废弃煤矿周边农田蔬菜重金属富集及人群健康风险评价.pdf
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1、54卷南 方 农 业 学 报 1810废弃煤矿周边农田蔬菜重金属富集及人群健康风险评价刘菊梅1,2,任艳霞1,司万童1,3,4*,冉鱼林1,李维霖1,李佳佳1,孙畅1,兰宗宝5*(1重庆文理学院化学与环境工程学院/环境材料与修复技术重庆市重点实验室,重庆402160;2生态环境部南京环境科学研究所,江苏南京210042;3重庆市规划和自然资源调查监测院,重庆401120;4自然资源部国土空间规划监测评估预警重点实验室,重庆401120;5广西农业科学院农业科技信息研究所,广西南宁530007)摘要:【目的】研究废弃煤矿周边农田蔬菜的重金属污染情况及人群健康风险,为煤矿毗邻区域蔬菜种植品种选择及
2、农业资源开发提供参考依据。【方法】采用电感耦合等离子体发射光谱仪,测定渝西某废弃煤矿周边农田种植的9种蔬菜(野葱、青蒜、大葱、白萝卜、红薯、油菜、普通白菜、冬葵和豌豆叶)及各蔬菜对应根际土壤的7种重金属 铜(Cu)、锌(Zn)、铅(Pb)、镉(Cd)、铬(Cr)、镍(Ni)和锰(Mn)含量,分析各蔬菜食用部分中重金属元素的富集程度,并运用健康风险指数(HRI)和危害指数(HI)评估食用上述蔬菜对儿童和成人健康的潜在危害。【结果】渝西某废弃煤矿周边蔬菜地土壤受Cu、Zn、Pb和Cd 4种重金属元素的复合污染,其中Cd含量高出重庆土壤背景值2.29.1倍,Pb和Cd的地积累指数显示已达中度污染及以
3、上水平,普通白菜地的潜在生态风险指数最高,为302.635,具有较高的潜在生态风险。叶菜类(油菜、普通白菜、冬葵、豌豆叶)和香辛类(野葱、青蒜、大葱)蔬菜可食用部分中Pb、Zn、Cr和Ni含量较高,其中Pb和Ni元素单因子污染指数在各类蔬菜的累积值中是主要贡献元素,其贡献率分别在20.51%48.73%和16.93%42.59%。除野葱外,各种蔬菜富集重金属能力大小表现为叶菜类块根类香辛类。除青蒜和大葱外,食用其余7种蔬菜的HI均大于1,且HI表现为儿童高于成人,其中叶菜类蔬菜对儿童和成人的HI最大,Cr和Pb的HRI对HI贡献率大,分别为40.06%64.97%和17.15%33.52%,食
4、用存在一定的人体健康风险。【结论】渝西某废弃煤矿的开采加重周边农田土壤中的重金属污染,导致蔬菜受重金属污染的程度不同,以叶菜类蔬菜的食用风险较大。建议在该煤矿区周边农田种植蔬菜时尽量不选择叶菜类蔬菜,以减少重金属的摄入。关键词:煤矿;重金属;蔬菜;健康风险中图分类号:S19;S151.93文献标志码:A文章编号:2095-1191(2023)06-1810-09收稿日期:2022-06-27基金项目:国家自然科学基金项目(42103078);重庆市自然科学基金项目(cstc2020jcyj-msxmX1011);重庆市教委科学技术研究项目(KJQN202001326);重庆市大学生创新创业训练
5、项目(S202210642021)通讯作者:司万童(1986-),https:/orcid.org/0000-0001-9006-5892,博士,教授,主要从事环境生物学研究工作,E-mail:;兰宗宝(1981-),https:/orcid.org/0000-0002-8643-3872,高级农业经济师,主要从事农业产业经济研究工作,E-mail:第一作者:刘菊梅(1985-),https:/orcid.org/0000-0001-7826-053X,博士,副教授,主要从事环境生物学研究工作,E-mail:南方农业学报Journal of Southern Agriculture2023,5
6、4(6):1810-1818ISSN 2095-1191;CODEN NNXAABhttp:/DOI:10.3969/j.issn.2095-1191.2023.06.022Enrichment of heavy metals in vegetables and risk assessment ofhuman health in the vicinity of an abandoned coal mineLIU Ju-mei1,2,REN Yan-xia1,SI Wan-tong1,3,4*,RAN Yu-lin1,LI Wei-lin1,LI Jia-jia1,SUN Chang1,LAN
7、Zong-bao5*(1College of Chemistry and Environmental Engineering,Chongqing University ofArts and Sciences/Chongqing KeyLaboratory of Environmental Materials and Remediation Technology,Chongqing 402160,China;2Nanjing Institute ofEnvironmental Science,Ministry of Ecology and Environment,Nanjing,Jiangsu
8、210042,China;3Chongqing Institute ofSurveying and Monitoring for Planning and Natural Resources,Chongqing 401120,China;4Key Laboratory of Monitoring,Evaluation and Early Warning of Territorial Spatial Planning Implementation,Ministry of Natural Resources,Chongqing401120,China;5Agricultural Science a
