晉城市工礦區(qū)部分農(nóng)田土壤重金屬健康風(fēng)險評價

楊 強，馬祥愛

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801）

晉城市工礦區(qū)部分農(nóng)田土壤重金屬健康風(fēng)險評價

楊 強，馬祥愛

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801）

為研究晉城市工礦區(qū)農(nóng)田土壤重金屬的分布情況，并對市民的潛在健康影響程度進行評價，采用野外采樣和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法分析了晉城市土壤汞、銅、鋅、鉻、鉛、鎘、鎳、砷8種重金屬元素，應(yīng)用非致癌風(fēng)險評價模型進行健康風(fēng)險評價。單污染物健康風(fēng)險評價結(jié)果表明，8種重金屬健康風(fēng)險指數(shù)在10-3～1水平，除砷外其余7種元素對當?shù)鼐用窠】挡粫a(chǎn)生危害，未達到慢性參考量（USEPA）。健康總風(fēng)險評價結(jié)果表明，8種重金屬健康總風(fēng)險指數(shù)超過1，大小為北巖村＞小張村＞西王臺村＞窯頭村＞大張村＞時家?guī)X村＞東呂匠村＞霍秀村＞崗頭村＞鐘家莊村；重金屬非致癌健康風(fēng)險系數(shù)大小為砷＞鎳＞鉻＞鎘＞鉛＞汞＞銅＞鋅。

工礦區(qū)；農(nóng)田土壤；重金屬；健康風(fēng)險評價

隨著工業(yè)化進程和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，土壤重金屬污染帶來的潛在健康風(fēng)險已經(jīng)引起了許多國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[1-2]。目前，工礦廢棄物排放已成為農(nóng)田土壤中重金屬超標的重要原因之一[3]。重金屬作為一種長期潛在的有毒污染物，進入土壤后不能迅速被生物降解，而是長期存在于土壤環(huán)境中并不斷積累，從而通過污染食物鏈危及生態(tài)平衡，還可以通過攝食、呼吸、飲水、表皮接觸等傳播途徑進入人體危害健康[4]。而人體暴露于環(huán)境污染物產(chǎn)生的風(fēng)險取決于2個方面，一是環(huán)境污染，包括污染物的濃度及其危害性；二是人體暴露行為，包括人體接觸污染物的行為和特征（如接觸頻率和持續(xù)時間等）。國際上對土壤重金屬健康風(fēng)險評價也日趨關(guān)注，我國健康風(fēng)險評價始于20世紀90年代，但很多都是以國外研究成果為主的健康風(fēng)險評價[5-6]。廈門大學(xué)陳奔等運用非致癌健康模型對尤溪鉛鋅礦集區(qū)重金屬污染進行健康風(fēng)險評價，華僑大學(xué)林曉峰等運用健康風(fēng)險評價模型對泉州市城市表層土壤重金屬通過皮膚暴露途徑所引起的健康風(fēng)險作出評價，均是通過借鑒國外的風(fēng)險評價模式進行試驗。

污染健康風(fēng)險評價（Health Risk Assessment，HRA）以風(fēng)險度作為評價指標，是從污染物來源—接觸途徑—受體—風(fēng)險層次上構(gòu)建的評價體系[7]。污染土壤的健康風(fēng)險評價越來越多地應(yīng)用于污染控制與風(fēng)險管理。盡管現(xiàn)行土壤環(huán)境質(zhì)量標準（GB 15618—1995）的制定是以保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、維護人體健康為目的，但其并未考慮不同土壤性質(zhì)、土地利用方式對土壤污染及人體暴露所造成的重大而直接的影響[8]。因此，制定更加全面、合理的土壤環(huán)境質(zhì)量評價標準顯得尤為重要。

晉城市位于山西省東南部，素以豐富的自然資源而著稱，全區(qū)各縣（市、區(qū)）均有分布，其中尤以煤炭資源最為豐富，在省內(nèi)占據(jù)重要地位。本研究選擇的工礦區(qū)主要以生產(chǎn)煤鐵為主，由于礦區(qū)廢氣、廢水和廢渣長期向外界排放，導(dǎo)致工礦區(qū)周圍的土壤受到不同程度的重金屬污染，進而直接對人體健康產(chǎn)生危害。

