重金属对人体具有高毒危害性。据WHO等的研究，其在人体内的过量累积可诱发心脑血管病、肾病、神经系统和骨骼等器官病变，严重者甚至会致癌[1-3]。新世纪以来，随着农业生产技术水平进步和人民生活品质需求的不断提高，我国蔬菜种植方式开始由传统的种植手段向设施蔬菜种植的模式转变，由于土壤中重金属可能会通过食物链威胁到人类健康[4-5]，因此设施蔬菜土壤和蔬菜中重金属的累积和健康风险越来越受到国外学者的重视[6-9]。
设施农业是通过采用现代农业工程和机械技术，改变自然环境，为动、植物生产提供相对可控制甚至最适宜的温度、湿度、光照、水和肥等环境条件，而在一定程度上摆脱对自然环境的依赖进行有效生产的农业，具有高投入、高技术含量、高品质、高产量和高效益等特点，是最有活力的农业新型产业[10]。但设施农业因其生产处于封闭、半封闭状态，且具有肥料投入量大、温度高、湿度大、光照弱等特点，更易造成重金属在土壤中的积累，从而对设施土壤的生态环境造成潜在的负面影响。
本研究以新种植的设施蔬菜土壤和蔬菜中重金属含量为研究对象，采用单项污染指数法评价伊春市设施蔬菜土壤重金属污染情况，运用美国环境保护署(USEPA)目标危害系数法(the target hazard quotient, THQ) [11]评价设施蔬菜中4种重金属及类金属健康风险水平，以期从蔬菜生产源头监测着手，跟踪土壤—蔬菜环境过程中重金属迁移变化，为蔬菜中重金属风险监测和污染控制提供一个新思路及数据支持。
1 材料与方法 1.1 供试样品 1.1.1 土壤样品分别于2015年4月15日和2016年9月20日采集土壤样本，土壤采样点分布于伊春市伊春区(2个设施蔬菜基地)、乌马河区(2个设施蔬菜基地)、友好区(1个设施蔬菜基地)、南岔区(1个设施蔬菜基地)和铁力市(2个设施蔬菜基地)，共8个设施蔬菜基地，每个设施蔬菜基地随机选取6栋设施蔬菜大棚作为固定采样点(土壤和蔬菜)，即每个采样地区为1个采样单元，每个采样单元设置6个采样点，每个采样点选择梅花点法设置5个分点，采取4分点法将5个分点样品制成1个混合土壤样本，共采集48份土壤样本。土壤混合样采自耕作表层土壤(深度0 ~20 cm)，去掉土壤中石粒、植物枝叶等杂物，自然风干，研磨后过100目尼龙筛备用。
1.1.2 蔬菜样品2015年4月—2016年12月，分别于上述固定采样点设施蔬菜基地，每年两次，分别采集白菜、青椒、黄瓜、豆角、番茄、茄子6种蔬菜，共384份。样品采集后装入洁净的塑料袋内, 置于保温箱中常温运送至实验室, 检测铅、镉、砷、汞4种重金属。
1.2 测试 1.2.1 仪器Cd，Pb：石墨炉原子吸收分光光度法(日本岛津原子吸收火焰石墨炉一体机6800)；As，Hg：氢化物发生原子荧光光谱法(北京海光原子荧光分光光度计2202E)。
1.2.2 方法蔬菜样品检测依据分别为: 《食品安全国家标准食品中铅的测定》(第一法石墨炉原子吸收光谱法)(GB 5009.12-2010)[12]、《食品安全国家标准食品中镉的测定》(第一法石墨炉原子吸收光谱法)(GB 5009.15-2014)[13]、《食品安全国家标准食品中总砷及无机砷的测定》(第二法氢化物原子荧光光谱法)(GB/T 5009.11-2014)[14]、《食品安全国家标准食品中总汞及有机汞的测定》(第一法原子荧光光谱法)(GB/T 5009.17-2014)[15]。土壤样品中铅、镉、砷和汞检测依据为《土壤质量铅、镉的测定石墨炉原子吸收分光光度法》(GB/T 17141-1997)[16]、《土壤质量总汞、总砷和总铅的测定第2部分土壤中总砷的测定》(GB/T 22105.2-2008)[17]和《土壤质量总汞、总砷和总铅的测定第1部分土壤中总汞的测定》(GB/T 22105.1-2008)[18]，分析过程以国家生物成分分析标准物质GBW 10021(GSB-12豆角)和GBW 07424(GSS-10松嫩平原土壤)进行质量控制。
1.3 结果统计与质量评价 1.3.1 统计方法所有检测结果经过IBM SPSS Statistics 20.0软件进行统计分析。
