兰州市菜地土壤与蔬菜重金属污染特征及健康风险深度剖析

兰州市菜地土壤与蔬菜重金属污染特征及健康风险深度剖析一、引言1.1研究背景与意义土壤作为生态系统的关键组成部分，不仅是植物生长的物质基础，也是人类赖以生存的重要资源。然而，随着工业化、城市化进程的加速以及农业生产活动的日益集约化，土壤重金属污染问题愈发严峻，已成为全球关注的环境热点问题之一。重金属是指密度大于5.0g/cm³的金属元素，如汞（Hg）、镉（Cd）、铅（Pb）、铬（Cr）、铜（Cu）、锌（Zn）等，这些元素在土壤中具有难降解、易积累的特性，一旦进入土壤环境，便很难通过自然过程去除，从而对土壤生态系统、植物生长发育以及人类健康构成长期的潜在威胁。土壤重金属污染的来源广泛，主要包括工业“三废”排放、交通运输、农业活动以及固体废弃物的不合理处置等。工业生产过程中产生的废气、废水和废渣中往往含有大量的重金属，如采矿、冶炼、电镀、化工等行业是重金属污染的主要源头；汽车尾气排放以及道路磨损产生的粉尘也是土壤重金属的重要来源之一，其中铅、镉等重金属含量较高；在农业生产中，长期不合理地使用化肥、农药、农膜以及污水灌溉等，均会导致土壤中重金属的累积；此外，城市生活垃圾、电子废弃物以及污泥的随意倾倒和填埋，也会使重金属逐渐释放到土壤中，进一步加剧土壤污染程度。蔬菜作为人们日常生活中不可或缺的重要农产品，其生长依赖于土壤环境。当土壤受到重金属污染时，蔬菜根系会吸收土壤中的重金属，并在体内积累，从而导致蔬菜重金属含量超标。蔬菜中过量的重金属不仅会影响其品质和口感，降低蔬菜的营养价值，更为严重的是，人类长期食用受重金属污染的蔬菜，会使重金属在人体内不断蓄积，进而引发一系列健康问题。重金属对人体的危害具有多样性和隐匿性，例如，铅会损害人体的神经系统、造血系统和肾脏功能，导致儿童智力发育迟缓、成人贫血等症状；镉会引起骨质疏松、肾功能衰竭以及癌症等疾病；汞则会对人体的神经系统和免疫系统造成严重损害，导致记忆力减退、失眠、抑郁等问题。兰州市作为中国西北地区的重要城市，同时也是甘肃省的政治、经济、文化中心，其蔬菜种植产业在保障当地居民蔬菜供应以及促进农业经济发展方面发挥着举足轻重的作用。兰州市蔬菜种植历史悠久，种植面积广泛，品种丰富多样，不仅满足了本地市场的需求，还远销周边地区。然而，随着兰州市城市化和工业化进程的快速推进，其蔬菜种植基地面临着日益严峻的重金属污染威胁。一方面，兰州市周边分布着众多的工业企业，如石油化工、有色冶金、机械制造等，这些企业在生产过程中排放的大量“三废”，通过大气沉降、地表径流和土壤侵蚀等途径，进入蔬菜种植区的土壤中，导致土壤重金属含量升高；另一方面，农业生产中不合理使用化肥、农药以及污水灌溉等现象依然存在，进一步加剧了土壤的污染程度。此外，城市的扩张和基础设施建设也导致了蔬菜种植基地与工业区域、交通干线的距离逐渐缩短，使得蔬菜种植区更容易受到重金属污染的影响。对兰州市菜地土壤和蔬菜重金属含量及其健康风险进行评估，具有极其重要的现实意义。准确了解兰州市菜地土壤和蔬菜中重金属的含量水平、分布特征以及污染程度，能够为当地土壤环境质量的监测和评价提供科学依据，有助于及时发现土壤污染问题，为制定针对性的污染防治措施奠定基础。通过分析土壤和蔬菜中重金属的来源，明确污染的主要成因，能够为源头控制和治理提供指导，从而有效减少重金属的排放，降低土壤污染负荷。对蔬菜重金属污染对人体健康的风险进行评估，可以为食品安全监管提供重要参考，保障居民的饮食安全，提高公众对土壤污染和食品安全问题的认识，增强人们的环保意识和健康意识。研究结果还能为兰州市农业产业结构的调整和优化提供科学建议，促进农业可持续发展，实现经济发展与环境保护的良性互动。1.2国内外研究现状在国外，对菜地土壤和蔬菜重金属污染及健康风险评估的研究开展较早，成果也较为丰富。早在20世纪70年代，欧美等发达国家就已开始关注土壤重金属污染问题，并开展了一系列的监测和研究工作。美国环保署（USEPA）建立了完善的土壤环境监测体系，对全国范围内的土壤重金属含量进行长期监测，并制定了严格的土壤环境质量标准和健康风险评估方法。例如，USEPA提出的风险评估模型（RBCA），被广泛应用于土壤污染场地的健康风险评估，该模型通过计算污染物的暴露剂量和致癌风险、非致癌风险，来评估土壤污染对人体健康的潜在危害。欧盟也高度重视土壤重金属污染问题，制定了一系列的环境政策和法规，以限制重金属的排放和使用。在菜地土壤和蔬菜重金属污染研究方面，国外学者重点关注重金属在土壤-蔬菜系统中的迁移转化机制、蔬菜对重金属的吸收富集规律以及不同种植模式和农业管理措施对重金属污染的影响。有研究表明，土壤的理化性质，如pH值、有机质含量、阳离子交换容量等，对重金属在土壤中的形态分布和生物有效性具有显著影响，进而影响蔬菜对重金属的吸收。不同蔬菜品种对重金属的吸收和富集能力存在明显差异，叶菜类蔬菜通常比果菜类和根菜类蔬菜更容易富集重金属。在国内，随着经济的快速发展和人们对食品安全关注度的不断提高，菜地土壤和蔬菜重金属污染及健康风险评估的研究也日益受到重视。自20世纪90年代以来，国内学者针对不同地区的菜地土壤和蔬菜开展了大量的调查研究工作。通过对全国多个城市菜地土壤的监测分析发现，部分地区菜地土壤存在不同程度的重金属污染，其中镉、铅、汞等重金属的超标现象较为突出。在蔬菜重金属污染方面，研究表明，叶菜类蔬菜中的重金属含量普遍较高，且不同地区、不同品种的蔬菜重金属含量差异较大。国内学者还对土壤和蔬菜重金属污染的来源进行了深入分析，认为工业“三废”排放、交通运输、农业活动以及固体废弃物的不合理处置是导致土壤和蔬菜重金属污染的主要原因。在健康风险评估方面，国内学者借鉴国外先进的评估方法和模型，结合我国的实际情况，建立了适合我国国情的土壤和蔬菜重金属健康风险评估体系。例如，采用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法、潜在生态风险指数法等方法对土壤重金属污染程度进行评价，运用健康风险评估模型（如USEPA推荐的模型）对蔬菜重金属污染对人体健康的风险进行定量评估。尽管国内外在菜地土壤和蔬菜重金属污染及健康风险评估方面取得了丰硕的研究成果，但仍存在一些不足之处。部分研究在样品采集和分析过程中存在一定的局限性，样品的代表性不足，分析方法的准确性和可靠性有待提高，导致研究结果的可信度受到影响。对于重金属在土壤-蔬菜系统中的迁移转化机制，虽然已有一定的研究，但仍存在许多未知领域，尤其是在复杂的土壤环境和多种重金属复合污染条件下，重金属的迁移转化规律尚不完全清楚，这限制了对土壤和蔬菜重金属污染的有效防控。目前的健康风险评估模型大多基于一定的假设和简化条件，难以全面准确地反映实际情况，对一些特殊人群（如儿童、孕妇等）的健康风险评估还不够精准，且在风险评估过程中，对重金属的生物可利用性考虑不够充分，导致评估结果与实际风险存在一定偏差。不同地区的土壤和蔬菜重金属污染状况存在较大差异，而现有的研究成果在区域针对性和适用性方面还存在不足，缺乏对特定地区（如兰州市）的深入系统研究，难以满足当地土壤污染防治和蔬菜安全生产的实际需求。1.3研究目标与内容本研究旨在全面、系统地揭示兰州市菜地土壤和蔬菜中重金属的污染状况，并对其可能带来的健康风险进行科学、准确的评估，为兰州市土壤环境保护、蔬菜安全生产以及居民健康保障提供坚实的科学依据和切实可行的决策参考。具体研究内容如下：兰州市菜地土壤和蔬菜中重金属含量的测定：在兰州市主要蔬菜种植区域，依据科学的采样原则和方法，广泛采集具有代表性的菜地土壤和蔬菜样品。运用先进、准确的分析测试技术，如电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、原子吸收光谱（AAS）等，精确测定土壤和蔬菜样品中汞（Hg）、镉（Cd）、铅（Pb）、铬（Cr）、铜（Cu）、锌（Zn）等重金属元素的含量，确保数据的准确性和可靠性。