開都河下游綠洲農田土壤微量元素污染及潛在健康風險評價

阿吉古麗·馬木提，麥麥提吐爾遜·艾則孜*，艾尼瓦爾·買買提，迪力夏提·司馬義

（1.新疆師范大學地理科學與旅游學院，烏魯木齊 830054；2.新疆大學化學化工學院，烏魯木齊 830046）

土壤作為自然環境的一個基本要素，是農作物生長的基礎，農業可持續發展的保障。近年來，隨著區域經濟的快速發展以及人類活動的加劇，各種途徑釋放的微量元素進入土壤系統，導致土壤污染日益嚴重[1-3]。土壤微量元素可以經作物吸收后進入食物鏈或者通過某種方式進入水和大氣中，對人類健康和生物生長造成危害[2-4]。土壤中的微量元素由于殘留時間長、隱蔽性強、毒性大，可通過手-口攝入、呼吸暴露、皮膚黏附等途徑進入人體并發生沉積，導致人體機能的功能性障礙和不可逆轉性損傷，從而對人體造成危害[4-7]。

健康風險評價主要是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體健康產生的危害風險[8-9]。近年來，國內學者對微量元素污染的人體健康風險進行了大量研究，研究主要側重于礦區土壤或大氣降塵中的微量元素對人類健康的風險評價[10-15]。也有學者對干旱區綠洲土壤微量元素污染及其潛在生態風險進行了相關研究[16-17]，但對開都河下游綠洲農田土壤微量元素污染的健康風險評價的研究卻鮮見報道。新疆開都河下游綠洲屬于典型的干旱區綠洲灌溉農業區，特殊的生態類型決定了該地區農業生態環境的脆弱性[18]。近年來，隨著該綠洲工業化、城市化發展進程的不斷加快，綠洲土壤環境受到了微量元素污染威脅，同時威脅居民身體健康[18]。因此，對該地區農田土壤微量元素污染對人體暴露以及健康風險進行評價具有重要的意義。本研究以開都河下游綠洲為研究區，采用地累積指數與美國環境保護署（US EPA）推薦的健康風險評估模型，對研究區農田土壤中微量元素污染對周邊居民3種暴露途徑（經口攝入、呼吸吸入和皮膚接觸）進行了潛在健康風險評價，為保護研究區農產品質量安全與人體健康提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

開都河下游綠洲（86°10′～86°48′E，41°50′～42°13′N）位于天山山脈之間的中生代斷陷盆地，開都河下游，博斯騰湖西部，總面積71 372 hm2，在行政區劃上包括新疆焉耆、和靜和博湖縣，是新疆綠洲經濟發展的核心示范區之一，也是新疆加工辣椒和加工番茄的主要地區（圖1）。

圖1 研究區位置及采樣點分布圖Figure 1 The location of study area and sampling points

研究區氣候屬于溫帶大陸性干旱氣候，降水量少，蒸發量大，太陽輻射強，日照充足。多年平均氣溫約8.6℃，多年平均降水量約50～80 mm，多年平均蒸發量約2000～2450 mm，海拔高程1050～1800 m。土壤類型主要為灌耕草甸土、灌耕棕漠土、灌耕沼澤土、灌漠土、灌耕石質土、灌耕風沙土、鹽土等。農作物主要以番茄、辣椒、玉米、小麥為主[19]。

1.2 土樣采集與測定

2016年5月在研究區耕地進行表層（0～20 cm）土壤樣品采樣，總采集98個土壤樣品。采用10 m×10 m內梅花形布設5個子樣點，每個子樣點采集土壤200 g左右，將其充分混合后裝入潔凈自封塑料袋內。將采集的土樣室溫下風干，剔除沙礫及植物殘體等雜物后裝入紙袋，從中多點（約40點）取樣約20 g，用瑪瑙研缽進一步研磨，通過100目尼龍篩混勻后備用。測定土壤樣品中As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb與Zn含量。土壤樣品采用HNO3-HCl-HF-HClO4法電熱板加熱消解并處理。測定As時，稱取通過100目尼龍篩的土壤樣品0.2～1.0 g（精確至0.000 2 g）于50 mL具塞比色管中，加少許水潤濕樣品，加入10 mL（1+1）王水，加塞搖勻于沸水浴中消解2 h，期間搖動幾次，取下冷卻，用水稀釋至刻度，搖勻后放置。吸取一定量的消解試液于50 mL 比色管中，加 3 mL HCl、5 mL CH4N2S、5 mL C6H8O6溶液，用水稀釋至刻度，搖勻放置，取上清液待測。測定方法參考《土壤環境監測技術規范》[20]。As含量用PERSEE原子熒光光度機（PF-7）測定，Cd、Cr、Cu、Ni、Pb 和 Zn 的含量用火焰原子吸收光譜儀（Agilent 200AA）測定。每批土樣做3次空白樣和平行樣，取平均值作為樣品微量元素的最終含量。測試過程中加入國家標準土壤參比物質（GSS-12）進行質量控制，各微量元素的回收率均在國家標準參比物質的允許范圍內。

