彭麗梅,趙 理,5,周 悟,5,胡月明,5,6,7*

(1.華南農(nóng)業(yè)大學 資源環(huán)境學院，廣東 廣州 510642；2.自然資源部 建設(shè)用地再開發(fā)重點實驗室，廣東 廣州 510642；3.廣東省土地利用與整治重點實驗室，廣東 廣州 510642；4.廣東省土地信息工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510642；5.廣州市華南自然資源科學技術(shù)研究院，廣東 廣州 510642；6.青海大學 省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國家重點實驗室，青海 西寧 810016；7.電子科技大學 資源環(huán)境學院，四川 成都 610054)

土壤是人類賴以生存的自然環(huán)境和基本資源。隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，工業(yè)“三廢”的排放、生活垃圾等廢棄物的處理不當，以及含金屬元素化肥的使用，導(dǎo)致土壤受重金屬的污染[1-4]。作為世界性環(huán)境問題之一，它對人類社會可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴重威脅[5-7]。2016年頒布的《土壤污染防治行動計劃》認為我國土壤環(huán)境總體狀況堪憂，部分地區(qū)污染較為嚴重[8-9]。日趨嚴峻的土壤重金屬污染已成為全面建成小康社會的突出短板之一。

耕地的重金屬污染具有隱蔽性、不可降解性、生物富集性和弱移動性等特點[10]，一旦土壤中重金屬濃度超過土壤承受能力或土壤容量時，會導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)，而食用受重金屬污染耕地產(chǎn)出的農(nóng)產(chǎn)品對動物和人具有很強的毒害作用[11]。因此，加強對耕地重金屬污染狀況的調(diào)查和研究是實現(xiàn)當前農(nóng)業(yè)安全的必要舉措。谷陽光等[12]對我國31個省會城市的土壤監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)大部分重金屬含量較高城市分布在西南和南方沿海及東北長春等區(qū)域，其中廣州市的土壤中汞含量較高。戴彬等[13]選擇山東省萊蕪市鋼鐵廠區(qū)作為研究區(qū)，評估了土壤中重金屬的潛在生態(tài)風險，結(jié)果表明研究區(qū)總體上處于中等與高生態(tài)風險的臨界水平。Man等[14]以香港為研究區(qū)，對廢棄農(nóng)業(yè)用地進行健康風險評價，結(jié)果顯示該地區(qū)可能對人類尤其是暴露于土壤中的兒童有害，應(yīng)該對該地區(qū)進一步調(diào)查潛在的健康影響。Wang等[15]對中國南方丘陵地區(qū)水庫周圍進行重金屬健康風險評價，結(jié)果顯示，這些重金屬來源存在很大的異質(zhì)性，砷對居民具有最大的致癌風險。李結(jié)雯等[16]對廣州市番禺區(qū)農(nóng)田土壤中As、Hg、Cu、Zn、Ni、Pb、Cr和Cd共8種重金屬進行污染評價，結(jié)果顯示：Cd污染最普遍，其次是Hg，8種重金屬元素具有同源性。李永杰等[17]對廣州市6個公園土壤中Cd、Cu、Ni、Pb和Zn共5種重金屬采用潛在生態(tài)危害指數(shù)評價其危害程度，各重金屬危害程度由大到小依次為：Cd、Pb、Cu、Zn、Ni，其中Cd是廣州6個公園土壤的主要污染重金屬元素。畢華等[18]對廣州市部分農(nóng)村地區(qū)土壤中Cd、Hg、As、Pb共4種重金屬污染的生態(tài)風險進行評價，結(jié)果顯示，所調(diào)查的菜地中均存在不同程度的重金屬污染，以Cd和Hg污染為主。唐結(jié)明等[19]對廣州萬畝果園土壤中的重金屬(Cd、Pb、Cu、Zn)污染情況進行了調(diào)查分析與評價，結(jié)果表明，萬畝果園土壤中Cd、Cu污染不容忽視，其中Cd污染最為嚴重，Cu、Zn次之，Pb污染較少。可見，廣州市土壤中存在不同程度的重金屬污染，目前針對廣州市從化區(qū)耕地土壤重金屬風險評價的研究還沒有。為了解廣州市從化區(qū)耕地土壤重金屬污染風險狀況，本次研究以廣州市從化區(qū)為研究對象，對土壤中Cd、Hg、As、Pb和Cr共5種重金屬用Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)評價和健康風險評價方法對耕地土壤重金屬進行風險評價，以期在區(qū)域尺度上評價土壤重金屬污染風險，為其他區(qū)域耕地土壤重金屬污染防治和健康風險防范提供思路，為政府實行相關(guān)政策提供科學基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