1.3.2 土壤评价标准《温室蔬菜产地环境质量评价标准》(HJ/T 333-2006)[19]为土壤质量评价标准, 土壤的pH为6.5~7.5时，土壤中汞(Hg)标准限量值为0.3 mg/kg，砷(As)25 mg/kg，镉(Cd)为0.3 mg/kg，铅(Pb)为50 mg/kg。蔬菜中重金属及类金属含量的卫生标准评价以《食品安全国家标准食品中污染物的限量》(GB 2762-2017)[20]为参考依据，蔬菜中重金属及类金属含量最高允许限值如表 1。
| mg/kg | ||
| 蔬菜类别(名称) | 最高允许限值 | |
| 铅(Pb) | 新鲜蔬菜(芸薹类蔬菜、叶菜蔬菜、豆类蔬菜、薯类除外) | 0.1 |
| 芸薹类蔬菜、叶菜蔬菜 | 0.3 | |
| 镉(Cd) | 新鲜蔬菜(块根和块茎蔬菜、叶菜蔬菜、豆类蔬菜、茎类除外) | 0.05 |
| 叶菜蔬菜(包括芸薹类叶蔬菜) | 0.2 | |
| 砷(As) | 新鲜蔬菜 | 0.01 |
| 汞(Hg) | 新鲜蔬菜 | 0.5 |
1.3.3 土壤质量评价方法
土壤环境质量分类采用单项污染指数法。单项污染指数法：
| ${\rm{Pi = \mathtt{ρ} i/Si}} $ | (1) |
式中：Pi —土壤中污染物i的污染指数；
ρi —土壤中污染物i的实测浓度，mg/kg；
Si—土壤中污染物i的评价标准值(表 1)。
土壤重金属及类金属污染分级标准为清洁，土壤各单相或综合质量指标≤0.7；尚清洁，0.7＜土壤各单相或综合质量指标≤1；超标，土壤各单相或综合质量指标﹥1。
1.3.4 蔬菜中重金属暴露健康风险评价采用美国环境保护署(USEPA)于2000年发布的目标危害系数法(the target hazard quotient, THQ)评价暴露人群的健康风险。其特点是不仅能评价单一重金属暴露的健康风险，也能评价多种重金属复合暴露的健康风险，目前已有不少学者运用此法进行重金属暴露的健康风险评价[11-13]。该法假定污染物吸收量等于摄入量，以测定的污染物人体摄入剂量与参考剂量的比值作为评价标准，如果单一重金属风险THQ值>1，则说明相关暴露人群就会有健康风险。THQ值越大，表明该污染物对人体健康风险越大。鉴于重金属对人体健康的影响一般是由多种重金属协同作用的结果，因此，用TTHQ值表示多种重金属复合风险。如果TTHQ值< 1，则表明没有明显的健康风险；反之，则说明对人体健康产生的危害可能性很大。计算公式见(2)和(3)。
单一重金属风险:
| ${\rm{THQ = }}\left( {{{\rm{E}}_{\rm{F}}}\mathit{ \times }{{\rm{E}}_{\rm{D}}}\mathit{ \times }{{\rm{F}}_{{\rm{IR}}}}\mathit{ \times }{\rm{C}}} \right)/\left( {{{\rm{R}}_{{\rm{FD}}}}\mathit{ \times }{{\rm{W}}_{{\rm{AB}}}}\mathit{ \times }{{\rm{T}}_{\rm{A}}}} \right)\mathit{ \times }{10^{ - 3}} $ | (2) |
式中：THQ —目标危害系数值
EF —暴露频率，d/a;
ED —暴露区间, a;
FIR —蔬菜摄入率, g/d;
C —蔬菜中重金属含量，mg/kg;
RFD —参考剂量，mg/kg.d；
WAB —平均体重，kg;
TA —非致癌平均暴露时间，d。
多种重金属复合风险:
| ${\rm{TTHQ = }}\sum {{\rm{\;\;THQ}}} $ | (3) |
公式(2)中各项参数名称及取值见表 2。
| 参数符号 | 参数名称 | 指标取值 | 指标取值来源 |
| EF/(d/a) | 暴露频率 | 365 | [11] |
| ED/(a) | 暴露区间 | 30(成人) | [22] |
| 7(儿童) | [23] | ||
| FIR/(g/d) | 蔬菜日摄入量 | 244.95(成人) | [23] |
| 186.8(儿童) | [23] | ||
| C/(mg/kg) | 蔬菜重金属含量 | 见表 7 | 本文测定 |
| TA/(d) | 非致癌平均暴 | 10 950(成人) | [22] |
| 露时间 | 2 555(儿童) | [22] | |
| WAB/(kg) | 平均体重 | 63.45(成人) | [23] |
| 25.6(儿童) | [23] | ||
