土壤和蔬菜重金屬污染及健康風險評價
——以佳木斯城郊菜地為例

王雪力，潘 濤，李 富

（佳木斯大學理學院 黑龍江，佳木斯 154007）

引言

菜地土壤利用率高，受人類活動影響嚴重[1]。由于菜地長期使用農藥、化肥和施加畜農家肥，導致土壤理化、生物特性惡化及重金屬污染等生態環境問題。重金屬元素在土壤中能夠遷移和形態轉換，而且在植物體內進行富集，并通過食物鏈進行傳遞，超過食物安全限值時就會影響人體健康[2，3]。研究資料顯示，重金屬在人體內的過度富集可誘發心血管、肝腎、神經系統和骨骼等器官發生病變，嚴重的甚至可致癌[4，5]，同時重金屬污染還存在著隱蔽性和長期性以及不可逆性等特征[6]。重金屬毒性及其危害程度除與總量有關外，更大程度上取決于其生物有效性[7]，而不同形態重金屬的生物學有效性差別很大，進而影響了重金屬的危害性、遷移轉化和可利用性等[8，9]。

鑒于此，國內外學者對菜地土壤重金屬污染特性、賦存形態、蔬菜中重金屬的富集規律及其對自然界和人們健康等方面所形成的影響，開展了深入研究[7-9]。由于土壤環境的空間異質性差別較大，各地區土壤及果蔬中重金屬含量及賦存形態差異較大，導致各區域土壤及蔬菜中重金屬元素形成的生態風險差異性明顯[10-13]。因此掌握區域蔬菜種植土壤、蔬菜中重金屬富集對區域生態環境和人體健康影響至關重要。

佳木斯市地處中國東北部，是傳統的老工業基地，長期以來的工業生產會對周邊地區土壤環境及自然生態景觀帶來嚴重污染。此外，菜地中農家肥的長期施用和污水澆灌都會造成土壤重金屬污染加劇。為了評估佳木斯城郊菜地土壤重金屬的生態風險以及蔬菜中重金屬的潛在危害，本實驗采集了研究區土壤及蔬菜樣品，測試其重金屬含量并進行污染評價和健康風險評價，依據評價結果準確掌握研究區土壤重金屬風險等級及蔬菜攝入造成的人體健康風險提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

2021年5 月，采集佳木斯市城郊菜地0～20 cm表層土壤及蔬菜樣本，帶回實驗室進行處理、自然風干后分取適量不同部位樣品進行研磨過100目篩后備用。蔬菜用去離子水洗凈，殺青烘干至恒重，粉碎研磨過100目篩，用于重金屬檢測。

1.2 樣品分析方法

土壤樣品采用混酸（HNO3-HCl-H2SO4-H2O2）微波消解[14]，蔬菜樣品采用HNO3-H2O2微波消解后測定。As、Cu、Pb、Cr、Ni、Zn 元素利用電感耦合等離子體質譜儀（ICPMS，Agilent 7500X型，美國）測定，Hg采用原子熒光光譜法測定，Cd采用石墨爐原子吸收法測定。每個樣品做3次平行樣，實驗結果均達到國家標準規定的精密度要求。

1.3 土壤和蔬菜重金屬評價方法

1.3.1 土壤和蔬菜重金屬污染評價

土壤重金屬污染采用單項污染指數法和內梅羅綜合污染指數法進行評價[15-17]。

式中：Pi為單項污染指數；Ci為污染物濃度的實測值；Si為樣品限值。

內梅羅綜合污染指數計算公式為：

式中：PN 為綜合污染指數；Pi均為單項污染指數；Pi最大為最大單項污染指數（見表1）。

表1 單項污染指數法和內梅羅綜合污染指數法危害等級劃分

1.3.2 潛在生態風險指數評價法

采用Hakanson的潛在生態風險指數法對土壤中重金屬污染進行評價[18-20]，并且根據計算結果劃分風險等級[19]。計算公式：

后來真相大白，鐲子是被怡紅院的墜兒偷了去。但那句“本來又窮”已經把人赤裸裸地定在了道德的恥辱柱上，動彈不得、翻身不得。

式中，RI為綜合生態風險指數；為重金屬i元素的潛在生態風險指數；為重金屬i的毒性系數[17]；Ci為重金屬i元素的實測值；為重金屬i元素評價參照值。迄今為止，國內土壤沉積物的背景值多采用區域土壤環境背景值。本研究采用黑龍江省松嫩平原土壤背景值作為參照值[20（]見表2、表3）。

