农耕区大气干湿沉降通量特征监测及人体健康风险评价

杨鹏至 郭军 肖粤新 李聪 陈方伟 汤恒佳

摘要  為了研究农耕区大气干湿沉降元素通量特征及人体健康风险，2020年4月—2021年4月在汨罗市布设13个大气干湿沉降采样点位，系统收集了大气干湿沉降样品52件，并结合大气点位周边的表层土壤数据，对研究区大气干湿沉降特征、大气干沉降与对应土壤中重金属元素的相关性及人体健康风险评价等进行研究。结果表明：汨罗市大气干湿沉降年通量从小到大依次为Hg

关键词  大气干湿沉降；重金属；年沉降通量；健康风险

中图分类号  X831  文献标识码  A  文章编号  0517-6611（2024）09-0063-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.09.014

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Monitoring of Atmospheric Dry and Wet Deposition Flux Characteristics and Human Health Risk in Agricultural Areas

YANG Peng-zhi1，2， GUO Jun2， XIAO Yue-xin1，2，3 et al

（1.Huangshan Observation and Research Station for Land-water Resources，Huangshan，Anhui 245000;2.Changsha Natural Resources Comprehensive Survey Center of China Geological Survey， Changsha， Hunan 410600;3.Key Laboratory of Coupling Processes and Effects of Natural Resource Elements，Ministry of Natural Resources，Beijing 100055）

Abstract  In order to study the flux characteristics of atmospheric dry and wet deposition elements and human health risks in agricultural areas， 13 atmospheric dry and wet deposition sampling points were established in Miluo City from April 2020 to April 2021.A total of 52 atmospheric dry and wet deposition samples were systematically collected，and combined with the surface soil data around the atmospheric sampling points， the characteristics of atmospheric dry and wet deposition， the correlation between atmospheric dry deposition and heavy metal elements in corresponding soil， and the human health risk assessment in the study area were investigated. The results showed that the annual flux of atmospheric dry and wet deposition in Miluo City from smallest to largest were Hg < Cd < As < Cr < Pb， and there were significant differences in the content of each element. Cr and Pb were the main heavy metal elements in atmospheric dry and wet deposition in Miluo City.The correlation between atmospheric dry deposition and corresponding soil was low， and atmospheric dry deposition was not the main source of heavy metal elements in surface soil in Miluo City.As and Pb were the main potential non-carcinogenic risk factors，and their non-carcinogenic risk quotient （HQ） contributed more than 35% to the non-carcinogenic risk index （HI）.However， the HI values of the five heavy metals are less than 1， indicating that the impact of non-carcinogenic health risks was relatively small;The risk index of heavy metal carcinogenicity （CR） of As， Cd and Cr were all less than 10-6， indicating that there was no carcinogenic risk.The HI values for As and Pb in children were 0.83 and 0.73， respectively， which were less than 1.00， indicating a lower possibility of non-carcinogenic risks.

Key words  Atmospheric dry and wet deposition;Heavy metal;Annual atmospheric deposition flux;Health risk

基金项目  中国地质调查局项目（DD20230515，DD20208071）。

作者简介  杨鹏至（1996—），男，湖北荆州人，助理工程师，从事生态地质方面研究。

*通信作者，高级工程师，从事生态地质方面研究。

收稿日期  2023-06-10

随着国家现代化进程的加快，我国推动了相应的城市基础建设、工业制造业建设等，为人民生活提供便捷的同时，也对生态环境造成了很大的影响［1-2］，例如城市基建涉及的水泥石灰、各类垃圾和材料运输以及相应的建筑材料生产企业所产生的废气、粉尘中含有大量的重金属［3］，最后都通过大气干湿沉降而进入土壤［4］。而大气干湿沉降也被认为是农耕区土壤重金属的外源输入的主要因素之一［5-7］。当农田土地中的重金属不断沉淀积累，被农作物生长吸收，不仅会影响到当地农作物的产量，还会造成粮食安全问题，影响到人体的健康［8-10］。

