煤矿区果菜类蔬菜重金属富集特征及污染风险评价

 .            ，      .（                      ）   （      ） ， （） ：        ： -     ： -     ：高杨（-） ，男（汉） ，安徽宿州人 ，硕士 ，讲师 ，研究方向 ：资源与环境     ：安徽高校省级自然科学研究重点项目（KJA） ；宿州学院优秀学术技术骨干项目（XJGG） ；安徽高校省级人文社会 科学研究重点项目（SKA） ；宿州学院重点科研项目（yzd）                         ，   ，    （宿州学院 环境与测绘工程学院 ，安徽宿州 ）   ：                            。                       ，                （   、      ）               ，                       ，                                            。          Cd、Cr  Ni             ，    .mgkg 、 .mgkg  .mgkg ，Pb          ，  .mgkg ；                   ，                ，                 ，               ；                    CdPbNiCr ，     Cd       ，  . ，                    PbNiCdCr ，                 ，  Pb        ，  . ；                      ，          ，                 ；            Cd、Cr  Ni            ，           Pb              。                     ，                  。    ：    ；      ；    ；     ；            ：X       ：A      ： -（）-    ： .j cnki issn-                                                                                                      ，     ，            （                                           ，                 ，             ，      ）         ： ObjectiveThisstudywasaimedtorecognizethemigrationroutes ，enrichmentcharacteristics ，andpollution hazardsofheavymetalsinvegetationnearcoalmines MethodsThesampleswerecollectednearQiNancoalmines ， andheavymetalcontentsinthesoilanddifferentorgansoffruitsvegetables （cowpea ，eggplant ，andpepper）wereana- lyzed Richnessofheavymetalsatrootsystemandtransportationabilityinthefruitsindifferentvegetableswerecom - pared Pollutionlevelsandhealthrisksofheavymetalinediblepartsofvegetableswereevaluatedbyusingthecompre- hensivepollutionindexesandheavymetalexposureriskindexes ResultsResultsindicatedthattheaveragecontents ofCd ，Cr ，andNiat mgkg ， mgkg ，and