生活垃圾堆放場周邊表層土壤重金屬污染及健康風險評價

劉辰朔 閆金霞 鄭筱萱

收稿日期：2023-08-05

作者簡介：劉辰朔（2000- ），女，碩士研究生，研究方向為流域水生態重金屬污染風險評價。

摘 要：以河南某高校垃圾堆放場周邊表層土壤為研究對象，分析土壤理化性質和重金屬含量，并對表層土壤重金屬進行污染評價和健康風險評價。研究結果表明，土壤含水率與植被覆蓋率相關，與垃圾堆放場的遠近無關；距離垃圾堆放處越遠土壤中全鹽量越小；垃圾堆放處對于土壤中的全氮和總磷含量并未有直接的影響。表層土壤中重金屬As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的含量均低于河南省土壤背景值，除重金屬Cd以外，距離垃圾堆放處越遠重金屬含量越小。研究發現距離垃圾堆放處較近對于蔬菜中重金屬含量有一定的影響。毛豆對于重金屬的富集能力較強，更容易吸收土壤中的各種重金屬元素。根據單因子指數法分析顯示，本區域目前尚未受到污染。地累積指數法計算得出，研究區域土壤重金屬處于無污染狀態。蔬菜的目標危險系數（THQ）均＜1，說明食用該區域的蔬菜并不會對人體健康產生影響。

關鍵詞：表層土壤；重金屬；蔬菜；健康風險評價

中圖分類號：X 825文獻標志碼：A文章編號：1673-9655（2024）03-00-06

0 引言

重金屬在土壤中具有長期殘留、不可降解、易遷移、高毒性等特點，賦存在土壤中的重金屬污染物，通過根系富集等途徑進入農作物的不同部位，影響作物的生長發育。Linnik[1]等在俄羅斯對污染土壤進行研究后發現，一旦土壤中的重金屬含量超標，就會對植物的生長產生巨大影響，經不同層級食物鏈的累積作用最終危害到人體健康。近年來，國內外許多學者對于校園內的土壤重金屬污染情況有一定研究，主要是從不同校區、不同分塊區域進行研究，同時對校園土壤進行單因子指數、地累積指數等等進行研究。淮南[2]、

開封[3]等地的校園土壤重金屬大多都超過了當地土壤背景值，其中人類活動占主要因素，人類活動與自然原因是校園土壤重金屬污染的主要來源。

本次研究主要針對高校中垃圾堆放處周邊土壤重金屬的污染情況并進行健康風險評價，研究垃圾堆放處對于校園周邊表層土壤的理化性質以及重金屬含量的影響，并運用單因子污染指數法和地累積指數法對土壤中重金屬污染進行評價，同時探究垃圾堆放處周邊土壤中所種植的蔬菜的重金屬含量，分析植物可食用部位的重金屬富集能力，采用目標危險系數法分析成人食用蔬菜攝入重金屬的健康風險，提供了一定的科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區域為鄭州市某高校長期性生活垃圾堆放場，占地面積約100 m2，地勢平坦開闊，地勢西北高東南低，地下水水位穩定。堆放場北部約20 m

處為學生宿舍區，南部相鄰區域為農田，種植毛豆、小蔥、油菜花籽、小青菜和生菜等蔬菜作物。該區域的污染源主要包括化肥、農藥、編織網袋等。此外，由于大雨對垃圾堆放場的淋溶和雨后積水對場地的浸泡，垃圾堆放場受到了嚴重影響，可能會對周邊土壤造成污染。

1.2 采集點的確定

樣品采集時，刮去地表植物凋落物，采集地表土樣，并去除雜草、礫石、肥料團塊等雜物。每個采樣區的樣品為農田土壤混合樣。由于采樣點數目較多，為全面客觀評價污染情況，本次使用蛇形法進行布點，分別采取土壤和蔬菜樣品。土壤采樣總共有19個采樣點，且采樣時需要避開施肥區，減少干擾。為測定蔬菜和植物中的重金屬含量，通過蛇形法布點，布設5個采樣點，如圖1所示。