表2 重金屬的潛在生態風險評價和危害等級劃分

表3 黑龍江省土壤重金屬背景參照值( )和毒性系數()

表3 黑龍江省土壤重金屬背景參照值( )和毒性系數()

項目Hg Cd As Cu Pb Cr Ni Zn Ci n（mg/kg）Ti r 0.04 0.08 7.3 20 24.2 58.6 22.8 70.7 40 30 10 5 5 2 2 1

1.3.3 蔬菜攝入的健康風險評價

研究區居民由金屬量引起的健康風險評價采用文獻[21]中的方法，計算公式為：

式中：DI為重金屬的日均攝入量mg/d；FIR為鮮蔬菜的日攝取速率kg/d；C為蔬菜中重金屬濃度mg/kg。參照相關文獻[22-23]，確定研究區成人和青少年兒童蔬菜的日攝取率FIR分別為0.45 kg/d 和0.23 kg/d。健康風險評價采用美國（US EPA）使用的目標危險系數法（target hazard quotient，THQ）。當THQ 值＞1.0，說明重金屬對人體具有潛在健康風險。THQ 的計算公式為[21，24]：

式中：THQ 為健康風險系數；FIR 和C 的含義同式（5）；AT為平均暴露時間（ED×365）。根據US EPA 風險信息系統數據庫及其相關文獻資料，得到式（6）中的模型參數（表4）。

表4 蔬菜健康風險評價模型參數取值

重金屬復合風險計算公式為：

式中：當TTHQ≤1，沒有風險；TTHQ＞1，產生負影響；TTHQ＞10，存在慢性毒性效應。

1.4 數據分析與統計

2 結果與討論

2.1 菜地土壤重金屬污染狀況

數據顯示（見表5），土壤中Hg、Cd、Pb、As、Ni、Zn、Cu和Cr 含量范圍分別為0.03～0.29、0.12～0.45、3.28～39.25、1.99～11.68、11.15～34.48、87.67～215.76、5.31～35.15 和3.97～63.19 mg/kg，平均含量分別為0.14、0.32、15.40、7.19、21.89、150.28、22.73和47.48 mg/kg。8種重金屬元素含量的最大值均低于國家二類標準限值[27]（見表2），但Hg、Cd、Zn 和Cu 濃度超過黑龍江省土壤環境背景值[28]（見表3），分別是背景值的3.5 倍、4.0 倍、2.13 倍和1.14倍，表明這4種重金屬元素都存在富集。單因子污染指數表現為Cd＞Hg＞Zn＞Cu＞As＞Ni＞Cr＞Pb。Cd 的單項污染指數為4.00，屬于污染嚴重。此外，Hg、Zn和Cu元素的均單項污染指數＞1，存在風險。內美羅綜合污染指數為3.09，表明該區土壤重金屬污染嚴重。土壤重金屬中Hg、Pb和As元素的變異系數分別為49%、65%和73%均為高度變異（CV＞36%），這表明這3種元素在各采樣點的差異較大，說明Hg、Pb 和As 受到外界強烈的干擾，而人類活動應是其主要來源，菜地中Hg的來源主要是化石燃料燃燒、金屬冶煉及城市垃圾焚燒，此外，機動車尾氣排放等人類活動也是環境中Hg元素的另外一個重要來源[29]。研究區土壤中Cd和As濃度的增加，或許與菜地中長期施用農藥和化肥等有關，因為生產磷肥礦石中含有Cd元素[30]，除此之外還含Zn、As 和Cr 等元素，長時間施用磷肥會給土壤帶來極為嚴重的污染[30]。

表5 郊區菜地土壤重金屬含量統計值（n=45）

2.2 菜地土壤重金屬污染評價

在45 個采樣點中，Hg 元素是最主要的生態風險因子，其潛在的生態風險程度達到了較高等級，在中風險、較高風險和高風險樣點數分別占24.4%、40%和31.1%；其次是Cd元素，生態風險也達到了較高等級，中風險、較高風險和高風險樣點數分別占24.4%、84.4%和11.1%。8種重金屬元素的潛在生態風險指數（） 順序為Hg＞Cd＞As＞Cu＞Pb＞Zn＞Cr＞N（i表6）。綜合生態污染指數顯示，佳木斯城郊菜地土壤重金屬綜合污染指數表現為中度污染，其中，中等生態風險樣點數占60%，較高生態風險樣點數占40%，表明該區域菜地土壤受到污染，存在中等污染風險。