mgkg ，respectively ，insoilofcoalminingarea werehigherthantheaverageoccurrencevaluesinAnhuiprovinceandtheaveragecontentofPdat mgkg was lowerthantheprovincialaveragevalues Asignificantdifferenceofheavymetalcontentswasobservedindifferentor- gansoffruitvegetables Thecontentsofheavymetalsinvegetableleavesandrootswereobviouslyhigher ，whileitwas thelowestinthefruitsofvegetables ，andthelevelsofheavymetalsrichnesswerevariousindifferentvegetablevarie- ties TheorderofrichnesscapacityintherootofvegetablesforthesoilheavymetalswasastoCd PbNiCr ，and Cdenrichmentfactorofeggplantwas Theleveloftransportcapacityofthevegetablefruitfortheheavymetals oftherootwasastheorderofPb NiCdCr Thetransfercoefficientsoftheeggplantfruitweresignificantlyhigh- erthanthatofcowpeaandpepper ，andthetransfercoefficientsforPbwasthelargestat Heavymetalpollution levelofvegetablesoilinthecoalminingareawasfairlyhigh ，andeggplantwassignificantlyaffectedbyheavypollu- tion ，whilecowpeaandpepperswereeasilyaffectedbyeitherlightormoderatepollution Noobvioushealthriskwas observedforresidentsincoalmineareathroughtheintakeofCd ，CrandNifromvegetables ，butitmightbeharmfulto thehealththroughtheintakeofPb ConclusionThereweresignificantdifferencesinthecharacteristicsofheavymetalen- richmentinfruitsvegetables ，andthevegetablesincoalminingareaswerecontaminatedbyheavymetalsatvariouslevels         ：Coalminingarea ，Fruitvegetables ，Heavymetal ，Enrichmentcharacteristics ，Pollutionriskassessment随着工业化进程的推进 ，各项生产活动中废物 的排放 、居民生活垃圾的堆积以及农药、化肥等化 工产品不合理的使用 ，都会带来土壤中重金属的积 累 ， ，富集到土壤中的重金属使土壤环境恶化的 同时 ，又通过各种形式向地表其它地区或圈层转 移 ，包括通过淋溶作用迁移至临近地区土壤或水 体 ，通过植物根系吸收转移至生物圈等 ，被植物吸 收的重金属元素就有可能通过食物链的形式最终 给人类健康带来危害 ， 。蔬菜作为日常生活中 最常见和最重要的食品之一 ，受重金属污染影响状 况必然受到关注 ，此类研究从多方面开展 ，较多研 究从不同类型地区蔬菜重金属污染状况进行 ，包括 各类工矿区 、城市不同功能区 、城郊地 区 、 等多种地区的蔬菜重金属污染调查与评 价 ，目前 ，重金属在土壤与蔬菜间的迁移 、转换和富 集特征研究逐渐增多 ，包括蔬菜可食部分重金属富 集特征研究 、蔬菜不同器官重金属迁移转运 规律研究 ， 等 ，另外还有针对特定蔬菜种类或 蔬菜中某一重金属元素的单项评价研究 。