阿吉古麗·馬木提，麥麥提吐爾遜·艾則孜*，艾尼瓦爾·買買提，迪力夏提·司馬義

（1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，烏魯木齊 830054；2.新疆大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，烏魯木齊 830046）

土壤作為自然環(huán)境的一個基本要素，是農(nóng)作物生長的基礎(chǔ)，農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的保障。近年來，隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人類活動的加劇，各種途徑釋放的微量元素進(jìn)入土壤系統(tǒng)，導(dǎo)致土壤污染日益嚴(yán)重[1-3]。土壤微量元素可以經(jīng)作物吸收后進(jìn)入食物鏈或者通過某種方式進(jìn)入水和大氣中，對人類健康和生物生長造成危害[2-4]。土壤中的微量元素由于殘留時間長、隱蔽性強(qiáng)、毒性大，可通過手-口攝入、呼吸暴露、皮膚黏附等途徑進(jìn)入人體并發(fā)生沉積，導(dǎo)致人體機(jī)能的功能性障礙和不可逆轉(zhuǎn)性損傷，從而對人體造成危害[4-7]。

健康風(fēng)險評價主要是把環(huán)境污染與人體健康聯(lián)系起來，定量地描述環(huán)境污染對人體健康產(chǎn)生的危害風(fēng)險[8-9]。近年來，國內(nèi)學(xué)者對微量元素污染的人體健康風(fēng)險進(jìn)行了大量研究，研究主要側(cè)重于礦區(qū)土壤或大氣降塵中的微量元素對人類健康的風(fēng)險評價[10-15]。也有學(xué)者對干旱區(qū)綠洲土壤微量元素污染及其潛在生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行了相關(guān)研究[16-17]，但對開都河下游綠洲農(nóng)田土壤微量元素污染的健康風(fēng)險評價的研究卻鮮見報道。新疆開都河下游綠洲屬于典型的干旱區(qū)綠洲灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，特殊的生態(tài)類型決定了該地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的脆弱性[18]。近年來，隨著該綠洲工業(yè)化、城市化發(fā)展進(jìn)程的不斷加快，綠洲土壤環(huán)境受到了微量元素污染威脅，同時威脅居民身體健康[18]。因此，對該地區(qū)農(nóng)田土壤微量元素污染對人體暴露以及健康風(fēng)險進(jìn)行評價具有重要的意義。本研究以開都河下游綠洲為研究區(qū)，采用地累積指數(shù)與美國環(huán)境保護(hù)署（US EPA）推薦的健康風(fēng)險評估模型，對研究區(qū)農(nóng)田土壤中微量元素污染對周邊居民3種暴露途徑（經(jīng)口攝入、呼吸吸入和皮膚接觸）進(jìn)行了潛在健康風(fēng)險評價，為保護(hù)研究區(qū)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與人體健康提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

開都河下游綠洲（86°10′～86°48′E，41°50′～42°13′N）位于天山山脈之間的中生代斷陷盆地，開都河下游，博斯騰湖西部，總面積71 372 hm2，在行政區(qū)劃上包括新疆焉耆、和靜和博湖縣，是新疆綠洲經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心示范區(qū)之一，也是新疆加工辣椒和加工番茄的主要地區(qū)（圖1）。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點分布圖Figure 1 The location of study area and sampling points

研究區(qū)氣候?qū)儆跍貛Т箨懶愿珊禋夂颍邓可?，蒸發(fā)量大，太陽輻射強(qiáng)，日照充足。多年平均氣溫約8.6℃，多年平均降水量約50～80 mm，多年平均蒸發(fā)量約2000～2450 mm，海拔高程1050～1800 m。土壤類型主要為灌耕草甸土、灌耕棕漠土、灌耕沼澤土、灌漠土、灌耕石質(zhì)土、灌耕風(fēng)沙土、鹽土等。農(nóng)作物主要以番茄、辣椒、玉米、小麥為主[19]。