表6 重金屬潛在風險指數（）和綜合風險指數（RI）

表6 重金屬潛在風險指數（）和綜合風險指數（RI）

統計值Ei r最小值平均值最大值Cr 1.15 1.62 2.16 Ni 0.88 1.52 2.58 Cu 1.32 5.68 7.14 Zn 1.24 2.13 3.05 As 1.50 9.85 50.31 Cd 44.27 119.28 158.87 Hg 32.49 139.13 309.45 Pb 0.33 3.18 8.11 RI 161.82 282.78 500.41

2.3 蔬菜中重金屬污染狀況

蔬菜中重金屬含量的統計結果及差異性分析如（圖1）。菜地蔥中Hg、Cd、Pb、As、Ni、Zn、Cu和Cr的平均含量為0.0004，0.088，0.139，0.0043，0.094，5.525，1.941，0.0998 mg/kg；圓白菜中Hg、Cd、Pb、As、Ni、Zn、Cu 和Cr 的平均含量 為0.0005，0.082，0.139，0.005，0.094，5.012，1.804，0.103 mg/kg；白菜中Hg、Cd、Pb、As、Ni、Zn、Cu 和Cr 的平均含量為0.0004，0.082，0.136，0.005，0.102，5.755，2.184，0.099 mg/kg。在蔥、圓白菜和白菜中，8 種重金屬含量均表現出一致趨勢，Zn 的含量最高，其次是Cu、Pb、Cr、Ni、Cd、As 和Hg。Zn、Cu、Pb 和Cr 在蔬菜中含量相對其他重金屬高，或許與其在對應土壤中含量較高有關。

圖1 蔬菜中重金屬含量及差異性分析

由圖1可看出，Hg、Cr、Pb和As在蔬菜中的平均含量從大到小依次均表現為：圓白菜＞蔥＞白菜；Cd 在蔬菜中的平均含量從大到小依次均表現為：蔥＞白菜＞圓白菜；Ni和Zn在蔬菜中的平均含量從大到小依次均表現為：白菜＞圓白菜＞蔥；Cu在蔬菜中的平均含量從大到小依次均表現為：白菜＞蔥＞圓白菜。本研究顯示，白菜中重金屬Hg、Cr、As、Pb四種重金屬含量低于蔥和圓白菜，但是Ni、Zn、Cu 含量卻比蔥和圓白菜的高；Hg、Cr、As、Pb 四種重金屬在圓白菜中含量最高。

2.4 蔬菜重金屬富集特征

蔬菜重金屬的富集系數大小與其吸收重金屬的能力呈正相關，與抗的能力呈負相關[31]。從表7可以看出，蔥、圓白菜和白菜對重金屬的富集能力具有一致性，均表現為Cd＞Cu＞Zn＞Pb＞Ni＞Hg＞Cr＞As。3種蔬菜中Cd、Cu和Zn較容易富集，表明其活性較強，易被植物吸收，而Cr和As最不容易富集，此結論與其他人研究成果相同[32-34]。但也有學者研究發現，不同種類蔬菜對不同重金屬的富集能力存在差異，如徐志等[35]研究發現，Pb、Zn、Cu 和Ni 元素在蕓豆中富集較強，而Cd元素在白菜和蘿卜中富集能力較強。

表7 蔬菜中重金屬富集系數

2.5 蔬菜中重金屬污染評價

蔥、圓白菜和白菜3種蔬菜中的污染指數依次為：白菜＞蔥＞圓白菜（表8），3 種蔬菜的綜合污染指數均＞1，其中污染最重的白菜樣本綜合污染指數為1.814，蔥為1.725，圓白菜為1.709，均表現為輕度污染。在3 種蔬菜中，單項污染指數均表現為Cd＞Cu＞Pb＞Cr＞Zn＞As＞Ni＞Hg，其中Cd、Cu 和Pb 元素的污染指數較高，表明Cd、Cu、Pb對這些類型的蔬菜非致癌風險作用有較大貢獻。白菜中的Cd 元素污染指數為0.630，嚴重影響人體健康，這與徐志等[35]對貴州某典型鋅冶煉區菜地土壤和主要蔬菜重金屬污染評價結果相一致，佳木斯城郊菜地蔬菜重金屬風險應當引起重視。除了Cd、Cu和Pb元素外，Cr、Zn、As、Ni和Hg的污染指數相對較低。因此，研究區居民應減少對這三種蔬菜的攝入，以降低其帶來的健康風險。