由 于受重金属污染源 、形态特征、迁移方式及蔬菜不 同生理特性等多种因素的影响 ，各类研究结果呈现 出明显的空间分异特征 ，鲜有对煤矿区蔬菜重金属 迁移转换研究与评价 ，选择宿州市祁南煤矿区为研 究区 ，通过对样区菜地土壤及果菜类蔬菜进行采样 测定 ，进行菜地土壤和蔬菜的重金属污染状况评 价 ，并探讨果菜类蔬菜不同组织器官的重金属分布 差异及转移富集特征 ，以期为煤矿区蔬菜种植选择 和农产品安全生产提供一定参考 。       宿州市位于安徽省北部 ，地处暖温带半湿润季 风气候区 ，气候温和 ，四季分明 ，年平均气温为 . ，年均降水量为 mm左右 ，年内分配不 均。全市农业用地面积.万hm ，其中蔬菜种 植面积.万hm ， 年蔬菜产量.万t ， 常年主栽蔬菜品种 种左右 ，其中果菜类蔬菜主 要有辣椒、黄瓜、茄子、豆角、番茄、南瓜等。宿州市 地下煤炭资源储量丰富 ，煤种齐全、质地优良 ，已探 明储量.亿t ，煤炭储存面积占全市面积的五分 之一。祁南煤矿坐落在宿州市埇桥区南部的蕲县 镇 ，距市区约km ，蕲县镇地下矿产资源丰富 ，境 内煤炭探明储量.亿t ，蔬菜种植是蕲县镇农业 结构中的传统产业类型 ，区内 以上农户既经 营粮食作物又种植蔬菜。        .       样品采集于年 月在祁南煤矿区进行 ， 以煤矿生产区为中心选择周边 m范围内不同 位置蔬菜种植成片区域 ，采集种植类别较为普遍的 豆角（                 ）、茄子（             -      ）和辣椒（               ）三种果蔬类蔬 菜样品各株 ，在每个植株采样点采集土壤样品 时 ，在植株附近 . m的范围内采集 处 cm的土壤进行多点混合 ，完成一个土壤样品的 采集 ，并把土壤样品和植株不同组织器官（根、茎、 叶和果实）分别保存于自封袋内。共采集土壤样品 个 ，植株不同组织器官样品组。  .        带回实验室的土壤样品经室内避光环境 d自然风干后 ，剔除杂质碾磨过 目尼龙筛 ， 过筛后的土壤样品经HCl-HNO-HF-HClO 消 解 ，并定容至mL以备重金属含量测定。蔬菜 样品先用自来水清洗泥土等杂质 ，再用去离子水冲 洗遍 ，放入烘箱 杀青min ，其后在 充分烘干至恒重 ，将烘干后的样品粉碎碾磨过过 目尼龙筛 ，过筛后的蔬菜样品采用 HNO- HClO消解并定容待测。土壤和蔬菜样品重金属 含量的测定均采用原子吸收分光光度法测定（仪器 型号TAS FG ，普析通用 ，北京）。为保证测 试精确度 ，实验分析过程中使用器皿均经过 稀硝酸溶液浸泡 h后的 次去离子水清洗 ，样 （） 高杨等 ：煤矿区果菜类蔬菜重金属富集特征及污染风险评价 品处理过程均使用优级纯试剂 ，为进行样品测定的 质量控制还插入了土壤标样（GSS ）和植物标样 （GSV ）进行对比试验 ，测试结果符合要求。  .      . 富集系数与转运系数 富集系数是通过植物体某重金属含量与土壤 中该重金属含量的比值来反映植物器官对土壤重 金属吸收积累的能力 ，分析中可用来评价煤矿 区蔬菜根部对土壤重金属的积累情况 ，计算公 式为 ：         （） 式中 ，     为根部富集系数 ，   为蔬菜根部重金 属含量 ，   为菜地土壤重金属含量 ，     越大 ，说 明蔬菜根部对土壤重金属的吸收积累能力越大 ，抗 重金属污染能力较弱 。 转运系数是通过植物地上部分器官与植物地 下根部该重金属含量的比值反映重金属从根部向 地上植物器官迁移转运的能力 ，分析中用来评 价果菜类蔬菜中根部向可食部分的转运情况 ，计算 公式为 ：        （） 式中 ，    为根部富集系数 ，   为蔬菜果实重金属 含量 ，   为蔬菜根部重金属含量 ，    越大 ，说明 蔬菜根部向蔬菜果实迁移转运能力越大 。 . 