1.3 地累積指數法

農田土壤微量元素污染水平采用地累積指數[21]。地累積指數Igeo的計算公式為：

式中：Ci表示污染物實測值；Bi是該污染物的地球化學背景值，本研究選用新疆灌耕土背景值[22]；1.5為考慮到造巖運動可能引起背景值波動而設定的常數。Igeo的污染分級標準為：Igeo≤0為無污染，0＜Igeo≤1為輕微污染，1＜Igeo≤2為輕度污染，2＜Igeo≤3為中度污染，3＜Igeo≤4為重度污染，4＜Igeo≤5為嚴重污染，Igeo＞5為極嚴重污染。

1.4 土壤微量元素的健康風險評價法

1.4.1 暴露量計算

健康風險評價是以風險度作為評價指標，把環境污染程度與人體健康聯系起來，定量描述污染物對人體產生的健康危害[23]。采用US EPA健康風險評價模型，對研究區耕地土壤中7種微量元素3種暴露途徑對兒童和成人的日平均暴露量進行計算，計算公式如下：

經手-口途徑：

經呼吸途徑：

經皮膚接觸：

總日均暴露量ADDtotal（mg·kg-1·d-1）：

按照US EPA暴露因子手冊[24]、Superfund風險評價導則[25-26]以及耕地土壤微量元素污染的健康風險相關研究資料[27]，參數物理意義與取值如表1。

1.4.2 健康風險表征

本研究中的As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn 7種微量元素對人體都具有健康風險，其中As和Cd為美國毒物與疾病登記署列入的致癌風險物質[12，29]。潛在非致癌風險用風險商（HQ）和風險指數（HI）來表征，計算公式為：

式中：HQij為非致癌元素i在第j種暴露途徑下的單項非致癌風險指數（風險商）；ADDij為非致癌元素i第j種暴露途徑的暴露量，mg·kg-1·d-1；RfDij為非致癌元素i在j種暴露途徑的參考劑量；HI為7種微量元素通過3種暴露途徑所致的總非致癌風險指數；當HQij或HI＜1時表示非致癌健康風險屬于可接受風險水平；HQij或HI＞1時表示存在非致癌健康風險，值越大健康風險就越大[3，12，14]。

潛在致癌風險用風險指數（TCR）來表征，計算公式為：

式中：CRij為致癌元素i在第j種暴露途徑下的單項致癌風險指數；ADDij為致癌元素i在第j種暴露途徑的暴露量，mg·kg-1·d-1；SFij為致癌元素 i在j種暴露途徑的斜率因子，kg·d-1·mg-1；TCR為7種微量元素通過3種暴露途徑所致的總致癌風險指數。當CRij或TCR＜10-6，無致癌風險；10-6＜CRij或 TCR＜10-4，人體可耐受的致癌風險；CRij或TCR＞10-4，人體不可耐受的致癌風險[12，14]。RfD和SF的取值如表2。

表1 土壤微量元素健康風險評價參數Table 1 The parameter for health risk assessment of trace elements in soil

2 結果與討論

2.1 土壤微量元素含量統計分析

由表3可知，開都河下游綠洲農田土壤微量元素As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb 和 Zn 的平均含量分別為 1.35、0.21、52.17、30.61、35.85、45.88和4.36 mg·kg-1。所有元素平均值均未超出《國家土壤環境質量標準》（GB15618—1995）[30]中的Ⅱ級標準（pH＞7.5）的限值。土壤As和Cu含量的平均值未超出新疆灌耕土背景值，Cd、Cr、Ni和Pb含量的平均值分別是新疆灌耕土背景值的1.75、1.32、1.36倍和3.40倍。農田土壤中As、Cd、Cr、Cu、Ni與 Zn 等元素的偏度和峰度系數較大，表明部分土壤樣本呈現高含量區，處于高積累狀況。變異系數（CV）能反映各樣點微量元素含量的平均變異程度。研究區農田土壤中As、Cd與Pb的變異系數分別為0.47、0.38與0.55，屬于中等變異，表明不同采樣點As、Cd與Pb的差異較大。

