2021年烏魯木齊市農村土壤重金屬健康風險評價

韓芹芹，蘇菲菲，李 凡，王 濤 ，王 慶

（1.烏魯木齊市環境監測中心站，新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆自治區自然資源廳機關服務中心，新疆 烏魯木齊 830002；3.新疆師范大學化學化工學院，新疆 烏魯木齊 830054）

0 引言

近年來，由于農村經濟的粗放式發展，農村土壤重金屬污染問題日益突出，成為國內外廣泛關注的環境問題之一[1]。農作物對重金屬有富集作用，重金屬會經過食物鏈進入人體，使人體健康受到威脅[2]，因此農村土壤重金屬污染將會影響農產品質量和使用安全[3]，危及人類健康。

烏魯木齊市是新疆維吾爾自治區的首府，地處亞歐大陸腹地，屬干旱半干旱區，氣候干燥，水資源極度匱乏。近年來，全市社會經濟迅猛發展，城市建成區逐年擴展，截止2019年，建成區面積已達458.36km2，常駐人口也較十年前增長了近70%達355.2萬[4]，農村土壤是生態系統的重要組成部分[5]，與生態環境質量和居民的身體健康密切相關。本文以烏魯木齊市環境監測中心站2021年農村土壤常規監測數據為基礎，分析了烏魯木齊市農村土壤重金屬含量，并對烏魯木齊市農村土壤環境質量狀況和土壤環境健康風險進行評價，為建立農村土壤環境質量監督管理體系，保護和合理利用土地資源，防治土壤污染及合理制定保護對策提供基礎數據信息。

1 監測概況

1.1 監測點位概況

根據2021年國家和自治區生態環境監測方案的相關要求，通過對烏魯木齊市郊農村村莊實地調研，并統籌考慮經濟發展程度和環境污染程度，選取人口數量相對較多、分布相對集中的行政村，村莊類型涵蓋了種植型、商業旅游型、牧業型和生態型等4種類型，共計7個典型村莊，作為農村土壤環境質量監測對象，不同類型村莊的主要經濟來源包括：種植型村莊Z1和Z2均以種植業和養殖業為主，Z3以土地租賃和三產為主；商業旅游型村莊L1和L2均以旅游業、畜牧業為主；牧業型村莊M1以畜牧業和三產為主，生態型村莊S1以種植業、養殖業和旅游業為主。各村莊信息詳見表1。

表1 2021年農村土壤環境質量監測村莊信息一覽表

按照《關于印發＜全國農村環境質量試點監測工作方案＞和＜全國農村環境質量試點監測技術方案＞的通知》（環發[2014]125號）及《2021年新疆農村環境質量監測工作方案》的相關要求，農村土壤監測點位布設原則：以村莊為單元，在基本農田、園地（果園、菜園等）、飲用水源地周邊各布設1個監測點位，共計3個點位；同時根據村莊的環境狀況，在重點區域土壤中選取兩類，各布設1個監測點位。重點區域土壤包括：工礦企業周邊土壤；畜、禽、水產養殖場周邊土壤；污水灌溉的農田土壤，大量堆放工業廢渣、生活垃圾場地周圍土壤；長期受工業廢氣和粉塵影響的土壤；其他疑有污染的土壤。為確保土壤監測點位的科學性和代表性，監測人員嚴格按照《HJ/T 166-2004土壤環境監測技術規范》組織實施此項工作，對村莊內的基本農田、園/林地、農村飲用水源地周邊、農村重點區域（主要是畜禽養殖場周邊和居民區周邊）進行了布點監測，每個村莊布設5個監測點位，共計35個監測點位，開展農村土壤環境質量監測。

1.2 監測方法及頻次

執行《HJ/T 166-2004 土壤環境監測技術規范》，采樣選擇0～20cm表層樣。采樣前清除土壤表面腐殖質，無機類土壤樣品用木鏟采集，有機類土壤樣品用鐵鏟采集，并用500mL棕色磨口玻璃瓶裝。采樣時間避免在施用農藥、化肥后立即采樣，1次/a。