1.3 理化性質的測定

對于取得的土壤樣品，用重量法（HJ 613—2011）測定其含水率，點位法（HJ 962—2018）測定pH值，堿熔-鉬銻抗分光光度法（HJ 962—2018）測定TP，凱氏法（HJ 717—2014）測定TN。

稱取土壤或蔬菜樣品，放入微波消解儀中消解55 min，冷卻30 min左右，之后放入趕酸器中。當液體成粘稠狀后，取下稍冷，用移液槍加入少量的硝酸溶液沖洗消解罐的內壁，利用余溫溶解消解罐中的殘渣，而后轉入50 mL容量瓶或50 mL比色管中，洗滌三次以上全部轉入容量瓶或比色管中，然后用硝酸定容至標線，混勻，靜置，取上清液待測。

分析Cd、Cr、Cu、Zn、Ni、Pb、As、Hg

共8種重金屬的含量，其中Cd、Cr、Cu、Zn、Ni、Pb的檢測采用電感耦合等離子質譜法

（HJ 803—2016），用電感耦合等離子體質譜儀檢測。As和Hg采用微波消解—原子熒光法測定

（HJ 680—2013）。土壤和蔬菜樣品中各金屬元素的含量，按照下式進行計算。

（1）

式中：ω1—樣品中金屬元素的含量，mg/kg；ρ—由標準曲線計算所得試樣中金屬元素的質量濃度，mg/L；ρ0—實驗室空白試樣中對應金屬元素的質量濃度，mg/L；V—消解后試樣的定容體積，mL；f—試樣的稀釋倍數；m—稱取過篩后樣品的質量，g；Wdm—樣品干物質的含量，%。

獲得實驗數據后，運用Excel軟件對數據進行基本統計，包括最值、均值等數據，使用SPSS軟件進行樣品理化性質和重金屬含量相關性分析，使用Origin等制圖軟件進行繪圖。

1.4 土壤中重金屬污染評價方法

1.4.1 單因子指數法

目前國內評價土壤重金屬污染的常用方法為單因子指數法，可以反應處土壤中各個重金屬的平均污染水平[4]。其公式如下：

（2）

式中：P—污染物單因子指數；Ci—實測濃度，mg/kg；Si—土壤環境質量標準（GB15618—2008），mg/kg。土壤質量分級標準見表1[5]。

1.4.2 地累積指數

地累積指數Igeo主要用于清晰土壤中的重金屬污染[6]，其計算公式如下：

（3）

式中：Ci—土壤元素i的濃度，mg/kg；Bi—元素i的背景值，mg/kg；1.5—修正系數。地累積指數分級標準見表2。

1.5 蔬菜攝入的健康風險評價方法

對這些蔬菜進行健康風險評價，檢測評價可能會對人體健康造成的風險。目標危害系數法（THQ）是使用較頻繁的方法之一，能夠評價重金屬元素可能會對人體健康造成的風險評價，此方法可評價單一重金屬的健康風險和多種重金屬復合暴露的健康風險[7，8]。單一重金屬風險計算公式如下。

（4）

式中：THQ—目標危險系數；EF—暴露頻率，取365 d/a；ED—暴露年限，取70 a；Fm—蔬菜日攝入量，成人蔬菜日攝取量為0.45 kg/d；c—蔬菜中某重金屬的濃度，mg/kg；WAB—平均質量，成人為60 kg；RFD—重金屬暴露參考劑量，mg/（kg·d），見表3；Tn—平均暴露時間，取25550 d。