1.2 土樣采集與測定

2016年5月在研究區(qū)耕地進(jìn)行表層（0～20 cm）土壤樣品采樣，總采集98個土壤樣品。采用10 m×10 m內(nèi)梅花形布設(shè)5個子樣點，每個子樣點采集土壤200 g左右，將其充分混合后裝入潔凈自封塑料袋內(nèi)。將采集的土樣室溫下風(fēng)干，剔除沙礫及植物殘體等雜物后裝入紙袋，從中多點（約40點）取樣約20 g，用瑪瑙研缽進(jìn)一步研磨，通過100目尼龍篩混勻后備用。測定土壤樣品中As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb與Zn含量。土壤樣品采用HNO3-HCl-HF-HClO4法電熱板加熱消解并處理。測定As時，稱取通過100目尼龍篩的土壤樣品0.2～1.0 g（精確至0.000 2 g）于50 mL具塞比色管中，加少許水潤濕樣品，加入10 mL（1+1）王水，加塞搖勻于沸水浴中消解2 h，期間搖動幾次，取下冷卻，用水稀釋至刻度，搖勻后放置。吸取一定量的消解試液于50 mL 比色管中，加 3 mL HCl、5 mL CH4N2S、5 mL C6H8O6溶液，用水稀釋至刻度，搖勻放置，取上清液待測。測定方法參考《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[20]。As含量用PERSEE原子熒光光度機(jī)（PF-7）測定，Cd、Cr、Cu、Ni、Pb 和 Zn 的含量用火焰原子吸收光譜儀（Agilent 200AA）測定。每批土樣做3次空白樣和平行樣，取平均值作為樣品微量元素的最終含量。測試過程中加入國家標(biāo)準(zhǔn)土壤參比物質(zhì)（GSS-12）進(jìn)行質(zhì)量控制，各微量元素的回收率均在國家標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)的允許范圍內(nèi)。

1.3 地累積指數(shù)法

農(nóng)田土壤微量元素污染水平采用地累積指數(shù)[21]。地累積指數(shù)Igeo的計算公式為：

式中：Ci表示污染物實測值；Bi是該污染物的地球化學(xué)背景值，本研究選用新疆灌耕土背景值[22]；1.5為考慮到造巖運(yùn)動可能引起背景值波動而設(shè)定的常數(shù)。Igeo的污染分級標(biāo)準(zhǔn)為：Igeo≤0為無污染，0＜Igeo≤1為輕微污染，1＜Igeo≤2為輕度污染，2＜Igeo≤3為中度污染，3＜Igeo≤4為重度污染，4＜Igeo≤5為嚴(yán)重污染，Igeo＞5為極嚴(yán)重污染。

1.4 土壤微量元素的健康風(fēng)險評價法

1.4.1 暴露量計算

健康風(fēng)險評價是以風(fēng)險度作為評價指標(biāo)，把環(huán)境污染程度與人體健康聯(lián)系起來，定量描述污染物對人體產(chǎn)生的健康危害[23]。采用US EPA健康風(fēng)險評價模型，對研究區(qū)耕地土壤中7種微量元素3種暴露途徑對兒童和成人的日平均暴露量進(jìn)行計算，計算公式如下：

經(jīng)手-口途徑：

經(jīng)呼吸途徑：

經(jīng)皮膚接觸：

總?cè)站┞读緼DDtotal（mg·kg-1·d-1）：

按照US EPA暴露因子手冊[24]、Superfund風(fēng)險評價導(dǎo)則[25-26]以及耕地土壤微量元素污染的健康風(fēng)險相關(guān)研究資料[27]，參數(shù)物理意義與取值如表1。

1.4.2 健康風(fēng)險表征

本研究中的As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn 7種微量元素對人體都具有健康風(fēng)險，其中As和Cd為美國毒物與疾病登記署列入的致癌風(fēng)險物質(zhì)[12，29]。潛在非致癌風(fēng)險用風(fēng)險商（HQ）和風(fēng)險指數(shù)（HI）來表征，計算公式為：

式中：HQij為非致癌元素i在第j種暴露途徑下的單項非致癌風(fēng)險指數(shù)（風(fēng)險商）；ADDij為非致癌元素i第j種暴露途徑的暴露量，mg·kg-1·d-1；RfDij為非致癌元素i在j種暴露途徑的參考劑量；HI為7種微量元素通過3種暴露途徑所致的總非致癌風(fēng)險指數(shù)；當(dāng)HQij或HI＜1時表示非致癌健康風(fēng)險屬于可接受風(fēng)險水平；HQij或HI＞1時表示存在非致癌健康風(fēng)險，值越大健康風(fēng)險就越大[3，12，14]。

潛在致癌風(fēng)險用風(fēng)險指數(shù)（TCR）來表征，計算公式為：

式中：CRij為致癌元素i在第j種暴露途徑下的單項致癌風(fēng)險指數(shù)；ADDij為致癌元素i在第j種暴露途徑的暴露量，mg·kg-1·d-1；SFij為致癌元素 i在j種暴露途徑的斜率因子，kg·d-1·mg-1；TCR為7種微量元素通過3種暴露途徑所致的總致癌風(fēng)險指數(shù)。當(dāng)CRij或TCR＜10-6，無致癌風(fēng)險；10-6＜CRij或 TCR＜10-4，人體可耐受的致癌風(fēng)險；CRij或TCR＞10-4，人體不可耐受的致癌風(fēng)險[12，14]。RfD和SF的取值如表2。

