菜地土壤重金属污染状况及对蔬菜安全性分析

刘辉，邹继颖，*，边红枫，权佳惠，李万海，李健炜

（1.吉林化工学院资源与环境工程学院，吉林吉林132022；2.东北师范大学环境学院，吉林长春130117）

随着化工业和农业的快速发展，环境土壤污染问题越来越突出，尤其是土壤重金属污染，已经受到世界各国的关注，并成为环保的重要研究领域[1-2]。土壤重金属污染具有滞后性、不可逆性、长期性和隐蔽性的特点，微量重金属不仅污染土壤，而且其被作物吸收后有毒害作用，并可以通过环境-作物系统进入食物链进而危害人类的身体健康。蔬菜是日常生活中人们必不可少的食物，也是非常重要的经济作物，其质量的好坏关系到人类的身体健康[3]。

有研究显示[4]，我国城郊菜地和蔬菜已受到不同程度的重金属污染，主要的污染金属元素是Pb、Hg、Cd、Cu等，城市土壤中很大部分重金属污染物浓度普遍高于农村郊区的土壤，有显著的人为富集的特点，不同的城市，不同重金属浓度有明显的差异，同一个城市不同区域，也会出现某类重金属元素严重富集的现象[5-8]。通过对化工区土壤重金属的调查以及实验数据和重金属污染对蔬菜的影响分析，为保护化工区土壤和食用蔬菜的安全性提供依据。同时对于提高蔬菜的质量、保障人们的饮食安全、制定防治措施、建立预警和反应机制、促进蔬菜生产的可持续发展也具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 样品采集

选取吉林市化工区附近的菜地作为采样地点。根据《土壤环境监测技术规范》（HJ/T166-2004）[14]的相关采样点布设要求，本研究采样使用梅花布设点法布设。去除表层5 cm土，使用木铲，采样深度一般取耕作层土壤20 cm左右，采集1 kg左右混合土样，自封袋袋内外各贴一标签，写明编号、采集地点、土壤名称等。并且综合考虑吉林市化工区区分布，选取机械加工厂（A）、农药厂（B）、化工厂（C）和化纤厂（D）4个采样区。同时对于蔬菜样品的采集和菜地土壤一致的采样地点进行采集，采集的蔬菜样品有菠菜、生菜、香菜和小白菜4种叶类蔬菜。

1.2 仪器与设备

ZCA-1000火焰原子吸收分光光度计：北京中和测通仪器有限责任公司；FA2004N电子天平：上海菁海仪器有限公司；JJ-2组织捣碎机：常州澳华仪器有限公司；DNG-9070A电热恒温鼓风烘干燥箱：上海精宏仪器有限公司。

1.3 样品处理与检测

将采集好的土壤样品中的枯枝、小石子剔除，放在实验室风干，于70℃烘干箱内烘干。将烘干好的样品放在陶瓷研钵磨碎后过200目筛，保存在干净的塑料小瓶中，待测。

将采摘回来的蔬菜样品中的发黄部分、不可食用部分等摘除，用去离子水把依附在蔬菜表面的泥土冲洗干净，晾干，然后放入样品袋中，标记并冷冻备用。

处理的样品经消解后，用火焰原子吸收光谱法测定重金属离子浓度。

1.4 重金属污染评价标准与方法

1.4.1 土壤中重金属污染评价相关标准

数据参考《吉林省环境背景值研究》和国家GB 15618-1995《土壤环境质量标准》二级标准作为土壤污染评价标准[9-11]。二级标准一般主要适用于菜地、农地、茶园、果园等土壤，土壤质量基本上对植物和环境不造成危害和污染，即维护人体健康的土壤限制值[12-13]。

1.4.2 重金属污染评价方法

采用指数法进行分析评价，包括单因子污染指数和综合污染指数，直接反映超标倍数和污染程度，是确定土壤污染程度的重要依据[13]。

1.4.2.1 因子污染指数

式中：Pi为土壤中污染物i的单项污染指数，Pi越大，污染越严重；Ci为土壤中污染物i的实测值；Si为土壤中污染物i标准值。

1.4.2.2 综合污染指数即内梅罗指数法

式中：P综为综合污染指数（综合反映各污染物对区域土壤的不同作用）；P平均为所有单项污染指数的平均值；P最大为土壤环境中各单项污染指数中的最大值。P综越大，污染越严重；当0＜P综≤0.7，表示土壤清洁；0.7＜P综≤1，表示土壤尚清洁；1＜P综≤2，表示土壤轻污染；2＜P综≤3，表示土壤中度污染；P综＞3，表示土壤受到相当严重的污染。

