惠水县中南部菜地土壤重金属污染和健康风险评价

余 欢，宁 飞，崔文刚，兰 雪，范艺馨，王亚琳

(贵州师范大学 地理与环境科学学院，贵州 贵阳 550025)

0 引言

为适应经济快速发展，提高农作物产量，农民在使用化肥、农药催产的同时，也造成农用地环境受到一定污染，特别是土壤重金属污染问题[1-3]。土壤中的重金属在自然环境中很难进行迁移和降解[4]，长时间的重金属污染会抑制土壤中微生物的繁殖，减少土壤中有机物的含量，造成土壤肥力和生产力逐年下降。同时，土壤中的重金属还会通过手口、呼吸以及皮肤接触等不同途径对人体健康造成直接或者间接的危害。因此，加强耕地土壤重金属污染的评价，对保障粮食安全和人民生命安全至关重要。

目前，国内外学者对土壤重金属污染的研究主要集中在重金属来源识别、污染特征、生态风险及健康风险评价[5-9]，但研究范围大多集中在发达的城镇、大规模的农业生产地、废弃农用地以及重金属污染源较大的地区[10-12]，对中小型农业生产地关注相对较低。本文选择惠水县中南部菜地为研究区域，对中小型农业生产地的土壤重金属污染及其对人体健康风险进行评价，为采取土壤重金属污染的防治措施、安全从事农业生产提供理论依据[13-14]。

1 研究区概况及样品采样

1.1 研究区概况

惠水县地处于贵州省中南部边缘地区，地理坐标：25°41′～26°18′N，106°22′～107°06′E，东面为平塘县，西面与长顺县相连，南面为罗甸县，北面为贵阳市和龙里县(图1)。好花红乡位于惠水县的中南部，当地充分利用地理环境和气候优势大力发展特色蔬菜种植产业，因其独特的岩溶地貌、成土母质等众多因素对土壤形成的影响，使得研究区内土壤重金属含量的自然环境本底值较高，加上长期使用农药和化肥，易使得菜地土壤遭受重金属污染[15]。

图1 研究区及采样点分布示意图Fig.1 Schematic diagram of the distribution of the study area and sampling points

1.2 样品采集及实验分析

1.2.1 样品的采集

在研究区蔬菜种植相对集中区域，使用“梅花形”采样方法[16]，对菜地15 cm深度的耕种层土壤进行采样；在相对零散的蔬菜种植区使用“S形”采样方法对菜地土壤进行采样，共采集土壤样品30个。

1.2.2 实验分析

1)仪器与试剂

GGX-800AAS型原子吸收分光光度计、电子天平、尼龙筛、研钵、微控数显电热板、聚四氟乙烯坩埚。使用盐酸、浓硝酸、氢氟酸、高氯酸对样品进行消解。

2)实验

将标记好样号的土壤样品置于塑料薄膜上带回实验室自然风干，挑选出土壤样本中的无关杂物后进行研磨过滤，充分搅拌均匀后贮于聚乙烯塑料薄膜袋中保存备测；利用电子天平准确称取0.300 0 g的样品，置于50 mL的实验器材坩埚中；消解方法采用四酸消解法[17]，将盐酸、浓硝酸、氢氟酸、高氯酸按步骤加入在微控数显电热板加热消解；利用火焰原子吸收光谱仪进行标准曲线绘制，显示吸光率与待测元素的浓度呈现良好线性关系时将待测液进行上机检测可得该元素的吸光度；为确保数据的质量，每个样品都进行3次的分析，用平均值作为最终测量值，每10个样品设置空白样和标准样[18]。5种重金属元素实验结果的标准偏差均低于5%，3次样品的分析结果的相对差异小于5%。

3)浓度计算

通过实验分别得出30个样本中Zn、Pb、Cr、Cd、Ni 5种重金属元素的吸光度、试液体积、试样重量和试样干重等数据，采用重金属浓度计算公式C=(吸光度×试液体积/试样重量×试样干重)进行计算。

