湖南某尾礦庫周邊農(nóng)田土壤及蔬菜重金屬污染與健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

周楠　唐東山　鄧欽文　張曉文　李密　李玉領(lǐng)

摘要：以湖南省某尾礦庫周邊農(nóng)田土壤和蔬菜受重金屬污染為研究對象，采集該區(qū)域內(nèi)的45個(gè)土壤樣和34個(gè)蔬菜樣，測量樣品中重金屬（Cu、Pb、Cd、Hg和As）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，采用污染指數(shù)法對土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了評價(jià)，采用健康風(fēng)險(xiǎn)評法評價(jià)了4種暴露途徑下（土壤/蔬菜經(jīng)口攝入、土壤經(jīng)皮膚接觸和土壤經(jīng)呼吸接觸）各污染物對人體造成的非致癌風(fēng)險(xiǎn)和致癌風(fēng)險(xiǎn)。研究表明：單因子污染指數(shù)顯示該尾礦庫周邊農(nóng)田土壤主要受到Cd、As和Pb的污染，各重金屬的污染程度為Cd>As>Pb>Cu>Hg。土壤綜合污染指數(shù)為1.98，為輕度污染，主要污染因子為As，其次為Ad和Pb。各污染物在4種暴露途徑下的總非致癌風(fēng)險(xiǎn)是10.4，為不可接受風(fēng)險(xiǎn)，其中Pb、Cd和As的非致癌風(fēng)險(xiǎn)大于1，各污染物的非致癌風(fēng)險(xiǎn)依次為As>Pb>Cd>Hg>Cu，各污染物在蔬菜經(jīng)口攝食途徑下的總非致癌風(fēng)險(xiǎn)對HI總的貢獻(xiàn)率最大，為97.1%。Cd和As在4種暴露途徑下的總致癌風(fēng)險(xiǎn)是1.2×10^-2，為不可接受風(fēng)險(xiǎn)，Cd和As的致癌風(fēng)險(xiǎn)均大于10^-4，且As>Cd，污染物（Cd和As）在蔬菜經(jīng)口攝食途徑下的總致癌風(fēng)險(xiǎn)對R總的貢獻(xiàn)率最大，為91.6%。關(guān)鍵詞：農(nóng)田土壤；蔬菜；重金屬污染；健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

中圖分類號：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）06-0001-06

1 引言

健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)是20世紀(jì)80年代以后發(fā)展起來的，旨在識別環(huán)境中可能的風(fēng)險(xiǎn)源，評價(jià)其與人體發(fā)生接觸的暴露途徑以及定量評價(jià)暴露結(jié)果對人體健康產(chǎn)生的危害程度。同時(shí)，它把環(huán)境污染與人體健康聯(lián)系起來，定量地描述環(huán)境污染對人群健康的危害，估算有害因子對人體危害發(fā)生的概率。通過環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，可以直接得出環(huán)境質(zhì)量的綜合結(jié)論，確定污染物的主次及治理的優(yōu)先權(quán)，從而為環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理提供依據(jù)和主要決策對象。

本文以湖南省某尾礦庫周邊農(nóng)田土壤及蔬菜的重金屬污染情況為研究對象，分析重金屬Cu、Pb、Cd、Hg和As的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，采用污染指數(shù)法對土壤重金屬污染進(jìn)行評價(jià)，采用美國環(huán)境保護(hù)署（U.S.Environ-mental Protection Agency，以下簡稱USEPA）推薦的健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型，對研究區(qū)域內(nèi)土壤和蔬菜中重金屬對周邊居民4種暴露途徑（土壤經(jīng)口攝入、土壤經(jīng)皮膚接觸、吸入土壤顆粒物及經(jīng)口攝食蔬菜），采集該區(qū)域內(nèi)的45個(gè)土壤樣和34個(gè)蔬菜樣，測量了樣品中的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)，基于此進(jìn)行健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。旨在全面了解該尾礦庫周邊農(nóng)田土壤重金屬污染特征，分析不同暴露途徑下土壤及蔬菜中重金屬對人體健康造成的非致癌風(fēng)險(xiǎn)及致癌風(fēng)險(xiǎn)，以期為尾礦庫的風(fēng)險(xiǎn)防范及環(huán)境治理提供參考。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與制備

