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(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

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(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州省環(huán)境科學(xué)研究設(shè)計(jì)院,貴州 貴陽(yáng) 550081；3.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550025)

對(duì)黔西北地區(qū)某典型鋅冶煉區(qū)菜地土壤和主要蔬菜進(jìn)行取樣調(diào)查,測(cè)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(xiàng)污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)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(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)和目標(biāo)危險(xiǎn)系數(shù)法(THQ)評(píng)價(jià)了菜地土壤重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和蔬菜中重金屬對(duì)成人和青少年兒童的健康風(fēng)險(xiǎn).結(jié)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(duì)綜合指數(shù)的貢獻(xiàn)最大,土壤Cd存在極強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),研究區(qū)處于輕微、中等、強(qiáng)和很強(qiáng)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度的采樣點(diǎn)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(fù)合重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明,食用研究區(qū)域蔬菜對(duì)成人和青少年兒童健康產(chǎn)生負(fù)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(fēng)險(xiǎn)；健康風(fēng)險(xiǎn)

菜地是利用強(qiáng)度大、投入和產(chǎn)出高、受人類(lèi)活動(dòng)影響大的一類(lèi)農(nóng)業(yè)土壤.近年來(lái),關(guān)于菜地重金屬含量的研究備受關(guān)注[1].隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展的需要,礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度日益加強(qiáng),同時(shí)越來(lái)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(guò)土壤遷移轉(zhuǎn)換到蔬菜中,并在蔬菜內(nèi)富集,最后通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體,對(duì)人們的健康產(chǎn)生潛在的危害,且這種污染具有隱蔽性、長(zhǎng)期性、不可逆性等特點(diǎn)[2-3].鑒于此,國(guó)內(nèi)外科研工作者對(duì)礦區(qū)周邊菜地土壤污染特征、菜地中重金屬遷移轉(zhuǎn)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(fēng)險(xiǎn)等方面進(jìn)行了較為深入的研究,但由于土壤空間異質(zhì)性強(qiáng)、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(jié)構(gòu)差異較大、不同蔬菜品種對(duì)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(fēng)險(xiǎn)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(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量含重金屬的廢氣、廢水、廢渣未經(jīng)處理就全部排放于自然環(huán)境中,對(duì)周邊土壤環(huán)境和生態(tài)景觀(guān)造成了嚴(yán)重的污染和破壞.已有研究結(jié)果表明,該地區(qū)土壤中鉛、鋅和鎘等重金屬污染嚴(yán)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(dāng)?shù)鼐用竦慕】碉L(fēng)險(xiǎn)[4],應(yīng)當(dāng)引起關(guān)注.

單項(xiàng)污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)法是評(píng)價(jià)土壤和蔬菜中重金屬的通用方法,而潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)和目標(biāo)危險(xiǎn)系數(shù)法(THQ)是評(píng)價(jià)土壤重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和食物中重金屬對(duì)人體健康風(fēng)險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn),本文采用污染指數(shù)評(píng)價(jià)和健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型,研究該區(qū)域菜地土壤的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、蔬菜的污染狀況以及可能會(huì)給居民造成的健康風(fēng)險(xiǎn),研究結(jié)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(fēng)險(xiǎn),為保障當(dāng)?shù)剞r(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和污染土壤的風(fēng)險(xiǎn)管控提供科學(xué)依據(jù).

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(shí)間集中在2015~2016年各類(lèi)蔬菜收獲時(shí)節(jié).采樣時(shí)有針對(duì)性地選擇了礦區(qū)耕作年限較長(zhǎng)且具有一定代表性的菜地樣區(qū),在每個(gè)樣區(qū)內(nèi)隨機(jī)采集約2~3株白菜和蘿卜、5~6個(gè)土豆、10株左右蕓豆的可食部分,混合均勻后裝袋,作為1 個(gè)樣品,采樣量約為500g;在每個(gè)采集蔬菜的點(diǎn)位同步采集菜地土壤樣品.共采集白菜樣品14個(gè)、蘿卜樣品11個(gè)、土豆樣品46個(gè)、蕓豆樣品30個(gè),共101個(gè)農(nóng)作物樣品,同步采集到菜地土壤樣品101個(gè),即共采集土壤和蔬菜樣品202個(gè).

