余 志,陳 鳳,張軍方,黃代寬,于恩江,劉鴻雁,3*

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鋅冶煉區(qū)菜地土壤和蔬菜重金屬污染狀況及風險評價

余 志1,2,陳 鳳2,張軍方2,黃代寬2,于恩江1,劉鴻雁1,3*

(1.貴州大學資源與環(huán)境工程學院,貴州 貴陽 550025；2.貴州省環(huán)境科學研究設計院,貴州 貴陽 550081；3.貴州大學農學院,貴州 貴陽 550025)

對黔西北地區(qū)某典型鋅冶煉區(qū)菜地土壤和主要蔬菜進行取樣調查,測定了土壤和蔬菜可食用部分Pb、Cd、Zn、Cu、As、Ni 6種重金屬的含量,采用單項污染指數和綜合污染指數法評價了土壤和蔬菜中重金屬的污染狀況,并分別采用潛在生態(tài)風險指數(RI)和目標危險系數法(THQ)評價了菜地土壤重金屬污染的潛在生態(tài)風險和蔬菜中重金屬對成人和青少年兒童的健康風險.結果表明,該區(qū)域菜地土壤已受到重金屬的重度污染,且以Cd對綜合指數的貢獻最大,土壤Cd存在極強生態(tài)風險,研究區(qū)處于輕微、中等、強和很強的生態(tài)風險程度的采樣點比例分別為2.0%、14.3%、35.7%和48.0%;在所采集的蔬菜樣本中,土豆處于重度污染水平,蕓豆處于中度污染水平;復合重金屬健康風險指數評價結果表明,食用研究區(qū)域蔬菜對成人和青少年兒童健康產生負面影響的可能性很大.

鋅冶煉；土壤；蔬菜；重金屬；污染；生態(tài)風險；健康風險

菜地是利用強度大、投入和產出高、受人類活動影響大的一類農業(yè)土壤.近年來,關于菜地重金屬含量的研究備受關注[1].隨著經濟社會快速發(fā)展的需要,礦產資源開發(fā)利用強度日益加強,同時越來越多的重金屬污染物被排放到環(huán)境中.重金屬污染物可以通過土壤遷移轉換到蔬菜中,并在蔬菜內富集,最后通過食物鏈進入人體,對人們的健康產生潛在的危害,且這種污染具有隱蔽性、長期性、不可逆性等特點[2-3].鑒于此,國內外科研工作者對礦區(qū)周邊菜地土壤污染特征、菜地中重金屬遷移轉化規(guī)律、蔬菜中重金屬富集規(guī)律及存在的生態(tài)環(huán)境風險等方面進行了較為深入的研究,但由于土壤空間異質性強、不同礦區(qū)間污染特征不盡相同、不同區(qū)域間蔬菜種植結構差異較大、不同蔬菜品種對重金屬富集能力差異明顯等原因,使得各礦區(qū)菜地土壤和蔬菜中重金屬污染狀況、生態(tài)環(huán)境風險不盡相同[4-13].

本研究區(qū)是典型的土法煉鋅區(qū),由于土法煉鋅歷史悠久、工藝落后,在生產過程中產生大量含重金屬的廢氣、廢水、廢渣未經處理就全部排放于自然環(huán)境中,對周邊土壤環(huán)境和生態(tài)景觀造成了嚴重的污染和破壞.已有研究結果表明,該地區(qū)土壤中鉛、鋅和鎘等重金屬污染嚴重[14].食用在污染土壤上種植的蔬菜已成為該地區(qū)居民重金屬暴露的主要途徑之一,極有可能造成當地居民的健康風險[4],應當引起關注.

單項污染指數和綜合污染指數法是評價土壤和蔬菜中重金屬的通用方法,而潛在生態(tài)風險指數(RI)和目標危險系數法(THQ)是評價土壤重金屬污染的潛在生態(tài)風險和食物中重金屬對人體健康風險的有效辦法[15-17].為摸清該區(qū)域菜地土壤和蔬菜存在的潛在安全風險,本文采用污染指數評價和健康風險評價模型,研究該區(qū)域菜地土壤的生態(tài)風險、蔬菜的污染狀況以及可能會給居民造成的健康風險,研究結果有助于全面了解鋅冶煉區(qū)菜地土壤和蔬菜中重金屬的污染程度及可能存在的風險,為保障當地農產品質量安全和污染土壤的風險管控提供科學依據.

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

研究樣品均采自黔西北某典型鋅冶煉區(qū),樣品采集時間集中在2015~2016年各類蔬菜收獲時節(jié).采樣時有針對性地選擇了礦區(qū)耕作年限較長且具有一定代表性的菜地樣區(qū),在每個樣區(qū)內隨機采集約2~3株白菜和蘿卜、5~6個土豆、10株左右蕓豆的可食部分,混合均勻后裝袋,作為1 個樣品,采樣量約為500g;在每個采集蔬菜的點位同步采集菜地土壤樣品.共采集白菜樣品14個、蘿卜樣品11個、土豆樣品46個、蕓豆樣品30個,共101個農作物樣品,同步采集到菜地土壤樣品101個,即共采集土壤和蔬菜樣品202個.

土壤樣品經風干、磨細過100目篩后裝袋備用.蔬菜的可食部分用自來水沖洗后,再用去離子水洗凈,置于105℃烘箱中殺青30min,然后75℃烘干至恒重,粉碎研磨后過100目篩備用.

