太原市城郊菜地土壤和蔬菜重金屬含量特征及健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

滑小贊，程 濱，趙瑞芬，霍曉蘭，趙秀峰

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原030031）

隨著人口的增加、工業(yè)的迅速發(fā)展以及人們需求的提高，在數(shù)量上和質(zhì)量上對(duì)蔬菜生產(chǎn)提出了更高的要求[1-2]。許多菜農(nóng)為了獲得更高的效益往往投入過(guò)量的化肥和農(nóng)藥，加之城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，垃圾、污泥等廢棄物的不合理排放，使城市郊區(qū)菜地土壤日益受到重金屬的污染，影響土壤肥力和蔬菜品質(zhì)，并通過(guò)食物鏈在人體內(nèi)不斷積累，嚴(yán)重影響人類(lèi)健康和生命安全[1，3]。目前，研究發(fā)現(xiàn)，有些地區(qū)城市近郊土壤和蔬菜已經(jīng)受到了不同程度的重金屬污染[4-7]。

本研究在分析太原市近郊菜地土壤和夏秋葉菜類(lèi)蔬菜重金屬Cr，Pb，Hg，As含量特征的基礎(chǔ)上，對(duì)太原市成人和兒童食用蔬菜的健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，旨在為農(nóng)業(yè)環(huán)境的治理和蔬菜品種的選擇提供參考，為太原市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)合理規(guī)劃提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

太原市位于山西省中部，地理位置為東經(jīng)111°30′～113°09′，北緯 37°27′～38°25′，東西橫距約144 km，南北縱距約107 km。土壤類(lèi)型以石灰性褐土為主，耕地面積為10.77萬(wàn)hm2，蔬菜播種面積為2.17萬(wàn)hm2，占耕地面積的20.1%。其中，清徐縣、小店區(qū)是主要的蔬菜種植基地，占太原市蔬菜總播種面積的67.3%。因此，研究清徐縣和小店區(qū)2個(gè)區(qū)縣菜地土壤和蔬菜的重金屬對(duì)保障太原市400多萬(wàn)居民的食物安全有著重要的意義。

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 土壤 由于大部分重金屬及其化合物在土壤中不易遷移，一般聚集在農(nóng)作物根群較集中的表層土壤中，故采集0～20 cm土壤進(jìn)行分析，采用多點(diǎn)取樣混合成一個(gè)代表樣的方法，每個(gè)采樣點(diǎn)采集1 kg土壤混勻后用四分法取約1 kg土壤作為該點(diǎn)的代表樣[8-9]。在研究區(qū)共采集68個(gè)土壤樣品。土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干，剔除有機(jī)殘?jiān)?、植物根系以及可?jiàn)侵入體，粗磨后過(guò)0.84 mm篩用于測(cè)定土壤pH值，再細(xì)磨至全部過(guò)0.149 mm篩，用以測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)和重金屬含量等。

1.2.2 蔬菜 蔬菜樣品采集點(diǎn)原則上與土壤樣品采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)，采其可食用部分，采樣時(shí)應(yīng)注意選擇長(zhǎng)勢(shì)、長(zhǎng)相一致的植株，避免株體過(guò)大過(guò)小、遭受機(jī)械損傷或病蟲(chóng)害以及田邊路旁的植株[10]。樣品采集數(shù)量視具體品種和大小而定，總鮮質(zhì)量以1 kg左右為宜。共采集68個(gè)葉菜類(lèi)蔬菜樣品，包括白菜、生菜、結(jié)球甘藍(lán)、芹菜、油麥菜和空心菜等6個(gè)品種。蔬菜樣品分別用自來(lái)水反復(fù)清洗，去除表面泥土，然后用去離子水漂洗，晾干至無(wú)水后勻漿，置4℃冰箱保存待測(cè)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤重金屬Pb，Cr采用HCl-HNO3-HF-HClO4四酸消化，原子吸收分光光度法測(cè)定；土壤重金屬Hg，As采用王水水浴消解，原子熒光光度法測(cè)定。蔬菜重金屬采用HNO3-HClO4消煮，其中，Pb和Cr采用石墨爐原子吸收分光光度法測(cè)定，Hg和As采用原子熒光光度法測(cè)定。土壤pH值采用pH計(jì)測(cè)定，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)及圖表分析采用Excel和SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行。

