胡瑞春, 項(xiàng)劍橋, 羅軍強(qiáng), 胡云飛

(湖北省地質(zhì)局 地球物理勘探大隊(duì),湖北 武漢　430056)

0　引言

隨著農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查、局部生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)工作的深入發(fā)展,近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)許多省市通過(guò)局部生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià),取得了許多獨(dú)具特色的為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)的優(yōu)秀成果。近些年來(lái),湖北省瓜菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,總產(chǎn)量3 450萬(wàn)t,居全國(guó)第4位。嘉魚(yú)縣是湖北省及武漢城市經(jīng)濟(jì)圈重要的蔬菜生產(chǎn)基地,素有“北有壽光,南有嘉魚(yú)”美稱[1]。

1　種植區(qū)基本概況

評(píng)價(jià)區(qū)位于湖北省嘉魚(yú)縣境內(nèi)的長(zhǎng)江東岸沖積平原區(qū),面積144 km2。

區(qū)內(nèi)地勢(shì)低平,氣候溫和、濕度較大、日照充足、無(wú)霜期長(zhǎng),水資源十分豐富。

土壤類型以潮土類灰潮土亞類為主,靠近長(zhǎng)江沿岸分布,遠(yuǎn)離江邊由砂土型灰潮土向壤土型灰潮土過(guò)渡,逐漸變化為壤土性潮土和粘土性潮土。其中適合種植各類蔬菜的主要土類為壤土性、粘土性潮土。

評(píng)價(jià)區(qū)土壤呈堿性,硼、鈣、鉀、鎂、磷的含量比較豐富,表層土壤經(jīng)耕作熟化,氮、磷、土壤有機(jī)質(zhì)都達(dá)到了較高水平。

2　生態(tài)地球化學(xué)背景要素

影響蔬菜作物品質(zhì)的因素較多,重金屬對(duì)土壤的污染以及土壤營(yíng)養(yǎng)組分的供給力是土壤對(duì)蔬菜作物品質(zhì)產(chǎn)生重大影響的兩個(gè)主要因素。

2.1　蔬菜品質(zhì)與土壤地球化學(xué)背景的關(guān)系因素

種植區(qū)種植蔬菜以葉類品種大白菜和包菜為主,主要位于湖沖積層及沖積層分布區(qū)內(nèi);土壤地球化學(xué)背景的總體特征為:土壤中以重金屬輕度污染為主,局部為中度污染,有益元素的富集量較高。

2.1.1種植區(qū)土壤中有害重金屬元素地球化學(xué)背景

蔬菜樣采集區(qū)土壤中主要重金屬元素賦存量見(jiàn)表1,各元素的平均含量均低于無(wú)公害蔬菜產(chǎn)地環(huán)境條件重金屬在土壤中的標(biāo)準(zhǔn)值,Cd在包菜種植區(qū)和大白菜種植區(qū)的最高含量值分別達(dá)0.92 μg/g、0.61 μg/g超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值1.53～1.02倍,為輕度污染,在受污程度上大白菜要高于包菜[2]。

表1　蔬菜種植區(qū)主要重金屬含量特征參數(shù)表Table 1　Parameter list of content property of main heavy metals in vegetable cultivation area　單位:μg/g

2.1.2種植區(qū)土壤中有益元素地球化學(xué)背景

表2中的結(jié)果參數(shù)顯示,兩種蔬菜種植區(qū)土壤中有益組分的平均含量均高于自然背景值,單指標(biāo)平均值在兩種植區(qū)的富集量基本相當(dāng),其中P的最大值達(dá)2 206 μg/g,為自然背景值的4.7倍。說(shuō)明區(qū)內(nèi)土壤中有益組分潛在供給能力較強(qiáng)。

2.2　土壤中有益有害元素遷移富集規(guī)律

眾所周知重金屬有害元素對(duì)土壤的污染危害程度主要取決于其在土壤中的賦存形態(tài)，而重金屬元素遷移、轉(zhuǎn)化及富集量大小主要取決于水溶態(tài)和離子交換態(tài)這兩個(gè)賦存形態(tài)量的多與少(表3)[3]。

