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        污灌區(qū)農(nóng)田土壤-作物體系重金屬復(fù)合污染及健康風險評價

        2020-02-22 06:23:00趙穎王飛喬鵬明
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020年23期
        關(guān)鍵詞:重金屬農(nóng)產(chǎn)品土壤

        趙穎 王飛 喬鵬明

        摘要:對山西太原小店污灌區(qū)土壤和主要農(nóng)作物產(chǎn)品取樣調(diào)查,分別測定分析了土壤和農(nóng)作物中砷(As)、汞(Hg)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、鉛(Pb)、銅(Cu)、鋅(Zn)等重金屬的含量。 同時,通過綜合污染指數(shù)評價了農(nóng)田土壤的污染狀況,并利用危險商(HQ)法評價了食用當?shù)剞r(nóng)作物產(chǎn)品對成人和兒童造成的重金屬健康風險。結(jié)果表明,農(nóng)田土壤重金屬污染屬于警戒或輕度污染。參照GB 2762—2017《糧食衛(wèi)生標準》,農(nóng)作物中重金屬的綜合污染指數(shù)由大到小為馬鈴薯>西葫蘆>茄子>黃瓜>西紅柿>生菜>春玉米>糯玉米,農(nóng)作物整體上屬于安全等級;從健康風險指數(shù)來看,食用根莖類蔬菜對成人具有潛在健康風險;對兒童而言,除谷物外,其他4類作物均對兒童具有潛在健康風險,且重金屬通過本地農(nóng)作物產(chǎn)品攝入對成人造成的健康風險略高于兒童。

        關(guān)鍵詞:污染農(nóng)田;土壤;農(nóng)產(chǎn)品;重金屬;健康風險

        中圖分類號: X53 ?文獻標志碼: A ?文章編號:1002-1302(2020)23-0270-05

        近年來,我國土壤環(huán)境質(zhì)量不斷下降,主要是因為工業(yè)“三廢”以及城市生活垃圾等的不恰當?shù)奶幹门c排放[1-2]。農(nóng)田土壤是農(nóng)產(chǎn)品的主要產(chǎn)地,也是污染物的主要載體。 研究人員目前主要對污灌區(qū)土壤重金屬污染與積累狀況及農(nóng)作物重金屬累積量的相關(guān)性等方面進行了探討,這些研究對于揭示污灌對土壤和農(nóng)作物重金屬分布特征、運移規(guī)律、累積效應(yīng)及其生態(tài)環(huán)境影響具有重要的促進作用[3-8]。 已有研究多集中在南方農(nóng)田周圍的老工業(yè)區(qū),對于北方半干旱地區(qū)污灌區(qū)對土壤農(nóng)作物系統(tǒng)重金屬積累及其對人體健康風險評價的報道尚少。

        山西省太原市小店區(qū)位于太原市東南部,由于水資源短缺,該區(qū)主要采用污水進行農(nóng)業(yè)灌溉,已有30多年歷史;雖然緩解了用水緊張,但也使得該區(qū)的土壤受到污水中有毒有害物質(zhì)不同程度的污染,影響了作物的質(zhì)量,甚至危及人體健康。本研究對山西省太原市小店污灌區(qū)農(nóng)田土壤重金屬含量進行測定,以山西省土壤背景值作為對照,分別運用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對土壤、作物中重金屬的污染水平進行評價,對土壤有效態(tài)重金屬和作物中全量重金屬的相關(guān)關(guān)系進行分析,同時對作物的健康風險進行評價,以期了解小店污灌區(qū)重金屬的污染水平,同時了解重金屬通過土壤-作物體系對人類的健康風險。

        1 材料與方法

        1.1 研究區(qū)概況和樣品采集

        研究區(qū)位于山西省太原市小店區(qū)(圖1),該研究區(qū)主要使用汾河一壩東干渠、北張退水渠和太榆退水渠的污水灌溉,灌溉污水主要包括經(jīng)楊家堡污水處理廠處理過的工業(yè)廢水、沿途匯入的城鎮(zhèn)生活污水、部分未經(jīng)處理的工業(yè)廢水(如禽畜養(yǎng)殖場、食品加工廠),有超過20年的污灌歷史。該區(qū)域?qū)儆谂瘻貛Т箨懶约撅L氣候,年平均氣溫約 9.5 ℃,年平均降水量442 mm,研究區(qū)主要土壤類型為褐土,土壤整體偏弱堿性。

        在研究區(qū)3條污灌渠附近于2016年7月采集土壤樣品,采用網(wǎng)格布點法按照污水渠流向共布設(shè)35個采樣點位(圖1)。土壤:用木鏟采集0~20 cm表層土壤,每個采樣點采用對角線法采集1個混合樣,經(jīng)四分法取出 500 g土樣帶回實驗室自然風干,研磨過200目尼龍篩,裝磨口玻璃瓶待測。蔬菜和谷物:蔬菜或谷物成熟后,在所布設(shè)的土樣點位附近采集5株植物樣品,帶回實驗室清洗烘干后研磨過20目尼龍篩,保存待測。合計35個土壤樣品和35個蔬菜樣品。