1.5 評(píng)價(jià)方法

1.5.1 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是一種相對(duì)快速、簡(jiǎn)便和標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)方法，該方法不僅考慮土壤重金屬的含量，而且將重金屬的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)與毒理學(xué)聯(lián)系在一起，反映多種污染物的綜合影響[11-12]。包括單污染物潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（Eir）和綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）。

表1 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)

1.5.2 蔬菜重金屬污染指數(shù)法 蔬菜重金屬污染指數(shù)法是采用單項(xiàng)污染指數(shù)（Pi）和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)（P綜）相結(jié)合的方法進(jìn)行污染評(píng)價(jià)的。

式中，Pi為蔬菜中重金屬i的單項(xiàng)污染指數(shù)；Ci為蔬菜中重金屬i的實(shí)測(cè)值；Si為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值，參考GB 2762—2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》；P綜為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；P平均為各單項(xiàng)污染指數(shù)Pi的平均值；Pmax為各單項(xiàng)污染指數(shù)Pi的最大值[16]。蔬菜重金屬污染指數(shù)評(píng)價(jià)等級(jí)列于表2。

表2 蔬菜重金屬污染指數(shù)評(píng)價(jià)等級(jí)

1.5.3 蔬菜健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) 本研究采用得到廣泛認(rèn)可的美國(guó)國(guó)家環(huán)保署創(chuàng)建的非致癌評(píng)價(jià)方法，包括風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)（Hazard Quotient，HQ）和風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（Hazard Index，HI）2 項(xiàng)指標(biāo)[1]。

式中，Ci表示實(shí)測(cè)污染物均值（mg/kg）；i表示重金屬元素種類(lèi)；IRs表示食入途徑攝取速率，成人和兒童均按0.276 kg/a計(jì)；ED表示暴露持續(xù)時(shí)間，成人按30 a計(jì)，兒童按6 a計(jì)；EF表示暴露頻率，成人和兒童均按350 d/a計(jì)；BW表示評(píng)價(jià)對(duì)象的平均體質(zhì)量，成人按61.6 kg計(jì)，兒童按18.6 kg計(jì)；AT表示平均壽命，成人和兒童均按70 a計(jì)；RfD表示日參考劑量,是指人體日?？梢蚤L(zhǎng)時(shí)間持續(xù)暴露在此水平而不受危害的劑量，其中，Pb為0.04 mg/（kg·d），Cr為1.5 mg/（kg·d），Hg為0.000 3 mg/（kg·d），As為0.000 3 mg/（kg·d）[1]。

風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（HI）等于各重金屬風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)（HQ）之和，可以綜合評(píng)價(jià)多種重金屬對(duì)人體健康的危害。如果HI≤1，說(shuō)明人體不會(huì)受到大的傷害；1＜HI＜10，說(shuō)明人體存在健康風(fēng)險(xiǎn)，受到危害可能性很大；HI≥10，說(shuō)明存在嚴(yán)重的慢性風(fēng)險(xiǎn)[1]。