廣州市從化區(qū)位于廣東省中部，廣州市東北面，地處113°17′～114°04′ E，23°22′～23°56′ N，屬南亞熱帶季候風氣候，氣候溫和，雨量充沛，總面積1 974.5 km2。該區(qū)包括太平、溫泉、良口、呂田、鰲頭5個鎮(zhèn)以及街口、城郊、江埔3個街道辦事處，耕地總面積14 143.05 hm2，主要分布在從化區(qū)西南部。從化區(qū)作為廣州市主要糧食生產(chǎn)基地，耕地類型主要有3類(水田、水澆地、旱地)，其中水田面積占85%以上，具有十分重要的地理意義和區(qū)位優(yōu)勢，研究區(qū)如圖1所示。

審圖號：GS(2019)1697號圖1 研究區(qū)區(qū)位和采樣點分布Fig.1 The study area and the spatial distribution of samples

1.2 數(shù)據(jù)采集與處理

基于均勻采樣原則，在從化區(qū)境內(nèi)布設(shè)76個采樣點，均勻分布在整個研究區(qū)。采樣過程中依據(jù)梅花采樣模式，選擇5個深度為0～20 cm的土壤子樣品，均勻混合至重約300 g，采樣點分布見圖1。

土壤樣品采集后在實驗室風干，將干燥后的樣品壓碎，剔除雜質(zhì)(礫石及動植物殘體等)。用研缽研磨后過1 mm尼龍篩，均勻混合，放至塑料片上研磨，過0.15 mm尼龍篩，將研磨后樣品密封在袋中并進行分析。采用HNO3-HF-HClO4消解[20]，測定5種重金屬Cd、Hg、As、Pb和Cr的含量。

1.3 研究方法

1.3.1 Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)評價方法

Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)評價方法通常用于評價土壤或沉積物中單一污染物和多種污染物組合的潛在生態(tài)風險[21-24]。該方法同時考慮了4個影響因素：土壤或沉積物中的重金屬含量、污染物類型、毒性水平以及水對重金屬污染的敏感性。計算公式如式(1)和(2)：

(1)

(2)

式中：ER，i為重金屬i的單項潛在生態(tài)風險指數(shù)；Ti為重金屬i的毒性系數(shù)[25-27]，由大到小順序依次為Hg(40)、Cd(30)、As(10)、Pb(5)、Cr(2)；cj，i為土壤重金屬i的含量，單位為mg·kg-1；cR，i為土壤重金屬i的參比值，單位為mg·kg-1；IRI為土壤重金屬元素的綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)。Hakanson潛在單項生態(tài)風險指數(shù)評價一般分為5個等級，綜合生態(tài)風險評價一般分為4個等級，見表1和表2。

表1 Hakanson單項評價等級Tab.1 Hakanson single evaluation level

表2 Hakanson綜合評價等級Tab.2 Hakanson comprehensive evaluation level

1.3.2 土壤重金屬健康風險評價方法

土壤重金屬通常通過以下3種途徑對人體健康產(chǎn)生可能危害：1)直接口服攝入重金屬顆粒；2)通過口鼻吸入重金屬顆粒；3)暴露皮膚上的重金屬顆粒的皮膚吸收。因此，評價的關(guān)鍵要素包括危害識別、暴露評價、劑量反應(yīng)評價和風險特征描述。健康風險包括非致癌風險和致癌風險[28-30]，根據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)和國際癌癥研究機構(gòu)(IARC)的分類系統(tǒng)，As和Cd具有很強的致癌風險，Hg、Pb和Cr具有非致癌風險。由于成人和兒童自身差異以及對環(huán)境風險響應(yīng)程度的差異，評價時應(yīng)區(qū)別對待。

對于非致癌效應(yīng)，各暴露途徑的日平均暴露量計算公式如式(3)～(5)：

(3)

(4)

(5)

式中Doral、Dinh和Dder分別為人體口服攝入、吸入和皮膚滲入污染物的日平均暴露劑量，單位都是mg·kg-1·d-1。

對于致癌效應(yīng)，計算時把個體在兒童和成人的總暴露量平均分配到整個生命周期中，各暴露途徑的日平均暴露量計算公式如式(6)～(8)：

(6)

(7)

(8)

