滑小贊，程 濱，趙瑞芬，霍曉蘭，趙秀峰

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原030031）

隨著人口的增加、工業(yè)的迅速發(fā)展以及人們需求的提高，在數(shù)量上和質(zhì)量上對蔬菜生產(chǎn)提出了更高的要求[1-2]。許多菜農(nóng)為了獲得更高的效益往往投入過量的化肥和農(nóng)藥，加之城市規(guī)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(qū)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(zhì)，并通過食物鏈在人體內(nèi)不斷積累，嚴(yán)重影響人類健康和生命安全[1，3]。目前，研究發(fā)現(xiàn)，有些地區(qū)城市近郊土壤和蔬菜已經(jīng)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(chǔ)上，對太原市成人和兒童食用蔬菜的健康風(fēng)險進行評價，旨在為農(nóng)業(yè)環(huán)境的治理和蔬菜品種的選擇提供參考，為太原市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)合理規(guī)劃提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

太原市位于山西省中部，地理位置為東經(jīng)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(qū)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(qū)2個區(qū)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(nóng)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(qū)共采集68個土壤樣品。土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)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(zhì)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(yīng)，采其可食用部分，采樣時應(yīng)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(shù)量視具體品種和大小而定，總鮮質(zhì)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(jié)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(fù)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(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)及圖表分析采用Excel和SPSS統(tǒng)計軟件進行。

1.5 評價方法

1.5.1 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價是一種相對快速、簡便和標(biāo)準(zhǔn)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(tài)環(huán)境效應(yīng)與毒理學(xué)聯(lián)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(tài)風(fēng)險指數(shù)（Eir）和綜合生態(tài)風(fēng)險指數(shù)（RI）。

表1 潛在生態(tài)風(fēng)險分級

1.5.2 蔬菜重金屬污染指數(shù)法 蔬菜重金屬污染指數(shù)法是采用單項污染指數(shù)（Pi）和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)（P綜）相結(jié)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(shù)；Ci為蔬菜中重金屬i的實測值；Si為評價標(biāo)準(zhǔn)值，參考GB 2762—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》；P綜為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；P平均為各單項污染指數(shù)Pi的平均值；Pmax為各單項污染指數(shù)Pi的最大值[16]。蔬菜重金屬污染指數(shù)評價等級列于表2。

表2 蔬菜重金屬污染指數(shù)評價等級

1.5.3 蔬菜健康風(fēng)險評價 本研究采用得到廣泛認可的美國國家環(huán)保署創(chuàng)建的非致癌評價方法，包括風(fēng)險系數(shù)（Hazard Quotient，HQ）和風(fēng)險指數(shù)（Hazard Index，HI）2 項指標(biāo)[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(xù)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(zhì)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(xù)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(fēng)險指數(shù)（HI）等于各重金屬風(fēng)險系數(shù)（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(fēng)險，受到危害可能性很大；HI≥10，說明存在嚴(yán)重的慢性風(fēng)險[1]。

2 結(jié)果與分析

2.1 菜地土壤重金屬含量分析

2.1.1 統(tǒng)計分析 太原市周邊菜地土壤基本性質(zhì)和重金屬含量特征描述性統(tǒng)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(zhì)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(shù)可以看出，重金屬Cr，Pb，As的變異系數(shù)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(shù)為71.0%，大于50%，呈高變異性，表明在區(qū)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(biāo)準(zhǔn)，太原市周邊菜地土壤各重金屬元素樣點超標(biāo)率表現(xiàn)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(xiàn)象。采用NY/T 391—2013《綠色食品 產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量》中土壤環(huán)境質(zhì)量要求對蔬菜產(chǎn)地土壤重金屬進行評價，重金屬 Cr，Pb，Hg和 As的限量指標(biāo)分別是120，50，0.35，20 mg/kg，可以看出，土壤樣品均未超標(biāo)，符合綠色食品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)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(guān)分析和主成分分析 由土壤重金屬含量之間的相關(guān)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(guān)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(guān)，重金屬Hg與Pb存在極顯著正相關(guān)，與As存在極顯著負相關(guān)。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(zhì)，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(guān)性

主成分分析作為一種用來輔助數(shù)據(jù)分析的統(tǒng)計方法，它是設(shè)法將原來具有一定相關(guān)性的眾多指標(biāo)重新組合形成一組新的互相無關(guān)的綜合指標(biāo)，來進一步對數(shù)據(jù)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(fā)現(xiàn)（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(shù)據(jù)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(xiàn)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(zhì)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(wǎng)和大量的機動車有關(guān)，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(jié)果進一步支持了相關(guān)性分析結(jié)果，重金屬Cr和As主要來源于成土母質(zhì)；重金屬Pb主要有2個方面來源，一方面來源于成土母質(zhì)，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(biāo)準(zhǔn)化的正交旋轉(zhuǎn)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(tài)風(fēng)險評價 太原市菜地土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價指數(shù)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(tài)風(fēng)險指數(shù)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(tài)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(tài)風(fēng)險評價指數(shù)（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(jié)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(biāo)準(zhǔn)GB 2762—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》相比較，得出蔬菜重金屬超標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)GB2762—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 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(biāo)，Pb和Cr的超標(biāo)率分別為4.41%，1.47%。Cr超標(biāo)的蔬菜種類主要是油麥菜；Pb超標(biāo)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(yīng)注意選擇對重金屬富集能力低的蔬菜品種，如白菜、生菜、結(jié)球甘藍和空心菜等。

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

從綜合污染指數(shù)來看（表9），在所調(diào)查的6種蔬菜中，綜合污染指數(shù)大小依次為芹菜＞油麥菜＞空心菜＞生菜＞白菜＞結(jié)球甘藍；其中，綜合污染指數(shù)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(shù)

2.3 蔬菜中重金屬的健康風(fēng)險評價

根據(jù)健康風(fēng)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(fēng)險。不同重金屬的HQ有較大差異，表現(xiàn)為As＞Pb＞Hg＞Cr，As的HQ值最大，相比之下，Cr引發(fā)的健康風(fēng)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(jié)果一致。綜合各重金屬健康風(fēng)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(tài)，不會對健康產(chǎn)生明顯的傷害。6種蔬菜的復(fù)合風(fēng)險主要由As引起的，這一結(jié)果與王海萍等[19]的研究結(jié)果一致，考慮主要與As的日參考劑量（RfD）相對較小有關(guān)。從風(fēng)險系數(shù)（HQ）和風(fēng)險指數(shù)（HI）來看，6種葉菜類蔬菜對成人和兒童引起的健康風(fēng)險較低，不會對暴露人群構(gòu)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(jié)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(xiàn)象。采用相關(guān)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(zhì)；重金屬Pb主要有2個方面來源，一方面來源于成土母質(zhì)，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(tài)風(fēng)險評價表明，太原市菜地土壤環(huán)境總體處于輕微危害程度，4種重金屬的潛在生態(tài)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(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》相比，葉菜類蔬菜中，Hg，As均未超標(biāo)，Pb和Cr的超標(biāo)率分別為4.41%，1.47%。采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)對蔬菜中重金屬進行評價時，白菜、生菜、結(jié)球甘藍、油麥菜和空心菜等5種蔬菜綜合指數(shù)小于0.7，尚安全；芹菜綜合指數(shù)為0.77，污染指數(shù)達到了警戒水平。

太原市菜地種植的葉菜類蔬菜健康風(fēng)險評價結(jié)果顯示，4種重金屬風(fēng)險系數(shù)（HQ）和綜合風(fēng)險指數(shù)（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。