综合污染指数 综合污染指数法 最初主要应用于土壤或 沉积物重金属污染评价 ，当前也广泛应用于蔬菜 重金属污染评价 ， ，该方法以单因子污染指 数为基础 ，综合评估整体污染水平 ，且评价中突 出最大污染强度的单因子产生的影响 ，计算公 式为 ：       （）  综 （  max     ） （） 式中 ，   和  综分别为单项因子污染指数和综合 污染指数 ，  为土壤或蔬菜中第  种重金属元素实 测值 ，   在评价土壤时为土壤环境背景值 ，在评价 蔬菜可食部分时参考中国食品安全国家标准中食 品中污染物限量（GB ）限量值 ，Pb 、 Cd、Cr和 Ni在果菜类蔬菜的限量值分别为 .mgkg 、. mg kg 、. mg kg 和 mgkg ，    和    分别为各单项因子污染指 数的最大值和平均值。污染等级划分标准参照 表。                    Ratingstandardsofcomprehensivepollutionindex 污染等级 Pollutionlevel 安全 Security 警戒级 Alertlevel 轻污染 Mildpollution 中污染 Moderatepollution 重污染 Heavypollution 单项污染指数 Pi 剟 z . 觋 儋 . Pi Pi S Pi 噰 Pi  综合污染指数 P综 觋 . 觋 觋 . P综 P综 P综 觋 P综 垐 . 重金属暴露风险指数 重金属暴露风险指数 是通过食用蔬菜引起 重金属摄入产生有害健康效应而造成等效伤害的 危险度指数 ，主要根据重金属平均摄入量和污染物 暴露参考剂量的对比评价受重金属污染地区居民 的健康风险 ，计算公式为 ：            （）     （       ）   （） 式中 ，    为重金属暴露风险指数 ，     为通过 蔬菜进入人体的重金属平均日摄入量 ，    为重 金属污染物在某种暴露途径下的日参考剂量 ，Pb、 Cd、Cr和Ni分别为 gkg d 、 gkg d 、 gkg d 和 gkg d ，参考剂量来源 于美国国家环保局（USEPA） ，    为蔬菜摄入 率 ，根据中国居民膳食指南（）中建议每人保 证每天摄入 g蔬菜 ，取最低限 g ，   为蔬菜可食部分重金属含量 ，   为人体平均体 重 ，按 kg计算。    值小于 ，说明对人体没 有明显健康风险 ，    值大于 ，说明存在一定健 康风险 ，且    越大 ，健康风险等级越高。 山西农业大学学报（自然科学版）        .                采样点土壤重金属含量统计如表所示 ，可见 Pb、Cd、Cr和 Ni的含量范围分别为 . . mg kg 、. . mg kg 、 .mgkg 、和 . . mg kg ，平均含量分别为 . mg kg 、 .mgkg 、.mgkg 和 .mg kg ，对比安徽省土壤重金属含量的背景值 ， Cd、Cr和Ni的平均含量明显高于背景值 ，其中所 有采样点的Cd含量均高于背景值 ，Pb的平均值 低于背景值 ，有部分样点的含量高于背景值 。从重 金属含量的变异系数看 ，Pb和Cd的变异系数超 过了 ，分别为 .和 . ，属强变异 ， Cr和Ni的变异系数分别为 . 、. ，处 于 的中等强度变异 ，说明矿区菜地土 壤重金属分布可能受到矿区生产活动 、不同蔬菜类 型生理特性等因素的影响和干扰 。               mgkg       Heavymetalcontentsinvegetablesoilaroundcoal miningarea 元素 Elements 平均值 Average 最大值 Max 最小值 Min 标准差 Standard deviation 变异系数 Coefficientof variation 安徽省背景值 Backgroud valueinAnhui Pb 觋 觋 . 觋 觋 . 觋 觋 . . 觋 * . 枛 崓 . Cd 觋 觋 . 觋 觋 . 觋 觋 . . 觋 * . 枛 崓 . Cr 觋 觋 . 觋 觋 . 觋 觋 . . 觋 * . 枛 崓 . Ni 觋 觋 . 觋 觋 . 觋 觋 . . 觋 * . 枛 崓 .  .                  果菜类蔬菜不同器官重金属平均含量分布如 图所示 ，可见不同蔬菜各器官重金属含量差异明 显。Pb在茄子各组织器官中都有较高的富集表 现 ，其中茄子叶和根含量明显高于其他蔬菜各器 官 ，分别为.mgkg 和 .mgkg ，在豆 角和辣椒果实中 Pb 含量相对较低 ，分别为 .mgkg 和 .mgkg 。