近年来，我国许多学者针对大气干湿沉降重金属开展了大量的研究。如黄春雷等［4］通过计算大气干沉降对土壤重金属元素含量的变化率，发现Cu、Zn、Pb、Cd元素的年变化率达0.5%以上，表明大气沉降对当地土壤中重金属具有正向累积效果；王增辉［6］通过计算大气沉降物中元素的富集因子发现高值区与当地的化工区域吻合，并查明了当地大气沉降重金属来源；范晨子等［11］研究滇中典型工矿城市的大气健康风险评价发现，大气干沉降中的As、Cd、Pb这3种元素可能对儿童造成相应的非致癌性健康风险影响，且加强当地工矿企业的排放管控能利于公众健康；王丽丽等［12］研究发现空气降尘中的重金属对儿童均具有非致癌性健康风险。

综合前人开展的研究发现，大气干湿沉降作为表层土壤主要的输入来源之一，如果能弄清大气中污染物的来源，能为大气、土壤的污染防治起到关键性的作用，而大气沉降物人体健康风险评价在大气的污染防治过程中具有很强的现实意义。但在开展的诸多大气干湿沉降研究中，主要集中在部分典型污染区域开展了大气健康风险评价工作，如矿集区、建筑工地等，缺乏对平原农耕区状况的大气沉降物人体健康风险评价研究。笔者以汨罗市为例，探讨农耕区大气干湿沉降中重金属特征以及相应的人体健康风险评价，以期为当地的生态文明建设以及土壤重金属污染防治等方面提供相应的科学依据。

1  材料与方法

1.1  研究区域基本概况

汨罗市隶属湖南省岳阳市，总面积1 562 km2，其中林地面积为611 km2，占全市面积的39.12%，其次为耕地面积（507 km2），占全市面积的32.46%。此次汨罗市调查区面积为726.04 km2，其中农用地面积为461.46 km2，占调查区面积的63.56%。在地形地貌上东南部高、西北部低，主要的地貌类型为岗地、平原；在气候上，汨罗市为东亚季风气候，属湿润的大陆性季风气候，年降水量为1 289.8～1 556.2 mm，农业气候条件较好，地质背景以第四系沉积为主。区内分布土壤以潜育性水稻土、第四纪红色黏土以及小部分紫色土为主。汨罗市农业基础坚实，是我国重要商品粮基地，种植业主要以水稻、玉米、茶叶以及各类蔬菜为主，养殖业以四大家鱼、龙虾、家禽为主。

1.2  样点布设及采集

大气干湿沉降在布设采样点时应考虑到工作区的地形地貌、气候特征、污染源分布等情况，例如，避开工厂废气排放区域、餐饮行业集中区域、扬尘较多区域。如果有明显大气污染地区可适当布设点位。汨罗市大气干湿沉降点位布设见图1，所有采样点位装置25 m2内无遮挡雨、雪、风的高大树木或建筑物。

大气干湿沉降的质量监控等相关要求按《土地质量地球化学评价规范》（DZ/T 0295—2016）和《生态地球化学评价样品分析技术要求（试行）》DD 2005—03执行。样品采集工作周期为1年，时间为2020年4月至2021年4月，需采集4次样品，每次采集样品间隔90 d，样品采集由专人收取样品，直接密封运送至实验室。共布设13个大气干湿沉降采样点位，4个批次，系统收集了大气干湿沉降样品52件。

1.3  样品分析

大气干湿沉降样品在采集完样品后运送至湖南地质测试研究院，由该单位进行样品化验分析，分析方法依据《土地质量地球化学评价规范》（DZ/T 0295—2016）、《地质矿产实验室测试质量管理规范》（DZ/T 0130—2006）等相关规范。化验分析As、Hg、Cd、Pb、Cr这5种重金属元素指标，干沉降As、Hg采用原子荧光分光光度法（HJ 680—2013）进行化验分析，Cd、Cr、Pb采用电感耦合等离子体质谱法（HJ 766—2015）进行化验分析；湿沉降As、Hg采用原子荧光法（HJ 694—2014）进行化验分析，Cd、Cr、Pb采用电感耦合等离子体质谱法（HJ 700—2014）进行化验分析。

1.4  元素年沉降通量计算

通过分析化验As、Hg、Cd、Pb、Cr这5种重金属元素的数据，计算出汨罗市大气干湿年沉降通量，计算公式如下：

M=Q/S（1）

式中：M为单个元素指标年沉降通量［mg/（m2·a）］；Q為单个元素指标沉降总量（mg/a）；S为采样面积（m2）。

1.5  大气沉降物健康风险评价

大气健康风险评价属于环境健康风险评价的一种，是将环境污染与人体健康联系起来的一种评价方法［13］。采用暴露风险评估模型来研究人体在大气环境中的状态，计算大气干沉降经手口、呼吸和皮肤直接接触3种途径进入人体的暴露量，然后通过风险表征公式来衡量相应的风险［10-15］，具体计算公式如下：

