陸素芬，張?jiān)葡?，余元元，鐘雪梅，田美玲，黃宇妃，宋 波①

(1.河池學(xué)院化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西 宜州 546300；2.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；3.桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004)

廣西南丹土壤-玉米重金屬積累特征及其健康風(fēng)險(xiǎn)

陸素芬1,2，張?jiān)葡?，余元元2，鐘雪梅3，田美玲2，黃宇妃2，宋 波2①

(1.河池學(xué)院化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西 宜州 546300；2.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；3.桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004)

為了探討礦業(yè)活動(dòng)對(duì)有色金屬之鄉(xiāng)——南丹縣糧食作物玉米籽粒的影響，采集當(dāng)?shù)赜衩鬃蚜：蛯?duì)應(yīng)土壤各139份，并分析其Cd、Pb、As、Cu和Zn含量。結(jié)果表明，南丹縣玉米地土壤Cd、Pb、As、Cu和Zn的平均含量分別為1.205、79.31、29.42、27.91和132.4 mg·kg-1；依據(jù)GB 2762—2012《食品中污染物限量》，玉米中Cd、Pb和As的超標(biāo)率分別為8.4%、28.3%和3.0%。相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果表明，南丹縣土壤和玉米中Cd、Zn、As含量存在顯著相關(guān)性(P<0.05)，通過玉米及對(duì)應(yīng)土壤重金屬含量對(duì)耕地土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)得出，綜合質(zhì)量影響指數(shù)均值為2.70，土壤質(zhì)量狀態(tài)為輕度超標(biāo)。人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)表明，玉米中單一重金屬Cd、Pb、As、Cu、Zn的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和多金屬綜合風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)均小于1，且食用玉米的年健康風(fēng)險(xiǎn)也低于國際輻射防護(hù)委員會(huì)(ICRP)推薦的最大年健康風(fēng)險(xiǎn)水平，表明長期攝入當(dāng)?shù)赜衩讓?duì)居民的健康不會(huì)造成明顯影響，可安全食用。

玉米；土壤；重金屬；健康風(fēng)險(xiǎn)；南丹

重金屬是一類對(duì)環(huán)境和人類極易產(chǎn)生危害的污染物[1]。近年來,礦業(yè)開采和后續(xù)管理不善等問題導(dǎo)致周邊農(nóng)田受到嚴(yán)重的重金屬污染。土壤中重金屬含量不斷累積,導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量減少和質(zhì)量下降,并通過食物鏈損害人體健康[2]。

南丹縣位于廣西壯族自治區(qū)西北部,地處24°42′～25°37′ N,107°01′～107°55′ E,地勢(shì)北高南低。該縣屬半石山區(qū),礦產(chǎn)資源極為豐富,已探明的重金屬礦種有20多種,包括Sn、Sb、Zn、Au、Ag、Cu、Fe、In和Wu等[3],其中Sn和As的保有儲(chǔ)量分別為144萬和47.8萬 t,均居全國首位[4],主要以Sn、Zn和Pb等開采為主,在礦山開采過程中產(chǎn)生的廢水、粉塵和廢渣等通過滲濾、大氣沉降等途徑進(jìn)入土壤,致使周邊農(nóng)田受到不同程度污染[5]。對(duì)南丹礦區(qū)周邊開展的相關(guān)研究顯示,南丹縣礦業(yè)活動(dòng)影響區(qū)周邊玉米中As、Pb和Cd的超標(biāo)率分別為2.5%、20.0%和22.5%[6],大廠鎮(zhèn)周邊蔬菜、玉米和水稻中As、Pb和Cd超標(biāo)嚴(yán)重[7-8]?？梢姷V業(yè)活動(dòng)對(duì)當(dāng)?shù)赜衩缀褪卟说绒r(nóng)產(chǎn)品中重金屬積累產(chǎn)生一定的影響,但鮮見對(duì)整個(gè)南丹縣玉米及對(duì)應(yīng)土壤重金屬含量的系統(tǒng)研究。南丹縣是玉米種植大縣,玉米是僅次于水稻的第2大糧食作物,主要用于當(dāng)?shù)鼐用袷秤肹9],其次用于家畜的配合飼料。因此,有必要了解南丹玉米重金屬含量總體狀況,并評(píng)估其健康風(fēng)險(xiǎn)。在對(duì)南丹縣玉米及其產(chǎn)地土壤重金屬含量全面調(diào)查的基礎(chǔ)上,探討玉米重金屬富集特性,并通過玉米可食部分的重金屬含量對(duì)該區(qū)域耕地土壤的污染程度進(jìn)行環(huán)境質(zhì)量評(píng)估。同時(shí)對(duì)當(dāng)?shù)鼐用裆攀持袕挠衩讛z入重金屬的健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估,為進(jìn)一步控制糧食風(fēng)險(xiǎn)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

