安溪鐵觀音茶園土壤-茶葉重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

林承奇 ，王鳳婷，胡恭任，于瑞蓮，郝春莉，黃華斌 *

1. 廈門華廈學(xué)院環(huán)境與公共健康學(xué)院（廈門 361024）；2. 環(huán)境監(jiān)測福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（廈門 361024）；3. 華僑大學(xué)化工學(xué)院（廈門 361021）

重金屬是一類持久性有毒污染物，農(nóng)田土壤中的重金屬累積和污染引起廣泛關(guān)注[1-2]。農(nóng)田土壤中的重金屬不但會影響農(nóng)作物的品質(zhì)，還可能通過多種途徑對人體構(gòu)成健康風(fēng)險(xiǎn)。一方面，土壤中重金屬可能通過直接暴露（經(jīng)口攝食、呼吸吸入和皮膚接觸）進(jìn)入人體，從而產(chǎn)生健康風(fēng)險(xiǎn)[3-4]；另一方面，土壤中重金屬可能被茶樹吸收并經(jīng)過食物鏈進(jìn)入人體，從而產(chǎn)生健康風(fēng)險(xiǎn)[5-6]。重金屬一旦在人體內(nèi)長期累積，可能會引起致癌、致突變和致畸等毒性[7]。茶有著“國飲”之美稱，因其獨(dú)特的口味及保健功能等而備受青睞[5,8]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2018年，全球茶葉總產(chǎn)量為5.9×106t，其中，中國茶葉產(chǎn)量占全球的44.7%[9]。福建省是生產(chǎn)和出口茶葉的大省，在世界茶葉交易市場中具有重要經(jīng)濟(jì)地位[10]。茶樹在生長發(fā)育過程中，會從土壤中吸收必需和非必需元素，從而也造成土壤中重金屬往茶樹的遷移和富集[11]。有研究表明，茶葉中含有重金屬且長期接觸或飲茶可能使得重金屬在人體累積并造成危害[6,12-13]。因此，研究茶園中土壤-茶葉系統(tǒng)重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)具有重要意義。

常采用的重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)是基于美國環(huán)保署（EPA）建立的方法，對重金屬的致癌和非致癌風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)[14]。但查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，早期研究只對土壤中重金屬進(jìn)行健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)[15]，或者只對茶葉中重金屬進(jìn)行健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)[16]，而近年來更多學(xué)者將土壤和農(nóng)作物作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行評價(jià)[17-18]，能更全面評估重金屬的健康風(fēng)險(xiǎn)。

試驗(yàn)以安溪鐵觀音茶園土壤-茶葉系統(tǒng)為研究對象，分析土壤和茶葉中重金屬含量，評估重金屬通過直接暴露（經(jīng)口攝食、呼吸吸入和皮膚接觸）和食物鏈途徑對人體的綜合健康風(fēng)險(xiǎn)，以期為茶農(nóng)和茶園周邊居民的健康風(fēng)險(xiǎn)評估及茶園土壤重金屬污染污染防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

有著“中國茶都”之稱的安溪縣（117°36′～118°17′E，北緯24°50′～25°26′N）是著名烏龍茶鐵觀音的主要產(chǎn)地[19]。安溪縣地形地貌主要是丘陵，氣候?qū)儆趤啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候，其地形和氣候條件為鐵觀音茶葉提供了優(yōu)越的生長環(huán)境。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2018年安溪縣共擁有4萬 hm2茶園，年產(chǎn)茶葉6.5萬 t，涉茶總產(chǎn)值175億元[9]。開展針對安溪鐵觀音茶園土壤重金屬的質(zhì)量安全評估對該地區(qū)茶等產(chǎn)品的發(fā)展具有重要意義。

1.2 樣品采集與預(yù)處理

選擇安溪縣感德鎮(zhèn)、湖頭鎮(zhèn)、長坑鄉(xiāng)、尚卿鄉(xiāng)、西坪鎮(zhèn)、官橋鎮(zhèn)、虎邱鎮(zhèn)和鳳城鎮(zhèn)為采樣區(qū)，茶園主要分布于丘陵地貌，茶園土壤主要為黃壤，茶樹樹齡5～10年。采集鐵觀音茶園耕層（0～20 cm）土壤樣品，并在相應(yīng)采樣位置采集茶葉樣品，具體采樣點(diǎn)分布見圖1。采集的土壤樣品在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)自然風(fēng)干、碾碎、研磨后分別過2 mm篩（用于測定pH等理化參數(shù)）和0.075 mm篩（用于測定重金屬含量）。茶葉樣品去除雜物并用超純水洗干凈后，置于烘箱中105 ℃殺青并烘干，用粉碎機(jī)研磨成粉末并過0.425 mm篩用于測定重金屬含量。

