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标题 典型地膜残留地区土壤重金属残留测定及其健康风险评价
范文 张璐+聂建欣+赵著燕+康诗飞+张成丽



摘要：本文以典型地膜残留区——河南省开封市郭庄西瓜种植区的土壤和农产品中重金属残留为研究对象，开展了重金属分布和污染的状况分析，并对食用西瓜引起的健康风险进行了评价.结果表明：土壤中Cd的含量是国家标准值的3.25倍，处于中度污染级别，且还存在一定程度的Pb污染；由膳食途径所致的健康风险评价中，化学致癌物质Cr的年健康风险值较大，为4.39×10-3 a-1，高于国际辐射防护委员会（ICRP）推荐的最大可接受风险水平（5×10-5 a-1）.化学致癌重金属的个人年风险占总年风险的87.7%，且与非致癌重金属的个人年风险值相差4个数量级，这表明开封县西瓜中的重金属对人存在一定的健康风险.
关键字：Cd污染；Pb污染；重金属；重金属残留
Abstract： In this paper， a field survey on the distribution of heavy metals and pollution situations in soils and agricultural products at area of Guo Zhuang was carried out to evaluated the health risk caused by heavy metals residues. The Guo Zhuang is a typical area with heavy metals containing plastic film residue pollution in Kaifeng of Henan province and watermelon was the main agricultural products herein. The heavy metals analysis results showed that the contents of Cd in soils is 3.25 times of the national standard value， which was at the moderate pollution level. Besides， there is also a certain degree of Pb pollution. In the health risk assessment caused by dietary approaches， Cr （a chemical carcinogen） has a higher value of annual health risk of 4.39×10-3 a-1， which is higher than the maximum acceptable risk level （5×10-5 a-1） recommended by International Commission on Radiological Protection （ICRP）. The personal annual risk of chemical carcinogenic heavy metals accounted for 87.7% of the total annual risk， and differed 4 orders of magnitude from the non-carcinogenic heavy metals， indicating that there is a certain health risk of the heavy metals in soils and agricultural products at area of Guo Zhuang.
Keywords： Cd pollution； Pb pollution； heavy metal； heavy metal residue
随着科学技术的发展，土壤的生态安全也在面临新的挑战.自20世纪80年代开始，为了增产增收，我国开始应用并推广使用从日本引进的塑料农用地膜覆盖栽培西瓜技术.尽管地膜的覆盖在一定程度上大大提高了农产品的丰收率，但不容忽视的是，薄膜技术的应用也给农业带来了相关的环境污染问题——土壤重金属污染 [1-6].重金属难降解、易富集的特征，使得重金属在土壤中积累和在作物体中富集，严重影响了作物的生长和品质，并通过食物链进入动物和人体，使人体产生慢性中毒，对人类的健康和生存构成威胁 [7].如Cd在体内滞留时间长，人体骨骼中的滞留半衰期是38 a-1，具有致癌性[8].Cu是人体必需的微量元素，但是过量地摄入则会对人体许多器官产生不良影响，如对肝、肾消化系统和大脑等均有危害.郭庄地区作为开封市主要西瓜产地之一，曾经大规模使用塑料农用地膜覆盖栽培技术，其地膜覆盖所带来的重金属污染具有巨大的潜在健康隐患，尤其是考虑到该地区仍然为周边居民供应大量西瓜农产品，有必要对该地区的土壤和农产品重金属含量进行系统测定，并定量评估其健康风险.
近年来，有大量科研人员针对我国不同地区（点）的土壤污染状况、土壤一植物系统重金属迁移转化機理等开展了深入的研究.于立红等[9]采用盆栽试验研究了大豆各生育时期，不同地膜残留量土壤和植株中邻苯二甲酸二丁酯（DBP）、邻苯二甲酸二（2-乙基已基）酯（DEHP）、重金属Pb、Cd含量及大豆生长发育、品质的差异性.结果表明，高倍地膜残留量土壤中Pb、Cd含量均高于低倍残留量.中国科学院地理科学与资源研究所的宋波，陈同斌等[10]对北京市小麦籽粒的重金属含量及其健康风险分析作了相关研究.但是，目前针对典型西瓜产地的地膜残留重金属污染问题的定量研究尚少见报道.调查研究地膜覆盖带来的重金属污染，并对其进行健康风险评价具有重要的意义.
1 试验材料与方法
本研究在开封县西瓜主要生产地郭庄按照地域面积大小进行采样，运用综合污染指数法和健康风险评价法对土壤及西瓜重金属元素进行分析评价.
1.1 样品采集
经过实地调研确定采样方案后，采用近似网格法布点，每2个点间隔大约100 m.用不锈钢铲采集0～20 cm的表层土壤，手持式GPS定位并同步记录采样点的坐标.共采集33个土壤样品.
