株洲市農(nóng)田土壤重金屬污染特征及風險評價

李曉勇，陳肖胤

（湖南工業(yè)大學建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學院暨長株潭“兩型”社會研究院，湖南　　株洲 412007）

株洲市農(nóng)田土壤重金屬污染特征及風險評價

李曉勇，陳肖胤

（湖南工業(yè)大學建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學院暨長株潭“兩型”社會研究院，湖南株洲 412007）

為了解株洲市各城區(qū)農(nóng)田土壤重金屬的污染及其對人體的危害程度，利用潛在生態(tài)危害指數(shù)法和健康風險評價模型對株洲市各城區(qū)土壤中Cd、Pb、As等重金屬的含量進行風險評價。結果表明，除了Cr、Hg外，各城區(qū)的重金屬都高于株洲市農(nóng)田土壤背景值和國家自然背景值，其中石峰區(qū)Cd高出背景值633%。潛在生態(tài)風險研究表明，只有Hg和Cd單因子潛在生態(tài)危害指數(shù)（Eir）大于30，表明該元素對土壤存在潛在生態(tài)危害。從綜合潛在生態(tài)風險危害指數(shù)RI看，石峰區(qū)（RI＞265）土壤重金屬潛在生態(tài)危害嚴重。健康風險評價表明，僅有石峰區(qū)Zn的單個污染物非致癌風險HQ和總非致癌風險HI都大于1，暗示其可能對兒童有較明顯的非致癌健康影響；且石峰區(qū)總致癌風險Risk總高達1.05×10-4，致癌風險比較高，其他3個區(qū)的重金屬對株洲市兒童的非致癌和致癌風險不明顯。綜合評價結果表明，石峰區(qū)的農(nóng)田土壤環(huán)境質量不容樂觀。

農(nóng)田；重金屬；潛在生態(tài)風險；健康風險評價；株洲市

近年來，隨著中國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展和城市化進程加快，工業(yè)、商業(yè)、交通等各種人類活動將大量重金屬帶入城市土壤。重金屬作為一種持久性的有毒污染物，通過不同的途徑進入土壤后因不能被生物降解而長期存在于土壤中，可通過飲食、皮膚表面接觸、呼吸等進入到人體中，對人的神經(jīng)系統(tǒng)、免疫功能等產(chǎn)生非致癌影響，甚至強致癌作用［1-3］。因此對土壤重金屬污染及其健康風險進行研究具有非常重要的意義。目前，土壤重金屬污染所帶來的環(huán)境問題已經(jīng)成為國際環(huán)境土壤學研究的熱點［4-7］。

株洲市是一個老工業(yè)城市，在工業(yè)和經(jīng)濟發(fā)展的同時，“三廢”大量排放，造成土壤重金屬污染日益嚴重，已對生物和環(huán)境造成重大脅迫，危及農(nóng)產(chǎn)品安全和人類健康，株洲市土地資源的保護以及污染土壤的治理顯得更加重要和迫切。前人對株洲土壤重金屬污染特征及環(huán)境質量評價做了一些研究［8-9］，但人體健康風險評價方面的研究還甚少。本文在借鑒國內(nèi)外土壤重金屬污染健康風險評價經(jīng)驗的基礎上，對株洲市城區(qū)具有代表性的農(nóng)田土壤中重金屬（Pb、Cd等）進行潛在生態(tài)危害評價和健康風險評價，以期為株洲市的環(huán)境決策和風險管理提供科學依據(jù)，為當?shù)鼐用竦慕】堤峁┛煽康谋Ｕ稀?/p>

1　材料與方法

1.1土壤樣品的采集

在株洲市石峰區(qū)、天元區(qū)、荷塘區(qū)和蘆淞區(qū)下轄村莊的農(nóng)田區(qū)隨機布設了4個采樣區(qū)，共計20個采樣點［8］（表1），土壤樣品采集參照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范》，按梅花形法在選定的采樣點周圍半徑5 m范圍內(nèi)，取5點垂直采取地塊表層0～20 cm的土壤，將土樣混合均勻，按四分法混合取1 kg裝入樣品袋。每個采樣點采集5個樣品，共采集土壤樣品100個。選擇無污染的線江村農(nóng)田作為對照點，按照同樣方法采集5個樣品。所有樣品均經(jīng)過前處理、風干、磨細過0.15 mm（100目）尼龍篩待用。

表1　株洲市各城區(qū)農(nóng)田土壤采樣點Table 1 Sampling sites of topsoil in different districts of Zhuzhou

1.2測定項目及方法

測定項目包括土壤全 Pb、Zn、Cd等，重復3次，采用HF-HClO4-HNO3消煮，定容后的上清液用日本島津AA6800原子吸收光譜儀測定，待測液中Cr、Zn、Pb和Cd等分別采用火焰原子吸收分光光度法和石墨爐原子吸收分光光度法測定，As和Hg分別采用原子熒光光度計法測定，pH值采用電位法測定，檢測分析過程中重復樣品合格率為100%，Cr、Pb、As、Hg、Cd、Cu、Zn的回收率分別達98%、95%、90%、90%、91%、92%以上。測試數(shù)據(jù)經(jīng)SPSS統(tǒng)計軟件進行方差統(tǒng)計分析。