表2　蔬菜種植區(qū)主要有益元素含量特征參數(shù)表Table 2　Parameter list of content property of main beneficial elements in vegetable cultivation area　單位:μg/g

表3反映了在土壤中各重金屬元素由于其化學(xué)性質(zhì)的不同,在各賦存形態(tài)分配量方面的差異。Hg、As、Cu、Zn在土壤中的非活動(dòng)態(tài)量與總量的比值均在50%以上,其次是Pb為40%左右,Cd相對(duì)較低為27%。而活性較強(qiáng)、遷移能力較大的水溶態(tài)、離子交換態(tài)的量除Cd達(dá)27.45%,其它元素的量一般僅占總量的2%～3%左右。說(shuō)明進(jìn)入土壤中的重金屬元素汞、砷、鋅相對(duì)較穩(wěn)定,活化、遷移能力較低,主要以殘?jiān)鼞B(tài)形式賦存于土壤中;銅、鉛主要以與有鐵錳、腐殖質(zhì)及碳酸鹽有關(guān)的結(jié)合態(tài)形式存在,具一定的活化、遷移能力;鎘則以具高可活動(dòng)態(tài),低殘?jiān)鼞B(tài)形式存在,具有較強(qiáng)的活性和遷移能力,對(duì)土壤的污染程度也相對(duì)較高。

表3　主要重金屬元素形態(tài)平均含量表Table 3　Average content of element speciation of main heavy metals　單位:μg/g

2.3　種植區(qū)灌溉水地球化學(xué)背景

3　影響蔬菜品質(zhì)的生態(tài)地球化學(xué)制約因素

3.1　蔬菜品質(zhì)特征

表4為本次工作所采集的蔬菜樣本的品質(zhì)各主要養(yǎng)分的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,包菜、大白菜兩類蔬菜中總糖、維生素C等養(yǎng)分的含量大致相當(dāng),前者略高于后者。按蔬菜種植區(qū)母質(zhì)層劃分對(duì)品質(zhì)對(duì)比,沖積層兩類蔬菜中的總糖、粗纖維含量高于湖沖積層包菜中的含量,而維生素C、粗蛋白的含量在湖沖積層包菜中相對(duì)較高;按種植區(qū)土類劃分對(duì)比,蔬菜中總糖含量:粘土類蔬菜>砂土類蔬菜>壤土類蔬菜;維生素C:壤土類包菜>砂土類包菜>粘土類包菜,粘土類大白菜>砂土類大白菜>壤土類蔬菜;粗蛋白砂土蔬菜中含量最高,其次是壤土、粘土;粗纖維在各土類蔬菜中的含量基本相當(dāng)。

表4　蔬菜品質(zhì)特征值統(tǒng)計(jì)表Table 4　Statistical table of eigenvalue of vegetable quality

總體上種植區(qū)的白菜類蔬菜的品質(zhì)較優(yōu),以蔬菜品質(zhì)主要養(yǎng)分平均總量計(jì)(圖1),湖沖積層區(qū)的蔬菜品質(zhì)優(yōu)于沖積層區(qū)的蔬菜品質(zhì);不同土類區(qū)蔬菜的品質(zhì),壤土種植區(qū)最好,其次是砂土種植區(qū),粘土種植區(qū)的蔬菜品質(zhì)相對(duì)較次。

3.2　不同母質(zhì)層重金屬元素賦存量對(duì)蔬菜品質(zhì)的影響

在作物賴以生長(zhǎng)的根作層土壤中重金屬有害物質(zhì)主要源自于土壤母質(zhì),為了進(jìn)一步了解不同母質(zhì)層對(duì)蔬菜作物的重金屬污染影響程度,在區(qū)內(nèi)主要土壤母質(zhì)沖積層分布區(qū)采集了同點(diǎn)配套蔬菜樣、根系土樣品44件,其中湖沖積層區(qū)18件,沖積層分布區(qū)26件。分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示見(jiàn)表5。

圖1　蔬菜品質(zhì)主要養(yǎng)分與土壤種類關(guān)系對(duì)比圖Fig.1　Contrast diagram of main nutrients of vegetablequality and soil type

