2021年乌鲁木齐市农村土壤重金属健康风险评价

韩芹芹，苏菲菲，李 凡，王 涛 ，王 庆

（1.乌鲁木齐市环境监测中心站，新疆 乌鲁木齐 830011；2.新疆自治区自然资源厅机关服务中心，新疆 乌鲁木齐 830002；3.新疆师范大学化学化工学院，新疆 乌鲁木齐 830054）

0 引言

近年来，由于农村经济的粗放式发展，农村土壤重金属污染问题日益突出，成为国内外广泛关注的环境问题之一[1]。农作物对重金属有富集作用，重金属会经过食物链进入人体，使人体健康受到威胁[2]，因此农村土壤重金属污染将会影响农产品质量和使用安全[3]，危及人类健康。

乌鲁木齐市是新疆维吾尔自治区的首府，地处亚欧大陆腹地，属干旱半干旱区，气候干燥，水资源极度匮乏。近年来，全市社会经济迅猛发展，城市建成区逐年扩展，截止2019年，建成区面积已达458.36km2，常驻人口也较十年前增长了近70%达355.2万[4]，农村土壤是生态系统的重要组成部分[5]，与生态环境质量和居民的身体健康密切相关。本文以乌鲁木齐市环境监测中心站2021年农村土壤常规监测数据为基础，分析了乌鲁木齐市农村土壤重金属含量，并对乌鲁木齐市农村土壤环境质量状况和土壤环境健康风险进行评价，为建立农村土壤环境质量监督管理体系，保护和合理利用土地资源，防治土壤污染及合理制定保护对策提供基础数据信息。

1 监测概况

1.1 监测点位概况

根据2021年国家和自治区生态环境监测方案的相关要求，通过对乌鲁木齐市郊农村村庄实地调研，并统筹考虑经济发展程度和环境污染程度，选取人口数量相对较多、分布相对集中的行政村，村庄类型涵盖了种植型、商业旅游型、牧业型和生态型等4种类型，共计7个典型村庄，作为农村土壤环境质量监测对象，不同类型村庄的主要经济来源包括：种植型村庄Z1和Z2均以种植业和养殖业为主，Z3以土地租赁和三产为主；商业旅游型村庄L1和L2均以旅游业、畜牧业为主；牧业型村庄M1以畜牧业和三产为主，生态型村庄S1以种植业、养殖业和旅游业为主。各村庄信息详见表1。

表1 2021年农村土壤环境质量监测村庄信息一览表

按照《关于印发＜全国农村环境质量试点监测工作方案＞和＜全国农村环境质量试点监测技术方案＞的通知》（环发[2014]125号）及《2021年新疆农村环境质量监测工作方案》的相关要求，农村土壤监测点位布设原则：以村庄为单元，在基本农田、园地（果园、菜园等）、饮用水源地周边各布设1个监测点位，共计3个点位；同时根据村庄的环境状况，在重点区域土壤中选取两类，各布设1个监测点位。重点区域土壤包括：工矿企业周边土壤；畜、禽、水产养殖场周边土壤；污水灌溉的农田土壤，大量堆放工业废渣、生活垃圾场地周围土壤；长期受工业废气和粉尘影响的土壤；其他疑有污染的土壤。为确保土壤监测点位的科学性和代表性，监测人员严格按照《HJ/T 166-2004土壤环境监测技术规范》组织实施此项工作，对村庄内的基本农田、园/林地、农村饮用水源地周边、农村重点区域（主要是畜禽养殖场周边和居民区周边）进行了布点监测，每个村庄布设5个监测点位，共计35个监测点位，开展农村土壤环境质量监测。

1.2 监测方法及频次

执行《HJ/T 166-2004 土壤环境监测技术规范》，采样选择0～20cm表层样。采样前清除土壤表面腐殖质，无机类土壤样品用木铲采集，有机类土壤样品用铁铲采集，并用500mL棕色磨口玻璃瓶装。采样时间避免在施用农药、化肥后立即采样，1次/a。