1.3評價方法

1.3.1潛在生態(tài)風險評價模型［10］瑞典學者Hakanson提出的潛在生態(tài)指數(shù)法的計算公式如下：

1.3.2健康風險評價模型［12-13］本文研究食物攝食途徑下土壤重金屬對兒童的健康風險評價，非致癌風險模型和致癌風險模型計算公式如下：

表2　潛在生態(tài)危害分級Table 2 Classification of potential ecological risk

非致癌風險：HQ=CDI/RfD，HI=ΣHQi。式中：CDI是慢性日攝入量，mg/（kg·d），CDI=c ×IR×CF×EF×ED/BW×AT（c—土壤污染物濃度，mg/kg；IR—攝取速率，mg/d；CF—轉換因子，10-6kg/mg；EF—暴露頻率，d/a；ED—暴露時間，a；BW—受體體重，kg；AT—平均接觸時間，a）；HQ—單個污染物非致癌風險；HI—總非致癌風險，其數(shù)值的大小，表示風險的大??；RfD—化學污染物的某種暴露途徑下的參考劑量，mg/（kg·d）。

致癌風險：Cancer Risk=CDI×SF，

式中：SF（slope factor）為斜率因子，kg·d/mg；Risk為單個污染物的可能暴露途徑所產(chǎn)生的致癌風險；Risk總為各種污染物的各種可能暴露途徑所產(chǎn)生的致癌風險之和。美國環(huán)保局認為，致癌風險在1×10-6～1×10-4時是可以接受的。

2　結果與討論

2.1調查區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染特征

表3是株洲市各區(qū)域農(nóng)田土壤重金屬平均含量，分析結果表明株洲市調查區(qū)域農(nóng)田的重金屬平均含量相對較高：天元、石峰和荷塘區(qū)的農(nóng)田土壤重金屬Cd、Pb、Zn、As含量平均值均高于株洲市農(nóng)田土壤背景值和國家土壤自然背景值，Hg略高于國家土壤自然背景值；而蘆淞區(qū)的Cr、Cd、Pb、Zn含量平均值均高于株洲市農(nóng)田土壤背景值和國家土壤自然背景；其中石峰區(qū)農(nóng)田土壤中Cd含量最高，超過株州市背景值633%；而Pb和Zn分別超過株州市背景值264%和521%。表明株洲市城區(qū)農(nóng)產(chǎn)品用地可能存在很大程度的污染。前人研究表明，土壤中的重金屬應該主要來自于工業(yè)污染，且Cd污染最重［14-15］，石峰區(qū)是工業(yè)區(qū)，重金屬污染最為嚴重。

2.2調查區(qū)農(nóng)田土壤重金屬潛在生態(tài)風險評價

表3　株洲市各區(qū)域農(nóng)田土壤重金屬平均含量Table 3 Concentration of heavy metals in soils from different districts in Zhuzhou　mg·kg-1

表4　土壤重金屬潛在生態(tài)風險Table 4 Potential ecological risk of heavy metals in farmland soil in Zhuzhou

圖1　株洲市各城區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)風險系數(shù)綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)Fig.1 Potential ecological hazard coefficients of heave metals and potential ecological risk index from soil of each urban area in Zhuzhou

2.3土壤重金屬健康風險分析

進行重金屬健康風險評價時，暴露參數(shù)的選取是一個關鍵問題。本文僅考慮通過食物攝取土壤中污染物為株洲市人體暴露的主要途徑，參考美國環(huán)保署（USEPA）數(shù)據(jù)，結合國內(nèi)前人的研究成果和已有的研究材料［17-21］以及株洲市居民的實際情況，確定適合當?shù)氐谋┞对u價參數(shù)（表5）。另外Cd、As為化學致癌物，其參數(shù)（RfD和致癌斜率因子SF）的相關參考數(shù)值主要參考美國環(huán)保署（USEPA）數(shù)據(jù)，并根據(jù)目前國內(nèi)已有的調查研究文獻［17-20］，對暴露參數(shù)的取值進行了修訂（表6）。