2 結果與討論

2.1 土壤理化性質分析

根據圖2數據分析可知，含水率與植被覆蓋率相關，與垃圾堆放場的遠近無關。樹木較高的區域能阻止土壤水分的蒸發，而其余地區的植被類型為草地，春季草矮且會定期修剪，植被裸露部分較多，土壤水分較低，人為活動較為頻繁，土壤含水率也會較低[9]。該區域土壤主要呈中性偏堿性，鄭州市城市土壤pH值呈中性偏堿性，主要原因可能是由于土壤類型有風砂土、潮土、褐土等土壤類型，這些土壤本身呈中性或堿性[10]，

與本次研究的結果分析較為一致。

土壤的全鹽量隨著距離垃圾堆放處越遠而逐漸減小。2號、3號、5號、6號、7號采樣點含量比其余采樣點較高，有機質含量較高與林內土壤具有較高的腐蝕質相關[11，12]，而喜鵲麻雀的糞便相當于施肥，其有機質含量較高，可能由于該處樹木茂密，覆蓋面較廣，有較多的鳥雀在此處停靠，故有機質含量會高于其余采樣點；全氮含量數據波動情況較大，證明垃圾堆放處的遠近對于全氮的數值并未有直接的影響。9號、13號、15號、16號采樣點含量偏高，經現場調查研究，這四處的采樣點其距離種植處極為接近，可能由于肥料的混入導致全氮含量增大；距離垃圾堆放處較近的1號、5號、9號、14號采樣點，其總磷含量較高，說明垃圾堆放處可能對于總磷有一定的影響。10號采樣點總磷含量最高，主要原因可能為該區域種植生菜蔬菜，其生長周期需要大量的灌溉施肥，土壤水分變化幅度較大，土壤的理化性質也隨之改變，從而影響了土壤中微生物的代謝[13]。

2.2 土壤中重金屬含量特征分析

土壤中重金屬As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的含量均值分別為0.049、0.03、29.337、9.071、1.802、0.135、4.787 mg/kg（如表4所示），均低于河南省土壤背景值[14-16]。本片區域中土壤重金屬含量均符合標準，沒有超標情況。除了重金屬Cd以外，垃圾堆放處對于該區域表層土壤中的其余重金屬含量均有一定的影響，特征表現為距離垃圾堆放處從近至遠重金屬含量呈下降趨勢。其中對Cr、Cu兩種重金屬影響較大。

根據單因子指數法計算結果（見圖3），所有污染物單因子指數均＜1，說明該區域目前尚未受到污染。根據地累積指數Igeo計算可得（見圖4），

研究區土壤As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn等7種元素的Igeo值均小于1。根據表1的分級標準，研究區域的土壤重金屬均屬于無污染，目前尚無潛在輕度污染風險。

2.3 蔬菜中重金屬含量分析

蔬菜中Zn 、Pb、As 、Ni 、Cu 、Cr 、Cd重金屬含量均值分別為：0.476、0.143、0.147、0.0774、0.077、0.0036、0mg/kg（如表5中所示），1號采樣點的重金屬As、Cr、Cu、Ni、Pb的含量都大于其余采樣點，而該點距離垃圾堆放處較近，說明垃圾堆放處對于蔬菜重金屬含量有一定的影響（如圖5所示）。1號采樣點位為毛豆（豆類蔬菜）、2號為小蔥（葉菜類蔬菜）、3號為油菜花結的籽（果實類）、4號為小青菜（新鮮蔬菜）、5號為生菜（新鮮蔬菜）。這些重金屬主要在毛豆和小蔥兩種蔬菜中含量較高，其原因可能是這兩類蔬菜距離垃圾堆放處位置較近，且這兩種植物在采集時主要使用了其菜葉處，通過葉片的吸收作用富集空氣中的有害物質，葉片的蒸騰量較大，空氣中塵態和氣態重金屬進入植物體內從而導致植物重金屬含量富集，這與其他學者研究結果較為一致[7，17]。本次實驗同時研究了蔬菜中重金屬的富集能力。富集系數主要是指植物中的某種重金屬含量與土壤中同種重金屬含量的比值，能夠反應其富集能力[18]，見表6。