1.3 监测项目分析方法及质控

为确保监测全程各项操作技术和质量控制活动的规范性和完备性，以及监测数据的准确性和可靠性，采样布点、样品运输与保存、样品制备、实验室分析、数据处理等各个环节均严格执行《HJ/T166-2004土壤环境监测技术规范》《全国土壤污染状况调查质量保证技术规范》和有关技术规定，做好全过程的质量保证和质量控制工作，确保监测结果的科学性、准确性和可靠性。土壤无机金属项目的分析方法包括：Cr、Pb、Ni、Cu和Zn采用《HJ 491-2019土壤和沉积物 铜、锌、铅、镍、铬的测定 火焰原子吸收分光光度法》，Hg和As采用《GB/T 22105.2-2008土壤质量 总汞、总砷、总铅的测定 原子荧光法》中“第一部分：土壤中总汞的测定”和“第二部分：土壤中总砷的测定”，Cd采用《GB/T 17141-1997土壤质量 铅、镉的测定 石墨炉原子吸收分光光度法》。

实验室分析测试过程中，每批样品每个项目分析时均做10%平行样品；当样品＜5个时，平行样不少于1个。平行双样测定结果的误差在允许误差范围之内者为合格。在实际分析中，每批要测质控平行双样，在测定的精密度合格的前提下，质控样测定值必须落在质控样保证值（在95%的置信水平）范围之内，否则本批结果无效，需重新分析测定。精密度和准确度均满足《HJ/T 166-2004土壤环境监测技术规范》13.2节的相关要求。

2 评价标准及方法

2.1 评价标准

土壤环境质量评价标准执行《GB 15618-2018土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》，其中无机项目执行“表1 农用地土壤污染风险筛选值（基本项目）”标准限值，有机项目执行“表2 农用地土壤污染风险筛选值（其他项目）”标准限值，其他非常规项目不做评价。

2.2 评价方法

采用达标评价和内梅罗综合污染指数评价相结合的方法。达标评价即监测项目测定值应低于《GB 15618-2018土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》规定的风险筛选值，监测多个项目时，有一个项目含量超过风险筛选值，则该点位土壤超标；内梅罗综合污染指数评价又分为单项污染指数法和综合污染指数法，相关评价计算公式和分级标准如下：

根据Pi和Pn的大小，土壤环境质量单项污染指数和综合污染指数评价划分为五级。见表2。

表2 土壤单项污染指数和综合污染指数评价标准

2.3 土壤重金属人体健康风险评价

采用USEPA公布的健康风险评估模型，评价土壤重金属经手-口直接摄入、皮肤接触和呼吸吸入等3种主要途径进入成人和儿童体内，对成人和儿童健康产生致癌和非致癌风险。

通过手-口摄入EDI手-口、皮肤接触EDI皮肤和呼吸吸入EDI呼吸等3种暴露途径摄入土壤的总污染剂量分别见式（1）、（2）和（3），mg/（kg·d），其中CS为土壤中重金属质量分数，mg/kg，其余暴露评估参数含义、取值和单位详见表3。

表3 暴露评估参数取值

致癌风险RT为不同重金属通过不同暴露途径（EDIj）传播土壤污染剂量对身体造成的致癌风险Ri的总和，详见式（4），SFi为不同途径的致癌风险斜率系数，mg/（kg·d），选择Cd、Cr和As作为致癌风险评价参数，取值详见表4，研究显示：RT的值在10-6～10-4处于安全区间，若RT＞10-4后，存在致癌风险。

非致癌风险HI为不同重金属通过不同暴露途径（EDIj）产生的非致癌风险HQi的总和，详见式（5），RfDj为不同途径的毒性参考剂量，mg/（kg·d），取值详见表4。研究显示：HI及HQi≤1时，人类不会受到明显伤害，0＜HQi＜10时人体极有可能受到伤害，HQi≥10时意味着存在严重的慢性风险。

表4 不同暴露途径下重金属的SF和RfD取值

3 监测结果与评价

3.1 理化指标pH及无机重金属元素含量特征分析

2021年监测选取了乌鲁木齐市7个村庄共计35个点位的表层土壤，其pH和主要无机重金属元素监测结果详见表5。

表5 农村土壤pH和无机重金属元素描述统计结果

监测结果显示：2021年乌鲁木齐市农村土壤整体pH值范围7.74～8.92，土壤整体呈弱碱性。无机项目浓度指标均达到《GB 15618-2018土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》中“表1 农用地土壤污染风险筛选值（基本项目）”标准限值。变异系数用来衡量均值不同的数据的离散程度，无机项目中Hg变异系数为81%，属于高度变异（CV＞36%）[6]，表明这种元素可能受到外来活动的干扰，pH值变异系数3%，其他元素Cr、Ni、Zn和Cu变异系数在13%～19%，Cd和Pb变异系数在28%左右，均较小。峰度值和偏度值用来表征数据的正态双尾特性，自然状态下的土壤中元素值应服从正态分布，Hg的偏度值3.44较大，峰度值15.27较高，表明人类活动产生较多异常值使得数据的分布发生改变。