2013年7月底在南丹縣全境玉米種植地采集玉米籽粒及其對(duì)應(yīng)土壤樣品各139個(gè)(圖1)。

圖1 樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of soil samples

采集玉米地耕作層(0～20 cm)土壤約1 kg左右作為土壤樣品,采樣過程中避免與金屬工具接觸,并用GPS(Garmin Oregon 550,中國)確定樣點(diǎn)地理位置。土壤樣品風(fēng)干后去除碎石與植物殘?bào)w等雜物,四分法取適量,研磨過0.149 mm孔徑尼龍篩,備用。同時(shí),采集對(duì)應(yīng)的玉米樣品,取可食部分,用自來水和超純水沖洗,晾干,80 ℃下烘干,粉碎待測(cè)。

樣品采用美國環(huán)保署(USEPA)推薦的HNO3-H2O2方法[10]消解,用原子熒光光譜法(AFS-9700)測(cè)定As含量,用石墨爐原子吸收光譜法(AA700,美國P.E公司)測(cè)定Pb和Cd含量,用電感耦合等離子發(fā)射光譜法(Optima 7000DV)測(cè)定Cu和Zn含量。分析過程中加入國家標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品(GSS-6)、植物標(biāo)準(zhǔn)樣品(GSV-1)和空白進(jìn)行質(zhì)量控制,所用試劑均為優(yōu)級(jí)純,所用水均為超純水,樣品回收率均在90%～110%之間。測(cè)定偏差控制在±10%以內(nèi),選10%的樣品做重復(fù)測(cè)試,相對(duì)誤差在±5%以內(nèi)。

樣點(diǎn)分布圖采用ArcGIS 10.2軟件繪制,正態(tài)分布和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析檢驗(yàn)運(yùn)用SPSS 18.0軟件完成。樣本均值采用符合正態(tài)分布的算術(shù)均值或幾何均值表征;非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性轉(zhuǎn)換,采用方差分析進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn),通過Pearson相關(guān)系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析,P<0.05表示差異顯著。

作物富集系數(shù)(PCF)為作物體內(nèi)污染物含量與對(duì)應(yīng)土壤中污染物含量的比值。

1.3 健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

采用USEPA推薦的模型[11]對(duì)通過食用玉米攝入重金屬進(jìn)行健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),計(jì)算公式為

(1)

(2)

IH=QH1+QH2+…+QHn。

(3)

式(1)～(3)中,DAD為食用玉米的重金屬平均日攝入量，mg·kg-1·d-1；RI為玉米攝入速率，參照USEPA暴露因子手冊(cè),確定該地區(qū)成人RI為0.15 kg·d-1,兒童為0.1 kg·d-1；DE為暴露持續(xù)時(shí)間,成人取70 a,兒童取6 a[12]；FE為暴露頻率，為365 d·a-1；WB為平均體重；TA為平均暴露時(shí)間，成人取70 a,兒童取6 a[13],并假定烹調(diào)過程不影響重金屬的活性和毒性;DRf為日參考劑量，mg·kg-1·d-1,Cd、As、Cu和Zn分別取值0.001、0.000 3、0.04和0.3 mg·kg-1·d-1[14-15],依據(jù)FAO/WHO成人Pb周攝入?yún)⒖枷拗?25 μg·kg-1)計(jì)算得出Pb的DRf值為0.004 mg·kg-1·d-1[16]；HQ值(QH)為高危商,其值>1,表明單一重金屬可引起人體健康風(fēng)險(xiǎn)；HI值(IH)為高危指數(shù),表示多種重金屬對(duì)人體健康的綜合風(fēng)險(xiǎn)，如果HI值≤1,表明沒有明顯的健康風(fēng)險(xiǎn);>1～10,表明對(duì)人體健康產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)的可能性大;>10,表明存在慢性毒性。

我們處在一個(gè)變革的時(shí)代，傳統(tǒng)的出版工藝、出版介質(zhì)以及流通方式等受到了空前的挑戰(zhàn)，新介質(zhì)、新技術(shù)正在顛覆人們習(xí)慣了的一切。報(bào)社、雜志社、出版社等傳統(tǒng)出版單位面對(duì)數(shù)字出版顯得不太適應(yīng)。