表1 土壤微量元素健康風(fēng)險評價參數(shù)Table 1 The parameter for health risk assessment of trace elements in soil

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤微量元素含量統(tǒng)計分析

由表3可知，開都河下游綠洲農(nóng)田土壤微量元素As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb 和 Zn 的平均含量分別為 1.35、0.21、52.17、30.61、35.85、45.88和4.36 mg·kg-1。所有元素平均值均未超出《國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618—1995）[30]中的Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)（pH＞7.5）的限值。土壤As和Cu含量的平均值未超出新疆灌耕土背景值，Cd、Cr、Ni和Pb含量的平均值分別是新疆灌耕土背景值的1.75、1.32、1.36倍和3.40倍。農(nóng)田土壤中As、Cd、Cr、Cu、Ni與 Zn 等元素的偏度和峰度系數(shù)較大，表明部分土壤樣本呈現(xiàn)高含量區(qū)，處于高積累狀況。變異系數(shù)（CV）能反映各樣點微量元素含量的平均變異程度。研究區(qū)農(nóng)田土壤中As、Cd與Pb的變異系數(shù)分別為0.47、0.38與0.55，屬于中等變異，表明不同采樣點As、Cd與Pb的差異較大。

2.2 農(nóng)田土壤微量元素污染評價

從7種微量元素的平均地累積指數(shù)（Igeo）結(jié)果來看（表4），在98個樣本中所測微量元素的平均污染級別從高到低依次為Zn（1.72）＞Pb（0.72）＞Cd（0.13）＞Ni（-0.15）＞Cr（-0.21）＞Cu（-0.80）＞As（-1.55）。Zn 的Igeo平均值表現(xiàn)為輕度污染，Cd和Pb的Igeo平均值表現(xiàn)為輕微污染，As、Cr、Cu與Ni平均值表現(xiàn)為無污染態(tài)勢。從7種微量元素最大累積指數(shù)的情況來看，Cr、Cu與Ni的最大累積指數(shù)介于0～1之間，達(dá)到了輕微污染水平，Cd的最大累積指數(shù)介于1～2之間，達(dá)到了輕度污染水平，As與Pb的最大累積指數(shù)介于2～3之間，達(dá)到了中度污染水平，Zn的最大累積指數(shù)為5.07，達(dá)到了極嚴(yán)重污染水平。Zn的最小累積指數(shù)表現(xiàn)為輕微污染，其他6種元素最小累積指數(shù)表現(xiàn)為無污染態(tài)勢。

從各微量元素不同污染級別樣本數(shù)占樣本總數(shù)的比例來看，As無污染樣本數(shù)占樣本總數(shù)的90.91%；Cd樣本中無污染、輕微污染和輕度污染樣本數(shù)分別占樣本總數(shù)的39.78%、57.95%和2.27%；Cr、Cu和Ni樣本中無污染樣本的比例較大，分別占樣本總數(shù)的85.23%、97.73%和72.73%；Pb樣本中無污染、輕微、輕度和中度污染樣本數(shù)分別占樣本總數(shù)的21.59%、19.32%、56.82%與2.27%；Zn樣本中輕微、輕度、中度、重度、嚴(yán)重和極嚴(yán)重污染樣本數(shù)分別占樣本總數(shù)的3.41%、81.82%、10.23%、2.27%、1.14%和1.14%。

表2 微量元素不同暴露途徑的參考劑量（RfD）和斜率因子（SF）Table 2 References dose（RfD）for non-carcinogen trace elements and slope factors（SF）for carcinogen trace elements

表3 研究區(qū)農(nóng)田土壤微量元素含量Table 3 Contents of trace elements in farmland soils of the study area