        1.2 樣品分析

        將HNO3-HCl混合液(體積比1 ∶ 1)于沸水浴中消煮2 h后用于總砷(As)、總汞(Hg)含量的測定。用石墨爐-原子吸收光譜法測定總鎘(Cd)、總鉛(Pb)含量[9];用火焰-原子吸收光譜法測定總鉻(Cr)、總銅(Cu)、總鋅(Zn)含量[10];用原子熒光法測定As和Hg的含量[11]。

        1.3 重金屬污染評價

        污染評價參考值以GB 15618—2008《土壤環(huán)境質(zhì)量標準(修訂)》中二級限量值作為標準(表4),采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評估污染狀況。

        P綜=CiSi2mean+CiSi2max2。

        式中:Ci是土壤重金屬i的實測值;Si是重金屬i 的評價標準值;(Ci/Si)mean和(Ci/Si)max分別為平均單因子污染指數(shù)和最大污染指數(shù)。P綜為內(nèi)梅羅綜合指數(shù),評價等級劃分標準:P綜≤0.7,安全;0.7﹤P綜≤1,警戒;1﹤P綜≤2,輕度污染;2﹤P綜≤3,中度污染;P綜>3,重度污染。

        1.4 農(nóng)產(chǎn)品健康風險評價

        單一重金屬潛在的非致癌風險評價參數(shù)為風險系數(shù)(HQ)[12],該方法假定污染物吸收劑量等于攝入劑量,以人體攝入污染物劑量與參考劑量的比值作為評價標準。計算公式如下:

        式中:CDI為慢性日均暴露量,表示單位體質(zhì)量單位時間的污染物攝入量,mg/(kg·d);RfD0表示重金屬經(jīng)口毒性參考劑量,mg/(kg·d);CF表示重金屬均值,mg/kg;IR表示每人每日農(nóng)產(chǎn)品攝入量,kg/d;EF表示暴露頻率;ED表示平均暴露的持續(xù)時間,年;BW表示平均體質(zhì)量,kg;AT表示平均暴露時間,d;各參數(shù)取值見表1[12-16]。

        根據(jù)相關(guān)文獻報道[17-19],本研究選擇參數(shù)如下:IR成人蔬菜攝入率0.301 kg/d,兒童蔬菜攝入率0.231 kg/d;成人玉米攝入率為0.15 kg/d,兒童玉米攝入率0.1 kg/d;ED成人30年,兒童7年;BW成人63.5 kg,兒童25.6 kg;RfD0(Zn)=3×10-1 mg/(kg·d),RfD0(Cu)=4×10-2 mg/(kg·d),RfD0(Cd)=1×10-3 mg/(kg·d),RfD0(Cr)=3×10-3 mg/(kg·d),RfD0(As)=5×10-2 mg/(kg·d),RfD0(Pb)=3.5×10-3 mg/(kg·d),RfD0(Hg)=3×10-4 mg/(kg·d)。

        多種重金屬潛在的非致癌風險評價參數(shù)為風險指數(shù)(HI),計算公式如下:

        可見,風險指數(shù)等于風險系數(shù)之和,當HI>1 時,表明有潛在健康風險。

        1.5 數(shù)據(jù)處理

        數(shù)據(jù)處理采用Excel 2010和SPSS 19.0 進行統(tǒng)計與相關(guān)性分析。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 小店污灌區(qū)農(nóng)田土壤重金屬含量特征及污染評價

        由表2可知,小店污灌區(qū)不同區(qū)域土壤中重金屬含量分布差異較大,Cd、Pb、Cr、As、Hg、Cu、Zn含量分別為0.15~0.82、9.85~69.74、44.32~130.12、9.57~24.19、0.08~0.49、20.40~70.51、55.00~252.72 mg/kg,其平均值由大到小依次為Zn>Cr> Cu> Pb>As>Cd>Hg。研究區(qū)所有重金屬含量均高于太原市土壤環(huán)境背景值,但均低于國家二級標準值。變異系數(shù)(CV)反映了總體樣本中各采樣點的平均變異程度,若CV<10%,則為弱變異性,若10%≤CV<100%,則為中等變異性,若CV>100%,則為強變異性[20]。小店污灌區(qū)7種重金屬含量的變異系數(shù)為32.92%~65.29%,屬于中等變異性。

        由表3可以看出,研究區(qū)土壤重金屬的單因子污染指數(shù)平均值均小于1,表示未污染;其中As和Cd的單因子污染指數(shù)最大,是污染的主要貢獻因子。研究區(qū)重金屬污染的綜合指數(shù)為0.63,土壤處于安全等級。但各采樣點的綜合污染指數(shù)差異較大,分布在污灌區(qū)中部的采樣點綜合污染指數(shù)較大,為0.85~1.11,屬于警戒或輕度污染等級,表明土壤作物開始受到污染。