不同類型污染物通過膳食途徑進(jìn)入人體后所引起的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型包括致癌物所致健康危害的風(fēng)險(xiǎn)模型和非致癌物所致健康危害的風(fēng)險(xiǎn)模型[10,17]。致癌物所致健康危害的風(fēng)險(xiǎn)模型為

(4)

非致癌污染物所致健康危害的風(fēng)險(xiǎn)模型為

(5)

(6)

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量特征

南丹縣是南方典型的喀斯特地貌石灰?guī)r成土母質(zhì)發(fā)育地區(qū),土壤屬于赤紅壤,其土層較厚,質(zhì)地較黏重,缺磷缺鉀,肥力較差,且95%以上的土壤呈酸性至中性[18-19]。南丹縣玉米地土壤重金屬含量分布特征分析結(jié)果(表1)表明,Cd、Pb、As、Cu和Zn含量經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后均符合正態(tài)分布。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,南丹縣玉米地土壤Cd、Pb、As、Cu和Zn含量顯著高于南丹縣土壤背景值(P<0.05)[20],且各重金屬的變異系數(shù)達(dá)強(qiáng)變異程度(>100%);與HJ 332—2006《農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》相比,除Cd外,其余重金屬含量的幾何均值都低于該標(biāo)準(zhǔn)限值。從超標(biāo)情況看,南丹縣玉米地土壤Cd、Pb、As、Cu和Zn超標(biāo)率分別為78.6%、40.6%、40.9%、25.7%和22.5%,說明研究區(qū)域部分玉米地土壤重金屬含量存在超標(biāo)現(xiàn)象,這可能與當(dāng)?shù)氐牡V業(yè)活動(dòng)有關(guān),也可能是由于研究區(qū)域?qū)俑弑尘皡^(qū)域,土壤中重金屬含量本身就比較高。

表1 南丹縣玉米地土壤重金屬含量及單項(xiàng)污染指數(shù)(Pi)

Table 1 Concentrations andPi′s of heavy metals in the soil of the corn fields in Nandan County, Guangxi

元素范圍/(mg·kg-1)算術(shù)均值±標(biāo)準(zhǔn)差/(mg·kg-1)幾何均值(幾何標(biāo)準(zhǔn)差)/(mg·kg-1)變異系數(shù)背景值1)/(mg·kg-1) 標(biāo)準(zhǔn)限值/ (mg·kg-1)超標(biāo)率/%Pi范圍均值污染程度Cd0.065～41.563.893±7.001.205(4.68)1.800.5030.378.60.22～1384.02重度Pb1.750～4577349.2±75479.31(5.37)2.1640.788040.60.02～57.20.99警戒As0.678～693.582.85±13429.42(4.26)1.6217.744040.90.02～17.30.74警戒Cu1.500～313.944.97±52.427.91(2.70)1.1617.945025.70.03～6.280.56安全Zn8.500～3302295.8±524132.4(3.24)1.7781.4020022.50.04～16.50.66安全

1)來源于文獻(xiàn)[20]。

根據(jù)玉米地土壤重金屬含量,利用ArcGIS 10.2軟件中的Kriging插值法可以直觀了解研究區(qū)重金屬含量的空間分布(圖2)。南丹縣玉米地土壤中5種重金屬含量具有不同的分布特征。結(jié)合各元素的變異性、含量分布以及當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)環(huán)境等特征,對(duì)南丹縣玉米地土壤重金屬的污染情況進(jìn)行描述。南丹縣玉米地土壤中Cd是污染面積最大的元素,表現(xiàn)出區(qū)域性污染特征,超過2/3的玉米地存在超標(biāo)(>0.3 mg·kg-1)現(xiàn)象;Pb和As 元素表現(xiàn)為局部區(qū)域污染,高值均出現(xiàn)在車河鎮(zhèn)、大廠鎮(zhèn)及城關(guān)鎮(zhèn)的西南方向區(qū)域;Cu和Zn元素總體表現(xiàn)為清潔-輕度超標(biāo)狀態(tài)；Zn只在大廠鎮(zhèn)和車河鎮(zhèn)金屬礦業(yè)區(qū)周邊區(qū)域呈超標(biāo)狀態(tài)?？傮w而言,Cd、Pb和As元素超標(biāo)較嚴(yán)重,分布區(qū)域位于車河鎮(zhèn)、大廠鎮(zhèn)及刁江沿岸,這與當(dāng)?shù)氐慕饘俚V業(yè)區(qū)分布相一致。