土壤樣品經(jīng)風(fēng)干、磨細(xì)過(guò)100目篩后裝袋備用.蔬菜的可食部分用自來(lái)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(guò)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(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T17141-1997)[18]和US EPA 3052[19]分析測(cè)試,采用HNO3-HCl-HF微波消解后測(cè)定;蔬菜中重金屬參照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析測(cè)試(SN/T 0448- 2011[20]),采用HNO3-H2O2微波消解后測(cè)定.土壤和蔬菜待測(cè)液中重金屬含量均采用美國(guó)熱電Thermo電感耦合等離子體質(zhì)譜儀X2(ICP-MS)測(cè)定.整個(gè)分析過(guò)程所用試劑均為優(yōu)級(jí)純,實(shí)驗(yàn)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(guò)程中采用空白樣、平行雙樣、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行質(zhì)量保證和質(zhì)量控制,且加標(biāo)回收率范圍在95%~105%.根據(jù)儀器檢出的蔬菜重金屬的結(jié)果是以干重計(jì),但因蔬菜中重金屬的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是以濕重計(jì),所以本文列出的蔬菜的結(jié)果均是根據(jù)蔬菜的含水率折算后濕重.

1.3 土壤和蔬菜重金屬評(píng)價(jià)方法

1.3.1 土壤和蔬菜重金屬污染評(píng)價(jià) 菜地土壤和蔬菜重金屬污染采用單項(xiàng)污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法開(kāi)展評(píng)價(jià)[3,21-23].

單項(xiàng)污染指數(shù)計(jì)算方法,計(jì)算公式為:

式中:P為污染物的單項(xiàng)污染指數(shù);C為污染物的實(shí)測(cè)濃度mg/kg;S為污染物在土壤和蔬菜中的限值mg/kg.

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

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法,計(jì)算公式為:

式中:PN為土壤和蔬菜中重金屬的綜合污染指數(shù);P均為重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)的平均值;P最大為重金屬最大單項(xiàng)污染指數(shù).內(nèi)梅羅污染指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為:當(dāng)PN￡0.7時(shí),為安全等級(jí);當(dāng)0.73時(shí),為重度污染.

1.3.2 菜地土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) 生態(tài)危害指數(shù)法是由瑞典科學(xué)家Hakanson 提出用于評(píng)價(jià)土壤和沉積物中重金屬污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的方法[24],該方法根據(jù)重金屬性質(zhì)及環(huán)境行為特點(diǎn),不僅考慮土壤中重金屬含量,而且將重金屬的生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)與毒理學(xué)聯(lián)系在一起,被廣泛用于土壤和沉積物生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià).本文也采用該方法來(lái)進(jìn)行研究區(qū)域菜地土壤的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)評(píng)價(jià),其表達(dá)式為:

式中:RI為土壤中多種重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù);C為單一元素實(shí)測(cè)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(biāo)準(zhǔn)[25],T為第種重金屬元素的毒性系數(shù);E為第種重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù).本文中幾種重金屬毒性系數(shù):Pb為5,Cd為30,Zn為1,Cu為5,As為10,Ni為5.依據(jù)重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)(E)可將土壤中重金屬污染狀況劃分為5個(gè)等級(jí);依據(jù)重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)(RI)可將土壤中重金屬污染程度劃分為4個(gè)等級(jí).因Hakanson研究的是8種有機(jī)污染物和重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),而RI的大小與參評(píng)污染物的種類(lèi)和數(shù)量有關(guān),污染物的數(shù)目越多、毒性越強(qiáng),RI值就越大,因此,應(yīng)用RI進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí),必須根據(jù)參評(píng)污染物的種類(lèi)和數(shù)量對(duì)其進(jìn)行調(diào)整,本文根據(jù)文獻(xiàn)[24]中的方法對(duì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)做相應(yīng)調(diào)整,即E值風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)的第一級(jí)上限值為非污染的污染系數(shù)(=1)與參評(píng)污染物中最大毒性系數(shù)相乘的結(jié)果,其他風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別的上限值分別為上一級(jí)的分級(jí)值乘以2.本研究的6種重金屬中Cd的毒性系數(shù)為最大(30),得出E的第一級(jí)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)(輕微的生態(tài)危害)標(biāo)準(zhǔn)為<30,其余依次乘以2(見(jiàn)表1).對(duì)本研究中6 種重金屬RI的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)按如下方法調(diào)整:先根據(jù)Hakanson的第一級(jí)分級(jí)界限值(150)除以其研究的8種污染物的毒性系數(shù)總值(133),得到單位毒性系數(shù)的RI分級(jí)值(1.13) ,將單位毒性系數(shù)的RI分級(jí)值乘以本研究6種重金屬的毒性系數(shù)總值(56),并取十位整數(shù)得到RI第一級(jí)界限值(1.13×56= 63.28≈70);其他級(jí)別的分級(jí)值分別用上一級(jí)的分級(jí)值乘2得到(表1).調(diào)整后的重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示.

