尼日利亚卡诺州Tatsawarki农场土壤与蔬菜中重金属污染的健康风险评估：污染指数、多元分析与健康风险

本研究针对工业区周边农田土壤与蔬菜的重金属污染问题，评估了Cd、Cr、Zn的污染水平与健康风险。通过污染指数（Igeo、EF、CF、RI）、多元分析（PCA、HCA）及健康风险评估（EDIM、THQ、HRI）等方法，发现Cd和Cr浓度超标，污染主要源于工业废水灌溉，Cd对儿童和成人均构成显著健康风险，强调了环境监测与治理的紧迫性。

　　

随着全球对健康饮食的重视，蔬菜消费量因营养丰富和营养学家的强烈推荐而持续增长。然而，在污染环境中生长的蔬菜可能含有高浓度的有毒金属，长期摄入会导致严重的健康问题。这种污染不仅威胁人类健康，还破坏生态系统，引发对食品安全和环境可持续性的深切担忧。有毒金属如镉(Cd)、铬(Cr)和锌(Zn)常见于受污染的土壤、蔬菜和水源中，它们通过工业活动、极端天气事件和农业实践进入环境，最终通过食物链积累于人体，导致肾脏疾病、癌症、神经损伤等健康风险。在尼日利亚，重金属污染是一个重大的环境问题，尤其是卡诺州作为主要商业中心，工业（如制革、纺织）和农业活动密集，工业废水未经处理排入河流，用于灌溉蔬菜农场，进一步加剧了污染风险。尽管已有研究关注重金属污染，但卡诺州Tatsawarki地区缺乏对土壤和蔬菜中重金属积累的全面评估，包括污染指数、多元分析和健康风险的综合研究。因此，本研究旨在填补这一空白，通过详细评估Tatsawarki农场土壤和蔬菜中的有毒金属污染，为政策制定者、利益相关者和研究人员提供关键见解，以改进环境监测和公共卫生措施。

为开展本研究，研究人员采用了多种关键技术方法。样本来源于尼日利亚卡诺州Tatsawarki地区的三个随机选定农场，共收集108份土壤样本和108份蔬菜样本（包括番茄、菠菜、生菜和洋葱）。使用原子吸收光谱法(AAS)测定Cd、Cr和Zn的浓度，并分析土壤理化参数（pH、电导率EC、颗粒大小）。污染评估包括计算地积累指数(I_geo)、富集因子(EF)、污染因子(CF)、生态风险指数(RI)和污染负荷指数(PLI)。多元统计分析采用主成分分析(PCA)和层次聚类分析(HCA)来追溯污染来源。健康风险评估通过估计每日摄入量(EDIM)、目标危险商数(THQ)和健康风险指数(HRI)进行，同时计算转移因子(TF)以评估金属从土壤到蔬菜的迁移性。统计处理使用GraphPad Prism软件，包括描述性统计、方差分析(ANOVA)和Pearson相关性分析。

3.1 研究区域的土壤特性

土壤样本被分类为砂质壤土，具有低有机质、高孔隙度和低保水性的特点。粘土、粉砂和沙的比例分别为7.00-10.00%、20.00-33.00%和59.00-71.00%。电导率(EC)值范围在0.22-0.55 dS/m之间，平均值为0.06±0.001 dS/m。pH值在7.30-8.20之间，平均为7.84±0.025，表明土壤呈强碱性。低EC值可能与灌溉期间盐分淋失有关，而pH和土壤纹理显著影响重金属的可用性。Pearson相关性分析显示，土壤pH与粘土含量呈正相关（r=0.59），与Cd呈负相关（r=-0.09），表明pH增加时金属可溶性降低，土壤对重金属的固定能力增强。此外，沙含量与Zn呈正相关（r=0.24），而Cd与Cr呈正相关（r=0.20），提示这些金属可能有共同来源。

3.3 土壤重金属含量的描述性统计

Cd、Cr和Zn的平均浓度分别为9.32 mg/kg、78.73 mg/kg和33.67 mg/kg，均超过背景水平（Cd: 0.6 mg/kg, Cr: 26 mg/kg, Zn: 95 mg/kg）和世界卫生组织(WHO)的允许限值（Cd: 3 mg/kg, Cr: 30 mg/kg, Zn: 300 mg/kg）。Cr浓度最高，其次是Zn和Cd。变异系数较高（Cd: 54.32%, Cr: 77.07%, Zn: 44.58%），表明金属分布不均匀。浓度顺序为Cr > Zn > Cd，污染可能源于工业活动和灌溉用水。