本研究主要運用非致癌健康模型進行風(fēng)險評價，其中增加了汞的蒸汽暴露途徑，著重對鉻、銅、汞、鋅、鉛、鎘、鎳、砷8種重金屬進行健康風(fēng)險評價，旨在為晉城市的環(huán)境治理提供一定的參考數(shù)據(jù)，為防止重金屬污染危害人體健康提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 土壤樣品的采集

試驗所用土壤樣品采自晉城市東呂匠村、霍秀村、鐘家莊、北巖村、窯頭村、西王臺村、小張村、大張村、崗頭村、時家?guī)X村，采用蛇形布點（蛇形布點法適應(yīng)面積較大，地勢不很平坦，土壤不夠均勻的地塊。在地塊上分布很多點，這些分布點連起來像蛇的形狀，對這些點進行采樣），采集0～20 cm耕作層土壤。用竹鏟或竹簽采樣，也可使用鐵鍬取樣后用竹簽或竹鏟把與鐵鍬接觸的土壤刮掉后再采樣。采樣過程中作好記錄，貼好標鑒。其詳細布點情況如圖1所示。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品處理方法 采集后的土樣帶回實驗室，經(jīng)核對無誤后，制備樣品。把土樣晾干后去除雜物，然后搗碎，在瑪瑙研缽研磨，過0.149 mm篩，混勻后密封在塑料袋，并放在干燥處保存。

1.2.2 分析方法 各金屬測定分析方法列于表1。

表1 測定方法

1.3 土壤重金屬健康風(fēng)險評價模型

健康風(fēng)險評價是20世紀中后期開始興起，將人體健康與環(huán)境污染聯(lián)系，定量分析環(huán)境污染物對人體產(chǎn)生的健康風(fēng)險。污染物接觸人體后所引起的健康風(fēng)險評價模型包括非致癌風(fēng)險模型和致癌風(fēng)險模型，而土壤重金屬進入人體內(nèi)的途徑主要有：通過人體皮膚直接接觸污染的土壤而攝入土壤中的重金屬；通過口和呼吸直接攝入空氣中污染的土壤飛塵。除了這2種途徑，汞暴露也可以通過水蒸氣的攝入進入人體，考慮到汞對人類危害較其他重金屬大，因此計算汞的攝入量時，增加了水蒸氣的攝入途徑[9]。

1.3.1 重金屬的攝入量計算 在風(fēng)險評價時，推算健康風(fēng)險的關(guān)鍵是暴露因子及相關(guān)參數(shù)的確定，計算過程中的主導(dǎo)參數(shù)主要有土壤表層化學(xué)物質(zhì)濃度、平均作用時間、暴露頻率、土壤攝入量、暴露年限、皮膚接觸面積、身體質(zhì)量、皮膚吸附系數(shù)和皮膚接觸面積等。本試驗除了參照美國標準外，還根據(jù)我國國情與晉城地區(qū)分布特征進行了調(diào)整，根據(jù)我國國情，其暴露頻率修正為350 d/a，體質(zhì)量修正為60 kg[10-11]。

因攝入土壤而攝入的土壤污染物的量Dinh（mg/（kg·d））按如下公式計算。

因皮膚直接接觸土壤而攝入的污染物的量Ddermal（mg/（kg·d））按如下公式計算。

汞暴露通過水蒸氣的人體攝入量Dvapour（mg/（kg·d））按如下公式計算。

式中，C為土壤表層化學(xué)物質(zhì)含量，IR為土壤攝入量，EF為暴露頻率，ED為暴露年限，BW為體質(zhì)量，SL為土壤對皮膚的吸附系數(shù)，VF為蒸發(fā)系數(shù)，SA為可能接觸土壤的皮膚面積，AT為平均作用時間，ABS為皮膚吸附系數(shù)。詳細暴露參數(shù)列于表2。

