華北地區(qū)某蔬菜基地土壤重金屬污染特征及健康風險評價

王蘭化, 李明明, 張 鶯, 馬武明, 崔凱鵬, 王志強

1)天津市地質(zhì)調(diào)查研究院, 天津 300191; 2)河北工業(yè)大學, 天津 300401

隨著工業(yè)化和城市化的飛速發(fā)展, 我國城市規(guī)模不斷擴大, 水資源短缺已成為制約社會發(fā)展和人民生活的重要因素, 許多城市郊區(qū)的農(nóng)業(yè)用水采用污水灌溉, 使得農(nóng)田土壤受到嚴重污染, 尤其是重金屬的污染尤為突出(車飛等, 2009; 林曉峰等,2011; 譚科艷等, 2011, 2012; 趙筱青等, 2012; 儲彬彬等, 2012; 劉瑾等, 2014)。

本文選取具有長期污水灌溉歷史的華北地區(qū)某城郊蔬菜基地作為研究對象, 調(diào)查了研究區(qū)土壤重金屬的污染現(xiàn)狀, 分析評價了重金屬的污染特征。采用美國環(huán)境保護署(U.S.Environmental Protection Agency, 以下簡稱 USEPA)推薦的健康風險評估模型, 對研究區(qū)土壤重金屬對周邊居民三種暴露途徑(土壤攝食、皮膚接觸、呼吸)進行了健康風險評價。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集

該蔬菜基地位于城郊農(nóng)業(yè)區(qū)內(nèi), 土地種植類型為菜地, 采用污水和地下水清污混灌歷史已近30年。2009年在該場地進行了土壤樣品采集(圖1),采用對角線法垂直采取0至20 cm的表層土壤, 將土樣混合均勻, 按四分法混合取1 kg裝入樣品袋。

1.2 分析方法

土壤樣品經(jīng)自然風干, 瑪瑤研缽研磨后過100目尼龍篩。pH采用酸度計法測定; 銅、鋅、鉻、鎳采用酸全分解、等離子發(fā)射光譜法測定; 鉛、鎘采用酸全分解、原子吸收法測定; 汞采用王水消化、冷原子熒光法測定; 砷采用混合酸消化、原子熒光法測定。質(zhì)量控制按照國家環(huán)境保護總局《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166—2004)(國家環(huán)境保護總局, 2004)進行。

1.3 土壤環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評價

1.3.1評價方法

為了衡量監(jiān)測點土壤中污染元素是否對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、食品安全構(gòu)成威脅, 采用單因子評價法對各指標進行評價, 同時使用內(nèi)梅羅指數(shù)法對各監(jiān)測點的環(huán)境質(zhì)量進行綜合評價。

(1)單因子評價法

單因子評價是指以土壤污染實測值和評價標準相比計算土壤各項污染物的污染指數(shù), 計算公式如下:

式中, Pi為土壤中污染物i的污染指數(shù); Ci為土壤中污染物i的實測濃度, 單位為mg/kg; Si為污染物i的評價標準, 單位為mg/kg。

(2)內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法

采用內(nèi)梅羅指數(shù)法計算各監(jiān)測點的綜合環(huán)境質(zhì)量指數(shù), 內(nèi)梅羅指數(shù)的計算方法為:

圖1 土壤采樣點位示意圖Fig.1 Schematic map of soil sampling sites

式中, PN為綜合質(zhì)量指數(shù); (Ci/Si)ave為單項質(zhì)量指數(shù)的平均值; (Ci/Si)max為單項質(zhì)量指數(shù)的最大值。

1.3.2評價標準

《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》(GB15618—1995) (國家環(huán)境保護局, 1995)中的二級標準, 是保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn),維護人體健康的土壤限制值, 此次土壤重金屬污染評價采用該標準(pH>7.5)。

針對土壤不同的利用類型和 pH值, 標準對同一元素的限值也隨之變化; 因此各監(jiān)測點的數(shù)據(jù)在計算污染指數(shù)時選取了相應的限值進行計算。

對單因子和綜合的評價結(jié)果采用《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166—2004)中推薦的指標(表1)進行分級。

1.4 土壤重金屬健康風險評價

1.4.1健康風險評價模型

健康風險評價模型包括非致癌風險模型和致癌風險模型(USEPA, 1997), 分別如式(1)、式(2)所示:

(1)非致癌風險計算方法:

式中, HQ為非致癌風險; CDI為長期日攝入劑量(單位體重日平均攝入劑量), 單位為mg/(kg·d);RFD 為污染物的非致癌參考劑量, 單位為 mg/(kg·d)。

(2)致癌風險計算方法:

式中, Risk為致癌風險, 表示人群癌癥發(fā)生的概率, 通常以一定數(shù)量人口出現(xiàn)癌癥患者的個體數(shù)表示CDI同式⑴; SF為污染物的致癌斜率因子, 單位為(kg·d)/mg。

1.4.2重金屬的識別、暴露模型及參數(shù)的選擇

(1)重金屬的識別

根據(jù)土樣的檢測結(jié)果, 本次選擇對研究區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量影響較大的Cd、Hg、Cu、Zn作為評價因子。根據(jù)美國綜合風險信息數(shù)據(jù)庫(IRIS)數(shù)據(jù)資料和世界衛(wèi)生組織(WHO)通過全面評價化學物質(zhì)致癌性可靠程度而編制的分類系統(tǒng), Cd為具有較強的致癌能力(車飛等, 2009), 故只對 Cd進行致癌風險評價; 對4種重金屬進行非致癌風險評價。

表1 土壤環(huán)境質(zhì)量分級標準Table 1 Classification criteria of soil environmental quality

(2)暴露模型的確定

土壤中重金屬主要通過以下三種途徑進入人體; 一是口入, 即通過農(nóng)作物富集, 以食品的方式進入體內(nèi); 二是是皮膚接觸, 人體皮膚接觸污染的土壤而攝入土壤中的污染物; 三呼吸接觸, 通過呼吸直接攝入空氣中污染的土壤飛塵。

根據(jù)美國環(huán)境保護署提出的健康風險評價計算公式分別進行經(jīng)口攝入途徑、皮膚接觸途徑和呼吸途徑三種暴露量的計算, 計算公式和各計算參數(shù)說明如下:

①經(jīng)口攝入途徑暴露量計算公式:

式中, CDI同式⑴; CS為土壤中化學物質(zhì)的濃度(mg/kg); IR為表示攝取土壤速率(mg/d); CF為轉(zhuǎn)換因子(kg/mg); FI表示攝取分數(shù)(范圍 0.0～1.0);EF表示暴露頻率(d/a); ED表示暴露持續(xù)時間(a);BW表示平均體重(kg); AT表示平均接觸時間(d)。

②皮膚接觸暴露量計算公式:

式中, SA-可能接觸土壤的皮膚面積(cm2);AF-土壤對皮膚的吸附系數(shù)(mg/d); ABS-皮膚吸附系數(shù), 無量綱, 其余同式(3)。

③呼吸接觸途徑暴露計算公式見式(5)。

式中, PM10-空氣中可吸入顆粒物含量(mg/m3) ;DAIR-成人每日空氣呼吸量(m3/d); PIAF-吸入土壤顆粒物在體內(nèi)滯留比例, 無量綱; FSPO-空氣中來自土壤的顆粒物所占比例, 無量綱; 其余同式(3)。

(3)評價參數(shù)的選擇

根據(jù)美國EPA暴露因子手冊(USEPA, 1997)、Superfund(USEPA, 1989; USEPA, 1986)風險評價導則內(nèi)容, 結(jié)合現(xiàn)有研究資料(USEPA, 2008; U.S.OEHHA, 2008; 劉發(fā)欣, 2007; 國家環(huán)境保護總局,1999; 王喆等, 2008; 王宗爽等, 2009; 常靜等,2009), 確定了本次暴露評價參數(shù), 見表 2。國內(nèi)外學者研究的各種重金屬健康風險評價參考劑量(RFD)和致癌斜率因子(SF)如表3(常靜等, 2009; 李靜等, 2008; 劉慶等, 2008)。

2 評價結(jié)果與討論

2.1 土壤重金屬污染特征

2.1.1土壤重金屬污染水平

2009年采集的某蔬菜基地各表層土壤重金屬指標數(shù)據(jù)見表4。從表4可以看出, 除As、Ni、Cr外, 其它重金屬含量均明顯高于背景值, Cd、Cu、Zn、Pb含量的平均值均超出背景值 2倍以上, Hg含量的平均值超出背景值 20倍以上, 測定結(jié)果表明該蔬菜基地土壤受到了Cd、Hg、Cu、Zn、Pb的影響。