西瓜样品有6个，分为瓜瓤和瓜皮部分，其中瓜瓤用家庭式水果榨汁机榨成汁，瓜皮用匀浆组织捣碎机捣碎后分别盛装于有编号的烧杯中，并用保鲜膜密封盛放于冰箱中冷冻保藏备用.
1.2 样品处理及重金属测定方法
将土样风干，拣出杂质，并用木棍将样品碾碎，经碾磨后分别过10目、18目、20目、60目和100目尼龙网筛，所有过筛后的样品放入自封袋中编号密封保存.
使用玻璃电极法测定土壤pH；采用日本掘场HORIBA激光粒度分析仪测定土样粒度；采用油浴加热—重铬酸钾容量法测定有机质；土壤待测液制备用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸消解体系，并采用美国Fisher ICP-MS测定其中重金属Cd、Pb、Cr、Ni、Cu、Zn的含量.
1.3 评价标准
采用《中国土壤元素背景值》（国家环境监测总站，1990）进行评价，其背景值和环境标准详情见表1.
1.4 土壤重金属污染评价方法
（1）
式中： 为综合污染指数； 为各污染物中污染指数的算术平均数，而 为各污染物中污染指数最大值.
内梅罗综合污染指数兼顾了单因子污染指数平均值和最高值，全面地反映了土壤中各重金属的污染状况，同时突出了污染较重的重金属污染物的作用.可按内梅罗污染指数划定污染等级，见表2.
1.5 健康风险评价模型
针对长期食用地膜种植出的西瓜，本文用暴露参数来表征和评价风险.
1.5.1 化学致癌物所致健康危害模型
化学致癌物导致的健康风险可表示为：
[11] （2）
式中： 是指化学致癌物i通过食入途径所产生的平均个人致癌年风险； 是指化学致癌物i通过食入途径的单位体重日均暴露剂量； 是指化学致癌物i通过食入途径的致癌强度系数；70为人类平均寿命.
西瓜通过食入途径的单位体重日均暴露剂量 按下式计算：
（3）
式中： 为平均浓度增量；70为人均体重.
1.5.2 非致癌污染物所致健康危害的风险模型
非致癌物质所致的健康风险可由下式计算：
[12] （4）
（5）
式中： 为非致癌污染物i通过食入途径产生的个人平均年危险； 为非致癌污染物i通过食入途径的单位体重日均暴露剂量； 为非致癌污染物i通过食入途径的日均参考剂量；安全因子为10；70为人均平均寿命.
1.5.3 健康风险评价总值
西瓜通过食入途径摄入人体，致癌污染物与非致癌污染物对人体健康都有一定的影响.设两者对人体健康的危害作用为加和关系，则风险评价总值为化学致癌物经食入途径产生的平均个人致癌年风险值与非致癌污染物经食入途径所致健康危害的个人平均年危险值的总和，由两者值的总和来评价食用地膜种植西瓜的总的健康风险评价.
1.5.4 健康风险评价模型参数
国际癌症研究机构 （IARC） 和世界卫生组织 （WHO）通过对基因毒物质致癌性可靠程度的全面评价得出了相关健康风险的评价模型.其中致癌物质Cd和Cr的化学致癌物强度系数（ ）分别为6. 1和41. 0 mg/（kg·d）.而非化学致癌物导致健康风险的参考剂量（ ）可由US10PA中的有毒物质暴露途径参考剂量值来确定[13]，其中Pb、Cu、Zn的 为 1. 4×10-3 mg/ （kg·d），5. 0×10-3 mg/ （kg·d），0.3mg/ （kg·d）.
2. 结果与分析
2.1 土壤重金属含量评价
以相关元素背景值为评价标准，这是土壤环境质量评价的最基本的依据之一，也是判断土壤污染程度轻重的重要标准之一.郭庄西瓜地Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb的平均浓度为23.27， 0.19，0.04， 0.14 ， 23.27， 0.39mg/kg，铜、锌均低于背景值，而Cr、Ni、Cd、Pb含量分别是潮土背景值的0.38、0.01、3.25、0.01倍.其中，重金属含量最高的是元素Cd，而塑料地膜中所含的热稳定剂中包含有Cd，由此判断，在西瓜栽培技术中长时间的覆盖塑料地膜使得开封县郭庄地区土壤中Cd污染较严重.
