湖南某尾礦庫周邊農田土壤及蔬菜重金屬污染與健康風險評價

周楠　唐東山　鄧欽文　張曉文　李密　李玉領

摘要：以湖南省某尾礦庫周邊農田土壤和蔬菜受重金屬污染為研究對象，采集該區域內的45個土壤樣和34個蔬菜樣，測量樣品中重金屬（Cu、Pb、Cd、Hg和As）的質量分數，采用污染指數法對土壤環境質量進行了評價，采用健康風險評法評價了4種暴露途徑下（土壤/蔬菜經口攝入、土壤經皮膚接觸和土壤經呼吸接觸）各污染物對人體造成的非致癌風險和致癌風險。研究表明：單因子污染指數顯示該尾礦庫周邊農田土壤主要受到Cd、As和Pb的污染，各重金屬的污染程度為Cd>As>Pb>Cu>Hg。土壤綜合污染指數為1.98，為輕度污染，主要污染因子為As，其次為Ad和Pb。各污染物在4種暴露途徑下的總非致癌風險是10.4，為不可接受風險，其中Pb、Cd和As的非致癌風險大于1，各污染物的非致癌風險依次為As>Pb>Cd>Hg>Cu，各污染物在蔬菜經口攝食途徑下的總非致癌風險對HI總的貢獻率最大，為97.1%。Cd和As在4種暴露途徑下的總致癌風險是1.2×10^-2，為不可接受風險，Cd和As的致癌風險均大于10^-4，且As>Cd，污染物（Cd和As）在蔬菜經口攝食途徑下的總致癌風險對R總的貢獻率最大，為91.6%。關鍵詞：農田土壤；蔬菜；重金屬污染；健康風險評價

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）06-0001-06

1 引言

健康風險評價是20世紀80年代以后發展起來的，旨在識別環境中可能的風險源，評價其與人體發生接觸的暴露途徑以及定量評價暴露結果對人體健康產生的危害程度。同時，它把環境污染與人體健康聯系起來，定量地描述環境污染對人群健康的危害，估算有害因子對人體危害發生的概率。通過環境健康風險評價，可以直接得出環境質量的綜合結論，確定污染物的主次及治理的優先權，從而為環境風險管理提供依據和主要決策對象。

本文以湖南省某尾礦庫周邊農田土壤及蔬菜的重金屬污染情況為研究對象，分析重金屬Cu、Pb、Cd、Hg和As的質量分數，采用污染指數法對土壤重金屬污染進行評價，采用美國環境保護署（U.S.Environ-mental Protection Agency，以下簡稱USEPA）推薦的健康風險評價模型，對研究區域內土壤和蔬菜中重金屬對周邊居民4種暴露途徑（土壤經口攝入、土壤經皮膚接觸、吸入土壤顆粒物及經口攝食蔬菜），采集該區域內的45個土壤樣和34個蔬菜樣，測量了樣品中的重金屬質量分數，基于此進行健康風險評價。旨在全面了解該尾礦庫周邊農田土壤重金屬污染特征，分析不同暴露途徑下土壤及蔬菜中重金屬對人體健康造成的非致癌風險及致癌風險，以期為尾礦庫的風險防范及環境治理提供參考。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與制備

由于該尾礦庫處于湘江某市段上游的S型彎道內，北距湘江2km，南、西距湘江5km該尾礦庫北側為一湖泊，西側為工廠企業。土壤樣品和植物樣品按常規標準法取樣，采用GPS定位，樣點布局考慮當地特殊地形與土地利用方式（部分區域為山地與夏季時令用地），布設45個采樣點，合計45個土壤樣和34個蔬菜樣，如圖1。土壤：用塑料鏟采集0～20cm耕層土壤，每個采樣點采用對角線法采集3個子樣，組成一個混合樣，帶回實驗室經自然風干后，經四分法分出500g土樣研磨，過200目（粒徑：0.075mm）尼龍篩，裝磨口玻璃瓶待測。蔬菜：每個采樣點采集3～5株合成1個混合樣（同時采集蔬菜根際土壤樣品），先用自來水沖洗干凈，再用二次蒸餾水淋洗2～3遍，吸干表面水分稱其鮮重，然后放置烘箱中105℃殺青30min，并于75℃烘干至恒重，稱其干重以測定蔬菜含水率。烘干后的樣品用研缽碾碎，過20目（粒徑：0.830mm）尼龍篩，裝自封袋中置于干燥器內保存待測。

2.2 樣品前處理

樣品分析主要采用密閉微波消解的方式消解，消解樣品質量為（0.25±0.0005g），消解液：土壤樣品為8mL硝酸+2mL氫氟酸，植物樣品為8mL硝酸+0.5mL氫氟酸。

