海南省主要农作物主产区土壤重金属含量分布及其健康风险评价

海南省主要农作物主产区土壤重金属含量分布及其健康风险评梁捷;孙宏飞;葛成军;孟磊【期刊名称】《《热带作物学报》》【年(卷)，期】2019(040)011【总页数】9页(P2285-2293)【关键词】农田土壤;重金属;累积指数;潜在生态风险;健康风险评估【作者】梁捷;孙'宏飞;葛成军;孟磊【作者单位】海南大学资源环境学院海南海口570228【正文语种】中文【中图分类】X820.4土壤的可持续利用以及粮食安全与土壤中的重金属水平息息相关［1］，土壤中的重金属可通过土壤、动植物、地表水和人之间的多种联系途径产生迁移、富集，并最终对人体健康产生危害［2-3］。随着社会的发展，人们对于施用农药和化肥等农业生产活动所造成的土壤重金属累积越来越关注。与此同时，由于地质原因所造成的土壤中重金属元素偏高，因其分布区域广大、人员繁密、同时伴随着多种重金属元素并存，所以更应该引起关注，尽早开展对这种类型区域的相关调查及评价，全面认识其重金属含量水平，以便在未来进一步降低重金属的危害及潜在风险，具有重大意义。海南是我国重要的热带经济作物和水果产区，耕地复耕指数高，农作物一年两熟甚至一年三熟，化肥和农药使用量大；加之商业化农作物种植不断增加，化肥和农药更是大量使用，造成土壤中重金属的富集，使得海南省土壤环境压力巨大［4］。之前已有相关调查发现海口琼山区土壤母岩中重金属含量较高，其上发育的风化壳和砖红壤中的多种重金属如Cr、Ni等的含量明显偏高［5］；由于海南琼北地区存在许多火山岩的影响，已经造成了重金属元素的含量高于正常值，有相关调查表示海南岛北部区域出现的广泛重金属含量反常地区与火山岩分布地区非常契合［6］。近年来，对于海南岛的土壤重金属的相关调查研究一定程度上反映了土壤污染状况［7-8］，但这些研究的不足之处在于采样区域不够广泛，且都是从某个单一的方面评价区域内的重金属污染状况，没有做到全面系统地分析海南省农产品主产区土壤中重金属含量的详细分布特征。为全面了解海南农产品主产区土壤中重金属含量和分布特征，本研究以海南豆角、菠萝、辣椒、苦瓜、香蕉主产区农田为调查对象，在严格按照相关标准对土壤样品进行采集的基础上，测定相关重金属元素含量，通过运用累积指数法、潜在生态风险指数法和健康风险评价来对该区域的土壤重金属潜在生态风险进行综合评价，为进一步农业管理和土壤环境污染防治等提供参考。分别在海南省海口、定安、临高、澄迈、屯昌、昌江、东方、万宁、文昌、乐东和三亚的豆角、菠萝、辣椒、苦瓜、香蕉等种植地采样。用木铲采取0~20cm土层土样，按四分法［9］取分析样品1kg，共采集土壤样本83个，采样点位分布见图1。准确称量土样和土壤成分分析标准物质GBW07407（GSS-7）0.2000g于消解罐中，加入浓硝酸6mL和氢氟酸5mL，用APL微波消解/萃取仪进行消解，将溶液赶酸至剩余3mL后移入离心管并定容至25mL，上机测定。Cu、Pb、Cd、Ni使用iCE3000SERIES火焰原子吸收分光光度法测定，Cr使用novAA400火焰原子吸收分光光度法分析。类重金属As使用AFS-830a氢化发生原子荧光光度计分析。1.3.1累计污染指数法针对不同的地区进行分析时，累积污染指数能更好地表明由于人们各式各样的生活生产活动对土壤中重金属含量的影响［10］。累积污染指数计算公式如下：式中，Pi：重金属i的累计污染指数；Ci:重金属i的实测含量（mg/kg）；Si：为重金属i的海南省土壤背景值［11］。1.3.2潜在生态风险指数评价方法采用由瑞典学者Hakanson［12］提出的一种较为简单快捷和标准的潜在生态危害指数模型。计算公式如下：式中，RI:多种重金属综合潜在生态风险指数；：重金属i的单项潜在风险系数；：采样点重金属i的毒性响应系数（Pb、Ni、Cu为5，Cr为2，Cd为30，As为10［12］）；表示重金属i的实验测得含量（mg/kg）；表示重金属i的参比值（mg/kg）。