全 文 ：植物生态学报 2009, 33 (3) 624~628
Chinese Journal of Plant Ecology
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收稿日期: 2008-08-20 接受日期: 2008-12-18
基金项目: 河南省重点科技攻关项目(0721021500)
* 通讯作者 Author for correspondence E-mail: mjh@henu.edu.cn
郑汴路路旁土壤-小麦系统重金属积累及其
健康风险评价
李 剑1 马建华2* 宋 博2
(1 浙江大学公共管理学院,杭州 310029) (2 河南大学资源与环境研究所,河南开封 475004)
摘 要 按离路基不同距离采集土壤、麦苗和籽粒样品, 在测定样品重金属(Pb、Cd、Zn、Cr和Cu)的基础上, 开
展了路旁土壤-小麦系统重金属分布、积累和污染状况分析, 并对膳食小麦(Triticum aestivum)引起的健康风险进行
了评价。结果表明: 1)土壤-小麦系统重金属含量随着离开路基距离的增加呈先增加后减少的趋势, 土壤重金属含
量＞麦苗重金属含量＞籽粒重金属含量。2)麦苗和小麦籽粒对土壤重金属富集能力的大小顺序均为Cu>Cd
>Zn>Pb>Cr, 麦苗对重金属的富集能力大于小麦籽粒。3)膳食小麦所致的Cd个人健康风险较大。
关键词 郑汴公路 土壤-小麦系统 重金属积累 重金属污染 重金属健康风险评价
HEAVY METAL ACCUMULATION AND HEALTH RISK ASSESSMENT IN THE
ROADSIDE SOIL-WHEAT SYSTEM ALONG ZHENGZHOU-KAIFENG HIGH-
WAY, CHINA
LI Jian1, MA Jian-Hua2*, and SONG Bo2
1College of Public Administration, Zhejiang University, Hangzhou 310029, China, and 2Institute of Natural Resources and Environmental Sci-
ence, Henan University, Kaifeng, Henan 475004, China
Abstract Aim Roadside soils can be polluted by heavy metals from traffic exhaust. These heavy
metals can be absorbed by plants, pass through food chains and ultimately harm humans. Our objectives
were to investigate spatial distribution, accumulation and contamination of heavy metals (Pb, Cd, Zn, Cr
and Cu) in a roadside soil-wheat system and assess the health risk of heavy metals for persons eating the
wheat.
Methods We collected samples of soils, wheat seedlings and wheat seeds at different distances from
the road edge in the Putian section of Zhengzhou-Kaifeng highway. Soil samples were digested with
HCI-HNO3-HF-HClO4. Plant samples were digested with a dry incineration method for Cu, Zn and Cr
and the HNO3-HClO4 method for Pb and Cd. Cr, Cu, and Zn in soil and plants were determined by
flame atomic absorption spectrometry, while Pb and Cd were determined by graphite furnace atomic
absorption spectrometry.
Important findings Heavy metal concentrations in the samples initially increase and then decrease
with the distance from the road. Concentrations in soils are higher than that in wheat seedlings, and the
concentrations in wheat seedlings are higher than that in wheat seeds. The enrichment coefficient order
of heavy metals in wheat seeds and seedlings is Cu>Cd >Zn>Pb>Cr, and the coefficients of the seed-
lings are higher than those of the seeds. The cadmium health risk of eating wheat seeds is critical, but
there are no health risks from copper, lead and zinc in all samples.