表8 蔬菜重金屬單項污染指數和綜合污染指數

各種重金屬在蔬菜中的風險貢獻率差別較大（圖2）。Cd 和Pb 對蔥的貢獻率最大，分別為37%和17%；Cd 和Cu 對圓白菜和白菜中的貢獻率最高，分別為34%和19%，33%和22%。Ni 和Hg 貢獻率較小，Ni 的風險貢獻率低于1%，Hg貢獻率低于2%。

圖2 蔬菜中各重金屬對風險指數（HI）的貢獻率

2.6 土壤-蔬菜中重金屬含量的相關性分析

土壤重金屬與蔬菜中重金屬含量之間相關分析表明（表9），土壤中As 元素含量與蔬菜中Hg 含量呈顯著正相關（P＜0.05）；土壤中的Hg 和Cr 含量卻與蔬菜中與Cd含量呈顯著負相關，而Zn 與Cd 含量卻呈顯著負相關（P＜0.05）；土壤中的Hg、Cr 含量與蔬菜中As 含量呈顯著正相關（P＜0.05），而Zn 含量與Cd 含量呈正相關，與Zn呈負相關（P＜0.05），土壤中Cd、Ni 與蔬菜中Ni 含量呈正相關（P＜0.05；P＜0.01）；此外，蔬菜中其它重金屬含量之間以及蔬菜與土壤中重金屬均無相關性。由此可以看出，同一種重金屬元素在土壤和蔬菜中的含量并不一定相關，其原因可能是蔬菜中的重金屬濃度與土壤中有效重金屬含量有關，與總量無關[36]。葉宏萌等[37]就在研究發現，武夷山茶園土壤中5 種重金屬含量與其形態顯著相關。吳迪等[38]則通過對貴陽市蓬萊仙界生態園土壤-蔬菜中重金屬含量和賦存規律及其內在的關聯性進行研究也表明，不同種類的重金屬，其在土壤中化學功能和生物學特性存在差異。因此，對土壤重金屬的研究不但要考慮總量，還要分析其形態。通過分析各種重金屬形態對生物富集的貢獻，進而進行生物有效性評價，有助于今后對土壤重金屬污染及植物體對重金屬的富集特性進行更準確的評價。

表9 土壤重金屬與蔬菜重金屬含量間相關性分析

2.7 蔬菜中重金屬含量的健康風險評價

蔬菜在我國居民的飲食結構中占有重要地位，隨著人民生活水平的提高，居民對安全蔬菜需求發生了深刻的變化。蔬菜土壤一旦受到重金屬污染，則會通過食物鏈進入人體并富集，由于重金屬半衰期長，長期食用會引起組織急性和慢性損傷[39-40]。本研究參照美國健康風險評價法，計算了研究區居民食用蔬菜攝入重金屬健康風險值（表10）。數據顯示，8種重金屬元素的單因子健康風險指數值均＜1，表明單一重金屬不會對成人和青少年兒童健康構成風險。采樣區蔥、圓白菜和白菜中Cd元素均無超標現象，但Cd 元素引起的健康風險指數最高，應引起重視。復合重金屬對成人和青少年兒童引起的健康風險指數值（TTHQ）分別為1.859 和1.781，表明該區域蔬菜中復合重金屬將會對人體健康產生風險。

表10 蔬菜的重金屬攝入量及健康風險指數

3 結論

土壤和蔬菜重金屬污染及健康風險評價，以佳木斯城郊菜地為例，得出以下結論：

（1）單因子污染指數表明Cd 元素污染最重；內美羅綜合污染表明該區內土壤已經受到重金屬的污染。

（2）潛在生態風險指數顯示Hg污染達到了較高污染等級；綜合污染指數顯示，研究區土壤重金屬到中度污染風險，說明該區域菜地土壤受到重金屬污染。

（3）在3 種蔬菜中Cd、Cu 和Zn 較容易富集，而Cr、As最不易富集。重金屬元素對蔬菜的風險系數貢獻率不同，Cd在蔥、圓白菜和白菜中的風險貢獻率最高，Pb對蔥的風險貢獻率最高，而Cu對圓白菜和白菜的風險貢獻率最高，Ni和Hg對3種蔬菜的風險貢獻率最小。

（4）菜地土壤重金屬含量與蔬菜可食部分重金屬含量間無顯著相關性。

（5）菜地土壤重金屬元素的單因子健康風險指數未構成健康風險，而復合重金屬對人體引起的健康產生風險。