1.4.2.3 潜在生态危害指数法[14-15]

潜在生态危害指数（potential ecological risk index，RI）法是根据重金属性质及环境行为特点，从沉积学角度提出来的，对土壤或沉积物中土壤重金属污染进行评价的方法。

式中：Eri为单项潜在生态风险系数；Cfi为重金属污染物的污染指数；Tri为单个污染物的毒性响应参数。

本研究参考徐争启等[16]对于重金属毒性系数的计算结果，Cu、Zn、Cr、Ni、Pb、As、Cd、Hg 的毒性响应系数分别取 5、1、2、5、5、10、30、40，Eri为单个重金属元素潜在生态风险指数，RI潜在生态危害指数[9，17]。根据Eri和RI的潜在生态危害分级标准见表1。

表1 土壤重金属的潜在风险分级标准Table 1 The potential risk grading standards of soil heavy mental

1.4.3 蔬菜重金属评价标准和方法

为了充分评价研究地的蔬菜重金属污染情况，参考GB 2762-2017《食品安全国家标准食品中污染物限量》中的限量值。对蔬菜中的重金属采用污染指数计算，该计算结果直接反映超标倍数和污染程度，是确定蔬菜污染程度的重要依据，其计算公式如下：

式中：Ii为污染物污染指数；Ii为污染物在某种蔬菜中的平均指数；It为各种蔬菜污染指数；P为蔬菜中实际测定值；S为蔬菜的限量标准值；n为某类蔬菜样品数量；N为污染物种类。

2 结果与分析

2.1 土壤和蔬菜中重金属含量分析

土壤和蔬菜中重金属含量见表2。

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

续表2 土壤和蔬菜中重金属含量Continue table 2 Heavy metals in soil and vegetables mg/kg

由表2可知，4个采样区的土壤重金属Zn、Cr、As均未超出国家GB 15618-1995《土壤环境质量标准》二级标准，而重金属Cu在A、B、C、D 4个采样点中的检测结果分别超出国家二级标准的0.36、0.13、0.15、0.11倍；重金属Pb只有C采样点超出国家二级标准的0.1倍；土壤中重金属Cd的含量在B、C两个采样点超出国家二级标准。4个采样区的蔬菜中重金属Cd、Pb、Cr、As、Hg浓度含量均未超出国家二级标准；重金属Zn浓度只有在B采样点的香菜中超出限制，而在A采样点的小白菜和香菜中非常接近标准限量值，其他采样点的蔬菜均没超过标准限量值；A采样点的小白菜和菠菜的Cu浓度超过了标准限量值，白菜比标准限制值高出0.14倍，菠菜比限制值高出0.03倍，B采样点的香菜也超过标准限量值0.1倍，而小白菜、菠菜和生菜都没有超过标准限量值，C采样点的4种蔬菜的Cu含量都超过了标准限量值，超过了0.11倍左右，D（吉林化纤集团）区域，4种蔬菜都没有超过标准限量值。

2.2 重金属污染程度的比较分析

2.2.1 对土壤中金属污染程度分析

选取的4个菜地采样地土壤重金属的单项污染指数情况如表3所示。

表3 采样区域土壤重金属的污染评价Table 3 Pollution assessment of heavy metals in vegetable soil near sampling site

由表3可知，A、B、C采样区域的附近菜地Cu污染的单项污染指数超过了1，依次为C＞A＞B，其他重金属的单项污染指数值均处在安全范围。4个菜地采样点土壤重金属的综合污染情依次是：C＞A＞B＞D；其中A和C附近菜地综合污染指数1.093和1.224，属于轻度污染，B菜地综合污染超指数处在警戒线。只有D菜地的综合污染指数处于安全级。因为A和C采样点存在着比较大的Cu污染，因此导致两地的综合污染指数高，A采样点除了Cu污染外，Cd污染也是造成污染指数升高的次要原因。C采样点除了Cu污染外，Pb污染和Cd污染是造成污染指数升高的原因。结合单项污染指数和综合污染指分析，可知，A和C菜地相对B、D菜地污染较严重，且Cu污染相对比较严重。