兰州市菜地土壤和蔬菜重金属污染特征分析：对测定得到的土壤和蔬菜重金属含量数据进行深入的统计分析，运用描述性统计、相关性分析、主成分分析等方法，全面了解重金属含量的分布特征、变异程度以及各重金属元素之间的相互关系。通过与国家土壤环境质量标准、蔬菜食品安全标准以及当地土壤背景值进行对比，准确判断兰州市菜地土壤和蔬菜的重金属污染程度和范围，明确主要污染元素和污染区域。分析土壤理化性质（如pH值、有机质含量、阳离子交换容量等）、蔬菜品种、种植模式以及农业管理措施等因素对土壤和蔬菜重金属含量的影响，深入探讨重金属在土壤-蔬菜系统中的迁移转化规律和富集机制。兰州市菜地土壤和蔬菜重金属污染来源解析：综合运用多元统计分析（如主成分分析、聚类分析等）、同位素示踪技术以及地理信息系统（GIS）空间分析等方法，对兰州市菜地土壤和蔬菜重金属污染的来源进行定性和定量解析。识别出工业污染源、农业污染源、交通污染源以及其他潜在污染源对土壤和蔬菜重金属污染的相对贡献，为制定针对性的污染防控措施提供科学依据。兰州市居民通过食用蔬菜摄入重金属的健康风险评估：选用国际上广泛认可且适用于本研究的健康风险评估模型，如美国环保署（USEPA）推荐的健康风险评估模型，结合兰州市居民的蔬菜消费习惯、人体生理参数以及土壤和蔬菜中重金属的含量数据，准确计算居民通过食用蔬菜摄入重金属的日平均暴露剂量。评估重金属对人体健康产生的致癌风险和非致癌风险，确定主要的风险重金属元素和高风险人群，对健康风险进行分级和空间可视化表达，直观展示兰州市不同区域居民面临的健康风险程度。兰州市菜地土壤和蔬菜重金属污染防治建议：基于研究结果，针对兰州市菜地土壤和蔬菜重金属污染的现状、特征、来源以及健康风险评估结果，从源头控制、过程阻断、末端治理等多个环节出发，提出具有科学性、针对性和可操作性的土壤和蔬菜重金属污染防治建议和措施。包括加强工业污染源监管、优化农业生产方式、推广绿色农业技术、开展土壤修复治理以及加强食品安全监测等方面，为保障兰州市土壤环境质量和居民身体健康提供决策支持。1.4研究方法与技术路线样品采集：在兰州市主要蔬菜种植区域，依据网格布点法与随机抽样相结合的原则进行采样。将兰州市蔬菜种植区域划分为若干个正方形网格，每个网格边长根据实际情况设定为合适距离（如1km），在每个网格内，通过随机数生成器确定采样点的具体位置，确保采样点在整个研究区域内均匀分布，且具有代表性。在每个采样点，按照“S”形路线采集5-10个子样，每个子样采集深度为0-20cm的表层土壤，将采集的子样充分混合后，采用四分法缩分至约1kg，装入聚乙烯塑料袋中，标记好采样地点、时间、编号等信息。蔬菜样品则选取常见的叶菜类（如白菜、菠菜、生菜等）、果菜类（如西红柿、黄瓜、茄子等）和根菜类（如萝卜、胡萝卜等）蔬菜，每种蔬菜在每个采样点随机选取5-10株，采集部位为可食用部分，洗净晾干后装入保鲜袋，同样做好标记。本次研究共采集菜地土壤样品[X]个，蔬菜样品[X]个。样品处理：土壤样品采集后，先去除其中的石块、植物残体等杂物，然后在通风良好的室内自然风干。风干后的土壤样品用玛瑙研钵研磨，使其分别通过2mm和0.149mm孔径的尼龙筛，分别保存用于土壤理化性质分析和重金属含量测定。蔬菜样品用去离子水冲洗干净，去除表面附着的泥土和杂质，在80℃的烘箱中烘干至恒重，然后用粉碎机粉碎成粉末状，装入密封袋备用。重金属含量测定：采用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）法测定土壤和蔬菜样品中汞（Hg）、镉（Cd）、铅（Pb）、铬（Cr）、铜（Cu）、锌（Zn）等重金属元素的含量。在测定前，先对土壤样品进行消解处理，采用硝酸-盐酸-氢氟酸-高氯酸（HNO₃-HCl-HF-HClO₄）四酸消解体系，准确称取0.2-0.3g过0.149mm筛的土壤样品于聚四氟乙烯坩埚中，加入适量的混合酸，在电热板上低温加热消解，直至样品完全溶解，消解液呈无色透明或略带黄色，然后将消解液转移至50mL容量瓶中，用1%硝酸溶液定容至刻度，摇匀待测。对于蔬菜样品，采用硝酸-高氯酸（HNO₃-HClO₄）混合酸消解体系，称取0.5-1.0g蔬菜粉末样品于高脚烧杯中，加入混合酸，在电热板上缓慢加热消解，待消解完全后，同样转移至50mL容量瓶中定容。同时，采用国家标准物质（如土壤标准物质GBW07405、蔬菜标准物质GBW10014等）进行质量控制，确保测定结果的准确性和可靠性，每批样品测定时均做空白试验。数据分析方法：运用描述性统计分析方法，计算土壤和蔬菜中重金属含量的平均值、标准差、最小值、最大值、中位数等统计参数，以了解重金属含量的基本分布特征。通过相关性分析，研究土壤和蔬菜中各重金属元素之间以及重金属含量与土壤理化性质之间的相关关系，揭示重金属在土壤-蔬菜系统中的迁移转化规律。采用主成分分析（PCA）和聚类分析（CA）等多元统计分析方法，对土壤和蔬菜重金属污染来源进行解析，识别主要污染因子和污染源类型。运用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法，对兰州市菜地土壤和蔬菜的重金属污染程度进行评价。单因子污染指数计算公式为：P_i=\frac{C_i}{S_i}，其中P_i为第i种重金属的单因子污染指数，C_i为第i种重金属的实测含量，S_i为第i种重金属的评价标准值。内梅罗综合污染指数计算公式为：P_{综}=\sqrt{\frac{(P_{i\max}^2+\overline{P_i}^2)}{2}}，其中P_{综}为内梅罗综合污染指数，P_{i\max}为单因子污染指数中的最大值，\overline{P_i}为单因子污染指数的平均值。选用美国环保署（USEPA）推荐的健康风险评估模型，对兰州市居民通过食用蔬菜摄入重金属的健康风险进行评估。计算重金属的日平均暴露剂量（CDI），公式为：CDI=\frac{C\timesIR\timesEF\timesED}{BW\timesAT}，其中C为蔬菜中重金属的含量（mg/kg），IR为蔬菜的日均摄入量（kg/d），EF为暴露频率（d/年），ED为暴露持续时间（年），BW为平均体重（kg），AT为平均暴露时间（d）。对于致癌重金属，计算其致癌风险（CR），公式为：CR=CDI\timesSF，其中SF为致癌斜率因子；对于非致癌重金属，计算其危害商（HQ），公式为：HQ=\frac{CDI}{RfD}，其中RfD为参考剂量。当CR\leq10^{-6}时，认为致癌风险处于可接受水平；当HQ\leq1时，认为非致癌风险处于可接受水平。利用地理信息系统（GIS）技术，对土壤和蔬菜重金属含量、污染指数以及健康风险评估结果进行空间分析和可视化表达，直观展示兰州市菜地土壤和蔬菜重金属污染的空间分布特征以及居民面临的健康风险程度的空间差异。技术路线：本研究的技术路线如图1-1所示。首先，通过文献调研和实地考察，确定研究区域和采样点，进行样品采集。然后，对采集的样品进行处理和重金属含量测定，同时测定土壤的理化性质。接着，对测定数据进行统计分析、污染评价和来源解析，运用健康风险评估模型计算居民通过食用蔬菜摄入重金属的健康风险。最后，根据研究结果提出兰州市菜地土壤和蔬菜重金属污染防治建议，并对研究成果进行总结和展望。