2.2 農田土壤微量元素污染評價

從7種微量元素的平均地累積指數（Igeo）結果來看（表4），在98個樣本中所測微量元素的平均污染級別從高到低依次為Zn（1.72）＞Pb（0.72）＞Cd（0.13）＞Ni（-0.15）＞Cr（-0.21）＞Cu（-0.80）＞As（-1.55）。Zn 的Igeo平均值表現為輕度污染，Cd和Pb的Igeo平均值表現為輕微污染，As、Cr、Cu與Ni平均值表現為無污染態勢。從7種微量元素最大累積指數的情況來看，Cr、Cu與Ni的最大累積指數介于0～1之間，達到了輕微污染水平，Cd的最大累積指數介于1～2之間，達到了輕度污染水平，As與Pb的最大累積指數介于2～3之間，達到了中度污染水平，Zn的最大累積指數為5.07，達到了極嚴重污染水平。Zn的最小累積指數表現為輕微污染，其他6種元素最小累積指數表現為無污染態勢。

從各微量元素不同污染級別樣本數占樣本總數的比例來看，As無污染樣本數占樣本總數的90.91%；Cd樣本中無污染、輕微污染和輕度污染樣本數分別占樣本總數的39.78%、57.95%和2.27%；Cr、Cu和Ni樣本中無污染樣本的比例較大，分別占樣本總數的85.23%、97.73%和72.73%；Pb樣本中無污染、輕微、輕度和中度污染樣本數分別占樣本總數的21.59%、19.32%、56.82%與2.27%；Zn樣本中輕微、輕度、中度、重度、嚴重和極嚴重污染樣本數分別占樣本總數的3.41%、81.82%、10.23%、2.27%、1.14%和1.14%。

表2 微量元素不同暴露途徑的參考劑量（RfD）和斜率因子（SF）Table 2 References dose（RfD）for non-carcinogen trace elements and slope factors（SF）for carcinogen trace elements

表3 研究區農田土壤微量元素含量Table 3 Contents of trace elements in farmland soils of the study area

2.3 潛在非致癌風險

按照公式（2）～公式（5）計算得到了開都河下游綠洲農田土壤針對成人和兒童經3種暴露途徑的7種微量元素的潛在非致癌風險暴露劑量。結果表明，農田土壤中7種微量元素通過3種途徑的總日均非致癌暴露量從大到小依次為 Zn＞Cr＞Pb＞Ni＞Cu＞As＞Cd?？傮w而言，農田土壤7種微量元素對兒童的總日均非致癌暴露量均高于成人，表明農田土壤微量元素污染對兒童的非致癌健康危害更高。從暴露途徑來看，不論成人還是兒童，通過手-口攝入農田土壤微量元素均為該區域農田土壤中微量元素最主要的暴露途徑，其次為皮膚接觸途徑，通過呼吸途徑對人體健康危害作用最小。農田土壤中7種微量元素通過手-口途徑對兒童的暴露量均大于成人，通過呼吸與皮膚接觸途徑對兒童的暴露量均小于成人。

在日均暴露量分析的基礎上，根據式（6）和式（7）得到研究區農田土壤微量元素的HQ和HI值（表5）。

從表5可知，研究區農田土壤中7種微量元素在3種暴露途徑下成人和兒童的HQ從大到小依次為HQPb＞HQAs＞HQCr＞HQCd＞HQCu＞HQNi＞HQZn；對成人來說，農田土壤中As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb與Zn的HQ對HI的貢獻率分別為25.28%、8.78%、16.88%、1.54%、3.79%、42.84%和0.89%。對兒童來說，農田土壤中As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb與 Zn的 HQ 對 HI的貢獻率分別為27.68%、6.16%、22.58%、1.59%、3.78%、37.37% 和0.87%?？梢钥闯?，研究區農田土壤中As、Cr與Pb是最主要的潛在非致癌風險因子，研究區農田土壤微量元素導致的潛在非致癌健康風險主要是As、Cr與Pb不同暴露途徑所貢獻。在3種暴露途徑非致癌風險中，皮膚接觸途徑潛在非致癌風險最高，其次為手-口攝入途徑潛在非致癌風險，呼吸途徑潛在非致癌風險最小。微量元素通過手-口途徑對兒童的潛在非致癌健康風險均大于成人，通過呼吸與皮膚接觸途徑對兒童的潛在非致癌健康風險均小于成人。研究區農田土壤中7種微量元素通過3種暴露途徑的HQ與HI均小于1，風險較小，屬于可接受風險水平，微量元素對兒童的HI略小于成人。