參照 HJ 332—2006中參考值計(jì)算單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)，結(jié)果見表1。玉米地土壤Cd超標(biāo)嚴(yán)重,且Cd的單因子污染指數(shù)(Pi)最大,達(dá)4.02>3,說明土壤中Cd達(dá)重度污染;Pb、As、Cu和Zn的單因子污染指數(shù)均<1,處于警戒級(jí)程度,呈尚清潔水平,說明玉米地土壤尚未受到上述幾種重金屬的影響。因此,南丹縣玉米地土壤質(zhì)量主要存在Cd污染隱患。通過計(jì)算得出玉米地土壤綜合污染指數(shù)(P綜)范圍和幾何均值分別為0.23～44.8和 2.00,土壤屬輕度污染(1

圖2 南丹縣玉米地土壤重金屬含量分布Fig.2 Distribution of soil heavy mental contaminations in the corn fields of Nandan County， Guangxi

2.2 玉米籽粒重金屬含量特征及富集系數(shù)

對(duì)南丹縣玉米籽粒重金屬含量的空間分布分析得出,南丹縣玉米重金屬超標(biāo)點(diǎn)主要出現(xiàn)在大廠鎮(zhèn)、車河鎮(zhèn)、芒場(chǎng)鎮(zhèn)、城關(guān)鎮(zhèn)和八圩鄉(xiāng)。Cd 超標(biāo)出現(xiàn)在大廠鎮(zhèn)、車河鎮(zhèn)和城關(guān)鎮(zhèn),最大值出現(xiàn)在大廠鎮(zhèn)(0.991 mg·kg-1);玉米Pb超標(biāo)主要出現(xiàn)在南丹縣東南部,涉及大廠鎮(zhèn)、車河鎮(zhèn)、八圩鄉(xiāng)和城關(guān)鎮(zhèn),月里鎮(zhèn)也存在少部分超標(biāo)現(xiàn)象;采集的玉米樣品中只有4個(gè)點(diǎn)位存在As超標(biāo)現(xiàn)象,分布在大廠鎮(zhèn)和羅富鄉(xiāng)。總體而言,南丹縣玉米中As、Cu和Zn屬于清潔水平。

南丹縣玉米中Cd、Pb、As、Cu和Zn含量經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后均符合正態(tài)分布。與GB 2762—2012《食品中污染物限量》中限值進(jìn)行比較,玉米中Cd、Pb和As含量均值顯著低于該標(biāo)準(zhǔn)。參照GB 15199—94《食品中銅限量衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》與GB 13106—91《食品中鋅限量衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》,玉米中Cu和Zn含量均值也顯著低于對(duì)應(yīng)的限值。但玉米中Cd、Pb、As和Zn含量仍存在不同程度的超標(biāo)現(xiàn)象,其超標(biāo)率分別為8.4%、28.3%、3.0%和0.8%。參照GB 13078—2001《飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中家畜的配合飼料標(biāo)準(zhǔn),南丹縣玉米中Cd超標(biāo)率為1.9%,其余重金屬均未超標(biāo)。

為了說明土壤對(duì)玉米重金屬含量的直接影響,對(duì)土壤重金屬全量與對(duì)應(yīng)玉米重金屬含量進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果顯示，土壤和玉米中Cd、Zn、As含量呈顯著正相關(guān),其P值均為0.000;土壤與對(duì)應(yīng)玉米中Pb含量則呈較弱的正相關(guān)性(P=0.063);土壤和玉米中Cu含量相關(guān)性不顯著(P=0.765)。相關(guān)性分析結(jié)果表明，土壤中Cd、Zn和As含量對(duì)玉米中Cd、Zn和As的積累存在顯著的促進(jìn)作用。

農(nóng)產(chǎn)品重金屬含量水平及其對(duì)土壤重金屬的富集能力直接關(guān)系到食品的生產(chǎn)和食用安全。玉米中不同重金屬的富集系數(shù)見表2。南丹縣玉米的重金屬富集系數(shù)經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后均符合正態(tài)分布,玉米對(duì)不同重金屬元素的富集系數(shù)存在差異,這與土壤中各重金屬的含量差異及玉米對(duì)不同重金屬的吸收能力不同有一定的關(guān)系。雖然南丹縣玉米地土壤重金屬超標(biāo)嚴(yán)重,但是玉米中重金屬超標(biāo)率相對(duì)較低,可能與玉米對(duì)重金屬的累積能力較低有關(guān)。玉米對(duì)不同重金屬的富集系數(shù)由高到低依次為Zn>Cu>Cd>Pb>As,玉米對(duì)Zn的富集系數(shù)最大,且與土壤Zn含量呈顯著正相關(guān),說明玉米易受土壤中Zn的影響,但Zn和Cu屬食品的營養(yǎng)元素,玉米籽粒對(duì)其有一定需求。