1.2 樣品分析方法

本研究中菜地土壤樣品中重金屬參照國家相關標準(GB/T17141-1997)[18]和US EPA 3052[19]分析測試,采用HNO3-HCl-HF微波消解后測定;蔬菜中重金屬參照國家相關標準分析測試(SN/T 0448- 2011[20]),采用HNO3-H2O2微波消解后測定.土壤和蔬菜待測液中重金屬含量均采用美國熱電Thermo電感耦合等離子體質譜儀X2(ICP-MS)測定.整個分析過程所用試劑均為優(yōu)級純,實驗用水均為去離子水,所有玻璃器皿均在10%的硝酸中浸泡24h以上.分析過程中采用空白樣、平行雙樣、國家標準樣品進行質量保證和質量控制,且加標回收率范圍在95%~105%.根據儀器檢出的蔬菜重金屬的結果是以干重計,但因蔬菜中重金屬的相關標準是以濕重計,所以本文列出的蔬菜的結果均是根據蔬菜的含水率折算后濕重.

1.3 土壤和蔬菜重金屬評價方法

1.3.1 土壤和蔬菜重金屬污染評價 菜地土壤和蔬菜重金屬污染采用單項污染指數法和內梅羅綜合污染指數法開展評價[3,21-23].

單項污染指數計算方法,計算公式為:

式中:P為污染物的單項污染指數;C為污染物的實測濃度mg/kg;S為污染物在土壤和蔬菜中的限值mg/kg.

當P￡1時,表示土壤和蔬菜未受污染;P>1時,表示土壤和蔬菜受到污染,且P值越大,受到的污染越重.

內梅羅綜合污染指數法,計算公式為:

式中:PN為土壤和蔬菜中重金屬的綜合污染指數;P均為重金屬單項污染指數的平均值;P最大為重金屬最大單項污染指數.內梅羅污染指數評價標準為:當PN￡0.7時,為安全等級;當0.73時,為重度污染.

1.3.2 菜地土壤重金屬生態(tài)風險評價 生態(tài)危害指數法是由瑞典科學家Hakanson 提出用于評價土壤和沉積物中重金屬污染生態(tài)風險評價的方法[24],該方法根據重金屬性質及環(huán)境行為特點,不僅考慮土壤中重金屬含量,而且將重金屬的生態(tài)效應、環(huán)境效應與毒理學聯系在一起,被廣泛用于土壤和沉積物生態(tài)風險評價.本文也采用該方法來進行研究區(qū)域菜地土壤的生態(tài)風險分級評價,其表達式為:

式中:RI為土壤中多種重金屬潛在生態(tài)危害指數;C為單一元素實測值;C為單一元素參比值,采用貴州省土壤環(huán)境背景值作為參照標準[25],T為第種重金屬元素的毒性系數;E為第種重金屬的潛在生態(tài)危害系數.本文中幾種重金屬毒性系數:Pb為5,Cd為30,Zn為1,Cu為5,As為10,Ni為5.依據重金屬的潛在生態(tài)危害系數(E)可將土壤中重金屬污染狀況劃分為5個等級;依據重金屬的潛在生態(tài)危害指數(RI)可將土壤中重金屬污染程度劃分為4個等級.因Hakanson研究的是8種有機污染物和重金屬的潛在生態(tài)風險,而RI的大小與參評污染物的種類和數量有關,污染物的數目越多、毒性越強,RI值就越大,因此,應用RI進行生態(tài)風險評價時,必須根據參評污染物的種類和數量對其進行調整,本文根據文獻[24]中的方法對分級標準做相應調整,即E值風險分級的第一級上限值為非污染的污染系數(=1)與參評污染物中最大毒性系數相乘的結果,其他風險級別的上限值分別為上一級的分級值乘以2.本研究的6種重金屬中Cd的毒性系數為最大(30),得出E的第一級生態(tài)風險(輕微的生態(tài)危害)標準為<30,其余依次乘以2(見表1).對本研究中6 種重金屬RI的分級標準按如下方法調整:先根據Hakanson的第一級分級界限值(150)除以其研究的8種污染物的毒性系數總值(133),得到單位毒性系數的RI分級值(1.13) ,將單位毒性系數的RI分級值乘以本研究6種重金屬的毒性系數總值(56),并取十位整數得到RI第一級界限值(1.13×56= 63.28≈70);其他級別的分級值分別用上一級的分級值乘2得到(表1).調整后的重金屬潛在生態(tài)危害指數評價標準如表1所示.

表1 重金屬潛在生態(tài)危害系數(Eir)、危害指數(RI)與危害程度分級的關系

1.3.3 蔬菜攝入的健康風險評價 本研究中蔬菜攝入的健康風險采用文獻[20]中提到的方法來評價.即研究區(qū)居民經蔬菜攝入的重金屬量,采用日均攝入量(daily intake, DI)來度量,計算公式為:

DI=FIR′(4)

式中:DI為重金屬的日均攝入量mg/d;FIR為蔬菜的日攝取速率 kg/d,以鮮重計;為蔬菜中度污染物的濃度 mg/kg.參照相關文獻報道[6,27]并結合當地居民的飲食習慣,確定研究區(qū)成人蔬菜的日攝取率FIR為0.45kg/d,青少年兒童的FIR為0.23kg/d.