2.3 檢測方法

Cu使用《火焰原子吸收分光光度法》（GB/T17141-1997）測定，Pb、Cd使用《石墨爐原子吸收分光光度法》（GB/T17141-1997）測定，儀器型號：PinAAcle 900Series；As、Hg使用《原子熒光光譜儀》（GB21191-2007）測定，儀器型號：AFS-830。檢出限如表1。

2.4 土壤重金屬污染評價方法

評價標準：Cu、Pb、Cd、Hg和As根據《食用農產品產地環境質量評價標準》（HJ332-2006）中的限量標準進行污染等級評價。

2.4.1 單因子指數法

單因子指數法是國內外普遍采用的方法之一，是對土壤中各污染物的污染程度分別進行評價。其計算公式為：

P_i=c_i/S_i（1）

式中：P_i為土壤中污染物的環境指數；c_i為污染物i的實測含量（mg/kg）；S_i為污染物i的評價標準（mg/kg）。

2.4.2 內梅羅綜合污染指數法

內梅羅綜合污染指數法可全面反映土壤中各污染物的平均污染水平，也突出了污染最嚴重的污染物給環境造成的危害。其計算公式如下：

P_N={[（c_i/s_i）_max²+（c_i/s_i）_max²]/2}^1/2（2）

式中，PN為綜合污染指數；（c_i/S_i）_max為各污染物中單項污染指數最大值；（c_i/S_i）_max為各污染物中單項污染指數的算術平均值。根據單因子指數法和內梅羅綜合污染指數法將土壤重金屬污染劃分等級，如表2。

2.5 健康風險評價

健康風險評價是以風險度作為指標，把環境污染與人體健康聯系起來，定量描述重金屬污染對人體產生健康危害的風險。健康風險分為非致癌風險（HI）和致癌風險（R）。健康風險評價模型包括非致癌風險模型和致癌風險模型，分別如式（3）、（6）所示。

2.5.1 單一污染物非致癌風險計算模型

HQ=CDI/RFD （3）

式中：HQ為非致癌風險，無量綱；CDI為長期日攝入劑量，單位為mg/kg/d；RFD為非致癌污染物長期日攝入參考劑量，單位為mg/kg/d。單一污染物經所有暴露途徑的總非致癌風險采用公式（4）計算：

HQ_n=HQ_ns+HQ_na+HQ_nb+HQ_nf（4）

HQ_n為單一污染物（第n種）經所有暴露途徑的總非致癌風險；HQ_ns、HQ_na、HQ_nb和HQ_nf為土壤經口攝入、土壤經皮膚接觸、土壤經呼吸接觸和蔬菜經口攝入途徑下污染物（第n種）的非致癌風險。同時評價多種污染物產生的非致癌風險時，則把每種污染物產生的非致癌風險相加，得到總體的非致癌風險指數HI總。人體可接受的非致癌風險指數閾值為HQ或HI<1。

HI_總=HQ₁+HQ₂+……+HQ_n（5）

2.5.2 單一污染物致癌風險計算模型

R=CDI×SF （6）

式中：R為致癌風險，無量綱；CDI如式（3）；SF為致癌污染物致癌斜率因子，單位為kg/d/mg。單一污染物經所有暴露途徑的總致癌風險采用公式（7）計算：

R_m=R_ms+R_ma+R_mb+R_mf（7）

R_m為單一污染物（第m種）經所有暴露途徑的總致癌風險；R_ms、R_ma、R_mb和R_mf，為人體在土壤經口攝入、土壤經皮膚接觸、土壤經呼吸接觸和蔬菜經口攝入途徑下污染物（第m種）的致癌風險。

多種致癌元素導致的致癌風險為多種致癌元素在可能暴露途徑所產生的致癌風險和，得到總體的非致癌風險指數HI總。USEPA認為，致癌風險閾值5，7在10^-6-4

3.2 健康風險評價

通過表3～5中的人體健康風險評估模型及參數，計算土壤經口攝入、土壤經皮膚接觸、吸入土壤顆粒物及蔬菜經口攝食四種途徑下的暴露值，分析重金屬元素（Cu、Pb、Cd、Hg和As）進入人體后引起的健康風險分為致癌風險（HI）和致癌風險（R），計算出不同暴露途徑下的人體健康風險（HI和R）見表8。

3.2.1 非致癌風險指數

由表8可知，該區域人體受到來自四暴露途徑下多種污染物的非致癌風險指數合計為10.4，遠大于人體可接受的非致癌風險指數閾值1，長時間暴露在此環境下會對人體造成明顯的非致癌健康影響。