利用SPSS16.0统计分析软件，对所选取的pH值和无机重金属元素先进行标准化处理，得到相关系数矩阵，详见表6。从相关系数矩阵中可以看出，大部分相关系数＞0.3，相关性分析结果显示：pH值与Pb、AS呈正相关，Zn与Cd呈负相关，Cd、Cr、Ni和As呈强正相关，可见重金属元素在信息上存在一定的重叠。

表6 农村土壤pH和无机重金属元素相关系数矩阵

3.2 土壤环境质量评价

2021年，乌鲁木齐市农村土壤单因子污染指数平均值见表7，其中As和Cd的单因子污染指数对内梅罗综合污染指数贡献率最大。内梅罗综合污染指数分布显示：牧业型村庄土壤综合污染指数0.53最高，种植型和商业旅游型村庄均为0.50，生态型村庄的综合污染指数0.46最低。单项污染指数和综合污染指数均＜0.7，乌鲁木齐市农村土壤环境质量均处于清洁（安全）等级。

表7 农村土壤环境质量评价结果 （mg / kg）

3.3 健康风险指数评价

3.3.1 致癌风险评价

根据健康风险评价模型及相关风险评价参数，乌鲁木齐市4种类型村庄农田土壤中Cd、Cr和As三种重金属元素通过手-口、皮肤接触和呼吸吸入途径导致的成人和儿童的致癌健康风险详见表8。

由表8可见，手-口途径致癌风险R手-口数量级在10-7～10-5，所占总风险RT的比例最大，成人和儿童分别高达81.9%和98.7%；皮肤接触途径R皮肤致癌风险数量级在10-9～10-6，所占总风险RT的比例位居第二，成人和儿童分别为18.2%和1.23%，呼吸途径R呼吸数量级在10-17～10-13，所占总风险RT比例基本可以忽略不计。

表8 2021年乌鲁木市齐农村土壤金属元素对成人和儿童的致癌风险

三种重金属元素在不同途径致癌风险中的致癌风险数量级排序及贡献率分布显示：

手-口途径R手-口中致癌风险数量级排序为：成人Cd（10-7）＜As（10-5）、Cr（10-5），儿童Cd（10-7～10-6）＜As（10-6～10-5）＜Cr（10-5），Cr和As对R手-口的贡献率分别为53.9%和42.5%，Cd对R手-口的贡献率仅为3.3%。手-口途径R手-口总风险数量级成人和儿童均为10-5。

皮肤接触途径中R皮肤致癌风险数量级排序为：成人Cd（10-9）＜As（10-9～10-8）＜Cr（10-7），儿童Cd（10-8）＜As（10-8～10-7）＜Cr（10-6），Cr对R皮肤的贡献率高达97.2%，As对R皮肤的贡献率为1.9%，Cd对R手-口的贡献率仅为0.9%。皮肤接触途径R皮肤总风险数量级成人10-6较儿童10-7高出1个数量级。

呼吸途径中R呼吸致癌风险排序为：成人Cd（10-17）＜As（10-15）＜Cr（10-14），儿童Cd（10-17～10-16）＜As（10-15～10-14）＜Cr（10-14～10-13）。呼吸途径中R呼吸总风险数量级成人10-13较儿童10-14高出1个数量级。

RT致癌风险数量级在10-7～10-5，R手-口、R皮肤和R呼吸及RT致癌风险数量级均处于安全区间10-6～10-4以内，不存在致癌风险。

3.3.2 非致癌风险评价

根据健康风险评价模型及相关风险评价参数，乌鲁木齐市4种类型村庄农田土壤中8种重金属元素通过手-口、皮肤接触和呼吸吸入途径导致的成人和儿童的非致癌健康风险详见表9。

由表9可见，手-口途径非致癌风险HQ手-口数量级在10-4～10-1，占总风险HI比例最大，成人和儿童分别为89.8%和99.3%；皮肤接触途径非致癌风险HQ皮肤数量级在10-6～10-1，占HI比例位居第二，成人和儿童分别为10.2%和0.6%；呼吸途径非致癌风险HQ呼吸数量级在10-14～10-9，占HI比例基本可以忽略不计。