1.3 監測項目分析方法及質控

為確保監測全程各項操作技術和質量控制活動的規范性和完備性，以及監測數據的準確性和可靠性，采樣布點、樣品運輸與保存、樣品制備、實驗室分析、數據處理等各個環節均嚴格執行《HJ/T166-2004土壤環境監測技術規范》《全國土壤污染狀況調查質量保證技術規范》和有關技術規定，做好全過程的質量保證和質量控制工作，確保監測結果的科學性、準確性和可靠性。土壤無機金屬項目的分析方法包括：Cr、Pb、Ni、Cu和Zn采用《HJ 491-2019土壤和沉積物 銅、鋅、鉛、鎳、鉻的測定 火焰原子吸收分光光度法》，Hg和As采用《GB/T 22105.2-2008土壤質量 總汞、總砷、總鉛的測定 原子熒光法》中“第一部分：土壤中總汞的測定”和“第二部分：土壤中總砷的測定”，Cd采用《GB/T 17141-1997土壤質量 鉛、鎘的測定 石墨爐原子吸收分光光度法》。

實驗室分析測試過程中，每批樣品每個項目分析時均做10%平行樣品；當樣品＜5個時，平行樣不少于1個。平行雙樣測定結果的誤差在允許誤差范圍之內者為合格。在實際分析中，每批要測質控平行雙樣，在測定的精密度合格的前提下，質控樣測定值必須落在質控樣保證值（在95%的置信水平）范圍之內，否則本批結果無效，需重新分析測定。精密度和準確度均滿足《HJ/T 166-2004土壤環境監測技術規范》13.2節的相關要求。

2 評價標準及方法

2.1 評價標準

土壤環境質量評價標準執行《GB 15618-2018土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》，其中無機項目執行“表1 農用地土壤污染風險篩選值（基本項目）”標準限值，有機項目執行“表2 農用地土壤污染風險篩選值（其他項目）”標準限值，其他非常規項目不做評價。

2.2 評價方法

采用達標評價和內梅羅綜合污染指數評價相結合的方法。達標評價即監測項目測定值應低于《GB 15618-2018土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準》規定的風險篩選值，監測多個項目時，有一個項目含量超過風險篩選值，則該點位土壤超標；內梅羅綜合污染指數評價又分為單項污染指數法和綜合污染指數法，相關評價計算公式和分級標準如下：

根據Pi和Pn的大小，土壤環境質量單項污染指數和綜合污染指數評價劃分為五級。見表2。

表2 土壤單項污染指數和綜合污染指數評價標準

2.3 土壤重金屬人體健康風險評價

采用USEPA公布的健康風險評估模型，評價土壤重金屬經手-口直接攝入、皮膚接觸和呼吸吸入等3種主要途徑進入成人和兒童體內，對成人和兒童健康產生致癌和非致癌風險。

通過手-口攝入EDI手-口、皮膚接觸EDI皮膚和呼吸吸入EDI呼吸等3種暴露途徑攝入土壤的總污染劑量分別見式（1）、（2）和（3），mg/（kg·d），其中CS為土壤中重金屬質量分數，mg/kg，其余暴露評估參數含義、取值和單位詳見表3。

表3 暴露評估參數取值

致癌風險RT為不同重金屬通過不同暴露途徑（EDIj）傳播土壤污染劑量對身體造成的致癌風險Ri的總和，詳見式（4），SFi為不同途徑的致癌風險斜率系數，mg/（kg·d），選擇Cd、Cr和As作為致癌風險評價參數，取值詳見表4，研究顯示：RT的值在10-6～10-4處于安全區間，若RT＞10-4后，存在致癌風險。

非致癌風險HI為不同重金屬通過不同暴露途徑（EDIj）產生的非致癌風險HQi的總和，詳見式（5），RfDj為不同途徑的毒性參考劑量，mg/（kg·d），取值詳見表4。研究顯示：HI及HQi≤1時，人類不會受到明顯傷害，0＜HQi＜10時人體極有可能受到傷害，HQi≥10時意味著存在嚴重的慢性風險。

表4 不同暴露途徑下重金屬的SF和RfD取值

3 監測結果與評價

3.1 理化指標pH及無機重金屬元素含量特征分析

2021年監測選取了烏魯木齊市7個村莊共計35個點位的表層土壤，其pH和主要無機重金屬元素監測結果詳見表5。

表5 農村土壤pH和無機重金屬元素描述統計結果

監測結果顯示：2021年烏魯木齊市農村土壤整體pH值范圍7.74～8.92，土壤整體呈弱堿性。無機項目濃度指標均達到《GB 15618-2018土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》中“表1 農用地土壤污染風險篩選值（基本項目）”標準限值。變異系數用來衡量均值不同的數據的離散程度，無機項目中Hg變異系數為81%，屬于高度變異（CV＞36%）[6]，表明這種元素可能受到外來活動的干擾，pH值變異系數3%，其他元素Cr、Ni、Zn和Cu變異系數在13%～19%，Cd和Pb變異系數在28%左右，均較小。峰度值和偏度值用來表征數據的正態雙尾特性，自然狀態下的土壤中元素值應服從正態分布，Hg的偏度值3.44較大，峰度值15.27較高，表明人類活動產生較多異常值使得數據的分布發生改變。