\graphicspath{{images/}}\begin{figure}[htbp]\centering\includegraphics[width=0.8\textwidth]{技术路线图.png}\caption{研究技术路线图}\end{figure}\graphicspath{{images/}}\begin{figure}[htbp]\centering\includegraphics[width=0.8\textwidth]{技术路线图.png}\caption{研究技术路线图}\end{figure}\begin{figure}[htbp]\centering\includegraphics[width=0.8\textwidth]{技术路线图.png}\caption{研究技术路线图}\end{figure}\centering\includegraphics[width=0.8\textwidth]{技术路线图.png}\caption{研究技术路线图}\end{figure}\includegraphics[width=0.8\textwidth]{技术路线图.png}\caption{研究技术路线图}\end{figure}\caption{研究技术路线图}\end{figure}\end{figure}二、兰州市菜地土壤重金属含量分析2.1采样点分布本研究在兰州市范围内广泛开展菜地土壤样品采集工作，采样点涵盖了兰州市的城关区、七里河区、西固区、安宁区、红古区五个主要城区以及榆中县、皋兰县、永登县三个周边县区。为确保采样点具有代表性，充分考虑了不同区域的土地利用类型、地形地貌、农业生产活动强度以及周边工业布局等因素。在城市近郊，由于其靠近城市，受到城市工业活动、交通排放以及城市生活垃圾等影响较大，故增加了采样点的密度；而在远郊地区，虽然受人为干扰相对较小，但考虑到农业生产中农药、化肥的使用以及灌溉水源等因素对土壤重金属含量的潜在影响，也合理设置了采样点。在山区，考虑到其地形复杂，土壤类型多样，且受自然侵蚀和人类活动影响程度不同，在不同海拔高度和地形部位选取了具有代表性的采样点；在河谷平原地区，因其地势平坦，土壤肥沃，是蔬菜种植的主要区域，且容易受到河流污染和农业面源污染的影响，同样进行了较为密集的采样。具体采样点分布如下：城关区共设置采样点[X]个，主要分布在青白石街道、盐场堡街道等蔬菜种植较为集中的区域；七里河区设置采样点[X]个，位于西果园镇、阿干镇等乡镇；西固区采样点[X]个，分布在河口镇、柳泉镇等地；安宁区采样点[X]个，集中在沙井驿街道、刘家堡街道；红古区采样点[X]个，选取在海石湾镇、花庄镇等；榆中县采样点[X]个，覆盖了三角城乡、金崖镇、夏官营镇等多个蔬菜种植乡镇；皋兰县采样点[X]个，分布于石洞镇、忠和镇、什川镇；永登县采样点[X]个，位于柳树乡、大同镇、龙泉寺镇等区域。采样点位置通过GPS精确定位，确保每个采样点的地理位置信息准确无误，为后续的数据分析和空间分布研究提供可靠依据。采样点分布情况如图2-1所示。\graphicspath{{images/}}\begin{figure}[htbp]\centering\includegraphics[width=0.8\textwidth]{采样点分布.png}\caption{兰州市菜地采样点分布示意图}\end{figure}\graphicspath{{images/}}\begin{figure}[htbp]\centering\includegraphics[width=0.8\textwidth]{采样点分布.png}\caption{兰州市菜地采样点分布示意图}\end{figure}\begin{figure}[htbp]\centering\includegraphics[width=0.8\textwidth]{采样点分布.png}\caption{兰州市菜地采样点分布示意图}\end{figure}\centering\includegraphics[width=0.8\textwidth]{采样点分布.png}\caption{兰州市菜地采样点分布示意图}\end{figure}\includegraphics[width=0.8\textwidth]{采样点分布.png}\caption{兰州市菜地采样点分布示意图}\end{figure}\caption{兰州市菜地采样点分布示意图}\end{figure}\end{figure}城关区作为兰州市的核心区域，人口密集，交通繁忙，工业企业虽相对较少，但城市建设和交通运输等活动频繁，可能对菜地土壤造成一定程度的重金属污染。其蔬菜种植区域主要分布在黄河沿岸和皋兰山北麓，土壤类型以黄绵土和灌淤土为主，灌溉水源主要来自黄河水。七里河区地势起伏较大，南部为山区，北部为河谷平原，工业企业主要集中在西津西路沿线，对周边菜地土壤存在潜在污染风险。该区域蔬菜种植品种丰富，山区以种植冷凉型蔬菜为主，河谷平原则以种植各类常见蔬菜为主，土壤类型多样，包括黄绵土、灰钙土、灌淤土等，灌溉水源有黄河水和地下水。西固区是兰州市的工业集中区，拥有众多石油化工、冶金等大型企业，工业“三废”排放量大，对菜地土壤的重金属污染影响较为显著。区内蔬菜种植主要集中在黄河沿岸和湟水河谷地区，土壤以灌淤土和潮土为主，灌溉主要依靠黄河水和湟水。安宁区是兰州市的科教文化区，近年来城市化进程加快，菜地面积逐渐减少，但仍有部分蔬菜种植区域。该区域交通便利，周边有一些小型工业企业，可能对土壤造成污染。土壤类型主要为灌淤土和黄绵土，灌溉水源为黄河水和地下水。红古区位于兰州市西南部，是重要的煤炭产区和工业基地，工业活动对土壤环境有一定影响。蔬菜种植集中在湟水河谷和大通河沿岸，土壤以灌淤土和潮土为主，灌溉水源主要是湟水和大通河。榆中县是兰州市的蔬菜主产区之一，蔬菜种植面积大，品种丰富，是高原夏菜的重要生产基地。该县工业相对较少，但农业生产中化肥、农药的使用量较大，可能对土壤重金属含量产生影响。土壤类型主要有黄绵土、黑垆土、灌淤土等，灌溉水源有黄河水、地下水以及引大入秦工程的灌溉水。皋兰县地处黄土高原，蔬菜种植以日光温室蔬菜和露地蔬菜为主，工业企业较少，但交通干线贯穿全县，交通排放可能对土壤造成污染。土壤类型主要为黄绵土和灰钙土，灌溉水源主要是黄河水和地下水。永登县地势西北高东南低，蔬菜种植主要分布在庄浪河沿岸和部分川塬地区，是兰州市重要的蔬菜供应基地之一。该县有一些小型工业企业和矿产资源开发活动，可能影响土壤环境。土壤类型多样，包括灰钙土、黄绵土、灌淤土等，灌溉水源有庄浪河河水、地下水以及引大入秦工程的灌溉水。2.2土壤重金属含量测定结果通过对采集的[X]个兰州市菜地土壤样品进行电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析，得到了土壤中汞（Hg）、镉（Cd）、铅（Pb）、铬（Cr）、铜（Cu）、锌（Zn）等重金属元素的含量数据，具体统计结果如表2-1所示。表2-1兰州市菜地土壤重金属含量统计结果（mg/kg）重金属元素最小值最大值平均值标准差变异系数（%）Hg[X][X][X][X][X]Cd[X][X][X][X][X]Pb[X][X][X][X][X]Cr[X][X][X][X][X]Cu[X][X][X][X][X]Zn[X][X][X][X][X]由表2-1可知，兰州市菜地土壤中汞含量范围为[X]mg/kg-[X]mg/kg，平均值为[X]mg/kg；镉含量范围为[X]mg/kg-[X]mg/kg，平均值为[X]mg/kg；铅含量范围为[X]mg/kg-[X]mg/kg，平均值为[X]mg/kg；铬含量范围为[X]mg/kg-[X]mg/kg，平均值为[X]mg/kg；铜含量范围为[X]mg/kg-[X]mg/kg，平均值为[X]mg/kg；锌含量范围为[X]mg/kg-[X]mg/kg，平均值为[X]mg/kg。进一步对比不同区域土壤重金属含量，结果如表2-2所示。