采用US EPA(美國國家環(huán)境保護局)推薦的目標危險系數法(target hazard quotient, THQ)模型評價攝入蔬菜中重金屬的健康風險.其中,THQ是以污染物暴露劑量與參考劑量的比值來表征非致癌風險水平,如果比值超過安全基準值1.0,說明該污染物對人體具有潛在健康風險. THQ 的計算公式為[20,26]:

式中:THQ 為目標危險系數;EF 為暴露頻率 d/a;ED為暴露年限,a;FIR和的含義同式(3);為重金屬暴露參考劑量mg/(kg×d);BW為受體體重kg;AT為平均暴露時間(ED′365).

根據US EPA綜合風險信息系統數據庫及其他相關文獻資料,得到式(5)中的模型參數(表2).

表2 蔬菜健康風險評價模型參數取值

重金屬對人體健康的影響一般是由多種元素共同作用的結果,因此計算多種重金屬復合風險,計算公式為:

式中:TTHQ￡1,表明沒有明顯的負面影響;TTHQ>1,表明對人體健康產生負面影響的可能性很大; TTHQ>10,表明存在慢性毒性效應.

1.4 數據處理和分析

數據處理、分析和作圖采用SPSS 20和Origin 8.5軟件.

2 結果與討論

2.1 菜地土壤中重金屬污染狀況

調查結果表明,研究區(qū)菜地土壤pH值的平均值為6.55,處于偏酸性的水平.研究區(qū)菜地土壤中6種重金屬的含量情況統計結果如表3所示.重金屬Pb、Cd、Zn、Cu、As、Ni的平均含量分別為87.18,2.07,261.0,97.81,12.29,56.43mg/kg,貴州省土壤Pb、Cd、Zn、Cu、As、Ni元素的背景值分別為29.3,0.13,82.4,25.7,13.3,33.7mg/kg[25],研究區(qū)菜地土壤重金屬超過背景值點位所占比例分別為: 74.5%、100%、90.8%、97.3%、39.7%和86.3%.對照《土壤環(huán)境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB15618- 2018)[29]風險篩選值,土壤重金屬單項污染指數呈Cd>Cu>Zn>Pb>Ni>As的特征.鋅冶煉區(qū)菜地土壤受到Cd的嚴重污染(單項污染指數為6.00),除此之外,也受到Zn和Cu不同程度的污染(單項污染指數>1).內梅羅綜合污染指數評價的結果表明,研究區(qū)菜地土壤已受到重金屬的嚴重污染. Cu、As和Ni的變異系數均<100%,表明Cu、As和Ni在不同土壤采樣點位之間的含量分布相對比較均勻,已有研究結果表明,Cu和Ni主要受地質背景的影響[30-31];Pb、Cd和Zn的變異系數均>100%,出現了較多的極端異常值,表明這些元素在研究區(qū)受人類活動影響強烈,空間分布較不均勻,可能存在局部點源污染,已有研究結果表明這些元素常常受外源污染因素的影響,文獻[7]也指出Pb、Cd、Zn污染與歷史鉛鋅冶煉有關,與本研究區(qū)域潛在污染源一致.研究[8]表明,離南寧市冶煉廠500m的菜地土壤Pb、Zn和Cd含量嚴重超標,分別達到991.59、596.78和22.06mg/kg;離白銀市礦區(qū)14km的菜地土壤重金屬Cd和As含量超標[32];鄒天森等[33]對湖北某廢棄鉛冶煉企業(yè)周邊土壤鉛的調查結果表明,廢棄鉛冶煉企業(yè)周邊土壤在500m范圍內污染最為嚴重,在500~2000m之間呈輕度或中度污染;李江燕等[9]對云南個舊錫礦區(qū)菜地土壤重金屬的研究結果表明,菜地土壤Cd、Zn和Cu含量均超標,分別為國家土壤環(huán)境質量標準的5.32倍、1.65倍和1.33倍;本研究調查結果同樣表明,鋅冶煉區(qū)菜地土壤重金屬呈重度污染特征.

表3 研究區(qū)菜地土壤重金屬的含量水平

2.2 菜地土壤中重金屬污染評價

研究表明,土壤酸性環(huán)境條件將提高重金屬的活性,從而加大土壤重金屬污染的生態(tài)風險水平[35].研究區(qū)土壤處于偏酸性水平,Cd是最主要的生態(tài)風險因子,其潛在生態(tài)風險程度很高,極強、很強、強的和中等危害生態(tài)風險的樣點數分別占總樣點數的48.0%、28.6%、21.4%和2.04%.其次是Pb,很強、強的、中等和輕微危害生態(tài)風險的樣點數分別占總樣點數的3.06%、2.04%、6.12%和88.8%,即以輕微生態(tài)風險危害為主.Cu的強的、中等和輕微危害生態(tài)風險的樣點數分別占總樣點數的1.37%、11.0%和87.7%. Zn、As和Ni的生態(tài)風險較低,達到輕微生態(tài)風險的樣點占總樣點數的95%以上.6種重金屬潛在生態(tài)危害大小順序為:Cd>Pb>Cu> As>Zn>Ni (表4),此研究結果與文獻[35]中對于會澤某鉛鋅礦周邊農田土壤重金屬生態(tài)風險評價的研究稍有差異.

從表4中不同RI風險級別樣點數占總樣點數的比例來看,輕微生態(tài)風險樣點數占2.04%,中等、強的和很強的生態(tài)風險分別占14.3%、35.7%和48.0%,說明研究區(qū)域存在不同程度的土壤重金屬污染風險,且強的和很強的生態(tài)危害樣點數占83.7%,說明該區(qū)域菜地土壤生態(tài)危害的程度較重.

