農耕區大氣干濕沉降通量特征監測及人體健康風險評價
2024-05-17 17:19:05楊鵬至郭軍肖粵新李聰陳方偉湯恒佳
安徽農業科學 2024年9期
楊鵬至 郭軍 肖粵新 李聰 陳方偉 湯恒佳
摘要? 為了研究農耕區大氣干濕沉降元素通量特征及人體健康風險，2020年4月—2021年4月在汨羅市布設13個大氣干濕沉降采樣點位，系統收集了大氣干濕沉降樣品52件，并結合大氣點位周邊的表層土壤數據，對研究區大氣干濕沉降特征、大氣干沉降與對應土壤中重金屬元素的相關性及人體健康風險評價等進行研究。結果表明：汨羅市大氣干濕沉降年通量從小到大依次為Hg 關鍵詞? 大氣干濕沉降；重金屬；年沉降通量；健康風險 中圖分類號? X831? 文獻標識碼? A? 文章編號? 0517-6611（2024）09-0063-05 doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.09.014 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）： Monitoring of Atmospheric Dry and Wet Deposition Flux Characteristics and Human Health Risk in Agricultural Areas YANG Peng-zhi1，2， GUO Jun2， XIAO Yue-xin1，2，3 et al （1.Huangshan Observation and Research Station for Land-water Resources，Huangshan，Anhui 245000;2.Changsha Natural Resources Comprehensive Survey Center of China Geological Survey， Changsha， Hunan 410600;3.Key Laboratory of Coupling Processes and Effects of Natural Resource Elements，Ministry of Natural Resources，Beijing 100055） Abstract? In order to study the flux characteristics of atmospheric dry and wet deposition elements and human health risks in agricultural areas， 13 atmospheric dry and wet deposition sampling points were established in Miluo City from April 2020 to April 2021.A total of 52 atmospheric dry and wet deposition samples were systematically collected，and combined with the surface soil data around the atmospheric sampling points， the characteristics of atmospheric dry and wet deposition， the correlation between atmospheric dry deposition and heavy metal elements in corresponding soil， and the human health risk assessment in the study area were investigated. The results showed that the annual flux of atmospheric dry and wet deposition in Miluo City from smallest to largest were Hg < Cd < As < Cr < Pb， and there were significant differences in the content of each element. Cr and Pb were the main heavy metal elements in atmospheric dry and wet deposition in Miluo City.The correlation between atmospheric dry deposition