2 結(jié)果與分析

2.1 菜地土壤重金屬含量分析

2.1.1 統(tǒng)計(jì)分析 太原市周邊菜地土壤基本性質(zhì)和重金屬含量特征描述性統(tǒng)計(jì)列于表3。從表3可以看出，土壤pH值平均值為8.37，有機(jī)質(zhì)平均含量為17.4 g/kg，土壤整體上呈堿性、中等肥力水平。太原市菜地土壤中重金屬含量變化范圍較大，Cr，Pb，As，Hg 的含量范圍分別為 56.40～91.30，18.30～40.90，5.5～13.2，0.02～0.34 mg/kg。從土壤重金屬含量變異系數(shù)可以看出，重金屬Cr，Pb，As的變異系數(shù)介于10.4%～24.7%，均小于25%，屬于低等變異強(qiáng)度；重金屬Hg的變異系數(shù)為71.0%，大于50%，呈高變異性，表明在區(qū)域上差異顯著，可能受人類(lèi)活動(dòng)影響較大。以1994年的山西省土壤背景值為標(biāo)準(zhǔn)，太原市周邊菜地土壤各重金屬元素樣點(diǎn)超標(biāo)率表現(xiàn)為Pb＞Hg＞Cr＞As。重金屬Cr和As平均含量均低于太原市背景值，而Hg和Pb平均含量高于背景值，存在較為明顯的積累現(xiàn)象。采用NY/T 391—2013《綠色食品 產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量》中土壤環(huán)境質(zhì)量要求對(duì)蔬菜產(chǎn)地土壤重金屬進(jìn)行評(píng)價(jià)，重金屬 Cr，Pb，Hg和 As的限量指標(biāo)分別是120，50，0.35，20 mg/kg，可以看出，土壤樣品均未超標(biāo)，符合綠色食品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量要求。

表3 太原市菜地土壤重金屬含量及污染特征（n＝68）

2.1.2 相關(guān)分析和主成分分析 由土壤重金屬含量之間的相關(guān)性分析可以推測(cè)出重金屬來(lái)源是否相同，若2種重金屬含量間存在顯著的相關(guān)性，說(shuō)明其來(lái)源相同的可能性較大，反之，來(lái)源相同的可能性較小[17-18]。從表4可以看出，重金屬Cr，Pb和As這3種元素間存在極顯著正相關(guān)，重金屬Hg與Pb存在極顯著正相關(guān)，與As存在極顯著負(fù)相關(guān)。由此推斷，重金屬Cr，Pb，As可能具有同一來(lái)源，來(lái)源于土壤母質(zhì)，而重金屬Hg與其來(lái)源不同，來(lái)源于其他污染源。

表4 太原市菜地土壤重金屬含量之間的相關(guān)性

主成分分析作為一種用來(lái)輔助數(shù)據(jù)分析的統(tǒng)計(jì)方法，它是設(shè)法將原來(lái)具有一定相關(guān)性的眾多指標(biāo)重新組合形成一組新的互相無(wú)關(guān)的綜合指標(biāo)，來(lái)進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)解釋。本研究為了進(jìn)一步明確太原市周邊菜地土壤中重金屬的污染來(lái)源，對(duì)土壤重金屬進(jìn)行主成分分析發(fā)現(xiàn)（表5，6），4種重金屬可由前2個(gè)主成分反映87.918%的信息，即對(duì)前2個(gè)主成分進(jìn)行分析就可以反映4種重金屬含量數(shù)據(jù)的大部分信息。矩陣變換后，第1個(gè)主成分包含Cr，As和一部分Pb，第2個(gè)主成分主要包括Hg和一部分Pb。2個(gè)主成分中第1主成分的貢獻(xiàn)率為50.394%，特點(diǎn)表現(xiàn)為因子變量在元素As和Cr上有較高的載荷，由表3可知，土壤中As和Cr的背景值含量較高，反映了成土母質(zhì)可能是其主要的污染源。而第2主成分的貢獻(xiàn)率為37.524%，這一成分主要在元素Hg和Pb上有較高的貢獻(xiàn)率，土壤Pb的來(lái)源與太原市密集的公路網(wǎng)和大量的機(jī)動(dòng)車(chē)有關(guān)，Hg一般來(lái)源于燃煤排放，可以認(rèn)為，因子2主要來(lái)源于道路交通和燃煤排放。該結(jié)果進(jìn)一步支持了相關(guān)性分析結(jié)果，重金屬Cr和As主要來(lái)源于成土母質(zhì)；重金屬Pb主要有2個(gè)方面來(lái)源，一方面來(lái)源于成土母質(zhì)，一方面來(lái)源于道路交通和燃煤排放；重金屬Hg主要來(lái)源于道路交通和燃煤排放。