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

1.3.3 蔬菜攝入的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) 本研究中蔬菜攝入的健康風(fēng)險(xiǎn)采用文獻(xiàn)[20]中提到的方法來(lái)評(píng)價(jià).即研究區(qū)居民經(jīng)蔬菜攝入的重金屬量,采用日均攝入量(daily intake, DI)來(lái)度量,計(jì)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(jì);為蔬菜中度污染物的濃度 mg/kg.參照相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[6,27]并結(jié)合當(dāng)?shù)鼐用竦娘嬍沉?xí)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(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局)推薦的目標(biāo)危險(xiǎn)系數(shù)法(target hazard quotient, THQ)模型評(píng)價(jià)攝入蔬菜中重金屬的健康風(fēng)險(xiǎn).其中,THQ是以污染物暴露劑量與參考劑量的比值來(lái)表征非致癌風(fēng)險(xiǎn)水平,如果比值超過(guò)安全基準(zhǔn)值1.0,說(shuō)明該污染物對(duì)人體具有潛在健康風(fēng)險(xiǎn). THQ 的計(jì)算公式為[20,26]:

式中:THQ 為目標(biāo)危險(xiǎn)系數(shù);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(shí)間(ED′365).

根據(jù)US EPA綜合風(fēng)險(xiǎn)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)及其他相關(guān)文獻(xiàn)資料,得到式(5)中的模型參數(shù)(表2).

表2 蔬菜健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型參數(shù)取值

重金屬對(duì)人體健康的影響一般是由多種元素共同作用的結(jié)果,因此計(jì)算多種重金屬?gòu)?fù)合風(fēng)險(xiǎn),計(jì)算公式為:

式中:TTHQ￡1,表明沒(méi)有明顯的負(fù)面影響;TTHQ>1,表明對(duì)人體健康產(chǎn)生負(fù)面影響的可能性很大; TTHQ>10,表明存在慢性毒性效應(yīng).

1.4 數(shù)據(jù)處理和分析

數(shù)據(jù)處理、分析和作圖采用SPSS 20和Origin 8.5軟件.

2 結(jié)果與討論

2.1 菜地土壤中重金屬污染狀況

調(diào)查結(jié)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(tǒng)計(jì)結(jié)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(guò)背景值點(diǎn)位所占比例分別為: 74.5%、100%、90.8%、97.3%、39.7%和86.3%.對(duì)照《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB15618- 2018)[29]風(fēng)險(xiǎn)篩選值,土壤重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)呈Cd>Cu>Zn>Pb>Ni>As的特征.鋅冶煉區(qū)菜地土壤受到Cd的嚴(yán)重污染(單項(xiàng)污染指數(shù)為6.00),除此之外,也受到Zn和Cu不同程度的污染(單項(xiàng)污染指數(shù)>1).內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)的結(jié)果表明,研究區(qū)菜地土壤已受到重金屬的嚴(yán)重污染. Cu、As和Ni的變異系數(shù)均<100%,表明Cu、As和Ni在不同土壤采樣點(diǎn)位之間的含量分布相對(duì)比較均勻,已有研究結(jié)果表明,Cu和Ni主要受地質(zhì)背景的影響[30-31];Pb、Cd和Zn的變異系數(shù)均>100%,出現(xiàn)了較多的極端異常值,表明這些元素在研究區(qū)受人類(lèi)活動(dòng)影響強(qiáng)烈,空間分布較不均勻,可能存在局部點(diǎn)源污染,已有研究結(jié)果表明這些元素常常受外源污染因素的影響,文獻(xiàn)[7]也指出Pb、Cd、Zn污染與歷史鉛鋅冶煉有關(guān),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(chǎng)500m的菜地土壤Pb、Zn和Cd含量嚴(yán)重超標(biāo),分別達(dá)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(biāo)[32];鄒天森等[33]對(duì)湖北某廢棄鉛冶煉企業(yè)周邊土壤鉛的調(diào)查結(jié)果表明,廢棄鉛冶煉企業(yè)周邊土壤在500m范圍內(nèi)污染最為嚴(yán)重,在500~2000m之間呈輕度或中度污染;李江燕等[9]對(duì)云南個(gè)舊錫礦區(qū)菜地土壤重金屬的研究結(jié)果表明,菜地土壤Cd、Zn和Cu含量均超標(biāo),分別為國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的5.32倍、1.65倍和1.33倍;本研究調(diào)查結(jié)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(píng)價(jià)