由于該尾礦庫處于湘江某市段上游的S型彎道內(nèi)，北距湘江2km，南、西距湘江5km該尾礦庫北側(cè)為一湖泊，西側(cè)為工廠企業(yè)。土壤樣品和植物樣品按常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)法取樣，采用GPS定位，樣點(diǎn)布局考慮當(dāng)?shù)靥厥獾匦闻c土地利用方式（部分區(qū)域?yàn)樯降嘏c夏季時(shí)令用地），布設(shè)45個(gè)采樣點(diǎn)，合計(jì)45個(gè)土壤樣和34個(gè)蔬菜樣，如圖1。土壤：用塑料鏟采集0～20cm耕層土壤，每個(gè)采樣點(diǎn)采用對角線法采集3個(gè)子樣，組成一個(gè)混合樣，帶回實(shí)驗(yàn)室經(jīng)自然風(fēng)干后，經(jīng)四分法分出500g土樣研磨，過200目（粒徑：0.075mm）尼龍篩，裝磨口玻璃瓶待測。蔬菜：每個(gè)采樣點(diǎn)采集3～5株合成1個(gè)混合樣（同時(shí)采集蔬菜根際土壤樣品），先用自來水沖洗干凈，再用二次蒸餾水淋洗2～3遍，吸干表面水分稱其鮮重，然后放置烘箱中105℃殺青30min，并于75℃烘干至恒重，稱其干重以測定蔬菜含水率。烘干后的樣品用研缽碾碎，過20目（粒徑：0.830mm）尼龍篩，裝自封袋中置于干燥器內(nèi)保存待測。

2.2 樣品前處理

樣品分析主要采用密閉微波消解的方式消解，消解樣品質(zhì)量為（0.25±0.0005g），消解液：土壤樣品為8mL硝酸+2mL氫氟酸，植物樣品為8mL硝酸+0.5mL氫氟酸。

2.3 檢測方法

Cu使用《火焰原子吸收分光光度法》（GB/T17141-1997）測定，Pb、Cd使用《石墨爐原子吸收分光光度法》（GB/T17141-1997）測定，儀器型號：PinAAcle 900Series；As、Hg使用《原子熒光光譜儀》（GB21191-2007）測定，儀器型號：AFS-830。檢出限如表1。

2.4 土壤重金屬污染評價(jià)方法

評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：Cu、Pb、Cd、Hg和As根據(jù)《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（HJ332-2006）中的限量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行污染等級評價(jià)。

2.4.1 單因子指數(shù)法

單因子指數(shù)法是國內(nèi)外普遍采用的方法之一，是對土壤中各污染物的污染程度分別進(jìn)行評價(jià)。其計(jì)算公式為：

P_i=c_i/S_i（1）

式中：P_i為土壤中污染物的環(huán)境指數(shù)；c_i為污染物i的實(shí)測含量（mg/kg）；S_i為污染物i的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（mg/kg）。

2.4.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法可全面反映土壤中各污染物的平均污染水平，也突出了污染最嚴(yán)重的污染物給環(huán)境造成的危害。其計(jì)算公式如下：

P_N={[（c_i/s_i）_max²+（c_i/s_i）_max²]/2}^1/2（2）

式中，PN為綜合污染指數(shù)；（c_i/S_i）_max為各污染物中單項(xiàng)污染指數(shù)最大值；（c_i/S_i）_max為各污染物中單項(xiàng)污染指數(shù)的算術(shù)平均值。根據(jù)單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法將土壤重金屬污染劃分等級，如表2。

2.5 健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)是以風(fēng)險(xiǎn)度作為指標(biāo)，把環(huán)境污染與人體健康聯(lián)系起來，定量描述重金屬污染對人體產(chǎn)生健康危害的風(fēng)險(xiǎn)。健康風(fēng)險(xiǎn)分為非致癌風(fēng)險(xiǎn)（HI）和致癌風(fēng)險(xiǎn)（R）。健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型包括非致癌風(fēng)險(xiǎn)模型和致癌風(fēng)險(xiǎn)模型，分別如式（3）、（6）所示。

2.5.1 單一污染物非致癌風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模型

HQ=CDI/RFD （3）

式中：HQ為非致癌風(fēng)險(xiǎn)，無量綱；CDI為長期日攝入劑量，單位為mg/kg/d；RFD為非致癌污染物長期日攝入?yún)⒖紕┝浚瑔挝粸閙g/kg/d。單一污染物經(jīng)所有暴露途徑的總非致癌風(fēng)險(xiǎn)采用公式（4）計(jì)算：