表5　不同母質(zhì)層蔬菜、根系土重金屬含量參數(shù)對(duì)比表

Table 5　Contrast table of different parent material vegetable and heavy metal content of root soil 單位:μg/g

在兩種不同母質(zhì)的根系土中,主要重金屬含量均未超過(guò)土壤標(biāo)準(zhǔn)閥值[4],總量較低,如Hg在根系土中的平均含量0.07 μg/g,最高含量也僅為0.116 μg/g;Cd在湖沖積層根系土和沖積層根系土中的平均含量大致相當(dāng),但在蔬菜中則表現(xiàn)為Hg的含量較低而Cd的含量則相對(duì)較高已接近于標(biāo)準(zhǔn)限值,這是由于土壤膠體溶液中可供作物吸收的可交換活動(dòng)態(tài)離子量存在的的差異所引起的,這一特性在在圖2中體現(xiàn)得更為清晰。由此可見(jiàn),作物中重金屬富集量的大小并不完全取決于與根系土中重金屬全量的高低,而與重金屬在介質(zhì)中的重金屬離子的可活動(dòng)態(tài)量占全量比值的大小關(guān)系密切。

3.3　有益組分含量對(duì)蔬菜品質(zhì)的影響

在蔬菜的生長(zhǎng)過(guò)程中,土壤的一個(gè)重要功能就是為作物提供所必須的營(yíng)養(yǎng)組分,其供給力的大小直接

影響著作物的生長(zhǎng)和品質(zhì)的優(yōu)劣。本次選取了主要有益元素銅、鋅、鐵、錳、鉬、磷在蔬菜生長(zhǎng)過(guò)程中的影響特征加以討論。

3.3.1耕作母質(zhì)層中有益元素全量與蔬菜品質(zhì)的關(guān)系

作物在生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)土壤中營(yíng)養(yǎng)組分的攝入其實(shí)是對(duì)養(yǎng)分元素中可活動(dòng)離子的一種解吸、交換的過(guò)程,這是由土壤結(jié)構(gòu)組成和蔬菜作物的吸收功能所決定的。這一特性產(chǎn)生的結(jié)果如圖3所示。

圖3是部分有益元素在土壤中的全量與在作物中的富集量的對(duì)比圖示解析,對(duì)比結(jié)果顯示,同一元素在作物中的富集量和在土壤中的富集量,不僅在量的大小上存在明顯的差異,且在含量變化特征上也存在明顯的不一致性,說(shuō)明養(yǎng)分的總量反映了土壤中該類養(yǎng)分的潛在供應(yīng)能力。

3.3.2耕作母質(zhì)層中有益元素有效量與蔬菜品質(zhì)的關(guān)系

元素對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ),但是能被作物吸收利用的僅是其有效部分,由于母質(zhì)層的成因類型的不同以及土壤質(zhì)地上的差異,區(qū)內(nèi)各營(yíng)養(yǎng)組分在根系土中的有效供給量存在著不均勻性。區(qū)內(nèi)主要湖沖積層、沖積層根系土及不同質(zhì)地土壤中主要營(yíng)養(yǎng)元素的有效態(tài)豐缺標(biāo)準(zhǔn)[5]及含量分布特征見(jiàn)表6、表7。

對(duì)比湖北省地調(diào)院推薦的省二次農(nóng)業(yè)普查有效態(tài)豐缺標(biāo)準(zhǔn)(表7),區(qū)內(nèi)兩沖積層根系土中:有效磷的供給力充足,速效鉀在湖沖積層根系土中含量偏低,在沖積層根系土中適度;其它微量元素的有效量在兩類沖積層根系土中表現(xiàn)為:有效銅、有效鐵很富足,有效鋅、有效鉬偏低;有效錳缺乏。不同質(zhì)地土類中各有益元素的含量特征為:沙土中有效態(tài)量很富足的是Cu、Fe;Zn、B偏低,Mn缺乏,K、P的有效態(tài)量能基本滿足作物的所需量。從根系土各有益元素的有效態(tài)量與蔬菜中同類元素的富集量特征對(duì)比來(lái)看兩者呈正相關(guān)關(guān)系(圖4)。說(shuō)明土壤中營(yíng)養(yǎng)組分的有效態(tài)量的高低直接影響著作物的生長(zhǎng)質(zhì)量。