表9 2021年乌鲁木市齐农村土壤金属元素对成人和儿童的非致癌风险

每种途径的HQ中都是8种重金属HQi贡献率的累加，8种重金属在不同途径非致癌风险中的风险数量级排序及贡献率分布显示：

手-口途径HQ手-口中As、Cr、Pb和Ni 4种重金属风险数量级成人和儿童分别为（10-3～10-2）和（10-2～10-1），较其他金属（10-5～10-3）高出102～103数量级，这4种重金属HQi对HQ手-口贡献率分别为As58.5%、Cr22.3%、Pb13.5%和Ni3.1%，累积贡献率高达97.5%，其余重金属对HQ手-口贡献率仅占2.5%。手-口途径HQ手-口总风险数量级儿童10-1较成人10-2高出1个数量级。

皮肤接触途径HQ皮肤中成人风险数量级As、Cr、Pb和Ni 4种重金属风险数量级成人和儿童分别为（10-2～10-1）和（10-3～10-2），较其他金属（10-4～10-3）高出101～103数量级，这4种重金属的HQi对HQ皮肤累积贡献率高达例98.3%，其中Cr贡献率达78.3%，其余重金属对HQ手-口贡献率仅占1.7%。皮肤接触途径HQ皮肤总风险数量级儿童和成人均为10-3。

呼吸途径HQ呼吸中As、Cr和Ni3种重金属风险数量级成人和儿童均为（10-10～10-9）较其他金属（10-14～10-12）高出102～105数量级，这3种重金属HQi对HQ呼吸的贡献率分别为45.5%、26.1%和27.2%，累积贡献率高达98.5%左右，其余金属累积贡献率仅为1.3%。呼吸途径HQ呼吸总风险数量级儿童10-9较成人10-10高出1个数量级。

每种重金属元素的非致癌风险HQ均未超过1，说明单个金属元素不存在对居民群众的健康风险。8种重金属元素共同产生的非致癌总风险HI数量级儿童10-1较成人10-2高出1个数量级。

4 结论与建议

4.1 结论

（1）综合污染指数分布显示：乌鲁木齐市农村土壤单项污染指数和综合污染指数均＜0.7，土壤环境质量均处于清洁（安全）等级。牧业型村庄土壤综合污染指数最高，生态型村庄的综合污染指数最低。

（2）致癌健康风险指数分布显示：手-口途径致癌风险R手-口所占总风险RT的比例最大，成人和儿童分别高达81.9%和98.7%；皮肤接触途径R皮肤所占总风险RT的比例位居第二，呼吸途径R呼吸占总风险RT比例基本可以忽略不计。Cr和As是主要致癌因子，RT致癌风险数量级在10-7～10-5，R手-口、R皮肤和R呼吸及RT致癌风险数量级均处于安全区间10-6～10-4，不存在致癌风险。

（3）手-口途径非致癌风险HQ手-口占总风险HI比例最大，成人和儿童分别为89.8%和99.3%，皮肤接触途径非致癌风险HQ皮肤占HI比例位居第二，呼吸途径非致癌风险HQ呼吸数量级在10-14～10-9，占HI比例基本可以忽略不计。As、Cr、Pb和Ni 4种重金属是主要非致癌风险因子。每种重金属元素的非致癌风险HQ均未超过1，说明单个金属元素不存在对居民群众的健康风险。8种重金属元素共同产生的非致癌总风险HI数量级儿童10-1较成人10-2高出1个数量级。

4.2 建议

虽然乌鲁木齐市农村土壤环境质量均处于清洁（安全）水平，不存在致癌和非致癌风险，但此次监测结果显示乌鲁木齐市农村土壤环境中Hg变异系数较大，表明可能受到外来活动的干扰。土壤中Hg的来源主要有2个方面：土壤母质和人类活动（化石燃料的燃烧、工业生产的废料、城市生活垃圾的堆放、污水灌溉、农用耕作中大量施用含汞肥料、农药）。随着乌鲁木齐工业的迅速发展，Hg的污染来源也越来越多，土壤Hg含量也有了一定积累，Hg在大气、土壤和水体之间不断进行着迁移、转化，使得土壤汞的积累也在不断增加，土壤Hg已成为一种潜在污染。另外，建议相关部门加大乌鲁木齐农村土壤汞及主要致癌和非致癌因子As、Cr的监测范围及监测力度，做好长期监测，防止新的土壤污染的产生。