華東師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院（200241） 張 天 姜澒月 倪瑋怡 白雪莘 閆亞琛

指導(dǎo)老師 畢春娟

上海崇明現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)土壤與花椰菜中Cd、Crr含量分析

華東師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院（200241） 張 天 姜澒月 倪瑋怡 白雪莘 閆亞琛

指導(dǎo)老師 畢春娟

土壤環(huán)境及蔬菜衛(wèi)生日益受到人們重視，但目前對(duì)于同一地區(qū)，同時(shí)進(jìn)行土壤和蔬菜重金屬含量的分析還較少。本研究通過(guò)對(duì)崇明現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)內(nèi)花椰菜及其周圍土壤中Cd、Cr含量分析，得到土壤Cr含量基本達(dá)標(biāo)，其余指標(biāo)不同程度超標(biāo)。同時(shí)，運(yùn)用相關(guān)分析、主成分分析等手段，針對(duì)農(nóng)業(yè)園區(qū)的污染來(lái)源及食品安全問(wèn)題提出整改建議。

崇明現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)；花椰菜；土壤；Cd、Cr含量；研究性學(xué)習(xí)

一、引言

人類活動(dòng)使得環(huán)境污染問(wèn)題不斷加劇，而重金屬及其毒性和富集特性，在環(huán)境中引起特別的關(guān)注[1]。重金屬易在土壤中累積、遷移，通過(guò)蔬菜進(jìn)入體內(nèi)，對(duì)人體健康存在危害[2]～[3]。因此開(kāi)展土壤與蔬菜的重金屬含量分析研究，可為治理農(nóng)業(yè)污染和控制蔬菜質(zhì)量提供參考。

國(guó)內(nèi)學(xué)者不乏對(duì)各地農(nóng)產(chǎn)品重金屬含量的實(shí)驗(yàn)分析，李學(xué)德等[4]、陳紅亮等[5]、白紅娟[6]、孫超等[7]對(duì)合肥、貴州北部、太原和崇明等地區(qū)的蔬菜重金屬含量進(jìn)行了分析研究，總體均達(dá)到國(guó)家限制標(biāo)準(zhǔn)。但筆者也發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同一地區(qū)，同時(shí)進(jìn)行蔬菜及周圍土壤重金屬含量分析的研究相對(duì)缺乏。因此，本研究以崇明島為例，旨在通過(guò)對(duì)花椰菜樣品中重金屬含量及植物周圍土壤中Cd、Cr含量進(jìn)行采樣分析，在對(duì)土壤環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)的同時(shí)，計(jì)算花椰菜對(duì)Cd、Cr兩種重金屬元素的富集系數(shù)，為防治土壤重金屬污染提供一定科學(xué)依據(jù)。

二、材料與方法

1. 采樣區(qū)概況

中國(guó)第三大島的崇明島位于長(zhǎng)江入海口，是全世界最大的河口沖積島。崇明島地勢(shì)平坦，氣候類型為亞熱帶季風(fēng)氣候，雨熱同期，土壤類型主要為水稻土、灰潮土和濱海鹽土，有利于發(fā)展新型城市和新農(nóng)村建設(shè)。

實(shí)驗(yàn)選取位于崇明島東北部的崇明現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)（圖1），東西長(zhǎng)15km，南北寬2.2km，總面積33km2，是一塊利用灘涂資源圍墾起來(lái)的新生地。實(shí)地采樣時(shí)觀察到，園區(qū)內(nèi)種植有多種蔬菜，其中種植的花椰菜在冬末生長(zhǎng)良好。

圖1 崇明現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)采樣點(diǎn)示意圖

2. 樣品采集及處理方法

用網(wǎng)格布點(diǎn)法選取崇明現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)的15個(gè)采樣點(diǎn)，采集花椰菜樣本15個(gè)及蔬菜周圍0～5cm、5～10cm、10～15cm土壤樣本共45份帶回實(shí)驗(yàn)室?；ㄒ朔譃榭墒巢糠帧⑷~、根三部分稱量濕重，烘干后稱量干重，獲得含水率，再過(guò)60目尼龍篩。土樣置于40℃烘箱烘干研磨后，將土壤過(guò)120目尼龍篩（＜125μm）。

3. 理化性質(zhì)測(cè)量

各種土壤理化性質(zhì)的檢測(cè)對(duì)土樣粒徑大小要求不同。稱量蔬菜干樣質(zhì)量以獲得含水率，將烘干土樣過(guò)10目尼龍篩，采用電位法進(jìn)行pH值檢測(cè)；過(guò)120目篩的土壤用重鉻酸鉀容量法進(jìn)行有機(jī)質(zhì)檢測(cè)。