式中Loral、Linh、Lder分別為人體口服攝入、吸入和皮膚滲入污染物的終生日平均暴露劑量，單位都為mg·kg-1·d-1。

單個重金屬的非致癌危害通常以危險商(HQ)為特征表示，計算如式(9)。采用非致癌總風險方法評估重金屬造成的非致癌作用的總體潛在危險商，即所有危險商的和，計算公式如式(10)：

Q=D/R，

(9)

(10)

式中：Q表示危險商的值；D是不同暴露途徑下的日平均暴露劑量；HHI為非致癌總風險。當HHI<1，表明風險較小或可忽略不計；當HHI≥1，表明存在非致癌風險。

對重金屬的致癌危害通常以癌癥風險為特征，計算公式如式(11)。對于不是單一重金屬引起的致癌風險，使用致癌總風險的方法，即所有致癌風險的和，見式(12)：

r=LF，

(11)

(12)

式中：L為不同暴露途徑下的終生日平均暴露量，單位為mg·kg-1·d-1；r為致癌風險；rTotal為致癌總風險；當10-6≤rTotal≤10-4時，是可以接受的；當rTotal≥10-4時，則存在致癌風險[30-33]。

目前針對上述評價方法的參數(shù)選擇國內(nèi)并沒有統(tǒng)一標準，考慮到中西方人群的個體差異，本文采用適合中國人群特征的參數(shù)取值[31-34]，相應(yīng)參數(shù)取值如表3和表4所示。

表3 健康風險模型暴露參數(shù)Tab.3 Exposure parameters of health risk model

表4 健康風險評價的參考劑量和斜率系數(shù)Tab.4 Reference dose and slope coefficients for health risk assessment

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量統(tǒng)計分析

土壤樣本pH的范圍為5.03～7.32，平均5.71，呈微酸性土，因此，選擇土壤環(huán)境質(zhì)量標準中pH≤6.5的土壤污染風險篩選值進行后續(xù)分析評價。從表5可見，土壤樣品中5種重金屬含量由大到小依次為：Cr(78.690±38.160 mg·kg-1)、Pb(54.300±18.120 mg·kg-1)、As(10.280±7.230 mg·kg-1)、Hg(0.163±0.050 mg·kg-1)、Cd(0.160±0.050 mg·kg-1)，除重金屬Pb單個樣點外，其余重金屬含量最大值均未超過土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準 (GB15618—2018)，但均高于廣東省土壤背景值[35-36]。

表5 土壤重金屬含量統(tǒng)計分析Tab.5 Statistical analysis of heavy metal content in soil

2.2 Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)評價

基于廣東省土壤背景值的重金屬Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)評價結(jié)果表明(表6)：單一重金屬Cd和Hg潛在生態(tài)風險指數(shù)分別為19.29～135.54和37.95～141.54，平均值分別為85.46和83.43，主要處于中等和較高生態(tài)風險水平；重金屬As、Pb和Cr潛在生態(tài)風險指數(shù)均小于40，均處于輕微生態(tài)風險水平。單一評價結(jié)果表明，重金屬Cd和Hg的累積性較高，存在較強的生態(tài)風險。綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)為89.69～300.20，平均值為191.10，其中16.0%的樣點處于輕微生態(tài)風險水平，82.7%處于中等生態(tài)風險水平，1.3%的樣點處于較高生態(tài)風險水平。說明研究區(qū)土壤重金屬除部分樣點存在局部累積現(xiàn)象外，整體上處于中等生態(tài)風險水平，只有極少數(shù)的樣點處于較高生態(tài)風險水平，表明研究區(qū)存在一定的風險，耕地生產(chǎn)的安全性存在一定隱患。

表6 重金屬Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)評價Tab.6 Evaluation of heavy metal Hakanson potential ecological risk index

對Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)評價的可視化表達結(jié)果如圖2和圖3所示，等級劃分如表7所示，從化區(qū)耕地土壤重金屬Cd輕微、中等和較高生態(tài)風險面積占耕地總面積的百分比分別為0.23%、37.79%和61.99%；重金屬Hg輕微、中等和較高生態(tài)風險面積占耕地總面積的百分比分別為0.10%、38.97%和60.94%，5種重金屬中As、Pb和Cr的空間風險分布較為均勻且風險性較低，Cd和Hg元素相對風險性較大。而在Hakanson潛在生態(tài)風險評價綜合指數(shù)的空間分布中，輕微生態(tài)風險面積有522.80 hm2，占耕地總面積的3.70%，中等生態(tài)風險面積有13 617.97 hm2，占耕地總面積的96.29%，較高生態(tài)風險面積有2.28 hm2，占耕地總面積的0.02%，表明研究區(qū)整體的風險性處于中等水平，其中也存在極少數(shù)耕地處于較高生態(tài)風險水平，位于呂田鎮(zhèn)東北部，結(jié)合前面不同元素的表達結(jié)果可知，Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)空間分布中重金屬Cd和Hg的風險貢獻率最大。

