工业城市不同功能区土壤和蔬菜中重金属污染及其健康风险评价

　　摘要：为了研究和评价工业城市不同功能区的土壤和蔬菜中重金属污染和健康风险状况，以株洲市为例，在工业区（石峰区）、农业区（芦淞区）和旅游区（大京风景区）分别采集土壤和蔬菜样品，分析重金属Cd、As、Pb、Hg、Zn、Cr和Cu的质量分数，并采用地质累积指数法（Igeo）和健康风险评价模型分别对土壤和蔬菜中重金属进行评价。结果表明：工业区、农业区和旅游区土壤中Cd、As、Pb、Hg、Zn、Cr和Cu的平均质量分数都超出湖南省土壤背景值，部分重金属甚至超出国家土壤环境质量二级标准。不同功能区土壤中重金属的地质累积指数（Igeo）表明：工业区、农业区和旅游区土壤受到不同程度的重金属污染，其中Cd和Hg的污染最为严重，污染程度依次是工业区>农业区>旅游区。不同功能区蔬菜中Cd、As、Pb和Zn的危害商(HQ)值都大于1.0，而Cu和Cr的危害商（HQ）都小于1.0。不同功能区蔬菜中重金属危害指数(HI)都大于10.0，尤其是工业区蔬菜的危害指数(HI)>100.0，当地成年人食用受到重金属污染的蔬菜会导致严重的健康危害，其中Cd和As，是危害指数(HI)的主要贡献者，两者贡献率之和的范围为75%~89%，而Cr的贡献率几乎为0。

　　关键词：不同功能区；土壤；蔬菜；重金属；健康风险评价；工业城市

　　在工业革命推动下，19世纪世界各国的城市化进程十分迅速，一大批工业城市迅速成长起来。由于工业活动所产生的“三废”未经处理或随意排放，而导致生态破坏和环境污染的发生，如世界“八大污染公害事件”。其中人为活动造成的重金属污染尤为严重。曾有学者报道城市土壤因土地利用方式的不同而存在着不同程度的重金属污染。吴新民等和张彩峰等对于南京市不同功能城区的重金属污染特征研究表明，工业区的污染强度最高，并且以Pb、Cd的富集最为突出。重金属难降解、易富集的特性，使得重金属在土壤中积累和在作物体内富集，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，对人类的生存和健康构成威胁。目前有许多关于土壤和作物中重金属污染报道，但是对于工业城市不同功能区土壤和蔬菜中重金属健康风险评价较少，本研究以工业城市—株洲市为例，在工业区、农业区和旅游区采集土壤和蔬菜样品，分析重金属Cd、As、Pb、Hg、Zn、Cr和Cu的质量分数，并采用地质累积指数（Geo-accumulationindex）和健康风险评价模型分别对土壤和蔬菜中重金属进行评价，旨在全面了解工业城市不同功能区重金属的污染特征，期望为工业城市不同功能区重金属污染的诊断、污染源与污染过程的分析、污染控制与修复提供参考。

　　1、材料和方法

　　1.1研究区概况

　　株洲市位于湖南省东部，湘江中下游，是湖南省“一点一线”区域经济带的重要城市，也是全省经济最发达的长株潭“金三角”的重要组成部分。“一五”期间，株洲被列为国家8大工业重点建设城市之一。作为我国老工业基地，截止2008年底，全市共有工业企业5723个，其中规模工业企业1355个，涉及34个行业，其中大型企业9户，中型企业68户。2009年株洲市完成规模工业增加值426.2亿元。20世纪90年代以来，株洲市重工业产值占工业总产值比例一直保持在80%左右，远高于全国60%的平均水平。产业结构的偏重带来了严重的环境问题。Wang和Arne(2003）报道株洲冶炼区周围的蔬菜受到Cd、Pb和Zn的严重污染。