表2 暴露評價模型參數(shù)[12-14]

1.3.2 健康風(fēng)險評價方法 健康風(fēng)險指數(shù)通過平均到整個暴露作用期攝入量的慢性參考劑量計算。

式中，RISK為健康風(fēng)險指數(shù)，當RISK＜1時，可認為潛在風(fēng)險較小；當RISK＞1時，可認為一般存在風(fēng)險。D為平均到整個暴露作用期的攝入量（mg/（kg·d））；RFD為參考劑量（mg/（kg·d））。每個化學(xué)物質(zhì)總的非致癌風(fēng)險等于通過各種途徑非致癌風(fēng)險指數(shù)的總和。表3為8種重金屬的健康風(fēng)險評價參考劑量，其中，RISKinh為口鼻健康風(fēng)險指數(shù)，RISKdermal為皮膚健康風(fēng)險指數(shù)，RISKvapour為水蒸氣健康風(fēng)險指數(shù)。

對于非汞的單污染物健康風(fēng)險指數(shù)是通過各種攝入途徑引起的健康風(fēng)險指數(shù)疊加來計算。

對于汞的健康風(fēng)險指數(shù)則須考慮水蒸氣的攝入途徑。

表3 重金屬健康風(fēng)險評價參考劑量[12，15-16]mg/（kg·d）

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量統(tǒng)計分析

由表4可知，8種土壤中的重金屬濃度范圍分別為汞0.043～0.341 mg/kg，平均值為0.092 mg/kg；銅23.37～44.60 mg/kg，平均值為33.08 mg/kg；鋅59.96～86.89 mg/kg，平均值為 74.53 mg/kg；鉻62.66～68.89 mg/kg，平均值為 66.98 mg/kg；鉛18.43～29.21 mg/kg，平均值為 23.38 mg/kg，鎘0.118～0.572 mg/kg，平均值為 0.276 mg/kg；鎳27.34～34.44 mg/kg，平均值為 32.29 mg/kg；砷8.19～14.14 mg/kg，平均值為11.81 mg/kg。同一種重金屬在土壤中的含量變化不是很大，在空間上分布比較均勻。參比晉城市土壤重金屬環(huán)境背景值，汞、鎘平均值超標比較嚴重，分別是背景值的2.7倍和3倍，其余6種重金屬含量（平均值）均與背景值持平，表明該研究區(qū)域汞、鎘受外來污染比較嚴重，其他重金屬受外來影響較小。

表4 土壤重金屬統(tǒng)計結(jié)果和土壤背景值[17] mg/kg

2.2 土壤單污染物健康風(fēng)險評價

由表5可知，晉城市土壤中汞金屬元素健康風(fēng)險指數(shù)最小值為2.7×10-3，最大值為2.24×10-2，平均值為6.0×10-3；銅元素健康風(fēng)險指數(shù)最小值為1.0×10-3，最大值為2.0×10-3，平均值為1.5×10-3；鋅的健康風(fēng)險指數(shù)最小值為3.5×10-4，最大值為4.9×10-4，平均值為4.2×10-4；鉻元素健康風(fēng)險指數(shù)最小值為2.1×10-2，最大值為2.31×10-2，平均值為2.25×10-2；鉛元素健康風(fēng)險指數(shù)最小值為7.5× 10-3，最大值為1.22×10-2，平均值為9.8×10-3；鎘元素健康風(fēng)險指數(shù)最小值為9.4×10-4，最大值為4.57×10-3，平均值為2.2×10-3；鎳元素健康風(fēng)險指數(shù)最小值為6.5×10-2，最大值為8.2×10-2，平均值為7.7×10-2；砷元素健康風(fēng)險指數(shù)最小值為1.337，最大值為2.309，平均值為1.929。其中，砷RISK＞1，對人體健康存在潛在威脅，其余7種元素健康風(fēng)險指數(shù)在研究區(qū)域內(nèi)都遠遠小于1，表明汞、銅、鋅、鉻、鉛、鎘、鎳元素對人體的健康風(fēng)險較低，對暴露人群不會構(gòu)成健康危害，其重金屬在人體中健康危害潛在風(fēng)險的大小順序為砷＞鎳＞鉻＞鉛＞汞＞鎘＞銅＞鋅。