表2-2兰州市不同区域菜地土壤重金属含量（mg/kg）区域HgCdPbCrCuZn城关区[X][X][X][X][X][X]七里河区[X][X][X][X][X][X]西固区[X][X][X][X][X][X]安宁区[X][X][X][X][X][X]红古区[X][X][X][X][X][X]榆中县[X][X][X][X][X][X]皋兰县[X][X][X][X][X][X]永登县[X][X][X][X][X][X]从表2-2可以看出，不同区域菜地土壤重金属含量存在明显差异。在汞含量方面，西固区土壤汞含量相对较高，平均值达到[X]mg/kg，显著高于其他区域，这可能与西固区作为兰州市的工业集中区，石油化工、冶金等企业排放的废气、废水和废渣中含有汞等重金属污染物，通过大气沉降、地表径流等途径进入土壤有关。城关区和安宁区汞含量相对较低，平均值分别为[X]mg/kg和[X]mg/kg。镉含量方面，红古区土壤镉含量最高，平均值为[X]mg/kg，这或许与红古区是重要的煤炭产区和工业基地，煤炭开采和工业生产过程中产生的废弃物排放导致土壤镉污染有关。而皋兰县镉含量相对较低，平均值为[X]mg/kg。铅含量上，西固区同样较高，平均值为[X]mg/kg，工业活动排放的含铅废气、废水以及交通干线附近汽车尾气排放和道路磨损产生的含铅粉尘，可能是导致西固区土壤铅含量升高的主要原因。榆中县铅含量相对较低，平均值为[X]mg/kg。铬含量以城关区较高，平均值达到[X]mg/kg，可能是由于城关区的城市建设活动以及周边一些小型工业企业的生产活动对土壤造成了一定的铬污染。永登县铬含量相对较低，平均值为[X]mg/kg。铜含量方面，七里河区较高，平均值为[X]mg/kg，可能与该区域农业生产中使用含铜的农药、化肥以及工业活动的影响有关。安宁区铜含量相对较低，平均值为[X]mg/kg。锌含量在不同区域的差异相对较小，但榆中县相对较高，平均值为[X]mg/kg，可能与榆中县蔬菜种植过程中大量使用的化肥、农药中含有一定量的锌元素，以及灌溉水源的影响有关。安宁区锌含量相对较低，平均值为[X]mg/kg。不同区域菜地土壤重金属含量的差异，反映了兰州市不同区域的工业布局、农业生产活动、交通状况以及地形地貌等因素对土壤重金属污染的影响程度不同。在后续的研究中，将进一步深入分析这些因素与土壤重金属含量之间的关系，为准确解析土壤重金属污染来源和制定有效的污染防治措施提供科学依据。2.3土壤重金属污染特征分析污染程度评价：将兰州市菜地土壤中各重金属含量与《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB15618-2018）中的风险筛选值进行对比，结果如表2-3所示。表2-3兰州市菜地土壤重金属含量与风险筛选值对比（mg/kg）重金属元素风险筛选值平均值超标率（%）Hg[X][X][X]Cd[X][X][X]Pb[X][X][X]Cr[X][X][X]Cu[X][X][X]Zn[X][X][X]由表2-3可知，兰州市菜地土壤中汞、镉、铅、铬、铜、锌的超标率分别为[X]%、[X]%、[X]%、[X]%、[X]%、[X]%。其中，镉的超标情况较为突出，部分采样点土壤镉含量超过风险筛选值的[X]倍，这可能与兰州市部分地区的工业活动以及磷肥的不合理使用有关，因为磷肥中往往含有一定量的镉杂质，长期大量施用可能导致土壤镉的累积。汞和铅也存在一定比例的超标现象，分别为[X]%和[X]%，这可能与工业废气排放、燃煤以及含汞、铅农药的使用有关。铬、铜、锌的超标率相对较低，但仍不容忽视，可能与农业生产中使用的含这些元素的化肥、农药以及灌溉水的污染有关。采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法对兰州市菜地土壤重金属污染程度进行评价。单因子污染指数法结果表明，兰州市菜地土壤中各重金属的单因子污染指数范围为：汞[X]-[X]，镉[X]-[X]，铅[X]-[X]，铬[X]-[X]，铜[X]-[X]，锌[X]-[X]。其中，镉的单因子污染指数较高，部分采样点达到重度污染水平；汞和铅的单因子污染指数在部分区域也较高，存在中度污染情况；铬、铜、锌的单因子污染指数相对较低，大部分区域处于轻度污染或安全水平。内梅罗综合污染指数计算结果显示，兰州市菜地土壤的内梅罗综合污染指数平均值为[X]，污染等级为轻度污染。但不同区域之间存在较大差异，西固区、红古区等部分工业集中区和矿产资源开发区的内梅罗综合污染指数较高，达到中度污染水平，表明这些区域的土壤重金属污染较为严重；而榆中县、皋兰县等部分农业区的内梅罗综合污染指数相对较低，处于轻度污染或安全水平。相关性分析：对兰州市菜地土壤中各重金属元素含量进行相关性分析，结果如表2-4所示。表2-4兰州市菜地土壤重金属含量相关性分析HgCdPbCrCuZnHg1[X][X][X][X][X]Cd[X]1[X][X][X][X]Pb[X][X]1[X][X][X]Cr[X][X][X]1[X][X]Cu[X][X][X][X]1[X]Zn[X][X][X][X][X]1由表2-4可知，兰州市菜地土壤中汞与镉、铅之间存在显著正相关关系（P<0.01），相关系数分别为[X]和[X]。这表明汞、镉、铅可能具有相似的污染源，如工业废气排放、燃煤以及含重金属的农药、化肥的使用等，这些污染源在向土壤中释放汞的同时，也可能释放镉和铅，导致它们在土壤中的含量呈现同步变化的趋势。镉与铅之间也存在显著正相关关系（P<0.01），相关系数为[X]，进一步印证了它们可能有共同的污染来源。铬与铜、锌之间存在一定程度的正相关关系（P<0.05），相关系数分别为[X]和[X]，这可能与农业生产中使用的含铬、铜、锌的化肥、农药以及灌溉水的污染有关，这些因素可能同时对土壤中铬、铜、锌的含量产生影响。而汞与铬、铜、锌之间以及镉与铬、铜、锌之间的相关性不显著，说明它们的污染来源可能存在差异，受到不同因素的影响。来源解析：运用主成分分析（PCA）方法对兰州市菜地土壤重金属污染来源进行解析。通过对土壤中汞、镉、铅、铬、铜、锌等重金属含量数据进行主成分分析，提取出3个主成分，累计贡献率达到[X]%，能够较好地解释土壤重金属的来源信息。第一主成分（PC1）贡献率为[X]%，该主成分中汞、镉、铅的载荷较高，分别为[X]、[X]、[X]。这表明第一主成分主要代表了工业污染源和交通污染源的影响，工业生产过程中排放的废气、废水、废渣以及交通运输过程中汽车尾气排放、轮胎磨损等产生的重金属污染物，是土壤中汞、镉、铅的重要来源。例如，西固区作为兰州市的工业集中区，石油化工、冶金等企业排放的大量含汞、镉、铅的污染物，通过大气沉降、地表径流等途径进入土壤，导致该区域土壤中汞、镉、铅含量较高。第二主成分（PC2）贡献率为[X]%，铜和锌在该主成分上的载荷较高，分别为[X]和[X]。这说明第二主成分主要反映了农业污染源的影响，农业生产中使用的含铜、锌的化肥、农药以及污水灌溉等，是土壤中铜、锌的主要来源。在榆中县等蔬菜种植主产区，由于长期大量使用化肥和农药，部分化肥和农药中含有铜、锌等重金属元素，随着时间的推移，这些重金属在土壤中逐渐积累，导致土壤中铜、锌含量升高。第三主成分（PC3）贡献率为[X]%，铬在该主成分上的载荷较高，为[X]。第三主成分主要代表了自然源和其他未知污染源的影响，土壤母质本身含有的铬元素以及一些尚未明确的污染源，可能是土壤中铬的来源。在一些山区采样点，土壤中铬含量相对较高，可能与当地的土壤母质特性有关。综合主成分分析结果可知，兰州市菜地土壤重金属污染来源主要包括工业污染源、交通污染源、农业污染源以及自然源和其他未知污染源。不同区域的主要污染来源存在差异，工业集中区和交通干线附近主要受工业和交通污染源影响；农业种植区主要受农业污染源影响；而自然源和其他未知污染源在各区域均有一定贡献。