9、nd Technology Information Research Institute,GuangxiAcademy ofAgriculturalSciences,Nanning,Guangxi 530007,China)6期18110引言【研究意义】煤炭作为我国第一大能源物质,其需求量日益增加,致使煤矿开采力度逐年增大(Qinet al.,2015)。煤炭资源开发过程中会产生大量废水、废渣和粉尘,使得煤矿区,尤其是废弃煤矿区成为重大的环境污染源之一,引起广泛关注(Zheng etal.,2019)。目前已有大量关于我国蔬菜重金属污染的调查报告,尤其是某些工矿地区周围农田的蔬菜中重金属含量较
10、高(陈亮等,2021)。不同蔬菜品种对重金属吸收累积差异明显,对人体影响程度也有差异(Zhou et al.,2016)。因此,从蔬菜品种筛选入手,探讨废弃煤矿区土地的安全利用,对废弃煤矿区农业资源开发和当地蔬菜的清洁生产具有重要意义。【前人研究进展】大量的重金属通过风化、粉尘、地表径流、渗滤等途径排放到煤矿区及周边的土壤中,威胁土壤和粮食安全,以及人群健康(Si et al.,2015;Hussain et al.,2019)。重金属污染具有不易察觉和潜在危害大的特点,重金属进入农田生态系统后会通过食物链富集而危害人体健康,其中粮食和蔬菜摄取是主要途径之一(栗利曼等,2016)。土壤环境因其
11、具有复杂的空间异质性,致使土壤中不同重金属的生物有效性有所不同(涂春艳等,2020),土壤植物复合系统中铬(Cr)和镉(Cd)元素迁移能力较强(王娟等,2020);采矿和冶炼等人为活动使得当地大多数农作物受铅(Pb)和Cd的污染,蔬菜可食用部分Pb与Cd的危险指数较大(陈亮等,2021)。Hussain等(2019)发现陕西省某矿区土壤和当地种植粮食作物的污染水平高于限值,其中Cr、镍(Ni)、Pb、Cd等元素的非致癌性风险均高出成人和儿童的可接受水平,给当地居民的饮食健康带来风险。李武江等(2021)发现西南某煤矿区部分重金属在农作物中已达慢性中毒程度。因不同农作物生理特性的差异性,不同种类
12、蔬菜对重金属富集能力有所不同,黄钟霆等(2022)发现湖南某关闭锰矿区周边农田玉米中各超标重金属含量均值均高于大米;相较于根块类蔬菜,湖南锑矿区叶菜类空心菜对Cd的富集系数最大(贾艳丽等,2022);查燕等(2022)研究叶菜类蔬菜对重金属富集的特征,发现菠菜对于Cd富集能力强,苋菜对于锌(Zn)富集能力最强。【本研究切入点】目前国内关于矿区周边农田蔬菜重金属污染情况的研究主要包括污染来源、富集特征及健康风险Abstract:【Objective】Studying the heavy metal pollution and human health risks of farmland vege
13、tables aroundabandoned coal mines would provide a reference for the selection of vegetable planting varieties in the vicinity of the coalmines and the development of agricultural resources around coal mines.【Method】The heavy metal contents including cop-per(Cu),zinc(Zn),lead(Pb),cadmium(Cd),chromium
14、(Cr),nickel(Ni)and manganese(Mn)of Allium chrysan-thum(wild onion),Allium sativum(garlic sprouts),Allium fistulosum(green Chinese onion),Raphanus sativus(whiteradish),Ipomoea batatas(sweet potato),Brassica napus(rape),Brassica pekinensis(Chinese cabbage),Malva verticilla-ta(mallow),Pisum sativum(pea
15、)leaf and corresponding rhizosphere soil were analyzed by inductively coupled plasmaemission spectrometer.The pollution level of heavy metals in vegetables and their enrichment degrees were assessed,fur-ther the local vegetable potential health hazards to the public were evaluated using health risk
16、index(HRI)and hazardindex(HI).【Result】The soil around an abandoned coal mine in western Chongqing was mainly polluted by four heavymetals,namely Cu,Zn,Pb and Cd.The content of Cd was 2.2-9.1 times higher than the background value of Chongqingsoil.The accumulation index of Pb and Cd showed that the s
17、oil was moderately polluted or above.The comprehensive eco-logical risk of Chinese cabbage plots was the highest(302.635),showing a high potential ecological risk.Compared withthe relevant standards,the contents of Pb,Zn,Cr and Ni in edible parts of leafy vegetables(rape,Chinese cabbage,mallowand pe