表5 土壤單污染物健康風(fēng)險評價結(jié)果

8種重金屬元素健康風(fēng)險指數(shù)空間層次分布 情況如圖2所示。

由圖2可知，汞的健康風(fēng)險指數(shù)成富集特征，主要集中在西面的北巖村和崗頭村，其次是東面東呂匠村，其他地區(qū)健康風(fēng)險指數(shù)較小；銅的健康風(fēng)險指數(shù)主要集中于東北面和東面，其他地區(qū)風(fēng)險指數(shù)持平；鋅的健康風(fēng)險指數(shù)南面較小，其他地區(qū)風(fēng)險指數(shù)較大；鉻的健康風(fēng)險指數(shù)除西南面較小外其他地區(qū)較大；鉛的健康風(fēng)險指數(shù)集中在西面北巖村，其次是東北面，其他地區(qū)相對較小；鎘的健康風(fēng)險指數(shù)主要集中在北巖、小張村、西王臺3個區(qū)域，其他地區(qū)風(fēng)險指數(shù)較小；鎳的健康風(fēng)險指數(shù)西南面比較小，其他區(qū)域風(fēng)險指數(shù)較大；砷的健康風(fēng)險系數(shù)均比較大，主要集中在北面，其他地區(qū)相對較小。

2.3 健康總風(fēng)險評價

多物質(zhì)多暴露途徑的非致癌風(fēng)險計算式如下。

式中，Dij表示第i種污染物第j種暴露途徑的日常暴露劑量（mg/（kg·d））；RFDij表示第i種污染物第j種暴露途徑的參考劑量（mg/（kg·d））；n表示某暴露途徑非致癌污染物數(shù)量，m表示污染物的暴露途徑數(shù)量[18]。

從表6可以看出，總健康風(fēng)險指數(shù)最小值為1.372，最大值為2.350，平均值為1.969。各地區(qū)8種重金屬總健康風(fēng)險指數(shù)均超過1，表明8種重金屬對人體健康的影響比較大，總健康風(fēng)險指數(shù)已經(jīng)超過了慢性參考量，其中，砷元素對人體的影響最大。

表6 重金屬總健康風(fēng)險指數(shù)

8種重金屬總健康風(fēng)險指數(shù)空間分布如圖3所示。從圖3可以看出，總健康風(fēng)險指數(shù)主要集中在北巖村，其次是小張村和西王臺村，其他地區(qū)風(fēng)險指數(shù)較小。

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，晉城市工礦區(qū)農(nóng)田土壤重金屬平均值汞、鎘元素參比背景值差異比較大，分別為背景值的2.7倍和3倍，其余6種重金屬差異不大，表明汞、鎘元素受外來影響較大，在土壤中沉積較其他元素多，與晉城市工礦區(qū)的生產(chǎn)環(huán)境有一定的關(guān)系，在在今后的環(huán)境治理中，可以采取措施對這2種元素集中治理。其余元素受外來影響較小，在土壤可承受范圍之內(nèi)，但是在環(huán)境治理中也得加強土壤修復(fù)，使重金屬的含量遠遠低于其背景值。在農(nóng)田土壤施肥中也會導(dǎo)致土壤重金屬污染，翟琨等[19]在恩施蔬菜基地土壤養(yǎng)分及重金屬污染狀況評價中發(fā)現(xiàn)蔬菜基地中Cd的污染分擔率最高，是潛在的首要污染物，可能是由蔬菜生長過程中施用含Cd磷肥所致。王麗英等[20]在河北省設(shè)施蔬菜土壤微量金屬元素狀況評價及來源分析中指出，化學(xué)農(nóng)藥和工業(yè)“三廢”是導(dǎo)致土壤重金屬污染的重要來源，化學(xué)農(nóng)藥和工業(yè)“三廢“中含的重金屬很容易在土壤中積累，由于重金屬污染具有長期性和不可逆性，所以其排放到農(nóng)田土壤上會殘留大量的重金屬污染物。