| RFD/(mg/kg·d) | 参考剂量 | Pb=0.003 5 | [24] |
| Cd=0.001 | [24] | ||
| As=0.000 3 | [24] | ||
| Hg=0.000 3 | [24] |
1.4 质量控制 1.4.1 准确度与精确度确认
每种指标检测结果的准确度与精确度用加标回收率测定，在样品中加入一定量标准物质测定其回收率。至少测试7次加标样，且7次加标样应该平均在3 d做完。记录测试结果并计算回收率，回收率范围应该在80%~120%之间，RSD≤20%。
1.4.2 检测结果重现性确认每种指标检测结果的重现性用多次分析所得结果的相对标准偏差(RSD)来表示。每个指标随机选择2个样品，每个样品测定4次，要求RSD≤5%。
1.4.3 方法检出限(MDL)的确认重复测定试剂空白中的标品至少7次，计算出标准偏差s，乘以3可以得到MDL的估计值。选择质地均匀的样品，并确保样品无读数，加入和MDL估计值浓度相近的标品，重复试验至少7次，7次试验平均分布在3日内完成。
计算加标试验的标准偏差，
| ${\rm{MDL = t}}\left( {\mathit{n}{\rm{ - 1}}} \right) \times \mathit{s} $ | (4) |
式中：t值—指在99%置信区间，自由度为n-1时的t分布的系数，可查表 4.1得出。
| 指标 | 污染指数评价值范围 | 污染指数平均值 | 污染程度 |
| 铅(Pb) | 0.002~0.24 | 0.21 | 清洁 |
| 镉(Cd) | 0.03~0.50 | 0.31 | 清洁 |
| 砷(As) | 0.000 4~0.093 | 0.072 | 清洁 |
| 汞(Hg) | 0.067~0.50 | 0.18 | 清洁 |
计算得到的MDL值应该不超过10倍的加标量，否则，应该选择更低的浓度值重复上述步骤。计算加标样的回收率和RSD值，回收率的范围应该在70%~130%之间，RSD≤20%。回收率=标品的实际值/加标的理论值×100%。
1.4.4 标准物质的使用标准物质主要用于检验方法质量控制中的准确度和方法出现限的确认，准确度可以用空白加标准物质表示，精密度用样品中加标准物质的加回收率表示，方法检出限根据回收率的计算导出。
1.4.5 可疑数据处理对于检测数据的可疑数值根据格拉布斯法处理。格拉布斯法假定测量结果服从正态，根据顺序统计量来确定可疑数据的取舍。做n次重复试验，测得结果为χ(1)… χ(i), … χ(n)，服从正态分布。
为了检验χi(i=1, 2, …, n)中是否有可疑数据，可将χi按其值由小到大顺序重新排列得:χ(1)≤χ(2)≤…≤χ(n)根据顺序统计原则，给出标准化顺序统计量g。
(1) 当最小值可疑χ(1)时, 则
| $\mathit{g}\left( 1 \right) = \frac{{\mathit{\overline x} - {x_{(1)}}}}{S} $ | (5) |
(2) 当最大值可疑χ(n)时, 则
| $\mathit{g}\left( n \right) = \frac{{{x_{(\mathit{n})}} - \overline x }}{S} $ | (6) |
式中: x—测量值的算术平均值；
S—测量值的标准偏差。
根据格拉布斯统计量的分布，在指定的显著水平β(一般β=0.05)下，求得判别可疑值的临界值(β，n)，格拉布斯的判别标准为：
(1) g≥g0(β，n)；
(2) 则可疑值χ(1)是异常的，应予舍去；
(3) g0(β，n)称为格拉布斯系数，其值列于表 3中。
| n | β | n | β | n | β | n | β | ||||
| 0.01 | 0.05 | 0.01 | 0.05 | 0.01 | 0.05 | 0.01 | 0.05 | ||||
| 3 | 1.15 | 1.15 | 10 | 2.41 | 2.18 | 17 | 2.78 | 2.47 | 24 | 2.99 | 2.64 |
| 4 | 1.49 | 1.46 | 11 | 2.48 | 2.24 | 18 | 2.82 | 2.50 | 25 | 3.01 | 2.66 |
| 5 | 1.75 | 1.67 | 12 | 2.55 | 2.29 | 19 | 2.85 | 2.53 | 26 | 3.10 | 2.74 |