表4 不同生態(tài)風險級別樣點數占總樣點數的百分比

2.3 蔬菜中重金屬污染狀況

鋅冶煉區(qū)菜地土壤上采集的不同蔬菜中重金屬含量的統計結果及顯著性差異分析等見圖1.冶煉區(qū)白菜中重金屬Pb、Cd、Zn、Cu、As、Ni的平均含量分別為0.099,0.092,4.139,0.307,0.019,0.247mg/ kg;蘿卜中重金屬Pb、Cd、Zn、Cu、As、Ni的平均含量分別為0.015,0.051,3.273,0.214,0.016,0.267mg/ kg;土豆中重金屬Pb、Cd、Zn、Cu、As、Ni的平均含量分別為0.064,0.097,4.004,1.167,0.750,0.243mg/ kg;蕓豆中重金屬Pb、Cd、Zn、Cu、As、Ni的平均含量分別為0.295,0.045,21.38,7.785,0.000,0.943mg/ kg.在白菜、蘿卜、土豆和蕓豆中,Zn的含量最高,其次是Cu和Ni,而Pb、Cd、As含量在不同的作物中無一定的規(guī)律.Zn、Cu和Ni在蔬菜中含量相對較其他重金屬高,可能與其在對應土壤中含量較高有關;而Pb在土壤中的平均含量也較高,但在蔬菜中的含量相對較低,可能是因為Pb的遷移性相對較弱,是植物不易累積的元素[36-37].

由圖1可看出,Pb在蔬菜中的平均含量從大到小依次為:蕓豆>白菜>土豆>蘿卜,且各含量之間無顯著性差異;Cd依次為土豆>白菜>蘿卜>蕓豆,且各含量之間無顯著性差異;Zn依次為蕓豆>白菜>土豆>蘿卜,且Zn在蕓豆中的含量顯著高于在白菜、土豆和蘿卜中的含量;Cu依次為蕓豆>土豆>白菜>蘿卜,且Cu在蕓豆中的含量顯著高于在白菜、土豆和蘿卜中的含量;As依次為土豆>白菜>蘿卜>蕓豆,且As在土豆中的含量顯著高于在白菜、蘿卜和蕓豆中的含量;Ni依次為蕓豆>蘿卜>白菜>土豆,且Ni在蕓豆中的含量顯著高于在白菜、土豆和蘿卜中的含量.本研究蘿卜中的Pb、Cd、Zn、Cu和As的含量水平都較其他蔬菜中相對低,可能是因為蘿卜葉對重金屬元素的富集能力大于蘿卜根(可食部分),Pb和As在蘿卜葉中具有明顯的富集優(yōu)勢,蘿卜葉中Pb和As平均含量為根的10倍, Cd在蘿卜中的含量都比較低[38].

圖1 蔬菜中重金屬含量及顯著性差異分析

蔬菜重金屬含量之間的顯著性差異采用SPSS的ANOVA分析(<0.05),同一列不同的字母表示各蔬菜中同種重金屬含量水平存在顯著性差異

2.4 蔬菜重金屬富集特征

蔬菜重金屬的富集系數是指蔬菜中重金屬含量與土壤中重金屬含量的比值,它可以大致反映蔬菜在相同土壤重金屬含量條件下對重金屬的吸收能力.重金屬富集系數越小,則表明其吸收重金屬的能力越差,抗土壤重金屬污染的能力則越強[39].從表5可看出,白菜和蘿卜對重金屬元素平均富集系數大小的順序一致,均為Cd>Zn>As>Ni>Cu>Pb,土豆重金屬元素平均富集系數大小的順序為Cd>As>Cu> Zn>Ni>Pb,蕓豆重金屬元素平均富集系數大小的順序為Cu>Zn>Cd>Ni>Pb>As.可看出,不同蔬菜品種對不同種類的重金屬富集規(guī)律不同[10,40];在6種重金屬元素中,Cd、Zn較容易在4種蔬菜中富集,而Pb最不容易在蔬菜中富集,此結論與前人的研究結果一致,因為重金屬Cd、Zn活性較強,較易被植物吸收[22,36-37].從不同蔬菜對重金屬的富集能力來看,蕓豆對Pb、Zn、Cu和Ni的富集能力相對較高;白菜和蘿卜對Cd的富集能力相對較高;蘿卜和土豆對As的富集能力相對較高.可看出,不同蔬菜對不同重金屬的富集能力存在較為顯著的差異.