Key words Zhengzhou-Kaifeng highway, soil-wheat system, heavy metal accumulation, heavy metal pol-
lution, health risk assessment of heavy metals
DOI: 10.3773/j.issn.1005-264x.2009.03.022
随着公路交通运输业的发展, 公路交通对周 围环境的影响越来越受到重视。很多学者研究表
3 期 李 剑等: 郑汴路路旁土壤-小麦系统重金属积累及其健康风险评价 DOI: 10.3773/j.issn.1005-264x.2009.03.022 625
明,公路两侧土壤(以下简称路旁土壤)遭到不同程
度的重金属污染, 大部分重金属含量自路基向两
侧呈递减趋势(van Bohemen & van De Laak, 2003;
Howari et al., 2004; 马建华等, 2007)。还有一些学
者研究了路旁土壤重金属污染与不同植物体内重
金属含量的关系, 发现距路基50～200 m范围内
的植物发生了不同程度的重金属积累(Guang &
Peart, 2006; Nabulo et al., 2006; Li et al., 2007)。土
壤中的重金属可被作物吸收, 通过食物链进入人
体, 从而对人体健康造成危害。目前, 重金属健康
风险评价主要集中在饮水暴露途径 (高继军等 ,
2004), 对路旁作物通过膳食暴露途径的健康风
险未见报道。本文以河南省郑州-开封公路(以下
简称郑汴路)为例, 探讨公路旁不同距离处土壤-
小麦(Triticum aestivum)系统重金属积累状况, 并
对居民路旁膳食小麦所的健康风险进行评价。
1 材料与方法
1.1 样品采集及处理
郑汴路是310国道的一部分, 全长70 km。采
样断面布设在郑州市东郊圃田镇西7 km处的公路
北侧。采样断面与郑汴路相垂直, 长300 m。采样
路段两侧地势平坦、开阔。气候属于暖温带大陆
性季风气候。土壤为淡色潮湿雏形土。土壤质地
为粉质壤土; 土壤呈弱碱性。土地利用方式为种
植小麦的农田。采样路段宽34 m。
在采样断面上, 按距离公路路基 0、5、10、
15、25、35、50、100、200和300 m布设采样点。
在每个采样点上, 首先画出一条大约50 m长且与
公路平行的线段, 在线段上等距布设5个l m2的土
壤采样单元; 然后在每个采样单元内, 随机采集
5个子样(采样深度为15 cm); 最后将采集到的全
部子样品充分混合 , 按“四分法”舍弃多余样品 ,
保留1 kg左右的样品。采集土壤样品的同时, 按照
上述方案每个样点采集麦苗全株样品约30棵。在
小麦收获之前, 仍按上述方案每个样点随机采集
小麦籽粒样品50穗。
将土壤样品风干, 用玛瑙研钵研磨, 全部过
0.15 mm尼龙筛。土壤待测液制备采用盐酸-硝酸-
氢氟酸-高氯酸消解体系。用蒸馏水淋洗麦苗样品
3次 , 用不锈钢剪刀剪碎 , 在45 ℃下鼓风烘干 ;
小麦籽粒样品去壳, 风干。用玛瑙研钵分别研碎
麦苗样品和籽粒样品, 全部过1 mm尼龙筛。用干
灰化法获得Cu、Zn和Cr的植物样品待测液, 用硝
酸 -高氯酸消解法获得Pb和Cd的植物样品待测
液。
1.2 重金属含量测定
土壤、麦苗和籽粒待测液中的总铬、铜和锌
含量采用火焰原子吸收分光光度法测定, 铅和镉
含量采用石墨炉原子吸收分光光度法测定。仪器
为日本岛津公司生产的AA-6601F型原子吸收分
光光度计。
1.3 重金属污染及健康风险评价方法
采用内梅罗指数法 (国家环境保护总局 ,
2006)开展土壤和小麦重金属污染评价:
])()[(
2
1 2
最大
0
2
平均
0 c
c
c
cP iiN += (1)
式中, PN为重金属综合污染指数, ci为重金属
i 实测含量, c0为重金属 i 评价标准, 两者之比即
是重金属 i 的污染分指数。
健康风险评价(Health risk assessment, HRA)
把环境污染与人体健康联系起来, 定量描述污染
物(基因毒物质和躯体毒物质)对人体产生健康危
害的风险。化学致癌物(即基因毒物质, 如As、Cd
和Cr６＋等)的健康评价模型为(高继军等, 2004):
∑
=
=
k
i
c
ig
c RR
1
70/)]exp(1[ igig
c
ig qDR ⋅−−= (2)
式中, Rc和Rigc分别为k种化学致癌物产生的
总致癌年风险和化学致癌物i产生的平均个人致
癌年风险, a–1; Dig和qig分别为化学致癌物i的单位
体重日均暴露剂量和致癌强度系数(mg·kg–1·d–1);
70为人类平均寿命(a)。参考饮水暴露途径Dig的计
算公式, 膳食暴露途径的Dig可按下式进行计算:
70/)](5.0[ xcD iig ⋅= (3)
式中0.5为成人面食日均食用量(kg); ci(x)为