　　另据报道，2003年该冶炼区排放Hg、As、Cd和Pb等有毒重金属34t，占全市有毒重金属排放量的90%以上，其中株洲冶炼厂的废渣场，堆存了大约2×106t冶炼废渣，占地约23hm2。2005年6月，国家环保总局的《全国城市环境管理和综合整治2004年度报告》显示，在10个空气污染指数最大秦普丰等：工业城市不同功能区土壤和蔬菜中重金属污染及其健康风险评价1669的城市排名中，株洲排名第六。2006年1月湘江株洲至长沙段出现严重Cd污染的原因主要是该冶炼区向湘江排放大量含Cd废水所造成[19]。由于受重金属污染的影响，该城市工业区的农田逐步变为菜地。蔬菜地的灌溉水来自菜地周围的池塘，肥料主要来自于农家肥和化肥。

　　1.2土壤和蔬菜样品采集

　　依据株洲规划图，于2008年10月分别在株洲的工业区（石峰区）、农业区（芦淞区）和旅游区（大京风景区）采集旱地表层土壤（0~20cm）和蔬菜样品（包菜）。每个功能区内随机布设采样点；土壤采样按多点混合法（同一地点采3~5个样品，就地混合为一个样品）。采集包菜样品是由于包菜是当地的时令蔬菜品种。将所采集的土壤和蔬菜样品运回到实验室后，土壤经自然风干后除去砂砾、植物根系等异物，用木棍将样品压碎，用玛瑙研钵研磨，过100目塑料筛，保存待测。蔬菜样品用蒸馏水洗净后，先在干燥箱中80~90℃烘15~30min杀酶，然后在65℃继续烘干96h，粉碎后待测。蔬菜样品中重金属质量分数均以鲜重来计算。

　　1.3分析方法

　　土壤样品重金属Cd、Pb、Zn、Cr、Cu和As用HCl-HNO3-HClO4法消解，Hg采用硫酸-硝酸催化消解，重金属Cd、Pb、Zn、Cr、Cu质量分数采用原子吸收分光光度计法（AA-630，Shimadz，日本）进行测定，As和Hg采用原子荧光法（AFS-2202，海光，中国）进行测定。

　　蔬菜样品采用微波消解法。分别称取0.1~0.2g蔬菜样品放入50mL干燥且干净的塑料消解管中，加入2mL浓硝酸（优级纯），静置过夜，然后将消解管随机放入微波消解仪（MARS5，CEMMicrowaveTechnologyLtd.USA）进行消解。蔬菜样品中重金属质量分数的检测方法与土壤重金属的相同。

　　1.4质量控制

　　所有的玻璃瓶和塑料瓶都先用10%优质纯硝酸浸泡12h，然后用超纯水洗涤。在样品的消煮过程中，空白、土壤国家标准参比物质（GBW-07405）和标准样品灌木枝叶（GBW07603，国家标准物质中心）同时进行，以确保消煮过程及以后测定的准确度。土壤以及蔬菜中各元素的回收率分别为：Cd(90%~101%)、As(97%~102%)、Pb(87%~99%)、Hg(86%~93%)、Zn(90%~112%)、Cr(92%~103%)和Cu(85%~110%)；Cd(87%~96%)、As(96%~105%)、Pb(97%~103%)、Hg(87%~96%)、Zn(91%~108%)、Cr(83%~96%)和Cu(89%~106%)。

　　1.5评价方法

　　1.5.1土壤中重金属污染评价

　　采用地质累积指数（Geo-accumulationindex）对土壤污染程度进行评价，具体公式如下所示：geo2log1.5iiICB=（1）式中：Igeo为土壤中元素i的地质累积指数；Ci为样品中元素i的实测平均质量分数（mg·kg-1）；Bi为元素i的地球化学背景浓度，通常为全球页岩元素的平均质量分数（mg·kg-1），本文采用湖南省土壤背景值；1.5为常数，是考虑到由于成岩作用可能会引起背景值的变动。地质累积指数可分为7个级别，Igeo与重金属污染水平。

　　1.5.2蔬菜中重金属的健康风险评