| 6 | 1.94 | 1.82 | 13 | 2.61 | 2.33 | 20 | 2.88 | 2.56 | 27 | 3.18 | 2.81 |
| 7 | 2.10 | 1.94 | 14 | 2.66 | 2.37 | 21 | 2.91 | 2.58 | 28 | 3.24 | 2.87 |
| 8 | 2.22 | 2.03 | 15 | 2.70 | 2.41 | 22 | 2.94 | 2.60 | 29 | 3.34 | 2.96 |
| 9 | 2.32 | 2.11 | 16 | 2.74 | 2.44 | 23 | 2.96 | 2.62 | 30 | 3.59 | 3.17 |
2 结果与分析 2.1 设施蔬菜土壤重金属含量水平
48份土壤样本测定结果表明，伊春市设施土壤重金属含量差异较大，Pb、Cd、As和Hg含量范围分别为(0.10~14.19) mg/kg、(0.010~0.15) mg/kg、(0.010~2.32) mg/kg、(0.002 0~0.14) mg/kg，变异系数分别为62.37%、69.08%、61.34%、58.62%。这表明伊春市各县区土壤重金属含量差异较大。
2.2 土壤重金属及类金属污染评价以《温室蔬菜产地环境质量评价标准》(HJ/T 333-2006)[19]为土壤质量评价标准，基于单项污染指数(由公式1计算)的土壤各重金属及类金属污染程度评价由表 4可知，研究区不同重金属元素的单项污染指数平均值大小依次为Cd＞Pb＞Hg＞As。
2.3 蔬菜重金属及类金属含量水平及污染评价从所抽检的384份伊春市各县区设施蔬菜来看, 蔬菜中各项重金属及类金属含量的总体均值从大到小依次为Pb、As、Cd、Hg。对照蔬菜重金属及类金属限量标准, 所抽检的384份蔬菜样品中的Pb、Cd、As、Hg均不超标(表 5)。
| 蔬菜 | 元素 | 范围/(mg/kg) | x±s/(mg/kg) | 超标率/% |
| 总体(n=384) | Pb | < 0.002 0~0.19 | 0.029±0.006 1 | 0.00 |
| Cd | < 0.001 0~0.091 | 0.009 2±0.001 2 | 0.00 | |
| As | < 0.001 0~0.037 | 0.018±0.013 | 0.00 | |
| Hg | < 0.003 0~0.017 | 0.005±0.000 36 | 0.00 | |
| 白菜(n=74) | Pb | 0.003 0~0.009 2 | 0.003 3±0.016 | 0.00 |
| Cd | 0.005 1~0.091 | 0.012±0.009 1 | 0.00 | |
| As | < 0.001 0~0.006 2 | 0.001 9±0.000 82 | 0.00 | |
| Hg | < 0.003 0~0.019 | 0.004 2±0.000 64 | 0.00 | |
| 番茄(n=64) | Pb | < 0.002 0~0.061 | 0.016±0.014 | 0.00 |
| Cd | < 0.001 0~0.048 | 0.016±0.002 1 | 0.00 | |
| As | < 0.001 0~0.005 9 | 0.009 1±0.002 5 | 0.00 | |
| Hg | < 0.003 0~0.011 | 0.006 6±0.000 18 | 0.00 | |
| 黄瓜(n=64) | Pb | < 0.002 0~0.052 | 0.032±0.001 5 | 0.00 |
| Cd | < 0.001 0~0.086 | 0.003 2±0.002 1 | 0.00 | |
| As | < 0.001 0~0.007 6 | 0.002 6±0.009 | 0.00 | |
| Hg | < 0.003 0~0.010 | 0.004 6±0.000 91 | 0.00 | |
| 青椒(n=48) | Pb | < 0.002 0~0.065 | 0.044±0.002 9 | 0.00 |
| Cd | < 0.001 0~0.048 | 0.013±0.006 1 | 0.00 | |