ADDing=c×IngR×CF×EF×EDBW×AT（2）

ADDinh=c×InhR×EF×EDPEF×BW×AT（3）

ADDderm=c×SA×SL×ABS×CF×EF×EDBW×AT（4）

LADD=c×EFAT×

InhRchild×EDchildBWchild+

InhRadult×EDadultBWadult

（5）

式中：ADDing为经手口途径摄入重金属日均暴露量；ADDinh为经呼吸途径摄入重金属日均暴露量；ADDderm为经皮肤接触途径摄入重金属日均暴露量；LADD为重金属日平均暴露剂量；BW、SA和AT均为湖南地区指标值，具体指标含义及取值见表1，数据源自文献［9-11，13，15-17］。

风险表征［18］计算公式如下：

HQ=ADD/RfD（6）

HI=∑HQi（7）

Risk=LADD×SF（8）

CR=∑Riski（9）

式中：RfD、HQ分别为非致癌类重金属不同暴露途径的参考剂量和风险商。HI为非致癌类重金属风险指数，当HI≤1时，通常认为不存在非致癌健康风险；当1＜HI≤10时，则认为存在一定非致癌健康风险；当HI≥10时，表明存在慢性毒性［11，15］。

SF为致癌斜率因子；Risk为重金属致癌风险商。CR是重金属致癌性风险指数，当CR<10-6时，可以认为致癌风险较低或可以忽略；CR为10-6～10-4时，为可以接受的致癌风险范围；当CR>10-4时，则表明具有极高的致癌风险。3种致癌性重金属RfD、SF见表2，数据源自文献［9，11-12，15］。

2  结果与分析

2.1  汨罗市大气干湿沉降重金属年沉降通量特征

从表3可以看出，汨罗市大气干湿沉降重金属年沉降通量从小到大依次为Hg

与已报道的我国其他地区和全国大气干湿沉降特征进行比较，在空间分布上，同属于华中地区的洪湖市、汨罗市除Hg元素略高于外，其余元素总体上均低于其他地区和全国（表3），华北大庆市［20］受冬季供暖期的影响，具有燃煤标识的As、Pb含量高于华中地区。在考虑不同地区经济结构的影响方面，滇中工矿城市的安宁市［11］主要受化工、矿集区的影响致使Cd、Pb、As元素都远超其他地区和全国，特别是Cd为全国的26倍；魯西南平原的巨野县［6］主要是受近些年大量的煤矿开采以及开采、运输煤矿过程中产生的粉尘而导致Pb、As、Cr、Cd元素年通量较大且超过全国。而天津北部的蓟州地区［5］作为天津最北端远离城区的农业区，与同是农业区的洪湖市、汨罗市的大气干湿沉降中各项重金属元素含量都非常接近且含量较低，但是值得注意的是，汨罗市和洪湖市［19］的Hg元素含量均高于其他地区和全国，根据相关研究表明，自然水体释汞在汞元素的循环演化中占有重要的地位，自然水体是大气汞的净源［21］，水体表面的释汞过程是大气中汞的一个极其重要的来源之一［22］，汨罗市西接湘江和洞庭湖，汨罗江自东南向西北横穿而过，水域面积相对发达，这可能是造成Hg的年沉降通量略高于全国的原因之一。

2.2  大气干沉降对表层土壤的影响

研究区土壤以水稻土和第四系红色黏土为主，土壤成分较单一，相关研究表明大气中的重金属元素含量与当地土壤背景值有关［6，23-24］，剔除背景值的影响，外源输入应该是区内土壤重金属累积的主要原因，而大气干湿沉降是土壤中重金属外源输入的主要来源之一。在前人的研究中，虽然大气湿沉降对土壤中各元素含量能起到一定的累积作用，但是其影响是较小的，所以这里主要研究汨罗市大气干沉降对表层土壤的影响，选取了同年在汨罗市调查的表层土壤样（约5 400件）为背景值，采用干沉降与表层土壤背景值的比值，来揭示大气干沉降对表层土壤的贡献。从表4可以看出，Cd、Hg、Pb在大气干沉降中和表层土壤中的含量存在明显差异，比值分别为14.438、7.717、4.057倍。考虑元素在大气和土壤中的不同形态、化学行为、迁移转化规律等情况［23］，发现大气干沉降中Cd、Hg、Pb元素含量高，并不能完全代表其就是表层土壤中3种元素的主要来源。