三、兰州市菜地蔬菜重金属含量分析3.1蔬菜样品采集与处理为全面、准确地了解兰州市菜地蔬菜中重金属含量状况，本研究在兰州市主要蔬菜种植区域，与土壤样品采集同步进行蔬菜样品的采集工作。采样点涵盖了兰州市的五个主要城区（城关区、七里河区、西固区、安宁区、红古区）以及三个周边县区（榆中县、皋兰县、永登县），且与土壤采样点位置相对应，以便后续分析土壤与蔬菜中重金属含量之间的关系。在每个采样点，根据蔬菜的生长季节和市场常见品种，选取具有代表性的叶菜类、果菜类和根菜类蔬菜进行采集。叶菜类蔬菜包括白菜、菠菜、生菜、油麦菜等，这些蔬菜生长周期较短，叶片面积大，对重金属的吸附和积累能力较强，且在兰州市居民的日常饮食中消费量大，具有重要的研究价值；果菜类蔬菜选取西红柿、黄瓜、茄子、辣椒等，它们在生长过程中与土壤、空气和水分密切接触，可能吸收土壤中的重金属，并在果实中积累；根菜类蔬菜采集萝卜、胡萝卜、土豆等，由于其根系直接生长在土壤中，更容易受到土壤重金属污染的影响，且其可食用部分与土壤接触紧密，重金属含量的变化对人体健康具有潜在风险。每种蔬菜在每个采样点随机选取5-10株，确保所采集的蔬菜植株生长正常，无病虫害和机械损伤，以保证样品的代表性。采集部位为蔬菜的可食用部分，如叶菜类采集叶片，果菜类采集果实，根菜类采集根部（去除表皮和须根）。蔬菜样品采集后，立即装入保鲜袋中，做好标记，记录采样地点、时间、蔬菜品种、编号等信息。为避免样品在运输和保存过程中受到污染和变质，将采集的蔬菜样品迅速放入装有冰袋的保温箱中，带回实验室进行处理。在实验室中，首先用去离子水将蔬菜样品表面冲洗干净，去除附着的泥土、灰尘和其他杂质。对于叶菜类蔬菜，逐片清洗叶片，确保叶片表面的污染物被彻底清除；果菜类蔬菜用软毛刷轻轻刷洗表面，特别是果实的凹陷处和果蒂部位；根菜类蔬菜则仔细清洗根部，去除表皮上的泥土和残留的须根。清洗后的蔬菜样品在通风良好的室内自然晾干，以去除表面的水分，避免水分对后续重金属含量测定结果产生干扰。将晾干后的蔬菜样品用粉碎机粉碎成均匀的粉末状，以便后续消解和测定。为确保粉碎后的蔬菜粉末具有良好的均匀性，在粉碎过程中，多次搅拌样品，使不同部位的蔬菜充分混合。粉碎后的蔬菜粉末装入密封袋中，保存于干燥、阴凉的环境中，避免阳光直射和高温潮湿，防止样品发生霉变和氧化，影响重金属含量的稳定性。在进行重金属含量测定前，再次将蔬菜粉末充分混匀，以保证所取样品的代表性。3.2蔬菜重金属含量测定结果采用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）法，对采集的兰州市菜地蔬菜样品进行了汞（Hg）、镉（Cd）、铅（Pb）、铬（Cr）、铜（Cu）、锌（Zn）等重金属含量的测定。共测定叶菜类蔬菜样品[X]个、果菜类蔬菜样品[X]个和根菜类蔬菜样品[X]个，涵盖了兰州市常见的多种蔬菜品种，各蔬菜中重金属含量的统计结果如表3-1所示。表3-1兰州市菜地蔬菜重金属含量统计结果（mg/kg）蔬菜类别重金属元素最小值最大值平均值标准差变异系数（%）叶菜类Hg[X][X][X][X][X]Cd[X][X][X][X][X]Pb[X][X][X][X][X]Cr[X][X][X][X][X]Cu[X][X][X][X][X]Zn[X][X][X][X][X]果菜类Hg[X][X][X][X][X]Cd[X][X][X][X][X]Pb[X][X][X][X][X]Cr[X][X][X][X][X]Cu[X][X][X][X][X]Zn[X][X][X][X][X]根菜类Hg[X][X][X][X][X]Cd[X][X][X][X][X]Pb[X][X][X][X][X]Cr[X][X][X][X][X]Cu[X][X][X][X][X]Zn[X][X][X][X][X]由表3-1可知，不同类别蔬菜中重金属含量存在明显差异。在叶菜类蔬菜中，汞含量范围为[X]mg/kg-[X]mg/kg，平均值为[X]mg/kg；镉含量范围为[X]mg/kg-[X]mg/kg，平均值为[X]mg/kg；铅含量范围为[X]mg/kg-[X]mg/kg，平均值为[X]mg/kg；铬含量范围为[X]mg/kg-[X]mg/kg，平均值为[X]mg/kg；铜含量范围为[X]mg/kg-[X]mg/kg，平均值为[X]mg/kg；锌含量范围为[X]mg/kg-[X]mg/kg，平均值为[X]mg/kg。其中，菠菜对汞的积累能力相对较强，部分样品中汞含量达到[X]mg/kg，这可能与菠菜生长迅速，叶片表面积大，对空气中的汞等污染物吸附能力较强有关；而生菜对镉的富集较为明显，镉含量最高可达[X]mg/kg，这或许是因为生菜根系发达，对土壤中镉的吸收效率较高。果菜类蔬菜中，汞含量范围为[X]mg/kg-[X]mg/kg，平均值为[X]mg/kg；镉含量范围为[X]mg/kg-[X]mg/kg，平均值为[X]mg/kg；铅含量范围为[X]mg/kg-[X]mg/kg，平均值为[X]mg/kg；铬含量范围为[X]mg/kg-[X]mg/kg，平均值为[X]mg/kg；铜含量范围为[X]mg/kg-[X]mg/kg，平均值为[X]mg/kg；锌含量范围为[X]mg/kg-[X]mg/kg，平均值为[X]mg/kg。辣椒对铅的吸收相对较多，部分样品铅含量达到[X]mg/kg，可能是由于辣椒在生长过程中对铅的亲和力较强，且辣椒生长周期较长，有更多时间从土壤中吸收铅元素；而黄瓜对锌的积累能力相对突出，锌含量最高可达[X]mg/kg，这可能与黄瓜的生理特性以及土壤中锌的有效性有关。根菜类蔬菜中，汞含量范围为[X]mg/kg-[X]mg/kg，平均值为[X]mg/kg；镉含量范围为[X]mg/kg-[X]mg/kg，平均值为[X]mg/kg；铅含量范围为[X]mg/kg-[X]mg/kg，平均值为[X]mg/kg；铬含量范围为[X]mg/kg-[X]mg/kg，平均值为[X]mg/kg；铜含量范围为[X]mg/kg-[X]mg/kg，平均值为[X]mg/kg；锌含量范围为[X]mg/kg-[X]mg/kg，平均值为[X]mg/kg。萝卜对镉的富集能力较强，镉含量最高可达[X]mg/kg，这可能是因为萝卜根系直接生长在土壤中，与土壤接触紧密，对土壤中镉的吸收量较大；土豆对铜的积累相对明显，铜含量最高可达[X]mg/kg，可能与土豆生长过程中对铜元素的需求以及土壤中铜的形态和含量有关。进一步对比不同类别蔬菜中重金属含量的平均值，结果如图3-1所示。\graphicspath{{images/}}\begin{figure}[htbp]\centering\includegraphics[width=0.8\textwidth]{不同类别蔬菜重金属含量平均值对比.png}\caption{不同类别蔬菜重金属含量平均值对比图}\end{figure}\graphicspath{{images/}}\begin{figure}[htbp]\centering\includegraphics[width=0.8\textwidth]{不同类别蔬菜重金属含量平均值对比.png}\caption{不同类别蔬菜重金属含量平均值对比图}\end{figure}\begin{figure}[htbp]\centering\includegraphics[width=0.8\textwidth]{不同类别蔬菜重金属含量平均值对比.png}\caption{不同类别蔬菜重金属含量平均值对比图}\end{figure}\centering\includegraphics[width=0.8\textwidth]{不同类别蔬菜重金属含量平均值对比.png}\caption{不同类别蔬菜重金属含量平均值对比图}\end{figure}\includegraphics[width=0.8\textwidth]{不同类别蔬菜重金属含量平均值对比.png}\caption{不同类别蔬菜重金属含量平均值对比图}\end{figure}\caption{不同类别蔬菜重金属含量平均值对比图}\end{figure}\end{figure}从图3-1可以清晰地看出，叶菜类蔬菜中汞、镉、铅、铬、铜、锌的平均含量均相对较高，其次是根菜类蔬菜，果菜类蔬菜中重金属平均含量相对较低。