利用SPSS16.0統計分析軟件，對所選取的pH值和無機重金屬元素先進行標準化處理，得到相關系數矩陣，詳見表6。從相關系數矩陣中可以看出，大部分相關系數＞0.3，相關性分析結果顯示：pH值與Pb、AS呈正相關，Zn與Cd呈負相關，Cd、Cr、Ni和As呈強正相關，可見重金屬元素在信息上存在一定的重疊。

表6 農村土壤pH和無機重金屬元素相關系數矩陣

3.2 土壤環境質量評價

2021年，烏魯木齊市農村土壤單因子污染指數平均值見表7，其中As和Cd的單因子污染指數對內梅羅綜合污染指數貢獻率最大。內梅羅綜合污染指數分布顯示：牧業型村莊土壤綜合污染指數0.53最高，種植型和商業旅游型村莊均為0.50，生態型村莊的綜合污染指數0.46最低。單項污染指數和綜合污染指數均＜0.7，烏魯木齊市農村土壤環境質量均處于清潔（安全）等級。

表7 農村土壤環境質量評價結果 （mg / kg）

3.3 健康風險指數評價

3.3.1 致癌風險評價

根據健康風險評價模型及相關風險評價參數，烏魯木齊市4種類型村莊農田土壤中Cd、Cr和As三種重金屬元素通過手-口、皮膚接觸和呼吸吸入途徑導致的成人和兒童的致癌健康風險詳見表8。

由表8可見，手-口途徑致癌風險R手-口數量級在10-7～10-5，所占總風險RT的比例最大，成人和兒童分別高達81.9%和98.7%；皮膚接觸途徑R皮膚致癌風險數量級在10-9～10-6，所占總風險RT的比例位居第二，成人和兒童分別為18.2%和1.23%，呼吸途徑R呼吸數量級在10-17～10-13，所占總風險RT比例基本可以忽略不計。

表8 2021年烏魯木市齊農村土壤金屬元素對成人和兒童的致癌風險

三種重金屬元素在不同途徑致癌風險中的致癌風險數量級排序及貢獻率分布顯示：

手-口途徑R手-口中致癌風險數量級排序為：成人Cd（10-7）＜As（10-5）、Cr（10-5），兒童Cd（10-7～10-6）＜As（10-6～10-5）＜Cr（10-5），Cr和As對R手-口的貢獻率分別為53.9%和42.5%，Cd對R手-口的貢獻率僅為3.3%。手-口途徑R手-口總風險數量級成人和兒童均為10-5。

皮膚接觸途徑中R皮膚致癌風險數量級排序為：成人Cd（10-9）＜As（10-9～10-8）＜Cr（10-7），兒童Cd（10-8）＜As（10-8～10-7）＜Cr（10-6），Cr對R皮膚的貢獻率高達97.2%，As對R皮膚的貢獻率為1.9%，Cd對R手-口的貢獻率僅為0.9%。皮膚接觸途徑R皮膚總風險數量級成人10-6較兒童10-7高出1個數量級。

呼吸途徑中R呼吸致癌風險排序為：成人Cd（10-17）＜As（10-15）＜Cr（10-14），兒童Cd（10-17～10-16）＜As（10-15～10-14）＜Cr（10-14～10-13）。呼吸途徑中R呼吸總風險數量級成人10-13較兒童10-14高出1個數量級。

RT致癌風險數量級在10-7～10-5，R手-口、R皮膚和R呼吸及RT致癌風險數量級均處于安全區間10-6～10-4以內，不存在致癌風險。

3.3.2 非致癌風險評價

根據健康風險評價模型及相關風險評價參數，烏魯木齊市4種類型村莊農田土壤中8種重金屬元素通過手-口、皮膚接觸和呼吸吸入途徑導致的成人和兒童的非致癌健康風險詳見表9。

由表9可見，手-口途徑非致癌風險HQ手-口數量級在10-4～10-1，占總風險HI比例最大，成人和兒童分別為89.8%和99.3%；皮膚接觸途徑非致癌風險HQ皮膚數量級在10-6～10-1，占HI比例位居第二，成人和兒童分別為10.2%和0.6%；呼吸途徑非致癌風險HQ呼吸數量級在10-14～10-9，占HI比例基本可以忽略不計。