土壤中元素含量受多种因素控制，如母岩母质含量的高低、成土过程中的次生富集作用、人为活动的影响等，汤奇峰等［23，25］研究表明土壤中常量元素含量基本上受母岩母质的化学元素组成所控制，外源输入并不会对其含量造成很大的影响；而相较于土壤中的微量元素来说，如果外源的输入能对其含量造成比较显著的变化，那么两者之间就会表现出比较显著的相关性。选取同年在汨罗市调查的表层土壤样（约5 400件）其中的130件，每个大气点位周围选取10件表层土壤样品，采样规范严格按照《土地质量地球化学评价规范》（DZ/T 0295—2016）执行，将各个点位的大气干沉降与相对应表层土壤样品进行相关性检验，结果见表5。从表5可以看出，研究区大气干沉降与表层土壤元素含量之间的相关性较低，大气干沉降对汨罗市表层土壤中的As、Hg、Cd、Pb、Cr元素可能有一定的贡献，但不是其主要来源。

2.3  汨罗市大气干沉降物人体健康风险评价

2.3.1  暴露风险评估模型。

由表6可知，大气干沉降物中成人和儿童的5种重金属日均暴露剂量从高到低均依次为Pb>Cr>As>Cd>Hg。成人和儿童的重金属暴露途径从小到大均依次为呼吸摄入（ADDinh）<皮肤接触（ADDderm）<手口摄入（ADDing），大气干沉降重金属进入人体的主要途径为手口暴露途径。在3种暴露途径中，儿童每种暴露途径的暴露剂量大于成人，所以大气干沉降中重金属对儿童的非致癌暴露风险危害大于成人。

2.3.2  风险表征健康评价。

从表7可以看出，在3种暴露风险评估模型结果中儿童的非致癌風险指数（HI）均大于成人，且研究区内大气干沉降物中5种重金属HI均低于1，说明不存在非致癌健康风险影响或风险较低。大气干沉降中5种重金属的非致癌风险商（HQ）排序为AsPb（38.05%）>Cr（14.24%）>Cd（3.99%）>Hg（0.28%），可见As和Pb是主要潜在的非致癌风险因子，其中Hg元素由于缺乏相对应的ADDinh和ADDderm的RfD的参考值，所以在实际过程中Hg元素的计算结果偏低。

儿童的As、Pb的HI分别为0.835和0.731，均小于1，非致癌风险可能性较低。如果不人为加以干涉，不断在大气中进行累积，当HI大于1时且儿童处于长期暴露情况下，研究区内As、Pb可能会对儿童产生一定的非致癌风险。

3种具有致癌性重金属As、Cd、Cr的重金属致癌性风险指数（CR）分别为2.41×10-8、3.00×10-9、2.10×10-7均小于10-6，所以不存在致癌性风险。但是在实际计算评估过程中，因为只有呼吸吸入致癌斜率因子（SF）参考值，导致无法计算手口和皮肤接触这2种途径的致癌风险指数（ADDing和ADDderm），所以汨罗市大气干沉降中As、Cd、Cr的实际致癌风险指数可能会比此次研究评估的更高。

3  结论

（1）汨罗市大气干湿沉降各重金属年沉降通量从小到大依次为Hg

（2）大气干沉降与表层土壤元素含量之间的相关性较低，大气干沉降对汨罗市表层土壤中的As、Hg、Cd、Pb、Cr元素可能有一定的贡献，但不是其主要来源。

（3）人体健康风险评价表明大气干沉降重金属进入人体的主要途径是手口暴露途径，As和Pb是主要潜在的非致癌风险因子，其非致癌风险商（HQ）对非致癌风险指数（HI）的贡献率占比均超过35%，但是5种重金属的HI值<1，说明非致癌健康风险影响较小；As、Cd、Cr的重金属致癌性风险指数（CR）值均小于10-6，所以不存在致癌性风险。

（4）儿童的As、Pb的HI分别为0.835和0.731，小于1，非致癌风险可能性较低，但仍应提高警惕，加以控制空气中重金属含量。

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