在單因子健康風(fēng)險評價中，砷元素健康風(fēng)險指數(shù)大于1，在人體內(nèi)的慢性積累量會對人體產(chǎn)生危害，而砷中毒對人體許多部位都會造成危害，在工礦區(qū)生產(chǎn)中要減少砷污染物的排放，做好邊生產(chǎn)邊治理的工作，凈化土壤環(huán)境；其余7種重金屬對人體的健康風(fēng)險指數(shù)均小于1，在人體內(nèi)的慢性積累量理論上來說不會對健康產(chǎn)生危害，其潛在健康風(fēng)險大小順序為鎳＞鉻＞鉛＞汞＞鎘＞銅＞鋅。所以，在治理中，對重金屬風(fēng)險指數(shù)大的應(yīng)該加以重視，而對于重金屬風(fēng)險指數(shù)低的要繼續(xù)加以控制。

在健康總風(fēng)險評價中，總健康風(fēng)險系數(shù)最小值為1.372，最大值為2.350，平均值為1.969，均超出1，超過了人體慢性參考劑量。尚慶偉等[21]研究表明，在連云港市蔬菜中重金屬含量與健康風(fēng)險評價中，蔬菜基地土壤、水中重金屬含量變化與周圍環(huán)境的治理密不可分。從空間上看，大張村健康總風(fēng)險指數(shù)較大，其次為北巖和東呂匠，這3個村與礦區(qū)空間距離較近，容易受到礦區(qū)的灰塵污染，在礦區(qū)治理中應(yīng)該針對性進行集中治理，同時采取措施減少礦區(qū)污染物向周邊環(huán)境的排放。

本試驗所用的為人體健康風(fēng)險評價模型，暴露途徑僅考慮了皮膚接觸和口鼻攝入途徑，沒有參考重金屬其他暴露途徑的健康風(fēng)險，同時由于人文環(huán)境和地質(zhì)變化等因素，難免會對最后評價結(jié)論增加一些不確定性。此外，在健康總風(fēng)險評價中，由于對各種重金屬之間的相關(guān)系數(shù)尚不明確，對研究結(jié)果也有很大的影響。今后應(yīng)著重完善和收集文獻資料，建立更加精確的健康風(fēng)險評價。

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Health Risk Assessment of Heavy Metals in Soils in the Industrial and Mining Area of Jincheng City

YANGQiang，MAXiang'ai
（College ofResources&Environment，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China）

To study the distribution of soil heavy metals of Jincheng city,and evaluate the potential health impact for citizens,this study used the method of field sampling and laboratory analysis to analyze the Hg，Cu，Pb，Cr，Zn，Cd，Ni，As 8 kinds of heavy metal.At the same time,the non-carcinogenic risk assessment model was employed to evaluate the non-carcinogenic risk ofheavy metals to adult. Single-factor risk assessment results showed that health risk indexes of the eight kinds of heavy metal in the level of 10-3-1,would not harmthe health oflocal residents except the As,did not meet the chronic reference（USEPA）.Total health risk evaluation showed that the overall risk indexes ofeight kinds ofheavy metal all met 1,the risk rank:Beiyan village＞Xiaozhang village＞Xiwangtai village＞Yaotou village＞Dazhang village＞Shijialing village＞Donglüjiang village＞Huoxiu village＞Gangtou village＞Zhongjiazhuang village.The orders ofthe non-carcinogenic health risk indexes were As＞Ni＞Cr＞Cd＞Pb＞Hg＞Cu＞Zn.

industrial and miningarea;agricultural soil;heavymetal;health risk assessment

X825

A

1002-2481（2016）06-0811-06

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.06.23

2016-03-07

國家青年基金項目（41401619）；山西農(nóng)業(yè)大學(xué)引進人才科研啟動項目（2014ZZ07）

楊 強（1989-），男，山西孝義人，在讀碩士，研究方向：土壤與環(huán)境。馬祥愛為通信作者。