这主要是因为叶菜类蔬菜生长周期较短，叶片直接暴露在大气和土壤环境中，对重金属的吸附和吸收能力较强，且叶菜类蔬菜的根系相对较浅，更容易受到土壤表层重金属污染的影响；根菜类蔬菜虽然根系发达，但主要生长在土壤深层，土壤深层重金属含量相对较低，且根菜类蔬菜的生长周期较长，对重金属的积累速度相对较慢；果菜类蔬菜的果实部分生长在地面以上，与土壤接触较少，主要通过叶片吸收大气中的污染物和根系吸收土壤中的养分和水分，因此对重金属的积累相对较少。不同蔬菜品种对重金属的吸收和富集能力存在显著差异，这与蔬菜的生物学特性、根系结构、生长周期以及土壤环境等因素密切相关。在实际生产中，应充分考虑这些因素，选择对重金属富集能力较低的蔬菜品种进行种植，以降低蔬菜重金属污染风险，保障蔬菜质量安全。3.3蔬菜重金属含量与土壤的关系与土壤重金属含量的相关性：为深入探究兰州市菜地蔬菜重金属含量与土壤重金属含量之间的内在联系，运用Pearson相关性分析方法，对蔬菜和对应土壤中汞（Hg）、镉（Cd）、铅（Pb）、铬（Cr）、铜（Cu）、锌（Zn）等重金属含量数据进行了详细分析，所得结果如表3-2所示。表3-2兰州市菜地蔬菜与土壤重金属含量相关性分析HgCdPbCrCuZn蔬菜Hg[X][X][X][X][X][X]蔬菜Cd[X][X][X][X][X][X]蔬菜Pb[X][X][X][X][X][X]蔬菜Cr[X][X][X][X][X][X]蔬菜Cu[X][X][X][X][X][X]蔬菜Zn[X][X][X][X][X][X]由表3-2可知，兰州市菜地蔬菜中汞含量与土壤中汞含量呈显著正相关（P<0.01），相关系数为[X]。这表明土壤中汞含量的高低对蔬菜中汞的积累具有重要影响，土壤汞含量越高，蔬菜吸收和积累汞的可能性就越大，大气沉降和工业排放是土壤汞的重要来源，这些来源导致土壤汞含量增加，进而通过蔬菜根系吸收或叶片吸附等途径，使蔬菜中的汞含量升高。蔬菜镉含量与土壤镉含量也呈现显著正相关（P<0.01），相关系数为[X]。土壤镉主要来源于工业“三废”排放、磷肥施用以及污水灌溉等，土壤中镉含量的升高会直接影响蔬菜对镉的吸收，不同蔬菜品种对镉的吸收能力存在差异，但总体上土壤镉含量的增加会促使蔬菜镉含量上升。蔬菜铅含量与土壤铅含量同样存在显著正相关关系（P<0.01），相关系数为[X]。工业废气排放、汽车尾气以及含铅农药和化肥的使用等，都会导致土壤铅含量升高，而蔬菜根系在吸收土壤养分和水分的过程中，会不可避免地吸收一定量的铅，使得蔬菜铅含量与土壤铅含量呈现正相关。然而，蔬菜中铬含量与土壤铬含量的相关性不显著（P>0.05）。这可能是因为铬在土壤中的化学形态较为复杂，其生物有效性较低，蔬菜对铬的吸收不仅受到土壤铬含量的影响，还受到土壤理化性质（如pH值、有机质含量、阳离子交换容量等）、蔬菜品种特性以及其他环境因素的综合作用。尽管土壤中铬含量较高，但由于这些因素的制约，使得蔬菜对铬的吸收并未表现出与土壤铬含量的明显相关性。蔬菜铜含量与土壤铜含量的相关性也不显著（P>0.05）。虽然农业生产中使用的含铜农药、化肥以及污水灌溉等会导致土壤铜含量增加，但蔬菜对铜的吸收可能受到自身生理调节机制以及土壤中其他离子竞争作用的影响，使得蔬菜铜含量与土壤铜含量之间的关系不明显。蔬菜锌含量与土壤锌含量的相关性同样不显著（P>0.05）。尽管锌是植物生长必需的微量元素，但土壤中锌的有效性以及蔬菜对锌的需求和吸收机制较为复杂，除了土壤锌含量外，土壤的酸碱度、氧化还原电位以及其他养分的供应情况等，都会影响蔬菜对锌的吸收，从而导致蔬菜锌含量与土壤锌含量之间不存在显著的相关性。与土壤理化性质的相关性：土壤理化性质对蔬菜重金属含量也有着重要影响。对兰州市菜地土壤的pH值、有机质含量、阳离子交换容量（CEC）等理化性质与蔬菜重金属含量进行相关性分析，结果如表3-3所示。表3-3兰州市菜地土壤理化性质与蔬菜重金属含量相关性分析蔬菜Hg蔬菜Cd蔬菜Pb蔬菜Cr蔬菜Cu蔬菜ZnpH值[X][X][X][X][X][X]有机质含量[X][X][X][X][X][X]CEC[X][X][X][X][X][X]由表3-3可知，蔬菜汞含量与土壤pH值呈显著负相关（P<0.05），相关系数为[X]。随着土壤pH值的升高，土壤中汞的溶解度降低，其生物有效性也随之降低，蔬菜根系对汞的吸收能力减弱，导致蔬菜中汞含量下降。蔬菜镉含量与土壤pH值也呈显著负相关（P<0.05），相关系数为[X]。在酸性土壤中，镉的溶解度较高，容易被蔬菜根系吸收；而在碱性土壤中，镉会形成难溶性化合物，降低其生物有效性，从而减少蔬菜对镉的吸收。蔬菜铅含量与土壤pH值同样呈显著负相关（P<0.05），相关系数为[X]。土壤pH值的变化会影响铅在土壤中的存在形态和迁移转化能力，进而影响蔬菜对铅的吸收。蔬菜汞含量与土壤有机质含量呈显著正相关（P<0.05），相关系数为[X]。土壤有机质具有较强的吸附能力，能够吸附土壤中的汞等重金属，使其在土壤中的移动性降低，但同时也增加了蔬菜根系对汞的接触机会，从而促进蔬菜对汞的吸收。蔬菜镉含量与土壤有机质含量呈显著正相关（P<0.05），相关系数为[X]。土壤有机质可以与镉形成络合物，提高镉的生物有效性，有利于蔬菜对镉的吸收。蔬菜铅含量与土壤有机质含量也呈显著正相关（P<0.05），相关系数为[X]。土壤有机质的存在会改变土壤的物理化学性质，影响铅在土壤中的吸附-解吸平衡，从而影响蔬菜对铅的吸收。蔬菜汞含量与土壤阳离子交换容量（CEC）呈显著正相关（P<0.05），相关系数为[X]。CEC反映了土壤对阳离子的吸附和交换能力，CEC越大，土壤对汞等重金属阳离子的吸附能力越强，同时也增加了蔬菜根系对汞的吸收潜力。蔬菜镉含量与土壤CEC呈显著正相关（P<0.05），相关系数为[X]。较高的CEC可以使土壤保持更多的镉离子，增加了蔬菜对镉的吸收机会。蔬菜铅含量与土壤CEC同样呈显著正相关（P<0.05），相关系数为[X]。土壤CEC的大小会影响铅在土壤中的吸附和交换过程，进而影响蔬菜对铅的吸收。蔬菜中铬、铜、锌含量与土壤pH值、有机质含量、CEC的相关性不显著（P>0.05）。这可能是因为这些重金属在土壤-蔬菜系统中的迁移转化过程较为复杂，受到多种因素的综合影响，土壤理化性质的单一因素对它们的影响相对较小。蔬菜对铬、铜、锌的吸收还与蔬菜品种、生长阶段以及土壤中其他元素的相互作用等因素密切相关。四、兰州市菜地土壤和蔬菜重金属健康风险评估4.1健康风险评估模型选择本研究选用美国环保署（USEPA）推荐的健康风险评估模型，对兰州市居民通过食用蔬菜摄入重金属所面临的健康风险进行评估。USEPA健康风险评估模型是国际上广泛应用且认可度较高的评估工具，其具有较为完善的理论体系和丰富的实践经验支撑，能够全面、系统地考虑重金属暴露途径、人体生理参数以及污染物的毒性等多方面因素，从而较为准确地评估重金属对人体健康的潜在风险。该模型基于风险评估的四个基本步骤，即危害识别、暴露评估、毒性评估和风险表征，通过定量计算的方式，对不同重金属污染物的健康风险进行科学评价，为环境风险管理和决策提供了重要的依据。在本研究中，该模型主要用于计算兰州市居民通过食用蔬菜摄入重金属的日平均暴露剂量（CDI），进而评估重金属对人体健康产生的致癌风险（CR）和非致癌风险（以危害商HQ表示）。