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(fēng)險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)因子,其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度很高,極強(qiáng)、很強(qiáng)、強(qiáng)的和中等危害生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的樣點(diǎn)數(shù)分別占總樣點(diǎn)數(shù)的48.0%、28.6%、21.4%和2.04%.其次是Pb,很強(qiáng)、強(qiáng)的、中等和輕微危害生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的樣點(diǎn)數(shù)分別占總樣點(diǎn)數(shù)的3.06%、2.04%、6.12%和88.8%,即以輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)危害為主.Cu的強(qiáng)的、中等和輕微危害生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的樣點(diǎn)數(shù)分別占總樣點(diǎn)數(shù)的1.37%、11.0%和87.7%. Zn、As和Ni的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低,達(dá)到輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的樣點(diǎn)占總樣點(diǎn)數(shù)的95%以上.6種重金屬潛在生態(tài)危害大小順序?yàn)?Cd>Pb>Cu> As>Zn>Ni (表4),此研究結(jié)果與文獻(xiàn)[35]中對(duì)于會(huì)澤某鉛鋅礦周邊農(nóng)田土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的研究稍有差異.

從表4中不同RI風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別樣點(diǎn)數(shù)占總樣點(diǎn)數(shù)的比例來(lái)看,輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)樣點(diǎn)數(shù)占2.04%,中等、強(qiáng)的和很強(qiáng)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分別占14.3%、35.7%和48.0%,說(shuō)明研究區(qū)域存在不同程度的土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn),且強(qiáng)的和很強(qiáng)的生態(tài)危害樣點(diǎn)數(shù)占83.7%,說(shuō)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(fēng)險(xiǎn)級(jí)別樣點(diǎn)數(shù)占總樣點(diǎn)數(shù)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(tǒng)計(jì)結(jié)果及顯著性差異分析等見(jiàn)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(wú)一定的規(guī)律.Zn、Cu和Ni在蔬菜中含量相對(duì)較其他重金屬高,可能與其在對(duì)應(yīng)土壤中含量較高有關(guān);而Pb在土壤中的平均含量也較高,但在蔬菜中的含量相對(duì)較低,可能是因?yàn)镻b的遷移性相對(duì)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(wú)顯著性差異;Cd依次為土豆>白菜>蘿卜>蕓豆,且各含量之間無(wú)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(duì)低,可能是因?yàn)樘}卜葉對(duì)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(shì),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(shù)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(duì)重金屬的吸收能力.重金屬富集系數(shù)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(qiáng)[39].從表5可看出,白菜和蘿卜對(duì)重金屬元素平均富集系數(shù)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(shù)大小的順序?yàn)镃d>As>Cu> Zn>Ni>Pb,蕓豆重金屬元素平均富集系數(shù)大小的順序?yàn)镃u>Zn>Cd>Ni>Pb>As.可看出,不同蔬菜品種對(duì)不同種類(lèi)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(jié)論與前人的研究結(jié)果一致,因?yàn)橹亟饘貱d、Zn活性較強(qiáng),較易被植物吸收[22,36-37].從不同蔬菜對(duì)重金屬的富集能力來(lái)看,蕓豆對(duì)Pb、Zn、Cu和Ni的富集能力相對(duì)較高;白菜和蘿卜對(duì)Cd的富集能力相對(duì)較高;蘿卜和土豆對(duì)As的富集能力相對(duì)較高.可看出,不同蔬菜對(duì)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(píng)價(jià)

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(biāo)率分別為39.1%和46.2%;其次是Ni和Pb,超標(biāo)率分別為7.69%和4.35%;Zn和Cu的平均含量均未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值,且無(wú)點(diǎn)位超標(biāo).蕓豆樣本中,污染最重的元素是Ni和Zn,其平均污染指數(shù)分別為1.57和1.07,超標(biāo)率分別為60.9%和52.2%;其次是Cu、Pb和Cd,超標(biāo)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(biāo)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值,部分點(diǎn)位的Pb、Cd、Ni含量超標(biāo),Cu和As均沒(méi)有點(diǎn)位超標(biāo);蘿卜樣本中,污染最重的元素是Cd,其平均含量超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值,平均污染指數(shù)為1.15,超標(biāo)率為42.9%;其次是Ni,超標(biāo)率為14.3%;其余重金屬元素Pb、Zn、Cu、As的平均含量均未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值,且無(wú)點(diǎn)位超標(biāo).可見(jiàn),不同蔬菜品種對(duì)不同種類(lèi)的重金屬吸收與累積規(guī)律不同[40],在生產(chǎn)上可以利用不同作物對(duì)不同重金屬的吸收特點(diǎn),有選擇性地栽培作物,減少作物對(duì)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(shù)