2.3 潛在非致癌風(fēng)險

按照公式（2）～公式（5）計算得到了開都河下游綠洲農(nóng)田土壤針對成人和兒童經(jīng)3種暴露途徑的7種微量元素的潛在非致癌風(fēng)險暴露劑量。結(jié)果表明，農(nóng)田土壤中7種微量元素通過3種途徑的總?cè)站侵掳┍┞读繌拇蟮叫∫来螢?Zn＞Cr＞Pb＞Ni＞Cu＞As＞Cd。總體而言，農(nóng)田土壤7種微量元素對兒童的總?cè)站侵掳┍┞读烤哂诔扇?，表明農(nóng)田土壤微量元素污染對兒童的非致癌健康危害更高。從暴露途徑來看，不論成人還是兒童，通過手-口攝入農(nóng)田土壤微量元素均為該區(qū)域農(nóng)田土壤中微量元素最主要的暴露途徑，其次為皮膚接觸途徑，通過呼吸途徑對人體健康危害作用最小。農(nóng)田土壤中7種微量元素通過手-口途徑對兒童的暴露量均大于成人，通過呼吸與皮膚接觸途徑對兒童的暴露量均小于成人。

在日均暴露量分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)式（6）和式（7）得到研究區(qū)農(nóng)田土壤微量元素的HQ和HI值（表5）。

從表5可知，研究區(qū)農(nóng)田土壤中7種微量元素在3種暴露途徑下成人和兒童的HQ從大到小依次為HQPb＞HQAs＞HQCr＞HQCd＞HQCu＞HQNi＞HQZn；對成人來說，農(nóng)田土壤中As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb與Zn的HQ對HI的貢獻(xiàn)率分別為25.28%、8.78%、16.88%、1.54%、3.79%、42.84%和0.89%。對兒童來說，農(nóng)田土壤中As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb與 Zn的 HQ 對 HI的貢獻(xiàn)率分別為27.68%、6.16%、22.58%、1.59%、3.78%、37.37% 和0.87%。可以看出，研究區(qū)農(nóng)田土壤中As、Cr與Pb是最主要的潛在非致癌風(fēng)險因子，研究區(qū)農(nóng)田土壤微量元素導(dǎo)致的潛在非致癌健康風(fēng)險主要是As、Cr與Pb不同暴露途徑所貢獻(xiàn)。在3種暴露途徑非致癌風(fēng)險中，皮膚接觸途徑潛在非致癌風(fēng)險最高，其次為手-口攝入途徑潛在非致癌風(fēng)險，呼吸途徑潛在非致癌風(fēng)險最小。微量元素通過手-口途徑對兒童的潛在非致癌健康風(fēng)險均大于成人，通過呼吸與皮膚接觸途徑對兒童的潛在非致癌健康風(fēng)險均小于成人。研究區(qū)農(nóng)田土壤中7種微量元素通過3種暴露途徑的HQ與HI均小于1，風(fēng)險較小，屬于可接受風(fēng)險水平，微量元素對兒童的HI略小于成人。

根據(jù)98個采樣點檢測數(shù)據(jù)，采用GIS技術(shù)與地統(tǒng)計法，分析農(nóng)田土壤中微量元素對成人和兒童的HI值的空間分布格局，結(jié)果見圖2。

從圖2可見，研究區(qū)農(nóng)田土壤微量元素對成人和兒童的潛在非致癌風(fēng)險指數(shù)空間分布格局基本一致，并呈現(xiàn)出較明顯的區(qū)域分異性特征。成人和兒童的潛在非致癌風(fēng)險指數(shù)空間分布上均出現(xiàn)高值區(qū)，主要位于焉耆縣的四十里城子鄉(xiāng)和博湖縣的烏蘭再格森鄉(xiāng)，HI較低的區(qū)域主要分布于焉耆縣的北大渠鄉(xiāng)、查汗采開鄉(xiāng)、焉耆鎮(zhèn)和博湖縣的塔溫覺肯鄉(xiāng)。結(jié)合樣點采集背景分析，HI高值區(qū)的土壤樣本中As與Pb含量相對較高，這導(dǎo)致這些樣本潛在非致癌風(fēng)險指數(shù)也較高。

表4 研究區(qū)農(nóng)田土壤微量元素Igeo統(tǒng)計Table 4 Statistics of Igeoof trace elements in farmland soils of the study area

表5 研究區(qū)農(nóng)田土壤微量元素非致癌風(fēng)險指數(shù)Table 5 Non-carcinogenic risk index of trace elements in farmland soils of the study area

圖2 研究區(qū)農(nóng)田土壤微量元素HI空間分布Figure 2 Spatial distribution of HI of trace elements in farmland soils of the study area