2.5 蔬菜中重金屬的污染評價

如表6所示,在所采集的白菜、蘿卜、土豆和蕓豆樣本中,受到重金屬污染最重的是土豆,處于重度污染水平;其次是蕓豆,處于中度污染水平;白菜和蘿卜均處于輕度污染水平.所有土豆樣本中,污染最重的元素是Cd和As,超標率分別為39.1%和46.2%;其次是Ni和Pb,超標率分別為7.69%和4.35%;Zn和Cu的平均含量均未超過標準限值,且無點位超標.蕓豆樣本中,污染最重的元素是Ni和Zn,其平均污染指數分別為1.57和1.07,超標率分別為60.9%和52.2%;其次是Cu、Pb和Cd,超標率分別為13.0%、4.35%和4.35%;As未在蕓豆中檢出.白菜樣本中,Pb、Cd、Zn、超標率分別為7.14%、14.3%和14.3%,Zn、Cu、As、Ni共6種重金屬元素的平均含量均未超過標準限值,部分點位的Pb、Cd、Ni含量超標,Cu和As均沒有點位超標;蘿卜樣本中,污染最重的元素是Cd,其平均含量超過標準限值,平均污染指數為1.15,超標率為42.9%;其次是Ni,超標率為14.3%;其余重金屬元素Pb、Zn、Cu、As的平均含量均未超過標準限值,且無點位超標.可見,不同蔬菜品種對不同種類的重金屬吸收與累積規(guī)律不同[40],在生產上可以利用不同作物對不同重金屬的吸收特點,有選擇性地栽培作物,減少作物對土壤重金屬的吸收富集,有效降低公眾身體健康受損的潛在威脅.

表5 蔬菜重金屬富集系數

表6 蔬菜重金屬單項污染指數和綜合污染指數

2.6 菜地土壤-蔬菜中重金屬含量的相關性分析

鋅冶煉區(qū)菜地土壤與蔬菜可食部分重金屬含量間的相關系數列于表7.蔬菜中Cd含量與菜地土壤中的Pb和Zn含量呈顯著正相關(<0.01);蔬菜中Zn含量與菜地土壤中的Cd和As含量呈顯著正相關(<0.01);蔬菜中Cu含量與菜地土壤中的Cd和As含量呈顯著正相關(<0.01);蔬菜中As含量與菜地土壤中的Cu含量呈顯著正相關(<0.05);蔬菜中Ni含量與菜地土壤中的Cd和As含量呈顯著正相關(<0.05或<0.01);而蔬菜中其他重金屬與土壤中重金屬均無顯著相關性.可見,大部分菜地土壤重金屬與蔬菜重金屬間并無顯著相關性,可能是由于植物從土壤中吸收和富集重金屬的多少與土壤中重金屬總量并無線性關系,而與土壤中重金屬的植物有效態(tài)直接相關[41].也有研究表明[42],農產品中重金屬含量與土壤中重金屬的化學形態(tài)、生物有效性有關.朱書法等[43]的研究也表明,不同種類的重金屬,由于其物理化學行為和生物有效性的差異,在土壤-農作物系統中的遷移轉化規(guī)律明顯不同.因此,對于土壤重金屬的研究,不僅應關注土壤重金屬的總量,還應對土壤重金屬的不同賦存形態(tài)進行分析,通過研究重金屬不同形態(tài)對生物吸收的貢獻程度,可以確定其生物有效性的大小,進而進行生物有效性評價,有助于今后更準確地開展土壤重金屬污染評價.

表7 菜地土壤重金屬與蔬菜重金屬含量間相關性分析

注:**相關性在0.01水平,*相關性在0.05水平.

2.7 經蔬菜攝入的重金屬污染健康風險評價

土壤中重金屬可通過蔬菜根系吸收進入植物體內,并積累在作物不同器官和組織中,如果蔬菜可食用部分積累大量重金屬,則通過食物鏈傳遞將對人體健康造成嚴重影響.本研究根據公式(4)(5)(6)和表2中的評價參數,分別計算了鋅冶煉區(qū)成人和青少年兒童通過食用蔬菜攝入重金屬的DI值、THQ值和TTHQ值,計算結果見表8.對于成人和青少年兒童來說,單個重金屬Pb、Cd、Zn、Cu、Ni引起的健康風險不高,風險指數(THQ)均小于1;成人和青少年兒童As的THQ分別為4.88和4.67,說明As對成人和青少年兒童均會造成潛在的健康風險.而研究區(qū)采集的4種蔬菜中,白菜、蘿卜和蕓豆中As均無超標現象,受As污染最重的蔬菜是土豆,超標率達46.2%,而土豆正是該研究區(qū)產量最大、最主要食用的蔬菜之一,這應引起相關部門的高度重視,急切需要對鋅冶煉區(qū)重金屬污染土壤采取適當的防治措施,以減少重金屬通過土壤-植物系統經由蔬菜攝入途徑對人體健康造成的影響.復合重金屬健康風險指數評價結果表明,食用研究區(qū)域蔬菜對成人和青少年兒童健康產生負面影響的可能性很大.

表8 食用蔬菜的重金屬攝入量及健康風險

3 結論

3.1 研究區(qū)土壤受到重金屬不同程度的污染,尤其是Cd污染最為突出.

3.2 蔬菜受重金屬污染狀況有差異,重金屬對蔬菜的污染程度為土豆最重,處于重度污染水平,其次是蕓豆,處于中度污染水平,白菜和蘿卜均處于輕度污染水平.

3.3 食用該區(qū)域蔬菜引起單一重金屬As對人體健康的風險明顯,而Pb、Cd、Zn、Cu、Ni對人體健康的風險不明顯;復合重金屬污染對成人和青少年兒童產生負面影響的可能性很大.

3.4 大部分菜地土壤重金屬含量與蔬菜可食部分重金屬含量間無顯著相關性.

[1] 師榮光,周啟星,劉鳳枝,等.天津郊區(qū)土壤-蔬菜系統中Cd的積累特征及污染風險[J]. 中國環(huán)境科學, 2008,28(7):634-639. Shi R G, Zhou Q X, Liu F Z, et al. Cadmium accumulation and pollution risks to human health based on Monte- Carlo model of soil and vegetable-using vegetable field in Tianjin suburbs as example [J]. China Environmental Science, 2008,28(7): 634-639.