1.3.3土壤重金属健康风险采用美国环境保护署（USEPA）的健康风险评估模型［13-14］，与我国环保部颁布实施的《污染场地风险评估技术导则》（HJ25.3-2014）［15］相结合，进行海南主要农作物主产区土壤重金属Cr、Cd、Pb、Ni、Cu、As的健康风险计算与评价，计算公式为［13-14,16］:式中，ADD为暴露量（ing、inh、derm分别为经口摄取、呼吸吸入以及皮肤接触3种途径）；。为土壤重金属的实测浓度。相关参数值由参考文献［15,17-18］总结而得。健康风险分为非致癌风险和致癌风险，其中非致癌健康风险指数HQ或HI为：式中，HQij为单项非致癌风险商；HI为多种重金属非致癌健康风险；RfDij为参考剂量［mg/（kgxd）］；当HQij或HI<1时，表示非致癌健康风险属于可接受风险水平，当HQij或HI>1时，表示存在非致癌健康风险。致癌健康风险指数CR或TCR为：式中，CRij为单项致癌风险商；SFij为斜率因子［mg/(kgxd)］;TCR为多种重金属的总致癌风险；当CRij或TCR<10-6时，表示无致癌风险；10-6<CRij或TCR<10-4时，表示属于人体可耐受的致癌风险，当CRij或TCR>10-4时，表示属于人体不可耐受的致癌风险，详细参考数据由前人相关研究总结而得［15,19-21］。由表1可知，83个土壤采样点Cd、Pb、Ni、Cu、As、Cr的均值分别为0.15、33.99、9.21、9.79、5.35、128.93mg/kg;含量范围分别为0.00~1.63、0.00~257.40、0.00~135.03、0.00~103.53、0.71-23.11、44.49~396.29mg/kg。与《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-2018)［22］中的风险筛选值相比，海南主要农作物主产区土壤中的As全量均低于风险筛选值，Pb、Cu、Ni超筛选值比率较高，分别为15.48%、10.71%、3.57%；而Cd和Cr全量超过筛选值的点位比率最高，分别达到了20.93%和36.90%，土壤可能受到重金属污染的风险程度最高。与上述标准(GB15618-2018)中的风险管制值相比，6种重金属均未出现超值现象。6种重金属中，Cd、Pb、Ni、Cu的含量分布差异较大，而Cr和As的含量分布差异相对较小，含量范围比较集中。由图2可知，按照农作物类别分析其主要产区的土壤中6种重(类)金属含量发现，Cr在菠萝、香蕉、辣椒和豆角主产区土壤中均出现超过风险筛选值现象，且在菠萝主产区土壤中超过风险筛选值的比率最高，达78.26%。除Cr超筛选值外，菠萝、香蕉、辣椒和豆角主产区土壤还存在着不同程度的Ni、Cu、Cd和Pb超过风险筛选值现象。比较同一农作物的不同产区发现，菠萝主产区土壤中Cr的含量在海口市和临高县最高，Ni的分布差异较大，Ni在海口市的含量高于其他市县，而Cu的含量在全省变化不大，结合海南省北部地区土壤中Cr、Ni的背景值较高的特点，菠萝主产区土壤中Cr和Ni在海口和临高土壤中偏高现象可能与高背景值有关。香蕉种植区土壤除Cr超筛选值比率较高外，Cd和Cu超筛选值比率分别达到30.56%和11.11%。超筛选值地区主要分布在澄迈县、临高县。辣椒主产区土壤中Cr、Cu、Ni超风险筛选值地区全部为澄迈县，超筛选值最大倍数分别为1.74、1.46、1.93；Cd超风险筛选值地区为澄迈县和东方市，超筛选值标准3.07倍，但整体来说重金属超筛选值点位相对较少，最高的超筛选值比例为Cd，仅为8.33%；豆角主产区土壤中Pb的超筛选值比率达到52%，超筛选值最大倍数为2.86，超筛选值点位主要分布在东方市南部区域。苦瓜主产区土壤6种重（类）金属含量均低于风险筛选值。借助SPSS模型分析，由表2可得，土壤重金属Pb与As、Pb与Cd呈负相关之外，其余重金属元素含量间均呈正相关，它们之间可能存在同源关系，进而产生协同效应，增加该研究区各种重金属的含量。重金属元素Cu与Cr的相关系数最大，为0.720，说明Cu与Cr之间的形成原因相似或具有相同的影响因素。为了对土壤重金属的来源进行更深层次的探究，使用多维尺度分析法对其进行进一步的分析，将来源相似的土壤实现整合划分[23],结果见图3。从该图可以看出，可以把所测的元素分为4组：第1组为Cu；第2组为As；第3组为Cr和Ni；第4组为Pb和Cd。