HQ_n=HQ_ns+HQ_na+HQ_nb+HQ_nf（4）

HQ_n為單一污染物（第n種）經(jīng)所有暴露途徑的總非致癌風(fēng)險(xiǎn)；HQ_ns、HQ_na、HQ_nb和HQ_nf為土壤經(jīng)口攝入、土壤經(jīng)皮膚接觸、土壤經(jīng)呼吸接觸和蔬菜經(jīng)口攝入途徑下污染物（第n種）的非致癌風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)評價(jià)多種污染物產(chǎn)生的非致癌風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，則把每種污染物產(chǎn)生的非致癌風(fēng)險(xiǎn)相加，得到總體的非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)HI總。人體可接受的非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)閾值為HQ或HI<1。

HI_總=HQ₁+HQ₂+……+HQ_n（5）

2.5.2 單一污染物致癌風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模型

R=CDI×SF （6）

式中：R為致癌風(fēng)險(xiǎn)，無量綱；CDI如式（3）；SF為致癌污染物致癌斜率因子，單位為kg/d/mg。單一污染物經(jīng)所有暴露途徑的總致癌風(fēng)險(xiǎn)采用公式（7）計(jì)算：

R_m=R_ms+R_ma+R_mb+R_mf（7）

R_m為單一污染物（第m種）經(jīng)所有暴露途徑的總致癌風(fēng)險(xiǎn)；R_ms、R_ma、R_mb和R_mf，為人體在土壤經(jīng)口攝入、土壤經(jīng)皮膚接觸、土壤經(jīng)呼吸接觸和蔬菜經(jīng)口攝入途徑下污染物（第m種）的致癌風(fēng)險(xiǎn)。

多種致癌元素導(dǎo)致的致癌風(fēng)險(xiǎn)為多種致癌元素在可能暴露途徑所產(chǎn)生的致癌風(fēng)險(xiǎn)和，得到總體的非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)HI總。USEPA認(rèn)為，致癌風(fēng)險(xiǎn)閾值5，7在10^-6-4

3.2 健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

通過表3～5中的人體健康風(fēng)險(xiǎn)評估模型及參數(shù)，計(jì)算土壤經(jīng)口攝入、土壤經(jīng)皮膚接觸、吸入土壤顆粒物及蔬菜經(jīng)口攝食四種途徑下的暴露值，分析重金屬元素（Cu、Pb、Cd、Hg和As）進(jìn)入人體后引起的健康風(fēng)險(xiǎn)分為致癌風(fēng)險(xiǎn)（HI）和致癌風(fēng)險(xiǎn)（R），計(jì)算出不同暴露途徑下的人體健康風(fēng)險(xiǎn)（HI和R）見表8。

3.2.1 非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

由表8可知，該區(qū)域人體受到來自四暴露途徑下多種污染物的非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)合計(jì)為10.4，遠(yuǎn)大于人體可接受的非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)閾值1，長時(shí)間暴露在此環(huán)境下會對人體造成明顯的非致癌健康影響。

單一污染物經(jīng)所有暴露途徑的總非致癌風(fēng)險(xiǎn)分別為：HQ_Cu=0.1，HQ_Pb=3.3，HQ_Cd=2.2，HQ_Hg=0.3和HQ_As=4.4。其中污染物Pb、Cd和As經(jīng)所有暴露途徑的總非致癌風(fēng)險(xiǎn)大于1，為不可接受風(fēng)險(xiǎn)；污染物Cu和Hg經(jīng)所有暴露途徑的總非致癌風(fēng)險(xiǎn)小于1，為可接受風(fēng)險(xiǎn)。表明在該尾礦庫周邊農(nóng)田土壤和蔬菜中的Pb、Cd和As可能存在對人體健康的非致癌風(fēng)險(xiǎn)。各污染物的總非致癌風(fēng)險(xiǎn)依次為As>Pb>Cd>Hg>Cu，各污染物（Cu、Pb、Cd、Hg和As）對HI_總的貢獻(xiàn)率分別為1.0%、31.7%、21.1%、2.9%和42.3%。

單一暴露途徑下各污染物的總非致癌風(fēng)險(xiǎn)分別為：HQ_s=0.2，HQ_a=5.2×10^-4，HQ_b=6.4×10^-2，HQ_f=10.1，HQ_s、HQ_a、HQ_b和HQ_f分別表示土壤經(jīng)口攝入、土壤經(jīng)皮膚接觸、土壤經(jīng)呼吸接觸和蔬菜經(jīng)口攝入途徑下多種污染物的總非致癌風(fēng)險(xiǎn)。HQ_f大于1，為不可接受風(fēng)險(xiǎn)；HQ_s、HQ_a和HQ_b均小于1，為可接受風(fēng)險(xiǎn)。各污染物在蔬菜經(jīng)口攝食途徑下的總非致癌風(fēng)險(xiǎn)對HI_總的貢獻(xiàn)率最大，為97.1%。