以吉林省背景为标准，计算A、B、C、D采样地附近菜地土壤中重金属潜在的危害生态指数，如表4所示。

表4 采样区域土壤重金属潜在生态危害指数Table 4 Potential ecological hazard index of heavy metals in vegetable soil

由表4可知，A和C的潜在生态危害指数值分别为163.53和155.54，对当地的生态环境有微量影响。而B和D的潜在生态危害指数值小于150，处在轻微生态环境，目前不会影响该地的生态环境。

续表4 采样区域土壤重金属潜在生态危害指数Continue table 4 Potential ecological hazard index of heavy metals in vegetable soil

2.2.2 对蔬菜中金属污染程度分析

采样区蔬菜中重金属的单项污染指数和综合污染指数如表5所示。

表5 采样区蔬菜中重金属的单项污染指数和综合污染指数Table 5 Individual pollution index and comprehensive pollution index of heavy metals in sampled vegetables

从表5单项污染指数可以看出，选取的4个采样地蔬菜主要是受到了Cu、Pb和Zn重金属污染。其中A采样点蔬菜受到Cu重金属的污染较为严重，小白菜和菠菜单项污染指数超过1，处在潜在污染阶段。B采样点蔬菜受到Cu和Zn两种重金属污染，香菜的Zn和Cu的单项污染指数超过1，属于潜在污染阶段。C采样点蔬菜受到Cu重金属污染，采样的4种蔬菜Cu的单项污染指数都超过1，有潜在污染危险。D采样点蔬菜没有发现单项污染指数高于1的重金属，所采样的蔬菜都在安全范围。

从表5综合污染指数可以看出，4个采样点对生菜的综合污染程度顺序是：C＞A＞B＞D，A和C处的蔬菜污染程度在警戒线，B、D在安全范围；小白菜的综合污染程度顺序是：A＞C＞D＞B，A和C处的蔬菜污染程度在污染警戒线，B和D地蔬菜处在安全范围内。菠菜的综合污染程度顺序是：A＞B＞C＞D，除了A地蔬菜污染程度在污染警戒线，其余3地的蔬菜污染程度都在安全范围内；香菜的综合污染程度顺序是：A＞C＞B＞D，A和C地蔬菜污染程度在污染警戒线，B和D在安全范围内。综上所述，A地蔬菜全部在污染警戒线，B和D地蔬菜全在安全范围，C地部分蔬菜在安全范围。

3 结论

1）通过将土壤样品的6种金属与国家土壤环境质量二级标准对比，A采样点重金属有Cu、Pb、As的最大值分别高出国家土壤环境质量二级标准标的0.36、0.10、0.03倍。B采样点重金属有Cu、Cd的最大值分别高出国家土壤环境质量二级标准标的0.13、0.07倍。C采样点重金属有Cd、Cu的最大值超出国家土壤环境质量二级标准的0.17、0.15倍。D采样点检测的6种重金属结果都没有超出国家土壤环境质量二级标准。

2）以单项污染指数和综合污染指数作为土壤污染程度的评价结果是，A、B、C的Cu单项污染指数大于1，有潜在污染风险。其他重金属都处在安全范围。以潜在生态危害分析评价方法作为土壤污染程度的评价结果是，A和C潜在生态危害指数值（Eir、RI）处在潜在危害的范围内，属于中等危害，其潜在危害指数不高。

3）对蔬菜中的重金属含量分析的结果是，Cu对蔬菜的污染相对其他金属相比严重，其次是Zn和Pb，只是微量超过蔬菜标准限量值。4个采样区域附近菜地的蔬菜污染程度是：A采样点蔬菜污染程度在污染警戒线，B和D采样点蔬菜污染程度都在安全范围，C采样点蔬菜污染程度部分在安全范围。

综上所述，4个采样区域土壤和蔬菜的重金属污染程度是：A＞C＞B＞D。

本研究通过对吉林市化工区不同菜地及蔬菜进行采样分析其重金属污染情况，不足之处在于没有分阶段进行采样研究，同时没有分析蔬菜的根、茎、叶等不同部位的重金属积累。通过对化工区土壤重金属的调查以及实验数据和重金属污染对蔬菜的影响分析，为保护化工区土壤和食用蔬菜的安全性提供依据。同时对于提高蔬菜的质量、保障人们的饮食安全、制定防治措施、建立预警和反应机制、促进蔬菜生产的可持续发展也具有重要意义。