| As | < 0.001 0~0.005 7 | 0.004 1±0.001 0 | 0.00 | |
| Hg | < 0.003 0~0.017 | 0.004 6±0.000 12 | 0.00 | |
| 茄子(n=64) | Pb | 0.006 1~0.085 | 0.008 3±0.001 3 | 0.00 |
| Cd | < 0.001 0~0.084 | 0.008±0.003 1 | 0.00 | |
| As | < 0.001 0~0.004 6 | 0.001 6±0.005 1 | 0.00 | |
| Hg | < 0.003 0~0.011 | 0.003 7±0.000 14 | 0.00 | |
| 豆角(n=70) | Pb | 0.003 1~0.089 | 0.029±0.001 2 | 0.00 |
| Cd | < 0.001 0~0.034 | 0.010±0.003 1 | 0.00 | |
| As | < 0.001 0~0.001 8 | 0.001 1±0.000 92 | 0.00 | |
| Hg | < 0.003 0~0.009 4 | 0.003 2±0.000 62 | 0.00 |
2.4 居民经蔬菜膳食途径摄入重金属及类金属的人体健康风险评价
伊春市设施蔬菜单一重金属及类金属的THQ结果见表 6。从该表可知，整体上6种蔬菜中各元素在儿童中THQ值均高于成年人，说明儿童经膳食途径摄入重金属及类金属的健康风险较成人高，但无论是在成人中，还是在儿童中THQ都 < 1，说明整体上从单一重金属及类金属风险来看，成人和儿童经膳食途径摄入所调查的伊春市六处设施蔬菜重金属及类金属的含量均符合卫生标准要求。
| 蔬菜品种 | 元素 | 成人THQ | 儿童THQ | |||
| x±s | THQ≥1份数/% | x±s | THQ≥1份数/% | |||
| 总体(n=384) | Pb | 0.052±0.014 | 0(0.00) | 0.046±0.012 | 0(0.00) | |
| Cd | 0.032±0.012 | 0(0.00) | 0.057±0.011 | 0(0.00) | ||
| As | 0.063±0.033 | 0(0.00) | 0.086±0.015 | 0(0.00) | ||
| Hg | 0.009±0.006 | 0(0.00) | 0.078±0.013 | 0(0.00) | ||
| 白菜(n=74) | Pb | 0.042±0.017 | 0(0.00) | 0.074±0.016 | 0(0.00) | |
| Cd | 0.032±0.009 | 0(0.00) | 0.053±0.019 | 0(0.00) | ||
| As | 0.092±0.035 | 0(0.00) | 0.086±0.012 | 0(0.00) | ||
| Hg | 0.006±0.004 | 0(0.00) | 0.067±0.034 | 0(0.00) | ||
| 番茄(n=64) | Pb | 0.034±0.015 | 0(0.00) | 0.053±0.021 | 0(0.00) | |
| Cd | 0.026±0.012 | 0(0.00) | 0.039±0.019 | 0(0.00) | ||
| As | 0.049±0.018 | 0(0.00) | 0.064±0.027 | 0(0.00) | ||
| Hg | 0.008±0.009 | 0(0.00) | 0.065±0.034 | 0(0.00) | ||
| 黄瓜(n=64) | Pb | 0.043±0.023 | 0(0.00) | 0.056±0.023 | 0(0.00) | |
| Cd | 0.031±0.032 | 0(0.00) | 0.053±0.022 | 0(0.00) | ||
| As | 0.039±0.020 | 0(0.00) | 0.075±0.023 | 0(0.00) | ||
| Hg | 0.007 2±0.003 2 | 0(0.00) | 0.063±0.001 | 0(0.00) | ||
| 青椒(n=48) | Pb | 0.064±0.029 | 0(0.00) | 0.082±0.031 | 0(0.00) | |