圖2 單一重金屬元素Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)評價的空間分布特征Fig.2 Spatial distribution characteristics of Hakanson potential ecological risk index evaluation of single heavy metal element

表7 重金屬元素Hakanson潛在生態(tài)風險各等級耕地面積及其占比Tab.7 Classification table of potential ecological risk index evaluation of heavy metal element Hakanson

圖3 綜合Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)評價的空間分布特征Fig.3 Spatial distribution characteristics of Hakanson potential ecological risk index evaluation

2.3 從化區(qū)耕地土壤重金屬健康風險評價

根據(jù)式(3)～(8)基于成人和兒童的從化區(qū)耕地土壤重金屬不同暴露途徑下的非致癌和致癌暴露劑量結(jié)果見表8。

表8 非致癌和致癌效應(yīng)不同途徑下的暴露劑量Tab.8 Exposure to different pathways of non-carcinogenic and carcinogenic effects ng·kg-1·d-1

3種非致癌重金屬(Hg、Pb、Cr)，成人攝入、皮膚滲入和吸入途徑的暴露劑量由大到小依次為：Cr、Pb、Hg；兒童攝入、皮膚滲入和吸入途徑的暴露劑量由大到小依次為Cr、Pb、Hg。不同暴露途徑下重金屬As的致癌暴露劑量都大于Cd。

在不同暴露途徑下的致癌和非致癌暴露劑量都表現(xiàn)出顯著差異性，不論是成人還是兒童在不同暴露途徑下，攝入途徑的暴露劑量最高，其次是皮膚滲入途徑，吸入途徑的最小。研究表明同一暴露途徑下對兒童帶來的致癌和非致癌暴露劑量都比成人高很多，其中兒童非致癌攝入、吸入和皮膚滲入途徑的暴露劑量分別約為成人的7倍、2倍和5倍。可能由于兒童戶外活動時接觸土壤較多且不勤洗手，導(dǎo)致其攝入土壤重金屬的概率增多，暴露劑量加大，這表明了重金屬對兒童暴露危害較大。

根據(jù)式(9)～(12)，基于成人和兒童的從化區(qū)耕地土壤重金屬不同暴露途徑的非致癌和致癌效應(yīng)風險結(jié)果如表9。

表9 不同途徑下的非致癌和致癌效應(yīng)風險Tab.9 Risk of non-carcinogenic and carcinogenic effects in different pathways

成人非致癌總風險為5.659；兒童非致癌總風險為39.807；成人和兒童3種重金屬非致癌總風險由大到小為：Cr、Pb、Hg，且均大于1，可能會對成人及兒童造成一定的危害。3種重金屬對成人和兒童的非致癌貢獻率由大到小依次為：Cr(60%)、Pb(30%)、Hg(10%)，說明研究區(qū)的非致癌風險主要來自重金屬Cr。兒童的多途徑非致癌總風險是成人的7倍左右，結(jié)合暴露劑量分析，可見兒童整體的健康風險均高于成人，說明兒童更容易受到重金屬長期潛在的健康風險。

成人和兒童的致癌風險由大到小依次為：As、Cd，重金屬As和Cd導(dǎo)致的致癌風險都大于1×10-4，致癌總風險為1.997×10-3，大于1×10-4，表明從化區(qū)耕地存在致癌風險。通過對比發(fā)現(xiàn)，重金屬As的致癌風險值均高于Cd，其中As的致癌總貢獻率約為94%，表明研究區(qū)的致癌健康風險主要來自重金屬As。從化區(qū)耕地土壤重金屬的健康風險較高，對人體健康可能已經(jīng)造成了一定的危害，應(yīng)引起相關(guān)部門的重視。

3 討論

廣州市從化區(qū)耕地土壤5種重金屬含量均高于廣東省土壤背景值，表明從化區(qū)耕地土壤重金屬存在一定的污染風險。本文采用Hakanson潛在生態(tài)風險評價方法對從化區(qū)耕地土壤重金屬進行評價，不僅考慮了重金屬元素的污染程度，還考慮了不同的重金屬元素對生物的毒性程度，因此比單純采用重金屬元素污染程度能更好地反映重金屬元素的潛在危害。