[2] 汪琳琳,方鳳滿,蔣炳言.中國菜地土壤和蔬菜重金屬污染研究進展[J]. 吉林農業(yè)科學, 2009,34(2):61-64. Wang L L, Fang F M, Jiang B Y. Processes of studies of heavy metal pollution of soil and vegetables on China vegetable field [J]. Journal of Jilin Agricultural Sciences, 2009,34(2):61-64.

[3] 楊 晶,趙云利,甄 泉,等.某污灌區(qū)土壤與蔬菜重金屬污染狀況及健康風險評價[J]. 生態(tài)與農村環(huán)境學報, 2014,30(2):234-238. Yang J, Zhao Y L, Zhen Q, et al. Heavy metal pollution and health risk assessment of soil and vegetable in a sewage-irrigated area [J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2014,30(2):234-238.

[4] Lim H S, Lee J S, Chon H T, et al. Heavy metal contamination and health risk assessment in the vicinity of the abandoned Songcheon Au-Ag mine in Korea [J]. Journal of Geochemical Exploration, 2008, 96(2/3):223-230.

[5] 吳勁楠,龍 健,劉靈飛,等.某鉛鋅礦區(qū)農田重金屬分布特征及其風險評價[J]. 中國環(huán)境科學, 2018,38(3):1054-1063. Wu J N, Long J, Liu L F, et al. Spatial distribution and risk assessment of heavy metal pollution in farmland soil of a lead-zinc mining area [J]. China Environmental Science, 2018,38(3):1054-1063.

[6] 孫清斌,尹春芹,鄧金鋒,等.大冶礦區(qū)土壤-蔬菜重金屬污染特征及健康風險評價[J]. 環(huán)境化學, 2013,32(4):671-677. Sun Q B, Yin C Q, Deng J F et al. Characteristics of soil-vegetable pollution of heavy metals and health risk assessment in Daye mining area [J]. Enviormental Chemistery, 2013,32(4):671-677.

[7] ?ajn R, Halamic J, Peh Z, et al. Assessment of the natural and anthropogenic sources of chemical elements in alluvial soils from the Drava River using multivariate statistical methods [J]. Journal of Geochemical Exploration, 2011,110(6):278-289.

[8] Cui Y J, Zhu Y G, Zhai R H, et al. Transfer of metals from soil to vegetables in an area near a smelter in Nanning, China [J]. Environment International, 2004,30(6):785-791.

[9] 李江燕,楊永珠,李志林,等.云南個舊大屯鎮(zhèn)蔬菜重金屬污染現狀及健康風險評價[J]. 安全與環(huán)境學報, 2013,13(2):91-96. Li J Y, Yang Y Z, Li Z L, et al. In-situ heavy-metal pollution and health risks in the vegetables in Datun Town, Gejiu City, Yunnan [J].Journal of Safety and Environment, 2013,13(2):91-96.

[10] 朱蘭保,高升平,盛 蒂,等.蚌埠市蔬菜重金屬污染研究[J]. 安徽農業(yè)科學, 2006,34(12):2772-2773,2846. Zhu L B, Gao S P, Sheng D, et al. Analysis and evaluation on contamination of heavy metal in vegetables of Bengbu City [J]. Journal of Anhui Agri. Sci, 2006,34(12):2772-2773,2846.

[11] 陳同斌,宋 波,鄭袁明,等.北京市菜地土壤和蔬菜鎳含量及其健康風險[J]. 自然資源學報, 2006,21(3):349-361. Chen T B, Song B, Zheng Y M, et al. A survey of nickel concentrations in vegetables and vegetable soils of Beijing and their healthy risk [J]. Journal of Natural Resources, 2006,21(3):349-361.

[12] 黃楚珊,胡國成,陳棉彪,等.礦區(qū)家庭谷物和豆類重金屬含量特征及風險評價[J]. 中國環(huán)境科學, 2017,37(3):1171-1178. Huang C S, Hu G C, Chen M B, et al.Heavy metal content characteristics and risk assessment of household cereal and beans from mining areas [J]. China Environmental Science, 2017,37(3):1171- 1178.

[13] 宋 波,伏鳳艷,張學洪,等.桂林市菜地土壤和蔬菜砷含量調查與健康風險評估[J]. 環(huán)境科學學報, 2014,34(3):728-735. Song B, Fu F Y, Zhang X H, et al. A survey of arsenic concentration in vegetables and soils in Guilin and the human health risks assessment [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2014,34(3):728- 735.

[14] Yuan Z M, Yao J, Wang F, et al. Potentially toxic trace element contamination, sources, and pollution assessment in farmlands, Bijie City, southwestern China [J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2017,189(1):25.

[15] 盧一富,李云峰,苗向前,等.微小鉛鋅礦區(qū)土壤和植物重金屬污染特征及風險評價 [J] .生態(tài)與農村環(huán)境學報, 2015,31(4):566-571. Lu Y F, Li Y F, Miao X Q, et al. Heavy metal pollution of soil and plants in areas of micro-sized lead-zinc mine and risk assessment [J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2015,31(4): 566-571.

