太原市城郊菜地土壤和蔬菜重金屬含量特征及健康風險評價

滑小贊，程 濱，趙瑞芬，霍曉蘭，趙秀峰

（山西省農業科學院農業環境與資源研究所，山西太原030031）

隨著人口的增加、工業的迅速發展以及人們需求的提高，在數量上和質量上對蔬菜生產提出了更高的要求[1-2]。許多菜農為了獲得更高的效益往往投入過量的化肥和農藥，加之城市規模的不斷擴大，垃圾、污泥等廢棄物的不合理排放，使城市郊區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，并通過食物鏈在人體內不斷積累，嚴重影響人類健康和生命安全[1，3]。目前，研究發現，有些地區城市近郊土壤和蔬菜已經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蔬菜重金屬Cr，Pb，Hg，As含量特征的基礎上，對太原市成人和兒童食用蔬菜的健康風險進行評價，旨在為農業環境的治理和蔬菜品種的選擇提供參考，為太原市農業生產合理規劃提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

太原市位于山西省中部，地理位置為東經111°30′～113°09′，北緯 37°27′～38°25′，東西橫距約144 km，南北縱距約107 km。土壤類型以石灰性褐土為主，耕地面積為10.77萬hm2，蔬菜播種面積為2.17萬hm2，占耕地面積的20.1%。其中，清徐縣、小店區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2個區縣菜地土壤和蔬菜的重金屬對保障太原市400多萬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，一般聚集在農作物根群較集中的表層土壤中，故采集0～20 cm土壤進行分析，采用多點取樣混合成一個代表樣的方法，每個采樣點采集1 kg土壤混勻后用四分法取約1 kg土壤作為該點的代表樣[8-9]。在研究區共采集68個土壤樣品。土壤樣品經自然風干，剔除有機殘渣、植物根系以及可見侵入體，粗磨后過0.84 mm篩用于測定土壤pH值，再細磨至全部過0.149 mm篩，用以測定土壤有機質和重金屬含量等。

1.2.2 蔬菜 蔬菜樣品采集點原則上與土壤樣品采樣點對應，采其可食用部分，采樣時應注意選擇長勢、長相一致的植株，避免株體過大過小、遭受機械損傷或病蟲害以及田邊路旁的植株[10]。樣品采集數量視具體品種和大小而定，總鮮質量以1 kg左右為宜。共采集68個葉菜類蔬菜樣品，包括白菜、生菜、結球甘藍、芹菜、油麥菜和空心菜等6個品種。蔬菜樣品分別用自來水反復清洗，去除表面泥土，然后用去離子水漂洗，晾干至無水后勻漿，置4℃冰箱保存待測。

1.3 測定項目及方法

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定；土壤重金屬Hg，As采用王水水浴消解，原子熒光光度法測定。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定，Hg和As采用原子熒光光度法測定。土壤pH值采用pH計測定，有機質采用重鉻酸鉀外加熱法。

1.4 數據處理

數據及圖表分析采用Excel和SPSS統計軟件進行。

1.5 評價方法

1.5.1 土壤重金屬潛在生態風險評價 土壤重金屬潛在生態風險評價是一種相對快速、簡便和標準的評價方法，該方法不僅考慮土壤重金屬的含量，而且將重金屬的生態環境效應與毒理學聯系在一起，反映多種污染物的綜合影響[11-12]。包括單污染物潛在生態風險指數（Eir）和綜合生態風險指數（RI）。

表1 潛在生態風險分級

1.5.2 蔬菜重金屬污染指數法 蔬菜重金屬污染指數法是采用單項污染指數（Pi）和內梅羅綜合污染指數（P綜）相結合的方法進行污染評價的。

式中，Pi為蔬菜中重金屬i的單項污染指數；Ci為蔬菜中重金屬i的實測值；Si為評價標準值，參考GB 2762—2017《食品安全國家標準 食品中污染物限量》；P綜為內梅羅綜合污染指數；P平均為各單項污染指數Pi的平均值；Pmax為各單項污染指數Pi的最大值[16]。蔬菜重金屬污染指數評價等級列于表2。

表2 蔬菜重金屬污染指數評價等級

1.5.3 蔬菜健康風險評價 本研究采用得到廣泛認可的美國國家環保署創建的非致癌評價方法，包括風險系數（Hazard Quotient，HQ）和風險指數（Hazard Index，HI）2 項指標[1]。