and corresponding soil was low， and atmospheric dry deposition was not the main source of heavy metal elements in surface soil in Miluo City.As and Pb were the main potential non-carcinogenic risk factors，and their non-carcinogenic risk quotient （HQ） contributed more than 35% to the non-carcinogenic risk index （HI）.However， the HI values of the five heavy metals are less than 1， indicating that the impact of non-carcinogenic health risks was relatively small;The risk index of heavy metal carcinogenicity （CR） of As， Cd and Cr were all less than 10-6， indicating that there was no carcinogenic risk.The HI values for As and Pb in children were 0.83 and 0.73， respectively， which were less than 1.00， indicating a lower possibility of non-carcinogenic risks. Key words? Atmospheric dry and wet deposition;Heavy metal;Annual atmospheric deposition flux;Health risk 基金項目? 中國地質調查局項目（DD20230515，DD20208071）。 作者簡介? 楊鵬至（1996—），男，湖北荊州人，助理工程師，從事生態地質方面研究。 *通信作者，高級工程師，從事生態地質方面研究。 收稿日期? 2023-06-10 隨著國家現代化進程的加快，我國推動了相應的城市基礎建設、工業制造業建設等，為人民生活提供便捷的同時，也對生態環境造成了很大的影響［1-2］，例如城市基建涉及的水泥石灰、各類垃圾和材料運輸以及相應的建筑材料生產企業所產生的廢氣、粉塵中含有大量的重金屬［3］，最后都通過大氣干濕沉降而進入土壤［4］。而大氣干濕沉降也被認為是農耕區土壤重金屬的外源輸入的主要因素之一［5-7］。當農田土地中的重金屬不斷沉淀積累，被農作物生長吸收，不僅會影響到當地農作物的產量，還會造成糧食安全問題，影響到人體的健康［8-10］。 近年來，我國許多學者針對大氣干濕沉降重金屬開展了大量的研究。如黃春雷等［4］通過計算大氣干沉降對土壤重金屬元素含量的變化率，發現Cu、Zn、Pb、Cd元素的年變化率達0.5%以上，表明大氣沉降對當地土壤中重金屬具有正向累積效果；王增輝［6］通過計算大氣沉降物中元素的富集因子發現高值區與當地的化工區域吻合，并查明了當地大氣沉降重金屬來源；范晨子等［11］研究滇中典型工礦城市的大氣健康風險評價發現，大氣干沉降中的As、Cd、Pb這3種元素可能對兒童造成相應的非致癌性健康風險影響，且加強當地工礦企業的排放管控能利于公眾健康；王麗麗等［12］研究發現空氣降塵中的重金屬對兒童均具有非致癌性健康風險。 綜合前人開展的研究發現，大氣干濕沉降作為表層土壤主要的輸入來源之一，如果能弄清大氣中污染物的來源，能為大氣、土壤的污染防治起到關鍵性的作用，而大氣沉降物人體健康風險評價在大氣的污染防治過程中具有很強的現實意義。但在開展的諸多大氣干濕沉降研究中，主要集中在部分典型污染區域開展了大氣健康風險評價工作，如礦集區、建筑工地等，缺乏對平原農耕區狀況的大氣沉降物人體健康風險評價研究。筆者以汨羅市為例，探討農耕區大氣干濕沉降中重金屬特征以及相應的人體健康風險評價，以期為當地的生態文明建設以及土壤重金屬污染防治等方面提供相應的科學依據。 1? 材料與方法 1.1? 研究區域基本概況 汨羅市隸屬湖南省岳陽市，總面積1 562 km2，其中林地面積為611 km2，占全市面積的39.12%，其次為耕地面積（507 km2），占全市面積的32.46%。此次汨羅市調查區面積為726.04 km2，其中農用地面積為461.46 km2，占調查區面積的63.56%。