3.2.2 致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

通過表8可知，該區(qū)域人體受到來自四種暴露途徑下污染物（Cd和As）的致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)合計(jì)為1.2×10^-3，即每萬人中就有約12個(gè)人存在致癌風(fēng)險(xiǎn)，大于人體可接受的致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)閾值10^-4，屬不可接受的高致癌風(fēng)險(xiǎn)。

單一污染物經(jīng)所有暴露途徑的總致癌風(fēng)險(xiǎn)分別為：R_Cd=3.6×10^-4和R_As=8.3×10^-4。均為不可接受的致癌風(fēng)險(xiǎn)，長時(shí)間暴露在此環(huán)境下會對人體健康造成危害。

單一暴露途徑下污染物（Cd和As）的總致癌風(fēng)險(xiǎn)分別為：R_s=3.9×10^-5，R_a=1.0×10^-7，R_b=1.7×10^-6和R_f=1.1×10^-3，R_s、R_a、R_b和R_f分別表示土壤經(jīng)口攝入、土壤經(jīng)皮膚接觸、土壤經(jīng)呼吸接觸和蔬菜經(jīng)口攝入途徑下污染物（Cd和As）的總致癌風(fēng)險(xiǎn)。Rs大于10^-4，為不可接受風(fēng)險(xiǎn)；R_s、R_a和R_b小于10^-4，為可接受風(fēng)險(xiǎn)。污染物（Cd和As）在蔬菜經(jīng)口攝食途徑下的總致癌風(fēng)險(xiǎn)對R總的貢獻(xiàn)率最大，為91.6%。

4 結(jié)論與建議

該尾礦庫周邊農(nóng)田土壤中重金屬Pb、Cd、Hg和As的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（HJ332-2006）中規(guī)定的限值，表明該區(qū)域土壤受到不同程度污染，通過單因子污染指數(shù)法得到土壤受重金屬的污染程度依次為：Cd>As>Pb>Cu>Hg。其中Cd的污染等級為重度污染，Pb和As為輕度污染。土壤綜合污染指數(shù)P_N=2.83，污染等級為重度污染，土壤受污染相當(dāng)嚴(yán)重。

通過人體健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)法評價(jià)土壤經(jīng)口攝入、土壤經(jīng)皮膚接觸、土壤呼吸接觸及蔬菜經(jīng)口攝食四種暴露途徑下各污染物對人體造成的非致癌風(fēng)險(xiǎn)和致癌風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明，人體暴露在該區(qū)域環(huán)境下受到各污染物的非致癌風(fēng)險(xiǎn)和致癌風(fēng)險(xiǎn)分別是10.4和1.2×10^-3，均為不可接受風(fēng)險(xiǎn)，長期暴露在此環(huán)境條件下可能對當(dāng)?shù)鼐用竦纳眢w健康造成危害。

Pb、Cd和As在四種暴露途徑下的總非致癌風(fēng)險(xiǎn)分別為3.3、2.2和4.4，均大于1，可能對人體造成明顯的非致癌健康影響，各污染物在四種暴露途徑下的總非致癌風(fēng)險(xiǎn)依次為As>Pb>Cd>Hg>Cu。各污染物在蔬菜經(jīng)口攝食途徑下的總非致癌風(fēng)險(xiǎn)對HI_總的貢獻(xiàn)率最大，為97.1%。Cd和As在四種暴露途徑下的總致癌風(fēng)險(xiǎn)分別為3.6×10^-4和8.3×10^-4，均大于可接受水平10^-4，會對人體健康造成危害，污染物（Cd和As）在蔬菜經(jīng)口攝食途徑下的總致癌風(fēng)險(xiǎn)對R總的貢獻(xiàn)率最大，為91.6%。

根據(jù)本次研究的評價(jià)結(jié)果，應(yīng)對該尾礦庫周邊農(nóng)田土壤和蔬菜采取有效的控制及處理措施，建議：①增施有機(jī)肥，減少農(nóng)藥、化肥的用量，促進(jìn)土壤對重金屬的吸收螯合，減少土壤中重金屬有效態(tài)含量；②減少攝食該尾礦庫周邊蔬菜；③合理選種不同作物，尤其是套種一些對重金屬元素Pb、Cd、As富集能力較強(qiáng)的植物，定期清除植物根系，適時(shí)調(diào)整土壤酸堿度，對土壤進(jìn)行修復(fù)，降低土壤和蔬菜中重金屬Pb、Cd和As的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，保障尾礦庫周邊居民的身體健康。