[16] 李 杰,祝 凌,仝利紅,等.蔬菜溫室長期種植下土壤重金屬累積風險評價[J]. 農業(yè)環(huán)境科學學報, 2018,37(10):2159-2165. Li J, Zhu L, Tong L H, et al. Risk assessment of heavy metals accumulation in soils under long-term greenhouse vegetable cultivation conditions [J]. Journal of Agro-Environment Science, 2018, 37(10):2159-2165.

[17] 余 璇,宋柳霆,滕彥國.湖南省某鉛鋅礦土壤重金屬污染分析與風險評價[J]. 華中農業(yè)大學學報, 2016,35(5):27-32. Yu X, Song L T, Teng Y G. Pollution analysis and ecological environment risk assessment of heavy metals in soil of a Pb-Zn mine in Hunan Province [J]. Journal of Huazhong Agricultural University, 2016,35(5):27-32.

[18] GB/T17141-1997 土壤質量鉛、鎘從測定石墨原子吸收分光光度法[S]. GB15618-2018 Soil quality-Determination of lead, cadmium Graphite furnace atomic absorption spectrophotometry [S].

[19] US EPA. Method 3052Microwave assisted acid digestion of siliceous and organically based matrices [S]. Washington DC: Environmental Protection Agency. 1996.

[20] SN/T 0448-2011 進出口食品中砷、汞、鉛、鎘的檢測方法電感耦合等離子質譜(ICP-MS)法[S]. SN/T 0448-2011 Determination of mercury and asenic in food for export [S].

[21] 蔡立梅,馬 瑾,周永章,等.東莞市農田土壤和蔬菜重金屬的含量特征分析[J]. 地理學報, 2008,63(9):994-1003. Cai L M, Ma J, Zhou Y Z, et al. Heavy metal concentrations of agricultural soils and vegetables from Dongguan [J]. Acta Geographica Sinica, 2008,63(9):994-1003.

[22] 李如忠,潘成榮,徐晶晶,等.典型有色金屬礦業(yè)城市零星菜地蔬菜重金屬污染及健康風險評估[J]. 環(huán)境科學, 2013,34(3):1076-1085. Li R Z, Pan C R, Xu J J, et al. Contamination and health risk for heavy metals via consumption of vegetables grown in fragmentary vegetable plots from a typical nonferrous metals mine city [J]. Environment Science, 2013,34(3):1076-1085.

[23] 楊 剛,沈 飛,鐘貴江,等.西南山地鉛鋅礦區(qū)耕地土壤和谷類產品重金屬含量及健康風險評價[J]. 環(huán)境科學學報, 2011,31(9):2014- 2021. Yang G, Shen F, Zhong G J, et al. Concentration and health risk of heavy metals in crops and soils in a zinc-lead mining area in southwest mountainous regions [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2011,31(9):2014-2021.

[24] Hakanson L. An ecological risk index for aquatic pollution control: A sedimentological approach [J]. Water Research, 1980,14(8):975-1001.

[25] 國家環(huán)境保護局.中國土壤環(huán)境背景值[M]. 北京:中國環(huán)境科學出版社, 1990. Environmental protection bureau of the People's Republic of China, Background value of soil environment in China [M]. Beijing: China Environmental Science Press, 1990.

[26] 李一蒙,馬建華,劉德新,等.開封城市土壤重金屬污染及潛在生態(tài)風險評價[J]. 環(huán)境科學, 2015,36(3):1037-1044. Li Y M, Ma J H, Liu D X, et al. Assessment of heavy metal pollution and potential ecological risks of urban soils in Kaifeng City, China [J]. Environmental Science, 2015,36(3):1037-1044.

[27] 余 忠,胡學玉,劉 偉,等.武漢市城郊蔬菜種植區(qū)重金屬積累特征及健康風險評價[J]. 環(huán)境科學研究, 2014,27(8):881-877. Yu Z, Hu X Y, Liu W, et al. Pollution characteristics and health risk assessment of heavy metals in suburban agricultural areas of Wuhan, China [J]. Research of Environmental Sciences, 2014,27(8): 881-877.

[28] 鄭 娜,王起超,鄭冬梅.基于THQ的鋅冶煉廠周圍人群食用蔬菜的健康風險分析[J]. 環(huán)境科學學報, 2007,27(4):672-678. Zheng N, Wang Q C, Zheng D M. Health risk assessment of heavy metals to residents by consuming vegetable irrigated around zinc smelting plant based THQ [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2007, 27(4):672-678.

[29] GB15618-2018 土壤環(huán)境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行) [S]. GB15618-2018 Soil environmental quality risk control standard for soil contamination of agricultural land [S].

[30] Boruvka L, Vacek O, Jehli?ka J. Principal component analysis as a tool to indicate the origin of potentially toxic elements in soils [J]. Geoderma, 2005,128(4):289-300.

[31] Facchinelli A, Sacchi E, Mallen L. Multivariate statistical and GIS-based approach to identify heavy metal sources in soils [J]. Environmental Pollution, 2001,114(3):313-324.

[32] Li Y, Wang Y B, Gou X, et al. Risk assessment of heavy metalsin soils and vegetables around non-ferrous metals mining and smelting sites, Baiyin, China [J]. China Journal of Environmental Sciences, 2006,18(6):1124-1134.

[33] 鄒天森,潘立波,王慢想,等.某廢棄鉛冶煉企業(yè)周邊土壤和蔬菜的鉛含量及分布特征[J]. 農業(yè)資源與環(huán)境學報, 2016,33(4):376-383.Zou T S, Pan L B, Wang M X, et al. Lead contents and distribution characteristics of soils and vegetables around an abandoned lead smeltery [J]. Journal of Agricultural Resources and Environment, 2016,33(4):376-383.

