菜地土壤重金屬污染狀況及對蔬菜安全性分析

劉輝，鄒繼穎，*，邊紅楓，權佳惠，李萬海，李健煒

（1.吉林化工學院資源與環境工程學院，吉林吉林132022；2.東北師范大學環境學院，吉林長春130117）

隨著化工業和農業的快速發展，環境土壤污染問題越來越突出，尤其是土壤重金屬污染，已經受到世界各國的關注，并成為環保的重要研究領域[1-2]。土壤重金屬污染具有滯后性、不可逆性、長期性和隱蔽性的特點，微量重金屬不僅污染土壤，而且其被作物吸收后有毒害作用，并可以通過環境-作物系統進入食物鏈進而危害人類的身體健康。蔬菜是日常生活中人們必不可少的食物，也是非常重要的經濟作物，其質量的好壞關系到人類的身體健康[3]。

有研究顯示[4]，我國城郊菜地和蔬菜已受到不同程度的重金屬污染，主要的污染金屬元素是Pb、Hg、Cd、Cu等，城市土壤中很大部分重金屬污染物濃度普遍高于農村郊區的土壤，有顯著的人為富集的特點，不同的城市，不同重金屬濃度有明顯的差異，同一個城市不同區域，也會出現某類重金屬元素嚴重富集的現象[5-8]。通過對化工區土壤重金屬的調查以及實驗數據和重金屬污染對蔬菜的影響分析，為保護化工區土壤和食用蔬菜的安全性提供依據。同時對于提高蔬菜的質量、保障人們的飲食安全、制定防治措施、建立預警和反應機制、促進蔬菜生產的可持續發展也具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

選取吉林市化工區附近的菜地作為采樣地點。根據《土壤環境監測技術規范》（HJ/T166-2004）[14]的相關采樣點布設要求，本研究采樣使用梅花布設點法布設。去除表層5 cm土，使用木鏟，采樣深度一般取耕作層土壤20 cm左右，采集1 kg左右混合土樣，自封袋袋內外各貼一標簽，寫明編號、采集地點、土壤名稱等。并且綜合考慮吉林市化工區區分布，選取機械加工廠（A）、農藥廠（B）、化工廠（C）和化纖廠（D）4個采樣區。同時對于蔬菜樣品的采集和菜地土壤一致的采樣地點進行采集，采集的蔬菜樣品有菠菜、生菜、香菜和小白菜4種葉類蔬菜。

1.2 儀器與設備

ZCA-1000火焰原子吸收分光光度計：北京中和測通儀器有限責任公司；FA2004N電子天平：上海菁海儀器有限公司；JJ-2組織搗碎機：常州澳華儀器有限公司；DNG-9070A電熱恒溫鼓風烘干燥箱：上海精宏儀器有限公司。

1.3 樣品處理與檢測

將采集好的土壤樣品中的枯枝、小石子剔除，放在實驗室風干，于70℃烘干箱內烘干。將烘干好的樣品放在陶瓷研缽磨碎后過200目篩，保存在干凈的塑料小瓶中，待測。

將采摘回來的蔬菜樣品中的發黃部分、不可食用部分等摘除，用去離子水把依附在蔬菜表面的泥土沖洗干凈，晾干，然后放入樣品袋中，標記并冷凍備用。

處理的樣品經消解后，用火焰原子吸收光譜法測定重金屬離子濃度。

1.4 重金屬污染評價標準與方法

1.4.1 土壤中重金屬污染評價相關標準

數據參考《吉林省環境背景值研究》和國家GB 15618-1995《土壤環境質量標準》二級標準作為土壤污染評價標準[9-11]。二級標準一般主要適用于菜地、農地、茶園、果園等土壤，土壤質量基本上對植物和環境不造成危害和污染，即維護人體健康的土壤限制值[12-13]。

1.4.2 重金屬污染評價方法

采用指數法進行分析評價，包括單因子污染指數和綜合污染指數，直接反映超標倍數和污染程度，是確定土壤污染程度的重要依據[13]。

1.4.2.1 因子污染指數

式中：Pi為土壤中污染物i的單項污染指數，Pi越大，污染越嚴重；Ci為土壤中污染物i的實測值；Si為土壤中污染物i標準值。

1.4.2.2 綜合污染指數即內梅羅指數法

式中：P綜為綜合污染指數（綜合反映各污染物對區域土壤的不同作用）；P平均為所有單項污染指數的平均值；P最大為土壤環境中各單項污染指數中的最大值。P綜越大，污染越嚴重；當0＜P綜≤0.7，表示土壤清潔；0.7＜P綜≤1，表示土壤尚清潔；1＜P綜≤2，表示土壤輕污染；2＜P綜≤3，表示土壤中度污染；P綜＞3，表示土壤受到相當嚴重的污染。