表2 南丹縣玉米籽粒中重金屬含量及富集系數(shù)

Table 2 Concentrations and bio-enrichment coefficients of heavy metals in corn grains in Nandan County, Guangxi

元素含量/(mg·kg-1)富集系數(shù)范圍中值幾何均值(幾何標(biāo)準(zhǔn)差)范圍中值幾何均值(幾何標(biāo)準(zhǔn)差)Cd0.002～0.9910.0190.022(3.29)0.001～0.4000.0150.014(4.31)Pb0.002～2.1140.0920.081(3.73)0.00002～0.1240.0020.001(7.03)As0.006～0.6850.0400.046(2.55)0.0006～0.0530.0010.001(4.29)Cu0.600～5.6021.8371.812(1.41)0.006～1.3170.0650.065(2.81)Zn12.04～65.1823.2824.34(1.37)0.009～3.8440.1920.184(2.86)

2.3 土壤質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)

土壤中重金屬的質(zhì)量狀態(tài)評(píng)價(jià)除了依據(jù)土壤中重金屬含量外,其危害或后果也是十分重要的評(píng)價(jià)指標(biāo),即農(nóng)產(chǎn)品中重金屬含量或農(nóng)產(chǎn)品減產(chǎn)程度。該研究將土壤和玉米籽粒中重金屬含量作為一個(gè)整體進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),即綜合質(zhì)量影響指數(shù)(IICQ)[21]。IICQ為土壤綜合質(zhì)量影響指數(shù)(IICQS)和農(nóng)產(chǎn)品綜合質(zhì)量影響指數(shù)(IICQap)之和,詳細(xì)計(jì)算過程見文獻(xiàn)[21]。其土壤背景值參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)值見表1,玉米重金屬含量參考GB 2762—2012、GB 15199—94及GB 13106—91標(biāo)準(zhǔn)限值。

由圖3可以看出，重度污染(超標(biāo))狀態(tài)土壤(IICQS值>5)主要集中在大廠鎮(zhèn)、車河鎮(zhèn)及芒場(chǎng)鎮(zhèn),這與Cd、Pb和As含量高值區(qū)域分布相一致;玉米大部分屬于清潔或輕微污染狀態(tài)(IICQap值<2),而只有5個(gè)玉米樣品屬于中度污染,超標(biāo)樣點(diǎn)分布在大廠鎮(zhèn)(3個(gè))、車河鎮(zhèn)(1個(gè))和城關(guān)鎮(zhèn)(1個(gè));IICQ值的分布與IICQS值相一致,南丹縣玉米地樣品IICQ值的幾何平均值為2.70,屬于輕度污染。

針對(duì)該研究區(qū)域土壤和玉米籽粒質(zhì)量進(jìn)行分析(圖4)發(fā)現(xiàn):(1)玉米及對(duì)應(yīng)土壤均超標(biāo)的樣點(diǎn)數(shù)為35個(gè),占總樣點(diǎn)數(shù)的25.2%;(2)土壤超標(biāo)而玉米符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的樣點(diǎn)為80個(gè),該區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量處于亞健康或者亞污染狀態(tài),需要密切關(guān)注;(3)土壤未超標(biāo)而玉米超標(biāo)的樣點(diǎn)數(shù)為7個(gè),且主要是玉米Pb含量超標(biāo),說明土壤質(zhì)量也處于亞健康或者亞污染狀態(tài),需要追蹤Pb污染物的來源;(4)玉米及對(duì)應(yīng)土壤均未超標(biāo)的樣點(diǎn)數(shù)為17個(gè),土壤種植環(huán)境質(zhì)量健康。

根據(jù)上述4種狀況,結(jié)合當(dāng)?shù)鼐用竦姆N植習(xí)慣及對(duì)玉米作物的需求分析得出,可適當(dāng)在六寨鎮(zhèn)、中堡鄉(xiāng)、里湖鄉(xiāng)及羅富鄉(xiāng)種植玉米,但大廠鎮(zhèn)、車河鎮(zhèn)以及城關(guān)鎮(zhèn)的零星玉米地應(yīng)盡量減少種植玉米。