Cd含量较高                    Heavymetalcontentsindifferentorgansoffruitvegetables 主要集中在各类蔬菜的叶片 ，辣椒叶和茄子叶较 高 ，分别为 .mgkg 和 .mgkg ，豆角 和辣椒的果实中含量较低 ，分别为 .mgkg 和.mgkg ，而在蔬菜根和茎的含量相差不 （） 高杨等 ：煤矿区果菜类蔬菜重金属富集特征及污染风险评价 大。Cr在辣椒和豆角的根部含量较高 ，分别为 .mgkg 和 .mgkg ，在这两种蔬菜 的果实中含量较低 ，分别为 . mgkg 和 .mgkg ，在茄子的茎和叶的含量要高于其他 两种蔬菜 ，分别为.mgkg 和.mgkg 。 Ni在辣椒各器官平均含量都高于其他两种蔬菜 ， 辣椒叶含量最高 ，为.mgkg ，豆角果实Ni 含量最低 ，为.mgkg 。通过含量分析可知蔬菜叶和根的重金属含量 明显偏高 ，其中Pb、Cd和Ni在蔬菜叶中的含量为 最高 ，这与相关研究 、 中重金属在蔬菜叶的富 集含量较高一致 ，可能存在两方面原因 ，一是蔬菜 叶面单位质量表面积大 ，叶面表面有气孔 ，Pb、Cd 等重金属元素可以通过空气被植物叶所吸收 ， 煤矿区工业生产活动频繁 ，存在一定程度的大气污 染 ，可能增加蔬菜叶对大气中重金属的吸收 ，另一 方面植物叶片进行蒸腾作用通过叶面气孔将水分 蒸腾到大气中 ，植物叶面气孔附近失水细胞从根系 及临近叶肉细胞吸水 ，往复循环 ，在吸水蒸腾的作 用过程中 ，蔬菜其他器官的重金属在叶面富集。 Cr在蔬菜根部的含量为最高 ，Pb、Cd和Ni的根部 含量也仅次于蔬菜叶 ，说明蔬菜根同样是重金属富 集作用明显的器官 ，与铜陵矿区周边蔬菜重金属研 究 中可食部分为根类的蔬菜比果蔬类蔬菜有更 强的富集重金属能力的结论一致 ，植物不同部位对 重金属元素积累的状况不同 ，通常是地下部分明显 高于地上部分 ，植物根系和土壤有充分的接触 ， 蔬菜对土壤中重金属元素的吸收最先就是在根部 富集 ，其他地上器官的重金属累积大多是通过根系 的传输 ，一般蔬菜各器官中果实的重金属含量 最低 ，与研究区分析结果吻合 ，但不同蔬菜种类及 各器官形态差异会产生不同重金属富集的表现 ，如 研究中Cd在辣椒及Cr在茄子各器官含量中茎部 分高于根部分。  .                  果菜类蔬菜的根部富集系数和果实转运系数 如表所示 ，可见各类蔬菜对不同重金属元素的富 集和转运能力存在明显差异。从根部富集系数看 ， 蔬菜根部对土壤重金属富集能力大小依次为Cd、 Pb 、Ni和Cr ，其中Cd的根部富集系数远大于其它 三种重金属元素 ，茄子根富集系数最高 ，为 . ， 表明蔬菜根部对土壤中Cd吸收富集能力较强 ，另 外茄子根对Pb的吸收能力明显强于豆角和辣椒 ， Cr和Ni的富集系数差别不大。从果实转运系数 看 ，蔬菜果实对根部重金属转运能力大小依次为 Pb 、Ni、Cd和Cr ，其中Cr的果实转运系数明显低 于其他重金属 ，说明果实对蔬菜根中Cr的转运能 力较弱。茄子果实对各种重金属的转运系数都远 大于豆角和辣椒 ，对Pb、Cd和Ni的转运系数分别 达到了.、.和 . ，豆角果实的转运系 数普遍较低。                              TherootEnrichmentandfruittransfercoefficientsofheavymetalinfruitvegetable 元素 Elements BCFr TFf 豆角 Vignaunguiculata 茄子 SolanummelongenaL 辣椒 Capsicumannuum 豆角 Vignaunguiculata 茄子 SolanummelongenaL 辣椒 Capsicumannuum Pb a W . W M . N D . 觋 . 觋 觋 . 觋 觋 . Cd a W . W M . N D . 觋 . 觋 觋 . 觋 觋 . Cr a W . W M . N D . 觋 . 觋 觋 . 觋 觋 . Ni a W . W M . N D . 觋 . 觋 觋 . 觋 觋 . 从蔬菜生理学特征分析 ，茄子和辣椒的植株高度都 较低 ，高度一般不超过m ，豆角是蔓生型作物 ，茎 蔓长度可以达到 m以上 ，豆角从根系到果实的 转运距离更长 ，使得豆角果实转运系数明显低于茄 子和辣椒 。