        2.2 小店污灌區(qū)作物重金屬含量特征與污染評價

        不同種類農(nóng)作物重金屬含量如表4所示,蔬菜重金屬含量評價采用 GB 2762—2017《糧食衛(wèi)生標準》(表5);結(jié)果顯示,除根莖類作物的Cd以外,其余作物中重金屬含量均未超過規(guī)定的限值標準。由于沒有Cu和Zn的作物含量限值標準,所以未對其含量是否超標進行評價。作物中其余5種重金屬的含量差異大,總體上從高到低排序為Cr>As>Pb>Cd>Hg,這是由于作物對不同類別重金屬的吸附物特性有關(guān)。As、Cr、Pb在8種作物中的含量均接近,說明As、Cr、Pb在這些作物中的吸附能力相近,而Hg在所有作物中的含量均較低,且遠低于其他幾種重金屬的含量,說明這些作物在對5種重金屬的吸附能力中對Hg的吸收富集能力最弱。Cd在根莖類和瓜菜類中的含量較高,在根莖類中超過衛(wèi)生標準限值,在瓜菜類中也接近于衛(wèi)生標準限值。

        由表6可知,從單因子污染指數(shù)來看,As、Hg和Cr的單因子污染指數(shù)均小于1,表明該研究區(qū)這五大類作物未受到As、Hg、Cr的污染;Pb單因子污染指數(shù)的平均值為0.935,在5種重金屬中單因子污染指數(shù)最高,其中瓜菜類的西葫蘆、黃瓜的Pb污染指數(shù)均大于1,表明瓜菜類受到Pb污染; 根莖類Cd污染指數(shù)大于1,表明根莖類受到Cd污染。

        從內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)看,五大類8種作物尚未受到重金屬的嚴重污染,其綜合污染指數(shù)由高到低依次為馬鈴薯、西葫蘆、茄子、黃瓜、西紅柿、生菜、春玉米、糯玉米。馬鈴薯、茄子、黃瓜、西葫蘆的指數(shù)均大于1小于2,說明其重金屬污染已經(jīng)在輕度污染水平,而茄果類的西紅柿、葉菜類和谷物的綜合污染指數(shù)均≤0.7,其重金屬污染等級屬于安全等級。當?shù)鼐用駪?yīng)當多食用和種植葉菜類和谷物,減少根莖類和瓜菜類的使用和種植,以降低其使用引起的健康風險。茄果類蔬菜的種植應(yīng)根據(jù)不同蔬菜種類對重金屬的吸附特性,視情況而定。

        2.3 小店污灌區(qū)農(nóng)作物健康風險評估

        由表7可知,研究區(qū)中Cd和Cr對成人和兒童的風險系數(shù)在7種重金屬中是最高的,說明在研究區(qū)Cd和Cr對人類的健康風險最大。從風險指數(shù)來看,對成人而言,根莖類的具有潛在健康風險;對兒童而言,除了谷物外,其他4類作物均對兒童具有潛在健康風險,這與周雅等的研究結(jié)果[21]一致。這主要是由于兒童的身體仍在生長發(fā)育,各個器官尤其是排毒器官的功能仍不完善,其對重金屬等有毒有害物質(zhì)更為敏感[22]。食用相同的蔬菜和谷物,兒童的健康風險高于成人。

        4 結(jié)論

        研究區(qū)的重金屬含量均高于太原市土壤環(huán)境背景值;但低于我國土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準。農(nóng)田土壤As和Cd的單因子污染指數(shù)最大,是污染的主要貢獻因子。分布在污灌區(qū)中部的采樣點綜合污染指數(shù)較大,屬于警戒或輕度污染等級。

        農(nóng)作物中重金屬的單因子污染指數(shù)均值均小于1,其均值排序由大到小順序為Cr>Pb>As>Cd>Hg。農(nóng)作物中重金屬的綜合污染指數(shù)排序為馬鈴薯>西葫蘆>茄子>黃瓜>西紅柿>生菜>春玉米>糯玉米,基本上屬于安全等級。其中根莖類和瓜菜類重金屬污染等級屬于輕度污染水平,而葉菜類和谷物重金屬污染等級屬于安全等級。

        單個重金屬健康風險評價結(jié)果顯示,7種重金屬的健康風險指數(shù)(HQ)均小于1。但多種重金屬潛在的非致癌風險評價參數(shù)結(jié)果顯示,食用根莖類的蔬菜對成人具有潛在健康風險;對兒童而言,除了谷物外,其他4類作物均對兒童具有潛在健康風險,且重金屬通過本地蔬菜和谷物產(chǎn)品攝入對成人造成的健康風險略高于兒童。

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