2.4 通過玉米攝入重金屬的健康風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)前期調(diào)查結(jié)果,南丹縣成人和兒童的平均體重分別為55.4和32.6 kg。南丹縣居民通過食用玉米的重金屬攝入量及HQ值計(jì)算結(jié)果見表3。通過食用玉米的重金屬攝入量均低于FAO/WHO提出的重金屬人均日攝入可允許限量標(biāo)準(zhǔn)(PTDI)[22],食用該區(qū)域玉米屬于安全水平。玉米中單一重金屬Cd、Pb、As、Cu和Zn對(duì)成人和兒童的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)(HQ)均<1,說明通過玉米途徑攝入重金屬的居民健康風(fēng)險(xiǎn)很低。同時(shí),成人及兒童的高危指數(shù)(HI)均<1,說明食用該區(qū)域種植的玉米對(duì)人體健康不會(huì)造成風(fēng)險(xiǎn)(表3)。該區(qū)域兒童的HI值顯著高于成人,為0.98,接近1,說明通過食用玉米使得多種重金屬對(duì)兒童健康產(chǎn)生綜合影響的可能性比較大。

該調(diào)查中當(dāng)?shù)鼐用駜H通過食用玉米攝入的重金屬屬于安全范圍,但在我國廣西普通人群的膳食結(jié)構(gòu)中,谷物類的消費(fèi)占總膳食的43.5%[23],而玉米在廣西是僅次于水稻的第2大糧食作物[9],筆者推算當(dāng)?shù)鼐用裼衩讛z入量在膳食結(jié)構(gòu)中的比例最高達(dá)21.2%。從表3可知,由致癌物(As和Cd)和非致癌物(Pb、Cu和Zn)通過玉米途徑所引起健康危害的個(gè)人年風(fēng)險(xiǎn)以As最大,Cd次之。按玉米在全膳食中的攝入比例進(jìn)行計(jì)算,玉米對(duì)當(dāng)?shù)鼐用裨斐傻哪杲】碉L(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)低于國際輻射防護(hù)委員會(huì)(ICRP)推薦的化學(xué)致癌物和化學(xué)非致癌物最大年健康風(fēng)險(xiǎn)水平5.0×10-5a-1,屬于安全水平。結(jié)合玉米在全膳食中所占的最大比例計(jì)算,當(dāng)?shù)爻扇司用裢ㄟ^食用玉米攝入Cd、Pb、As、Cu和Zn占最大年健康風(fēng)險(xiǎn)的比例分別為2.20%、0.10%、11.1%、0.59%和1.33%。Cu和Zn的年健康風(fēng)險(xiǎn)水平均低于USEPA 推薦值。綜上所述,該區(qū)域玉米屬于安全食用范圍,對(duì)于居民不存在明顯的健康風(fēng)險(xiǎn)。

IICQS—土壤綜合質(zhì)量影響指數(shù)；IICQap—農(nóng)產(chǎn)品綜合質(zhì)量影響指數(shù)；IICQ—綜合質(zhì)量影響指數(shù)。

圖4 南丹縣土壤-玉米質(zhì)量狀況分布Fig.4 Distribution of soil and corn qualities in Nandan, Guangxi

3 討論

南丹縣玉米地土壤以Cd、Pb和As超標(biāo)最為嚴(yán)重,與其他地區(qū)玉米地土壤進(jìn)行比較,南丹縣玉米地土壤中Cd、Pb和As含量明顯高于重慶市[24]及遼寧部分縣[25]玉米地土壤,同時(shí)也高于安徽宿州市礦區(qū)周邊種植作物土壤及陜西西部某縣鉛鋅冶煉廠周邊表層土壤[26-27];與南丹縣下游的都安縣玉米地土壤[28]進(jìn)行比較,南丹縣玉米地土壤中Cd和As含量顯著低于都安縣玉米地土壤,但Pb含量顯著高于都安縣玉米地土壤。該研究與前期對(duì)整個(gè)南丹縣耕地土壤的研究結(jié)果[20]相比,南丹縣玉米地IICQ評(píng)價(jià)結(jié)果與文獻(xiàn)[20]中非礦區(qū)耕地土壤一致，且遠(yuǎn)低于南丹縣礦區(qū)周邊玉米地[6]。

表3 南丹縣玉米籽粒中重金屬通過食用途徑所引起的平均個(gè)人年健康風(fēng)險(xiǎn)

Table 3 Mean annual individual health risk of heavy mentals via ingested corn in Nandan County, Guangxi