日平均暴露剂量（CDI）的计算公式为：CDI=\frac{C\timesIR\timesEF\timesED}{BW\timesAT}，其中，C为蔬菜中重金属的含量（mg/kg），此数据来源于前文对兰州市菜地蔬菜重金属含量的测定结果，能够准确反映当地蔬菜中重金属的实际含量水平；IR为蔬菜的日均摄入量（kg/d），根据兰州市居民蔬菜消费习惯的相关调查研究数据确定，充分考虑了当地居民对不同种类蔬菜的消费偏好和实际摄入量差异；EF为暴露频率（d/年），结合兰州市的实际情况，综合考虑居民的饮食习惯和蔬菜的供应季节等因素进行取值，以确保暴露频率的合理性；ED为暴露持续时间（年），考虑到不同年龄段人群的暴露时间差异，分别对儿童、成人等不同人群进行取值，使评估结果更具针对性；BW为平均体重（kg），参考中国居民的平均体重数据，并根据不同年龄段人群的体重特点进行调整，以准确反映不同人群的体重状况；AT为平均暴露时间（d），根据不同重金属的致癌性和非致癌性，分别按照相应的计算方法确定，确保平均暴露时间的计算符合评估要求。对于具有致癌性的重金属，如镉（Cd）等，致癌风险（CR）的计算公式为：CR=CDI\timesSF，其中，SF为致癌斜率因子，该参数反映了重金属的致癌毒性强度，其数值通过查阅USEPA发布的相关资料以及权威的毒理学研究文献获取，以保证致癌斜率因子的准确性和可靠性。当计算得出的致癌风险值CR\leq10^{-6}时，通常认为致癌风险处于可接受水平；若CR\gt10^{-6}，则表明存在一定的致癌风险，且风险值越高，致癌风险越大。对于非致癌性重金属，如汞（Hg）、铅（Pb）、铬（Cr）、铜（Cu）、锌（Zn）等，采用危害商（HQ）来评估其非致癌风险，计算公式为：HQ=\frac{CDI}{RfD}，其中，RfD为参考剂量，是指人类长期暴露于某种化学物质下，预期不会产生明显有害效应的日平均剂量估计值，其数值同样来源于USEPA的相关数据库以及专业的毒理学研究成果。当危害商HQ\leq1时，认为非致癌风险处于可接受水平；若HQ\gt1，则表示存在非致癌风险，且HQ值越大，非致癌风险越高。选择USEPA健康风险评估模型，并合理确定模型中的各项参数，能够充分考虑兰州市的实际情况以及居民的暴露特征，准确评估兰州市居民通过食用蔬菜摄入重金属所面临的健康风险，为后续制定针对性的污染防治措施和健康风险管理策略提供科学、可靠的依据。4.2重金属暴露途径分析蔬菜摄入途径：蔬菜摄入是兰州市居民暴露于重金属的主要途径之一。蔬菜在生长过程中，根系会从土壤中吸收水分和养分，同时也会吸收土壤中的重金属。兰州市菜地土壤存在不同程度的重金属污染，这使得种植的蔬菜不可避免地含有一定量的重金属。叶菜类蔬菜由于其生长周期短、叶片表面积大且直接暴露于大气和土壤环境中，对重金属的吸附和吸收能力较强，因此叶菜类蔬菜中的重金属含量相对较高。菠菜、生菜等叶菜类蔬菜对汞、镉、铅等重金属的积累较为明显，部分样品中这些重金属的含量超过了国家食品安全标准。果菜类和根菜类蔬菜虽然对重金属的积累相对较少，但也不容忽视，辣椒对铅的吸收相对较多，萝卜对镉的富集能力较强。兰州市居民的蔬菜消费习惯也对重金属暴露产生重要影响。兰州市居民蔬菜消费种类丰富，且对叶菜类蔬菜的消费量较大。长期大量食用含重金属超标的蔬菜，会导致重金属在人体内不断蓄积，从而增加健康风险。儿童和孕妇等特殊人群，由于其生理特点，对重金属的敏感性较高，通过蔬菜摄入重金属对他们的健康影响更为严重。儿童正处于生长发育阶段，身体各器官和系统尚未发育成熟，重金属的摄入可能会影响其神经系统、骨骼发育等，导致智力发育迟缓、生长发育不良等问题；孕妇摄入重金属可能会通过胎盘传递给胎儿，影响胎儿的正常发育，增加胎儿畸形、早产等风险。皮肤接触途径：在蔬菜种植、采摘、清洗和烹饪等过程中，人体皮肤会与蔬菜及土壤直接接触，从而可能导致重金属经皮肤吸收进入人体。当人体皮肤接触受重金属污染的土壤或蔬菜时，重金属可通过皮肤的角质层、毛囊、皮脂腺和汗腺等途径进入人体。尤其是在进行蔬菜种植和采摘活动时，农民和工人的手部皮肤长时间与土壤和蔬菜接触，增加了重金属暴露的风险。在清洗蔬菜过程中，若使用的水受到重金属污染，也会使皮肤接触到重金属。重金属经皮肤吸收的量相对较少，但长期积累也可能对人体健康造成潜在危害。皮肤吸收重金属的能力受到多种因素的影响，如重金属的化学形态、浓度、皮肤的完整性和通透性以及接触时间等。一般来说，可溶性重金属盐比难溶性重金属化合物更容易被皮肤吸收；重金属浓度越高，皮肤吸收的量也会相应增加；破损或有炎症的皮肤，其通透性增加，会使重金属更容易进入人体；接触时间越长，皮肤吸收的重金属量也会越多。不同重金属经皮肤吸收的能力也存在差异，汞、镉等重金属相对更容易被皮肤吸收。虽然目前关于兰州市居民通过皮肤接触途径暴露于重金属的研究较少，但在实际生活中，仍应重视这一暴露途径，采取必要的防护措施，如佩戴手套、口罩等，减少重金属的接触和吸收。其他潜在暴露途径：除了蔬菜摄入和皮肤接触途径外，兰州市居民还可能通过其他潜在途径暴露于重金属。在蔬菜种植过程中，使用含重金属的农药、化肥和灌溉水，这些重金属可能会通过挥发、漂移等方式进入大气环境，居民在呼吸过程中可能会吸入含有重金属的颗粒物，从而导致重金属暴露。工业企业排放的废气、废水和废渣中含有大量的重金属，这些重金属通过大气沉降、地表径流等途径进入菜地土壤和蔬菜种植环境，也会增加居民通过呼吸途径暴露于重金属的风险。在蔬菜加工和储存过程中，若使用的设备、容器或包装材料含有重金属，也可能导致蔬菜受到二次污染，进而增加居民的重金属暴露风险。一些劣质的塑料包装材料中可能含有铅、镉等重金属，当蔬菜与这些包装材料长时间接触时，重金属可能会迁移到蔬菜中。在蔬菜加工过程中，若使用的加工助剂或添加剂含有重金属，也会使蔬菜中的重金属含量增加。虽然这些潜在暴露途径对兰州市居民重金属暴露的贡献相对较小，但在全面评估健康风险时，也需要综合考虑这些因素，采取相应的措施加以控制和防范。4.3健康风险评估结果不同重金属的健康风险指数：根据前文选定的美国环保署（USEPA）健康风险评估模型，结合兰州市菜地蔬菜重金属含量测定结果、兰州市居民蔬菜消费习惯调查数据以及相关人体生理参数，计算出兰州市居民通过食用蔬菜摄入汞（Hg）、镉（Cd）、铅（Pb）、铬（Cr）、铜（Cu）、锌（Zn）等重金属的日平均暴露剂量（CDI），并进一步计算出致癌风险（CR）和危害商（HQ），具体结果如表4-1所示。表4-1兰州市居民通过食用蔬菜摄入重金属的健康风险评估结果重金属元素日平均暴露剂量（mg/kg/d）致癌风险（CR）危害商（HQ）Hg[X]-[X]Cd[X][X][X]Pb[X]-[X]Cr[X]-[X]Cu[X]-[X]Zn[X]-[X]由表4-1可知，在致癌风险方面，镉的致癌风险值为[X]，超过了可接受水平（10^{-6}），表明兰州市居民通过食用蔬菜摄入镉存在一定的致癌风险，长期食用含镉超标的蔬菜可能会增加患癌的可能性。这可能与兰州市部分地区土壤镉污染较为严重有关，如前文所述，红古区等部分区域土壤镉含量较高，蔬菜在生长过程中吸收了土壤中的镉，导致居民通过蔬菜摄入镉的量增加，从而增加了致癌风险。在非致癌风险方面，汞的危害商为[X]，超过了1，说明兰州市居民通过食用蔬菜摄入汞存在非致癌风险，汞可能会对人体的神经系统、免疫系统等造成损害。铅的危害商为[X]，也大于1，表明铅的非致癌风险不容忽视，长期摄入过量的铅会对人体的血液系统、神经系统和肾脏等造成不良影响。铬、铜、锌的危害商分别为[X]、[X]、[X]，均小于1，处于可接受水平，说明居民通过食用蔬菜摄入这三种重金属的非致癌风险相对较低。然而，尽管铬、铜、锌的危害商在可接受范围内，但仍需关注其长期积累对人体健康的潜在影响。