在地形地貌上東南部高、西北部低，主要的地貌類型為崗地、平原；在氣候上，汨羅市為東亞季風氣候，屬濕潤的大陸性季風氣候，年降水量為1 289.8～1 556.2 mm，農業氣候條件較好，地質背景以第四系沉積為主。區內分布土壤以潛育性水稻土、第四紀紅色黏土以及小部分紫色土為主。汨羅市農業基礎堅實，是我國重要商品糧基地，種植業主要以水稻、玉米、茶葉以及各類蔬菜為主，養殖業以四大家魚、龍蝦、家禽為主。 1.2? 樣點布設及采集 大氣干濕沉降在布設采樣點時應考慮到工作區的地形地貌、氣候特征、污染源分布等情況，例如，避開工廠廢氣排放區域、餐飲行業集中區域、揚塵較多區域。如果有明顯大氣污染地區可適當布設點位。汨羅市大氣干濕沉降點位布設見圖1，所有采樣點位裝置25 m2內無遮擋雨、雪、風的高大樹木或建筑物。 大氣干濕沉降的質量監控等相關要求按《土地質量地球化學評價規范》（DZ/T 0295—2016）和《生態地球化學評價樣品分析技術要求（試行）》DD 2005—03執行。樣品采集工作周期為1年，時間為2020年4月至2021年4月，需采集4次樣品，每次采集樣品間隔90 d，樣品采集由專人收取樣品，直接密封運送至實驗室。共布設13個大氣干濕沉降采樣點位，4個批次，系統收集了大氣干濕沉降樣品52件。 1.3? 樣品分析 大氣干濕沉降樣品在采集完樣品后運送至湖南地質測試研究院，由該單位進行樣品化驗分析，分析方法依據《土地質量地球化學評價規范》（DZ/T 0295—2016）、《地質礦產實驗室測試質量管理規范》（DZ/T 0130—2006）等相關規范。化驗分析As、Hg、Cd、Pb、Cr這5種重金屬元素指標，干沉降As、Hg采用原子熒光分光光度法（HJ 680—2013）進行化驗分析，Cd、Cr、Pb采用電感耦合等離子體質譜法（HJ 766—2015）進行化驗分析；濕沉降As、Hg采用原子熒光法（HJ 694—2014）進行化驗分析，Cd、Cr、Pb采用電感耦合等離子體質譜法（HJ 700—2014）進行化驗分析。 1.4? 元素年沉降通量計算 通過分析化驗As、Hg、Cd、Pb、Cr這5種重金屬元素的數據，計算出汨羅市大氣干濕年沉降通量，計算公式如下： M=Q/S（1） 式中：M為單個元素指標年沉降通量［mg/（m2·a）］；Q為單個元素指標沉降總量（mg/a）；S為采樣面積（m2）。 1.5? 大氣沉降物健康風險評價 大氣健康風險評價屬于環境健康風險評價的一種，是將環境污染與人體健康聯系起來的一種評價方法［13］。采用暴露風險評估模型來研究人體在大氣環境中的狀態，計算大氣干沉降經手口、呼吸和皮膚直接接觸3種途徑進入人體的暴露量，然后通過風險表征公式來衡量相應的風險［10-15］，具體計算公式如下： ADDing=c×IngR×CF×EF×EDBW×AT（2） ADDinh=c×InhR×EF×EDPEF×BW×AT（3） ADDderm=c×SA×SL×ABS×CF×EF×EDBW×AT（4） LADD=c×EFAT× InhRchild×EDchildBWchild+ InhRadult×EDadultBWadult （5） 式中：ADDing為經手口途徑攝入重金屬日均暴露量；ADDinh為經呼吸途徑攝入重金屬日均暴露量；ADDderm為經皮膚接觸途徑攝入重金屬日均暴露量；LADD為重金屬日平均暴露劑量；BW、SA和AT均為湖南地區指標值，具體指標含義及取值見表1，數據源自文獻［9-11，13，15-17］。 風險表征［18］計算公式如下： HQ=ADD/RfD（6） HI=∑HQi（7） Risk=LADD×SF（8） CR=∑Riski（9） 式中：RfD、HQ分別為非致癌類重金屬不同暴露途徑的參考劑量和風險商。HI為非致癌類重金屬風險指數，當HI≤1時，通常認為不存在非致癌健康風險；當1＜HI≤10時，則認為存在一定非致癌健康風險；當HI≥10時，表明存在慢性毒性［11，15］。 SF為致癌斜率因子；Risk為重金屬致癌風險商。CR是重金屬致癌性風險指數，當CR<10-6時，可以認為致癌風險較低或可以忽略；CR為10-6～10-4時，為可以接受的致癌風險范圍；當CR>10-4時，則表明具有極高的致癌風險。3種致癌性重金屬RfD、SF見表2，數據源自文獻［9，11-12，15］。 2? 結果與分析 2.1? 汨羅市大氣干濕沉降重金屬年沉降通量特征 從表3可以看出，汨羅市大氣干濕沉降重金屬年沉降通量從小到大依次為Hg 與已報道的我國其他地區和全國大氣干濕沉降特征進行比較，在空間分布上，同屬于華中地區的洪湖市、汨羅市除Hg元素略高于外，其余元素總體上均低于其他地區和全國（表3），華北大慶市［20］受冬季供暖期的影響，具有燃煤標識的As、Pb含量高于華中地區。