經過比較發現（圖6），毛豆對于各個重金屬的富集能力較強，更容易吸收土壤中的各種重金屬元素，這可能與蔬菜結構以及代謝能力有關[19]。

根據目標危害系數法計算結果分析（圖7），5種蔬菜的目標危險系數（THQ）均＜1，說明食用該區域的蔬菜并不會對人體健康產生影響。由圖7和圖8可知，成人使用蔬菜攝入的重金屬的TTHQ為：毛豆＞小蔥＞油菜花籽＞小青菜＞生菜，攝入較高重金屬的蔬菜為毛豆，這與毛豆對重金屬的富集能力較高的結論一致，但均不會對成人產生影響。

2.4 土壤理化性質與重金屬含量相關性分析

對于垃圾堆放處周邊表層土壤區域的19個采樣點中的土壤理化性質與重金屬進行相關性分析，結果見表7。

由表7可得，含水率與土壤中的砷、鉻、鉛、鋅存在負相關性，與銅和鎳存在正相關性，但無顯著相關性；pH與鉻存在極顯著相關性，與鎳存在顯著相關性，與其余重金屬均不存在顯著相關性，其中銅與pH呈負相關性，其余重金屬與pH存在正相關性；全鹽量與鉛存在負相關性，與其余重金屬存在正相關性，但均不存在顯著相關性；全氮與重金屬元素均存在負相關性，其中與砷存在顯著相關性，與其余重金屬均不存在顯著相關性；總磷與重金屬元素均存在正相關性，其中與鋅存在顯著正相關性，與其余重金屬元素均不存在顯著相關性。

土壤的理化性質中pH與土壤的重金屬元素關系較為密切，其次是全氮和總磷，其原因可能因為本區域土壤的pH含量為中性偏堿性，這與王妍[20]

的研究結果較為相同。

2.5 重金屬相關性分析

對于垃圾堆放處周邊表層土壤區域的19個采樣點中的土壤理化性質與重金屬進行相關性分析，結果見表8。由表可知，不同重金屬之間均存在正相關性。砷與鉛、鋅存在顯著正相關性；鉻與鎳存在極顯著正相關性；銅與鎳存在顯著相關性；銅與鋅存在極顯著相關性；鎳與鋅存在顯著相關性。由于土壤中重金屬鎘含量穩定不存在變量故無法進行分析。重金屬鉻與鎳、銅與鋅關系較密切，其次是鉛與砷、砷與鋅、鎳與銅、鎳與鋅的關系較為密切。

3 結論

（1）含水率與植被覆蓋率相關，與垃圾堆放場的遠近無關；該區域內的土壤呈中性偏堿性，差距幅度較小，同鄭州市本地的土壤背景值相符合；土壤中的全鹽量隨著距離垃圾堆放處越遠而逐漸減小；垃圾堆放處對于土壤中的全氮含量并未有直接的影響，土壤肥力狀況處于六級水平，符合其城市所在水平；垃圾堆放處對于土壤中的總磷并未產生直接的影響，含量符合土壤肥力總磷的標準，能滿足植物生長的條件。

（2）表層土壤中重金屬As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的含量均值分別為0.049、0.03、29.337、9.071、1.802、0.135、4.787 mg/kg，均低于河南省土壤背景值。除了重金屬Cd以外，垃圾堆放處對于本區域表層土壤中的其余重金屬含量均有一定影響，特征表現為距離垃圾堆放處越遠其重金屬含量越小。

（3）蔬菜中各個重金屬：Zn、Pb、As、Ni、Cu、Cr、Cd的均值分別為0.476、0.143、0.147、0.0774、0.077、0.036、0 mg/kg，在毛豆和小蔥兩種蔬菜中重金屬含量較高，原因可能是這兩類蔬菜距離垃圾堆放處位置較近。根據數據分析，毛豆對于重金屬的富集能力較強，更容易吸收土壤中的各種重金屬元素。