表6 具有Kaiser標(biāo)準(zhǔn)化的正交旋轉(zhuǎn)法得到的因子和全部解釋變量

2.1.3 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) 太原市菜地土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)如表7所示，Cr，Pb，As元素在所有樣點(diǎn)均處于輕微危害；Hg元素大部分樣點(diǎn)處于輕微危害和中等危害，個(gè)別樣點(diǎn)處于強(qiáng)度危害。從各元素平均潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Ei來(lái)看，Hg元素處于中等危害，其他元素均處于輕微危害。太原市菜地土壤重金屬的潛在生態(tài)危害由強(qiáng)至弱依次為 Hg＞As＞Pb＞Cr，其中，Hg對(duì) RI值的貢獻(xiàn)最突出，其次是As?；诟髟仄骄坑?jì)算的太原市菜地土壤的RI值為61.0，表明太原市菜地土壤總體處于輕微危害程度。計(jì)算各樣點(diǎn)的RI值表明，有95.6%的樣點(diǎn)總體處于輕微危害，4.4%的樣點(diǎn)總體處于中等危害。

表7 太原市菜地土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)（Ei）

2.2 蔬菜重金屬含量分析

按照蔬菜的種植情況，主要采集了6種葉菜類(lèi)蔬菜，分別是：白菜、生菜、結(jié)球甘藍(lán)、芹菜、油麥菜和空心菜。

測(cè)定所采集葉菜類(lèi)蔬菜可食部分的重金屬含量，并與重金屬限量標(biāo)準(zhǔn)GB 2762—2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》相比較，得出蔬菜重金屬超標(biāo)情況（表8）。從表8可以看出，蔬菜中4種重金屬元素Pb，Cr，Hg，As的平均含量分別為 0.133，0.159，0.001 2，0.017 5 mg/kg。與最新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB2762—2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》相比，葉菜類(lèi)蔬菜中的重金屬Hg，As均未超標(biāo)，Pb和Cr的超標(biāo)率分別為4.41%，1.47%。Cr超標(biāo)的蔬菜種類(lèi)主要是油麥菜；Pb超標(biāo)的蔬菜是芹菜。

從表8還可以看出，芹菜中重金屬Pb的含量明顯高于其他蔬菜，油麥菜中重金屬Cr的含量明顯高于其他蔬菜，但是土壤中重金屬Pb和Cr含量均屬于低等變異強(qiáng)度，也就是重金屬Pb和Cr在土壤中的含量變化不大，說(shuō)明芹菜對(duì)重金屬Pb有富集作用，而油麥菜對(duì)重金屬Cr有富集作用。因此，太原市夏秋葉菜類(lèi)蔬菜品種選擇時(shí)，應(yīng)注意選擇對(duì)重金屬富集能力低的蔬菜品種，如白菜、生菜、結(jié)球甘藍(lán)和空心菜等。

從單項(xiàng)污染指數(shù)來(lái)看（表9），Hg污染指數(shù)在ND～0.20，污染指數(shù)大小依次為白菜＞芹菜＞結(jié)球甘藍(lán)＞生菜＞空心菜、油麥菜，所有蔬菜種類(lèi)均優(yōu)良。As單項(xiàng)污染指數(shù)在0.01～0.05，污染指數(shù)大小依次為白菜＞芹菜＞生菜、空心菜、油麥菜＞結(jié)球甘藍(lán)，所有蔬菜種類(lèi)均優(yōu)良。Cr單項(xiàng)污染指數(shù)在0.12～0.78，污染指數(shù)大小依次為油麥菜＞芹菜＞生菜＞空心菜＞白菜＞結(jié)球甘藍(lán)，其中，油麥菜污染指數(shù)為0.78，達(dá)到安全水平，其余5種蔬菜均優(yōu)良。Pb單項(xiàng)污染指數(shù)在0.12～0.98，污染指數(shù)大小依次為芹菜＞油麥菜＞白菜＞生菜＞結(jié)球甘藍(lán)＞空心菜，其中，芹菜污染指數(shù)為0.98，達(dá)到安全水平，其余5種蔬菜均優(yōu)良。