在考慮不同地區經濟結構的影響方面，滇中工礦城市的安寧市［11］主要受化工、礦集區的影響致使Cd、Pb、As元素都遠超其他地區和全國，特別是Cd為全國的26倍；魯西南平原的巨野縣［6］主要是受近些年大量的煤礦開采以及開采、運輸煤礦過程中產生的粉塵而導致Pb、As、Cr、Cd元素年通量較大且超過全國。而天津北部的薊州地區［5］作為天津最北端遠離城區的農業區，與同是農業區的洪湖市、汨羅市的大氣干濕沉降中各項重金屬元素含量都非常接近且含量較低，但是值得注意的是，汨羅市和洪湖市［19］的Hg元素含量均高于其他地區和全國，根據相關研究表明，自然水體釋汞在汞元素的循環演化中占有重要的地位，自然水體是大氣汞的凈源［21］，水體表面的釋汞過程是大氣中汞的一個極其重要的來源之一［22］，汨羅市西接湘江和洞庭湖，汨羅江自東南向西北橫穿而過，水域面積相對發達，這可能是造成Hg的年沉降通量略高于全國的原因之一。 2.2? 大氣干沉降對表層土壤的影響 研究區土壤以水稻土和第四系紅色黏土為主，土壤成分較單一，相關研究表明大氣中的重金屬元素含量與當地土壤背景值有關［6，23-24］，剔除背景值的影響，外源輸入應該是區內土壤重金屬累積的主要原因，而大氣干濕沉降是土壤中重金屬外源輸入的主要來源之一。在前人的研究中，雖然大氣濕沉降對土壤中各元素含量能起到一定的累積作用，但是其影響是較小的，所以這里主要研究汨羅市大氣干沉降對表層土壤的影響，選取了同年在汨羅市調查的表層土壤樣（約5 400件）為背景值，采用干沉降與表層土壤背景值的比值，來揭示大氣干沉降對表層土壤的貢獻。從表4可以看出，Cd、Hg、Pb在大氣干沉降中和表層土壤中的含量存在明顯差異，比值分別為14.438、7.717、4.057倍。考慮元素在大氣和土壤中的不同形態、化學行為、遷移轉化規律等情況［23］，發現大氣干沉降中Cd、Hg、Pb元素含量高，并不能完全代表其就是表層土壤中3種元素的主要來源。 土壤中元素含量受多種因素控制，如母巖母質含量的高低、成土過程中的次生富集作用、人為活動的影響等，湯奇峰等［23，25］研究表明土壤中常量元素含量基本上受母巖母質的化學元素組成所控制，外源輸入并不會對其含量造成很大的影響；而相較于土壤中的微量元素來說，如果外源的輸入能對其含量造成比較顯著的變化，那么兩者之間就會表現出比較顯著的相關性。選取同年在汨羅市調查的表層土壤樣（約5 400件）其中的130件，每個大氣點位周圍選取10件表層土壤樣品，采樣規范嚴格按照《土地質量地球化學評價規范》（DZ/T 0295—2016）執行，將各個點位的大氣干沉降與相對應表層土壤樣品進行相關性檢驗，結果見表5。從表5可以看出，研究區大氣干沉降與表層土壤元素含量之間的相關性較低，大氣干沉降對汨羅市表層土壤中的As、Hg、Cd、Pb、Cr元素可能有一定的貢獻，但不是其主要來源。 2.3? 汨羅市大氣干沉降物人體健康風險評價 2.3.1? 暴露風險評估模型。 由表6可知，大氣干沉降物中成人和兒童的5種重金屬日均暴露劑量從高到低均依次為Pb>Cr>As>Cd>Hg。成人和兒童的重金屬暴露途徑從小到大均依次為呼吸攝入（ADDinh）<皮膚接觸（ADDderm）<手口攝入（ADDing），大氣干沉降重金屬進入人體的主要途徑為手口暴露途徑。在3種暴露途徑中，兒童每種暴露途徑的暴露劑量大于成人，所以大氣干沉降中重金屬對兒童的非致癌暴露風險危害大于成人。 2.3.2? 風險表征健康評價。 從表7可以看出，在3種暴露風險評估模型結果中兒童的非致癌風險指數（HI）均大于成人，且研究區內大氣干沉降物中5種重金屬HI均低于1，說明不存在非致癌健康風險影響或風險較低。大氣干沉降中5種重金屬的非致癌風險商（HQ）排序為As 兒童的As、Pb的HI分別為0.835和0.731，均小于1，非致癌風險可能性較低。如果不人為加以干涉，不斷在大氣中進行累積，當HI大于1時且兒童處于長期暴露情況下，研究區內As、Pb可能會對兒童產生一定的非致癌風險。 3種具有致癌性重金屬As、Cd、Cr的重金屬致癌性風險指數（CR）分別為2.41×10-8、3.00×10-9、2.10×10-7均小于10-6，所以不存在致癌性風險。但是在實際計算評估過程中，因為只有呼吸吸入致癌斜率因子（SF）參考值，導致無法計算手口和皮膚接觸這2種途徑的致癌風險指數（ADDing和ADDderm），所以汨羅市大氣干沉降中As、Cd、Cr的實際致癌風險指數可能會比此次研究評估的更高。 3? 結論 （1）汨羅市大氣干濕沉降各重金屬年沉降通量從小到大依次為Hg （2）大氣干沉降與表層土壤元素含量之間的相關性較低，大氣干沉降對汨羅市表層土壤中的As、Hg、Cd、Pb、Cr元素可能有一定的貢獻，但不是其主要來源。 （3）人體健康風險評價表明大氣干沉降重金屬進入人體的主要途徑是手口暴露途徑，As和Pb是主要潛在的非致癌風險因子，其非致癌風險商（HQ）對非致癌風險指數（HI）的貢獻率占比均超過35%，但是5種重金屬的HI值<1，說明非致癌健康風險影響較小；As、Cd、Cr的重金屬致癌性風險指數（CR）值均小于10-6，所以不存在致癌性風險。 （4）兒童的As、Pb的HI分別為0.835和0.731，小于1，非致癌風險可能性較低，但仍應提高警惕，加以控制空氣中重金屬含量。 參考文獻 ［1］ 楊忠芳，余濤，馮海艷，等.區域生態地球化學評價數據的統計方法［J］.地質通報，2007，26（11）：1405-1412. ［2］ 楊忠芳，成杭新，奚小環，等.區域生態地球化學評價思路及建議［J］.地質通報，2005，24（8）：687-693. ［3］ 王夢夢，原夢云，蘇德純.我國大氣重金屬干濕沉降特征及時空變化規律［J］.中國環境科學，2017，37（11）：4085-4096. ［4］ 黃春雷，宋金秋，潘衛豐.浙東沿海某地區大氣干濕沉降對土壤重金屬元素含量的影響［J］.地質通報，2011，30（9）：1434-1441. ［5］ 王衛星，曹淑萍，李攻科，等.津北大氣干濕沉降重金屬元素通量與評價研究［J］.環境科學與管理，2017，42（5）：46-51. ［6］ 王增輝.魯西南平原區大氣干濕沉降元素輸入通量及來源淺析：以巨野縣為例［J］.物探與化探，2020，44（4）：839-846. ［7］ 宋澤峰，張君伍，陸智平，等.大氣干濕沉降對河北平原農田面源污染的貢獻［J］.干旱區資源與環境，2020，34（1）：93-98. ［8］ 陳子萬，許晶，侯召雷，等.基于成土母質分區的土壤-作物系統重金屬累積特征與健康風險評價［J］.環境科學，2023，44（1）：405-414. ［9］ 馮乙晴，劉靈飛，肖輝林，等.深圳市典型工業區土壤重金屬污染特征及健康風險評價［J］.生態環境學報，2017，26（6）：1051-1058. ［10］ 王永曉，曹紅英，鄧雅佳，等.大氣顆粒物及降塵中重金屬的分布特征與人體健康風險評價［J］.環境科學，2017，38（9）：3575-3584. ［11］ 范晨子，劉永兵，袁繼海，等.滇中典型工礦業城市大氣干濕沉降重金屬等元素特征及健康風險評價［J］.環境科學，2022，43（8）：3923-3933. ［12］ 王麗麗，金囝囡，武志宏，等.不同類型施工降塵中重金屬污染特征及健康風險評價［J］.中國環境科學，2021，41（3）：1055-1065. ［13］ 張榮芝，史密偉，朱桂艷.健康風險評價方法及其在大氣環境污染中的應用示范［J］.廣東化工，2021，48（19）：121-123. ［14］ 周萬鵬.中國大氣降塵重金屬的健康風險評價［J］.河南科技，2019（25）：156-158. ［15］ 崔勇，柏連陽，龍岳林，等.長沙市近郊蓮花鎮土壤重金屬生態風險評價［J］.環境工程，2020，38（5）：202-209. ［16］ 陳瑩，孫璐，云中來，等.西安市城市道路灰塵重金屬污染及健康風險評價［J］.安全與環境學報，2016，16（2）：370-376. ［17］ 阿吉古麗·馬木提，麥麥提吐爾遜·艾則孜，艾尼瓦爾·買買提.新疆喀什市城鄉交錯帶耕地土壤重金屬污染風險評價［J］.環境工程，2018，36（4）：160-164. ［18］ 毛小苓，劉陽生.國內外環境風險評價研究進展［J］.應用基礎與工程科學學報，2003（3）：266-273. ［19］ 鄭雄偉，王俊鋒，魏凌霄，等.洪湖市某地區大氣干濕沉降重金屬及pH值［J］.城市環境與城市生態，2016，29（1）：18-20. ［20］ 湯潔，李娜，李海毅，等.大慶市大氣干濕沉降重金屬元素通量及來源［J］.吉林大學學報（地球科學版），2012，42（2）：507-513. ［21］ 王少鋒，馮新斌，仇廣樂，等.大氣汞的自然來源研究進展［J］.地球與環境，2006，34（2）：1-11. ［22］ 馮新斌，JONAS S，KATARINA G，等.夏季自然水體與大氣界面間氣態總汞的交換通量［J］.中國科學（D輯：地球科學），2002，32（7）：609-616. ［23］ 湯奇峰，楊忠芳，張本仁，等.成都經濟區As等元素大氣干濕沉降通量及來源研究［J］.地學前緣，2007，14（3）：213-222. ［24］ 劉超，杜國強，吳正，等.寧國市大氣干濕沉降物地球化學特征及評價［J］.安徽農業科學，2022，50（13）：64-68. ［25］ 黃華斌，林承奇，胡恭任，等.基于PMF模型的九龍江流域農田土壤重金屬來源解析［J］.環境科學，2020，41（1）：430-437.