表9 2021年烏魯木市齊農村土壤金屬元素對成人和兒童的非致癌風險

每種途徑的HQ中都是8種重金屬HQi貢獻率的累加，8種重金屬在不同途徑非致癌風險中的風險數量級排序及貢獻率分布顯示：

手-口途徑HQ手-口中As、Cr、Pb和Ni 4種重金屬風險數量級成人和兒童分別為（10-3～10-2）和（10-2～10-1），較其他金屬（10-5～10-3）高出102～103數量級，這4種重金屬HQi對HQ手-口貢獻率分別為As58.5%、Cr22.3%、Pb13.5%和Ni3.1%，累積貢獻率高達97.5%，其余重金屬對HQ手-口貢獻率僅占2.5%。手-口途徑HQ手-口總風險數量級兒童10-1較成人10-2高出1個數量級。

皮膚接觸途徑HQ皮膚中成人風險數量級As、Cr、Pb和Ni 4種重金屬風險數量級成人和兒童分別為（10-2～10-1）和（10-3～10-2），較其他金屬（10-4～10-3）高出101～103數量級，這4種重金屬的HQi對HQ皮膚累積貢獻率高達例98.3%，其中Cr貢獻率達78.3%，其余重金屬對HQ手-口貢獻率僅占1.7%。皮膚接觸途徑HQ皮膚總風險數量級兒童和成人均為10-3。

呼吸途徑HQ呼吸中As、Cr和Ni3種重金屬風險數量級成人和兒童均為（10-10～10-9）較其他金屬（10-14～10-12）高出102～105數量級，這3種重金屬HQi對HQ呼吸的貢獻率分別為45.5%、26.1%和27.2%，累積貢獻率高達98.5%左右，其余金屬累積貢獻率僅為1.3%。呼吸途徑HQ呼吸總風險數量級兒童10-9較成人10-10高出1個數量級。

每種重金屬元素的非致癌風險HQ均未超過1，說明單個金屬元素不存在對居民群眾的健康風險。8種重金屬元素共同產生的非致癌總風險HI數量級兒童10-1較成人10-2高出1個數量級。

4 結論與建議

4.1 結論

（1）綜合污染指數分布顯示：烏魯木齊市農村土壤單項污染指數和綜合污染指數均＜0.7，土壤環境質量均處于清潔（安全）等級。牧業型村莊土壤綜合污染指數最高，生態型村莊的綜合污染指數最低。

（2）致癌健康風險指數分布顯示：手-口途徑致癌風險R手-口所占總風險RT的比例最大，成人和兒童分別高達81.9%和98.7%；皮膚接觸途徑R皮膚所占總風險RT的比例位居第二，呼吸途徑R呼吸占總風險RT比例基本可以忽略不計。Cr和As是主要致癌因子，RT致癌風險數量級在10-7～10-5，R手-口、R皮膚和R呼吸及RT致癌風險數量級均處于安全區間10-6～10-4，不存在致癌風險。

（3）手-口途徑非致癌風險HQ手-口占總風險HI比例最大，成人和兒童分別為89.8%和99.3%，皮膚接觸途徑非致癌風險HQ皮膚占HI比例位居第二，呼吸途徑非致癌風險HQ呼吸數量級在10-14～10-9，占HI比例基本可以忽略不計。As、Cr、Pb和Ni 4種重金屬是主要非致癌風險因子。每種重金屬元素的非致癌風險HQ均未超過1，說明單個金屬元素不存在對居民群眾的健康風險。8種重金屬元素共同產生的非致癌總風險HI數量級兒童10-1較成人10-2高出1個數量級。

4.2 建議

雖然烏魯木齊市農村土壤環境質量均處于清潔（安全）水平，不存在致癌和非致癌風險，但此次監測結果顯示烏魯木齊市農村土壤環境中Hg變異系數較大，表明可能受到外來活動的干擾。土壤中Hg的來源主要有2個方面：土壤母質和人類活動（化石燃料的燃燒、工業生產的廢料、城市生活垃圾的堆放、污水灌溉、農用耕作中大量施用含汞肥料、農藥）。隨著烏魯木齊工業的迅速發展，Hg的污染來源也越來越多，土壤Hg含量也有了一定積累，Hg在大氣、土壤和水體之間不斷進行著遷移、轉化，使得土壤汞的積累也在不斷增加，土壤Hg已成為一種潛在污染。另外，建議相關部門加大烏魯木齊農村土壤汞及主要致癌和非致癌因子As、Cr的監測范圍及監測力度，做好長期監測，防止新的土壤污染的產生。