研究結(jié)果表明，廣州市從化區(qū)耕地土壤重金屬污染程度和生態(tài)風險危害程度威脅最大的重金屬主要是Cd和Hg，重金屬As、Pb、Cr相對污染風險較小，研究結(jié)果與前人研究[16-18]較為一致。由于從化區(qū)是廣州市主要糧食主產(chǎn)基地，且已有研究表明，重金屬Cd通常被認為是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的標志元素[37]，因此，從化區(qū)重金屬Cd存在較高污染風險，可能主要來源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中農(nóng)藥和化肥的使用。相關(guān)研究表明，重金屬Hg主要源自工業(yè)排放[38]，結(jié)合從化區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展現(xiàn)狀以及采樣點位置發(fā)現(xiàn)，重金屬Hg污染高風險區(qū)域周圍均有工廠，因此，從化區(qū)重金屬Hg主要來源于工業(yè)排放。相關(guān)部門應(yīng)高度重視并采取措施，加強對農(nóng)民的指導(dǎo)培訓，同時引導(dǎo)農(nóng)民科學合理地使用肥料，加大農(nóng)業(yè)投入品監(jiān)管力度，以維護農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全，有關(guān)環(huán)境管理部門應(yīng)該加強對工業(yè)排放的管理，以減少工業(yè)污染的排放，減輕重金屬污染風險。

本文進行健康風險評價研究結(jié)果顯示，從化區(qū)耕地土壤重金屬非致癌總風險和致癌健康風險均已超標，可能會對成人及兒童造成一定的危害，且兒童整體的健康風險均高于成人群體，此研究結(jié)果與前人研究較為一致[14,39]，說明兒童更容易受到重金屬長期潛在的健康風險，可能是因為兒童的活動天性和生活習慣與土壤的接觸較為密切，因此應(yīng)對兒童群體加強監(jiān)督和風險防范。針對以上情況，相關(guān)部門應(yīng)當對所有重金屬元素進行合理防范，尤其減小對兒童的健康風險性，特別是在日常生活中父母應(yīng)盡量減少讓兒童在可能存在污染的區(qū)域進行戶外活動，并且養(yǎng)成勤洗手、注重衛(wèi)生的好習慣。

此外，由于研究區(qū)采樣點較少，導(dǎo)致從化區(qū)耕地土壤重金屬風險評價結(jié)果可能與實際情況存在一定的誤差，在未來研究中，應(yīng)進一步加大采樣點的數(shù)量，擴大采樣范圍，使其結(jié)果更具有準確性、科學性及指導(dǎo)性。

4 結(jié)論

1)從化區(qū)5種耕地土壤重金屬平均含量由大到小依次為：Cr、Pb、As、Hg、Cd，最大值均未超過土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準，但均高于廣東省土壤背景值，表明從化區(qū)耕地土壤重金屬存在一定的污染風險。

2)對單一重金屬潛在生態(tài)風險指數(shù)評價研究表明：各重金屬元素對土壤潛在生態(tài)風險貢獻率由大到小依次為：Cd、Hg、As、Pb、Cr，重金屬Cd和Hg主要處于中等生態(tài)風險和較高生態(tài)風險水平，重金屬As、Pb和Cr全部樣點處于輕微生態(tài)風險水平。因此，研究區(qū)重金屬Cd和Hg為主要污染風險，應(yīng)加強對重金屬Cd和Hg的預(yù)防。綜合Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)平均值為191.10，主要處于中等生態(tài)風險水平，也有極少數(shù)處于較高生態(tài)風險水平，其中重金屬Cd和Hg的風險貢獻率最大。

3)成人和兒童3種重金屬非致癌總風險均大于1，由大到小均為：Cr、Pb、Hg，研究區(qū)的非致癌健康風險主要來自重金屬Cr，兒童的多途徑總非致癌風險是成人的7倍左右。成人和兒童的致癌風險大小依次為：As、Cd，重金屬As和Cd導(dǎo)致的致癌總風險為1.997×10-3，存在致癌風險。說明從化區(qū)耕地土壤重金屬的健康風險較高，對人體健康可能已經(jīng)造成了一定的危害，相關(guān)部門應(yīng)該重視并采取相關(guān)防范措施，對所有重金屬元素進行合理整治。