[34] Sauvé S, Hendershot W, Allen H E. Solid-solution partitioning of metals in contaminated soils: dependence on pH, total metal burden, and organic matter [J]. Environmental Science and Technology, 2000, 34(7):1125-1131.

[35] 陸泗進,王業(yè)耀,何立環(huán).會澤某鉛鋅礦周邊農田土壤重金屬生態(tài)風險評價[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2014,23(11):1832-1838. Lu S J, Wang Y Y, He L H. Heavy metal pollution and ecological risk assessment of the paddy soils around a Pb-Zn mine in Huize country [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014,23(11): 1832-1838.

[36] Sims J T, Kline J S. Chemical fractionation and plant uptake of heavy metals in soils amended with co composted sewage sludge [J]. Journal of Environmental Quality, 1991,20(2):387-395.

[37] 朱維晃,楊元根,畢 華,等.海南土壤中Zn、Pb、Cu、Cd四種重金屬含量及其生物有效性的研究[J]. 礦物學報, 2004,24(3):239-244. Zhu W H, Yang Y G, Bi H, et al. Research on the total bioavailable concentrations and bioavailability of Zn, Pb, Cu and Cd in soils in Hainan Province [J]. Acta Mineralogica Sinica, 2004,24(3): 239-244.

[38] 王曉芳,羅立強.鉛鋅銀礦區(qū)蔬菜中重金屬吸收特征及分布規(guī)律[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2009,18(1):143-148. Wang X F, Luo L Q. Uptake of heavy metal in vegetables grown in Pb-Zn-Ag mine, Nanjing [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2009,18(1):143-148.

[39] 宋 波,陳同斌,鄭袁明,等.北京市菜地土壤和蔬菜鎘含量及其健康風險分析[J]. 環(huán)境科學學報, 2006,26(8):1343-1353. Song B, Chen T B, Zheng Y M, et al. A survey of cadmium concentration s in vegetables and soils in Beijing and the potential risks to human health [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2006,26(8): 1343–1353.

[40] 謝正苗,李 靜,陳建軍,等.中國蔬菜地土壤重金屬健康風險基準的研究[J]. 生態(tài)毒理學報, 2006,1(2):172-179. Xie Z M, Li J, Chen J J, et al. Study on guidelines for health risk to heavy metals in vegetable plantation soils in China [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2006,1(2):172-179.

[41] Ramos L, Hernandez L M, Gonzalez M J. Sequential fractionation of copper, lead, cadmium and zinc in soils from or near Donana National Park [J]. Journal of Environmental Quality, 1994,23(1):50-57.

[42] Fairbrother A, Wenstel R, Sappington K, et al. Framework for metals risk assessment [J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2007, 68(2):145-227.

[43] 朱書法,董鐵有,姜 勇.洛陽市郊區(qū)蔬菜地土壤-蔬菜中重金屬含量的相關性研究[J]. 安徽農業(yè)科學, 2008,36(3):837-839. Zhu S F, Dong T Y, Jiang Y. Correlation of the heavy metal content in soil and vegetable from luoyang suburban vegetable field [J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2008,36(3):837-839.

Contamination and risk of heavy metals in soils and vegetables from zinc smelting area.

YU Zhi1,2, CHEN Feng2, ZHANG Jun-fang2, HUANG Dai-kuan2, YU En-jiang1, LIU Hong-yan1,3*

(1.College of Resource and Enviormental Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China；2.Guizhou Academy of Environmental Science and Designing, Guiyang 550081, China；3.College of Agriculture, Guizhou University, Guiyang 550025, China)., 2019,39(5)：2086~2094

The concentration of Pb, Cd, Zn, Cu, As and Ni in soils and dominant vegetables were determined based on the soil and vegetable samples collected from a representative zinc-smelting region in Northwest of Guizhou province. Both single factor pollution index and comprehensive pollution index methods were used to assess the concentration of heavy metals in soils and vegetables, and their potential ecological risks and health risks to adults and adolescents were also analyzed by the potential ecological risk index (RI) and target hazard quotient (THQ) methods. The results showed that the soils in the zinc-smelting area were contaminated by heavy metals and Cd contributed the most to the integrated pollution index; high ecological risks were imposed by Cd and there were 2.04%, 14.3%, 35.7% and 48.0% of sample sites in each category, decided according to the potential ecological risk index, of low, medium, high and extremely high risk, respectively. Among vegetable samples, the potatoes were heavily polluted and kidney beans were moderately polluted. Moreover, the comprehensive health risk index analysis suggested that the eating of vegetables grown in sample areas could cause serious potential health risks for adults and adolescents.

zinc smelting；soils；vegetables；heavy metals；contamination；ecological risk；health risk

X53

A

1000-6923(2019)05-2086-09

余 志(1984-),男,貴州貴陽人,高級工程師,貴州大學博士研究生,主要從事土壤重金屬污染研究.發(fā)表論文5篇.

2018-10-08

國家重點研發(fā)計劃項目(2018YFC1802602);國家基金委-貴州省人民政府聯合基金項目(U1616442-2);貴州省土壤質量安全與水肥調控重點實驗室(黔教合KY字[2016]001);貴州省生物學一流學科建設項目(GNYL[2017]009)

*責任作者, 教授, hyliu@gzu.edu.cn