圖2　根系土重金屬全量與作物重金屬含量對(duì)比圖Fig.2　Contrast diagram of total contents of heavy metals of root soil and heavy metal content of crop

圖3　部分有益元素在根系土、蔬菜中的含量對(duì)比圖Fig.3　Contrast diagram of some beneficial elements in root soil and vegetable

表6　土壤營(yíng)養(yǎng)元素有效態(tài)豐缺標(biāo)準(zhǔn)值Table 6　Standard value of available state of nutrient elements in soil

元素含量單位一級(jí)二級(jí)三級(jí)四級(jí)五級(jí)六級(jí)很富足富足適度相對(duì)缺乏缺乏嚴(yán)重缺乏速效鉀mg/kg>200150-200100-15050-10030-50≤30有效磷mg/kg>4020-4010-205-102．5-5≤2．5有效硼mg/kg>2．01．0-2．00．5-1．00．2-0．5<0．2有效鐵mg/kg>2010-204．5-102．5-4．5<2．5有效錳mg/kg>300201-300101-20050-100<50有效銅mg/kg>1．81．1-1．80．3-1．00．1-0．3<0．1有效鋅mg/kg>5．02．1-5．01．1-2．00．5～1．0<0．5有效鉬mg/kg>0．30．21-0．30．16-0．20．15-0．1<0．1

表7　主要有益元素有效態(tài)含量特征表Table 7　Feature table of available content of main beneficial elements

3.4　土壤酸堿度與蔬菜品質(zhì)的關(guān)系

土壤中的酸堿度是又一個(gè)對(duì)蔬菜作物生長(zhǎng)具有重要影響的理化指標(biāo),pH值的高低以及變化直接影響著蔬菜作物的生長(zhǎng)和品質(zhì)的優(yōu)劣。

3.4.1土壤有效態(tài)與土壤酸堿度的關(guān)系

目前種植區(qū)作物生長(zhǎng)的根系土中pH值的平均值一般在7.7左右,屬中—偏堿性土,在當(dāng)前這種土壤有益元素的有效組分和作物所需養(yǎng)分的供需關(guān)系的平衡狀態(tài)下,當(dāng)土壤中pH值繼續(xù)升高至8.0或8.0以上時(shí),有益元素的有效態(tài)量明顯降低(圖5),特別是土壤中的堿解氮、鉀以及微量元素銅、鐵、硼的有效量下降的尤為顯著。由此可見(jiàn),偏堿—堿性土壤在抑制了有害元素的活化遷移的同時(shí),也降低了作物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)組分的活性,對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生了不利的因素。

3.4.2蔬菜中Hg、Cd生物富集系數(shù)與土壤pH值的關(guān)系

土壤的酸堿度是影響農(nóng)作物的生物富集的一個(gè)重要條件。白菜類蔬菜中元素生物富集系數(shù)(圖6),土壤pH值<7.5～7.5中偏堿性環(huán)境下,Hg、Pb、As的生物富集系數(shù)較穩(wěn)定,均在0.01以下,Cd的富集系數(shù)呈上升趨勢(shì)由0.025左右升至0.04左右。當(dāng)土壤中的pH值繼續(xù)升高7.5～8.0時(shí),Cd的生物富集系數(shù)趨于平穩(wěn)降低在0.035～0.04之間,而Hg的生物富集系數(shù)急劇升高,Pb、As的生物富集系數(shù)無(wú)明顯變化。說(shuō)明在pH值>7.5的堿性環(huán)境條件下蔬菜對(duì)土壤中的Hg反應(yīng)更為敏感,吸取量隨著土壤中pH值的增大升高。對(duì)Cd、Pb、As則反應(yīng)相對(duì)較平穩(wěn),富集系數(shù)變化不大[6]。

圖4　部分有益元素有效態(tài)量與蔬菜含量對(duì)比圖Fig.4　Contrast diagram of some beneficial elements and vegetable content

圖5　有益元素有效態(tài)含量與pH值關(guān)系特征對(duì)比圖Fig.5　Contrast diagram of available state content of beneficial elements and characteristic relationship of pH Value