式中，Ci表示實測污染物均值（mg/kg）；i表示重金屬元素種類；IRs表示食入途徑攝取速率，成人和兒童均按0.276 kg/a計；ED表示暴露持續時間，成人按30 a計，兒童按6 a計；EF表示暴露頻率，成人和兒童均按350 d/a計；BW表示評價對象的平均體質量，成人按61.6 kg計，兒童按18.6 kg計；AT表示平均壽命，成人和兒童均按70 a計；RfD表示日參考劑量,是指人體日?？梢蚤L時間持續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]。

風險指數（HI）等于各重金屬風險系數（HQ）之和，可以綜合評價多種重金屬對人體健康的危害。如果HI≤1，說明人體不會受到大的傷害；1＜HI＜10，說明人體存在健康風險，受到危害可能性很大；HI≥10，說明存在嚴重的慢性風險[1]。

2 結果與分析

2.1 菜地土壤重金屬含量分析

2.1.1 統計分析 太原市周邊菜地土壤基本性質和重金屬含量特征描述性統計列于表3。從表3可以看出，土壤pH值平均值為8.37，有機質平均含量為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可以看出，重金屬Cr，Pb，As的變異系數介于10.4%～24.7%，均小于25%，屬于低等變異強度；重金屬Hg的變異系數為71.0%，大于50%，呈高變異性，表明在區域上差異顯著，可能受人類活動影響較大。以1994年的山西省土壤背景值為標準，太原市周邊菜地土壤各重金屬元素樣點超標率表現為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象。采用NY/T 391—2013《綠色食品 產地環境質量》中土壤環境質量要求對蔬菜產地土壤重金屬進行評價，重金屬 Cr，Pb，Hg和 As的限量指標分別是120，50，0.35，20 mg/kg，可以看出，土壤樣品均未超標，符合綠色食品產地環境質量要求。

表3 太原市菜地土壤重金屬含量及污染特征（n＝68）

2.1.2 相關分析和主成分分析 由土壤重金屬含量之間的相關性分析可以推測出重金屬來源是否相同，若2種重金屬含量間存在顯著的相關性，說明其來源相同的可能性較大，反之，來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，重金屬Hg與Pb存在極顯著正相關，與As存在極顯著負相關。由此推斷，重金屬Cr，Pb，As可能具有同一來源，來源于土壤母質，而重金屬Hg與其來源不同，來源于其他污染源。

表4 太原市菜地土壤重金屬含量之間的相關性

主成分分析作為一種用來輔助數據分析的統計方法，它是設法將原來具有一定相關性的眾多指標重新組合形成一組新的互相無關的綜合指標，來進一步對數據進行詳細解釋。本研究為了進一步明確太原市周邊菜地土壤中重金屬的污染來源，對土壤重金屬進行主成分分析發現（表5，6），4種重金屬可由前2個主成分反映87.918%的信息，即對前2個主成分進行分析就可以反映4種重金屬含量數據的大部分信息。矩陣變換后，第1個主成分包含Cr，As和一部分Pb，第2個主成分主要包括Hg和一部分Pb。2個主成分中第1主成分的貢獻率為50.394%，特點表現為因子變量在元素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，反映了成土母質可能是其主要的污染源。而第2主成分的貢獻率為37.524%，這一成分主要在元素Hg和Pb上有較高的貢獻率，土壤Pb的來源與太原市密集的公路網和大量的機動車有關，Hg一般來源于燃煤排放，可以認為，因子2主要來源于道路交通和燃煤排放。該結果進一步支持了相關性分析結果，重金屬Cr和As主要來源于成土母質；重金屬Pb主要有2個方面來源，一方面來源于成土母質，一方面來源于道路交通和燃煤排放；重金屬Hg主要來源于道路交通和燃煤排放。

表6 具有Kaiser標準化的正交旋轉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風險評價 太原市菜地土壤重金屬潛在生態風險評價指數如表7所示，Cr，Pb，As元素在所有樣點均處于輕微危害；Hg元素大部分樣點處于輕微危害和中等危害，個別樣點處于強度危害。從各元素平均潛在生態風險指數Ei來看，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危害由強至弱依次為 Hg＞As＞Pb＞Cr，其中，Hg對 RI值的貢獻最突出，其次是As?；诟髟仄骄坑嬎愕奶胁说赝寥赖腞I值為61.0，表明太原市菜地土壤總體處于輕微危害程度。計算各樣點的RI值表明，有95.6%的樣點總體處于輕微危害，4.4%的樣點總體處于中等危害。

表7 太原市菜地土壤重金屬潛在生態風險評價指數（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種葉菜類蔬菜，分別是：白菜、生菜、結球甘藍、芹菜、油麥菜和空心菜。