表2 健康風險評價暴露參數(shù)Table 2 Exposure parameter values of health risk assessment

表3 各重金屬健康風險評價風險參考劑量(RFD)和斜率系數(shù)(SF)Table 3 Reference dose(RFD) and slope factor(SF) values for each heavy metal element in soil

2.1.2土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量評價

以《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》(GB15618—95)二級標準(pH>7.5)為評價標準, 該蔬菜基地土壤重金屬污染指數(shù)見表 5。從評價結(jié)果來看, 各采樣點土壤中 As、Pb、Ni、Cr含量均未超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準, Zn在3號采樣點達到預警級別, Cd和Cu在3號及4號采樣點、Hg 在3號采樣點中超標。該蔬菜基地因多年引用污水灌溉, 3、4采樣點達到輕度污染, 不符合土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準; 1、5采樣點達到預警級別; 整個蔬菜基地土壤重金屬含量的平均值均未超標, 但 Cd、Hg、Cu均達到預警級別。作為蔬菜基地, 部分采樣點土壤中多種重金屬超標, 對居民的食品安全存在潛在威脅。影響該蔬菜基地土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量的因子主要為Cd、Hg、Cu、Zn。

2.2 土壤重金屬健康風險評價

應用健康風險評價模型及參數(shù), 采用該蔬菜基地土壤重金屬含量(Cd、Hg、Cu、Zn)的平均值, 計算出三種暴露途徑下的平均個人風險(表6)。

評價結(jié)果表明, 4種重金屬在三種暴露途徑下的非致癌風險 HQ均小于 1, 不會對人體造成明顯的非致癌健康影響。經(jīng)口攝入途徑非致癌風險最大,其次為皮膚接觸, 非致癌風險最小為呼吸接觸。4種重金屬的非致癌風險水平集中在 10–1～10–6, 成年人每100人因土壤重金屬的非致癌污染物的影響而受到健康危害(或死亡)的人數(shù)達到 1人; 兒童每10人因土壤重金屬的非致癌污染物的影響而受到健康危害(或死亡)的人數(shù)達到 1人, 表明該蔬菜基地的土壤中4種重金屬對暴露人群具有潛在的健康危害。三種暴露途徑下的非致癌風險大小均為Hg>Cu>Zn>Cd。

表4 土壤重金屬含量統(tǒng)計結(jié)果/(mg/kg)Table 4 Statistical values/(mg/kg) of heavy metal concentrations in soil

表5 各采樣點土壤環(huán)境質(zhì)量評價結(jié)果Table 5 Index of environmental quality in soil sampling sites

表6 非致癌風險指數(shù)和致癌風險Table 6 Index of carcinogenic risk and non-carcinogenic risk

Cd在三種暴露途徑下的致癌風險 Risk為5.57×10–10～3.86×10–7, 低于可以接受的水平 10–6,表明 Cd的致癌風險較低, 不會對人體造成健康危害。

兒童的非致癌風險是成年人的 8.6倍, 致癌風險是成年人的近 3倍, 因土壤攝入而帶來的健康風險明顯高于成年人。

研究區(qū)內(nèi)土壤 Cd、Hg、Cu存在超標現(xiàn)象, 建議該蔬菜基地杜絕使用污染水灌溉, 最好使用深層地下水或引灌清潔地表水, 以減少土壤污染對人群健康的威脅。

3 結(jié)論

1)研究區(qū)Cd、Hg、Cu、Zn、Pb含量均明顯高于背景值, 土壤重金屬含量的平均值均未超過土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準, 但Cd、Hg、Cu達到預警級別。部分采樣點土壤中Cd、Hg、Cu超過土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準, 個別采樣點Zn達到預警級別, 對居民的食品安全存在潛在威脅。

2)4種重金屬在三種暴露途徑下的非致癌風險HQ均小于1, 不會對人體造成明顯的非致癌健康影響。三種暴露途徑下的非致癌風險大小均為Hg>Cu>Zn>Cd。在三種暴露途徑下的致癌風險Risk為5.57×10–10～3.86×10–7, 低于可以接受的水平 10–6,表明 Cd的致癌風險較低, 不會對人體造成健康危害。

3)本次研究采用了美國環(huán)境保護署推薦的健康風險評價方法, 在參數(shù)的選擇上參考了國外和國內(nèi)其它研究成果, 對土壤口入攝食暴露途徑, 采用EPA的評價參數(shù), 未實地采取蔬菜樣品進行測試分析, 同時因地域及人群差異等因素, 不可避免的給評價結(jié)果增加了不確定性。

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