2.4 潛在致癌風(fēng)險評估

根據(jù)US EPA健康風(fēng)險評價方法的參數(shù)及微量元素實測含量，得到了研究區(qū)農(nóng)田土壤As與Cd通過不同暴露途徑對成人和兒童的日均致癌風(fēng)險暴露情況。結(jié)果表明，農(nóng)田土壤中As通過3種途徑的致癌風(fēng)險暴露量均比Cd高。農(nóng)田土壤中As與Cd的3種途徑的日均致癌暴露量兒童均高于成人，土壤中As與Cd對兒童的潛在致癌健康風(fēng)險危害更大。從暴露途徑來看，不論對于成人還是兒童，通過手-口攝入農(nóng)田土壤中微量元素均為該區(qū)域農(nóng)田土壤中微量元素最主要的潛在致癌風(fēng)險暴露途徑，其次為皮膚接觸途徑，通過呼吸途徑對人體潛在健康致癌風(fēng)險最小。

從表6可知，研究區(qū)農(nóng)田土壤中CRAs大于CRCd。對成人來說，農(nóng)田土壤中As和Cd的CR對TCR的貢獻(xiàn)率分別為93.78%和6.22%。對兒童來說，As和Cd的CR對TCR的貢獻(xiàn)率分別為90.64%和9.36%?？梢钥闯觯芯繀^(qū)TCR主要受As不同暴露途徑所貢獻(xiàn)，As是研究區(qū)農(nóng)田土壤中最主要的致癌風(fēng)險因子。對兒童來說，在As的3種暴露途徑中，手-口攝入途徑致癌風(fēng)險最高，其次為皮膚接觸途徑，呼吸途徑致癌風(fēng)險最小。對成人來說，在As的3種暴露途徑中，皮膚接觸途徑致癌風(fēng)險最高，其次為手-口攝入途徑，呼吸途徑致癌風(fēng)險最小。Cd的2種暴露途徑中，不論對于成人還是兒童，均表現(xiàn)為手-口攝入途徑致癌風(fēng)險高，呼吸途徑致癌風(fēng)險小?？傮w來看，研究區(qū)農(nóng)田土壤中As和Cd的CR與TCR均小于10-4，屬于可接受風(fēng)險水平，As和Cd對兒童的致癌風(fēng)險略高于成人。其中Cd通過2種暴露途徑的CR均小于10-6，屬于可忽略致癌風(fēng)險水平。

從開都河下游綠洲農(nóng)田土壤微量元素對成人和兒童的TCR空間分布格局來看（圖3），研究區(qū)農(nóng)田土壤微量元素對成人和兒童的致癌風(fēng)險指數(shù)空間分布格局基本一致，并均出現(xiàn)高風(fēng)險區(qū)。TCR值較高的區(qū)域主要分布于焉耆縣的27團(tuán)、40里城子鄉(xiāng)和查干諾爾鄉(xiāng)，TCR值較低的區(qū)域主要分布于焉耆縣的北大渠鄉(xiāng)、查汗采開鄉(xiāng)、七個星鎮(zhèn)和博湖縣的博湖鎮(zhèn)。結(jié)合樣點采集背景分析，TCR高風(fēng)險區(qū)的樣本中As含量相對較高，這與HI空間分布規(guī)律一致。這些區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中污染物的排放，辣椒加工產(chǎn)業(yè)以及交通運(yùn)輸?shù)瓤赡茉斐赏寥乐蠥s含量增高，從而導(dǎo)致致癌風(fēng)險總指數(shù)增加。

表6 研究區(qū)農(nóng)田土壤微量元素致癌風(fēng)險指數(shù)Table 6 Carcinogenic risk index of trace elements in farmland soils of the study area

圖3 研究區(qū)農(nóng)田土壤微量元素TCR空間分布Figure 3 Spatial distribution of TCR of trace elements in farmland soils of the study area

3 結(jié)論

農(nóng)田土壤中微量元素通過不同途徑進(jìn)入人體，體內(nèi)過量蓄積對健康產(chǎn)生危害。開都河下游綠洲農(nóng)田土壤中檢測的7種元素平均含量均未超出《國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)的限值，表明研究區(qū)農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量處于可持續(xù)的安全范圍之內(nèi)。但是研究區(qū)農(nóng)田土壤Zn呈現(xiàn)輕度污染，Cd和Pb呈現(xiàn)輕微污染，這些元素的污染風(fēng)險值得關(guān)注。農(nóng)田土壤中7種微量元素的非致癌風(fēng)險指數(shù)以及As和Cd致癌風(fēng)險指數(shù)均屬于可接受風(fēng)險水平。微量元素對兒童的HI略小于成人，對兒童的TCR略高于成人。As、Cr與Pb是開都河下游綠洲農(nóng)田土壤產(chǎn)生健康風(fēng)險的主要污染物，應(yīng)作為風(fēng)險決策管理的優(yōu)先控制對象。