同时由表3可知，经KOM和Bartlett球形度测验，试验数据适合做因子分析，因此对这6种重金属元素采用因子分析法进行主成分分析，所提取的2个主成分累计方差贡献率分别为40.7%和21.8%。从表3可以发现Cu、Cr、Cd、As在成分1中的载荷相对来说处于较高的水平，而Pb则是在成分2中具有相对较高的载荷，与此同时Pb在成分1中的负载荷又具有较高的水平，而As在成分2中的负载荷同样处于较高的水平。将结果进行对比总结，发现在成分1中载荷相对较高的为第1组和第2组元素；而第3组元素在2个成分中相对而言均具有较高的载荷；第4组元素中Pb在成分2中具有最高的载荷，在成分1中则为负载荷，而Cd在成分1中具有较高的载荷，在成分2中为负载荷。因此，将海南省主要农作物主产区这6种重金属元素分为3类，第1类为Cu、Cr、Ni；第2类为Pb；第3类为As、Cd。结合采样点土地周边信息与母质地层等情况，第1类相关含量高的土壤样点主要采集于一些相对来说较为偏僻，远离人群，不怎么受到来自人为日常活动影响的地区，参考相关研究当地母质土层的文献［24］，发现土壤中的重金属主要源自于成土母质的自然风化，因此划分为“自然源因子”第2类相关重金属采样点则与第1类采样点恰恰相反，因为第2类采样点主要位于一些人口相对众多、交通较为便捷、人为活动较为频繁的地区，所以一定程度上受到了较大的人为影响，将其划分为〃人为源因子”；然而划分为第3类的As和Cd这2种重金属由于无论是在第1成分中，还是在第2成分中所具有的载荷均呈现相同的特点，且载荷水平相当，表明其不仅受到人为及自然因素的共同影响，并且受影响的程度相差无几。2.4.1累计污染指数法由表4可知，所测6种重金属中都出现了累积污染指数大于1的情况，存在累积现象。Cd、Pb和Cr在土壤中累积污染指数平均值都大于1，其中Cd的累积污染指数最大，达到了4.96，但是累积污染指数＞1的样点百分比并不是最多，为30.95%，说明出现Cd累积污染指数超过1的样点时，点位中Cd的累积水平要比其他重金属的累积水平高。Cr的累积样点数最多，达到了96.43%，其次为Pb，40.48%。这表明人类活动的影响（农业生产、化肥、农药等）已经使研究区耕作层土壤中的Cr和Pb的含量超出背景值，出现较为严重累积现象。2.4.2基于潜在生态危害指数的土壤重金属污染评价对海南省主要农作物主产区的采样点位进行潜在生态危害评价，潜在生态危害指数（）和潜在生态危害综合指数（RI）计算结果见表5，将结果与相关标准［12］进行比较。重金属Cu、Cr、Pb、Ni和类重金属As的潜在生态危害指数均＜40，表明83个点位土壤重金属Cu、Cr、Pb、Ni和类重金属As均可以划分为轻微生态危害。重金属Cd则是不仅有22个点位被划分为轻微生态危害，而且还有10个点位被划分为中等生态危害，位于澄迈县、屯昌县、东方市、乐东市和三亚市；3个点位表现强生态危害，分别位于东方市、乐东市、三亚市；1个点位表现为很强生态危害，位于昌江县，表现很强生态危害，需要引起人们的注意。2.5.1非致癌风险在海南省主要农作物主产区中土壤对儿童和成人经3种暴露途径下，As、Cu、Ni、Pb、Cd、Cr的相关非致癌风险数据由表6可知，经口摄入剂量为最大，其次为皮肤接触，呼吸吸入的剂量为最小。因此所表现的风险指数也呈相同的规律，3者中经口摄入的风险指数为最大，呼吸吸入的风险指数为最小；本研究所探究的6种重金属成分健康风险指数HQ大小对比如下：HQCr>HQAs>HQPb>HQNi>HQCu>HQCd；将对儿童和成人的风险指数进行对比，可以发现单项风险指数以及综合风险指数，均表现为儿童高于成人；其中，Cr与As以及Pb对综合风险指数值（HI）的贡献远远大于其他3种重金属，说明海南省主要农作物主产区中由重金属引起的非致癌风险，Cr、As、Pb占据了主导地位，影响较大；所有的风险指数都显示为小于1，说明海南省主要农作物主产区土壤的非致癌风险属于〃可接受风险水平”。