圖6　蔬菜生物富集系數(shù)與土壤pH值特征對(duì)比圖Fig.6　Contrast diagram of bioconcentration factor of vegetable and characteristic relationship of pH Value

3.5　土壤肥力與蔬菜品質(zhì)的關(guān)系

土壤是蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育的母體,在衡量土壤質(zhì)量的諸多要素中,土壤肥力是一個(gè)極為重要的指標(biāo)。通常在土壤學(xué)中是將土壤中的陽(yáng)離子交換量以及與之存在有相關(guān)關(guān)系的鹽基總量參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)土壤肥力高低優(yōu)劣的。土壤中的陽(yáng)離子交換量直接反映了土壤保肥、供肥性能和緩沖的能力,鹽基總量則是判斷土壤肥力水平的一個(gè)重要參數(shù)。

3.5.1母質(zhì)根系土中陽(yáng)離子交換量

種植區(qū)土壤中陽(yáng)離子交換量平均值為14.4 cmol/kg。湖沖積層15.61 cmol/kg>沖積層13.53 cmol/kg;粘土16.44 cmol/kg>砂土13.15 cmol/kg >壤土12.13 cmol/kg。說(shuō)明湖沖積層土壤的保肥、供肥能力要優(yōu)于沖積層土壤;保肥、供肥能力最好的是粘土,其次是砂土和壤土[7]。

3.5.2土壤鹽基總量

土壤中的鹽基總量通常是作為判斷土壤肥力的一個(gè)重要參數(shù),種植區(qū)根系土中鹽基總量的平均值為30.8 cmol/kg,高于陽(yáng)離子交換量的均值,說(shuō)明總體上土壤肥力達(dá)到了中等偏上的水平;各母質(zhì)層及不同質(zhì)地的土壤中鹽基總量均值沖積層(34.52 cmol/kg)>湖沖積層(29.059 cmol/kg);粘土和砂土中的鹽基總量基本相當(dāng)為33.73 cmol/kg左右,壤土中的鹽基總量值較低僅為19.87 cmol/kg,說(shuō)明粘土、砂土中的肥力要優(yōu)于壤土。

3.6　地表灌溉水對(duì)蔬菜品質(zhì)的影響

另一個(gè)對(duì)蔬菜作物的生長(zhǎng)至關(guān)重要的影響因素就是水,作物在其生長(zhǎng)過(guò)程中,很大一部分所需營(yíng)養(yǎng)主要是通過(guò)對(duì)水的攝入進(jìn)行自身補(bǔ)給的,同時(shí)水又是土壤溶液的重要組成部分,是有益有害元素發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化的載體。

本次評(píng)價(jià)區(qū)兩種白菜種植區(qū)內(nèi)的灌溉水體中,主要重金屬污染物均未超標(biāo)。大白菜種植區(qū)灌溉水中的重金屬含量略高于包菜種植區(qū)灌溉水中的含量,其它污染物指標(biāo)氟化物、氯化物和磷在灌溉水體中的平均含量和最高值均在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi),對(duì)水體未構(gòu)成污染,適合蔬菜種植的灌溉。

4　結(jié)語(yǔ)

綜上所述,在目前的環(huán)境條件下,種植區(qū)耕作層土壤中主要重金屬有害物質(zhì)Hg、Cd、As、Pb的含量在國(guó)家有關(guān)無(wú)公害蔬菜衛(wèi)生指標(biāo)規(guī)定限值內(nèi),仍然處于一個(gè)較低的水平狀態(tài),說(shuō)明種植區(qū)土壤質(zhì)量是相對(duì)安全的;種植區(qū)白菜類蔬菜中主要重金屬指標(biāo)含量按衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)衡量(5003—2001)具含量低,生物富集系數(shù)小的特點(diǎn),其質(zhì)量均達(dá)到了無(wú)公害蔬菜標(biāo)準(zhǔn),屬優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。區(qū)內(nèi)優(yōu)質(zhì)包菜最適宜種植的土壤為第四系全新世沖積層壤土;大白菜的最適宜種植的土壤為第四系全新世湖沖積層壤土,土壤酸堿度控制在7.5～8.5為好。

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