4. 土壤、蔬菜重金屬含量的測(cè)定

對(duì)土壤和花椰菜樣本采用HNO3-HClO4-HF消煮法[7]消解后，使用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀（ICP-OES）測(cè)定Cr、Cd的含量。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

1. 土壤與花椰菜中Cd、Cr含量

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，土壤pH值范圍在7.73～9.35之間，平均為8.31；有機(jī)質(zhì)含量為1.69%～0.82%，平均為1.19%。

圖2 土壤、花椰菜中Cd、Cr含量

根據(jù)上海市土壤環(huán)境背景值上限值和HJ332-2006中對(duì)食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)土壤環(huán)境pH＞7.5時(shí)，Cd限值應(yīng)小于0.60mg/kg，Cr應(yīng)小于250mg/ kg。由圖2可以看出，研究區(qū)土壤中Cd含量普遍超標(biāo)；Cr含量在不同深度土層內(nèi)也超出背景值，但總體上達(dá)到用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。孫超[8]等對(duì)崇明島土壤重金屬含量所做的空間差值也可以反映出，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)及附近地區(qū)Cd含量出現(xiàn)峰值，Cr含量也相對(duì)偏高。

2. 花椰菜對(duì)土壤中Cd、Cr的富集作用

對(duì)花椰菜與土壤中Cd、Cr含量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表1所示，花椰菜的球莖、葉、根中Cd、Cr含量與不同深度土壤中的Cd、Cr含量之間沒(méi)有明顯的相關(guān)關(guān)系，即使是與土壤接觸最多的根系也沒(méi)有明顯相關(guān)關(guān)系。由此可推斷花椰菜可通過(guò)自身生理過(guò)程調(diào)節(jié)對(duì)重金屬的吸收，不存在被動(dòng)富集。

表1 花椰菜與土壤中Cd、Cr含量相關(guān)分析表

富集系數(shù)反映土壤中重金屬向花椰菜中重金屬含量的轉(zhuǎn)化率（公式1），對(duì)15個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別計(jì)算富集系數(shù)后得到表2，其中土壤重金屬含量為0-20cm混合土樣，花椰菜各個(gè)部分中Cd的富集程度相對(duì)于花椰菜各個(gè)部分中Cr的富集程度較高，因此可以說(shuō)明花椰菜對(duì)Cd的吸收能力較強(qiáng)、對(duì)Cr的抵抗能力較強(qiáng)，建議不要在土壤Cd含量較高的地方種植花椰菜。

表2 Cd、Cr富集系數(shù)范圍

3. 主成分分析結(jié)果

利用主成分分析，對(duì)上海崇明現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)進(jìn)行Cd生態(tài)安全分析。第一主成分與表層土有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)較好的正相關(guān)性，與表層土壤Cd含量、表層土pH值呈現(xiàn)較強(qiáng)負(fù)相關(guān)性，因此認(rèn)為第一主成分代表了表層土壤的養(yǎng)分累積。第二主成分與花椰菜球莖有正相關(guān)性，因此代表花椰菜中的重金屬含量。第三、第四主成分分別代表中層和下層土壤中Cd含量。

表3 Cd含量主成分分析表

利用主成分分析，對(duì)于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)進(jìn)行Cr生態(tài)安全分析，第一主成分與表層和中層土壤有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)較強(qiáng)正相關(guān)性，與花椰菜根部Cr含量呈現(xiàn)較強(qiáng)負(fù)相關(guān)性，因此認(rèn)為第一主成分代表了土壤有機(jī)質(zhì)含量與花椰菜根部Cr含量的關(guān)系。第二主成分與花椰菜球莖有正相關(guān)性，與表層土Cr含量呈負(fù)相關(guān)性，則可代表二者關(guān)系。第三主成分與中層土Cr含量呈負(fù)相關(guān)性，與下層土pH值呈正相關(guān)性，可代表二者關(guān)系。第四主成分與花椰菜葉子Cr含量呈負(fù)相關(guān)性，與下層土有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)性，可代表二者關(guān)系。第五主成分與下層土Cr含量呈正相關(guān)性，可代表下層土Cr含量。

表4 Cr含量主成分分析表

通過(guò)上述分析可以看出，土壤由于長(zhǎng)期翻耕，各個(gè)深度的Cd、Cr含量基本相同，但花椰菜各個(gè)部位的Cd、Cr含量相差較大，土壤中Cd、Cr的含量不依賴于土壤有機(jī)質(zhì)的累積，花椰菜不同組織中Cd、Cr的含量也不依賴于土壤中Cd、Cr以及有機(jī)質(zhì)含量的變化，而且Cd與Cr在花椰菜中的遷移轉(zhuǎn)化方式也不盡相同。