圖1 土壤-茶葉采樣分布圖

1.3 土壤中重金屬含量測定

土壤中重金屬含量采用混酸（0.200 0 g樣品，HF、HCl和HNO3）微波消解；茶葉中重金屬含量采用混酸（1.000 0 g樣品，HNO3-HClO4混合）電熱板濕法消解。消解液中重金屬含量（Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb）用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS ELEMENT XR型）測定。

試驗(yàn)過程中，通過全程空白、平行樣測定及標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)同步分析等手段進(jìn)行質(zhì)量控制。其中：平行樣測定的δRSD在5%以下，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測定的回收率在±10%之內(nèi)；在測定過程中，通過內(nèi)標(biāo)進(jìn)行質(zhì)量控制，內(nèi)標(biāo)回收率在±20%之內(nèi)。

1.4 土壤重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)評估方法

美國環(huán)保署（USEPA）建立的健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型主要評價(jià)人體經(jīng)重金屬暴露后的致癌和非致癌風(fēng)險(xiǎn)[20]。茶園土壤-茶葉系統(tǒng)中重金屬主要通過土壤顆粒經(jīng)口攝入、皮膚接觸、呼吸吸入以及茶葉經(jīng)口攝入這4個(gè)途徑進(jìn)入人體。對成人的4種暴露途徑的日均攝入量及健康風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算如式（1）～（6）所示[17,21-23]。

式中：ADI為日均暴露量，mg/（kg·d）；HI（HQ）為綜合（單元素）非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；TCR（CR）為綜合（單元素）致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；式（1）～（4）中參數(shù)含義及取值見表1。式（5）和（6）中參數(shù)含義及取值見表2[25-26]。

重金屬的非致癌風(fēng)險(xiǎn)分為無風(fēng)險(xiǎn)（HI/HQ＜1）和有風(fēng)險(xiǎn)（1≤HI/HQ）；致癌風(fēng)險(xiǎn)分為無風(fēng)險(xiǎn)（TCR/CR＜10-6）、有人體可耐受的風(fēng)險(xiǎn)（10-6≤TCR/CR＜10-4）和有人體不可耐受的風(fēng)險(xiǎn)（10-4≤TCR/CR）。

表1 日均暴露量（ADI）計(jì)算參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 安溪鐵觀音茶園土壤重金屬含量

安溪鐵觀音茶園土壤中重金屬含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。茶園土壤中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb的平均含量分別為23.05，8.56，15.22，100.2，0.271和49.49 mg/kg。將茶園土壤中重金屬含量與福建省土壤元素背景值[27]對比，Zn、Cd和Pb存在一定程度富集，Cd含量達(dá)到背景值的5.0倍。將茶園土壤中重金屬含量與土壤環(huán)境質(zhì)量對比，土壤的pH為3.47～5.97，分別對應(yīng)土壤環(huán)境質(zhì)量（GB 15618—2018）中pH≤5.5和5.5＜pH≤6.5的值。除了Cd有25%采樣點(diǎn)含量高于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值外，其余元素在所有采樣點(diǎn)含量均低于污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，說明安溪鐵觀音茶園土壤大部分地區(qū)污染風(fēng)險(xiǎn)較低，但也有部分地區(qū)如虎邱和官橋等地（S1～S5采樣點(diǎn)）Cd可能存在污染風(fēng)險(xiǎn)。各元素的變異系數(shù)依次為Cd＞Cr＞Zn＞Cu＞Ni＞Pb，說明Cd、Cr和Zn等元素在不同區(qū)域之間差異較大[28]。

表3 土壤重金屬含量

2.2 安溪鐵觀音茶園茶葉重金屬含量

安溪鐵觀音茶園茶葉中重金屬含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。茶葉中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb的平均含量分別為0.182，2.86，9.57，20.08，0.020和0.481 mg/kg。對比NY 659—2003和GB 2762—2017中關(guān)于茶葉中重金屬限值的規(guī)定，安溪鐵觀音茶葉中重金屬Cr、Cd和Pb含量均低于標(biāo)準(zhǔn)限值。鐵觀音茶葉中各元素變異系數(shù)依次為Pb＞Cd＞Cr＞Ni＞Zn＞Cu，各采樣點(diǎn)Pb和Cd含量的差異較大。