測定所采集葉菜類蔬菜可食部分的重金屬含量，并與重金屬限量標準GB 2762—2017《食品安全國家標準 食品中污染物限量》相比較，得出蔬菜重金屬超標情況（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。與最新的國家標準GB2762—2017《食品安全國家標準 食品中污染物限量》相比，葉菜類蔬菜中的重金屬Hg，As均未超標，Pb和Cr的超標率分別為4.41%，1.47%。Cr超標的蔬菜種類主要是油麥菜；Pb超標的蔬菜是芹菜。

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度，也就是重金屬Pb和Cr在土壤中的含量變化不大，說明芹菜對重金屬Pb有富集作用，而油麥菜對重金屬Cr有富集作用。因此，太原市夏秋葉菜類蔬菜品種選擇時，應注意選擇對重金屬富集能力低的蔬菜品種，如白菜、生菜、結球甘藍和空心菜等。

從單項污染指數來看（表9），Hg污染指數在ND～0.20，污染指數大小依次為白菜＞芹菜＞結球甘藍＞生菜＞空心菜、油麥菜，所有蔬菜種類均優良。As單項污染指數在0.01～0.05，污染指數大小依次為白菜＞芹菜＞生菜、空心菜、油麥菜＞結球甘藍，所有蔬菜種類均優良。Cr單項污染指數在0.12～0.78，污染指數大小依次為油麥菜＞芹菜＞生菜＞空心菜＞白菜＞結球甘藍，其中，油麥菜污染指數為0.78，達到安全水平，其余5種蔬菜均優良。Pb單項污染指數在0.12～0.98，污染指數大小依次為芹菜＞油麥菜＞白菜＞生菜＞結球甘藍＞空心菜，其中，芹菜污染指數為0.98，達到安全水平，其余5種蔬菜均優良。

從綜合污染指數來看（表9），在所調查的6種蔬菜中，綜合污染指數大小依次為芹菜＞油麥菜＞空心菜＞生菜＞白菜＞結球甘藍；其中，綜合污染指數最高的是芹菜，為0.77，達警戒線水平；其他種類的蔬菜為安全?？傮w來說，太原市郊菜地葉菜類 蔬菜基本安全。

表8 太原市露地葉菜類蔬菜重金屬含量及污染特征

表9 太原市露地葉菜類蔬菜重金屬污染指數

2.3 蔬菜中重金屬的健康風險評價

根據健康風險評價方法，計算出太原市菜地葉菜類蔬菜中ADD，HQ和HI（表10）。從表10可以看出，無論成人還是兒童，4種重金屬HQ均小于1，說明太原市居民食用葉菜類蔬菜不會存在單一重金屬帶來的健康風險。不同重金屬的HQ有較大差異，表現為As＞Pb＞Hg＞Cr，As的HQ值最大，相比之下，Cr引發的健康風險最低，賈麗等[1]研究濟南市石灰性菜地蔬菜攝入，計算出Cr的HQ值均顯著小于Pb，與本研究結果一致。綜合各重金屬健康風險的HI值可以看出，無論成人還是兒童，攝食葉菜類蔬菜尚處于安全狀態，不會對健康產生明顯的傷害。6種蔬菜的復合風險主要由As引起的，這一結果與王海萍等[19]的研究結果一致，考慮主要與As的日參考劑量（RfD）相對較小有關。從風險系數（HQ）和風險指數（HI）來看，6種葉菜類蔬菜對成人和兒童引起的健康風險較低，不會對暴露人群構成明顯的危害。所以，太原市夏秋葉菜類蔬菜是安全的，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象。采用相關性分析和主成分分析，得出重金屬Cr和As主要來源于成土母質；重金屬Pb主要有2個方面來源，一方面來源于成土母質，一方面來源于道路交通和燃煤排放；重金屬Hg主要來源于道路交通和燃煤排放。

土壤重金屬潛在生態風險評價表明，太原市菜地土壤環境總體處于輕微危害程度，4種重金屬的潛在生態危害由強至弱依次為Hg＞As＞Pb＞Cr，其中，Hg的貢獻率最大。

與GB 2762—2017《食品安全國家標準 食品中污染物限量》相比，葉菜類蔬菜中，Hg，As均未超標，Pb和Cr的超標率分別為4.41%，1.47%。采用內梅羅綜合污染指數對蔬菜中重金屬進行評價時，白菜、生菜、結球甘藍、油麥菜和空心菜等5種蔬菜綜合指數小于0.7，尚安全；芹菜綜合指數為0.77，污染指數達到了警戒水平。

太原市菜地種植的葉菜類蔬菜健康風險評價結果顯示，4種重金屬風險系數（HQ）和綜合風險指數（HI）均小于1，表明太原市菜地葉菜類蔬菜是安全的，人們可以放心食用。