3.4 污染指数

地积累指数(I_geo)显示Cd为1.02（中度污染），Cr为0.31（未污染至中度污染），Zn为-0.62（未污染）。富集因子(EF)值Cd为15.47（显著富集，表明工业影响），Cr为3.04（中度富集），Zn为0.35（低富集）。污染因子(CF)值Cd为15.53（极高污染），Cr为3.03（显著污染），Zn为0.35（低污染）。污染负荷指数(PLI)为2.54，表示土地质量恶化。生态风险指数(RI)为472.4，表明Cd贡献最大（466），构成 considerable ecological risk，而Cr和Zn的风险较低。

3.5 主成分分析(PCA)

PCA结果显示，特征值分别为1.374、0.963和0.664，累计方差为100%。第一主成分(PC1)解释了45.79%的方差，Cd和Zn的因子载荷分别为0.81和0.65，表明它们共享来源（可能为人为活动），而Cr的载荷为-0.54，表明其来源可能为岩性-人为混合。PCA和HCA将有毒金属分为两组：Cd和Zn归为一类（Cluster 1），Cr单独为一类（Cluster 2），进一步支持Cd和Zn源于 anthropogenic sources，而Cr源于 lithogenic-anthropogenic sources。这有助于识别污染模式，为 targeted remediation 提供依据。

3.6 三个选定农场土壤中的有毒金属

Cd在三个农场（F1、F2、F3）的浓度分别为9.06±0.72 mg/kg、10.08±0.92 mg/kg和8.53±0.13 mg/kg，无显著差异（p>0.05）。Zn浓度也无显著差异。Cr浓度在F3农场最高（114.40±7.39 mg/kg），显著高于F1和F2（p<0.0001），超过WHO限值，表明F3农场污染严重。这可能与工业废水灌溉相关，尤其是制革废物中的Cr排放。

重金属在土壤和蔬菜中的浓度

蔬菜中Cd、Cr和Zn的浓度均超过FAO/WHO的允许限值（Cd: 0.2 mg/kg, Cr: 0.3 mg/kg, Zn: 5.0 mg/kg）。例如，番茄中Cd为2.30 mg/kg，菠菜中Cd为5.74 mg/kg，洋葱中Zn为47.93 mg/kg。污染水平顺序为土壤 > 蔬菜，但某些蔬菜（如生菜和洋葱）的Zn浓度高于土壤，表明高生物积累性。与既往研究相比，本研究的金属浓度较高，可能与工业废水灌溉直接相关。

转移因子

转移因子(TF)值显示，Zn的迁移性最高（TF=1.20），其次是Cr（0.88）和Cd（0.74）。具体蔬菜中，生菜的Zn TF为1.20，洋葱的Zn TF为1.14，菠菜的Cr TF为0.88。TF值大于1表示金属易于从土壤迁移至蔬菜，增加健康风险。这受植物物种、生长阶段和土壤性质影响，突出了蔬菜类型在金属积累中的差异。

健康风险评估

估计每日摄入量(EDIM)显示，儿童和成人的Cd、Cr、Zn摄入量均超过安全限值。例如，成人通过食用菠菜的Cd EDIM为0.45 mg/kg/天，儿童为1.58 mg/kg/天。目标危险商数(THQ)值Cd在所有蔬菜中均大于1（范围0.80-5.11 for adults, 2.80-17.90 for children），表明Cd构成潜在健康风险，而Cr和Zn的THQ值低于1。健康风险指数(HRI)值在儿童中更高（例如菠菜HRI=18.14），表明儿童更易受 adverse effects 影响， due to lower body weight and higher ingestion rates。长期暴露可能导致免疫系统减弱、发育迟缓和慢性疾病。

研究结论强调，Tatsawarki农场的土壤和蔬菜受到Cd和Cr的严重污染，污染主要源于工业废水灌溉。污染指数和多元分析表明Cd和Zn与人为活动相关，而Cr为岩性-人为混合来源。健康风险评估显示Cd对儿童和成人均构成显著风险，尤其是通过蔬菜 consumption。研究意义在于呼吁加强环境监测、政策法规 compliance 和 remediation strategies（如植物修复和生态友好技术），以减轻健康风险并改善公共安全。局限性包括仅关注旱季样本，未来研究应扩展至雨季、不同土壤深度和蔬菜部位，以及纳入更广泛的饮食评估。 overall, 这项研究为发展中国家工业区环境污染与公共健康提供了重要基准数据，推动了可持续农业和环境管理的发展。