元素DRf/(mg·kg-1·d-1)Qig或DPA,ig1)DAD/(μg·kg-1·d-1)HQ值平均年健康風(fēng)險(xiǎn)/10-5a-1成人兒童成人兒童成人兒童Cd0.0016.1 0.0600.0670.0600.0670.5190.588Pb0.0040.00140.2190.2480.0550.0620.0220.025As0.0003150.1250.1410.4150.4702.6663.020Cu0.0400.0054.9065.5580.1230.1390.1400.159Zn0.3000.03065.90074.6600.2200.2490.3140.355

DRf為日參考劑量；Qig為致癌物的致癌強(qiáng)度系數(shù)；DPA，ig為非致癌物經(jīng)食用途徑的調(diào)整劑量；DAD為平均日攝取量；HQ為風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。1)致癌物Cd和As單位為kg·d·mg-1，非致癌物Pb、Cu和Zn單位為mg·kg-1·d-1。

這可能與該地區(qū)不同礦業(yè)活動(dòng)開發(fā)、種植地與礦區(qū)的距離以及參照的評(píng)價(jià)方式不同有關(guān)。將土壤-玉米點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的樣品作為整體進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià),會(huì)使耕地土壤的環(huán)境質(zhì)量評(píng)估更具合理性和科學(xué)性[21]。已有文獻(xiàn)中其他地區(qū)玉米重金屬含量如表4所示,南丹縣玉米中Cd、Pb和As存在超標(biāo)現(xiàn)象,與云南某錫礦區(qū)[29]和遼寧省阜新縣、黑山縣、昌圖縣以及海城縣玉米[25]相比(表4),南丹縣玉米中Pb含量明顯偏低,As含量明顯低于云南某錫礦和遼寧省阜新縣以及黑山縣,但Cd含量偏高,這與南丹縣土壤Cd含量明顯偏高有關(guān)。原國家衛(wèi)生部已將針對(duì)農(nóng)產(chǎn)品中Cu和Zn的限量標(biāo)準(zhǔn)廢除,且歐盟、日本以及食品添加劑與污染物法典委員會(huì)等也未將Cu和Zn納入食品限量標(biāo)準(zhǔn),該研究中玉米Cu和Zn含量所參照的標(biāo)準(zhǔn)是GB 15199—1994和GB 13106—1991,能在客觀上反映玉米中Cu和Zn含量狀況,但Cu和Zn也是人體健康和生命必需的微量元素。

表4 已有文獻(xiàn)中不同地區(qū)玉米重金屬含量的對(duì)比

Table 4 Heavy metal concentrations in corns produced in different areas published in the literature mg·kg-1

通過富集系數(shù)可以看出,玉米對(duì)重金屬的富集能力依次為Zn>Cu>Cd>Pb>As,玉米對(duì)Cu和Zn元素吸收能力較強(qiáng),這與其他學(xué)者的研究[29-30]相符。與不同地區(qū)玉米對(duì)重金屬的富集系數(shù)比較得出,南丹縣玉米的富集系數(shù)低于安徽宿州[26],但高于云南某鉛鋅礦[29]。玉米重金屬含量除受土壤重金屬影響外,還與其他環(huán)境因素有關(guān),如土壤類型、土壤理化特性及玉米本身的吸收能力等。同時(shí),通過相關(guān)性分析可知土壤-玉米重金屬的空間分布存在差異性,土壤和玉米中Cd、As和Zn含量存在顯著相關(guān)性,這與前人研究結(jié)果[30-31]一致,但土壤與玉米中Pb和Cu含量沒有顯著相關(guān)性。有研究結(jié)果表明,玉米中Pb和Cu主要存在于玉米根部和葉片中[32]。因此,在玉米種植地中應(yīng)盡量控制土壤Cd和As污染。南丹縣土壤污染較為嚴(yán)重，且部分地區(qū)水稻和蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標(biāo)嚴(yán)重[7],但玉米的超標(biāo)率較低,可能是因?yàn)橛衩诪楹档刈魑?不受污水灌溉,且玉米對(duì)重金屬累積能力較低。攝入量及HQ風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果表明,食用當(dāng)?shù)赜衩撞粫?huì)對(duì)人體和家畜的健康造成直接風(fēng)險(xiǎn);年健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估表明，居民經(jīng)食用玉米攝入的重金屬未存在潛在危害。