根據98個采樣點檢測數據，采用GIS技術與地統計法，分析農田土壤中微量元素對成人和兒童的HI值的空間分布格局，結果見圖2。

從圖2可見，研究區農田土壤微量元素對成人和兒童的潛在非致癌風險指數空間分布格局基本一致，并呈現出較明顯的區域分異性特征。成人和兒童的潛在非致癌風險指數空間分布上均出現高值區，主要位于焉耆縣的四十里城子鄉和博湖縣的烏蘭再格森鄉，HI較低的區域主要分布于焉耆縣的北大渠鄉、查汗采開鄉、焉耆鎮和博湖縣的塔溫覺肯鄉。結合樣點采集背景分析，HI高值區的土壤樣本中As與Pb含量相對較高，這導致這些樣本潛在非致癌風險指數也較高。

表4 研究區農田土壤微量元素Igeo統計Table 4 Statistics of Igeoof trace elements in farmland soils of the study area

表5 研究區農田土壤微量元素非致癌風險指數Table 5 Non-carcinogenic risk index of trace elements in farmland soils of the study area

圖2 研究區農田土壤微量元素HI空間分布Figure 2 Spatial distribution of HI of trace elements in farmland soils of the study area

2.4 潛在致癌風險評估

根據US EPA健康風險評價方法的參數及微量元素實測含量，得到了研究區農田土壤As與Cd通過不同暴露途徑對成人和兒童的日均致癌風險暴露情況。結果表明，農田土壤中As通過3種途徑的致癌風險暴露量均比Cd高。農田土壤中As與Cd的3種途徑的日均致癌暴露量兒童均高于成人，土壤中As與Cd對兒童的潛在致癌健康風險危害更大。從暴露途徑來看，不論對于成人還是兒童，通過手-口攝入農田土壤中微量元素均為該區域農田土壤中微量元素最主要的潛在致癌風險暴露途徑，其次為皮膚接觸途徑，通過呼吸途徑對人體潛在健康致癌風險最小。

從表6可知，研究區農田土壤中CRAs大于CRCd。對成人來說，農田土壤中As和Cd的CR對TCR的貢獻率分別為93.78%和6.22%。對兒童來說，As和Cd的CR對TCR的貢獻率分別為90.64%和9.36%。可以看出，研究區TCR主要受As不同暴露途徑所貢獻，As是研究區農田土壤中最主要的致癌風險因子。對兒童來說，在As的3種暴露途徑中，手-口攝入途徑致癌風險最高，其次為皮膚接觸途徑，呼吸途徑致癌風險最小。對成人來說，在As的3種暴露途徑中，皮膚接觸途徑致癌風險最高，其次為手-口攝入途徑，呼吸途徑致癌風險最小。Cd的2種暴露途徑中，不論對于成人還是兒童，均表現為手-口攝入途徑致癌風險高，呼吸途徑致癌風險小?？傮w來看，研究區農田土壤中As和Cd的CR與TCR均小于10-4，屬于可接受風險水平，As和Cd對兒童的致癌風險略高于成人。其中Cd通過2種暴露途徑的CR均小于10-6，屬于可忽略致癌風險水平。

從開都河下游綠洲農田土壤微量元素對成人和兒童的TCR空間分布格局來看（圖3），研究區農田土壤微量元素對成人和兒童的致癌風險指數空間分布格局基本一致，并均出現高風險區。TCR值較高的區域主要分布于焉耆縣的27團、40里城子鄉和查干諾爾鄉，TCR值較低的區域主要分布于焉耆縣的北大渠鄉、查汗采開鄉、七個星鎮和博湖縣的博湖鎮。結合樣點采集背景分析，TCR高風險區的樣本中As含量相對較高，這與HI空間分布規律一致。這些區域農業生產過程中污染物的排放，辣椒加工產業以及交通運輸等可能造成土壤中As含量增高，從而導致致癌風險總指數增加。

表6 研究區農田土壤微量元素致癌風險指數Table 6 Carcinogenic risk index of trace elements in farmland soils of the study area

圖3 研究區農田土壤微量元素TCR空間分布Figure 3 Spatial distribution of TCR of trace elements in farmland soils of the study area

3 結論

農田土壤中微量元素通過不同途徑進入人體，體內過量蓄積對健康產生危害。開都河下游綠洲農田土壤中檢測的7種元素平均含量均未超出《國家土壤環境質量標準》中的Ⅱ級標準的限值，表明研究區農田土壤環境質量處于可持續的安全范圍之內。但是研究區農田土壤Zn呈現輕度污染，Cd和Pb呈現輕微污染，這些元素的污染風險值得關注。農田土壤中7種微量元素的非致癌風險指數以及As和Cd致癌風險指數均屬于可接受風險水平。微量元素對兒童的HI略小于成人，對兒童的TCR略高于成人。As、Cr與Pb是開都河下游綠洲農田土壤產生健康風險的主要污染物，應作為風險決策管理的優先控制對象。