| Cd | 0.021±0.006 | 0(0.00) | 0.056±0.027 | 0(0.00) | ||
| As | 0.063±0.035 | 0(0.00) | 0.073±0.035 | 0(0.00) | ||
| Hg | 0.009 2±0.007 | 0(0.00) | 0.078±0.025 | 0(0.00) | ||
| 茄子(n=64) | Pb | 0.043±0.022 | 0(0.00) | 0.066±0.032 | 0(0.00) | |
| Cd | 0.018±0.007 2 | 0(0.00) | 0.032±0.011 | 0(0.00) | ||
| As | 0.026±0.005 2 | 0(0.00) | 0.054±0.042 | 0(0.00) | ||
| Hg | 0.007 2±0.000 51 | 0(0.00) | 0.063±0.026 | 0(0.00) | ||
| 豆角(n=70) | Pb | 0.049±0.012 | 0(0.00) | 0.075±0.036 | 0(0.00) | |
| Cd | 0.027±0.003 2 | 0(0.00) | 0.041±0.023 | 0(0.00) | ||
| As | 0.052±0.021 | 0(0.00) | 0.072±0.031 | 0(0.00) | ||
| Hg | 0.006 2±0.004 2 | 0(0.00) | 0.068±0.023 | 0(0.00) | ||
伊春市设施蔬菜多种重金属的TTHQ结果见表 7。多种金属复合TTHQ的平均值高于单一重金属THQ值，但都小于1，说明整体上从多种重金属复合风险来看, 经膳食途径摄入所调查的伊春市本地6处设施蔬菜4种重金属及类金属及类金属含量的均符合卫生标准要求。
| 蔬菜 | 成人TTHQ | 儿童TTHQ | |||
| x±s | THQ≥1份数/% | x±s | THQ≥1份数/% | ||
| 总体(n=384) | 0.098±0.046 | 0(0.00) | 0.169±0.069 | 0(0.00) | |
| 白菜(n=74) | 0.086±0.057 | 0(0.00) | 0.099±0.064 | 0(0.00) | |
| 番茄(n=64) | 0.079±0.051 | 0(0.00) | 0.108±0.072 | 0(0.00) | |
| 黄瓜(n=64) | 0.081±0.048 | 0(0.00) | 0.126±0.049 | 0(0.00) | |
| 青椒(n=48) | 0.11±0.058 | 0(0.00) | 0.194±0.046 | 0(0.00) | |
| 茄子(n=64) | 0.091±0.053 | 0(0.00) | 0.105±0.063 | 0(0.00) | |
| 豆角(n=70) | 0.088±0.062 | 0(0.00) | 0.114±0.064 | 0(0.00) | |
3 讨论
随着国家对食品安全的关注，蔬菜重金属污染问题已引起广泛重视[4-10]。通过其他地区学者研究表明[6-8]，长期的化肥和有机肥使用等外界投入条件的改变可能会破坏土壤——作物系统内动态安全水平。伊春市设施蔬菜生产起步较晚，但东北边陲地区开展设施蔬菜生产系统土壤和蔬菜中重金属研究工作意义较大，一方面具有地域代表性，另一方面种植起步晚即具有良好背景性质。在本研究中，伊春市设施蔬菜土壤经单项污染指数法评价尚处于清洁水平，经美国环保署(USEPA)目标危害系数(the target hazard quotient, THQ)法评价蔬菜中四种重金属(铅、镉、砷和汞)均为健康安全水平。这与其他学者研究有所不同[25-27]，其原因可能是，一方面本研究土壤蔬菜种植年限较短，其他研究中的种植年限都有十几至几十年的种植史[28-29]，另一方是土壤—作物系统较为复杂，重金属化学性质较为稳定，系统内微量的动态变化现有技术手段尚不能检测到。因此，应加强对蔬菜产地环境的监测与蔬菜重金属长期监测研究，有利于实现源头污染、过程监控和末端餐桌食用安全的环境条件和技术保障。
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