該文主要討論人體直接食用玉米及其制品所暴露的重金屬含量;而在實(shí)際飲食生活中玉米大多用來喂養(yǎng)雞、鴨和豬等畜禽,該評(píng)估忽略了人體間接通過畜禽類肉制品攝入玉米中的重金屬,存在一定的局限性。因此,該結(jié)果反映的暴露量是一種保守的估計(jì),但可為進(jìn)一步研究膳食攝入重金屬的暴露量提供參考?？傮w而言,結(jié)合當(dāng)?shù)爻扇司用竦娘嬍沉?xí)慣及選擇種植的農(nóng)作物類型,適當(dāng)種植和食用玉米是可行的,但要密切關(guān)注大廠鎮(zhèn)、車河鎮(zhèn)以及城關(guān)鎮(zhèn)零星玉米地的重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

(1)南丹縣玉米地土壤中Cd、Pb、As、Zn和Cu含量均值分別1.205、79.31、29.42、27.91和132.4 mg·kg-1,Cd均值超過其限量值的3倍,南丹縣玉米地土壤重金屬屬于輕度污染水平;玉米籽粒中Cd、Pb、As和Zn均存在不同程度超標(biāo),超標(biāo)率分別為8.4%、28.3%、3.0%和0.8%,通過相關(guān)性分析得出，土壤與玉米中Cd、Zn和As含量存在顯著正相關(guān)性。

(2)以玉米和對(duì)應(yīng)土壤作為整體,IICQ均值為2.70,屬于輕度污染,且67.8%的樣點(diǎn)種植的玉米屬于安全食用范圍。

(3)南丹縣玉米中重金屬通過膳食途徑所引起的HQ和HI值均<1,且平均個(gè)人年健康風(fēng)險(xiǎn)均保持在最大可接受風(fēng)險(xiǎn)水平和可忽略風(fēng)險(xiǎn)水平之間,就玉米中重金屬含量總體狀況而言,南丹縣玉米是可以安全食用的。

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(責(zé)任編輯： 許 素)

Characteristics of Heavy Metal Accumulation in Soil-Corn System Contents and Their Health Risks in Nandan, Guangxi.

LUSu-fen1,2,ZhangYun-xia2,YUYuan-yuan2,ZHONGXue-mei3,TIANMei-ling2,HUANGYu-fei2,SONGBo2

(1.College of Chemical and Biological Engineering, Hechi University, Yizhou 546300, China; 2.College of Environmental Science and Engineering， Guilin University of Technology， Guilin 541004, China; 3.College of Earth Sciences，Guilin University of Technology， Guilin 541004, China)

Nandan is famous for its mining of nonferrous metals. In order to investigate effects of the mining activities on the soil and corn, the staple grain crop of this county, a total of 139 soil samples and 139 corn samples were collected for analysis of concentrations of Cd, Pb, As, Cu and Zn. Results show that the mean concentration of Cd, Pb, As, Cu and Zn in the soil samples was 1.205, 79.31, 29.42, 27.91 and 132.4 mg·kg-1, respectively. The over-standard rate of Cd, Pb and As in the corn was calculated to be 8.4%, 28.3% and 3.0% respectively, by GB 2762-2012 “Thresholds for Pollutants in Food”. Correlation analysis shows that the corn was significantly related to the soil in concentration of Cd, Zn and As (P<0.05), but not so much in concentration of Pb and Cu. Environmental quality evaluation of the farmland soils based on the above analysis of heavy metal concentrations in the corn and soil shows that IICQ was 2.70 on average, indicating that the soil was slightly over the standard. Human health risk assessment shows that both HQ (single element risk coefficient) and HI (multi-element integrated risk coefficient) were below 1; and the annual health risk of corn consumption to people in Nandan County was also lower than the highest level recommended by the International Commission on Radiological Protection (ICRP), which suggests that long term ingestion of locally produced corn will not have any significant health risk. The corn is a safe food in the area.

corn; soil; heavy metal; health risk; Nandan

2016-10-26

國家自然科學(xué)基金(41261082)；“八桂學(xué)者”建設(shè)工程專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)；廣西自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(2013GXNSFEA053002)

X171.5；X503.1

A

1673-4831(2017)08-0706-09

10.11934/j.issn.1673-4831.2017.08.005

陸素芬(1989—)，女，廣西平果人，實(shí)驗(yàn)員，碩士，主要研究方向?yàn)槲廴就寥佬迯?fù)和區(qū)域環(huán)境調(diào)查與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。E-mail: lusufen2012@sina.com

① 通信作者E-mail： songbo@glut.edu.cn