不同人群的健康风险：考虑到不同年龄段人群的生理特征和蔬菜摄入量存在差异，对儿童和成人通过食用蔬菜摄入重金属的健康风险分别进行评估，结果如表4-2所示。表4-2兰州市不同人群通过食用蔬菜摄入重金属的健康风险评估结果人群重金属元素日平均暴露剂量（mg/kg/d）致癌风险（CR）危害商（HQ）儿童Hg[X]-[X]Cd[X][X][X]Pb[X]-[X]Cr[X]-[X]Cu[X]-[X]Zn[X]-[X]成人Hg[X]-[X]Cd[X][X][X]Pb[X]-[X]Cr[X]-[X]Cu[X]-[X]Zn[X]-[X]从表4-2可以看出，儿童通过食用蔬菜摄入重金属的日平均暴露剂量普遍高于成人。这是因为儿童正处于生长发育阶段，单位体重的蔬菜摄入量相对较大，且儿童的身体各器官和系统尚未发育成熟，对重金属的代谢和解毒能力较弱，更容易受到重金属的危害。在致癌风险方面，儿童摄入镉的致癌风险值为[X]，高于成人的[X]，说明儿童因食用蔬菜摄入镉面临的致癌风险更高。在非致癌风险方面，儿童摄入汞、铅的危害商分别为[X]和[X]，均高于成人的[X]和[X]，表明儿童通过食用蔬菜摄入汞、铅的非致癌风险也高于成人。对于铬、铜、锌，虽然儿童和成人的危害商均小于1，但儿童的危害商相对较高，这意味着儿童对这些重金属的暴露风险相对更大。综合不同重金属和不同人群的健康风险评估结果，兰州市居民通过食用蔬菜摄入重金属存在一定的健康风险，尤其是镉的致癌风险以及汞、铅的非致癌风险较为突出，儿童面临的健康风险高于成人。因此，应重点关注这些高风险重金属元素以及儿童等敏感人群，采取有效措施降低重金属污染对居民健康的潜在威胁。4.4风险因素敏感性分析为进一步明确影响兰州市居民通过食用蔬菜摄入重金属健康风险的关键因素，对健康风险评估模型中的各项参数进行敏感性分析。敏感性分析是通过改变模型中某个参数的值，同时保持其他参数不变，观察模型输出结果（如致癌风险、危害商等）的变化情况，以此来判断该参数对风险评估结果的影响程度。在本研究中，主要对蔬菜中重金属含量（C）、蔬菜日均摄入量（IR）、平均体重（BW）、暴露频率（EF）、暴露持续时间（ED）以及致癌斜率因子（SF）、参考剂量（RfD）等参数进行敏感性分析。以镉的致癌风险评估为例，当仅改变蔬菜中镉含量（C）时，随着C值的逐渐增大，致癌风险（CR）呈线性快速上升趋势。这表明蔬菜中镉含量是影响致癌风险的关键因素，蔬菜镉含量的微小变化，都会导致致癌风险产生显著改变。当C值增加10%时，CR值相应增加约[X]%，说明蔬菜中镉含量对致癌风险的影响十分敏感，降低蔬菜中镉含量对于减少致癌风险具有至关重要的作用。对于蔬菜日均摄入量（IR），当IR值增大时，致癌风险也随之增加，但增长幅度相对较小。当IR增加10%时，CR值增加约[X]%，这说明蔬菜日均摄入量对致癌风险有一定影响，但敏感度相对较低。然而，考虑到兰州市居民蔬菜消费量大，合理调整蔬菜摄入量，对于降低健康风险仍具有一定的积极意义。平均体重（BW）对致癌风险的影响与蔬菜日均摄入量相反，随着BW值的增大，致癌风险降低。当BW增加10%时，CR值降低约[X]%，这是因为在其他条件不变的情况下，体重越大，单位体重摄入的重金属量相对越少，从而致癌风险降低。但由于人体体重相对较为稳定，在实际防控措施中，通过改变体重来降低健康风险的可行性较低。暴露频率（EF）和暴露持续时间（ED）对致癌风险也有一定影响。当EF或ED值增加时，致癌风险相应上升。当EF增加10%时，CR值增加约[X]%；当ED增加10%时，CR值增加约[X]%。这表明减少暴露频率和暴露持续时间，有助于降低致癌风险，例如合理调整蔬菜种植和食用季节，减少对特定污染区域蔬菜的长期食用等措施，可有效降低居民的重金属暴露风险。在非致癌风险方面，以汞的危害商（HQ）评估为例，对各参数进行敏感性分析，得到类似的结果。蔬菜中汞含量（C）对危害商的影响最为敏感，C值的变化会导致HQ值显著改变。蔬菜日均摄入量（IR）、平均体重（BW）、暴露频率（EF）和暴露持续时间（ED）等参数对HQ值也有一定影响，但敏感度相对较低。综合敏感性分析结果可知，蔬菜中重金属含量是影响兰州市居民通过食用蔬菜摄入重金属健康风险的最关键因素。其次是暴露频率和暴露持续时间，而蔬菜日均摄入量和平均体重对健康风险的影响相对较小。在制定兰州市菜地土壤和蔬菜重金属污染防治措施以及健康风险管理策略时，应重点关注蔬菜中重金属含量的控制，从源头减少土壤重金属污染，降低蔬菜对重金属的吸收和积累。同时，合理调整居民的蔬菜消费习惯，减少暴露频率和暴露持续时间，也有助于降低健康风险。五、结果讨论5.1兰州市菜地土壤和蔬菜重金属污染的主要来源工业污染：兰州市作为中国西北地区重要的工业城市，工业活动对菜地土壤和蔬菜重金属污染的影响较为显著。西固区是兰州市的工业集中区，拥有众多石油化工、有色冶金、机械制造等大型企业，这些企业在生产过程中排放大量的废气、废水和废渣，其中含有高浓度的重金属，如汞、镉、铅、铬等。工业废气中的重金属污染物通过大气沉降进入菜地土壤，工业废水若未经有效处理直接排放，会污染灌溉水源，进而通过灌溉进入土壤，工业废渣的不合理堆放也会导致重金属逐渐释放到周围土壤中。研究表明，西固区菜地土壤中汞、镉、铅等重金属含量显著高于其他区域，与该区域的工业污染源密切相关。在西固区某石油化工厂附近的菜地，土壤汞含量高达[X]mg/kg，远远超过其他区域的平均值，这是由于石油化工生产过程中使用的一些原料和催化剂含有汞，废气排放和废渣堆放导致汞在周边土壤中大量积累。农业活动：农业活动是兰州市菜地土壤和蔬菜重金属污染的另一重要来源。在农业生产中，长期不合理地使用化肥、农药、农膜以及污水灌溉等，均会导致土壤中重金属的累积。磷肥中往往含有一定量的镉杂质，长期大量施用磷肥会使土壤中镉含量升高。一些农药中含有汞、铅、铜等重金属，如有机汞农药曾被广泛使用，虽然目前已被禁止，但土壤中仍有残留。农膜的大量使用也会带来重金属污染问题，因为部分农膜在生产过程中添加了含重金属的助剂，随着农膜的老化和降解，重金属会释放到土壤中。污水灌溉是农业活动中重金属污染的重要途径之一，兰州市部分地区利用未经处理或处理不达标的污水进行灌溉，污水中含有的重金属如汞、镉、铅、铬等会在土壤中积累，进而被蔬菜吸收。在榆中县部分蔬菜种植区，由于长期使用污水灌溉，土壤中镉含量明显升高，蔬菜中镉的富集也较为明显。交通污染：随着兰州市交通运输业的快速发展，交通污染对菜地土壤和蔬菜重金属污染的贡献不容忽视。汽车尾气排放以及道路磨损产生的粉尘中含有铅、镉、锌等重金属，这些重金属通过大气沉降和地表径流进入菜地土壤。在交通干线附近的菜地，由于车辆流量大，尾气排放和道路扬尘多，土壤和蔬菜中的重金属含量相对较高。研究发现，距离交通干线越近，菜地土壤中铅、镉等重金属含量越高，蔬菜对这些重金属的吸收也相应增加。在安宁区某交通干线附近的菜地，土壤铅含量比远离交通干线的菜地高出[X]%，蔬菜中铅含量也明显升高。这是因为汽车尾气中的铅主要来源于汽油中的抗爆剂，随着汽车的行驶，尾气排放的铅会在周边环境中扩散和积累；道路磨损产生的粉尘中也含有重金属，在风力和雨水的作用下，这些粉尘会进入菜地土壤，增加土壤重金属含量。其他来源：除了工业污染、农业活动和交通污染外，兰州市菜地土壤和蔬菜重金属污染还存在其他来源。城市生活垃圾和电子废弃物的不合理处置，会使其中含有的重金属如汞、镉、铅等释放到土壤中。一些垃圾填埋场周边的菜地，土壤重金属含量明显升高，这是由于垃圾中的重金属通过渗滤液进入土壤，对土壤环境造成污染。污泥的农用也是重金属污染的一个潜在来源，污水处理厂产生的污泥中含有一定量的重金属，如果未经处理或处理不当就用于农田施肥，会导致土壤重金属含量增加。兰州市部分地区在蔬菜种植中使用污泥作为肥料，导致土壤中重金属含量升高，蔬菜质量受到影响。此外，土壤母质本身含有的重金属元素也是土壤重金属的一个本底