從綜合污染指數(shù)來(lái)看（表9），在所調(diào)查的6種蔬菜中，綜合污染指數(shù)大小依次為芹菜＞油麥菜＞空心菜＞生菜＞白菜＞結(jié)球甘藍(lán)；其中，綜合污染指數(shù)最高的是芹菜，為0.77，達(dá)警戒線(xiàn)水平；其他種類(lèi)的蔬菜為安全?？傮w來(lái)說(shuō)，太原市郊菜地葉菜類(lèi) 蔬菜基本安全。

表8 太原市露地葉菜類(lèi)蔬菜重金屬含量及污染特征

表9 太原市露地葉菜類(lèi)蔬菜重金屬污染指數(shù)

2.3 蔬菜中重金屬的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

根據(jù)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，計(jì)算出太原市菜地葉菜類(lèi)蔬菜中ADD，HQ和HI（表10）。從表10可以看出，無(wú)論成人還是兒童，4種重金屬HQ均小于1，說(shuō)明太原市居民食用葉菜類(lèi)蔬菜不會(huì)存在單一重金屬帶來(lái)的健康風(fēng)險(xiǎn)。不同重金屬的HQ有較大差異，表現(xiàn)為As＞Pb＞Hg＞Cr，As的HQ值最大，相比之下，Cr引發(fā)的健康風(fēng)險(xiǎn)最低，賈麗等[1]研究濟(jì)南市石灰性菜地蔬菜攝入，計(jì)算出Cr的HQ值均顯著小于Pb，與本研究結(jié)果一致。綜合各重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)的HI值可以看出，無(wú)論成人還是兒童，攝食葉菜類(lèi)蔬菜尚處于安全狀態(tài)，不會(huì)對(duì)健康產(chǎn)生明顯的傷害。6種蔬菜的復(fù)合風(fēng)險(xiǎn)主要由As引起的，這一結(jié)果與王海萍等[19]的研究結(jié)果一致，考慮主要與As的日參考劑量（RfD）相對(duì)較小有關(guān)。從風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)（HQ）和風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（HI）來(lái)看，6種葉菜類(lèi)蔬菜對(duì)成人和兒童引起的健康風(fēng)險(xiǎn)較低，不會(huì)對(duì)暴露人群構(gòu)成明顯的危害。所以，太原市夏秋葉菜類(lèi)蔬菜是安全的，人們可以放心食用。

表10 蔬菜中各重金屬的ADD，HQ和HI值

3 結(jié)論

太原市菜地土壤重金屬Cr和As的平均含量低于太原市背景值，而Pb和Hg的平均含量高于太原市土壤背景值，存在較為明顯的積累現(xiàn)象。采用相關(guān)性分析和主成分分析，得出重金屬Cr和As主要來(lái)源于成土母質(zhì)；重金屬Pb主要有2個(gè)方面來(lái)源，一方面來(lái)源于成土母質(zhì)，一方面來(lái)源于道路交通和燃煤排放；重金屬Hg主要來(lái)源于道路交通和燃煤排放。

土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)表明，太原市菜地土壤環(huán)境總體處于輕微危害程度，4種重金屬的潛在生態(tài)危害由強(qiáng)至弱依次為Hg＞As＞Pb＞Cr，其中，Hg的貢獻(xiàn)率最大。

與GB 2762—2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》相比，葉菜類(lèi)蔬菜中，Hg，As均未超標(biāo)，Pb和Cr的超標(biāo)率分別為4.41%，1.47%。采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)對(duì)蔬菜中重金屬進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，白菜、生菜、結(jié)球甘藍(lán)、油麥菜和空心菜等5種蔬菜綜合指數(shù)小于0.7，尚安全；芹菜綜合指數(shù)為0.77，污染指數(shù)達(dá)到了警戒水平。

太原市菜地種植的葉菜類(lèi)蔬菜健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，4種重金屬風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)（HQ）和綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（HI）均小于1，表明太原市菜地葉菜類(lèi)蔬菜是安全的，人們可以放心食用。