重金屬從土壤到植物可食用部分的遷移和累積是土壤中重金屬進(jìn)入食物鏈的主要途徑[29]。生物富集系數(shù)（即茶葉與土壤中重金屬含量之比）可評估茶葉從土壤中富集重金屬的能力[30]。計(jì)算結(jié)果表明，安溪鐵觀音茶園茶葉中重金屬的富集系數(shù)分別為Cr（0.01±0.007），Ni（0.37±0.18），Cu（0.71±0.29），Zn（0.22±0.89），Cd（0.11±0.09）和Pb（0.01±0.01）。安溪鐵觀音茶園茶葉從土壤中富集重金屬的能力為Cu＞Ni＞Zn＞Cd＞Pb≈Cr。其中，茶葉對重金屬Cu的富集能力最強(qiáng)，可能是因?yàn)镃u屬于茶樹生長發(fā)育所必需的元素。茶葉對Pb和Cr的富集能力最小，可能是因?yàn)槠溥w移能力較弱。有研究表明，茶樹吸收土壤中的鉛后主要累積在根部，往茶葉遷移能力很弱[13]。

表4 茶葉重金屬含量

2.3 茶園土壤-茶葉重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

鐵觀音茶園土壤-茶葉系統(tǒng)中不同重金屬對人體的非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)與致癌健康風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果見圖2。各重金屬元素對成人的單元素非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（HQ）大小順序?yàn)镻b＞Cr＞Cu＞Ni＞Zn＞Cd，各元素對綜合非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（HQ）的貢獻(xiàn)率分別為Pb（28.04%），Cr（25.08%），Cu（23.13%），Ni（14.05%），Zn（6.71%）和Cd（2.99%）。各重金屬元素的HQ及HI均小于1，說明無非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)。各重金屬元素對成人的單元素致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（CR）值大小順序?yàn)镃r＞Pb＞Ni＞Cd，各元素對綜合非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（TCR）的貢獻(xiàn)率分別為Cr（96.12%），Pb（3.87%），Ni（0.004%）和Cd（0.001%）。Cr和Pb的CR介于10-6～10-4，表明存在人體可耐受的致癌風(fēng)險(xiǎn)；Ni和Cd的CR小于10-6，表明無致癌風(fēng)險(xiǎn)。各重金屬元素的TCR介于10-6～10-4，表明存在人體可耐受的致癌風(fēng)險(xiǎn)；結(jié)合各元素對致癌風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)率可知，各重金屬對人體的致癌風(fēng)險(xiǎn)主要由Cr和Pb貢獻(xiàn)，兩者貢獻(xiàn)率之和為99.99%。

圖2 不同重金屬的健康風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

圖3 重金屬經(jīng)不同途徑的健康風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

重金屬通過不同途徑對人體的非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)與致癌健康風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果見圖3。各重金屬通過不同途徑對成人的非致癌風(fēng)險(xiǎn)大小順序?yàn)榻?jīng)口攝入-茶（63.52%）＞經(jīng)口攝入-土（19.40%）＞皮膚接觸（16.99%）＞呼吸吸入（0.09%），而各重金屬通過不同途徑對成人的致癌風(fēng)險(xiǎn)大小順序?yàn)榻?jīng)口攝入-土（52.12%）＞經(jīng)口攝入-茶（47.38%）＞呼吸吸入（0.50%）。在安溪鐵觀音茶園土壤-茶葉系統(tǒng)中重金屬主要通過經(jīng)口攝入這一途徑對人體產(chǎn)生健康風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

安溪鐵觀音茶園土壤中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb平均含量分別為23.05，8.56，15.22，100.2，0.271和49.49 mg/kg，存在不同程度的重金屬富集且空間差異較大。其中，Zn、Cd和Pb的平均含量超過土壤背景值，部分地區(qū)土壤中Cd含量高于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，可能存在污染風(fēng)險(xiǎn)。

安溪鐵觀音茶園茶葉中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb平均含量分別為0.182，2.86，9.57，20.08，0.020和0.481 mg/kg。其中，Cr、Cd和Pb的含量均低于國家標(biāo)準(zhǔn)限值。茶葉中重金屬的富集系數(shù)大小順序?yàn)镃u＞Ni＞Zn＞Cd＞Pb≈Cr，較易富集Cu而不易富集Pb和Cr。

安溪鐵觀音茶園土壤-茶葉系統(tǒng)重金屬對人體無非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)（HQ和HI均小于1），但存在人體可耐受的致癌風(fēng)險(xiǎn)（TCR介于10-6～10-4，且主要由Cr和Pb貢獻(xiàn)，兩者貢獻(xiàn)率之和99.99%）。通過對不同途徑健康風(fēng)險(xiǎn)對比分析可知，土壤-茶葉系統(tǒng)中重金屬主要通過經(jīng)口攝入這一途徑對人體產(chǎn)生健康風(fēng)險(xiǎn)。