化学致癌物i的浓度(mg·kg–1); 70为人均体重(kg)。
非致癌物(即躯体毒物质 ,如Cu、Pb和Zn等)
健康风险模型为:
∑
=
=
k
i
n
ig
n RR
1
626 植 物 生 态 学 报 www. plant-ecology.com 33 卷
)70/()10( 6 ⋅⋅= − igignig RfDDR (4)
式中, Rn和Rign分别为非致癌物产生的总致癌
年风险和非致癌物i产生的平均个人致癌年风险
(a–1); RfDig 为 非 致 癌 物 i 食 入 的 参 考 剂 量
(mg·kg–1·d–1); 70为人均体重(kg)。
根据相关资料, 基因毒物质Cd和Cr的qig分别
为6.1和41 mg·kg–1·d–1; 躯体毒物质Pb、Cu和Zn的
RfDig分别为1.4×10–3、5.0×10–3和0.3 mg·kg–1·d–1。
2 结果分析
2.1 土壤-小麦系统重金属含量与分布
由图1可见 , 重金属的含量与分布具有以下
几个特征: 1)土壤和小麦的重金属含量都随着离
路基距离的增加呈先增加后减少的趋势, 多数重
金属的含量峰值出现在离路基10～35 m之间。2)
从各样点土壤、麦苗和小麦籽粒各种重金属含量
来看, 具有土壤＞麦苗＞籽粒的规律。3)与《中
国土壤元素背景值(河南潮土)》(国家环境监测总
站, 1990)相比, 所有样点的土壤铅、镉和锌含量
均超过背景值 ; 土壤铜含量在距路基50 m范围
内, 土壤铬含量在距路基35 m范围内也高于背景
值。4)与中国有关食品中污染物限量标准(Pb≤0.1
mg·kg–1、Cd≤0.1 mg·kg–1、Cu≤10 mg·kg–1、Zn≤
50 mg·kg–1、Cr≤1.0 mg·kg–1)相比, 所有样点的小
麦籽粒中的铅和铜含量均超标; 镉含量在距路基
50 m范围内, 铬含量在距路基5～15 m范围内也
超标; 锌含量均不超标。
2.2 土壤与小麦籽粒重金属含量的相关分析
由表1可以看出, 除小麦籽粒Zn与土壤Zn出
现显著相关性外, 其他重金属之间没有明显相关
性。这表明, 小麦从土壤中吸收重金属的量与土
壤重金属总量虽有一定关系, 但主要与土壤重金
属有效态含量有关。土壤重金属的活性大小受多
种因素影响, 尤其是受共存元素的影响, 它们之
间存在着非常复杂的拮抗关系(Tu et al., 2000; 丁
中元, 1989)。
2.3 麦苗和小麦籽粒重金属富积系数
植物对重金属的富积系数可以反映重金属从
土壤向植物体迁移累积的强度。由各样点麦苗和
籽粒重金属平均富集情况来看, 麦苗对同一重金
属的平均富集能力均大于小麦籽粒, 这与已有的
相关研究基本一致(肖昕等, 2004)。麦苗对土壤
图1 各样点土壤、麦苗和籽粒重金属含量
Fig. 1 Heavy metal concentrations in the soils, wheat
seedlings and wheat seeds at the sample sites
表1 小麦籽粒重金属含量与土壤重金属含量之间相关
系数
Table 1 Correlation coefficients of the heavy metal con-
centrations between the soils and wheat seeds
* p<0.05 ** p<0.01
Cu、Cd、Zn、Pb和Cr的平均富集能力分别是0.859、
0.252、0.189、0.063和0.013, 而小麦籽粒分别为
土壤 Soil 重金属
Heavy metal Pb Cd Cu Zn Cr
Pb 0.430 0.479 0.142 0.618 0.751*
Cd 0.316 0.212 0.875** 0.192 0.646*
Cu 0.632* 0.269 0.489 0.220 0.338
Zn 0.383 0.435 0.386 0.704* 0.845**
小麦籽粒
Seed
Cr 0.190 0.433 0.906** 0.213 0.540
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0.507、0.212、0.153、0.032和0.012。两者对重金
属富集能力的大小顺序均为Cu>Cd >Zn>Pb>Cr,
说明土壤铜的生物有效性远大于铬。
图2 土壤和小麦籽粒重金属综合污染指数
Fig. 2 Integrated pollution indexes of heavy metals in the
soils and wheat seeds
2.4 土壤和小麦籽粒重金属污染分析
选用国家土壤环境质量二级标准进行土壤重
金属污染评价。参考我国食品中(粮食或小麦类)
污染物限量标准 , 开展小麦籽粒重金属污染评
价。结果表明, 距路基200 m范围内, 绝大部分样
点Cd的单项污染指数介于1～2之间, 发生了轻度
污染; Zn的单项污染指数在距路基15～30 m之间