根据数据分析，研究区内重金属的污染程度的排列顺序为： Cd>Pb>Ni>Zn>Cr>Cu.其中Cr、Ni、Cu、Zn分别除3、10、2、7 个点处于尚清洁范围内外，其它所有的点都处于安全的范围，且平均值均小于0.7，处于尚清洁水平.Cd 的单项污染指数平均值为 2.72，达到了中度污染水平，且共有31个样品处于轻污染和中污染级别.Pb的平均值为0.74，处于尚清洁水平（警戒限）.而地膜生产过程中的塑料热稳定剂含有镉和铅，这表明地膜的长期使用使郭庄地区土壤中重金属Cd、Pb污染比较严重.研究区Cd的 值最大，為2.72，Cr、Ni、Cu、Zn、Pb的 均在0.7< ≤1.0之间，已经到达警戒线，需要加强土壤监管力度.
2.2 西瓜重金属含量
根据《食品中污染物限量标准》（ GB 2762-2012），西瓜中Cr、Cd、Pb限量值分别为：0.5、0.05和0.1 mg/kg.郭庄采样点的重金属含量均未超过西瓜中的限量值.总的来说，土壤中重金属Cr、Cd和Pb含量从高到低排序为：Cd>Cr>Pb；而西瓜中重金属Cr、Cd和Pb含量从高到低排列为：Cr>Pb>Cd.由此可见，西瓜对土壤中的Cr的富集能力最强.以玉米为例的研究表明，玉米能连续从污染土壤中提取重金属，并能将其从根部转运到地上部，起到对重金属富集的作用.西瓜也具有同样的方式.也就是说，就西瓜对土壤中重金属的富集情况而言，其对重金属Cr的富集能力最强.
2.3 西瓜膳食途径健康风险评价
2.3.1 致癌物质健康风险评价
调查结果显示，致癌物Cd和Cr的年健康风险的范围分别为（0.0304～0.1860）×10-4 a-1和（34.8～54.6）×10-5 a-1.根据相关数据显示，郭庄地区Cr对人体健康存在一定的致癌风险，因为Cr个人年风险值较大并超过国际辐射防护委员会（ICRP）推荐的最大可接受风险水平5×10-5 a-1.其中，Cd的年健康风险值为1.43×10-4 a-1，约为 ICRP最大可接受风险水平的7.94倍.因此，Cr是郭庄西瓜中的主要重金属污染物，由于一年中人们食用西瓜时间段持续大约有5个月之久，且夏季食用量偏大.当人们食用了受到污染后的土壤种植出来的西瓜，便会造成Cd、Cr在人体类的富集.Cd通过食物链进入人体， 引起下列慢性损害：高血压，睾丸损害，致癌作用，致畸作用，贫血和骨质疏松.Cr是生命的必须元素，但由于Cr在人体内有蓄积作用，长期累积的结果是导致急性、亚急性、慢性毒性作用和致癌、致畸、致突变作用[14-16].
2.3.2 非致癌物质健康风险评价
非致癌物质健康年风险值评价中郭庄西瓜样品中Cu的年健康风险平均值分别为1.6×10-8a-1，远低于国际辐射防护委员会（ICRP）推荐的最大可接受风险水平，不存在健康风险.而Pb的年健康风险值为8.2×10-4a-1，存在一定的健康风险.
2.3.3 健康风险评价
根据健康年风险评价总值的公式，得出郭庄地区西瓜重金属健康危害总风险约为6.70×10-3a-1，高于国际辐射防护委员会（ICRP）推荐的最大可接受风险水平5×10-5a-1，存在较严重的健康风险.综合总健康风险值进行评价，化学致癌物所致的健康风险与非致癌物的健康风险相差4个数量级.这说明郭庄地区西瓜中的重金属对人存在一定的健康风险，且主要来自西瓜中的化学致癌物.
3 结论
（1）郭庄西瓜地土壤中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb的平均浓度为23.27， 0.19，0.04， 0.14 ， 23.27， 0.39mg/kg，铜、锌均低于背景值，而Cr、Ni、Cd、Pb含量分别是潮土背景值的0.38、0.01、3.25、0.01倍.其中，Cd的含量最高.
（2）土壤中Cd的单项污染指数平均值为 2.72，表明其属于中度污染级别，Pb的平均值为0.74，处于尚清洁水平（警戒限），而Cr、Ni、Cu、Zn均处于清洁状态.
（3）郭庄地区西瓜中重金属的含量均未超过其限量值，且重金属Cr、Cd和Pb含量从高到低排列为： Cr>Pb>Cd.
（4）开封县郭庄地区西瓜覆膜种植区化学致癌物所致的健康风险占总年风险的87.7 %，Cr是开封县西瓜中的主要重金属污染物.其中致癌物Cr致癌风险水平明显高于国际辐射防护委员会（ICRP）推荐的最大可接受风险水平5.0 ×10-5 a-1，存在明显的健康风险.
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更新时间：2025/3/23 5:25:22