2.5.2致癌风险由海南省主要农作物主产区土壤致癌重金属As、Ni、Pb、Cd、Cr的相关致癌风险数据如表7所示，对儿童和成年人来说，由于经口摄入的剂量最大，因此致癌风险也表现为最大，基本介于10-6~10-4（Cd的ADDing值小于10-6），属人体可耐受的致癌风险；而经呼吸吸入和皮肤接触由于暴露量较少，因此2者致癌风险水平较低，基本都表现为小于10-6（除了Cr的儿童ADDderm值为1.07x10-5），属于无致癌风险。不同种类致癌重金属中，对于儿童和成人Pb、Cd（CR<10-6）表现为无致癌风险，As、Ni、Cr（10-6<CR<10-4）表现为人体可耐受的致癌风险；儿童和成人的总致癌风险都表现为人体可接受的致癌风险的Ni的经口摄入以及Cr的经口摄入和皮肤接触在海南省主要农作物主产区的重金属致癌风险中占据主导地位，应当引起重视。此次在研究区域内只采集了土壤样本，而没有采集主产区对应的农作物，原因在于通过调研得出，研究区域作为海南省主要农作物的主产区，所产作物基本用于对外出口及销售，因此结合实际情况，本文探究的重点在于该地土壤的一系列污染来源、污染状况、潜在风险以及人们在种植过程中与土壤的直接或间接接触的健康风险评估。研究区域内的土壤所出现的绝大部分超风险筛选值的重金属包括Cr、Cu、Ni，而其超标地区主要为澄迈、临高、海口，这与前人对于海南琼北地区土壤中重金属含量的探究结果相吻合，琼北农田土壤中本来就对Cr、Cu、Ni具有一定的富集［25］。比较之下，本研究的重金属含量水平较低。对于其他地区出现的重金属超标现象，例如Cd在东方辣椒主产区土壤中的超标，以及Pb在东方豆角主产区土壤中的超标，除了以往东方本身有尾矿地区，母质层中背景值高以外，也与海南省所用的化肥类型有关。前人的研究［26-27］表明，化肥的不合理、不规范、不节制使用会对农田土壤造成一定的重金属污染。赵文等［28］研究发现海南省农作物化肥中重金属Cd、Cu、Pb等含量超标，说明土壤Cd、Cu、Pb含量与不同农作物施用不同种类肥料有关，肥料中伴随的重金属含量差异可能造成土壤重金属含量有所不同。因此，未来治理的重点应当在于降低土壤中重金属的高背景值，包括因地制宜，栽种超富集植物；合理施用土壤修复剂；制定相关土壤防治法及标准，以及更加规范对化肥的施用［29］。尽管海南省主要农作物主产区中所检测的重金属无论是单项致癌风险还是总致癌风险都处于人体可接受的致癌风险或者无致癌风险［13-14,30］，但大部分土壤中的高背景As、Ni、Cr仍然需要引起我们的关注；由于Cu的3种暴露方式和Pb的呼吸摄入无相关致癌斜率因子数据，因此没有考虑其相关的致癌风险，进而导致土壤重金属致癌风险可能比实际风险小。海南省主要农作物主产区土壤重金属含量空间分布差异较大，各区域的重金属含量分布明显，重金属Cr、Cu、Ni、Pb超风险筛选值区域主要集中在澄迈县、临高县、三亚市、东方市。重金属Cd超风险筛选值空间分布较广，存在整个海南岛重金属Cd污染风险。6种重金属均存在累积现象。其中Cd的累积水平最高，其次为Pb。且根据潜在生态危害指数，重金属Cu、Cr、Pb、Ni和类重金属As均可以划分为轻微生态危害；重金属Cd不仅有22个点位可以划分为轻微生态危害，还有10个点位可以划分为中等生态危害，有1个点位表现很强生态危害，位于昌江县，该点位需要引起重视。海南省主要农作物主产区的土壤对于所检测的6种重金属元素非致癌健康风险均小于1；As、Ni、Cr虽然存在致癌风险，但是属于人体可接受的致癌风险；对儿童无论是非致癌风险还是致癌风险均表现为高于成人。【相关文献】余小芬，陈军,彭荣珍,等.滇中农用地土壤重金属影响因素研究[J].西南农业学报,2012,25(5):1765-1769.KelepertzisE.AccumulationofheavymetalsinagriculturalsoilsofMediterranean:InsightsfromArgolidabasin,Peloponnese,Greece[J].Geoderma,2014,221-222(27):82-90.Bortey-SamN,NakayamaSMM,AkotoO,etal.AccumulationofheavymetalsandmetalloidinfoodstuffsfromagriculturalsoilsaroundTarkwaareainGhana,andassociatedhumanhealthrisks[J].InternationalJournalofEnvironmentalResearch&PublicHealth,2015,12(8):8811-8827.