shù)均顯示強(qiáng)變異。無論是成人還是兒童，手-口途徑攝入是研究區(qū)域內(nèi)土壤重金屬污染物暴露和影響人體健康的最主要途徑。三種農(nóng)作物產(chǎn)區(qū)的非致癌風(fēng)險可以忽略不計；研究區(qū)域致癌風(fēng)險處于人體可耐受的范圍，重金屬鉻和鎳無致癌風(fēng)險，砷是最主要的致癌因子。由于研究區(qū)域內(nèi)非致癌風(fēng)險可能會對兒童身體健康造成危害，所以應(yīng)當(dāng)引起重視。