1.4.2.3 潛在生態危害指數法[14-15]

潛在生態危害指數（potential ecological risk index，RI）法是根據重金屬性質及環境行為特點，從沉積學角度提出來的，對土壤或沉積物中土壤重金屬污染進行評價的方法。

式中：Eri為單項潛在生態風險系數；Cfi為重金屬污染物的污染指數；Tri為單個污染物的毒性響應參數。

本研究參考徐爭啟等[16]對于重金屬毒性系數的計算結果，Cu、Zn、Cr、Ni、Pb、As、Cd、Hg 的毒性響應系數分別取 5、1、2、5、5、10、30、40，Eri為單個重金屬元素潛在生態風險指數，RI潛在生態危害指數[9，17]。根據Eri和RI的潛在生態危害分級標準見表1。

表1 土壤重金屬的潛在風險分級標準Table 1 The potential risk grading standards of soil heavy mental

1.4.3 蔬菜重金屬評價標準和方法

為了充分評價研究地的蔬菜重金屬污染情況，參考GB 2762-2017《食品安全國家標準食品中污染物限量》中的限量值。對蔬菜中的重金屬采用污染指數計算，該計算結果直接反映超標倍數和污染程度，是確定蔬菜污染程度的重要依據，其計算公式如下：

式中：Ii為污染物污染指數；Ii為污染物在某種蔬菜中的平均指數；It為各種蔬菜污染指數；P為蔬菜中實際測定值；S為蔬菜的限量標準值；n為某類蔬菜樣品數量；N為污染物種類。

2 結果與分析

2.1 土壤和蔬菜中重金屬含量分析

土壤和蔬菜中重金屬含量見表2。

表2 土壤和蔬菜中重金屬含量Table 2 Heavy metals in soil and vegetables mg/kg

續表2 土壤和蔬菜中重金屬含量Continue table 2 Heavy metals in soil and vegetables mg/kg

由表2可知，4個采樣區的土壤重金屬Zn、Cr、As均未超出國家GB 15618-1995《土壤環境質量標準》二級標準，而重金屬Cu在A、B、C、D 4個采樣點中的檢測結果分別超出國家二級標準的0.36、0.13、0.15、0.11倍；重金屬Pb只有C采樣點超出國家二級標準的0.1倍；土壤中重金屬Cd的含量在B、C兩個采樣點超出國家二級標準。4個采樣區的蔬菜中重金屬Cd、Pb、Cr、As、Hg濃度含量均未超出國家二級標準；重金屬Zn濃度只有在B采樣點的香菜中超出限制，而在A采樣點的小白菜和香菜中非常接近標準限量值，其他采樣點的蔬菜均沒超過標準限量值；A采樣點的小白菜和菠菜的Cu濃度超過了標準限量值，白菜比標準限制值高出0.14倍，菠菜比限制值高出0.03倍，B采樣點的香菜也超過標準限量值0.1倍，而小白菜、菠菜和生菜都沒有超過標準限量值，C采樣點的4種蔬菜的Cu含量都超過了標準限量值，超過了0.11倍左右，D（吉林化纖集團）區域，4種蔬菜都沒有超過標準限量值。

2.2 重金屬污染程度的比較分析

2.2.1 對土壤中金屬污染程度分析

選取的4個菜地采樣地土壤重金屬的單項污染指數情況如表3所示。

表3 采樣區域土壤重金屬的污染評價Table 3 Pollution assessment of heavy metals in vegetable soil near sampling site

由表3可知，A、B、C采樣區域的附近菜地Cu污染的單項污染指數超過了1，依次為C＞A＞B，其他重金屬的單項污染指數值均處在安全范圍。4個菜地采樣點土壤重金屬的綜合污染情依次是：C＞A＞B＞D；其中A和C附近菜地綜合污染指數1.093和1.224，屬于輕度污染，B菜地綜合污染超指數處在警戒線。只有D菜地的綜合污染指數處于安全級。因為A和C采樣點存在著比較大的Cu污染，因此導致兩地的綜合污染指數高，A采樣點除了Cu污染外，Cd污染也是造成污染指數升高的次要原因。C采樣點除了Cu污染外，Pb污染和Cd污染是造成污染指數升高的原因。結合單項污染指數和綜合污染指分析，可知，A和C菜地相對B、D菜地污染較嚴重，且Cu污染相對比較嚴重。