單一污染物經所有暴露途徑的總非致癌風險分別為：HQ_Cu=0.1，HQ_Pb=3.3，HQ_Cd=2.2，HQ_Hg=0.3和HQ_As=4.4。其中污染物Pb、Cd和As經所有暴露途徑的總非致癌風險大于1，為不可接受風險；污染物Cu和Hg經所有暴露途徑的總非致癌風險小于1，為可接受風險。表明在該尾礦庫周邊農田土壤和蔬菜中的Pb、Cd和As可能存在對人體健康的非致癌風險。各污染物的總非致癌風險依次為As>Pb>Cd>Hg>Cu，各污染物（Cu、Pb、Cd、Hg和As）對HI_總的貢獻率分別為1.0%、31.7%、21.1%、2.9%和42.3%。

單一暴露途徑下各污染物的總非致癌風險分別為：HQ_s=0.2，HQ_a=5.2×10^-4，HQ_b=6.4×10^-2，HQ_f=10.1，HQ_s、HQ_a、HQ_b和HQ_f分別表示土壤經口攝入、土壤經皮膚接觸、土壤經呼吸接觸和蔬菜經口攝入途徑下多種污染物的總非致癌風險。HQ_f大于1，為不可接受風險；HQ_s、HQ_a和HQ_b均小于1，為可接受風險。各污染物在蔬菜經口攝食途徑下的總非致癌風險對HI_總的貢獻率最大，為97.1%。

3.2.2 致癌風險指數

通過表8可知，該區域人體受到來自四種暴露途徑下污染物（Cd和As）的致癌風險指數合計為1.2×10^-3，即每萬人中就有約12個人存在致癌風險，大于人體可接受的致癌風險指數閾值10^-4，屬不可接受的高致癌風險。

單一污染物經所有暴露途徑的總致癌風險分別為：R_Cd=3.6×10^-4和R_As=8.3×10^-4。均為不可接受的致癌風險，長時間暴露在此環境下會對人體健康造成危害。

單一暴露途徑下污染物（Cd和As）的總致癌風險分別為：R_s=3.9×10^-5，R_a=1.0×10^-7，R_b=1.7×10^-6和R_f=1.1×10^-3，R_s、R_a、R_b和R_f分別表示土壤經口攝入、土壤經皮膚接觸、土壤經呼吸接觸和蔬菜經口攝入途徑下污染物（Cd和As）的總致癌風險。Rs大于10^-4，為不可接受風險；R_s、R_a和R_b小于10^-4，為可接受風險。污染物（Cd和As）在蔬菜經口攝食途徑下的總致癌風險對R總的貢獻率最大，為91.6%。

4 結論與建議

該尾礦庫周邊農田土壤中重金屬Pb、Cd、Hg和As的平均質量分數超過《食用農產品產地環境質量評價標準》（HJ332-2006）中規定的限值，表明該區域土壤受到不同程度污染，通過單因子污染指數法得到土壤受重金屬的污染程度依次為：Cd>As>Pb>Cu>Hg。其中Cd的污染等級為重度污染，Pb和As為輕度污染。土壤綜合污染指數P_N=2.83，污染等級為重度污染，土壤受污染相當嚴重。

通過人體健康風險評價法評價土壤經口攝入、土壤經皮膚接觸、土壤呼吸接觸及蔬菜經口攝食四種暴露途徑下各污染物對人體造成的非致癌風險和致癌風險。結果表明，人體暴露在該區域環境下受到各污染物的非致癌風險和致癌風險分別是10.4和1.2×10^-3，均為不可接受風險，長期暴露在此環境條件下可能對當地居民的身體健康造成危害。

Pb、Cd和As在四種暴露途徑下的總非致癌風險分別為3.3、2.2和4.4，均大于1，可能對人體造成明顯的非致癌健康影響，各污染物在四種暴露途徑下的總非致癌風險依次為As>Pb>Cd>Hg>Cu。各污染物在蔬菜經口攝食途徑下的總非致癌風險對HI_總的貢獻率最大，為97.1%。Cd和As在四種暴露途徑下的總致癌風險分別為3.6×10^-4和8.3×10^-4，均大于可接受水平10^-4，會對人體健康造成危害，污染物（Cd和As）在蔬菜經口攝食途徑下的總致癌風險對R總的貢獻率最大，為91.6%。

根據本次研究的評價結果，應對該尾礦庫周邊農田土壤和蔬菜采取有效的控制及處理措施，建議：①增施有機肥，減少農藥、化肥的用量，促進土壤對重金屬的吸收螯合，減少土壤中重金屬有效態含量；②減少攝食該尾礦庫周邊蔬菜；③合理選種不同作物，尤其是套種一些對重金屬元素Pb、Cd、As富集能力較強的植物，定期清除植物根系，適時調整土壤酸堿度，對土壤進行修復，降低土壤和蔬菜中重金屬Pb、Cd和As的質量分數，保障尾礦庫周邊居民的身體健康。