有機肥施用對蔬菜及其土壤環境中重金屬含量的影響及健康風險評估

王忠林，虞軼俊，王紫艷，楊桂玲*

(1.龍泉市農業農村局，浙江 龍泉 323700； 2.浙江省耕地質量與肥料管理總站，浙江 杭州 310020；3.浙江省農業科學院農產品質量標準研究所 農業農村部農產品質量安全風險評估實驗室(杭州)，浙江 杭州 310020)

隨著生態農業的大力發展以及人類對綠色有機食品需求的提高，有機肥的作用重新受到人們的重視。近年來，國家實施果菜有機肥替代化肥示范縣創建，加大有機肥推廣應用力度，實踐證明，有機肥替代化肥能夠提高耕地土壤肥力，進而改善農產品品質。但由于畜禽業向規模化、集約化發展，因飼料中違規添加、排泄物處理工藝落后、使用方式不當等因素，畜禽糞尿等排泄物，對產地環境、農產品質量安全造成的污染風險日趨嚴重[1-2]。通過對國內外大量文獻中研究結果及結論的整理分析表明，長期施用豬糞等畜禽糞便有機肥會顯著增加耕地土壤中重金屬的含量，使得重金屬在土壤環境中累積風險有升高的趨勢，從而造成土壤及農產品中重金屬含量超標的現象[3-5]。因此，亟需開展相應的有機肥風險評估工作，跟蹤已有風險因子，明確風險來源，為有機肥質量監管和施用技術的生產指導提供科學支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區域

龍泉市可使用土地總面積為3 059 km2，能夠種植山地蔬菜的面積高達16 667 hm2。龍泉市海拔500 m以上的耕地總面積為8 667 hm2，海拔800 m以上的耕地面積3 333 hm2，可利用面積居全省第一[6]。優越的耕地、氣候、生態環境條件，非常適合發展生態精品蔬菜產業，目前已建成高山蔬菜、山地蔬菜和設施蔬菜的高、中、低三個產業帶。2017年龍泉市蔬菜種植面積6 833 hm2，產值達4.86億元。

1.2 樣品采集

根據龍泉市蔬菜產業發展及有機肥替代情況的調研結果，選擇30多個具有代表性的蔬菜種植基地進行樣品采集。具體采集原則為：蔬菜樣品采自多個植株且均勻分布，每個蔬菜樣品采集量為2 kg。土壤樣品采自蔬菜所在地中0～20 cm的耕作層，每個土壤樣品由多個子樣混合而成，總重為2 kg。采集樣品共68批次，且采集土壤樣品與蔬菜樣品一一對應，各34批次，蔬菜樣品為茄果類、豆類、葉菜類等常見蔬菜種類。

1.3 研究方法

1.3.1 污染指數法

單因子污染指數(Pi)是指重金屬實際檢測值和該重金屬限量標準的比值，可用來表征土壤中單一重金屬的污染程度，具體公式[7-8]：

式中：Pi為重金屬i的單因子污染指數；Ci為土壤中重金屬i的檢測值(mg·kg-1)；Si為重金屬i的限量標準值(mg·kg-1)。

單因子污染指數僅反映了土壤中某單一重金屬的污染程度，而內梅羅綜合污染指數PN不僅綜合了多種重金屬污染情況，而且突出了土壤中重金屬污染情況最嚴重的綜合污染評價方法，計算如下式所示[9-10]：

式中，PN為內梅羅綜合污染指數；Pi平均為綜合重金屬單因子污染指數的平均值；Pi最大為重金屬i的單因子污染指數最大值。

1.3.2 污染指數分級標準

土壤中重金屬的污染劃分為5個等級[11-12]，標準如表1所示。其中，P≤0.7表示土壤為安全狀態，未受污染；0.7

表1 Pi及PN分級標準

1.3.3 膳食暴露風險評估方法

使用健康風險系數(HQi)對不同人群通過蔬菜攝入重金屬后的膳食暴露風險進行評估，通過重金屬的攝入劑量與參考劑量比值，計算出反映該重金屬對暴露人群的危害程度。當HQi<1.0時，表明重金屬不會對人體健康產生危害[13-15]。計算公式：

HQi=(Ci×IR蔬菜×EF×ED)/(BW×AT×RfDi)。

式中，IR蔬菜為人均蔬菜消費量(kg·d-1)；EF為人體每年暴露在重金屬條件下的天數(d·a-1)；ED為人體暴露在重金屬下的年限(a)；BW為體重(kg)；AT為暴露總時間(d)；RfDi為重金屬i的參考劑量(mg·kg-1·d-1)。

HQi僅能用來表示某單一重金屬對人群的膳食暴露風險，而多種重金屬對人群的總膳食暴露風險則用危害系數(HI)表征[11]，計算公式：

HI=∑HQi。

分別對兒童、成年人和中老年3個不同年齡段人群所攝入蔬菜中的重金屬膳食暴露風險進行計算[16]。當HI<1.0時，說明蔬菜中的重金屬不會對人體造成暴露風險；當HI>1.0時，說明重金屬對人體可能產生危害。