根據(jù)潛在生態(tài)風險評價結果，進一步就Cd和As對兒童健康帶來的風險進行了評價。利用健康風險評價模型公式，結合表4和表5，計算出重金屬食物攝取暴露途徑下的非致癌風險指數(shù)以及致癌風險指數(shù)，結果見表7。蘆淞區(qū)、荷塘區(qū)和天元區(qū)的Cr、Cd、Pb、Hg、As、Zn 6種重金屬的單個污染物非致癌風險HQ和總非致癌風險HI均小于1，從理論上講，不會對兒童造成明顯的非致癌健康影響。而石峰區(qū)Zn的單個污染物非致癌風險HQ和總非致癌風險HI大于1，說明可能對兒童有較明顯的非致癌健康影響。其中以Zn的非致癌風險最大，HQ達到1.18；Hg的非致癌風險最小，為2.99× 10-4。根據(jù)HQ大小，其潛在兒童健康危害風險的大小為：Zn＞Pb＞Cr＞As＞Cd＞Hg。從計算數(shù)據(jù)可知，Cd致癌風險介于1.0×10-6～1.0×10-5，屬于I級風險等級；As致癌風險介于1.0×10-5～1.0 ×10-4，屬于II級中風險等級，表明Cd對兒童的致癌風險較低，而As對兒童致癌風險相對較高，可能是主要致癌風險因素。蘆淞區(qū)、荷塘區(qū)和天元區(qū)的Cd和As致癌風險Risk和Risk總都小于1×10-4，而石峰區(qū)總致癌風險Risk總為1.05×10-4，表明蘆淞區(qū)、荷塘區(qū)和天元區(qū)的Cd和As對兒童的致癌風險低，而石峰區(qū)的Cd和As對兒童的致癌風險比較高，對兒童健康危害可能性較大。綜合前面的論述可知，石峰區(qū)的土壤重金屬污染較為嚴重，對兒童的潛在生態(tài)和健康危害都大大高于其他城區(qū)，土壤環(huán)境質量堪憂。

表5　健康風險評價模型暴露參數(shù)Table 5 Exposure parameters of the health risk assessment models

表6　模型參數(shù)RfD和SF值　　［12-13，17-19］Table 6 Model parameters of RfD and SF value

3　結 論

（1）株洲市各城區(qū)農(nóng)田的重金屬除了Cr外，其他元素都高于株洲市農(nóng)田土壤背景值和國家自然背景值，其中石峰區(qū)Cd最嚴重，高出株州市背景值633%；而Pb和Zn分別超過株州市背景值264%和521%，表明株洲市城區(qū)農(nóng)產(chǎn)品用地己經(jīng)存在很大程度的污染，尤其以石峰區(qū)最為嚴重，已不適宜生產(chǎn)無公害糧食和蔬菜。

（3）重金屬健康風險評價結果表明，僅有石峰區(qū)Zn的單個污染物非致癌風險HQ和總非致癌風險HI大于1，可能對株洲市人體有較明顯的非致癌健康影響。其潛在兒童健康危害風險的大小為：Zn＞Pb＞Cr＞As＞Cd＞Hg。Cd對兒童的致癌風險較低，而As對兒童致癌風險相對較高，可能是主要致癌風險因素。蘆淞區(qū)、荷塘區(qū)和天元區(qū)的Cd和As對兒童的致癌風險低，而石峰區(qū)的 Cd和As對兒童的致癌風險比較高。綜合前面的論述可知，石峰區(qū)的土壤重金屬污染較為嚴重，對兒童的潛在生態(tài)和健康危害都大大高于其他城區(qū)，土壤環(huán)境質量堪憂。其污染主要來自于工業(yè)排放，減少源頭排放和修復治理工作并進，是該地區(qū)綜合治理的可行性策略。

表7　株洲市土壤重金屬非致癌風險指數(shù)和致癌風險Table 7 Hazard quotients and risks for each heavy metal element in soil of Zhuzhou

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Characteristics of heavy metals pollution and health risk assessment in farmland soil of Zhuzhou

LI Xiao-yong，CHEN Xiao-yin
（Department of Architecture and Urban Planning，Hunan University of Technology，Zhuzhou 412007，China）

In order to know heavy metal hazard to humman health in soil of Zhuzhou，risk assessment of heavy metals in different zones are studied by Hakanson potential risk index and health risk assessment model.The results show that heavy metals in each district are all higher than that of soil background of Zhuzhou and the country except Cr and Hg，especially，Cd 633%higher than soil background in Shifeng area.The study of potential ecological risk shows that only （）of Hg and Cd are more than 30，suggesting possible potential ecological hazard to children.Potential ecological hazard trend for each heavy metal is Zn＞Pb＞Cr＞As＞Cd＞Hg.By RI，potential ecological hazard of heavy metal in Shifeng area may be serious.The study of health risk assessment shows that hazard quotients（HQ，HI）values of heavy metals for Shifeng area are more than 1 and total carcinogen risk（RiskTotal）is 1.05×10-4，suggesting relatively obvious noncarcinogenic and carcinogenic risk to child health.However，there are not obvious noncarcinogenic and carcinogenic risk to child health in other districts.In general，soil environmental quality in farmland in Shifeng district is not optimistic.

soil；heavy metals；potential ecological risk；health risk assessment；Zhuzhou

X53；X825

A

1674-9057（2016）03-0545-05

10.3969/j.issn.1674-9057.2016.03.020

2015-03-30

“十二五”國家科技支撐計劃項目（2012BAJ24B03；2013BAJ10B14）

李曉勇 （1973—），男，副教授，研究方向：土壤生態(tài)學和污染修復，xyli@issas.ac.cn。

引文格式：李曉勇，陳肖胤.株洲市農(nóng)田土壤重金屬污染特征及風險評價［J］.桂林理工大學學報，2016，36（3）：545-549.