2 研究方法

2.1 单因子污染指数

单因子污染指数法即用实际单项监测指标测定值与标准值的比值来表示环境污染程度，本文采用此方法评价土壤中单一重金属的污染情况，其计算公式如下：

(1)

式中：Pn为单一重金属的污染指数或超标指数；Sn为贵州省重金属的背景值浓度；Cn为重金属实际浓度，本文采用贵州省土壤中重金属含量背景值[19-20]，其值详见表5，表1为单因子污染指数评价标准等级[21]。

表1 单因子污染指数评价标准Tab.1 Evaluation criteria of single factor pollution index

2.2 内梅罗综合污染指数

内梅罗综合指数法，是由Nemerow[22]提出的针对土壤中多种重金属超标造成土壤污染的研究方法，是目前全球研究土壤综合污染最常用的方法之一，不仅可以兼顾单因子污染因素的影响，还能突出反映多种重金属对土壤的综合污染水平[23]，NIP公式如下：

(2)

式中：NIP表示为内梅罗综合污染指数，(Pn)max为Pn值的最大值，(Pn)ave为Pn值的算术平均值，表2为NIP值的评价标准等级[20]。

表2 内梅罗综合污染指数评价标准Tab.2 The Nemerow comprehensive pollution index evaluation criteria

2.3 人体健康风险评价

美国国家环保局(USEPA)提出的人体健康风险评价模型与我国人体实际健康情况相结合，得出手口、呼吸以及皮肤3种不同途径下的暴露剂量[24-25]。不同途径的暴露剂量计算公式如下:

1)皮肤接触：

(3)

(4)

(5)

式中：ADD是不同途径下的暴露量；C为重金属的实际测量浓度；BW为我国成年人的平均体重；SL为土壤对人体皮肤黏着度；SA为成人每天暴露的皮肤表面积；AT为平均暴露时间；ABS为成人皮肤的吸收因子；EF为作用频率；ED为作用年限；Irh为呼吸摄入量；PEF为颗粒物排放因子；Irg为摄取土壤速率。上述3种不同暴露途径下评价模型的不同参数如下所示[26-29]：

表3 土壤重金属健康风险参数Tab.3 Health risk parameters of soil heavy metals

重金属致癌健康风险指数和非致癌健康风险指数计算公式分别如下：

致癌健康风险指数计算公式为：

TCR=∑CRn=∑ADDnm×SFnm

(6)

非致癌健康风险指数计算公式为：

(7)

式中：ADDnm为第m种暴露途径下元素n的日平均摄取量；SFnm为元素n的致癌斜率因子(表4)；TCR为元素n在3种暴露途径下的总致癌风险指数；CRn为元素n的单种暴露途径下的致癌风险指数；RFDnm为m暴露途径下元素n的日参考剂量;HI为元素n在3种暴露途径下的总非致癌风险指数；HQn为元素n的单种暴露途径下的非致癌风险指数[27-28]。

表4 土壤重金属不同暴露途径的RFD和SFTab.4 RFD and SF of soil heavy metals exposed by different pathways

3 结果与分析

3.1 土壤重金属含量分析

研究区土壤重金属分析测试结果见表5，Zn、Pb、Cr、Cd、Ni 5种重金属元素含量平均值分别为60.09 mg·kg-1、30.88 mg·kg-1、107.27 mg·kg-1、0.21 mg·kg-1、26.62 mg·kg-1，其中Cr含量平均值高于贵州省土壤背景值。其中，除Cd元素以外，Zn、Pb、Cr、Ni 4种元素含量的最大值均大于背景值，分别为背景值的1.1倍、2.5倍、2.5倍、1.2倍。

表5 土壤重金属含量分析结果表Tab.5 Analysis results of soil heavy metal content

3.2 土壤重金属污染评价

3.2.1 单因子污染指数评价分析

根据单因子污染指数公式计算，结果见表6，Zn、Pb、Cr、Cd和Ni 5种重金属元素污染程度较低，存在轻度污染以下点状污染，Pn平均值分别为0.58、0.88、1.12、0.32、0.68，Zn、Pb、Cr和Ni 4种重金属元素均存在Pn大于1的情况。根据单因子污染指数评价等级划分，Pb和Cr元素存在轻度污染，Zn、Pb、Cr、Ni存在轻微污染，Cd整体无污染。