1.3.4 評估數據來源

毒理學數據。化學污染物風險評估不僅要考慮統計學意義，還要考慮評估模型的合理性和結果的保守性，對于化學污染物風險評估選擇平均值更接近人體攝入污染物實際值。因此，本報告選用平均值對風險進行評估參照，所有未檢出數據用1/2LOD(檢出限)替代。

消費量及體重數據。蔬菜重金屬暴露風險評估中消費量、人群體重數據主要來源于風險評估的相關文獻見[15,17]。

2 結果與分析

2.1 土壤污染指數評估結果

如圖1所示，根據單因子污染指數計算結果，5.9%土壤受到輕度鎳污染；分別有2.9%土壤受到輕度和中度的銅污染；14.7%和 2.9%土壤樣品受到輕度和重度鋅污染；分別有35.3%、2.9%、11.8%的土壤受到輕度、中度、重度的鎘污染；分別有11.8%、2.9%、2.9%的土壤受到輕度、中度、重度的鉛污染。

圖1 土壤中重金屬污染占比

按照內梅羅綜合污染指數計算結果，11.8%樣品受到重度污染，2.9%樣品受到中度污染，5.9%樣品受到輕度污染，44.1%樣品處于警戒狀態，35.3%樣品為安全狀態。

2.2 蔬菜膳食暴露評估結果

龍泉市蔬菜中的重金屬對不同年齡段人群的健康風險系數如圖2所示。在所有類別蔬菜中，重金屬對兒童的膳食暴露風險均高于青壯年和中老年。就某單一重金屬而言，研究區蔬菜重金屬HQi及HI平均值排序為Cd>Pb>Cu>Cr>Zn>Ni，說明蔬菜中的鎘、鉛等重金屬產生的暴露風險要高于鋅、鎳等重金屬，但蔬菜中的所有重金屬(Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb)對兒童、青壯年和中老年人產生的健康風險系數及總危害系數均未超過1.0，表明攝入龍泉地區蔬菜后不會對居民身體健康產生危害。

圖2 蔬菜重金屬膳食風險評估結果

2.3 富集系數

已有研究表明，農產品對其周邊土壤中不同重金屬的吸收能力具有明顯的差異，而富集系數是反映農產品對土壤中重金屬吸收能力的常見指標[18-19]。富集系數是指蔬菜中某重金屬檢測值與土壤中該重金屬檢測值的比值，其比值越小，說明蔬菜對土壤中重金屬的吸收能力越弱，反之，則說明蔬菜對土壤中重金屬吸收能力越強[19-21]。

蔬菜對土壤中重金屬富集系數計算結果表明，蔬菜對不同重金屬的吸收能力有明顯差異，重金屬Cr、Pb、Ni、Zn、Cu、Cd的富集系數如圖3所示，富集系數最大的是鎘，最小的是鉻，且富集系數相差100多倍，說明蔬菜對鎘、銅較易吸收，對鉻、鉛的抵抗能力最強。

圖3 重金屬富集系數

2.4 相關性分析

由表2可知，有機肥使用量與土壤中受污染程度無顯著相關(P=0.408>0.05)。可能原因：(1)除土壤外，龍泉地區蔬菜中更多的重金屬吸收來源于土壤背景值及大氣、水沉降等；(2)樣本數據量較少，統計學上可能存在較大誤差；(3)蔬菜中施用有機肥的種類較多，如菌肥、菜籽餅、畜禽糞便等，不同有機肥中重金屬含量差異較大。

表2 有機肥用量與土壤污染相關性(n=31)

3 小結

污染指數評估結果表明，極少數土壤樣品存在鎘、鉛等重金屬超標情況，已超出GB 15617—2018《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》規定的風險篩選值。龍泉蔬菜中重金屬膳食風險評估結果表明，蔬菜中重金屬對兒童可能造成的膳食暴露風險要高于青年人和中老年，但對所有年齡段的人群健康均不會產生危害。由于鉛、鎘部分土壤樣品已受到污染，且鉛、鎘屬于長期慢性暴露的有毒、有害重金屬。因此，今后需重點關注蔬菜中鉛、鎘的污染來源，并進行防范治理。同時，當地居民也應合理調整蔬菜食用結構，保障飲食安全，以降低鉛、鎘重金屬在身體中的富集風險。

有機肥施用量與土壤污染程度相關性分析表明，該地區受污染土壤重金屬累積風險與有機肥施用暫無相關性的結論，可能是因為該地區土壤重金屬背景值較高，或是施用有機肥種類較多，不同有機肥中重金屬含量差異較大，存在統計學差異，但不可忽視有機肥長期使用對土壤中重金屬的累積風險。建議持續開展不同原料生產的有機肥產品中重金屬的含量、有機肥連續使用對土壤中重金屬的累積性評估及在不同農產品重金屬殘留的風險監測評估，為有機肥科學安全使用提供科學的依據。