也大于1, 发生轻度污染; 各样点土壤Pb、Cr和Cu
的单项污染指数均小于1, 没有发生污染。就断面
平均而言, 土壤重金属单项污染指数的大小顺序
为Cd>Zn> Cu> Pb> Cr。
小麦籽粒重金属污染状况与土壤不甚相同。
小麦籽粒Zn的单项指数均小于1, 没有发生污染;
所有样点Pb和Cu的污染指数均大于1, 发生了不
同程度的污染, 尤其是Pb污染最为严重, 最大值
在距路基30 m处(42.70); Cd的污染指数在距路基
50 m以内, Cr的污染指数在距路基5～15 m之间
也大于1, 发生轻度至中度污染。就断面平均而言,
小麦籽粒重金属单项污染指数的大小顺序为
Pb>Cd>Cu>Cr>Zn。从各样点小麦籽粒综合污染
指数(图2Ｂ)来看, 所有样点均发生重度重金属污
染, 最大值在距路基30 m处(33.08), 这主要是Pb
污染的贡献所致。
2.5 小麦籽粒膳食途径健康风险评价
小麦籽粒中的重金属通过膳食途径所致的个
人健康危害年风险见表2。由表2可知, 镉的个人
风险最大; Cu和Pb的个人风险较小; Zn的个人风
险最小。就断面平均而言, 各个重金属的健康风
险大小顺序为Cd > Cu > Pb > Zn。
参考国际辐射防护委员会(International Com-
表2 小麦籽粒重金属个人健康年风险
Table 2 Health risk of heavy metals in wheat seeds for one person
个人年风险 Health risk for one person (a–1) 距路基距离
Distance from the road
edge (m) Cd Cu Pb Zn
个人总风险 Total health
risk for one person (a–1)
0 1.18×10－4 3.28×10－6 1.90×10－6 1.03×10－8 1.23×10－4
5 1.55×10－4 3.20×10－6 2.42×10－6 1.19×10－8 1.61×10－4
10 1.61×10－4 2.96×10－6 2.30×10－6 1.04×10－8 1.66×10－4
15 1.55×10－4 3.11×10－6 2.23×10－6 1.24×10－8 1.60×10－4
20 1.12×10－4 3.26×10－6 2.56×10－6 1.22×10－8 1.18×10－4
30 8.07×10－5 2.85×10－6 3.11×10－6 1.15×10－8 8.67×10－5
50 6.83×10－5 3.08×10－6 2.62×10－6 1.06×10－8 7.34×10－5
100 4.35×10－5 2.77×10－6 2.41×10－6 1.07×10－8 4.88×10－5
200 3.73×10－5 3.11×10－6 1.73×10－6 1.05×10－8 4.21×10－5
300 3.73×10－5 2.58×10－6 1.36×10－6 6.96×10－9 4.12×10－5
平均 Mean 9.68×10－5 3.02×10－6 2.26×10－6 1.07×10－8 1.02×10－4
标准偏差 SD 5.01×10－5 0.23×10－6 0.50×10－6 0.15×10－8 0.50×10－4
变异系数 CV (%) 51.73 7.55 21.90 14.38 49.34
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mission Radiological Protection, ICRP)推荐的最大
可接受风险水平 (5.0×10–5·a–1)(高继军等 , 2004),
致癌重金属镉的个人健康年风险在距路基50 m
范围内均超过了ICRP推荐标准, 存在较严重的健
康风险。各样点非致癌重金属(Pb、Cu和Zn)的个
人风险均没有超过ICRP推荐标准, 不存在健康风
险。个人健康总风险的大小主要受Cd的个人健康
风险制约, 在距路基50 m范围内的样点也超过了
ICRP推荐标准。
3 结 论
1)公路交通对路旁土壤-小麦系统重金属积
累具有重大影响。土壤和小麦的重金属含量都随
着离开路基距离的增加呈先增加后减少的趋势。
2)麦苗和小麦籽粒对土壤重金属富集能力的大小
顺序均为Cu>Cd>Zn>Pb>Cr, 麦苗对同一重金属
的富集能力均大于籽粒。3)通过膳食小麦途径导
致的健康风险中, 以致癌重金属Cd的个人健康风
险为最大, 不存在非致癌重金属健康风险。4)随
着时间的推移 , 路旁土壤-作物系统中的重金属
含量必将不断增加, 因此今后必须加强公路旁土
壤-作物系统重金属含量监测、路旁防护林效应以
及污染土壤修复方法的研究。
参 考 文 献
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责任编委: 李凤民 责任编辑: 李 敏