表6 土壤重金属单因子评价结果Tab.6 Single factor evaluation results of soil heavy metals

3.2.2 内梅罗综合污染指数评价分析

根据内梅罗综合污染指数公式计算，结果见表7,除Cd元素以外的Cr、Zn、Pb、Ni 4种重金属元素均存在一定程度的污染。其中Cr、Pb元素污染等级最高，为轻度污染，综合污染指数分别为1.96、1.87，其次为Ni、Zn元素，污染等级为尚清洁，综合污染指数分别为0.97、0.87，Cd元素无污染，综合污染指数为0.67。从评价结果来看，Cr、Pb元素污染需要引起关注，防止进一步污染，Zn、Ni、Cd元素污染风险相对较低。

表7 内梅罗综合污染指数评价结果Tab.7 Evaluation results of Nemerow comprehensive pollution index

3.2.3 土壤重金属健康风险评价

如表8所示，在皮肤、手口和呼吸3种不同的暴露途径下，研究区土壤中的Zn、Pb、Cr、Cd和Ni重金属元素的非致癌风险指数分别为3.98×10-4、1.79×10-2、6.80×10-2、8.38×10-4和2.61×10-3。当HQ<1时，人体健康安全受土壤重金属污染的非致癌风险在安全可控范围内[14]。

表8 土壤重金属风险指数Tab.8 Risk index of soil heavy metals

根据USEAP提出，在一百万人口中有一名癌症患者是因为重金属污染引起的，即土壤治理基准为1×10-6[21]，若土壤污染致癌风险指数低于1×10-6，则认为该地区的污染程度对人体不存在致癌风险；若土壤污染致癌风险指数介于1×10-6～1×10-4之间，则认为致癌风险指数在人体可接受范围内，但应当引起重视；若土壤污染致癌风险指数值高于1×10-4，则认为该地区对人体健康有一定的致癌风险。由表8可知，研究区内Cr、Cd和Ni通过3种不同途径对人体的总的致癌风险指数分别为5.08×10-5、8.47×10-7、3.76×10-5；Cr和Ni致癌风险值应当引起相关人员关注重视，防止继续恶化。

在不同途径下3种金属元素的致癌风险值如表9所示，Cd对人体不存在致癌风险，Ni和Cr虽有致癌风险，但其致癌在人体可接受范围内(研究区为菜地，故不考虑土壤重金属污染对儿童的直接影响)；且3种不同暴露途径的暴露量为手口>皮肤>呼吸。

表9 重金属不同途径的致癌风险值Tab.9 Carcinogenic risk values of different pathways of heavy metals

4 结论

1)基于单因子污染指数和内梅罗综合污染指数，得出研究区土壤中Zn、Pb、Cr、Cd、Ni的Pn平均值分别为0.58、0.88、1.12、0.32、0.68，NIP的平均值为1.27，等级为轻度污染，其中对综合污染贡献大小依次为Cr>Pb>Ni>Zn>Cd。

2)Zn、Pb、Cr、Ni的最大值均超过其对应贵州省重金属含量的背景值，分别是相对应重金属背景值的1.1倍、2.5倍、2.5倍、1.2倍，研究区土壤中重金属存在一定的超标现象，应加强土壤环境的监测和管理。

3)在皮肤、手口和呼吸3种不同暴露途径下，5种重金属对人体健康的非致癌风险值均在安全值范围内，对菜地工作人员的健康安全不构成非致癌的危害；而Cr、Cd和Ni 3种致癌重金属中，Cd对人体不存在致癌风险，Ni和Cr虽有致癌风险，但其致癌在人体可接受范围内，且3种不同暴露途径的暴露量为手口>皮肤>呼吸，为避免对人体造成危害，作业人员在进行生产活动时应进行相关防护，并及时清理残留于身体上的土壤。