辣椒属于浅根系作物 ，根系发育较弱 ， 也使其抗旱能力弱 ，而茄子根系发达 ，根深可达 mm ，横向伸展可达 mm ，根系吸收能力强 ， 这种特性解释了茄子的重金属富集 、转运的整体能 力强于辣椒和豆角。  .                煤矿区菜地土壤和蔬菜果实部分的污染指数 如表所示 ，土壤的综合污染指数为 . ，为中 山西农业大学学报（自然科学版） 污染等级水平 ，其中Cd的单项污染指数达到重污 染水平 ，Cr和Ni的单项污染指数为轻污染水平 ， 土壤Pb处于安全水平。蔬菜果实的评价结果存 在明显差异 ，茄子的综合污染指数最高 ，达到重污 染水平 ，单项污染因子除Cr外都属轻污染及以上 级别 ，Pd的单项污染指数属重污染 ；豆角和辣椒的 综合污染指数分别为 .和 . ，分属轻污染 和中污染等级 ，两种蔬菜的单因子污染指数情况相 似 ，Cd和Cr处于安全水平 ，Ni的单项污染指数都 为轻污染等级 ，Pd的单因子污染指数有一定差别 ， 分属中污染和中污染等级 。                           Heavymetalpollutionindexinsoilandfruitvege- tablearoundcoalminingarea Pi Pb Cd Cr Ni P综 菜地土壤 觋 M . W M . 热 觋 . 9/ . 槝 . 豆角果实 觋 M . W M . 热 觋 . 9/ . 槝 . 茄子果实 觋 M . W M . 热 觋 . 9/ . 槝 . 辣椒果实 觋 M . W M . 热 觋 . 9/ . 槝 . 菜地土壤和蔬菜单项因子污染水平并不完全一致 ， 尤其Pb的污染水平出现了完全不同的结果 ，在土 壤中处于安全等级 ，在蔬菜中却出现了较高等级的 污染水平 ，分析存在两种可能 ，一是果菜类蔬菜对 土壤中Pb的吸收转运能力很强 ，带来果实中Pb 的高富集 ，二是蔬菜果实中的Pb并不主要来源于 土壤 ，与上述分析蔬菜叶中重金属含量较高原因类 似 ，通过大气环境吸收或蔬菜其他器官转运。  .             根据公式（）和（）计算通过蔬菜进入人体的 重金属平均日摄入量（     ）和重金属暴露风险指 数（    ）如表所示 ，蔬菜的各重金属含量计算时 采用三类蔬菜可食部分的平均值 ，重金属平均日摄 入量从大到小依次为Ni Pb Cr Cd。蔬菜不 同重金属的健康风险存在差异 ，Cd、Cr和Ni的暴 露风险指数都没有大于 ，分别为 .、.和 . ，表明通过蔬菜摄入的这三种重金属对人体 没有明显健康风险 ，而Pb的暴露风险指数最大 ， 为. ，    值大于 表示存在健康风险 ，说明 煤矿区居民通过蔬菜摄入重金属Pb可能给身体 健康带来一定危害 ，茄子果实Pb含量高的表现尤 为突出 ，单项污染指数为最高 ，研究区应考虑种植 其它果菜类蔬菜替代茄子。                            Intakeandexposure risk index of heavy metal throughfruitvegetableconsumption Pb Cd Cr Ni CDIvgkg d 谮 觋 . tj .  . 觋 觋 . RfDgkg d 觋 j 觋 HQv 谮 觋 . tj .  . 觋 觋 .    （）祁南煤矿区菜地土壤Cd、Cr和Ni的平均 含量明显高于背景值 ，重金属Pb的平均值低于背 景值 ，变异系数显示Cr和Ni属中等强度变异 ，Pb 和Cd为强变异 ，说明矿区菜地土壤重金属分布受 到矿区生产活动、不同蔬菜类型生理特性等因素的 影响和干扰。 （）煤矿区果菜类蔬菜不同器官重金属含量差 异明显 ，蔬菜叶和根的重金属含量明显偏高 ，其中 Pb 、Cd和Ni在蔬菜叶中的含量为最高 ，果实的重 金属含量最低 ，不同蔬菜种类会产生不同重金属富 集的表现。 （）各类蔬菜对不同重金属元素的富集和转运 能力存在明显差异。蔬菜根部对土壤重金属富集 能力大小依次为CdPbNiCr ，茄子根富集系 数最高 ，茄子根对Pb的吸收能力明显强于豆角和 辣椒。蔬菜果实对根部重金属转运能力大小依次 为PbNiCdCr ，茄子果实对各种重金属的转 运系数都远大于豆角和辣椒。 （）煤矿区菜地土壤的综合污染指数显示为为 中污染等级水平。蔬菜果实综合污染评价结