黄俊生,侯宪文.关于保护海南耕地质量和现代农业建设的思考[J].中国发展,2014,14(1):77-80应卫明，章申.海南岛琼山热带土壤中重金属分布和矿物特征的关系[J].土壤学报,1988,25(4):366-373.廖金凤.海南省五指山土壤中的重金属元素含量[J].山地学报,2003,21(2):169-172.朱维晃,杨元根，毕华,等.海南土壤中Zn、Pb、Cu、Cd四种重金属含量及其生物有效性的研究[J].矿物学报,2004,24(3):239-244.赵志忠,RateAW,唐少霞，等.海南岛农用地土壤重金属元素的空间分布特征及其环境意义[J].农业环境科学学报,2008,27(1):182-187.中国环境保护部.土壤环境监测技术规范:HJ/T166—2004[S].北京:中国环境科学出版社,2005.卢楠，李刚.金矿区尾矿渣周边土壤的重金属污染评价研究[J].中国矿业,2017,26(5):81-87.中国环境监测总站.中国土壤元素背景值[M].北京:中国环境科学出版社,1990.HakansonL.Anecologicalriskindexforaquaticpollutioncontrol:Asedimentologicalapproach[J].WaterResearch,1980,14(8):975-1001.UnitedStatesEnvironmentalProtectionAgency.RiskassessmentguidanceforSuperfund,volumeI:humanhealthevaluationmanual(partB,developmentofriskbasedpreliminaryremediationgoals)[M].Washington,DC:UnitedStatesEnvironmentalProtectionAgency,OfficeofEmergencyandRemedialResponse,1991.UnitedStatesEnvironmentalProtectionAgency.RiskassessmentguidanceforSuperfund,volumeI:humanhealthevaluationmanual(partE,supplementalguidancefromdermalriskassessment)[M].Washington,DC:UnitedStatesEnvironmentalProtectionAgency,OfficeofEmergencyandRemedialResponse,2004.环境保护部.污染场地风险评估技术导则：HJ25.3-2014[S].北京:中国环境科学出版社，2014.UnitedStatesEnvironmentalProtectionAgency.Integratedriskinformationsystem[DB/OL].[2019-04-20]./iris.Ferreira-BaptistaL,DeMiguelE.GeochemistryandriskassessmentofstreetdustinLuanda,Angola:Atropicalurbanenvironment[J].AtmosphericEnvironment,2005,39(25):4501-4512.ChenHY,TengYG,LuSJ,etal.ContaminationfeaturesandhealthriskofsoilheavymetalsinChina[J].ScienceoftheTotalEnvironment,2015,512-513:143-153.环境保护部.中国人群暴露参数手册:成人卷[M].北京:中国环境科学出版社,2013.ChenHY,TengYG,LuSJ.ContaminationfeaturesandhealthriskofsoilheavymetalsinChina[J