表6 蔬菜重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)

2.6 菜地土壤-蔬菜中重金屬含量的相關(guān)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(guān)系數(shù)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(guān)(<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(guān)(<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(guān)(<0.01);蔬菜中As含量與菜地土壤中的Cu含量呈顯著正相關(guān)(<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(guān)(<0.05或<0.01);而蔬菜中其他重金屬與土壤中重金屬均無(wú)顯著相關(guān)性.可見(jiàn),大部分菜地土壤重金屬與蔬菜重金屬間并無(wú)顯著相關(guān)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(wú)線(xiàn)性關(guān)系,而與土壤中重金屬的植物有效態(tài)直接相關(guān)[41].也有研究表明[42],農(nóng)產(chǎn)品中重金屬含量與土壤中重金屬的化學(xué)形態(tài)、生物有效性有關(guān).朱書(shū)法等[43]的研究也表明,不同種類(lèi)的重金屬,由于其物理化學(xué)行為和生物有效性的差異,在土壤-農(nóng)作物系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律明顯不同.因此,對(duì)于土壤重金屬的研究,不僅應(yīng)關(guān)注土壤重金屬的總量,還應(yīng)對(duì)土壤重金屬的不同賦存形態(tài)進(jìn)行分析,通過(guò)研究重金屬不同形態(tài)對(duì)生物吸收的貢獻(xiàn)程度,可以確定其生物有效性的大小,進(jìn)而進(jìn)行生物有效性評(píng)價(jià),有助于今后更準(zhǔn)確地開(kāi)展土壤重金屬污染評(píng)價(jià).

表7 菜地土壤重金屬與蔬菜重金屬含量間相關(guān)性分析

注:**相關(guān)性在0.01水平,*相關(guān)性在0.05水平.

2.7 經(jīng)蔬菜攝入的重金屬污染健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

土壤中重金屬可通過(guò)蔬菜根系吸收進(jìn)入植物體內(nèi),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(guò)食物鏈傳遞將對(duì)人體健康造成嚴(yán)重影響.本研究根據(jù)公式(4)(5)(6)和表2中的評(píng)價(jià)參數(shù),分別計(jì)算了鋅冶煉區(qū)成人和青少年兒童通過(guò)食用蔬菜攝入重金屬的DI值、THQ值和TTHQ值,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8.對(duì)于成人和青少年兒童來(lái)說(shuō),單個(gè)重金屬Pb、Cd、Zn、Cu、Ni引起的健康風(fēng)險(xiǎn)不高,風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(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(shuō)明As對(duì)成人和青少年兒童均會(huì)造成潛在的健康風(fēng)險(xiǎn).而研究區(qū)采集的4種蔬菜中,白菜、蘿卜和蕓豆中As均無(wú)超標(biāo)現(xiàn)象,受As污染最重的蔬菜是土豆,超標(biāo)率達(dá)46.2%,而土豆正是該研究區(qū)產(chǎn)量最大、最主要食用的蔬菜之一,這應(yīng)引起相關(guān)部門(mén)的高度重視,急切需要對(duì)鋅冶煉區(qū)重金屬污染土壤采取適當(dāng)?shù)姆乐未胧?以減少重金屬通過(guò)土壤-植物系統(tǒng)經(jīng)由蔬菜攝入途徑對(duì)人體健康造成的影響.復(fù)合重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明,食用研究區(qū)域蔬菜對(duì)成人和青少年兒童健康產(chǎn)生負(fù)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(fēng)險(xiǎn)

3 結(jié)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(duì)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(duì)人體健康的風(fēng)險(xiǎn)明顯,而Pb、Cd、Zn、Cu、Ni對(duì)人體健康的風(fēng)險(xiǎn)不明顯;復(fù)合重金屬污染對(duì)成人和青少年兒童產(chǎn)生負(fù)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(wú)顯著相關(guān)性.

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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(yáng)人,高級(jí)工程師,貴州大學(xué)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFC1802602);國(guó)家基金委-貴州省人民政府聯(lián)合基金項(xiàng)目(U1616442-2);貴州省土壤質(zhì)量安全與水肥調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(黔教合KY字[2016]001);貴州省生物學(xué)一流學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(GNYL[2017]009)

*責(zé)任作者, 教授, hyliu@gzu.edu.cn