以吉林省背景為標準，計算A、B、C、D采樣地附近菜地土壤中重金屬潛在的危害生態指數，如表4所示。

表4 采樣區域土壤重金屬潛在生態危害指數Table 4 Potential ecological hazard index of heavy metals in vegetable soil

由表4可知，A和C的潛在生態危害指數值分別為163.53和155.54，對當地的生態環境有微量影響。而B和D的潛在生態危害指數值小于150，處在輕微生態環境，目前不會影響該地的生態環境。

續表4 采樣區域土壤重金屬潛在生態危害指數Continue table 4 Potential ecological hazard index of heavy metals in vegetable soil

2.2.2 對蔬菜中金屬污染程度分析

采樣區蔬菜中重金屬的單項污染指數和綜合污染指數如表5所示。

表5 采樣區蔬菜中重金屬的單項污染指數和綜合污染指數Table 5 Individual pollution index and comprehensive pollution index of heavy metals in sampled vegetables

從表5單項污染指數可以看出，選取的4個采樣地蔬菜主要是受到了Cu、Pb和Zn重金屬污染。其中A采樣點蔬菜受到Cu重金屬的污染較為嚴重，小白菜和菠菜單項污染指數超過1，處在潛在污染階段。B采樣點蔬菜受到Cu和Zn兩種重金屬污染，香菜的Zn和Cu的單項污染指數超過1，屬于潛在污染階段。C采樣點蔬菜受到Cu重金屬污染，采樣的4種蔬菜Cu的單項污染指數都超過1，有潛在污染危險。D采樣點蔬菜沒有發現單項污染指數高于1的重金屬，所采樣的蔬菜都在安全范圍。

從表5綜合污染指數可以看出，4個采樣點對生菜的綜合污染程度順序是：C＞A＞B＞D，A和C處的蔬菜污染程度在警戒線，B、D在安全范圍；小白菜的綜合污染程度順序是：A＞C＞D＞B，A和C處的蔬菜污染程度在污染警戒線，B和D地蔬菜處在安全范圍內。菠菜的綜合污染程度順序是：A＞B＞C＞D，除了A地蔬菜污染程度在污染警戒線，其余3地的蔬菜污染程度都在安全范圍內；香菜的綜合污染程度順序是：A＞C＞B＞D，A和C地蔬菜污染程度在污染警戒線，B和D在安全范圍內。綜上所述，A地蔬菜全部在污染警戒線，B和D地蔬菜全在安全范圍，C地部分蔬菜在安全范圍。

3 結論

1）通過將土壤樣品的6種金屬與國家土壤環境質量二級標準對比，A采樣點重金屬有Cu、Pb、As的最大值分別高出國家土壤環境質量二級標準標的0.36、0.10、0.03倍。B采樣點重金屬有Cu、Cd的最大值分別高出國家土壤環境質量二級標準標的0.13、0.07倍。C采樣點重金屬有Cd、Cu的最大值超出國家土壤環境質量二級標準的0.17、0.15倍。D采樣點檢測的6種重金屬結果都沒有超出國家土壤環境質量二級標準。

2）以單項污染指數和綜合污染指數作為土壤污染程度的評價結果是，A、B、C的Cu單項污染指數大于1，有潛在污染風險。其他重金屬都處在安全范圍。以潛在生態危害分析評價方法作為土壤污染程度的評價結果是，A和C潛在生態危害指數值（Eir、RI）處在潛在危害的范圍內，屬于中等危害，其潛在危害指數不高。

3）對蔬菜中的重金屬含量分析的結果是，Cu對蔬菜的污染相對其他金屬相比嚴重，其次是Zn和Pb，只是微量超過蔬菜標準限量值。4個采樣區域附近菜地的蔬菜污染程度是：A采樣點蔬菜污染程度在污染警戒線，B和D采樣點蔬菜污染程度都在安全范圍，C采樣點蔬菜污染程度部分在安全范圍。

綜上所述，4個采樣區域土壤和蔬菜的重金屬污染程度是：A＞C＞B＞D。

本研究通過對吉林市化工區不同菜地及蔬菜進行采樣分析其重金屬污染情況，不足之處在于沒有分階段進行采樣研究，同時沒有分析蔬菜的根、莖、葉等不同部位的重金屬積累。通過對化工區土壤重金屬的調查以及實驗數據和重金屬污染對蔬菜的影響分析，為保護化工區土壤和食用蔬菜的安全性提供依據。同時對于提高蔬菜的質量、保障人們的飲食安全、制定防治措施、建立預警和反應機制、促進蔬菜生產的可持續發展也具有重要意義。