（4）根據單因子指數法分析可得所有污染物含量均＜1，說明該區域目前尚未受到污染；根據地累積指數法計算可得，研究區域的土壤重金屬均屬于無污染，目前尚無潛在輕度污染風險。對于蔬菜進行健康風險評價，檢測是否對人體健康造成的風險，THQ均＜1，說明食用并未對人體健康產生影響，TTHQ含量分別為：毛豆＞小蔥＞油菜花籽＞小青菜＞生菜，攝入較高重金屬的蔬菜為毛豆，但均不會對成人產生影響。

（5）土壤的理化性質以及重金屬進行相關性分析，土壤的理化性質中pH與土壤的重金屬元素關系較為密切，其次是全氮和總磷。不同重金屬之間均存在正相關性。砷與鉛、鋅，鎳與鋅，銅與鎳存在顯著正相關性，鉻與鎳，銅與鋅存在極顯著正相關性，說明重金屬鉻與鎳、銅與鋅關系較密切，其次是鉛與砷、砷與鋅、鎳與銅、鎳與鋅的關系較為密切。

參考文獻：

[1] Linnik V G，Bauer T V，Minkina T M，et al.Spatial distribution of heavy metals in soils of the flood plain of the Seversky Donets River （Russia） based on geotatistical methods[J].Environmental Geochemistry and Health，2020：S10653.

[2] 武家園，方鳳滿，林躍勝，等.淮南市校園灰塵重金屬污染特征及生物有效性[J].環境化學，2016，35（7）：1346-1353.

[3] 張小磊，孔令慧，何寬，等.河南大學校園土壤中主要重金屬狀況及其評價[J].洛陽師范學院學報，2006，25（5）：145-148.

[4] 呂占祿，張金良，陸少游，等.某區生活垃圾焚燒發電廠周邊及廠區內土壤中重金屬元素的污染特征及評價[J].環境科學，2019，40（5）：2483-2492.

[5] 鄭燕平.河南農田土壤重金屬污染狀況及其評價[J].中國環境管理干部學院學報，2007（3）：44-46.

[6] 李玉梅，李海鵬，張連科，等.包頭某鋁廠周邊土壤重金屬污染及健康風險評價[J].中國環境監測，2017，33（1）：88-96.

[7] 賈艷麗，郝春明，劉敏，等.銻礦區土壤和蔬菜重金屬污染及健康風險評價[J].科學技術與工程，2022，22（7）：2943-2949.

[8] 朱蘭保，盛蒂，戚曉明，等.蚌埠市蔬菜重金屬富集及健康風險[J].科學技術與工程，2017，17（8）：80-86.

[9] 聶春雨，柴明娜，許杰珩，等.校園土壤理化性質及大型土壤動物多樣性研究[J].安徽農學通報，2019，25（20）：94-96.

[10] 李楠，郭風民，孫桂琴，等.鄭州市城市園林綠地土壤肥力調查與評價[J].河南科學，2017，35（10）：1615-1621.

[11] 石利軍，王小云，胡振華，等.土地利用方式對土壤基本性質及肥力的影響[J].安徽農業科學，2017，45（6）：106-108.

[12] 柯欣，梁文，宇萬太，等.遼河平原不同土地利用方式下土壤微節肢動物群落結構研究[J].應用生態學報，2004，15（4）：600-604.

[13] 孫天姿，王攀，陳錫騰，等.餐廚垃圾厭養發酵沼液制備的液態菌肥對農田土壤理化性質的影響[J].環境工程，2020，38（8）：201-206.

[14] 邵豐收，周皓韻.河南省主要元素的土壤環境背景值[J].河南農業，1998（10）：28.

[15] 中華人民共和國生態環境部.土壤環境質量標準 農用地土壤污染風險管控標準（試行）： GB 15618—2018[S].