造成土壤Cd污染的原因是多途徑的。含Cd“三廢”是環(huán)境中Cd污染的主要來(lái)源，對(duì)農(nóng)田施加磷肥也會(huì)使得Cd含量上升。使用含Cd的水灌溉植物及蔬菜，會(huì)使植被從土壤中吸收養(yǎng)分的同時(shí)也吸收部分重金屬并累積在植被體內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也反映了Cd含量分布的相似規(guī)律。Cr污染的來(lái)源既有自然因素也有人為因素，土壤中通常以難溶形式存在。由于風(fēng)化作用進(jìn)入土壤的Cr元素，容易氧化成可溶性的復(fù)合陰離子，通過(guò)淋溶作用再轉(zhuǎn)移到地面水或地下水系統(tǒng)中，從而進(jìn)入土壤中或附著于蔬菜表面。人為污染主要以工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中加入的鉻酸鹽為主，以廢水、廢氣、廢渣的形式排入環(huán)境中，也因此較難富集于蔬菜當(dāng)中。

4. 研究區(qū)土壤和花椰菜中Cd、Cr含量的空間異質(zhì)性

變異函數(shù)的形狀反映自然現(xiàn)象空間分布結(jié)構(gòu)或空間相關(guān)的類型，本文采用不同模型對(duì)土壤重金屬進(jìn)行變異函數(shù)分析，用基底效應(yīng)（塊金值與基臺(tái)值之比）描述樣本間的空間變異程度，比值越大，樣本間的變異受隨機(jī)因素影響就越大。當(dāng)基底效應(yīng)小于0.25，表示變量的空間變異以結(jié)構(gòu)性變異為主，具有較高的空間相關(guān)性；介于0.25-0.75之間為中等程度空間相關(guān)；大于0.75時(shí)以隨機(jī)因素為主，為空間弱相關(guān)。

表5 變異函數(shù)擬合參數(shù)表

由表可知，遵循球狀模型時(shí)，中層土壤的Cd、Cr含量及下層土Cd含量存在高度空間相關(guān)，表層土Cd含量存在中等空間相關(guān)，表層土與下層土受隨機(jī)因素影響較大；遵循高斯模型時(shí)，中、下層土壤Cd含量存在較強(qiáng)空間相關(guān)性，表層土Cd含量與中層土Cr含量存在中等空間相關(guān)性，說(shuō)明其空間變異主要是母質(zhì)、土壤類型等結(jié)構(gòu)性因素引起。表層土與下層土Cr含量受隨機(jī)因素影響較大。其中Cd從變程來(lái)看，中、下層土壤Cd變程較小，變異性較大，說(shuō)明可能受到人為活動(dòng)的隨機(jī)因素的影響較大，其余變程較大，說(shuō)明在較大范圍內(nèi)存在相關(guān)關(guān)系，變異性較小，反映出結(jié)構(gòu)因素對(duì)其影響較大?？傮w結(jié)果與申廣榮[9]在崇明島的研究結(jié)果相近。

四、對(duì)策與建議

自然環(huán)境中的重金屬可以通過(guò)食物鏈的富集作用或蓄積作用在某些食品中達(dá)到很高的濃度，從而威脅人體健康。本研究結(jié)果顯示，上海崇明現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)內(nèi)土壤及花椰菜所含Cd、Cr元素污染來(lái)源不同；土壤Cd含量較高，可能與Cd元素環(huán)境本底值較高有關(guān)，Cd的空間變異性小，Cr的空間變異性大；園區(qū)生產(chǎn)的花椰菜Cd、Cr濃度較高。對(duì)于這一情況，從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者角度，可以采取多種預(yù)防措施，如農(nóng)作物輪作，降低蔬菜對(duì)重金屬的富集。另外也可以根據(jù)不同蔬菜對(duì)重金屬的富集程度，合理安排種植區(qū)域。[10]

從環(huán)境背景角度來(lái)說(shuō)，雖然崇明現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)位于崇明島東北部，距工業(yè)區(qū)較遠(yuǎn)，但廢氣可通過(guò)大氣環(huán)流遷移，建議通過(guò)控制附近工業(yè)“三廢”、特別是廢氣的排放減少重金屬沉降。同時(shí)，也應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)容易富集Cd、Cr元素的食品進(jìn)行監(jiān)測(cè)，開(kāi)展人體攝入Cd、Cr的危險(xiǎn)性評(píng)估，加大對(duì)崇明現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)及周邊污染物的治理，為公眾提供良好的食品衛(wèi)生環(huán)境。

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（責(zé)任編校：冉蓉）