18、a leaf)and aromatic vegetables(wild onion,garlic sprouts and green Chinese onion)were higher,and the singlefactor pollution index of Pb and Ni elements was the main contributing element in the cumulative value of all kinds ofvegetables,with the contribution rates of 20.51%-48.73%and 16.93%-42.59%,re
19、spectively.Except for wild onion,theheavy metal enrichment ability of all kinds of vegetables showed the order of leaf vegetablesroot tubersspices.Exceptfor garlic sprouts and green Chinese onion,the HIs of other seven kinds of vegetables were greater than 1,and the HIs ofchildren were higher than t
20、hose of adults.The HIs of leaf vegetables were the largest for children and adults,and the HRIof Cr and Pb were the main contributing elements of HI,with the contribution rates of 40.06%-64.97%and 17.15%-33.52%,respectively.There were certain human health risks with intaking them.【Conclusion】The min
21、ing of an aban-doned coal mine in western Chongqing aggravates the heavy metal pollution in the surrounding farmland soil,resulting indifferent degrees of heavy metal pollution in vegetables,thereinto consumption of leafy vegetables cause a higher risk.So,it is advised to choose not planting leafy v
22、egetables in the farmland surrounding the coal mine area to reduce theintake of heavy metals.Key words:coal mine;heavy metals;vegetables;health riskFoundation items:National Natural Science Foundation of China(42103078);Chongqing Natural Science Founda-tion(cstc2020jcyj-msxmX1011);Science and Techno
23、logy Research Project of Chongqing Municipal Education Com-mission(KJQN202001326);Innovation and Entrepreneurship Training Project of Chongqing College Students(S202210642021)刘菊梅等:废弃煤矿周边农田蔬菜重金属富集及人群健康风险评价54卷南 方 农 业 学 报 1812评价等,但大多集中在对蔬菜类别的研究(李武江等,2021;贾艳丽等,2022;查燕等,2022),而未细化到品种筛选。此外,重庆地区耕地资源紧缺,受重金属
24、污染的农田土壤修复过程长且成本高,有关重庆地区煤矿周边农田蔬菜重金属污染的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】以渝西某废弃煤矿周边农田中9种蔬菜及其根际土壤为研究对象,测定其重金属含量,利用单因子污染指数、地积累指数、生物富集系数、潜在生态风险指数和人群健康风险指数分析重金属在蔬菜可食用部分和根际土壤中的污染程度及其生物富集情况,评价通过食用蔬菜摄入重金属对当地居民健康造成的潜在危害程度,为煤矿周边区域蔬菜种植品种选择及农业资源开发提供参考依据。1材料与方法1.1试验材料以重庆某废弃煤矿周边农田种植的9种蔬菜为研究对象,分别为:香辛类3种,包括野葱(Alliumchrysanthum)、青蒜(A
25、.sativum)和大葱(A.fistulo-sum);块根类2种,包括白萝卜(Raphanus sativus)和红薯(Ipomoea batatas);叶菜类4种,包括油菜(Bras-sica napus)、普通白菜(Brassica pekinensis)、冬葵(Malva verticillata)和豌豆叶(Pisum sativum)。1.2样品采集随机采集3类蔬菜的可食用部分各3份,每份500 g,共计27份蔬菜样品带回实验室,用自来水和纯水依次清洗后晾干,105 杀青至恒重后用石英研钵研磨,过60目筛备用。同时,采用四分法分别采集各类蔬菜根际土壤各3份,每份约500 g,共计27
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